有机化学反应机理

1、有机化学反应机理四.弗瑞德-克来福特(Friedel-Crafts) 烷基化反应(P. 20)1芳烃与卤代烃、醇类或烯类化合物在Lewis催化剂(如AICI 3, FeC6 H 2SQ, H 3PQ, BF 3, HF等)存在下，发生芳环的烷基化反应。A1C13Ar- H + RX “- Ar-R + HXX = F. CL Be , r卤代烃反应的活泼性顺序为：RF RCl RBr RI ;当烃基超过3个碳原子时，反应过程中易发生重排。1.反应机理+ CI -2.含一二建*r肮 I内猜施体 卉型VI当实验结果,痕加成轉到的赤型产物-4-甲基环已烯较穏定C ISf 23 4K -4-甲基-1

2、- A二淇环己烷tiiiM姣不應定(vi M少呈、32Le.C1R. 2EL. +K 一4一甲罐 -1 . L二滾床已煽-1 . b二谊坏匸烷Ci)有光活性，它的半椅型构彖(ii)与(Lli),由于(11)中甲基类似平键，(ill)中甲基类 似宜犍，因此平衛有利于(11),主要由(ii)进行反应，经(IV),得有光活性的(7), (iii)反 应仪得少量(VI),因此有光活性的反应物.可得有光活性的产物口(vii)也有光活性.主要构象为(viii),习Br反应经(x)得有光活性的 ,也御少量(xii) 0如果用(RS) 7-甲基环己烯反应，主要得到一对由(V)与(xi)组成的外消旋体及少量由(

3、vi) 与(xii)组成的外消旋仮因此消旋的反应軌得到消旋胪林由于(i) 、 (ii)有光活性，反应后产生了新的手性碣得到了不等量的非对映体，如G)产生 (V)与(vi) , (vii)产生(xi)与(疝i)这种在手性因素制约下的化合牺被试剂作用产生新的 手性联原子所组成的不等量的两个光活异构体一非对狭体，这是不对称合成，或称手性诱导合成的又一 例子。这在3. 21. 5节中靄行了介鉛.、马氏规则的解释和碳正离子的稳定性马氏规则是由实验总结出来的经验规则，它的理论解释可以从结构和反应历9程两方面来理解。1.用诱导效应和d -n共轭效应来解释 1）用诱导效应解释ch3-ch=ch 2/ 3 23

4、2sp spCH3CH=CH23因电负性sp sp ，当甲基与C=C 相连时， 使C=C双键 上的n电子云发生偏移，Ci上的电子 云密度增大，C2上的电子云密度减小，即双键上n 电子云发生了极化，（如左图所示）故加成时带正 电荷的基团优先加到 Ci上得到马氏产物。2） d - n共轭效应来解释S f 5_CH=CH 2当键直接与双键相连时，这样的体系中 存在着电子的离域现象，其结果使极化。2.用泼中间体碳正离子的稳定性来解释正碳离子的杂化状态及结构如下所示:1空1+-ZCc、平面构型sp3 sp2（碳原子外层只有六个电子）碳的杂化状态碳正离子的结构定性的说，碳正离子的稳定性顺序为:CH31CH

5、3H1CH3阳 CH3-C+ 1cH3g+1CH3CH31HH叔（3 ）仲(2 )伯（1 ）原因：从电负性看，Csp2 Csp3故烷基上的电荷向 C+转移，分散了 C+的电荷，烷基越多，分散作用越大，碳正离子越稳定。从d -P共轭效应看，参与 d -P共轭的键数目越多，贝U正电荷越分散，碳正离子越稳定。9个C-H参与d -P共轭(2)10(2)#碳正离子的稳定性越大，越易生成，当有两种碳正离子可能生成时，则优先生成稳定的碳正离子， 故主要得到马氏产物。例如:(2)#(2)#CH3-CH=CH 2-HBr CH 3-CH-CH 3异丙基碳正离子 (2 +ch3-ch2-ch2BrCH3-CH-C

