《1有机合成反应理论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1有机合成反应理论（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 1 有机合成反应理论有机合成反应理论Principle of Organic ReactionPrinciple of Organic Reaction1本章内容本章内容v1.1 脂肪族亲核取代反应v1.2 脂肪族亲电取代反应v1.3 芳香族亲电取代反应v1.4 芳香族亲核取代反应v1.5 自由基反应21.1 1.1 脂肪族亲核取代反应脂肪族亲核取代反应Nucleophilic substitution of aliphatic compoundsNucleophilic substitution of aliphatic compoundsNucleophilic substitutio
2、n of aliphatic compoundsNucleophilic substitution of aliphatic compounds R:为脂肪族烃基X(离去基团离去基团): Hal-、RSO3-、HO-、+N2-Nu-(亲核基团亲核基团):Hal-、OH-、RO-、RCOO-、RS-、CN-、N3-3亲核取代反应类型亲核取代反应类型（1 1）中性底物）中性底物+ +中性亲核体中性亲核体（2 2）中性底物）中性底物+ +负离子亲核体负离子亲核体4（3 3）正离子底物）正离子底物+ +中性亲核体中性亲核体（4 4）正离子底物）正离子底物+ +负离子亲核体负离子亲核体5脂肪族亲核反应历
3、程分类SN2反应历程：双分子亲核取代SN1反应历程：单分子亲核取代SNi反应历程：自位亲核取代6S SN N2 2反应反应进攻与离去同时进行二级反应动力学7例如：溴甲烷（R1=R2=R3=H）在碱中的水解如果三个取代基团不同则发生构型反转构型反转（叫Walden翻转）8过渡态中，中心碳原子从过渡态中，中心碳原子从spsp3 3杂化变成具有空杂化变成具有空p p轨道的轨道的spsp2 2杂化，杂化，此时空此时空p p轨道一瓣与亲核进攻基团重叠，另轨道一瓣与亲核进攻基团重叠，另一瓣与离去基团重叠一瓣与离去基团重叠。正如此，亲核反应中没发现有。正如此，亲核反应中没发现有从前面进攻的从前面进攻的S S
4、N N2 2机理。机理。为什么？为什么？S SN N2 2反应的能量过程反应的能量过程9S SN N2 2反应举例（反应举例（1 1）Regan C K, Craig S L, Brauman J I. Science, 2002, 295: 2245224710S SN N2 2反应举例（反应举例（2 2）less stable product formed and proceeds through a less stable T.S. Boger D L. Modern Organic Synthesis. TSRI Press. 1999: 2511由于过渡态空间效应的存在反式异构体的活
5、化能或自由能 (Ea, or G)要比顺式高，所以 kcis ktrans反式异构体反应动力学更慢，热力学更不稳定。Boger D L. Modern Organic Synthesis. TSRI Press. 1999: 2512S SN N1 1反应反应一级反应动力学消旋化13S SN N1 1反应的能量过程反应的能量过程14S SN N1 1与与S SN N2 2反应的不同点反应的不同点反应历程不同反应历程不同：决速步SN1为单分子离解；SN2为双分子加成反应过程能量表现形式不同反应过程能量表现形式不同： SN1存在中间体，有两个过渡态； SN2不存在中间体，只有一个过渡态反应动力学不
