有机化学反应机理

1、有机化学反应机理一. Clemmensen 还原 (P.364) 醛类或酮类分子中的羰基被锌汞齐和浓盐酸还原为亚甲基： 此法只适用于对酸稳定的化合物。对酸不稳定而对碱稳定的化合物可用Wolff-Kishner-黄鸣龙反应还原1. 反应机理 本反应的反应机理较复杂,目前尚不很清楚.2. 反应实例 Wolff-Kishner-黄鸣龙反应 (P.364)醛类或酮类在碱性条件下与肼作用，羰基被还原为亚甲基。原来Wolff-Kishner 对碱敏感的化合物不适合用此法还原，可用Clemmensen还原。1、反应机理2、反应实例二. 坎尼扎罗(Cannizzaro) 反应 (P.365)凡位碳原子上无活泼

2、氢的醛类和浓NaOH或KOH水或醇溶液作用时，不发生醇醛缩合或树脂化作用而起歧化反应生成与醛相当的酸(成盐)及醇的混合物。此反应的特征是醛自身同时发生氧化及还原作用，一分子被氧化成酸的盐，另一分子被还原成醇： 脂肪醛中，只有甲醛和与羰基相连的是一个叔碳原子的醛类，才会发生此反应，其他醛类与强碱液，作用发生醇醛缩合或进一步变成树脂状物质。 具有-活泼氢原子的醛和甲醛首先发生羟醛缩合反应，得到无-活泼氢原子的-羟基醛，然后再与甲醛进行交叉Cannizzaro反应，如乙醛和甲醛反应得到季戊四醇： 1.反应机理 醛首先和氢氧根负离子进行亲核加成得到负离子，然后碳上的氢带着一对电子以氢负离子的形式转移到

3、另一分子的羰基不能碳原子上。2.反应实例三. Claisen 重排 P.(317)烯丙基芳基醚在高温(200C)下可以重排，生成烯丙基酚。 当烯丙基芳基醚的两个邻位未被取代基占满时，重排主要得到邻位产物，两个邻位均被取代基占据时，重排得到对位产物。对位、邻位均被占满时不发生此类重排反应。 交叉反应实验证明：Claisen重排是分子内的重排。采用 g-碳 14C 标记的烯丙基醚进行重排，重排后 g-碳原子与苯环相连，碳碳双键发生位移。两个邻位都被取代的芳基烯丙基酚，重排后则仍是a-碳原子与苯环相连。1.反应机理Claisen 重排是个协同反应，中间经过一个环状过渡态，所以芳环上取代基的电子效应对

4、重排无影响。 从烯丙基芳基醚重排为邻烯丙基酚经过一次3,3s 迁移和一次由酮式到烯醇式的互变异构；两个邻位都被取代基占据的烯丙基芳基酚重排时先经过一次3,3s 迁移到邻位(Claisen 重排)，由于邻位已被取代基占据，无法发生互变异构，接着又发生一次3,3s 迁移(Cope 重排)到对位，然后经互变异构得到对位烯丙基酚。 取代的烯丙基芳基醚重排时，无论原来的烯丙基双键是Z-构型还是E-构型，重排后的新双键的构型都是E-型，这是因为重排反应所经过的六员环状过渡态具有稳定椅式构象的缘故。2.反应实例 Claisen 重排具有普遍性，在醚类化合物中，如果存在烯丙氧基与碳碳相连的结构，就有可能发生C

5、laisen 重排。四.弗瑞德-克来福特(Friedel-Crafts)烷基化反应(P.201) 芳烃与卤代烃、醇类或烯类化合物在Lewis催化剂(如AlCl3，FeCl3, H2SO4, H3PO4, BF3, HF等)存在下，发生芳环的烷基化反应。 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 首先是卤代烃、醇或烯烃与催化剂如三氯化铝作用形成碳正离子： 所形成的碳正离子可能发生重排，得到较稳定的碳正离子： 碳正离子作为亲电试剂进攻芳环形成中间体s-络合物，然后失去一个质子得到发生亲电取代产物：2.反应实例 五. 弗瑞德