6、H 3Br(2)11丙基碳正离子 （1 ）(2)#+因碳正离子(CH3-CH-CH 3 )的稳定性 CH 3-CH 2-CH 2 的产物为主要产物苯环上亲电取代反应的定位规律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基本概念：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。一、两类定位基在一元取代苯的亲电取代反应中，新进入的取代基可以取代定位基的邻、间、对位上的氢原子，生成三种异构体。如果定位基没有影响，生成的产物是三种异构体的混合物，其中邻位取代物40%

7、(2/5)、间位取代物 40%( 2/5)和对位取代物 20%( 1/5)。实际上只有一种或二种主要产物。例如各种一元取代苯进行硝化反应，得到下表所示的结果：取代基相对速度石肖化产物%(令坯对司邻间对OH很快55-45100/Coch32 X 10574151185/15nhcoch3快1P18099门ch32563334P4Z3ccch3151288092/3CH2C10.332155284/(5F0 0312-8S100/DC10 033016PSWLBr0 033716299门I0 1S38260H1.0no26 X 20869317/93CO2C2Hi0.003728(58432/fi

8、EN(CH3)31.2 X 1030E91111/85COOH慢1PS0120/80SO5H慢2172728/72CF3慢0100a0/100排在苯前面的取代硝化产物主要是邻位和对位取代物，除卤苯外，其它取代苯硝化速率都比苯快；排 在苯后面取代硝化产物主要是间位取代物，硝化速率比苯慢得多。归纳大量实验结果，根据苯环上的取 代基(定位基)在亲电取代反应中的定位作用，一般分为两类：第一类定位基 又称邻对位定位基： 一O-， N(CH3)2, NH2, OH， OCH3， NHCOCH 3， OCOCH3, F， Cl， Br， I， R， C6H5 等。第二类定位基 又称间位定位基： 一N+(CH

9、3)3, NO2， CN， SO3H， CHO， COCH3， COOH， COOCH3， CONH2， NH 等。两类定位基的结构特征：第一类定位基与苯环直接相连的原子上只有单键，且多数有孤对电子或是负 离子；第二类定位基与苯环直接相连的原子上有重键，且重键的另一端是电负性大的元素或带正电荷。 两类定位基中每个取代基的定位能力不同，其强度次序近似如上列顺序。二、定位规律的电子理论解释在一取代苯中，由于取代基的电子效应沿着苯环共轭链传递，在环上出现了电子云密度较大和较小的 交替分布现象，因而环上各位置进行亲电取代反应的难易程度不同，出现两种定位作用。也可以从一取 代苯进行亲电取代反13应生成的

10、中间体b络合物的相对稳定性的角度进行考察，当亲电试剂E+进攻一取代苯时生成三种d络合物:14Z不同，生成的三种b络合物碳正离子的稳定性不同，出现了两种定位作用。1 .第一类定位基对苯环的影响及其定位效应以甲基、氨基和卤素原子为例说明。甲基 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 H b键的轨道与苯环的n轨道形成 b n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

11、剂E+进攻甲基的邻、间、对位置，形成三种b络合物中间体，三种b络合物碳正离子的稳定性可用共振杂化体表示：进攻邻位:#lbIc进攻对位:或进攻间位:亲电试剂进攻苯生成的b络合物的碳正离子也可以用共振杂化体表示:#IV+EIVaIVbIVc显然，共振杂化体I和n比川稳定，因为Ic和n b的正电荷在有供电基的叔碳上，较分散。而在川中,正电荷都分布在仲碳上，不稳定。所以甲基是邻对位定位基。共振杂化体川比w稳定，虽然在川和中 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，使川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

12、是第一类定位基、有活化 苯环作用的一致结论。(D)氨基 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 （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。考察生成的中间体 d络合物碳正离子的稳定性也得到同样的结论。（3）卤原子 卤原子比较特殊，是一类使苯环钝化的第一类定位基。以氯苯为例，在氯苯中氯原子是 强吸收电子基，强的吸电子诱导效应使苯环电子密度降低，比苯难进行亲电取代反应。但氯原子与苯环 又有弱的供电的p-n

