《有机合成基础》PPT课件.ppt

第一章有机合成基础 第一节有机合成的基础知识有机反应中的电子效应和空间效应有机反应试剂有机反应溶剂和催化剂合成反应器有机合成反应计算第二节有机反应类型及其基本原理第三节有机催化 合成新技术 第二节有机反应类型及其基本原理一 有机反应的基本过程二 有机反应的类型三 有机反应基本原理 一 有机反应的基本过程 五个基本过程 键的断裂键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 1 键的断裂 均裂 通过加热 光照及过氧化剂引发异裂 通过烷基化 极性试剂参与反应 均裂 异裂 2 键的形成 两个游离基结合成键两个游离基结合成键两个带相反电荷的质点结合成键 2 键的形成一个离子与一个中性分子成键一个离子与一个中性分子成键 2 键的形成 3 断键与成键同步发生断裂一个单键 形成 个单键 一个双键转化成单键 或三键转化成双键 同时形成一个单键 4 分子内重排作用 基团带着一对电子迁徙 如形成带电子基团 基团带着原键中一个电子迁移 如形成自由基团 基团迁移时不带原键中电子 如碳骨架重排 基团带着一对电子迁移 3 3 二甲基2 丁醇脱水产物是2 3 二甲基 2 丁烯 基团带着原来键中的一个电子迁移 基团迁移时不带原来的键合电子 5 电子传递 Fe 十R 0H Fe 十RO 十OH Fe 十PhO H Fe 十PhO 十H 通过有机 无机介质进行有机氧化还原反应 二 有机反应的分类 反应机理 一 加成 包括亲电加成和亲核亲电加成控制步骤为碳正离子中间体的形成亲核加成控制步骤为亲核试剂的加成 二 消除 包括 消除和 消除 消除反应相对较少 消除反应双分子E2和单分子E1两种历程 根据取代基类型的不同进行的反应分类 三 取代 包括以下三种途径1 同步取代 如SN2 2 先消除再加成 如SN1 3 先加成再消除1 羰基亲核加成2 芳香碳亲核取代3 芳香碳亲电取代4 芳香碳上游离基取代 四 缩合1 羟醛缩合2 酯缩合3 安息香缩合4 迈克尔缩合5 狄尔斯 阿德尔缩合 五 重排1 分子内重排2 分子间重排 六 周环反应1 环化反应2 电环化反应3 螯键反应4 位移重排闭环5 烯 烯反应 七 氧化还原反应1 催化氧化 4 催化还原 2 电解氧化 5 电解还原 3 化学试剂氧化 6 化学试剂还原 三 有机反应基本原理 一 取代反应取代反应通常是指与碳原子相连的原子或基团被另一个原子或基团所替代的反应 可分为亲电取代 亲核取代及游离基取代反应三类 其中 比较重要的是脂肪族的亲核取代 芳香族的亲电取代和亲核取代反应 脂肪族的亲核取代反应可以用以下通式表达 此反应是亲核试剂对带有部分正电荷的碳原子进行攻击 属于亲核取代反应 用SN表示 亲核试剂可以是中性的 也可以带有负电荷 脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应中 以卤代烷的亲核取代最为典型 其反应历程可分为SN2和SN1两种类型 1 脂肪族的亲核取代反应 中心碳原子 受攻击对象 称为底物 亲核试剂或称进入基团 反应中离开的基团 称为离去基团 1 双分子亲核取代反应 SN2 发生SN2的一般通式是 过渡态以伯卤代烷的水解为例 1 脂肪族的亲核取代反应 该历程中旧的化学键断裂和新的化学键形成是同时的 没有中间产物生成 反应同步进行 1 脂肪族的亲核取代反应 亲核试剂从离去基团的背面 接近中心碳原子 并与之形成较弱的键 由于亲核试剂的插入 离去基团与中心碳原子的键开始变弱 中心碳原子上的其它三个键也逐渐从远离离去基团的地方向接近离去基团的方向偏移 当这三个键同处于一个平面 并垂直于亲核试剂 中心碳原子和离去基团三者所连成的直线时 即形成了过渡态 这个过程较慢 是速度控制步骤 当过渡态向产物转化时 离去基团X 离开中心碳原子 同时 处于一个平面内的三个键完全转向另一边 完成了构型的逆转 构型逆转是发生SN2的重要标志 由于是双分子的共同作用 才形成了过渡状态 所以叫双分子亲核取代反应 该反应为二级反应 