6、-克来福特(Friedel-Crafts)酰基化反应(P.200)芳烃与酰基化试剂如酰卤、酸酐、羧酸、烯酮等在Lewis酸(通常用无水三氯化铝)催化下发生酰基化反应，得到芳香酮： 这是制备芳香酮类最重要的方法之一，在酰基化中不发生烃基的重排。1.反应机理2.反应实例六. 威廉逊(Williamson )合成法 (P.318)卤代烃与醇钠在无水条件下反应生成醚:如果使用酚类反应,则可以在氢氧化钠水溶液中进行:卤代烃一般选用较为活泼的伯卤代烃(一级卤代烃)、仲卤代烃(二级卤代烃)以及烯丙型、苄基型卤代烃，也可用硫酸酯或磺酸酯。 本法既可以合成对称醚，也可以合成不对称醚。1.反应机理 反应一般是按S

7、N2机理进行的：2.反应实例七. 迈克尔(Michael )加成反应(P.378,499)一个亲电的共轭体系和一个亲核的碳负离子进行共轭加成，称为Micheal加成：1.反应机理2.反应实例八. Vilsmeyer 甲酰化反应 (P.390)芳烃、活泼烯烃化合物用二取代甲酰胺及三氯氧磷处理得到醛类： 这是目前在芳环上引入甲酰基的常用方法。N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-N-苯基甲酰胺是常用的甲酰化试剂。1.反应机理2.反应实例九.赖默-梯曼(Reimer-Tiemann) 反应(P.391)酚与氯仿在碱性溶液中加热生成邻位及对位羟基苯甲酸。含有羟基的喹啉、吡咯、茚等杂环化合物也能进行此反应。

8、常用的碱溶液是氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠水溶液，产物一般以邻位为主，少量为对位产物。如果两个邻位都被占据则进入对位。不能在水中起反应的化合物可吡啶中进行，此时只得邻位产物。1.反应机理 首先氯仿在碱溶液中形成二氯卡宾，它是一个缺电子的亲电试剂，与酚的负离子（）发生亲电取代形成中间体（），（）从溶剂或反应体系中获得一个质子，同时羰基的-氢离开形成（）或（），（）经水解得到醛。2.反应实例 酚羟基的邻位或对位有取代基时，常有副产物2,2-或4,4-二取代的环己二烯酮产生。例如：十.弗利斯(Fries)重排 (P.392)酚酯在Lewis酸存在下加热,可发生酰基重排反应,生成邻羟基和对羟基芳酮的混合物

9、。重排可以在硝基苯、硝基甲烷等溶剂中进行，也可以不用溶剂直接加热进行。 邻、对位产物的比例取决于酚酯的结构、反应条件和催化剂等。例如，用多聚磷酸催化时主要生成对位重排产物，而用四氯化钛催化时则主要生成邻位重排产物。反应温度对邻、对位产物比例的影响比较大，一般来讲，较低温度(如室温)下重排有利于形成对位异构产物(动力学控制)，较高温度下重排有利于形成邻位异构产物(热力学控制)。 1.反应机理2.反应实例十一. 科尔伯(Kolbe) 反应(P.411)脂肪酸钠盐或钾盐的浓溶液电解时发生脱羧，同时两个烃基相互偶联生成烃类： 如果使用两种不同脂肪酸的盐进行电解，则得到混合物：1.反应机理2.反应实例十

10、二.亨斯狄克(Hunsdicker )反应(P.411)干燥的羧酸银盐在四氯化碳中与卤素一起加热放出二氧化碳，生成比原羧酸少一个碳原子的卤代烃： X = Br , Cl , I1.反应机理2.反应实例十三.Rosenmund 还原(P.453)酰氯用受过硫喹啉毒化的钯催化剂进行催化还原，生成相应的醛： 反应物分子中存在硝基、卤素、酯基等基团时，不受影响。1.反应实例十四. 波沃-布兰(Bouveault-Blanc) 还原 (P.454)脂肪族羧酸酯可用金属钠和醇还原得一级醇。，-不饱和羧酸酯还原得相应的饱和醇。芳香酸酯也可进行本反应，但收率较低。本法在氢化锂铝还原酯的方法发现以前，广泛地被使

