第一章 有機合成反應(yīng)理論,朱健,本章內(nèi)容,1.1 單元反應(yīng)的分類 1.2 有機反應(yīng)的基本過程 1.3 脂肪族取代反應(yīng)理論 1.4 芳香族取代反應(yīng)理論 1.5 自由基反應(yīng)理論,1.1 單元反應(yīng)的分類,單元反應(yīng)：為了在脂鏈、脂環(huán)、芳環(huán)、雜環(huán)上引入或者形成各種取代基，所采用的各種化學(xué)反應(yīng)。 常見的取代基 單元反應(yīng)分類： 根據(jù)取代基類型分類： 磺化、硝化、鹵化、烷基化 根據(jù)反應(yīng)機理分類： 芳環(huán)上的H被各種取代基取代的反應(yīng)（取代）； 芳環(huán)上的取代基轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N取代基（置換）； 形成雜環(huán)或新的碳環(huán)的反應(yīng)（成環(huán)縮合）。,常見的取代基,1. -SO3H,-SO2Cl,-SO2NH2 2. -NO2,-NO 3. -Cl,-Br,-F, -I, -CH2Cl,-CHCl2,-CCl3,-CF3等 4. -NH2,-NHAr,-NHOH,-NHNH2,-NHAc,-NHR,-NRR 5. -R 6. -COOH,-COR,-COAr, -COH, -COOR,-COCl,-CONH2 7. -OH,-OR,-OAr,-OAc 8. -N2+Cl-, -N2 + HSO4 -, -N=NAr,1.2 有機反應(yīng)的基本過程,五個基本過程： 鍵的斷裂 鏈的形成 鍵的斷裂與形成同步發(fā)生 分子內(nèi)重排作用 電子傳遞,鍵的斷裂,均裂,異裂,鍵的形成,兩個游離基的結(jié)合； 兩個相反離子的結(jié)合； 一個離子和一個中性分子的結(jié)合。,鍵的斷裂和形成同步發(fā)生,斷裂一個單鍵；形成一個單鍵。,一個雙鍵轉(zhuǎn)化形成單鍵同時形成一個單鍵。,分子內(nèi)重排,電子轉(zhuǎn)移,1.3 脂肪族取代反應(yīng)理論,1.3.1 脂肪族親核取代反應(yīng)； 同步取代反應(yīng)：SN2歷程； 先消除再取代反應(yīng)：SN1歷程； 先加成再消除反應(yīng)：四面體歷程 1.3.2 脂肪族親電取代反應(yīng)。 雙分子歷程； 單分子歷程； 取代伴隨雙鍵移動。,1.3.1 脂肪族親核取代反應(yīng),通式：,SN反應(yīng)：S取代（substitution), N親核（nuclear); R-X：底物； Nu-：親核試劑、進(jìn)入基團； X-：離去基團。,典型反應(yīng)與應(yīng)用：鹵代烷的各類取代反應(yīng)（P1表11）。,1.3.1 脂肪族親核取代反應(yīng),反應(yīng)歷程：,同步取代（SN2歷程）,先消除后加成（SN1歷程）,先加成后消除（四面體歷程）,SN2歷程,親核試劑從反應(yīng)物離去基團背面向碳原子進(jìn)攻，形成一個較弱的鍵； 同時，離去基團與碳原子的鍵有所減弱，兩者與碳原子成直線形狀，碳原子上另外三個鍵逐漸由傘形轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫?，形成過渡態(tài)； 形成過渡態(tài)消耗的能量為活化能DE，過程需要較大能量，是比較慢的一個過程，控制反應(yīng)速度 反應(yīng)動力學(xué)與底物和親核試劑濃度都有關(guān)系。,SN1歷程,反應(yīng)分步進(jìn)行； 底物先離解形成碳正離子與帶負(fù)電荷的離去基團，這種離解過程需要消耗能量，是控制反應(yīng)速度的慢的一步。 然后，離解形成的碳正離子立即與親核試劑反應(yīng)，這一過程的速度極快，是快的一步 反應(yīng)動力學(xué)只與底物濃度有關(guān)。,反應(yīng)的影響因素,烷基結(jié)構(gòu)：空間效應(yīng)和電子效應(yīng) SN2歷程反應(yīng)，空間效應(yīng)決定； SN1歷程反應(yīng)，電子效應(yīng)決定。 立體化學(xué)和重排： SN2-構(gòu)型翻轉(zhuǎn)； SN1-消旋。 進(jìn)入基團：堿性和極化性 堿性強，親核性強，但是容易受溶劑影響（溶劑選擇）； 可極化性大，親核性強，不受溶劑影響。 離去基團：堿性弱，易離去 溶劑效應(yīng)： SN1歷程-質(zhì)子溶劑酸性強有利，溶劑極性大好； SN2歷程-偶極溶劑比較好，溶劑極性小較好。,常見脂肪族親核取代反應(yīng),a 氧親核試劑酯水解、羧酸的酯化、酯的醇解、酰鹵的醇解等，可以應(yīng)用于涂料粘合劑的生產(chǎn)中。 b硫親核試劑 SH基或SR基在烷基碳上攻擊，主要用于表面活性劑的制備中。 c 氮親核試劑 N烷化、N酰化；酰胺和酰亞胺的N烷化、N?；?；以及亞硝酸根(N02)、疊氮基(N3)、異氰酸根(NCO)等，可以用于生產(chǎn)陽離子表面活性劑。 