第4章机理描述和活性中间体

1、第三章酸碱理论（自学）说明第三章酸碱理论（自学）说明1、有机物的、有机物的酸性酸性相对强弱相对强弱(p46-48)概念扩展：概念扩展：被碱夺去质子的难易被碱夺去质子的难易 2、复习、复习酸碱电子理论：酸碱电子理论：lewis酸碱酸碱3、能分析各种因素对酸碱相对强弱的影响、能分析各种因素对酸碱相对强弱的影响4、了解硬软酸碱理论：离子半径与基团变形性、了解硬软酸碱理论：离子半径与基团变形性5、了解酸碱催化、了解酸碱催化(p61)：一般酸：一般酸(碱碱)催化，起催催化，起催化作用的是所有酸化作用的是所有酸(碱碱)，包括分子状态的和离，包括分子状态的和离子状态的；特殊酸子状态的；特殊酸(碱碱)催化，催

2、化作用的是催化，催化作用的是h+或溶剂化或溶剂化h+ （溶剂共轭碱），主要指强酸（溶剂共轭碱），主要指强酸(碱碱)学生问题答疑学生问题答疑 第一，关于不饱和羰基第一，关于不饱和羰基化合物中说的，烷基重化合物中说的，烷基重叠构象比氢重叠构象更叠构象比氢重叠构象更稳定。氢重叠构象不是稳定。氢重叠构象不是也可以得到氢键来稳定也可以得到氢键来稳定物质吗？而且说物质吗？而且说r基与基与羰基有作用，是不是指羰基有作用，是不是指r基上基上c-h与与o的超共轭的超共轭作用呢？如果这个作用呢？如果这个r基基是叔丁基的话，又会是是叔丁基的话，又会是什么作用呢？什么作用呢？(h3c)3cohhhh重叠比较稳定hoh

3、hc(ch3)3r太大例外：体积太大，太大例外：体积太大，斥力升为主要因素斥力升为主要因素orhrhorrhhab重叠式o与与h间不存在氢键作间不存在氢键作用！用！o与与r间为范德华间为范德华力力(斥力斥力吸力吸力) 第二，开链不饱和羰基化合物第二，开链不饱和羰基化合物构象构象rs及顺式，反式的判断。及顺式，反式的判断。 专门用于专门用于标识标识1,3-二烯型二烯型结构结构的的2种种特定特定构象。构象。2双键在单键双键在单键同侧为顺同侧为顺(cis), s-表示单键，参表示单键，参见见基础有机化学基础有机化学（第二版，（第二版，邢其毅等编）邢其毅等编）p231：s-transs-cis双键的顺

4、反双键的顺反(cis/trans)是“俗”命名，一般对双键2碳上有相同取代基才用此命名。系统命名用e/z。ggggcistrans第三，吡啶与吡珞相比，碱性要强，是不是第三，吡啶与吡珞相比，碱性要强，是不是吡啶的共吡啶的共轭效应比吡珞的弱，电荷分散程度也弱轭效应比吡珞的弱，电荷分散程度也弱？(没有讨论数没有讨论数值，只是讨论了方向值，只是讨论了方向)(分子的电荷与局部的电子云密分子的电荷与局部的电子云密度度)碱性：吡咯碱性：吡咯(pkb 13.6) phnh2(9.4) 吡啶吡啶 (pkb 8.8) r3n (4-5) 第四章第四章 有机反应机理的研究和描述有机反应机理的研究和描述 内容：内容

5、：讨论讨论如何确定反应机理如何确定反应机理的一般过程的一般过程 问题：问题：反应式只揭示原料和产物，反应式只揭示原料和产物，对过程对过程（旧键断裂、新键形成的细节）（旧键断裂、新键形成的细节）只能推测只能推测 思路：思路：实验结果结合实验结果结合假设假设提出提出机理机理-验证验证-解解释释现有现象现有现象: 能圆满解释能圆满解释现有实验现象现有实验现象并为人并为人们广泛接受们广泛接受 前提：前提：虽为推测，但必须是虽为推测，但必须是以客观为依据，以客观为依据，不能武断、随意推测，能尽可能包含现有实不能武断、随意推测，能尽可能包含现有实验结果。验结果。第四章第四章 有机反应机理的研究和描述有机反

