有机合成基础

第二章精细有机合成的理论基础有机合成（OrganicSynthesis）复习有机合成反应消除反应被消除原子或原子团位置重排反应发生重排原子（团）位置取代反应反应试剂的性质反应物分子中C-H键断裂方式亲核取代亲电取代游离基取代加成反应加成的基本途径α-消除β-消除分子内重排分子间重排环加成亲电加成游离基加成亲核加成进行方式A－X+YA－Y+X基质产物反应试剂离去基团亲电试剂亲核试剂反应试剂极性试剂游离基试剂2.1反应试剂的分类2.1.1亲电试剂正离子：NO2+，R+含有可极化或已极化共价键的分子偶极的正端：Cl2，HCl含可接受共用电子对的分子：FeCl3，AlCl3羰基的双键：C=O氧化剂：Fe3+，O3碱类：OH-金属有机化合物中的烷基：RMgX2.1.2亲核试剂负离子：OH-，RO-含有可极化或已极化共价键的分子偶极的正端：NH3，RNH2烯烃的双键和芳环还原剂：Fe2＋酸类卤代烷中的烷基：R-X

在有机化合物分子中，由于原子与原子、原子与基团、基团与基团、化学键与化学键之间的相互影响，使分子中的电子云发生一定程度的移动，这种作用称为电子效应。电子效应分为诱导效应和共轭效应两种。2.2有机物分子中的电子效应一、诱导效应

诱导效应由于有机化合物分子中某原子或基团对电子云的排斥或吸引，使分子中电子云密度分布发生变化。这种因某一原子或基团的电负性而引起的电子云沿着分子链向某一方向移动的效应，称为诱导效应。-I效应比较标准+I效应诱导效应分吸电子（-I）和斥电子（+I）。—H>—CH3>—C2H5>—CH(CH3)2>—C(CH3)3

常见取代基的电负性次序由大到小排列如下：—F>—Cl>—Br>—I>—OCH3>—NHCOCH3>—C6H5>—CH=CH2

诱导效应是一种静电作用，是分子本身固有的永久性效应，没有外电场影响时也存在。它不会使共用电子对完全转移到某个原子上，而只是使键的极性发生变化。二、共轭效应1.π—π共轭分子内具有单双键间隔排列的结构特征的化合物称为π—π共轭体系。形成共轭体系的原子必须在同一平面上，必须有可以实现平行重叠的p轨道，还要有一定数量的供成键用的p电子。如1，3一丁二烯就是一种典型的π—π共轭分子。1，3一丁二烯分子中p轨道的重叠共轭体系一般有3个显著特点：一是键长平均化，二是体系能量降低，稳定性明显增加，三是当进行反应时，外界试剂的作用不仅能使1个双键极化，而且会影响到整个共轭体系，使整个共轭体系电子云变形，产生交替极化现象。由于共轭双键的存在，而使分子中的原子间发生相互影响，以致引起键的平均化现象，称为共轭效应（以符号C表示）。苯的共轭结构2．p－π共轭有机化合物分子中1个原子的p轨道和1个π键被1个单键隔开，且p轨道与π轨道相互平行重叠而形成的体系，称为p－π共轭体系。引起电子云密度平均化的现象，称为p－π共轭效应。2.3苯环上亲电取代反应的定位规律2.3.1苯环亲电取代反应历程

2.3.2定位规律的内容

2.3.3苯环上取代反应规律

2.3.4二元取代苯的定位规律

2.3.5定位规律的解释

2.3.6典型的芳香族亲电取代反应

2.3.7定位规律在有机合成中的应用教学目标：掌握两类定位基的定位规律，定位规律的理论解释及其在有机合成中的应用。教学重点与难点：定位规律及其应用

要点

总结思考题2.3.1苯环上亲电取代反应历程R-H＋Z+R-Z＋H+R-H＋Z-YR-Z＋H-Y亲电取代反应的反应通式：

芳环上的亲电取代反应历程:

首先是亲电试剂进攻芳环，生成

-络合物离去基团变成正离子离开，离去基团在多数情况下为质子经过σ络合物中间产物的两步历程芳香环是一个环状共轭体系，电子云密度较高，容易受到亲电试剂的进攻，发生亲电取代反应。1.定位规律BAABABAB++①决定反应的难易——以苯的相对反应速率为标准，分为活化基和钝化基②决定反应的位置——以邻对位产率60%为标准，分为邻对位基和间位基理论平均值：40%40%20%定位基团