d 鹵親核試劑常用鹵化氫，無機酰鹵等，可以用于鹵代烷的生產(chǎn)。 e 在磺酰基硫上的親核取代反應(yīng) 表面活性劑。,1.3.2 脂肪族親電取代反應(yīng),反應(yīng)歷程：,雙分子歷程SE2,雙分子歷程SEi,單分子歷程SE1,親電取代伴隨雙鍵移動,1.4.1 芳香族親核取代反應(yīng) 1.4.1.1 反應(yīng)動力學(xué)與歷程； 1.4.1.2 對氫的親核取代反應(yīng)； 1.4.1.3 對非氫的親核置換反應(yīng)。 1.4.2 芳香族親電取代反應(yīng) 1.4.2.1 苯的一元親電取代反應(yīng)； 1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng)； 1.4.2.3 苯的多元親電取代反應(yīng)； 1.4.2.4 稠環(huán)芳烴的親電取代反應(yīng)。,1.4 芳香族取代反應(yīng),1.4.1.1 芳香族親核取代反應(yīng),反應(yīng)類型： 芳環(huán)上氫的親核取代 芳環(huán)上已有取代基的親核取代 通過苯炔中間體的親核取代,反應(yīng)歷程： 雙分子反應(yīng)歷程 單分子反應(yīng)歷程 苯炔中間體歷程,親核試劑類型： 負(fù)離子：OH-, RO-, ArO-等； 極性分子中偶極的負(fù)端：含氮化合物。,芳烴的親核反應(yīng)要難于親電反應(yīng)：苯環(huán)上電子云密度較高，不利于親核試劑的進(jìn)攻。,1.4.1 反應(yīng)動力學(xué)與歷程,雙分子反應(yīng)（吸電子基團活化的取代苯）,證實：邁森海默絡(luò)合物的獲得（P49， 37）,1.4.1 反應(yīng)動力學(xué)與歷程,單分子反應(yīng)（芳香重氮鹽的親核置換）,證實：,1.4.1 反應(yīng)動力學(xué)與歷程,通過苯炔中間體的取代（氯苯和溴苯的氨解）,證實：,1.4.2 對氫的親核取代反應(yīng),發(fā)生十分困難； 吸電子基團取代有利于反應(yīng)進(jìn)行。,相對于氫來說比較容易，具體可以見P5253； 用途：用于在苯環(huán)上直接引入直接在芳環(huán)上引入-OH、-OR、-OAr、-NH2、-HHR、-NRR、-NHAr、-CN和-SH等，或者為了在指定位置引入磺基或鹵基。,1.4.3 對非氫的親核取代反應(yīng),1.4. 2 芳香族親電取代反應(yīng),苯的分子結(jié)構(gòu)：,容易發(fā)生親電反應(yīng)； 加成會破壞共軛結(jié)構(gòu)，因此只能發(fā)生取代反應(yīng),C原子是sp2雜化，p軌道相互重疊，形成一個大p鍵； p電子高度離域，環(huán)上下面電子云密度高；,結(jié)構(gòu)特點,親電取代反應(yīng),1.4. 2 芳香族親電取代反應(yīng),“p絡(luò)合物”和“ s絡(luò)合物”:,芳烴與親電試劑接觸時，它先與芳環(huán)平面兩側(cè)的環(huán)狀p電子發(fā)生松散結(jié)合，形成p絡(luò)合物，但是此時沒有化學(xué)鍵形成。,對于親電能力較強的試劑，形成p絡(luò)合物后，將進(jìn)一步從芳環(huán)奪取一對電子，與環(huán)上的某一碳原子形成s鍵，稱作s絡(luò)合物。比較穩(wěn)定。,1.4. 2 芳香族親電取代反應(yīng),反應(yīng)歷程：,第一步,第二步,親電試劑E和芳烴先形成s絡(luò)合物。,s絡(luò)合物由于破壞原來的芳香結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步理解形成取代產(chǎn)物。,機理的證明可以通過同位素效應(yīng)進(jìn)行：,用混酸作為硝化試劑分別對苯、氘代苯和氚代苯進(jìn)行硝化時，測得三者的反應(yīng)速度幾乎相等，即沒有同位素效應(yīng)。說明反應(yīng)中k2k1, k-1，即生成s絡(luò)合物是反應(yīng)速度的控制階段，而脫質(zhì)子是快速階段。P23，表1-3更多例子。,1.4.2 芳香族親電取代反應(yīng),反應(yīng)的可逆性：,吸電子基團取代后，導(dǎo)致苯環(huán)上電子云密度降低，特別是與吸電子基團相連的碳原子電子云密度降低更多，H更加不容易進(jìn)攻，所以反應(yīng)不可逆。,推電子基團取代后，導(dǎo)致苯環(huán)上電子云密度增加，尤其是與吸電子基團相連的碳原子電子云密度增加更多，有利于H進(jìn)攻，所以反應(yīng)可逆。,特例：磺化反應(yīng)的可逆。,親電的H距離苯環(huán)距離很小，容易進(jìn)攻，導(dǎo)致反應(yīng)可逆。,1.4.2 芳香族親電取代反應(yīng),誘導(dǎo)效應(yīng) 由相鄰鍵的極化而引起某個鍵的極化，對鄰鍵影響最大。 