精细有机合成反应基础

精细有机合成反响根底

FineOrganicSynthesis余建军考核方式理论教学课程：40学时，2学分平时成绩：50%课程考勤〔20%〕完成作业〔20%〕一次课堂小测验〔10%〕考试成绩：50%注：本课程随机考勤4次，每缺勤1次扣5分导言化学是中心科学，而合成那么又是化学的中心。这一似乎有些夸张的提法恰好表达了合成化学的重要意义。从哲学角度讲，合成不仅是认识世界的一种重要手段，更是人类改造世界和创造全新物质世界的专门学科。另一方面，合成化学对开展经济、提高社会生产力显然起到不可替代的重要作用。AdvancedFormulations&Materials导言化学是一门实验科学，化学家们必须不停地继续寻找新的分子，并且试着合成他们，这是化学家们永远不应当放弃的根底科学。没有合成化学和合成化学家，就不会有新的分子来捕捉我们的梦想和想象，就不能为化学研究的创造性能量开辟释放的出路。没有合成化学，难以想象化学是一门有生命力的知识领域。合成化学是分子科学的最具创造性的分支。相关课程之间的联系

有机合成是化学中最具有创造性、又最具实用性的一门学科。有机合成是有机化学的中心，也是有机化学中最富有活力的分支学科。有机合成精细化工工艺学化工原理根底课专业根底课专业课有机化学有机合成不但能够合成自然界中已有的任何分子，而且还可以有意识地、有目标地制备人们所期望的，具有各种特定功能的新型化合物分子。有机合成化学家的目的：〔1〕在实验室内用人工的方法来复制自然界的产物，用以证明它的结构。〔2〕根据人们的需要来改造有机分子结构或创造出全新的结构。近代有机合成的功绩首推RobertRobinson:〔1〕化学结构和反响性及反响过程之间的关系〔2〕将机理分析应用于有机合成。〔3〕使有机合成第一次成为一门课程。有机合成化学王利民主编，《精细有机合成》华东理工大学出版社，2012年。教材购置：研究生楼1207室，刘强王利民主编，《精细有机合成新方法》化学工业出版社，2004参考书籍绪论1.1共价键的形成、性质及其影响因素1.2精细有机合成反响1.3有机反响活性中间体1.4精细有机合成中的溶剂效应1.5精细有机合成中催化技术第一章精细有机合成反响根底精细有机化学品：指对石油化工产品和天然资源化学品等根本有机化学品再次经过化学加工而形成的具有更高附加值的各类有机化合物的统称。以有机合成原理为根底、融合有机合成工艺和工程技术、导向实际生产的有机合成化学。精细有机合成：基于有机化学反响、有机合成路线设计、有机物别离分析技术、催化技术、生产设备工艺等化工技术等；是高度知识和技术密集和综合的生产过程。1.绪论

共价键的形成与性质：有机化合物中各个原子之间是以共价键联结的，有机反响在本质上就是旧的共价键断裂和新的共价键形成的过程。共价键的理论：价键理论、杂化轨道理论和分子轨道理论。1.1共价键的形成、性质及其影响因素共价键理论现代价键理论是建立在量子力学根底上，主要有：价键理论：认为成键电子只能在以化学键相连的两原子间的区域内运动。分子轨道理论：认为成键电子可以在整个分子的区域内运动。6-2-1共价键实验测知:H2核间距＝74pmH玻尔半径＝53pm说明H2分子的形成：成键电子的轨道发生了重叠，使核间形成了电子概率密度较大的区域，削弱了两核间的正电排斥，增强了核间电子云对核的吸引，使体系能量降低，形成共价键。共价键的形成——以H2为例共价键：原子间由于成键电子的原子轨道重叠而形成的化学键价键理论要点价键理论(电子配对法)要点两原子靠近时，自旋方向相反的未成对的价电子可以配对，形成共价键。成键电子的原子轨道重叠越多，形成的共价键越牢固——最大重叠原理。共价键特征共价键特征饱和性:原子有几个未成对的价电子,一般只能和几个自旋方向相反的电子配对成键。例2pNN2pN2:N≡N:在特定的条件下，有的成对的价电子能被拆开为单电子参与成键。例S3s3p3d3s3p3d[·S·]+6[·F:]→F–S–F¨¨¨¨FF\//\FF共价键特征

方向性:为满足最大重叠原理，成键时原子轨道只能沿着轨道伸展的方向重叠。++++++---原子轨道的重叠原子轨道的重叠只有当原子轨道对称性相同的局部重叠，原子间的概率密度才会增大,形成化学键。原子轨道重叠的对称性原那么当两原子轨道以对称性相同的局部(即〞+〞与〞+〞、〞-〞与〞-〞)重叠。+18当两原子轨道以对称性不同的部分(即“+”与“-”)重叠，原子间的概率密度几乎等于零，难以成键。原子轨道的重叠19共价键的类型共价键的类型共价键极性共价键强极性键：如H-Cl