2.3.2定位规律的内容在一元取代苯的亲电取代反应中，实际上只有一种或两种主要产物。例如各种一元取代苯进行硝化反应，得到下表所示的结果：2.定位基在进行亲电取代反应时，苯环上原有取代基，不仅影响着苯环的取代反应活性，同时决定着第二个取代基进入苯环的位置，即决定取代反应的位置。原有取代基称做定位基。2.3.3苯环上取代定位规律已有取代基的电子效应已有取代基的空间效应亲电试剂的电子效应亲电试剂的空间效应新取代基的空间效应反应的可逆性反应条件的影响诱导效应（I）：由电负性大小决定。共轭效应（T）：包括π-π共轭和p-π共轭。＋I:供电子-I:吸电子＋I:供电子-I:吸电子2.3.3.1已有取代基的电子效应有+I，无T：如-C2H5

（1）使σ-配合物稳定，活化苯环；（2）使邻、对位取代产物更稳定；（3）为邻、对位定位基。有-I，无T：如-N+(CH3)3,-CF3,-CCl3等（1）使σ-配合物均不稳定，使苯环钝化；（2）使邻、对位取代产物更不稳定；（3）为间位定位基。有+I，+T：如-O-,-CH3

（1）共轭效应与诱导效应作用一致；（2）则使苯环活化；（3）邻、对位定位基。有-I，-T：如-NO2,-CN,-COOH,-CHO等（1）诱导效应与共轭效应作用一致；（2）则使苯环钝化；（3）间位定位基。有-I，+T，且|-I|<|+T|：如-OH,-OCH3,-NH2,-N(CH3)2,

-NHCOCH3等（1）诱导效应与共轭效应作用不一致，共轭效应作用大于诱导效应，使苯环活化；（2）使邻、对位取代产物更稳定；（3）邻、对位定位基。

有-I，+T，且|-I|<|+T|：如-F,-Cl,-Br,-I等（1）总效果使苯环电子云密度降低；（2）使取代基邻、对位电子云密度低于间位；（3）邻、对位定位基。2.3.3.2已有取代基的空间效应Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12(1)在电子效应相差不大时，已有取代基体积越大，邻位异构产物的比例越小。

表一硝化（AcONO2,0℃)产物异构体比例(2)当电子效应起主导作用时，结果可能相反。Xo/p-F0.15-Cl0.55-Br0.77-I0.83

表一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25℃)产物异构体比例2.3.3.3亲电试剂的电子效应亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度越快，反应的选择性越低。亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度越低，反应的选择性越高。异构产物比例，％反应类型氯化C-酰化C-烷化反应条件Cl2(CH3COOH,25℃)CH3COCl(AlCl3,C2H4Cl2,25℃)C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)kT/kB3401282.47表亲电试剂活泼性的影响2.3.3.4亲电试剂的空间效应

亲电试剂的体积越大，邻位异构体产物越少。

表甲苯氯化反应中亲电试剂对异构体比例的影响反应条件反应试剂异构产物比例，％邻位间位对位Cl2(CH3CN,25℃)Cl2（可能与乙腈配位）37.6-62.4HClO,HClO4(H2O,25℃)Cl+74.62.232.22.3.3.5新取代基的空间效应

新取代基的体积越大，邻位异构体产物越少。

表甲苯C-烷化反应新引入基团对异构体比例的影响新引入基团反应条件异构产物比例，％邻位间位对位CH3CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45℃)55.79.934.4C2H5C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)38.421.040.6CH(CH3)2CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)26.226.247.2C(CH3)3C(CH3)3Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)032.167.92.3.3.6反应的可逆性34％25％41％1～2％65～70％28～30％丙烯，AlCl3，0℃丙烯，AlCl3，110℃2.3.3.7反应条件影响温度

（1）通常情况下，温度升高，亲电取代反应活性增高，选择性下降。0℃5％94％1％40℃7％91％2％90℃13％85％2％混酸硝化

（2）使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆反应，从而影响产物异构体的比例。实例1：实例2：催化剂（1）改变E+的电子效应或空间效应。36％混酸硝化＋混酸硝化＋40％（2）改变反应历程。磺化磺化HgSO4催化反应介质硝化反应介质++乙酸酐约92％少量约8％

硫酸约30％少量约70％2.3.4二元取代苯的定位规律当苯环上有两个取代基时，第三个取代基进入苯环的位置，主要由原来的两个取代基的性质决定。

1.两个已有取代基定位作用一致。2.两个已有取代基定位作用不一致1.两个已有取代基的定位作用一致两个已有取代基为同一类型定位基，且处于间位两个已有取代基为不同类型定位基，且处于邻、对位2.两个已有取代基的定位作用不一致两个已有取代基为不同类型定位基，且处于间位