13、共轭效应（C的2p轨道与Cl的3p轨道形成p-n共轭体系，没有C的2p轨道与N的2p轨道形成的p-n共轭体系有效），使氯原子邻、对位上电子密度减少得不多，因此表现出 邻对位定位基的性质。2.第二类定位基对苯环的影响及其定位效应E）,还存在着吸电子的n n共轭效以硝基苯为例说明。在硝基苯中，硝基存在着吸电子的诱导效应（ 应（F）:(F)015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。进攻邻位:亲电试剂进攻硝基苯时，形成邻、间、对三种络合物中间体:NOlb进攻对位:进攻间位:川比I和n稳定，因为在共振杂化体

14、I和n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I c和n b不稳定。因此，硝基是第二类定位基，取代反应发生在间位上。共振杂化体川有强吸电子基团，与相应的苯的共振杂化体相比，川不稳定。因此，硝基表现出钝化苯环的作用。三、对邻、对位产物比例的影响因素1空间效应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。化合物环上臣有睨代基异构体分布坯邻位对位间位甲苯_c屯58.537.2AA乙苯一45.048.5ch3ch2-Q-ch2ch3JFXFesO

15、s23 500600雹日2匚_阳甲苯与丙烯烷基化反应，使用不同孔径的分子筛催化剂，分别得到间甲基异丙苯和对甲基异丙基苯。 已应用于工业生产装置上。间甲基异丙基苯和对甲基异丙基苯分别是制备间甲基苯酚和对甲基苯酚的原 料。四、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。大 体上说，苯环上有两个取代基时，有三种定位情况。1.苯环上原有两个取代基对引入第三个取代基的定位作用一致，第三个取代基进入苯环的位置就由它们共同定位。例如，下列化合物引入第三个取代基时，第三个取代基主要进入箭头所示的位置:2.苯环上原有两个取代基，对进入第三个取代基的定

16、位作用不一致，两个取代基属同一类定位基, 这时第三个取代基进入苯环的位置主要由定位作用强的取代基所决定。如果两个取代基定位作用强度较 小时，得到两个定位基定位作用的混合物:叫主要产物3.苯环上原有两个取代基对引入第三个取代基的定位作用不一致，两个取代基不同类定位基时，这 时第三个取代基进入苯环的位置主要由第一类定位基定位：19#COOH HMOSO000H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:COOHno2N02在考虑第三个取代基进入苯环的位置时，除考虑原有两个取代基的定位作用外，还应该考虑空间位阻, 如3-乙酰氨基苯甲酸的 2位取代产物很少。五、定位规律在有机合成上的

17、应用应用定位规律可以选择可行的合成路线，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：CH*卫啦血#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（ 一CH3, NO的定位作用是一致的。定位规律只适用于动力学控制的反应。例如，叔丁苯在FeCI3催化下，与叔丁基氯反应生成对二叔丁基苯：C (孔)这与定位规律一致，但用过量的AICI3为催化剂，则生成1，3，5-三叔丁基苯:C(CHJ#这是因为在过量强酸作用下，烷基化和脱烷基化达成平衡，邻、对位烷基化快，脱烷基化也容易；间 位烷基化慢，脱烷

18、基化也较难，最后变成热力学上稳定的均三叔丁基苯。20六、关键词定位基，定位规律，两类定位基，定位规律的性质解释，二元取代苯的定位规律，定位规律的应用单分子亲核取代反应的动力学和机理叔溴丁烷在稀碱溶液中发生水解，生成的产物主要是叔丁醇，还有少量的异丁烯:(CH3)3C-Br+ H2 0 型f (CH3)3C-OH + (CH5)2C=CH2通过实验测定，这个反应的动力学方程是一级的，U =k-BuBr。这表明，在叔溴丁烷的水解反应中,反应的速率只由叔溴丁烷的浓度所控制，而与碱的浓度无关。这个反应的机理不同于Sn2反应，不是步反应过程，而是一个多步骤反应：(CC-Br B(CH3)3C+Br1)(

