第三章反应机理--药化

1、第三章第三章 一般有机化学反应机理一般有机化学反应机理l一、基元反应与反应机理一、基元反应与反应机理l二、活泼中间体与过渡态结构二、活泼中间体与过渡态结构l三、自由基反应机理三、自由基反应机理l四、亲电反应机理四、亲电反应机理l五、亲核反应五、亲核反应机理机理l六、消除反应六、消除反应机理机理l七、氧化还原七、氧化还原机理机理 1、化学反应 化学反应化学反应包括由反应物向产物的转化，反应主要以单分子或双分子反应进行。 反应机理反应机理是由反应物转变为产物的途径，若为基元反应，则为一步反应得到产物；若不为基元反应，则可以分解为多步基元反应过程。反应机理反应机理就是将反应的各步基元反应都详细地表达

2、出来，特别是对中间中间体杂化状态体杂化状态、能量变化能量变化的描述。 一、基元反应与反应机理CH4 Cl2 CH3Cl HClCl Cl Cl ClClCH4CH3HClCH3Cl2CH3ClClCl ClCl2ClCH3CH3ClCH3CH3CH3CH3甲烷氯代甲烷氯代链引发：链引发：链增长：链增长：链终止：链终止： 从各步基元反应我们可以认识到：可通过对反应的原料配比、光照时间、反应温度、投料方式等的变化来控制反应产物。反应是自由基型，可以被高温、光照、过氧化物所催化。少量氧可以抑制反应的进行，因生成CH3OO 而使反应终止，待一段时间后，反应还可继续，此段时间称为诱导期诱导期。 这种由反

3、应物到产物所经历过程的详细反应物到产物所经历过程的详细描述和理论解释称为反应历程描述和理论解释称为反应历程，依据的实验事实越多，则由此作出的理论解释越可靠。一个反应的历程应经得起实验事实的考验考验，并应有一定的预见性预见性。 用反应热来说明反应的难易程度是不完全的，因为本反应不是一步完成的。 2、反应热和活化能 反应热是状态函数，仅表示反应物与产物的能量差。反应热可以通过离解能数据计算得出。CH3HClClCH3ClHCl435243349431H=（435+243）-（349+431）= -102KJ/ molCl Cl Cl ClClCH4CH3HClCH3Cl2CH3ClClH=H=H=

4、243KJ/mol4KJ/mol-106KJ/mol第二步反应是一个吸热反应仅供给4KJ/mol的能量是 不够的。因为反应的发生必须翻越能量为17KJ/mol的活化能。CH3CH4+Cl17KJ/mol4KJ/molK=Ae-Ea/RT 二、活泼中间体与过渡态结构 1、过渡态与活泼中间体 由反应物转变为产物，可以是一步完成（只经只经过一个过渡态过一个过渡态）；也可以分两步完成（经过两个过渡经过两个过渡态态），中间可瞬时生成具有一定稳定性的中间体。一步反应二步反应活化能活化能Ea过渡态过渡态E1E2中间体中间体能量能量反应进程反应进程 2、碳自由基 （1）碳自由基的稳定性 碳自由基是由键的均裂产

5、生的，由碳-氢键的离解能可知： 3C-H 2C-H 1C-H CH3-H 380 395 410 435 KJ/mol 在有机化学反应中生成的中间体存在时间极短，根据不同类型的反应，主要有三类中间体：碳自由基R，碳正离子 R+和碳负离子R-。 易易难难 从键的离解能可以推知自由基的稳定性： 离解能小的键易断裂，生成的自由基就稳定；反之亦然。 从电子效应考虑自由基的稳定性： 碳自由基SP2杂化，当连有烷基（SP3杂化）时根据诱导效应稳定性比较：CH3 C CH3CH3CH3 根据 -p超共轭效应：稳定性比较HCHHCCHHHCHHHCH3 （2） 产物分布 产物分布主要受两种因素影响： 反应物分

6、子中各类氢的活泼性； 分子中各类氢的数目CH2CH2CHCH2( CH3)3 C (CH3)2 CH CH3CH2 CH3 常见碳自由基稳定性顺序：1H2H3H氯代 25,h1.03.85.0溴代 125, h 1.082600 三种不同氢在卤代时的相对生成速率：CH3CH2CH3+X2CH3CH2CH2X+CH3CHCH3X 计算丙烷氯代和溴代生成卤代烃的产率：1-氯丙烷生成速率 6 1.0 6.02-氯丙烷生成速率 23.8 7.6 = =1-氯丙烷产率= 6(6+7.6)100% = 44.1%2-氯丙烷产率= 7.6(6+7.6)100%= 55.9%1-溴丙烷生成速率 61.0 62