11、用，非共轭的双键可不受影响。1.反应机理 首先酯从金属钠获得一个电子还原为自由基负离子，然后从醇中夺取一个质子转变为自由基，再从钠得一个电子生成负离子，消除烷氧基成为醛，醛再经过相同的步骤还原成钠，再酸化得到相应的醇。2.反应实例 醛酮也可以用本法还原，得到相应的醇: 十五. 拜尔-维利格(Baeyer-Villiger) 反应(P.463)1.反应机理 过酸先与羰基进行亲核加成，然后酮羰基上的一个烃基带着一对电子迁移到-O-O-基团中与羰基碳原子直接相连的氧原子上，同时发生O-O键异裂。因此，这是一个重排反应 具有光学活性的3-苯基丁酮和过酸反应，重排产物手性碳原子的枸型保持不变，说明反应属

12、于分子内重排： 不对称的酮氧化时，在重排步骤中，两个基团均可迁移，但是还是有一定的选择性，按迁移能力其顺序为： 醛氧化的机理与此相似，但迁移的是氢负离子，得到羧酸。 十六.Gattermann-Koch 反应(P.368) 芳香烃与等分子的一氧化碳及氯化氢气体在加压和催化剂(三氯化铝及氯化亚铜)存在下反应，生成芳香醛：1.反应机理2.反应实例十八.佩金(Perkin)反应(P.471) 芳醛类不单能和醛、酮或酯类缩合，也能和（RCH3CO)2O型脂酸酐（-位碳上有二个活泼氢原子者）在此酸的钠盐（或叔胺）存在起“醇醛型缩合”反应生成,不饱和酸类。 若干脂肪蔟醛也会起这种缩合。1.反应机理 现在通

13、常认为碱性催化剂（CH3COO-或叔胺）夺取酸酐的氢，生成一个酸酐负离子，后者和醛发生亲核加成，生成中间体-羟基酸酐，然后经脱水和水解成,不饱和酸：2. 反应实例（1）苯甲醛与乙酐及乙酸钾加热缩合，最后生成 -苯丙稀酸 （2）苯甲醛与丙酐及丙酸钠缩合，生成-甲基-苯丙稀酸： 十九. Reformatsky 反应(P.480) 醛或酮与a-卤代酸酯和锌在惰性溶剂中反应,经水解后得到b-羟基酸酯。1.反应机理首先是a-卤代酸酯和锌反应生成中间体有机锌试剂，然后有机锌试剂与醛酮的羰基进行加成，再水解：2.反应实例二十. Kolbe-Schmidt 反应(P.485) 酚钠和二氧化碳在加压下于1251

14、50 C反应，生成邻羟基苯甲酸，同时有少量对羟基苯甲酸生成： 反应产物与酚盐的种类及反应温度有关，一般来讲，使用钠盐及在较低的温度下反应主要得到邻位产物，而用钾盐及在较高温度下反应则主要得对位产物： 邻位异构体在钾盐及较高温度下加热也能转变为对位异构体：1.反应机理 反应机理目前还不太清楚。2.反应实例二十一.Claisen 酯缩合反应(P.489)含有-氢的酯在醇钠等碱性缩合剂作用下发生缩合作用，失去一分子醇得到-酮酸酯。如2分子乙酸乙酯在金属钠和少量乙醇作用下发生缩合得到乙酰乙酸乙酯。二元羧酸酯的分子内酯缩合见Dieckmann缩合反应。 1.反应机理乙酸乙酯的-氢酸性很弱（pKa-24.