——取决于第一类定位基两个已有取代基为同一类型定位基，且处于邻、对位

——取决于定位能力的强弱2.3.5定位规律的解释1．第一类定位基对苯环的影响及其定位效应以甲苯和苯胺为例说明，在甲苯中，甲基的碳为sp3

杂化，苯环碳为sp2

杂化，sp2

杂化碳的电负性比sp3

杂化碳的大，因此，甲基表现出供电子的诱导效应（A）。另外，甲基C—Hσ键的轨道与苯环的π轨道形成σ—π超共轭体系（B）。供电诱导效应和超共轭效应的结果，苯环上电子密度增加，尤其邻、对位增加得更多。因此，甲苯进行亲电取代反应比苯容易，而且主要发生在邻、对位上。亲电试剂E+

进攻甲基的邻、间、对位置，形成三种σ络合物中间体，三种σ络合物碳正离子的稳定性可用共振杂化体表示：进攻邻位：

进攻对位：

进攻间位：

显然，共振杂化体Ⅰ和Ⅱ比Ⅲ稳定，因为Ⅰc和Ⅱb的正电荷在有供电基的叔碳上，较分散。而在Ⅲ中，正电荷都分布在仲碳上，不稳定。所以甲基是邻对位定位基。

亲电试剂进攻苯生成的σ络合物的碳正离子也可以用共振杂化体表示：共振杂化体Ⅲ比Ⅳ稳定，虽然在Ⅲ和Ⅳ中的共振极限结构式都是正电荷分布在仲碳上，但甲基有供电性，使Ⅲ的正电荷可以分散在环和甲基上，因此，甲基活化了苯环。

从共轭效应和共振论两种观点分析、考察甲苯的亲电取代反应，都得出甲基是第一类定位基、有活化苯环作用的一致结论。在苯胺中，N—C键为极性键，N有吸电子的诱导效应（C），使环上电子密度减少；但同时氮原子有孤对电子，与苯环形成供电的p—π共轭效应（D），使环上电子密度增加：

在这里，共轭效应大于诱导效应，所以综合效应使是环上电子密度增加，尤其是氨基的邻位和对位增加更多。因此，苯胺进行亲电取代反应比苯更容易，且主要发生在氨基的邻、对位上。2．第二类定位基对苯环的影响及其定位效应

以硝基苯为例说明。在硝基苯中，硝基存在着吸电子的诱导效应（E），还存在着吸电子的π-π共轭效应（F）这两种电子效应都使苯环上电子密度降低，亲电取代反应比苯难；共轭效应的结果，使硝基的间位上电子密度降低得少些，表现出间位定位基的作用。

亲电试剂进攻硝基苯时，形成邻、间、对三种σ络合物中间体：进攻邻位：

进攻对位：

进攻间位：

共振杂化体Ⅲ比Ⅰ和Ⅱ稳定，因为在Ⅰ和Ⅱ中有正电荷分布在有强吸电子基团的叔碳上的极限结构式Ⅰc

和Ⅱb

不稳定。因此，硝基是第二类定位基，取代反应发生在间位上。共振杂化体Ⅲ有强吸电子基团，与相应的苯的共振杂化体相比，Ⅲ不稳定。因此，硝基表现出钝化苯环的作用。3．影响邻、对位产物比例的因素

1）空间效应空间效应：又称空间阻碍效应或空间位阻效应。是分子中原有基团对新引入基团产生的一种空间阻碍作用。

环上有邻对位定位基存在时，生成邻位和对位产物的比例与定位基和新进入基团的体积有关系。这两种基团体积越大，空间位阻越大，邻位产物越少。烷基苯的硝化反应随着烷基的体积增大，邻位硝基苯的比例减少。

苯环上原有定位基不变，随着进入的新取代基的体积越大，邻位异构体产物越少。2）温度3）催化剂混酸硝化＋混酸硝化＋磷酸

2.3.6典型的芳香族亲电取代反应2.3.7定位规律在有机合成中的应用1.应用定位规律可以设计和选择合适可行的合成路线，得到较高的产率和避免复杂的分离过程。

例如由甲苯合成间硝基苯甲酸，应采用先氧化后硝化的步骤：由对硝基甲苯合成2，4-二硝基苯甲酸，其合成路线有如下两条：

显然第一条合成路线较合理，可以简化分离步骤，同时硝化一步反应较第二条路线的硝化一步反应易进行，因为两个取代基（—CH3，—NO2）的定位作用是一致的。1、熟悉如何判定两类定位基并记住两类定位基的顺序；2、应用定位规律排列反应难易；4、二元取代苯的定位规律；5、应用定位规律去设计和选择合适可行的合成路线。总结本节教与学的关键词：定位基；定位规律；两类定位基；定位规律性质的解释；二元取代苯的