弱极性键：如H-I非极性共价键：如H-H、Cl-Cl按键是否有极性分：按原子轨道重叠部分的对称性分：σ键、π键、δ键20σ键：原子轨道以“头碰头〞的形式重叠所形成的键σs-pσs-sσp-p对键轴(x轴)具有圆柱形对称性

xxx21π键：原子轨道以“肩对肩〞的形式重叠所形成的键对xy平面具有反对称性

zzxyyπpz-pz即重叠局部对xy平面的上、下两侧，形状相同、符号相反。22例N2NNσxπyπz:N—N:····价键结构式N≡N分子结构式化学键示意图σ电子：形成σ键的电子π电子：形成π键的电子23δ键：两个原子相匹配的d轨道以“面对面〞的方式重叠所形成的键zxxyydxydxy24共价键的类型配位共价键含义：凡共用电子对由一个原子单方面提供,所形成的共价键形成条件：

1.一个原子价层有孤电子对(电子给予体)2.另一个原子价层有空轨道(电子接受体)例COCO2s2p2s2p:C—O:····σ键π配键→π键→价键结构式:CO:电子式分子结构式C=O256-2-2离子键离子键本质：阳、阴离子之间的静电引力存在：离子晶体和少量气态分子中特征：无方向性和饱和性26键型过渡两原子是形成离子键还是共价键取决于：两原子吸引电子的能力，即两元素原子电负性的差值(△χ)。△χ越大，键的极性越强。极性键含有少量离子键和大量共价键成分，大多数离子键只是离子键成分占优势而已。27键型过渡·····HHHI:HBr:HCl:HF:NaF:¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨△χ2.1-2.1=02.5-2.1=0.42.8-2.1=0.73.0-2.1=0.94.0-2.1=1.94.0-0.9=3.1非极性键极性键

离子键Na+Cl-电负性差值越大键的极性越强，281.1.2影响共价键反响性质的因素电子效应诱导效应：电荷通过电场对邻近的共价键的极性等性质产生的影响称为诱导效应共轭效应：孤对p-电子和由p-轨道相互作用形成的

-键中的成键电子对的活动性比杂化轨道中

-键电子对大，能在相联的共平面的

-轨道或p-轨道之间流动，电子云就不再局限在两个成键原子之间，而是分布在整个相联的

-轨道或p-轨道上。这种现象称为共轭或电子离域。电子效应的方向性。对于诱导效应，以C-H或C-C键作为参比，如果一个邻近的原子和基团会使C-H或C-C键电子密度下降，就称为吸电子基，表现为负诱导效应〔-I〕；反之，就是供电子基，表现为正的诱导效应〔+I〕。与诱导效应类似，以C=C双键为参比，一个邻近基团的共轭效应也可以分为吸电子共轭〔-C〕和供电子共轭〔+C〕效应。例如，丙烯腈中腈基(CN)为吸电子共轭基团，而乙烯基丁醚中的醚基〔OR〕为供电子共轭基团。电子效应的强度诱导效应强度比较-F>-Cl>-Br>-I>-OR>-CH3