15、5),而乙醇钠又是一个相对较弱的碱（乙醇的pKa15.9），因此，乙酸乙酯与乙醇钠作用所形成的负离子在平衡体系是很少的。但由于最后产物乙酰乙酸乙酯是一个比较强的酸，能与乙醇钠作用形成稳定的负离子，从而使平衡朝产物方向移动。所以，尽管反应体系中的乙酸乙酯负离子浓度很低，但一形成后，就不断地反应，结果反应还是可以顺利完成。 常用的碱性缩合剂除乙醇钠外，还有叔丁醇钾、叔丁醇钠、氢化钾、氢化钠、三苯甲基钠、二异丙氨基锂（LDA）和Grignard试剂等。2.反应实例 如果酯的-碳上只有一个氢原子，由于酸性太弱，用乙醇钠难于形成负离子，需要用较强的碱才能把酯变为负离子。如异丁酸乙酯在三苯甲基钠作用下，可

16、以进行缩合，而在乙醇钠作用下则不能发生反应： 两种不同的酯也能发生酯缩合，理论上可得到四种不同的产物，称为混合酯缩合，在制备上没有太大意义。如果其中一个酯分子中既无-氢原子，而且烷氧羰基又比较活泼时，则仅生成一种缩合产物。如苯甲酸酯、甲酸酯、草酸酯、碳酸酯等。与其它含-氢原子的酯反应时，都只生成一种缩合产物。 实际上这个反应不限于酯类自身的缩合，酯与含活泼亚甲基的化合物都可以发生这样的缩合反应，这个反应可以用下列通式表示：二十二.Cope 消除反应(P.527) 叔胺的N-氧化物(氧化叔胺)热解时生成烯烃和N,N-二取代羟胺，产率很高。 实际上只需将叔胺与氧化剂放在一起，不需分离出氧化叔胺即可

17、继续进行反应，例如在干燥的二甲亚砜或四氢呋喃中这个反应可在室温进行。此反应条件温和、副反应少，反应过程中不发生重排，可用来制备许多烯烃。当氧化叔胺的一个烃基上二个位有氢原子存在时，消除得到的烯烃是混合物，但是 Hofmann产物为主；如得到的烯烃有顺反异构时，一般以 E-型为主。例如：1.反应机理 这个反应是E2顺式消除反应，反应过程中形成一个平面的五员环过度态，氧化叔胺的氧作为进攻的碱： 要产生这样的环状结构，氨基和-氢原子必须处于同一侧，并且在形成五员环过度态时，,-碳原子上的原子基团呈重叠型，这样的过度态需要较高的活化能，形成后也很不稳定，易于进行消除反应。2.反应实例二十三.加布里埃尔

18、(Gabriel)合成法(P.532) 邻苯二甲酰亚胺与氢氧化钾的乙醇溶液作用转变为邻苯二甲酰亚胺盐，此盐和卤代烷反应生成N-烷基邻苯二甲酰亚胺，然后在酸性或碱性条件下水解得到一级胺和邻苯二甲酸，这是制备纯净的一级胺的一种方法。 有些情况下水解很困难，可以用肼解来代替：1.反应机理邻苯二甲酰亚胺盐和卤代烷的反应是亲核取代反应，取代反应产物的水解过程与酰胺的水解相似2.反应实例二十四.Hofmann 重排（降解）(P.538) 酰胺用溴(或氯)在碱性条件下处理转变为少一个碳原子的伯胺:1. 反应机理2. 反应实例二十五.Hofmann 消除反应(P.548) 季铵碱在加热条件下(100-200C