6、应机理的研究和描述 研究反应研究反应机理机理的的目的目的:认识认识理解理解在反应过在反应过程中，旧程中，旧键断裂键断裂和新和新键形成键形成的的位置位置、过过程程、次序、方式次序、方式等一般性变化，通过概等一般性变化，通过概括括归纳归纳出出一般性理论一般性理论。 反应进行的途径取决于：反应进行的途径取决于：(1)反应分子反应分子自自身的反应性能、身的反应性能、进攻试剂进攻试剂的性能的性能(内因内因)和和(2)反应条件反应条件(外因外因)4.1有机反应分类有机反应分类 自由基自由基(free radical, 亦称游离基亦称游离基)反应：反应：键均裂键均裂 离子型反应：离子型反应：键异裂键异裂（反

7、应种类最多）（反应种类最多） 分子反应：分子反应：协同反应协同反应 以上分类很以上分类很宽泛宽泛，不是常见的分类方法，不是常见的分类方法，只是便于理解而分只是便于理解而分4.2有机反应中的试剂分类有机反应中的试剂分类 除自由基外，多数试剂属于除自由基外，多数试剂属于离子型试剂离子型试剂：在：在反应中总是一对电子参与成键反应中总是一对电子参与成键 提供电子的离子型试剂为提供电子的离子型试剂为亲核试剂亲核试剂（富电子）（富电子） 接受电子的离子型试剂为接受电子的离子型试剂为亲电试剂亲电试剂（缺电子）（缺电子） 有些试剂既能提供电子，又可接受电子，但一般有些试剂既能提供电子，又可接受电子，但一般它们

8、的某一方面的能力更突出，所以它们它们的某一方面的能力更突出，所以它们习惯上习惯上被列为某一类试剂被列为某一类试剂：hcl突出的亲电性，虽然突出的亲电性，虽然cl-也可亲核，如果需要也可亲核，如果需要cl-亲核时，就改用亲核时，就改用nacl等不等不能亲电的试剂。能亲电的试剂。 亲电试剂和亲核试剂亲电试剂和亲核试剂分类见教材分类见教材p694.3 反应速率理论4.3.1反应的能学原理热力学 g=h-ts =-rtlnk ：h为总能量差，为总能量差， s为总熵差，为总熵差，t为反应温度为反应温度 g1, 平衡时产物浓度大于反应物浓平衡时产物浓度大于反应物浓度，度， g负得越多，反应进行得越彻底，负

9、得越多，反应进行得越彻底，要要使反应正向发生使反应正向发生，产物的自由能必须低于反，产物的自由能必须低于反应物的自由能，即应物的自由能，即必须是必须是g负值负值。 ts chrarch3ch3ch2cr3ch2r2chcr3ch3oohoosp3oooohsp2碳负离子的形成 强碱生成弱碱（不稳碳负强碱生成弱碱（不稳碳负稳碳负）稳碳负） 脱羧脱羧 负离子对连有吸电子基的双键的加成：负离子对连有吸电子基的双键的加成：mickael加成加成c xbc+ bxx=h, halo+ n-c4h9linhnlildalda:强碱弱亲核性h+ n-c4h9lili+ n-c4h10br+ ch3lili+

10、 ch3brr +co2rco2o+co2etco2etoeto2cco2etoeto2cco2et碳负离子的反应: c-c键形成 加成：加成： mickael加成：连有吸电子基的双键的加成加成：连有吸电子基的双键的加成 炔化物与醛酮：宜不含炔化物与醛酮：宜不含-h, 得双官能团，增长碳链得双官能团，增长碳链 金属有机试剂金属有机试剂(格氏试剂、烷基锂制醇格氏试剂、烷基锂制醇) 亲核取代：作为亲核进攻试剂发生亲核取代：作为亲核进攻试剂发生sn2的反应的反应 消除：消除：e1cb(e1 via carbanion )rna+choohro2nbrhbo2nbr-h+-br-o2nbrhhe1e1