給電子誘導(dǎo)效應(yīng)：使電子云向苯環(huán)偏移增強（負(fù)電荷基團）； 吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)：使電子云向取代基偏移消弱（雜原子基團）； 各種取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)：P27表1-5。 共軛效應(yīng) 共軛體系內(nèi)取代基引起的共軛體系的電子云密度的變化，因而對分子的偶極矩產(chǎn)生影響； 給電子共軛效應(yīng)供給苯環(huán)電子（富電子基團，氨基等）； 吸電子共軛效應(yīng)移走苯環(huán)電子（缺電子基團，硝基等）。 超共軛效應(yīng) s鍵與p鍵共軛的效應(yīng)； 一般都是烷基； 烷基中CH鍵數(shù)量多的超共軛效應(yīng)大。,取代基的電子效應(yīng)：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),意義：一元取代苯再進(jìn)行一次親電取代的反應(yīng)。 反應(yīng)結(jié)果：形成二元取代苯。 目的：制備各種芳香族中間體產(chǎn)品。 關(guān)鍵：第二個基團的取代位置和難易程度。,取代基只有正的誘導(dǎo)效應(yīng)（如烷基），結(jié)果： 使苯環(huán)上面電子云密度增加，活化親電試劑和苯環(huán)間的反應(yīng)。 取代基中與芳環(huán)相連的原子有孤對電子，結(jié)果： 例子：O, -NR2, -NHR, -NH2, -OH, -OR, -F, -Cl, -Br, -I等； 都具有負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，降低苯環(huán)上面的電子云密度； 然而，由于孤對電子還可以與苯環(huán)發(fā)生正的共軛效應(yīng)，一般共軛效應(yīng)大于負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，最終結(jié)果使苯環(huán)電子云密度增加，活化親電試劑和苯環(huán)間的反應(yīng)； 鹵素由于其正的共軛效應(yīng)小于負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，而使苯環(huán)與親電試劑的反應(yīng)鈍化，是比較特殊的情況。 取代基具有負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，而且與苯環(huán)相連的原子沒有孤對電子，結(jié)果： 例子：-NR3, -NO2, -CF3, -CN, -SO3H, -CHO, -COR, -COOH等； 使苯環(huán)上電子云密度降低，鈍化親電試劑與苯環(huán)的取代反應(yīng)。,二元取代的定位規(guī)律：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),取代基的分類（P29表1-7)：,二元取代的定位規(guī)律：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),苯環(huán)定位規(guī)律：不同類型取代苯環(huán)上有效電荷分布。,取代基對苯環(huán)上電子云密度有很大影響； 電子云密度不同，親電試劑進(jìn)攻的難易程度不同；,二元取代的定位規(guī)律：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),推電子取代基取代苯的二元親電取代定位規(guī)律： 推電子取代基使其鄰對位帶有靜態(tài)的負(fù)電荷，有利于親電試劑的進(jìn)攻； 推電子取代基取代苯在親電試劑進(jìn)攻其鄰對位形成的s絡(luò)合物由于有推電子取代基參加其正電荷的分散，因而相對于沒有推電子取代基參加正電荷分散的間位s絡(luò)合物穩(wěn)定，有利于降低反應(yīng)的活化能（P30，168、169）； 親電取代反應(yīng)比沒有取代苯容易，而且以鄰對位取代為主。,鄰對位取代s絡(luò)合物中的穩(wěn)定因素,間位取代s絡(luò)合物中推電子取代基不能參與正電荷分散,二元取代的定位規(guī)律：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),吸電子取代基取代苯的二元親電取代定位規(guī)律： 吸電子取代基使苯環(huán)共軛電子體系電子云密度降低，不有利于親電試劑的進(jìn)攻，相比而言，間位比較有利于親電試劑進(jìn)攻； 吸電子取代基取代苯在親電試劑進(jìn)攻其鄰對位形成的s絡(luò)合物由于存在正電荷集中的共振結(jié)構(gòu)，因而其能量相對于間位s絡(luò)合物高，相應(yīng)的反應(yīng)活化能大，不利于反應(yīng)發(fā)生（P32，170、171、172）； 親電取代反應(yīng)比沒有取代的苯難于發(fā)生，反應(yīng)以間位取代為主。