反应速度可表示为 1 脂肪族的亲核取代反应 2 单分子亲核取代反应 SN1 发生SN1的一般通式是 反应物首先离解为正碳离子与带负电荷的离去基团 此步反应速度慢 是整个反应的控制步骤 当反应物分子离解后 正碳离子马上与亲核试剂结合 其速度极快 是快速反应步骤 由于决定反应速度的一步只涉及一种分子 是单分子的 因此这种反应是单分子亲核取代反应 该反应为一级反应 反应速度可表示为 v k R L 碳正离子中间体 1 脂肪族的亲核取代反应 3 影响因素影响亲核取代反应历程和速度的因素主要有 底物的结构离去基团和亲核试剂的性质 浓度溶剂的性质 空间位阻等 1 脂肪族的亲核取代反应 反应物的结构 反应物的结构对SN1和SN2反应速度有不同的影响 例如卤代烷的水解 按SN2历程进行时 其反应速度的快慢顺序是 伯卤烷 仲卤烷 叔卤烷 按SN1历程进行 则是 烯丙基卤 苄基卤代物 叔卤烷 仲卤烷 伯卤烷 CH3X SN2反应一般发生在伯碳原子上 很难成为有位阻分子的反应机理 并且取代基越多 按SN2机理反应的可能性越小 1 脂肪族的亲核取代反应 离去基团 离去基团携带着原来共有的一对电子而离去 离去基团的碱性越强 其离去能力越弱 反之亦然 离子的碱性随着所在周期的增加而降低 一般情况下 离去基团的离去能力的大小顺序是 RSO3 I Br Cl RCOO OH NH2 1 脂肪族的亲核取代反应 亲核试剂 亲核试剂的性质 在SN1历程中对反应速度没有影响 但在SN2历程中 由于亲核试剂是组成过渡态的一部分 它的性质对反应速度有明显的影响 一般来讲 试剂的负电性 碱性和可极化性越强 其亲核性也越强 各种亲核试剂的亲核能力的大小顺序为 C2H5O OH PhO CH3CH2 H2O在同族元素中 亲核试剂随着原子序数的增大 其给出电子倾向也越大 从而使亲核性增强 I Br Cl F 在发生亲核取代反应的同时 存在着消除反应的竞争 其中 SN2和E2的最大区别在于前者是对中心碳原子的进攻 而后者则是碱性物质对氢原子的进攻 2 芳香族的亲电取代反应 芳香族化合物中的芳环是一个环状的共轭体系 环上的 电子云高度离域 具有很高的流动性 容易与亲电试剂发生亲电取代反应 主要包括磺化 硝化 卤化 C 烷化 C 酰化 C 羧化 氯甲基化等亲电取代反应 芳烃能和一系列亲电试剂形成配合物 芳烃和亲电能力弱的试剂形成 配合物 试剂与芳环平面两侧的环状 电子云发生松散结合 未形成真正的化学键 稳定性差 芳烃和亲电能力强的试剂形成 配合物 试剂夺取芳环上的一对电子 与环上的某一C原子形成 键 或称芳正离子 较为稳定 有时能分离得到 配合物 配合物 2 芳香族的亲电取代反应 1 芳香族 络合物与 络合物 2 芳香族的亲电取代反应 亲电能力较弱的试剂 例如 HCl HBr Ag 等 例如 将HCl气体通入苯中 HCl与苯生成 络合物 这种络合物是由芳环供给 电子生成的 络合物中HCl的质子与苯环的 电子之间只有微弱的作用 并没有生成新的共价键 H Cl键也没有破裂 络合物通常为无色或淡黄色 其溶液不导电 2 芳香族的亲电取代反应 芳烃能与亲电能力较强的试剂 例如 HCl AlCl3 HF HF BF3等 生成 络合物 例如 被无水AlCl3强烈极化的HCl中氢原子带有较多的正电荷 在反应瞬间能以H 的形式插入苯环的 电子层里面 夺取一对电子 并与苯环上的某一特定碳原子连接起来 形成 键 络合物为橙色 有时甚至为黑色 络合物溶液能导电 2 芳香族的亲电取代反应 络合物与 络合物之间存在着平衡 2 亲电取代反应历程亲电试剂进攻芳环时 先形成 络合物 然后进一步作用 形成 络合物 该络合物脱去质子 恢复原芳环结构 从而完成亲电取代反应的全过程 对于大多数亲电取代反应来说 形成 络合物是反应速度的控制步骤 2 芳香族的亲电取代反应 表1 配合物和 配合物的相对稳定性氯化和硝化的相对速度 对二甲苯的为1 00 甲基取代度对 配合物影响大 甲基取代度的变化对 配合物 稳定性 影响小 氯化过程 配合物的生成是控制步骤 实验数据表明 大多数亲电取代经过 