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第一章有机合成反应理论 朱健 本章内容 1 1单元反应的分类1 2有机反应的基本过程1 3脂肪族取代反应理论1 4芳香族取代反应理论1 5自由基反应理论 1 1单元反应的分类 单元反应 为了在脂链 脂环 芳环 杂环上引入或者形成各种取代基 所采用的各种化学反应 常见的取代基单元反应分类 根据取代基类型分类 磺化 硝化 卤化 烷基化 根据反应机理分类 芳环上的H被各种取代基取代的反应 取代 芳环上的取代基转变为另一种取代基 置换 形成杂环或新的碳环的反应 成环缩合 常见的取代基 1 SO3H SO2Cl SO2NH22 NO2 NO3 Cl Br F I CH2Cl CHCl2 CCl3 CF3等4 NH2 NHAr NHOH NHNH2 NHAc NHR NRR 5 R6 COOH COR COAr COH COOR COCl CONH27 OH OR OAr OAc8 N2 Cl N2 HSO4 N NAr 1 2有机反应的基本过程 五个基本过程 键的断裂链的形成键的断裂与形成同步发生分子内重排作用电子传递 键的断裂 均裂 异裂 键的形成 两个游离基的结合 两个相反离子的结合 一个离子和一个中性分子的结合 键的断裂和形成同步发生 断裂一个单键 形成一个单键 一个双键转化形成单键同时形成一个单键 分子内重排 电子转移 1 3脂肪族取代反应理论 1 3 1脂肪族亲核取代反应 同步取代反应 SN2历程 先消除再取代反应 SN1历程 先加成再消除反应 四面体历程1 3 2脂肪族亲电取代反应 双分子历程 单分子历程 取代伴随双键移动 1 3 1脂肪族亲核取代反应 通式 SN反应 S 取代 substitution N 亲核 nuclear R X 底物 Nu 亲核试剂 进入基团 X 离去基团 典型反应与应用 卤代烷的各类取代反应 P1表1 1 1 3 1脂肪族亲核取代反应 反应历程 同步取代 SN2历程 先消除后加成 SN1历程 先加成后消除 四面体历程 SN2历程 亲核试剂从反应物离去基团背面向碳原子进攻 形成一个较弱的键 同时 离去基团与碳原子的键有所减弱 两者与碳原子成直线形状 碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变为平面 形成过渡态 形成过渡态消耗的能量为活化能DE 过程需要较大能量 是比较慢的一个过程 控制反应速度反应动力学与底物和亲核试剂浓度都有关系 SN1历程 反应分步进行 底物先离解形成碳正离子与带负电荷的离去基团 这种离解过程需要消耗能量 是控制反应速度的慢的一步 然后 离解形成的碳正离子立即与亲核试剂反应 这一过程的速度极快 是快的一步反应动力学只与底物浓度有关 反应的影响因素 烷基结构 空间效应和电子效应SN2历程反应 空间效应决定 SN1历程反应 电子效应决定 立体化学和重排 SN2 构型翻转 SN1 消旋 进入基团 碱性和极化性碱性强 亲核性强 但是容易受溶剂影响 溶剂选择 可极化性大 亲核性强 不受溶剂影响 离去基团 碱性弱 易离去溶剂效应 SN1历程 质子溶剂酸性强有利 溶剂极性大好 SN2历程 偶极溶剂比较好 溶剂极性小较好 常见脂肪族亲核取代反应 a氧亲核试剂酯水解 羧酸的酯化 酯的醇解 酰卤的醇解等 可以应用于涂料粘合剂的生产中 b硫亲核试剂 SH基或 SR基在烷基碳上攻击 主要用于表面活性剂的制备中 c氮亲核试剂N 烷化 N 酰化 酰胺和酰亚胺的N 烷化 N 酰化 以及亚硝酸根 N02 叠氮基 N3 异氰酸根 NCO 等 可以用于生产阳离子表面活性剂 d卤亲核试剂常用卤化氢 无机酰卤等 可以用于卤代烷的生产 e在磺酰基硫上的亲核取代反应表面活性剂 1 3 2脂肪族亲电取代反应 反应历程 双分子历程SE2 双分子历程SEi 单分子历程SE1 亲电取代伴随双键移动 1 4 1芳香族亲核取代反应1 4 1 1反应动力学与历程 1 4 1 2对氢的亲核取代反应 1 4 1 3对非氢的亲核置换反应 1 4 2芳香族亲电取代反应1 4 2 1苯的一元亲电取代反应 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 1 4 2 3苯的多元亲电取代反应 1 4 2 4稠环芳烃的亲电取代反应 1 4芳香族取代反应 1 4 1 1芳香族亲核取代反应 反应类型 