6、同反应动力学不同：SN1为一级反应；SN2为二级反应反应产物立体构型不同反应产物立体构型不同： SN1反应产物为消旋体混合物； SN2反应产物仅有构型翻转一种立体异体构15S SN N1 1与与S SN N2 2反应的相同点反应的相同点反应产物具有相同的分子式和化学性质同为亲核试剂对反应底物的亲核进攻二者仅是亲核取代反应历程的两种极端表现，大多数反应是混合反应历程大多数反应是混合反应历程，同时具有SN1和SN2反应特点，只是各占比例不同而已16混合反应历程混合反应历程对大多数脂肪族亲核取代而言，反应为SN1与SN2反应的混合历程，表现为：反应动力学为非整数级数，处于1和2之间构型保持和构型翻转
7、反应产物所占比例非整数，对单一立体异构体反应底物而言，产物旋光处于零和最大值之间不同反应条件下两种反应历程所占比例可调17反应举例反应举例在低于0.15molL-1的NaOH溶液中水解时18主19S SN Ni i反应反应有一种分子内亲核取反应可以使产物构型得到保有一种分子内亲核取反应可以使产物构型得到保持，反应分两步进行持，反应分两步进行: :第一步是第一步是S SN N1 1反应反应，底物分解成碳正离子；第二步是部分离去基自身自身另一亲核端进攻碳正离子，由于离子对的存在不能到达后面，因此只有从前面进攻，得到构型保持构型保持产物，这种反应历程叫SNi反应。20最典型的就是醇用氯化亚砜进行取代
8、合成氯代烷的反应：SNi21支持这种机理的证据支持这种机理的证据：加入吡啶时部分构型翻转。22而ROSOCl的热分解是一级反应23影响反应历程的因素影响反应历程的因素（1）取代基结构 电子效应和空间效应：空间效应为主。溴代烷与碘负离子的卤素交换SN2反应活性：24卤代烷烃SN1反应活性高低次序是：烯丙基卤 苄基卤 叔卤烷 仲卤烷 伯卤烷 卤代甲烷25碳正离子稳定性碳正离子稳定性碳正离子稳定性决定了反应历程：碳正离子越稳定稳定稳定稳定，越偏向于S S S SN N N N1 1 1 1反应反应反应反应历程；反之就越偏向于S S S SN N N N2 2 2 2反应反应反应反应。反应碳原子上取代
9、基越多多，一般来说越有利利利利于S S S SN N N N1 1 1 1反应发生。26对烷基烷基烷基烷基取代基而言，稳定碳正离子是通过较多C-HC-HC-HC-H键键键键对碳正离子的空轨道发生超共轭超共轭超共轭超共轭作用使正电荷分散来实现的；对烯基或芳基烯基或芳基烯基或芳基烯基或芳基取代基来说，则是通常 - - - -电子电子电子电子与碳正离子的空轨道共轭共轭共轭共轭来稳定碳正离子的。通常共轭作用大于超共轭作用共轭作用大于超共轭作用共轭作用大于超共轭作用共轭作用大于超共轭作用。27（2 2）重排）重排有些卤代烷从结构看应偏向于SN2反应，但一定条件下却还可以发生SN1反应，原因是重排的发生。
10、在乙醇中与乙醇钠反应（存在强亲核性的乙醇负离子）：SN2反应28在乙醇中无乙醇钠存在反应（无强亲核性离在乙醇中无乙醇钠存在反应（无强亲核性离子）：子）：S SN N1 1反应反应29（3 3）进攻基团）进攻基团进攻基团给电子能力越强，成键就越快，其亲给电子能力越强，成键就越快，其亲给电子能力越强，成键就越快，其亲给电子能力越强，成键就越快，其亲核性就越强核性就越强核性就越强核性就越强。亲核性强一般其碱性也强，但二者有区别：碱碱性是对质子的亲合能力性是对质子的亲合能力；亲核性是碱在过渡态对碳原子的亲合能力。亲核能力取决于两个因素：碱性和可极化性。一般第三、四周期元素亲核性强，第二周期元素碱性强。
11、30碱性强弱受溶剂影响大，而可极化性则为元素本身性质，通常不受溶剂影响。如I-、HS-和SCN-等的可极化性很高但碱性很弱，不易被质子化和溶剂化因此显示出很高的亲核性。对离子体积较小的卤素负离子而言，碱性强但可极化性低，在亲核反应中显示出明显的差别：在质子质子溶剂溶剂中，与质子形成强氢键，反应时需消耗能量去溶剂化，所以反应活性降低活性降低；在极性非质子溶剂极性非质子溶剂中则不易溶剂化，因此显示出强碱性，反应活性高活性高。31在质子溶剂中，常见亲核试剂活性：在质子溶剂中，常见亲核试剂活性：RS- ArS- I- CN- OH- N3- Br- ArO- Cl- Py AcO- H2O在极性非质子