配合物 且是控制步骤 配合物的相对稳定性还可以用来解释亲电取代的定位规律 3 苯环的亲电取代定位规律当苯环上已有一个或多个取代基时 再引入新的取代基 它进入的位置与已有取代基的性质 亲电试剂 被引入取代基 的性质以及反应条件等因素有关 其中已有取代基Z的性质最为重要 2 芳香族的亲电取代反应 1 影响定位的主要因素 已有取代基Z的性质 亲电试剂的性质 也包括 反应条件 主要 温度 催化剂和溶剂 上述因素中 最重要的是已有取代基Z的极性效应 芳香取代反应中 苯系亲电取代反应研究的最多 也最重要 极性效应空间效应 极性效应空间效应 2 芳香族的亲电取代反应 2 两类定位基已有取代基Z对新取代基E的定位作用有两种 第一类定位基邻 对位定位基 O N CH3 3 NH2 OH OCH3 NHCOCH3 OCOCH3 F Cl Br I CH3 CH2Cl CH2COOH CH2F等 第二类定位基间位定位基 N CH3 3 CF3 NO2 C N SO3H COOH CHO COOCH3 COCH3 CONH2 N H3 CCl3 2 芳香族的亲电取代反应 两类取代基有三种不同的表现方式 活化苯环的邻 对位定位基钝化苯环的邻 对位定位基钝化苯环的间位定位基 具体见表 3 苯环的定位规律 已有取代基的极性效应 苯环的定位规律六之一 对不可逆亲电取代反应 苯环上已有取代基Z的极性效应不同 所生成的各异构 配合物的稳定性不同 由此解释其定位作用 用共振结构来解释 已有取代基Z的苯与取代物E发生亲电取代可以生成邻 对和间位三种 配合物 每一种配合物都可以看作是三种共振结构杂化的结果 当Z具有正诱导效应 I 即供电效应 邻位或对位的配合物更容易使正电荷分散到Z上 从而使配合物更稳定 所以这类取代基使苯环活化 并且是邻 对位定位 如果Z具有负的诱导效应 I 即吸电效应 则与之相反 使苯环上电子云密度降低 使三种配位化合物都不稳定 邻 对位更不稳定 所以这类取代基使苯环钝化 且是间位定位 当Z和苯环之间有共轭效应时 共轭效应有时与诱导效应的方向一致 有时相反 一般情况下共轭效应起主导作用 当Z中同苯环相连的原子具有未共有电子对时 可以把未共有电子分散到苯环上 使配位物稳定 尤其是对邻位和对位 苯环上取代基的分类 第1类 取代基只有正的诱导效应 I 供电效应 如烷基 使苯环活化 且是邻 对位定位基 其中甲基还具有超共轭效应 其活化作用大于其它烷基 取代基中同苯环相连的原子具有未共用电子对 如 O N CH3 3 NH2 OH OCH3 NHCOCH3 OCOCH3 F Cl Br I等 其未共用电子对和苯环形成正的共轭效应 T 属邻 对位定位基 除共轭效应外 且均有诱导效应 其中氨基和羟基 其 T I 故使苯环活化 对于卤素 T I 故使苯环稍稍钝化 第2类 取代基具有负的诱导效应 I 吸电效应 而且同苯环相连的原子没有未共用电子对 如 N CH3 3 CF3 NO2 CN SO3H COOH CHO COOCH3 COCH3 CONH2 N H3 CCl3等 其中一些还有负的共轭效应 T 使苯环钝化 间位定位 苯环上已有取代基定位作用的电子效应解释 具有给电子性的取代基 将使所连苯环上的电子云密度增加 尤其在邻 对位处增加得更多 对苯环有活化作用 有利于亲电试剂对这些位置的进攻 所以新引入的取代基主要进入其邻 对位 因此 具有给电子性的取代基属于第一类定位基 相反 具有吸电子性的取代基将使所连苯环上的电子云密度降低 并且在邻 对位处降低得更多 对苯环有致钝作用 不利于亲电试剂的进攻 但相比之下 在间位的电子云密度较高些 所以亲电试剂主要进入它的间位 因此 具有吸电子性的取代基属于第二类定位基 卤素原子比较特殊 作为取代基它最终具有吸电子性 对苯环有致钝作用 但由于它可与苯环形成p 共轭体系 使得在它的邻 对位处的电子云密度比间位处稍高些 所以亲电性的进攻基团优先进入卤原子的邻 对位 卤原子也属于第一类定位基 已有取代基的空间效应 苯环的定位规律六之二 苯环上已有取代基的空间效应 是指空间位阻作用 