19、CH3)3C+ OH-*(CH3)3C- oh2)十-t? -：-H-_3)十一H(CH3)2C=CH24)在溶剂(H2O)的作用下，叔溴丁烷先按着(1)式解离生成碳正离子(CHa)aC+和溴负离子 Br-,需要吸收能量。与(2)、(3)、(4)相比是最难于发生的，是整个反应的控制步骤。生成的碳正离子与OH结合生成C-O键的同时放出能量，是一个非常易于进行的过程。水是大量存在于反应体系中的，虽然它是溶剂，但水分子也能与生成的碳正离子结合，而后迅速脱去一个质子生成醇，所以(3)式的发生是必然的。如果碳正离子在没有与 -OH或H2O结合之前就从邻位碳原子上脱去一个质子，则产生烯烃。在整个反应过 程

20、中，在控制步骤 里，碳溴键的断裂与-OH无关，是单分子行为，所以称之为 单分子的亲核取代反应 记为Sn1。在Sn1反应中，中心碳原子的杂化状态变化是：sp3 sp2sp3。中间体碳正离子的生成是这个过程的特征。整个反应过程的能量变化如图所示。反应能量变化曲线Sn1反应的立体化学在卤代烷的Sn1反应中，生成的中间体碳正离子是一个sp2杂化的平面构型，当亲核试剂与这个碳正离子成键时，可以从平面两侧与之结合，产生两种构型的产物。如果卤代烷的中心碳原子是手性的，则22产物会出现外消旋化。如果反应物是卤代环烷烃，而且有顺反构型，当按 得产物就会出现顺反混合物，也被实验事实所证明。例如：Sn1反应机理发生

21、反应后，所卜很HX -C-Br-Br慢C+G叽HX-C-OHCH, CH,M慢H Br十CH. CK 口 H OH顺式反式顺式外消旋化是卤代烷发生 不是完全外消旋化，即产物不是 正离子以离子对的形态留存于原来的空间方位， 因而形成一定量的构型转化的产物。Sn1反应的另一特点是常伴有重排反应发生。ch3 +” H3c-C CHCH： CH3Sn1反应的立体化学特征。但是，几乎所有卤代烷的Sn1机理反应的产物并100%的外消旋体。其主要原因是先行离去的卤负离子可以与生成的碳这就使亲核试剂从碳正离子平面两侧进入的概率不均等，例如:Br壬址.CK H3C-C-CHCHCH3也 0f %- HX-C-C

22、H-CK23砥1 2反应的比较J BSl_. 52占4、*反应r-X=*R+4-X寧歩Nu +R X fNir” CX ?M快!反逾力齐-=jKRXIv=AtR-*XJCNu-2一數反覆 单外子二级反应IXX分子）E |L花/乩丄R+、RX+NifRX-kNd-1VI-RNU+2CRNu+f1反应进程反应进程k-x建*的锂定性起主导作用反应申七碟上的乳律因議起主导作期话rt烯丙墓、节基啸在炖类反应中揶冇很离的活怜选理鵝CX RaCHXRCHtXCH,X5T T5RS1Sm1Sn22朋2游除四、邻基参与的亲核取代反应机理以上讨论的Sn1和Sn2反应，反应物和亲核试剂是两种不同的化合物，这种反应是

23、分子间的反应。 如果亲核试剂与离去基团处于同一分子内，能否发生分子内的亲核取代反应？答案是肯定的，但是 有条件的。当亲核基团与离去基团位置适当，且能反式共平面才能发生反应。女口： 3氯乙醇在碱催化作用下合成环氧乙烷的反应：ClHTHOHCIO2H2-CI24这是一种分子内的 Sn2反应，它远比分子间的 邻基参与（邻基效应）：有旋光性的a臭代丙酸盐的碱性水解反应, 应中，邻近的羧基负离子从离去漠原子的背后进攻 间体，然后亲核试剂-OH从Br-离去的方面进攻0K0H也C-Cry二 （构型保持）H 6-Sn2反应有利。得到构型保持的旋光性 a羟基丙酸盐0在这一反 a碳原子，促使漠原子离去，形成三元环