12、溶剂中，卤素亲核反应活性：在极性非质子溶剂中，卤素亲核反应活性：F- Cl- Br- I-32离去基团与碳键的强弱决定了其离去难易程度。C-XC-X键越弱键越弱X X- -就越易离去就越易离去。一般来说，离去基团的离去性越好，反应越偏向于SN1反应。常见的离去基团有：卤素、硫酸酯、磺酸酯和有机羧酸酯等。其共同的特点是：能形成稳定的负能形成稳定的负离子离子。（4 4）离去基团）离去基团33对于不易离去的基团如OH-和OR-等则通常需要用催化剂降低其碱性以使之离去性增强。 34（5 5）溶剂效应）溶剂效应易于质子化的离去基团在质子性溶剂中容易与质子通过氢键溶剂化使离去基团负电荷得到分散，因此负离子
13、更为稳定，有利于离解反应，也就是利于SN1反应进行。对于非质子溶剂而言，不易发生溶剂化，因此有利于SN2反应进行。35增加溶剂的极性对SN1反应更为有利；而SN2反应过渡态电荷更分散，极性较反应物小，因此溶剂极性增加不利于过渡态形成，从而不利于SN2反应进行。361.2 1.2 脂肪族亲电取代反应脂肪族亲电取代反应Electrophilic substitution of aliphatic compoundsElectrophilic substitution of aliphatic compoundsElectrophilic substitution of aliphatic comp
14、oundsElectrophilic substitution of aliphatic compounds 亲电取代亲电取代是缺电子的亲电试剂对富电子的底物进攻反应生成新的化合物并脱去另一缺电子基团的反应。与亲核取代电性相反，但有相似反应历程：双分子亲电反应为SE2反应；单分子亲电反应为SE1反应。37S SE E2 2反应历程反应历程双分子亲核取代是进攻基团带电子对电子对与p空轨道重叠，而空轨道是以碳原子为中心呈180分布，因此最终表现为构型翻转。而双分子亲电取代则不一样。因为亲电试剂是以空空轨道进攻轨道进攻，出现了从前面和后面两个可能进攻的方向。从前面进攻历程叫SE2（前面），产物构型保
15、持；从后面进攻叫SE2（后面），产物构型翻转。38S SE Ei i反应历程反应历程第三种可能的双分子亲电反应是亲电试剂中富电子部分协助协助协助协助离去基团的除去，形成四中心过渡态，得到构型保持的产物。39SE1反应历程40羰基的-溴化反应:41脱羧反应:421.3 1.3 芳香族亲电取代反应（芳香族亲电取代反应（S SE EAr)Ar)1.3.1 1.3.1 苯的一元亲电取代反应苯的一元亲电取代反应 苯由于特殊的富电子大键结构，显示出碱碱性性，不易受亲核试剂进攻，而易受亲电试剂易受亲电试剂进攻进攻。43反应历程反应历程441.3.2 1.3.2 苯的二元亲电取代反应苯的二元亲电取代反应苯二元
16、取代二元取代是一取代苯再进行第二次取代的反应。当第二次取代反应是取代已有基团时，叫自位（自位（ipsoipso) )取代取代。二元亲电取代具有位置选择性，受取代基性质（最重要）、亲电试剂性质、反应可逆性和反应条件（温度、催化剂、溶剂）影响。45影响定位效应的因素：取代基性质影响定位效应的因素：取代基性质给电子基团给电子基团给电子基团给电子基团起活化活化活化活化作用；吸电子基团吸电子基团吸电子基团吸电子基团起钝化钝化钝化钝化作用。通常活化基团活化基团使第二个亲电取代基进入苯环的邻、邻、对位对位；钝化基团钝化基团使第二个亲电取代基进入苯环的间位间位；但对某些特殊的取代基如卤素和吸电子作卤素和吸电子