,鄰對位取代s絡(luò)合物中的不穩(wěn)定因素,間位取代s絡(luò)合物中沒有類似的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),二元取代的定位規(guī)律：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),鹵素取代苯的二元親電取代定位規(guī)律： 鹵素的共軛推電子效應(yīng)弱于吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，因而最終導(dǎo)致鹵素取代苯上電子云密度要低于未取代的苯，不利于親電試劑進(jìn)攻； 親電試劑進(jìn)攻鹵代苯鄰對位時形成的s絡(luò)合物由于有鹵素的參與而能夠分散部分正電荷，使其得到一定程度的穩(wěn)定，能量要低于沒有鹵素參與分散的間位s絡(luò)合物，因而鄰對位反應(yīng)占優(yōu)勢（P33，173、174、175）； 親電取代反應(yīng)比沒有取代的苯難于發(fā)生，反應(yīng)以鄰對位取代為主。,鄰對位取代s絡(luò)合物中的穩(wěn)定因素,間位取代s絡(luò)合物中沒有類似的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),影響二元取代產(chǎn)物異構(gòu)體比例的因素：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),影響二元取代產(chǎn)物異構(gòu)體分配比例的因素是十分復(fù)雜的，主要包括： 取代基的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)； 介質(zhì)與底物的相互作用； 介質(zhì)與進(jìn)攻試劑的相互作用，以及由此引起的進(jìn)攻試劑與底物之間的相互作用的改變； 不同條件下引起的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)改變等。,影響二元取代產(chǎn)物異構(gòu)體比例的因素：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),已有取代基的空間效應(yīng)和極性效應(yīng),反應(yīng)劑的空間效應(yīng)和極性效應(yīng),反應(yīng)條件的影響,極性類似時，空間效應(yīng)主導(dǎo)； 烷基苯硝化時候體積增大，對位產(chǎn)物增多 極性相差大時，極性效應(yīng)主導(dǎo)。 鹵代苯硝化時從F到I，雖然體積增大，但是鄰位產(chǎn)物增加，就是由于極性效應(yīng)的影響。,親電試劑的體積大，對位產(chǎn)物多； 個別情況親電試劑可以與已有取代基形成絡(luò)合物，使鄰位產(chǎn)物含量增加,溫度：增加溫度，可以使反應(yīng)從不可逆轉(zhuǎn)變成可逆，導(dǎo)致熱力學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)物增加；（P38） 催化劑：影響親電試劑能力； 介質(zhì)：通過溶劑化程度影響底物和親電試劑。,苯的二元親電取代分速因素：,1.4.2.2 苯的二元親電取代反應(yīng),分速因素：取代苯中某一位置的二元取代速度與苯的一個位置的一元取代速度之比?？梢杂糜诒容^取代苯上各個位置的反應(yīng)速率。,其中 fz z位置的分速因素； z 鄰、對、間位； y z位置的數(shù)目； kr 取代苯與苯的相對取代反應(yīng)速率常數(shù)； x z位置異構(gòu)產(chǎn)物的分?jǐn)?shù)。,例子：甲苯硝化反應(yīng)，產(chǎn)物：鄰位61.4%，間位1.6%，對位37%，kr 27,求分速因素！,1.4.2.3 苯的多元親電取代反應(yīng),苯環(huán)上已有取代基的定位效應(yīng)具有加和性； 當(dāng)苯環(huán)上已有取代基對新取代基定位效應(yīng)不一致時，新取代基進(jìn)入苯環(huán)的位置取決于已有取代基定位效應(yīng)的強弱； 當(dāng)苯環(huán)上兩個取代基都是鈍化基時，很難再進(jìn)入新取代基； 取代基一般不進(jìn)入1,3-取代苯的2位。 P40 。,1.4.2.4 稠環(huán)芳烴的親電取代反應(yīng),萘的一元親電取代：,a-取代的中間體正離子共振結(jié)構(gòu),b-取代的中間體正離子共振結(jié)構(gòu),通常條件下，親電取代時，a位比b位活潑，主要得到a位取代產(chǎn)物； 高溫磺化時得到熱力學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)物b位取代產(chǎn)物（空間位阻）,硝化,氯化