O->-CO2->CH2R>CH3>H例如：CF3COOH>HCOOH>CH3COOH>CH3CH2CCOOH电子效应的强度强度比较

综合诱导效应和共轭效应比较超共轭效应

定义

-键电子对也可以有一定程度的离域，只是离域程度远远小于

-

共轭和p-

共轭体系。这种

-

和p-

，甚至

-

键之间的离域现象一般称为超共轭。由超共轭引起的共价键性质的变化称为超共轭效应。

叔丁基超共轭效应共振结构叔丁基超共轭效应分子轨道模型立体效应与构象

立体效应是指分子内各基团之间，或两分子相互接近时不同分子的基团之间，通过空间张力相互作用所引起的取代基效应。1.2精细有机合成反响极性反响常见亲电反响物包括以下几类：１〕各种阳离子，例如NO2+、R+、R-C+=O、X+、H+、〔金属离子〕Mn+等；２〕含有极化或易于极化的共价键的分子或基团，前者如H－F、H－Cl、RCO－Cl、C=O、R-X、C-OTs等；后者如O3、Cl2、Br2、H2O2中的Ｏ－Ｏ键等；３〕含有可接受共用电子对的分子或基团，例如AlCl3、FeCl3、BF3、卡宾等。1.2精细有机合成反响常见亲核反响物包括以下几类：１〕各种阴离子和可以产生阴离子的分子，如0H-、RO-、ArO-、NaSO4-、NaS-、CN-、离子性有机金属化合物中的烷基〔RMgX、RC＝CM〕等；２〕极性分子中偶极的负端：如NH3、RNH2、RR2NH、ArNH和NH2OH、共价性有机金属化合物中的烷基〔RHgX、RB(OH)2〕等；３〕富电子－键，烯烃双键和芳环－键，如CH2＝CH2，C6H6等；４〕复原剂，如Fe2+、金属等；５〕含带有孤对电子的杂原子或基团的分子，如R3N、R3P、R2S等。1.2精细有机合成反响常见亲核反响物包括以下几类：１〕各种阴离子和可以产生阴离子的分子，如0H-、RO-、ArO-、NaSO4-、NaS-、CN-、离子性有机金属化合物中的烷基〔RMgX、RC＝CM〕等；２〕极性分子中偶极的负端：如NH3、RNH2、RR2NH、ArNH和NH2OH、共价性有机金属化合物中的烷基〔RHgX、RB(OH)2〕等；３〕富电子－键，烯烃双键和芳环－键，如CH2＝CH2，C6H6等；４〕复原剂，如Fe2+、金属等；５〕含带有孤对电子的杂原子或基团的分子，如R3N、R3P、R2S等。1.2精细有机合成反响非极性反响自由基反响、各类周环反响和卡宾反响。1.2精细有机合成反响过渡金属催化的有机合成反响各类过渡金属催化交叉偶联反响和催化剂1.3有机反响活性中间体中间体稳定性对选择性的影响碳正离子中间体

烷基碳正离子的结构特征是中心碳原子为sp2杂化的平面三角构型，一个空的P轨道垂直于中心碳原子三角平面。氮与氧正离子氮与氧正离子负离子中间体自由基含有未成对单电子的原子团称为自由基。碳自由基种类：自由基产生热解：光解：单电子转移：自由基产生氧化条件：自由基反响卡宾卡宾是含有两个非键电子的中性二价碳原子团。卡宾氮卡宾含两个非键电子的中性二价氮原子团也是有机合成中常见的中间体，称为氮宾〔nitrene〕或氮卡宾。氮卡宾含两个非键电子的中性二价氮原子团也是有机合成中常见的中间体，称为氮宾〔nitrene〕或氮卡宾。氮卡宾Curtis重排苯炔苯炔是一类特殊的有机反响活性中间体，与其他活性中间体不同，苯炔的高反响性源于空间张力。由于空间构型的限制，苯炔中的一个Ｃ－Ｃ键的p轨道交盖很小，容易断裂。苯炔苯炔生成苯炔经由苯炔中间体的精细有机合成反响主要是一些氯代芳烃的亲核取代反响。1.5精细有机合成中的溶剂效应溶剂在合成反响中的作用：溶解反响物；反响物均匀分散；传热和传质过程通畅；溶剂化作用活化反响底物。存在的问题：人们对溶液的形成和溶剂对溶质化学反响性质的影响的认识还依赖于实践经验，无法进行准确的理论预测。影响溶解作用的因素溶质和溶剂分子之间各种非定向相互作用力；溶质和溶剂分子之间各种定向相互作用；溶质分子自身的缔合程度；溶质的分子量；温度。溶剂的分类

按化学结构首先可以分为无机溶剂和有机溶剂两大类。

有机溶剂根据是否存在活泼质子可以分为质子溶剂和非质子溶剂两大类。

按官能团又可以细分为：卤代溶剂、醚类溶剂、芳烃溶剂、烷烃溶剂、醇类溶剂等等。离子液体溶剂20世纪末期，为了解决挥发性有机物〔VOC〕造成的污染问题，化学界将低温熔盐作为挥发性有机溶剂的替代物在有机合成反响中使用并称之为离子液体，即完全由正负离子组成的液态物质。离子液体的特点离子液体属于熔盐，几乎没有蒸汽压，不会挥发，没有VOC问题；离子液体由正负离子构成，可以很容易通过改变正离子或负离子而调节离子液体的溶解性能等物理和化学性质；非配位性强极性溶剂；特定功能的功能化离子液体。有机反响中溶剂的使用和选择溶剂应有足够的化学稳定性；溶剂对反响物有良好的溶解性或者分散性能，尽可能使反响均匀可控进行；溶剂应有利于产品的纯化等后处理过程；平安性、环境污染和价格等非化学因素；1.5精细有机合成中催化技术催化剂是一种能提高某反响的速率而不改变反响的热力学平衡的物质，即催化作用改变的是反响到达热力学平衡的时间，而不是热力学平衡本身。催化剂的考核指标TOF：即单位时间内催化剂的量与其转化的底物的量的比值；TON：催化剂在失去活性时已经转化的底物的总量；选择性：催化反响形成的目标分子与其他产物的比例均相催化酸、碱催化根本概念：质子酸碱和Lewis酸碱和软硬酸碱理论。均相酸、碱催化作用碱催化的酯水解机理？碱催化的酯水解机理？

Lewis酸催化定义：一般是杂原子的孤对电子对与Lewis酸中金属离子的配位，提高相应共价键的极性，从而活化相关官能团。酸碱协同催化酸碱协同催化在生物体中的酶催化、固体酸碱异相催化