11、cb4.4.3 鎓内盐(ylid) 鎓内盐是碳负离子与带正电荷的杂原子连接组成的化鎓内盐是碳负离子与带正电荷的杂原子连接组成的化合物，这些杂原子可为合物，这些杂原子可为p、n、s、as、sb、se等，等， 磷鎓内盐磷鎓内盐的的x-晶体结构研究表明，晶体结构研究表明，碳为碳为sp2杂化杂化的平面的平面结构结构phch2pphphphcpphphhh3s23p33d0p:sp33d2s22p2c:sp2p chh hh2pz 3d2pz 鎓内盐较为稳定，与碳负离子相邻的带正电荷的杂原子基团，使碳负离子稳定性明显增大，这主要是由于碳原子的碳原子的2p轨道轨道与磷和硫与磷和硫杂原子的杂原子的3d（或砷

12、、锑的4d、5d）空轨道相互重叠重叠，碳原子2p轨道的未共用电子对与3d空轨道共轭域，从而使碳负离子稳定。因此许多内鎓盐可以结晶可以结晶离析，并广泛用于有机合成中。而普通的碳负离子对水和氧都极其普通的碳负离子对水和氧都极其敏感敏感，只能存在于干燥绝氧的有机溶剂中，不能离析出来。 鎓内盐在有机合成中应用最广的是磷、硫叶磷、硫叶立德立德，磷叶立德与羰基化合物反应合成烯就是著名的wittig反应反应4.4.4 自由基 (free radical) 名称：自由基也叫游离基，名称：自由基也叫游离基，任何具有未配对电子的中任何具有未配对电子的中性物质称为游离基。性物质称为游离基。 结构：结构：sp2与与s

13、p3杂化都可以杂化都可以，二者转化能垒低，具体杂，二者转化能垒低，具体杂化与骨架有关：桥头碳和叔碳自由基为化与骨架有关：桥头碳和叔碳自由基为sp3杂化，简单杂化，简单烷基自由基为烷基自由基为sp2杂化杂化 性质：性质： 顺磁性（可通过物理技术手段检测到）顺磁性（可通过物理技术手段检测到） 构型不易保留构型不易保留，一般得，一般得消选产物消选产物 性质：性质： 稳定性：稳定性： 单电子的离域作用：中心单电子的离域作用：中心c缺电子，推电子有利缺电子，推电子有利 空间效应：阻碍与其它自由基结合的因素增加怎空间效应：阻碍与其它自由基结合的因素增加怎定定 杂原子有助于稳定自由基杂原子有助于稳定自由基

14、生成：生成： 光解光解(hv) 热解热解() 自由基引发剂辅以光或热自由基引发剂辅以光或热 单电子氧化还原单电子氧化还原(过渡金属过渡金属)ch2ch2cchch2ch3 离子游离基 当金属钠和二苯甲酮在二甲氧基乙烷中反应时，当金属钠和二苯甲酮在二甲氧基乙烷中反应时，得到兰色物质，为二苯甲酮负离子游离基的钠盐，得到兰色物质，为二苯甲酮负离子游离基的钠盐，常用于非质子溶剂常用于非质子溶剂无水处理的指示剂无水处理的指示剂 离子游离基具有离子游离基具有顺磁性和导电性顺磁性和导电性 主要反应：主要反应： 醛酮和羧酸衍生物的单电子还原（金属还原）醛酮和羧酸衍生物的单电子还原（金属还原） 芳香烃的金属还原

15、（柏齐还原）芳香烃的金属还原（柏齐还原）onacona4.4.5 碳烯 (carbene) 也叫也叫卡宾卡宾，是具有两个共价键和两个非键电子的两价，是具有两个共价键和两个非键电子的两价碳化合物活泼中间体，碳化合物活泼中间体，比自由基还活泼。比自由基还活泼。 是缺电子中间体：推电子基有利是缺电子中间体：推电子基有利 常见类型常见类型(p83)： :ch2、:chr, :cr2(r=烃基：芳、脂、烯、炔烃基：芳、脂、烯、炔) :chx, :cxr, :cxx (x=halo) :chy, :xyr, cyy(y=-or, -sr, -cn, co2r, -cor) r2c=c:, r2c=c=c:

16、碳烯的结构中心碳原子有四个价电子，中心碳原子有四个价电子，2个为成键电子，占用两个为成键电子，占用两个个键，余下键，余下2个电子有两种可能排布方式：（个电子有两种可能排布方式：（1）2个电子成对占据一个轨道，余下一个空轨道，称为个电子成对占据一个轨道，余下一个空轨道，称为单线态单线态(singlet state)碳烯；（碳烯；（2）2个电子分别处于两个电子分别处于两个轨道，为个轨道，为2个单电子，称为个单电子，称为三线态三线态(triplet state)碳碳烯。烯。c hch 单线态碳烯三线态碳烯 电子光谱和电子顺磁共振谱研究表明：三线态亚甲基碳烯是弯分子，键角约为136，单线态亚甲基碳烯也

17、是弯的，h-c-h键角为103。三线态结构中，未成键电子排斥作用小，能量比单线态低33.5-41.8kj/mol，说明三线态碳烯比单线态稳定，是基态。在惰性气体中，单线态碰撞可变成三线态（二者可以转化，二者可以转化，稳定性不同，反应性也不同稳定性不同，反应性也不同）。碳烯的形成 (1) -消去反应以碱处理卤仿，是制备二卤碳烯的一个方便的方法。(2) 分解反应某些重键化合物如烯酮和重氮甲烷通过光解或热解即可生成碳烯。 cl2cco2-clco2cl2cclcl2c:cl-+ ar2c=c=o ar2c=c: + co烷基重氮化合物不稳定，易于爆炸，如果为羰基取代的重氮化合物则比较稳定，并且可以分

18、离。 由醛或酮生成的腙通过氧化，再分解；或通过醛、酮的对甲苯磺酰腙的钠盐分解，可制备烷基取代的碳烯，而不用容易爆炸的重氮化合物作反应物。 c2h5cocn2hc2h5coc:hn2oo+ oohhohphphohohhohph2c=nnh2, phi(oac)2, ch2cl2, -10(3) 三元环化合物的消去反应 可以看作是碳烯与双键加成的逆反应。取代环丙烷、环氧化物、偶氮环丙烷等。 (4) simmon-smith反应 simmons-smith反应是形成环丙烷衍生物的好方法 c6h5c6h5c6h5c ho:c hc6h5+o hch3chch3ch2i2,zn cuhch3ch2hc

19、h3ccc 碳烯的反应 碳烯是典型的缺电子化合物，它们的反应以亲电性为特征，是非常活泼、寿命极短的中间体。其反应活性的顺序： ch2 cr2 car2 cx2 碳烯的典型反应主要有两类：键的加成反应和键的插入反应。其反应的历程和结果很大程度上依赖于碳烯未成键电子的自旋状态的不同，即是单线态还是三线态。(1) 加成反应: 单线态协同（单线态协同（1步），立体专一步），立体专一 三线态分步，立体选择三线态分步，立体选择+ch2( )ch2( )+hhch2hhhhhhhhch2hh23%77%100%77hhch3ch3%23ch3ch3hh.ch3hcch3hch2ccch2hch3chch3.

20、cch2hch3chch3.ch3hcch3hch2c:ch2( )hch3cch+ch3ch3+hccch3h):ch2( 取代的烯烃与碳烯进行加成反应时，如果为单线态则服从亲电加成规律，烯烃双键电子烯烃双键电子密度越高，反应活性越大密度越高，反应活性越大。 如:ccl2与下列烯烃加成的相对反应活性：me2c=cme2me2c=chmeme2c=ch2clch=ch2。 碳烯也可以与炔烃、环烯烃、甚至与芳环上的c=c键以及c=n、cn键进行加成反应。(2) 插入反应 可以在ch、cbr、ccl和co单键上进行插入反应，但不能在不能在c-c键上键上进行插入插入反应。 插入c-h间的活性是321