芳环上氢的亲核取代芳环上已有取代基的亲核取代通过苯炔中间体的亲核取代 反应历程 双分子反应历程单分子反应历程苯炔中间体历程 亲核试剂类型 负离子 OH RO ArO 等 极性分子中偶极的负端 含氮化合物 芳烃的亲核反应要难于亲电反应 苯环上电子云密度较高 不利于亲核试剂的进攻 1 4 1反应动力学与历程 双分子反应 吸电子基团活化的取代苯 证实 迈森海默络合物的获得 P49 37 1 4 1反应动力学与历程 单分子反应 芳香重氮盐的亲核置换 证实 1 4 1反应动力学与历程 通过苯炔中间体的取代 氯苯和溴苯的氨解 证实 1 4 2对氢的亲核取代反应 发生十分困难 吸电子基团取代有利于反应进行 相对于氢来说比较容易 具体可以见P52 53 用途 用于在苯环上直接引入直接在芳环上引入 OH OR OAr NH2 HHR NRR NHAr CN和 SH等 或者为了在指定位置引入磺基或卤基 1 4 3对非氢的亲核取代反应 1 4 2芳香族亲电取代反应 苯的分子结构 容易发生亲电反应 加成会破坏共轭结构 因此只能发生取代反应 C原子是sp2杂化 p轨道相互重叠 形成一个大p键 p电子高度离域 环上下面电子云密度高 结构特点 亲电取代反应 1 4 2芳香族亲电取代反应 p络合物 和 s络合物 芳烃与亲电试剂接触时 它先与芳环平面两侧的环状p电子发生松散结合 形成p络合物 但是此时没有化学键形成 对于亲电能力较强的试剂 形成p络合物后 将进一步从芳环夺取一对电子 与环上的某一碳原子形成s键 称作s络合物 比较稳定 1 4 2芳香族亲电取代反应 反应历程 第一步 第二步 亲电试剂E 和芳烃先形成s络合物 s络合物由于破坏原来的芳香结构 进一步理解形成取代产物 机理的证明可以通过同位素效应进行 用混酸作为硝化试剂分别对苯 氘代苯和氚代苯进行硝化时 测得三者的反应速度几乎相等 即没有同位素效应 说明反应中k2 k1 k 1 即生成s络合物是反应速度的控制阶段 而脱质子是快速阶段 P23 表1 3更多例子 1 4 2芳香族亲电取代反应 反应的可逆性 吸电子基团取代后 导致苯环上电子云密度降低 特别是与吸电子基团相连的碳原子电子云密度降低更多 H 更加不容易进攻 所以反应不可逆 推电子基团取代后 导致苯环上电子云密度增加 尤其是与吸电子基团相连的碳原子电子云密度增加更多 有利于H 进攻 所以反应可逆 特例 磺化反应的可逆 亲电的H 距离苯环距离很小 容易进攻 导致反应可逆 1 4 2芳香族亲电取代反应 诱导效应由相邻键的极化而引起某个键的极化 对邻键影响最大 给电子诱导效应 使电子云向苯环偏移 增强 负电荷基团 吸电子诱导效应 使电子云向取代基偏移 消弱 杂原子基团 各种取代基的诱导效应 P27表1 5 共轭效应共轭体系内取代基引起的共轭体系的电子云密度的变化 因而对分子的偶极矩产生影响 给电子共轭效应 供给苯环电子 富电子基团 氨基等 吸电子共轭效应 移走苯环电子 缺电子基团 硝基等 超共轭效应s键与p键共轭的效应 一般都是烷基 烷基中C H键数量多的超共轭效应大 取代基的电子效应 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 意义 一元取代苯再进行一次亲电取代的反应 反应结果 形成二元取代苯 目的 制备各种芳香族中间体产品 关键 第二个基团的取代位置和难易程度 取代基只有正的诱导效应 如烷基 结果 使苯环上面电子云密度增加 活化亲电试剂和苯环间的反应 取代基中与芳环相连的原子有孤对电子 结果 例子 O NR2 NHR NH2 OH OR F Cl Br I等 都具有负的诱导效应 降低苯环上面的电子云密度 然而 由于孤对电子还可以与苯环发生正的共轭效应 一般共轭效应大于负的诱导效应 最终结果使苯环电子云密度增加 活化亲电试剂和苯环间的反应 卤素由于其正的共轭效应小于负的诱导效应 而使苯环与亲电试剂的反应钝化 是比较特殊的情况 取代基具有负的诱导效应 而且与苯环相连的原子没有孤对电子 结果 例子 NR3 NO2 CF3 CN SO3H CHO COR COOH等 使苯环上电子云密度降低 钝化亲电试剂与苯环的取代反应 二元取代的定位规律 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 取代基的分类 P29表1 7 二元取代的定位规律 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 