17、作用大的烯基用大的烯基为钝化钝化基团，但却具有邻、对位邻、对位定位偏向。46取代基性质及定位规律取代基性质及定位规律定位规律强度取代基电子效应综合性质邻、对位定位最强O-给电子诱导效应，给电子共轭效应活化基团强NR2, NHR, NH2, OH, OR吸电子诱导效应小于给电子共轭效应*给电子诱导效应，给电子超共轭效应中OCOR, NHCOR弱NHCHO, C6H5, CH3*, CR3*弱F, Cl, Br, I, CH2Cl, CH=CHCOOH, CH=CHNO2吸电子诱导效应大于给电子共轭效应钝化基团间位定位强COR, CHO, COOR, CONH2, COOH, SO3H, CN,
18、NO2, CF3#, CCl3#吸电子诱导效应，吸电子共轭效应#只有吸电子诱导效应最强NH3+, NR3+吸电子诱导效应47烷基中的取代基对苯环的电子作用以及定位效应产生重要影响，一般苯环侧链侧链 - -碳上碳上取代基对苯环的影响最大。 -碳以后的取代基主要是空间效应。48定位规律实质定位规律实质从反应速率看从反应速率看从反应速率看从反应速率看：当亲电取代反应中邻、对位取代速率大而间位取代速率小，结果就显示出邻、对位定位效应；反之则为间位定位效应。从中间体稳定性来看从中间体稳定性来看从中间体稳定性来看从中间体稳定性来看：正电荷在Wheland中间体中越分散、存在比较稳定共振式越多，就越稳定。从
19、活化能高低来看从活化能高低来看：反应活化能越低，表示生成中间体所需的能量就越少，中间体就越稳定，也就越容易进行反应。49邻、对位定位亲电取代中间体共振式50间位定位基亲电取代中间体共振式51苯酚一氯化能量变化示意图硝基苯硝化能量变化示意图52钝化作用的邻、对位定位基亲电取代53影响苯二元产物异构体比例的因素：影响苯二元产物异构体比例的因素：（1 1）反应温度）反应温度反应温度会影响二元取代产物邻、间、对异构体比例，对不可逆反应来说，提高反应温度，优势异构体的比例将减小，劣势异构体比例增大。54硝化温度/ 邻位/%对位/%间位/%04.751.3993.9256.122.0691.8406.47
20、2.3590.990891290硝基苯的硝化：55某些亲电取代反应是可逆的，如磺化和C-烷基化。磺化产物0/%100/%200/%邻甲苯磺酸42.713.34.3对甲苯磺酸53.578.735.2间甲苯磺酸3.88.054.156对邻、对位取代基来说，反应产物邻、对位异构体比例按统计学算为2 : 1，但几乎不可能达到这一数值。原因主要有两个：电子效应电子效应电子效应电子效应：对邻、对位定位基团邻、对位定位基团来说通常是对位碳上的电子云密度大于邻位，因此亲电取代产物中对位往往多于邻位对位往往多于邻位。空间位阻效应空间位阻效应空间位阻效应空间位阻效应： （2 2）空间效应）空间效应57X邻位/%对
21、位/%邻/对F12880.14Cl30700.43Br37620.60I38600.63电子效应例子电子效应例子电子效应例子电子效应例子: :58空间位阻效应例子空间位阻效应例子空间位阻效应例子空间位阻效应例子: :59不同催化剂可以改变异构体比例，有两种情况：不同催化剂可以改变异构体比例，有两种情况：催化剂与亲电试剂配合增强亲电性质增强亲电性质增强亲电性质增强亲电性质减小位置选择性；还增大了空间体积增大了空间体积增大了空间体积增大了空间体积使得对位比例增大。（3 3）催化剂）催化剂溴化反应溴化反应60催化剂催化剂改变反应历程改变反应历程，如蒽醌用硫酸汞，如蒽醌用硫酸汞为催化剂时，磺化反应发生
22、在为催化剂时，磺化反应发生在 - -位，不位，不用催化剂时发生在用催化剂时发生在 - -位。位。61（4 4）亲电试剂）亲电试剂邻位效应62（5 5）反应的可逆性）反应的可逆性对于可逆反应，空间效应起主要作用，而反应可逆性在很大程度上与反应温度有关与反应温度有关与反应温度有关与反应温度有关。通常相对低温反应不相对低温反应不相对低温反应不相对低温反应不可逆，相对高温反应可逆可逆，相对高温反应可逆可逆，相对高温反应可逆可逆，相对高温反应可逆，如甲苯烷基化反应，低温主要生成邻、对位；高温可逆，以间位产物为主。631.4 1.4 芳香族亲核取代反应（芳香族亲核取代反应（S SN NAr)Ar)芳香族亲