21、，分子间插入反应往往得一混合物，在有机合成上价值不大。 ch2n2插入羧基：尾气吸收和有效甲酯化方法：插入羧基：尾气吸收和有效甲酯化方法： 碳烯分子内插入，制备大张力的环状化合物(p86)。 rooh+ ch2n2rooch3os nhnh2oo+nhnhtsch3ona-h2o-tsoch3-n2hhh(3) 重排反应 碳烯可以发生碳烯可以发生分子内重排分子内重排反应反应，实质是分子内插，实质是分子内插入。入。其迁移顺序是其迁移顺序是h芳基芳基烷基烷基(c-h比比c-c易易插入）插入） 。如： 沃尔夫（沃尔夫（wolff）重排）重排 ：通过通过ch2n2延长延长1c羧酸羧酸ch3ch3c c

22、h.(ch3)2cchcch3chch350%9%+ r coohr coch2n2cl-n2r cochr coch2n2clag2oh2orch c orch2coohh2o(1) socl2(2) ch2n2-hcl (4)取代反应：芳香环甲酰化 kohchcl3ch2oohccl2ochcl2h2oochohohochonh+ chcl31)koh2) h2onhcho4.4.6 氮烯 (nitrenes) 别称：乃春乃春(氮宾？)，是缺电子缺电子的一价氮活性中间体。氮烯的n原子具有六个价电子，只有一个一个键键与其它原子或基团相连，也有单线态单线态和三线态三线态两种结构，与碳烯类似，三

23、线态更稳定。nnspsp单线态氮宾三线态氮宾a.氮烯的生成 生成氮烯的方法与碳烯类似：生成氮烯的方法与碳烯类似：（1）热和光分解热和光分解：叠氮化合物、异氰酸酯等进行热解或光解，是形成单线态氮烯的最普通方法( 另例见教材p87)。 (2) -消去反应消去反应： 如loseen重排是以碱处理n-衍生化羟胺的芳香磺酸酯生成氮烯： r3cn3hvr3cnhvoron3oron(a)(b)(c)chon2clnan3chon3hvchonr n ohsoarob-r no soaro+ bh+hofmann重排重排(降解降解)与与lossen重排反应机理类似：重排反应机理类似： (3) 氧化反应肼的衍

24、生物以hgo或乙酸铅氧化可以形成氨基氮烯：ronh2ronhbrnaohbr2-hbrronr n c oh2or n cohohrhn coho-co2r nh2hofmannrearrangmentnn h2nn.p b (c h3c oo )4 rohnronhotsnaoh-tsohronlossenrearrangmentohtsclr n c oh2or n cohohrhn coho-co2r nh2（4）脱氧还原反应）脱氧还原反应 硝基或亚硝基化合物硝基或亚硝基化合物用三苯基膦或亚膦酸酯等脱氧还原脱氧还原，可生成氮烯并进一步反应，如c-h插入可关环： 另例见教材另例见教材p87

25、ch2ch2ch2ch3no22(eto)3pch2ch2ch2ch3n3h2cnch2chhch32(eto)3ponch3hb. 氮烯的反应 重键的加成和重键的加成和ch键的插入是氮烯的典型反应。键的插入是氮烯的典型反应。(1)插入插入c-h键键 氮烯可插入脂肪族化合物的c-h键，是氮烯的典型反应，反反应前后应前后c原子原子的构型不变。特别是羰基氮烯和磺酰基氮烯易插入脂肪族化合物的c-h键。 氮烯插入c-h间的活性也是321，且氮烯也可以发生分子内插入。rconr3chrcnhcr3o.+ h2cnnh烷基氮烯容易发生烷基氮烯容易发生 -插入生成插入生成schiff碱，并可水碱，并可水解得