24、内酯中碳，使构型保持：在同一分子中，一个基团参与并制约和反应中心相连的另一个基团所发生的反应，这种分子内 基团之间的特殊作用称为邻基效应或邻基参与。如这种参与使反应速率加快，则称为邻基协助。a臭代丙酸盐碱性水解反应，实际上经理了两次S2反应。一次是由于邻基参与的分子内的Sn2反应，接着是羟基负离子-OH与内酯中间体的分子间 Sn2反应。有邻基参与的亲核取代反应的特 点是反应中心原子的构型保持不变，取代反应的速率快。邻基参与不限于亲核取代反应，在消除反应、重排反应、加成反应、自由基反应等中也普遍存 在。共轭效应轭效共应（conjugated effect），又称离域效应，是指由于共轭n键的形成而

25、引起分子性质的改变的效应。H2C=CH2, n键的两个p电子的运动范围局限在两个碳原子之间，这叫做定域运动CH2=CH-CH=CH 2中，可以看作两个孤立的双键重合在一起，p电子的运动范围不再局限在两个碳原子之间，而是扩充到四个碳原子之间，这叫做离域现象。这种分子叫共轭分子。共轭分子中任何一个原子受到外界试剂的作用，其它部分可以马上受到影响。这种电子通过共轭体系的传递方式，叫做共轭效应。特点：沿共轭体系传递不受距离的限制。正常共轭效应又称-共轭。是指两个以上双键（或三键）以单键相联结时所发生的电子的离位作用。英戈尔德，C.K.称这种效应为仲介效应，并且认为，共轭体系中这种电子的位移是由有关各原

26、子的电负性和p轨道的大小（或主量子数）决定的。据此若在简单的正常共轭体系中发生以下的电子离位作用：（例如：CH2 CH CH CH2、CH2 CH CH 0）。Y原子的电负性和它的 p轨道半径愈大，则它吸引电子的能力也愈大，愈有利於基团一XY从基准双键 AB 吸引 电子的共轭效应（如同右边的箭头所示）。 与此相反，如果 A原子的电负性和它的 p轨道半径愈大，则它释放电子使其向Y原子移动的能力愈小，愈不利於向 一X Y基团方向给电子的共轭效应。中间原子B和X的特性也与共轭效应直接相关。多电子共轭效应又称p-共轭。在简单的多电子共轭体系中，Z为一个带有p电子对（或称n电子）的原子或基团。这样的共轭

27、体系中，除Z能形成d-共轭情况外，都有向基准双键A B 方向给电子的共轭效应：（例如 等）。Z原子的一对 p电子的作用，类似正常共轭体系中的一X Y基团。正常共轭效应又称-共轭。是指两个以上双键（或三键）以单键相联结时所发生的电子的离位作用。英戈尔德，C.K.称这种效应为仲介效应，并且认为，共轭体系中这种电子的位移是由有关各原子的电负性和p轨道的大小（或主量子数）决定的。据此若在简单的正常共轭体系中发生以下的电子离位作用：（例如：CH2 CH CH CH2、CH2 CH CH 0）。Y原子的电负性和它的 p轨道半径愈大，则它吸引电子的能力也愈大，愈有利於基团一XY从基准双键 AB 吸引 电子的共轭效应（如同右边的箭头所示）。 与此相反，如果 A原子的电负性和它的 p轨道半径愈大，则它释放电子使其向Y原子移动的能力愈小，愈不利於向 一X Y基团方向给电子的共轭效应。中间原子B和X的特性也与共轭效应直接相关。多电子共轭效应又称p-共轭。在简单的多电子共轭体系中，Z为一个带有p电子对（或称n电子）的原子或基团。这样的共轭体系中，除Z能形成d-共轭情况外，都有向基准双键A B 方向给电子的共轭效应：（例