23、核取代是亲核试剂对芳环进攻产生的反应，分为芳环上氢的取代、已有取代基的取代（基团置换）和通过苯炔中间体的亲核取代。从反应历程来看有三种：双分子历程双分子历程双分子历程双分子历程、单分子单分子单分子单分子历程历程历程历程和苯炔历程苯炔历程苯炔历程苯炔历程。641.4.1 1.4.1 双分子反应历程（双分子反应历程（S SN N2Ar)2Ar)稳定65能量过程能量过程66硝基也可以作为离去基团被亲核进攻：67与脂肪族双分子亲核取代的区别与脂肪族双分子亲核取代的区别脂肪族双分子亲核取代反应为协同过程协同过程，亲核基团进攻与离去基团离去是同步进行的，没有稳定的中间体。芳香族双分子亲核取代反应分两步进行
24、两步进行，亲核基团先进攻生成Meisenheimer中间体，然后离去基团再离去得到产物，具有稳定的中间体，在一定条件下甚至可以分离出来。68SN2SN2Ar691.4.2 1.4.2 单分子反应历程（单分子反应历程（S SN N1Ar)1Ar)单分子亲核取代反应最常见的就是芳香重氮盐的亲核置换反应。701.4.3 1.4.3 苯炔反应历程苯炔反应历程卤苯（含给电子基团的化合物）在强碱（氨基金卤苯（含给电子基团的化合物）在强碱（氨基金属化合物）作用下会脱去一分子卤化氢得到苯炔属化合物）作用下会脱去一分子卤化氢得到苯炔化合物，再与亲核试剂反应生成最终产物。其过化合物，再与亲核试剂反应生成最终产物。
25、其过程可以描述为程可以描述为消除消除加成加成机理。机理。71化学证据化学证据72又如邻碘苯甲醚的胺化反应：731.4.4 1.4.4 对氢的亲核取代反应对氢的亲核取代反应如果苯环上有强吸电子基团存在，则可以将苯环电子强烈吸引过来，易受亲核进攻。反应具有邻、对位定位效应。74已有取代基对苯环再取代反应定位效应影响已有取代基对苯环再取代反应定位效应影响给电子基团使苯环电子云密度增大，有利于亲电反应进行，表现为邻、对位定位效应；由于巨大的电子排斥作用通常不能发生亲核取代。吸电子基团使苯环电子云密度减小，在亲电反应中表现为间位定位效应，在亲核反应中表现为邻、对位定位效应。75GD：给电子基团GW：吸电
26、子基团761.5 1.5 自由基反应自由基反应亲电反应是亲电试剂空轨道进攻；亲核反应是亲核试剂电子对进攻；自由基反应是单电子进攻。常见的自由基反应有：燃烧、爆炸、烷烃气相氯化、氧化、基团脱除等。77光照：可见和紫外光，优点是可在任何温度下进行化学引发：热解：通常为50150下使引发剂分解生成自由基，如AIBN、过氧化物等氧化还原反应：常用化学引发剂有空气、高价金属离子（如三价铁与醛类反应产生酰基自由基）自由基引发常用方法：自由基引发常用方法：78自由基反应历程自由基反应历程自由基反应经过链引发、链增长和链终止三个步骤。具有活性高、反应迅速、选择性差、副产物多等特点。链引发 Cl22Cl链增长
27、Cl + CH4 CH3 + HCl CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl链终止 Cl + Cl Cl2 CH3 + Cl CH3Cl CH3 + CH3 CH3CH379自由基反应分类自由基反应分类夺取反应夺取反应：自由基与饱和键反应，如乙苯与溴反应。80加成反应加成反应：偶联或歧化反应偶联或歧化反应：81亲电加成机理反应举例反应举例自由基机理82反马氏规则符合马氏规则主产物历程：（自由基加成）主产物历程：（自由基加成）副产物历程：（亲电加成）副产物历程：（亲电加成）83反应举例反应举例Sandmeyer反应还原反应引发84KI与重氮基的碘代反应由I-还原重氮正离子引发：8586反应举例反应举例87