26、醛：解得醛：h3cchh2cch2chnhh 插入h3cchh2cch2hcnhh50%h2oh3cchh2cch2hcohnhh3c20% 插入(2) 与烯烃加成：与烯烃加成：得氮杂环丙烷得氮杂环丙烷 与碳烯加成反应的立体化学特性类似：单线态立体专一，三线态立体选择。 etoconetocon3etoconmeetmeetmeetneto2cmeetnco2etmenetco2etmeetnco2et单线态三线态+(3)二聚反应二聚反应: :得偶氮化合物得偶氮化合物phn3arnphnarn3omephnnarphnnpharnnarar =4.4.7 芳炔 特征：环内含碳碳三键的芳香环特征

27、：环内含碳碳三键的芳香环 由于芳炔的高度活泼性，未能分离出来，但用光谱证明了苯炔的存在，也可以通过活性中间体捕获的方法证实： 发现过程（了解、理解）：当用氨基钠或氨基钾等强碱处理芳香卤代物时，不仅生成正常的亲核取代产物，同时得到异构体。卤苯中的邻位如果没有氢时，因不能消除卤化氢生成苯炔，氨解反应不能发生(p89)。clch3ch3nh2ch3nh2ch3nh2-+ o+ophcl + nh2naphnh2 + cl + nach3clch3ch3clhcl- hcl- hcl- hclch3ch3ch3ch3ch3nh2nh2nh2+ nh3+ nh3+ nh3+ nh3 结构结构：芳炔的高度

28、活泼性高度活泼性是由于含有三键的六员环的含有三键的六员环的张力张力所致，苯炔的叁键碳原子仍为sp2杂化状态，叁键的形成基本上不影响苯炔中离域的体系，苯环的芳香芳香性保持性保持不变，新的“键”在环平面上与苯环的轨道垂直，由两个sp2杂化轨道在侧面重叠形成很弱的弱的键键，因此苯炔很活泼，不稳定苯炔很活泼，不稳定。 hhhhsp2 芳炔的生成(p89-90) 芳炔由芳烃中电负性原子团与其邻基团的消除制备：芳炔由芳烃中电负性原子团与其邻基团的消除制备： (1) 脱卤化氢脱卤化氢 卤素不同，生成苯炔的难易程度不同，一般氟化物较氟化物较易生成苯炔易生成苯炔，因为氟的电负性大，邻位邻位碳原子上氢氢的酸性酸性

29、增强强，有利于作为质子离去。碱消除质子是反应速度的控制步骤，卤原子的离去不起决定作用卤原子的离去不起决定作用： ar-f ar-cl ar-br ar-i clhnh2-cl-cl-nh2-nh2nh3nh2消去加成 (2)由邻二卤代芳烃与锂由邻二卤代芳烃与锂/镁作用，也可制备苯炔镁作用，也可制备苯炔: (3) 中性原子的消除中性原子的消除(4)环状化合物的分解环状化合物的分解 f-fliflifbr慢快 nh2co2hhno2n2+co2-co2n2+ nnnnh2pb(oac)4nio2, 20 c+2n2 (5)光解 / 热解 iihgiiclihgiooohv 或800700600hv

30、hv或 ，zn, 500600芳炔的反应(p90-91) 芳炔的反应为芳炔的反应为“三键三键”加成恢复芳香体系的产物。它加成恢复芳香体系的产物。它与亲核试剂和亲电试剂都能反应：与亲核试剂和亲电试剂都能反应：(1) 与亲核试剂与亲核试剂(nu-)加成反应加成反应 醇类、烷氧基、胺类、烃基锂、羧酸盐、卤离子和氰化物等亲核试剂，可与苯炔反应。 当亲核试剂与取代芳炔进行加成时，取代基取代基的定位效应只考虑只考虑其诱导效应诱导效应：加成中间体的轨道与共轭轨道垂直。nununh2nh2nh2nh2zzzzznh2-h+h+nh2-主反应 (2) 与亲电试剂与亲电试剂(e+)加成反应加成反应:如卤素、卤化汞等(3) 环加成环加成:作为亲双烯体作为亲双烯体iiii2i-+ +4.5 有机反应机理的测定方法有机反应机理的测定方法 产物鉴定：产物的结构、构型及其比例，初产物鉴定：产物的结构、构型及其比例，初步推测可能机理步推测可能机理 中间体存在依据：中间体存在依