7、-溴丙烷生成速率 282 1641-溴丙烷产率= 6(6+164)100% = 3.5%2-溴丙烷产率= 164(6+164)100%= 96.5% = =活性高的氢易发生反应。溴的选择性较高。活性高的氢易发生反应。溴的选择性较高。 碳正离子在稳定性许可的情况下，可以从不够稳定的碳正离子经1，2位重排（-H，-R）得到较稳定的碳正离子。 3、碳正离子 碳正离子是一个缺电子体系，与自由基相似，烷基可以通过诱导效应和超共轭效应对碳正离子供电子。 各类碳正离子稳定性顺序为：CH2CH2CHCH2( CH3)3 C (CH3)2 CH CH3CH2 CH3 CH3CCH3HCH2CH3CCH3CH3重

8、排 由不够稳定的伯碳正离子伯碳正离子重排为较稳定的叔碳叔碳正离子正离子。 4、碳负离子 由于烷基是供电子基团，所以碳负离子连接烷基愈多，则愈不稳定（负电荷集中）。 碳负离子稳定性顺序为：( CH3)3 C (CH3)2 CH CH3CH2COCH3HCORHCOCH3CH3CORCH3CORR （a）羰基与Grignard试剂加成CORR+RMgBrRCRROMgBr RCRROH+H3OMg(OH)Br 本反应在有机合成中是很好的增碳和制醇方法。如何避免格氏试剂解？CH3COCH2CH3,CH3CH2MgBrCH3CH2CCH2CH3CH3OH （b）羰基与胺亲核加成-消除反应历程 羰基与伯

9、胺类化合物作用： 亲核试剂为：胺 RNH2 、羟胺 NH2OH、肼NH2NH2、NHNH2NHNH2O2NNO2NH2CNHNH2O苯肼 2,4-二硝基苯肼氨基脲等等 例如：合成OH2CNHGRRHRC NHGRR C NGRHC ORR+RCNH2GRONH2GOHCNHGRR反应历程反应历程：ONNOH2NOHNONH+NHCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3HCH3CH3H2OHCH3CH3H 羰基与仲胺的亲核羰基与仲胺的亲核-消除历程消除历程:CHNNHCNHO 苯甲醛缩氨脲CHONH2NH C NH2O反应反应 另有一些与醛、酮有关的化合物因相关的相关的反应反应而得。CH

10、3CH2CHOC2H5OC2H5OO丙醛缩二乙醇 环己酮缩乙二醇CH3CHNOHCNNHCH3CH3O2NNO2 乙醛肟 丙酮-2,4-二硝基苯腙CORRRRCOHHROHCRROROHHOHCRRORHHOH2CRRORCRRORH2OCRRORROHORHHCRROROR （c）羰基与醇的亲核加成羰基与醇的亲核加成（形成缩醛缩醛或缩酮缩酮）半缩醛半缩醛缩醛缩醛 在干HCl存在下，醛能与甲醇、乙醇等作用生成缩醛；酮与它们反应较难，通常酮与乙二醇形成较稳定的环状缩酮产物。 在酸存在下，醛、酮与水形成不太稳定的水合物。CO+H2OHCOHOH 甲醛 100%水合，乙醛 56%水合。三氯乙醛为什么

11、容易水合？CH3CCH2CH2CH2BrOHOHOHCH3COOCH2CH2CH2BrMgCH2CH2CH2MgBrCOOCH3例如：乙醚 在稀酸存在下，缩醛水解得到醛，本反应可用来保护羰基。ROORHHHRCHOCHHORRCHOHCHHORROROH （3）环醚的亲核加成（本质亲核取代） 酸性条件下：ORHHHHORHHHHRCXHCOHHHX 碱性条件下：碳正离子稳定性碳正离子稳定性空间位阻空间位阻OHHHHOHNH3RMgBrCH2CH2OH OOCH2CH2OH OCH2CH2OCH2CH2OH NH2ONH( CH2CH2OH )2CH2CH2ROMgBrH3OCH2CH2ROHO

12、HHHHHOHHHHHH2OCH2CH2OH OHCH3OHCH2CH2OH OCH3HClCH2CH2OH Cl 2、亲核取代反应历程 （1）卤烷单分子亲核取代反应（SN1历程） 实验证明：CH3CCH3CH3BrOHOHCCH3CH3CH3BrV=k (CH3)3CBr反应速度方程反应速度方程 反应速度方程中与碱浓度碱浓度无关，说明上式反应不是基元反应。 可以认为反应分两步进行：BrCCH3CH3CH3CCH3CH3CH3BrCH3CCH3CH3OHCH3CCH3CH3OH慢慢快快（1）（2）（1）是慢反应，是决速步骤）是慢反应，是决速步骤。 在决定反应速度的一步中，共价键发生变化的只有一

