有机反应机理3.ppt

1 3重要极性反应及机理回顾 续 1 3 5不饱和碳原子上的亲核取代反应 1 3 7芳环上的亲电取代反应 1 3 6不饱和烃的亲电加成反应 1 3 4不饱和碳原子上的亲核加成反应 1 3 3 消除反应 1 3 3 消除反应 反应通式 反应可按E1 E2和E1CB几种不同的机理进行 E1消除 E2消除 E1CB消除 不同消除机理过渡态结构比较 E2 E1 E1CB E1CB特征增加 E1特征增加 介质酸碱性对反应机理的影响 碱性条件下按E2或E1CB机理消除 酸性条件下按E1机理消除 E2消除的条件和特征 立体选择性 对向消除 E2消除立体选择性的解释 立体电子效应的要求 对位交叉式构象较稳定 对向消除 同向消除 有利于E1CB消除的条件 氢酸性强 离去基团离去倾向小 例如以下醇脱水生成烯烃的反应 羟基离去倾向小 而 氢受羰基影响酸性强 有利于E1CB消除 有利于E1消除的条件 酸性介质 形成稳定的正碳离子中间体 例如以下反应 机理 消除反应的区域选择性 Zaitsev消除和Hofmann消除 Zaitsev消除 具有 氢原子的卤代烃或其它烃衍生物在碱的醇溶液中消除卤化氢或其它小分子生成烯烃的反应称作Zaitsev消除 例如 Zaitsev消除的机理 通常为E2消除 Zaitsev消除的区域选择性 生成取代较多的烯烃 也称作Zaitsev取向 预测以下反应的主要产物 Hofmann消除 1851 胺经彻底甲基化生成季铵盐 再在碱的作用下分解为甲胺衍生物和烯烃的反应称作Hofmann消除 HofmannAW Volatileorganicbases Ann 1851 78 253 286 Hofmann消除的区域选择性 如果氨基的 和 位均含氢 通常得到取代较少的烯烃 称作Hofmann取向 如果氨基与脂环烃相连 消除往往服从Zaitsev取向 Hofmann消除的机理 通常认为Hofmann消除也是E2消除 但从区域选择性分析 有些反应可能更多地具有E1CB特征 E2与SN2的竞争 碱性与亲核性既有区别又有联系 碱作为消除反应的催化剂 一定条件下也可起亲核试剂的作用 引发亲核取代反应 亲核取代反应所用的亲核试剂也会具有碱性 一定条件下会引发消除反应 最终发生取代还是消除取决于试剂的亲核性和碱性以及底物的结构 可归纳成下表 弱碱 强亲核试剂 Br I R2S RS andR3Pareinthisclass asare CN stabilizedenolatessuchasmalonateanionsandtheirderivatives andcertainorganometalliccompoundssuchascuprates R2CuLi Second roworheavierspeciesandverystablecarbanionsaregoodnucleophilesandpoorbases 强碱 强亲核试剂 UnhinderedRO R2N andR3Nareinthisclass asareenamines simpleenolates andalkynylanions RC C Cl anhonorarymemberofthefirstrow isalsointhisclass First row unhinderedspeciesandmoderatelystablecarbanionsarebothgoodnucleophilesandgoodbases 强碱 弱亲核试剂 非亲核碱 First row hinderedspeciesandunstabilizedcarbanionsarepoornucleophilesandgoodbases t BuO i Pr2NLi LDA Me3Si 2NK KHMDS i Pr2NEt H nig sbase andC sp2 andC sp3 Grignardandorganolithiumreagentsareinthisclass AmidinesandguanidinessuchasDBN DBU andTMGarealsointhisclass NaHandKHareinthisclass F isagoodnucleophileinaproticsolventsandapoornucleophileinproticsolvents butitisalwaysagoodbase 离去基团的性质只影响反应速率 好的离去基团 E2和SN2的速率都会增加 但对反应选择性的影响很小 E1与SN1的竞争 质子溶剂 RCO2H ROH H2O 同时作亲核试剂有利于SN1 非质子溶剂有利于E1 E1与SN1反应都经由正碳离子中间体 1 3 4不饱和碳原子上的亲核加成反应 典型反应 对羰基碳的亲核加成和Michael加成 羰基碳原子上的亲核加成反应 反应通式 具体的反应机理与亲核试剂的种类 羰基化合物的结构以及反应类型有关 在合成中的重要性 大约几十种缩合反应中涉及羰基亲核加成的步骤 其中一些非常重要的缩合反应包括 羟醛缩合 Mannich反应 Wittig反应 Perkin反应 Knoevenagel缩合 Robinson增环反应 Stobbe缩合 Reformatsky反应 Baylis Hillman反应等 羰基碳与 碳的活性 因此碱性条件下羰基碳是亲电的 碳是亲核的 羰基化合物的活性与稳定性 热力学稳定性顺序取决于第2个共振结构的稳定性 