苯环定位规律 不同类型取代苯环上有效电荷分布 取代基对苯环上电子云密度有很大影响 电子云密度不同 亲电试剂进攻的难易程度不同 二元取代的定位规律 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 推电子取代基取代苯的二元亲电取代定位规律 推电子取代基使其邻对位带有静态的负电荷 有利于亲电试剂的进攻 推电子取代基取代苯在亲电试剂进攻其邻对位形成的s络合物由于有推电子取代基参加其正电荷的分散 因而相对于没有推电子取代基参加正电荷分散的间位s络合物稳定 有利于降低反应的活化能 P30 1 68 1 69 亲电取代反应比没有取代苯容易 而且以邻对位取代为主 邻对位取代s络合物中的稳定因素 间位取代s络合物中推电子取代基不能参与正电荷分散 二元取代的定位规律 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 吸电子取代基取代苯的二元亲电取代定位规律 吸电子取代基使苯环共轭电子体系电子云密度降低 不有利于亲电试剂的进攻 相比而言 间位比较有利于亲电试剂进攻 吸电子取代基取代苯在亲电试剂进攻其邻对位形成的s络合物由于存在正电荷集中的共振结构 因而其能量相对于间位s络合物高 相应的反应活化能大 不利于反应发生 P32 1 70 1 71 1 72 亲电取代反应比没有取代的苯难于发生 反应以间位取代为主 邻对位取代s络合物中的不稳定因素 间位取代s络合物中没有类似的不稳定结构 二元取代的定位规律 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 卤素取代苯的二元亲电取代定位规律 卤素的共轭推电子效应弱于吸电子诱导效应 因而最终导致卤素取代苯上电子云密度要低于未取代的苯 不利于亲电试剂进攻 亲电试剂进攻卤代苯邻对位时形成的s络合物由于有卤素的参与而能够分散部分正电荷 使其得到一定程度的稳定 能量要低于没有卤素参与分散的间位s络合物 因而邻对位反应占优势 P33 1 73 1 74 1 75 亲电取代反应比没有取代的苯难于发生 反应以邻对位取代为主 邻对位取代s络合物中的稳定因素 间位取代s络合物中没有类似的稳定结构 影响二元取代产物异构体比例的因素 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 影响二元取代产物异构体分配比例的因素是十分复杂的 主要包括 取代基的电子效应和空间效应 介质与底物的相互作用 介质与进攻试剂的相互作用 以及由此引起的进攻试剂与底物之间的相互作用的改变 不同条件下引起的过渡态结构改变等 影响二元取代产物异构体比例的因素 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 已有取代基的空间效应和极性效应 反应剂的空间效应和极性效应 反应条件的影响 极性类似时 空间效应主导 烷基苯硝化时候体积增大 对位产物增多极性相差大时 极性效应主导 卤代苯硝化时从F到I 虽然体积增大 但是邻位产物增加 就是由于极性效应的影响 亲电试剂的体积大 对位产物多 个别情况亲电试剂可以与已有取代基形成络合物 使邻位产物含量增加 温度 增加温度 可以使反应从不可逆转变成可逆 导致热力学稳定产物增加 P38 催化剂 影响亲电试剂能力 介质 通过溶剂化程度影响底物和亲电试剂 苯的二元亲电取代分速因素 1 4 2 2苯的二元亲电取代反应 分速因素 取代苯中某一位置的二元取代速度与苯的一个位置的一元取代速度之比 可以用于比较取代苯上各个位置的反应速率 其中fzz位置的分速因素 z邻 对 间位 yz位置的数目 kr取代苯与苯的相对取代反应速率常数 xz位置异构产物的分数 例子 甲苯硝化反应 产物 邻位61 4 间位1 6 对位37 kr27 求分速因素 1 4 2 3苯的多元亲电取代反应 苯环上已有取代基的定位效应具有加和性 当苯环上已有取代基对新取代基定位效应不一致时 新取代基进入苯环的位置取决于已有取代基定位效应的强弱 当苯环上两个取代基都是钝化基时 很难再进入新取代基 取代基一般不进入1 3 取代苯的2位 P40 1 4 2 4稠环芳烃的亲电取代反应 萘的一元亲电取代 a 取代的中间体正离子共振结构 b 取代的中间体正离子共振结构 通常条件下 亲电取代时 a位比b位活泼 主要得到a位取代产物 高温磺化时得到热力学稳定产物 b位取代产物 空间位阻 硝化 氯