13、种分子，所以称为单分子反应历程。 SN1（Nucleophilic Substitution） E1E2中间体 由于E1E2反应一旦生成活性中间体碳正离子，则第二步反应只需较小的活化能即可完成。 若卤代烃是手性分子，因中间体碳正离子是平面型分子，第二步试剂进攻有两中取向，将导致产物的外消旋化。CRRRNuCNuRRRRRNuRCRRRNuRRRNu 由于中间体为碳正离子，那么在稳定性许可下会发生重排。 （2）卤烷的双分子亲核取代反应（SN2历程） 实验证明：CH3BrOHCH3OHBrV=k CH3Br OH 反应速度 可以认为反应是一步完成的可以认为反应是一步完成的EHOCBrHHHHOCB

14、rHHHHOCHHHBrSP2杂化 亲核试剂从溴的背面进攻，中心碳原子由SP3转化为SP2碳上其余三个共价键伸展方向倒向另一边，称为Walden翻转。HOCBrHCH3HOCHCH3C6H5H5C6 =3 34 4. .6 6。 = =9 9. .9 9。 （3）影响卤烷亲核取代反应的因素 主要是：烃基结构、亲核试剂的强弱、离去基团的离去能力以及溶剂极性的影响等。有关内容将在下篇阐述。 （4）醇与氢卤酸的亲核取代反应历程 （a）醇与氢卤酸作用ROHHXRXH2O伯醇以SN2方式反应；叔醇以SN1方式，注意碳正离子重排。 Lucas试剂：（浓）试剂：（浓）HCl+（无水）（无水）ZnCl2 伯醇

15、 CH3CH2CH2OH 无现象 仲醇 （CH3）2CHOH 稍后有 叔醇（CH3）3COH 立即有 HClZnCl2 利用此反应可以鉴别各类醇的结构。CH3CHCH3CH2OHPBr3CH3CHCH3CH2BrP(OH)3 （b）醇与卤化物作用反应特点：无重排产物生成无重排产物生成。CH3CH2CH2OHCH3CH2CH2ClSO2HClSOCl2ROHPX3RXP(OH)3( Br,I )ROHSOCl2RClSO2HClCH3CCH3CH3OCH3HOCH3HCH3CCH3CH3HOCH3CH3CCH3CH3SN1ICH3CCH3CH3I （5）醚的亲核取代反应历程（酸分解反应） ROR

16、 + HI（浓） ROH + RI若HI过量过量，则ROH也转化RI。叔碳叔碳CH3CH2CH2OCH3HCH3CH2CH2OCH3HICH3CH2CH2OHCH3I伯，仲碳伯，仲碳SN2 （6）羧酸衍生物的亲核取代（加成-消除历程）RCOLNuRCONuLRCONuLL :OH ,Cl ,OOR ,OR ,NH2 从反应历程考虑：第一步亲核加成第一步亲核加成，羰基碳由Sp2Sp3，显然羰基碳的正电性高低和分子的空间位阻对此步反应有较大的影响。 第二步消除反应第二步消除反应，取决于离去基团的离去能力（碱性越弱，离去能力越好）。 离去能力离去能力：Cl- RCOO- RO- NH-2 羧酸衍生物

17、反应活性顺序:RCOClRCOCRO O RCORO RCOHO RCNH2O 羧酸衍生物可以发生水解、醇解、氨解和与 Grignard试剂作用。 例如： 酯的水解（酸催化下）酸催化下）RCOROHRCOROHH2ORCOHOH2ORHRCOHOHORHRCOHOHORHROHRCOHOHHRCOHOCH3MgBrCH3CCH3OMgBrCH3H2OCH3CCH3CH3OHMgBr(OH)H 酯的水解（碱催化下碱催化下）：RCOROOHRCOOHORORRCOOHRCOOH2OOH与格氏试剂作用：CH3COC2H5OCH3MgBrCH3COC2H5CH3OMgBrOC2H5CH3CCH3O （

18、7）芳环上亲核取代反应历程ALNuALNuLANu A 为吸电子基，L为卤原子，A必须处于L的邻 位或对位。 反应反应：（注意反应条件的变化）ClOHOHOHNO2OHClNO2PH=OHNO2NO2OHClNO2NO2PH=OHNO2NO2NO2ClNO2NO2NO2H2O101420016010040ClNOOOHClOHNClOHNClOHNOOClOHNOOOOOOClOHNOOOHNO2Cl 为什么硝基的存在对卤苯水解有利？反应反应：Cl NO2NO2CH3CH2NH2NHCH2CH3NO2NO2NNClH2OOHN2HCl 六、消除反应历程 消除反应与取代反应是一对相互竞争的反应，