RCOCl acylchlorides RCO2COR acidanhydrides RCHO aldehydes R2CO ketones RCO2R acids esters RCONR2 amides ROCO2R carbonates ROCONR2 urethanes carbamates R2NCONR2 ureas RCO2 carboxylatesalts 活性顺序与此相反 RMgBr RLi NaBH4和LiAlH4对羰基的加成 加成和脱 氢的选择性 格林亚试剂和有机锂都是强碱 可能发生脱 氢的副反应 羰基碳位阻大有利于脱 氢的反应 加CeCl3可抑制脱 氢 例如 碱性条件下水和醇与醛酮发生可逆加成形成水合物或半缩醛 平衡通常偏向反应物 对酮更是如此 碳上的吸电基和成环有利于平衡向半缩醛方向移动 例如糖大多以半缩醛的形式存在 胺与醛酮生成亚胺的反应也是可逆的 羟胺和肼与醛酮加成平衡更偏向于肟和腙 1 3 5不饱和碳原子上的亲核取代反应 羰基碳上的亲核取代反应 芳环上的亲核取代反应 羰基碳上亲核取代反应的加成 消除机理 酰卤 酯等羰基衍生物与亲核试剂发生亲核取代反应 生成亲核试剂被酰化的产物 反应通常按加成 消除机理进行 按加成 消除机理反应的原因分析 如果按SN2机理反应 亲核试剂必须从羰基平面上进攻羰基碳 位阻较大 按加成消除机理反应 亲核试剂可从羰基平面上方或下方进攻羰基碳 位阻较小 羰基的 键能量高于C X 键 较易断开 羰基碳上亲核取代反应的实例 碱催化下 两分子酯缩合成 酮酯的反应 Claisencondesation Claisen酯缩合 Claisen缩合的加成 消除机理 Furtherreactionsoftheproducts 产物 酮酸酯的亚甲基氢受羰基和酯基的共同影响 酸性强 易转变为钠盐 使平衡向右移动 因此 可用乙醇钠 pKa 18 作碱 实际上烷基酯的pKa 25 如果羧酸酯 碳上只有一个活泼氢 反应产物就不能发生上述不可逆转化 因此要用更强的碱 例如 Intramolecularcondensation Dieckmanncondensation 主要用来合成五元环和六元环 酮酸酯 例如 也可用来合成七元环或十三元环以上的大环 合成3 4元环及9 12元环 收率低 甚至不反应 Effectsof or alkylgroupsonthereaction 未取代的 位优先形成烯醇 位阻小的 位氢优先被脱去 芳环上的亲核取代反应 加成 消除机理 SNAr 消除 加成机理 强碱作用下 以苯炔为中间体 单电子转移机理 SRN1 注意 不按SN2机理反应 加成 消除机理 SNAr 芳环上有强吸电基 中间体的共振结构 Jackson Meisenheimer配合物 配合物 消除 加成机理 消除 加成机理的实验证据 1 3 6不饱和烃的亲电加成反应 反应机理与亲电试剂的种类有关 以烯烃与质子酸的加成为例 反应机理可表示如下 具体的反应将在有关章节中讨论 烯烃与质子酸加成的区域选择性 服从Markorfnikof规则 氢 或亲电试剂 加到含氢多的碳上 1 3 7芳环上的亲电取代反应 反应通式 亲电芳香取代机理 络合物 络合物 Wheland中间体 络合物的共振结构 亲电芳香取代的活性和选择性 供电基 增加活性 邻 对位定位 X electrondonatinggroup 亲电芳香取代的活性和选择性 吸电基 降低活性 间位定位 X electronwithdrawinggroup 起初认为芳烃硝化是按硝酸向苯的加成和加成物脱水的加成消除机理进行的 反应式如下 芳烃硝化机理的确立过程 该机理的局限性 不能解释芳环上己有取代基的定位效应 不能解释动力学实验结果 例如 用过量硝酸硝化活泼芳烃为零级反应 而用过量硝酸硝化不活泼芳烃为一级反应 Ingold的发现 浓硝酸的拉曼光谱在1400cm 1处有吸收 往浓硝酸中加入浓硫酸 1400cm 1处吸收增强 Ingold对1400cm 1谱线的解释 提出1400cm 1处的吸收为硝酰离子NO2 的吸收 提出芳烃硝化的亲电取代机理 芳烃硝化的亲电取代机理 如何由Ingold提出的机理解释芳烃硝化反应中芳环上已有取代基的定位效应 亲电取代机理能够较好地解释动力学实验结果和取代基效应 很长时间被当作经典机理 定位效应的解释 以甲苯的硝化为例 1 根据反应物分子中芳环上电子云密度解释 2 根据 络合物的稳定性解释 邻位进攻 对位进攻 间位进攻 为什么优先进攻反应物电荷密度高的位置 为什么 络合物稳定对反应有利 以上两种解释有没有区别 什么情况下第一种解释合理 什么情况下第二种解释合理 要回答以上问题 必须了解过渡态理论和影响反应速率的因素 用四氟硼硝酰和六氟磷硝酰硝化 高的位置选择性 分子内选择性 低的作用物选择性 分子间选择性 用Ingold的经典机理无法解释 例如 用四氟硼硝酰在硝基甲烷中硝化甲苯 反应速率只是相同条件下硝化苯的1 6倍 而在硝基甲烷中用硝酸硝化甲苯 反应速率是苯硝化速率的21倍 两种体系中硝化甲苯时 邻 对位产物的比例均达96 以上 为什么硝酰离子对甲苯和苯之间失去选择性 但仍能在甲苯的邻 对位和间位之间进行选择 用Ingold提出的机理显然不能给出满意的解释 甲苯亲电取代反应的选择性数据 相对分速率和指向因子的定义 为了解释新的实验事实 Olah提出以下经由 络合物的芳烃硝化机理 认为生成 络合物的步骤决定分子间选择性 而分子内选