如 单烷基苯发生硝化时 随着烷基体积增大 邻位异构产物的比例减小 空间障碍的解释只有在已有取代基极性效应相差不大时才能成立 如果极性效应相差较大 则极性效应起主要作用 如 卤素的原子的大小 F Cl Br I 故从FI空间增大 但卤素的正的诱导效应 I F Cl Br I 邻对位定位基团 因此 四种卤代烷硝化时 从FI邻 对比不是减小 而是增大 当苯环上已有两个取代基 需要引入第三个取代基时 新取代基进入苯环的位置主要取决于已有取代基的类型 它们的相对位置和定位能力的相对强弱 一般可分为两个取代基的定位作用一致和不一致两种情况 A 两个已有取代基的定位作用一致 这时仍可按前述定位规律来决定新取代基进入苯环的位置 当两个取代基属于同一类型 都属于第一类或都属于第二类 并处于间位时 其定位作用是一致的 例如 苯环上已有两个取代基时的定位规律 从间二甲苯的硝化不难看出 新取代基很少进入两个处于邻位的取代基之间的位置 这显然是空间效应的结果 当两个取代基属于不同类型 并处于邻位或对位时 其定位作用也是一致的 例如 B 两个已有取代基的定位作用不一致 这时新取代基进入苯环的位置将取决于已有取代基的相对定位能力 通常第一类取代基的定位能力比第二类取代基强得多 同类取代基定位能力的强弱与前述两类定位基的排列次序是一致的 当两个取代基属于不同类型 并处于间位时 其定位作用就是不一致的 这时新取代基主要进入第一类取代基的邻 对位 例如 当两个取代基属于同一类型 并处于邻 对位时 其定位作用也是不一致的 这时新取代基进入的位置取决于定位能力较强的取代基 例如 如果两个取代基的定位能力相差不大 则得到多种异构产物的混合物 例如 亲电试剂的极性效应 苯环的定位规律六之三 亲电质点E 越活泼 其对定位的选择性越差 反之 亲电质点E 越不活泼 其对定位的选择性越好 新取代基的空间效应 苯环的定位规律六之四 新取代基的空间效应也会影响邻位异构产物的生成比例 新取代基的空间阻碍效应越大 邻位产物的生成比例越少 反应条件的影响 苯环的定位规律六之五 温度 催化剂及反应介质都会影响定位效应 温度可改变反应历程 催化剂可改变亲电试剂的极性效应和空间效应 介质的酸碱度也影响反应的历程 已有两个取代基的定位规律 苯环的定位规律六之六 定位作用不一致时 取决于较强者 第一类取代基 邻 对位定位基 的定位能力比第二类 间位定位基 强 定位作用一致时 优先进入无空间障碍位置 57 4 萘环的定位规律活泼性 萘的 位 位 苯萘环上 位有一个第一类取代基 新取代基进入同环邻 对位 萘环上 位有一个第一类取代基 新取代基进入同环 位 生成1 2 异构产物 个别情况生成2 3 异构产物 萘环上有一个第二类取代基 新取代基进入另一环上 位 位 位 位芳正离子 位芳正离子 萘 位和 位的活泼性 与苯相比 萘环上的 位和 位都比较活泼 其中 位更活泼 在对萘进行亲电取代反应时 取代基E 优先进入 位 例如在萘的硝化 氯化和低温磺化时 基团进入 位和 位的比例为 萘环上已有取代基时的定位规律 在已有一个取代基的萘环上再引入第二个取代基时 新引入取代基进入萘环的位置主要与已有取代基的类型和位置有关 同时也与反应试剂的类型和反应条件有关 如果在萘环的 位有一个第一类定位基 则新引入的取代基优先进入同环的邻或对位 并且以其中的一个位置为主 如果是在 位 则优先进入同环的 位 例如 如果萘环上有一个第二类定位基 则新引入的取代基主要进入没有取代基的另一个环上 并且主要是 位 例如 5 蒽醌环的定位规律蒽醌分子中由于两个对称羰基的吸电子作用 使得在两个边环上进行亲电取代反应要比在萘和苯环上困难 活性 位 位两个边环是隔离的 故一磺化时常生成相当数量的二磺化物 已有一个取代基时 定位规律同萘环 位 位 芳香族的亲核取代是亲核试剂对芳香进攻的反应 它是通过亲核试剂优先进攻芳环上电子云最低的位置而实现的 芳香族亲核取代反应的难易程度和定位规律与亲电取代反应正好相反 芳香族亲核取代反应可分为 芳环上氢的亲核取代 芳环上已有取代基的亲核取代 本质上为亲核