19、往往在取代反应的同时，消除反应也伴随发生，当反应结果以取代产物为主时，称为取代反应；以消除反应为主时，称为消除反应。RCH2CH2XOHRCH2CH2OHXRCHCH2H2OX取代取代消除消除 1、消除反应 （Elimination） （1）单分子消除反应历程 （E1） 与 SN1历程类似，E1历程也是分两步进行的。卤代烃先离解，生成碳正离子，然后在碱的作用下消除消除氢氢，得到烯烃产物（Saytzeff规律）。RCHHCRHXCRHCHHRXCRHCHHROHRCHCHRH2OCHCH3CH3CCH3HCH3CCH3CHCH3CHCH3HCH3CCH3OH消除反应的决速步骤是卤烷的离解卤烷的离

20、解。卤烷消除反应活性顺序为：R3CX R2CHX RCH2X 反应反应：CH3CCH3HCHCH3BrNaOHC2H5OHCH3CCHCH3CH3CH3CCH3HCHCH3BrCH3CCH3HCHCH3Br历程历程：重排重排 （2）双分子消除反应历程（E2） 双分子消除反应是碱性试剂在进攻H的同时，碳卤键发生断裂，这是协同进行的，反应一步完成一步完成。生成含支链多的烯烃，没有重排产物。BHCCX BHCXCBHCCXHCH3HCH3BrNaOHC2H5OHCCHH3CCH3 反应：E2反式消除反式消除 E1CB历程：烷基氟化物很特殊，F-为强碱，是极差的离去基团。CH3CHCH2CH2CH3C

21、H3OCH3OHCH2CHCH2CH2CH3CH3CHCHCH2CH370%30%F 过渡态（碳负离子）：CH2CHCH2CH2CH3FHCH3OCH2CHCH2CH2CH3FCH3CHCH3OHHCH3CHCH3OH2CH3CHCH3H2OH2OCH3CHCH2H3O （3）影响卤烷消除反应的因素 试剂结构、试剂性质、溶剂极性、温度等均能影响消除反应的进行。（将在下篇讨论） （4）醇的消除反应历程 仲醇、叔醇（在酸催化下）E1历程历程： 消除产物遵循Saytzeff规律。CH3OHH2SO4CH3 伯醇E2历程：CH3CH2OHHCH3CH2OH2H2OCH2CH2OH2HOH2CH2CH2

22、H2OH3O （5）季铵碱的Hofmann消除反应E2历程 Hofmann消除受空间位阻的影响，总是生成小分子烯烃。CHCNR3Ag2OCCNR3H2O 此反应可以用来推测胺的结构。CH3CHCH2CH3NHCH2CH3CH3ICH2CH3NCH3CH3CH3CHCH2CH3ICH3CHCH2CH3NCH3CH3CH2CH3OHCH2CH2CH3CHCH2NCH3CH3CH3 反应：彻底甲基化彻底甲基化Ag2O湿湿 2、消除加成反应（苯炔历程）XNH3NH2NH3NH2NH2NH3 3、加成消除反应（前述羧酸衍生物亲核取代反应历程）作业（书109页） 1 (不计算H值） 2， 4，6，7，8，

23、9，10，11，12（13），13，15，16，17，18，19，20，23，24，25（1）（2），27，28，29 解释下列实验结果 CH3CH2CCH2CH2CH3ClCH3*CH2CCH2CH3CH3*CH3CBrCH3H（1）A水解反应得到外消旋体3-甲基-3-己醇。（2）B水解反应得到有旋光性的2,4-二甲基-2-己醇CCH2OC2H5CH3CH3H3CC2H5OHCCH2CH3CH3OC2H5H3CCH2BrCH3CH3H3CCAgNO3+ 请根据反应结果解释其机理（主产物） CH=CH2+ HBr+ Br2CCl4CH3CAlCl3+OCl 异丁基CH3CHCH2CH3Br反-

24、1,2-二甲基环丙烷 间硝基苯胺 CH3HHCH3NH2NO2 3-溴环己烯 双环4.2.0辛烷CH33,4-二甲氧基苯酚OHOCH3OCH3OCH3H3CO -甲基萘 乙二醇二甲醚 S-2-氯-2-羟基丙酸 3-丁烯-2-醇 ClCOOHCH3OHCH2=CH-CH-CH3OH -甲基噻吩SCH3CH3CH2N(CH3)3Cl+_氯化三甲基乙基铵4,4-二甲基环己基甲醛H3CH3CCHOOOO间-甲基苯甲酰溴 -戊内酯 CH3COBrOO邻苯二甲酸酐 3-甲基-4-叔丁基壬烷 偶氮苯CH3CH2CH2CH2CH2CHC(CH3)3CH3CHCH2CH3NN3-戊烯-1-炔 吲哚 CH3CHCHCCHNH 机理题1、写出甲烷与溴在光照条件下反应机理。2、写出丙烯与氯化氢加成产物并解释。3、请解释2-溴-2-苯基丁烷发生SN1反应， 产物为什么外消旋。4、请写出甲苯氯代反