19、)发生热分解,当季铵碱的四个烃基都是甲基时,热分解得到甲醇和三甲胺: 如果季铵碱的四个烃基不同,则热分解时总是得到含取代基最少的烯烃和叔胺:1. 反应实例二十六. Hell-Volhard-Zelinski 反应(P.412) 羧酸在催化量的三卤化磷或红磷作用下，能与卤素发生a-卤代反应生成a-卤代酸： 本反应也可以用酰卤作催化剂。1. 反应机理2. 反应实例二十七. Arndt-Eister 反应 (P.565) 酰氯与重氮甲烷反应，然后在氧化银催化下与水共热得到酸。1.反应机理 重氮甲烷与酰氯反应首先形成重氮酮（1），（1）在氧化银催化下与水共热，得到酰基卡宾（2），（2）发生重排得烯酮（

20、3），（3）与水反应生成酸，若与醇或氨（胺）反应，则得酯或酰胺。 2.反应实例 二十八.Arbuzov-Michaelis 反应 (P.591) 亚磷酸三烷基酯作为亲核试剂与卤代烷作用，生成烷基膦酸二烷基酯和一个新的卤代烷： 卤代烷反应时，其活性次序为：RI RBr RCl。除了卤代烷外，烯丙型或炔丙型卤化物、a-卤代醚、a- 或 b-卤代酸酯、对甲苯磺酸酯等也可以进行反应。当亚酸三烷基酯中三个烷基各不相同时，总是先脱除含碳原子数最少的基团。本反应是由醇制备卤代烷的很好方法，因为亚磷酸三烷基酯可以由醇与三氯化磷反应制得： 如果反应所用的卤代烷 RX 的烷基和亚磷酸三(RO)3P 的烷基相同（即

21、 R = R），则 Arbuzov 反应如下： 这是制备烷基膦酸酯的常用方法。 除了亚磷酸三烷基酯外，亚膦酸酯 RP(OR)2 和次亚膦酸酯 R2POR 也能发生该类反应，例如： 1. 反应机理 一般认为是按 SN2 进行的分子内重排反应： 2. 反应实例 二十九.Sandmeyer 反应(P.571) 重氮盐用氯化亚铜或溴化亚铜处理，得到氯代或溴代芳烃： 这个反应也可以用新制的铜粉和HCl或HBr来实现(Gattermann反应)。1.反应机理2.反应实例三十.Schiemann 反应(P.571) 芳香重氮盐和氟硼酸反应，生成溶解度较小的氟硼酸重氮盐，后者加热分解生成氟代芳烃： 此反应与S

22、andmeyer反应类似。 1.反应机理 本反应属于单分子芳香亲核取代反应，氟硼酸重氮盐先是分解成苯基正离子，受到氟硼酸根负离子进攻后得到氟代苯。2.反应实例三十一.Gatterman 反应(P.573) 重氮盐用新制的铜粉代替亚铜盐(见Sandmeyer反应)作催化剂，与浓盐酸或氢溴酸发生置换反应得到氯代或溴代芳烃： 本法优点是操作比较简单，反应可在较低温度下进行，缺点是其产率一般较Sandmeyer反应低。1. 反应机理 见Sandmeyer反应2. 反应实例三十二. Curtius 重排反应(P.579) 酰基叠氮化物在惰性溶剂中加热分解生成异氰酸酯: 异氰酸酯水解则得到胺：1.反应机理

23、2.反应实例三十三.Schmidt 重排反应(P.579) 羧酸、醛或酮分别与等摩尔的叠氮酸(HN3)在强酸(硫酸、聚磷酸、三氯乙酸等)存在下发生分子内重排分别得到胺、腈及酰胺： 其中以羧酸和叠氮酸作用直接得到胺的反应最为重要。羧酸可以是直链脂肪族的一元或二元羧酸、脂环酸、芳香酸等；与Hofmann 重排、Curtius 反应和Lossen 反应相比，本反应胺的收率较高. 1.反应机理 本反应的机理与Hofmann 重排、Curtius 反应和Lossen 反应机理相似，也是形成异氰酸酯中间体：当R为手性碳原子时，重排后手性碳原子的构型不变：2.反应实例三十四.Hantsch 合成法(P.60

24、4,618) 两分子b-羰基酸酯和一分子醛及一分子氨发生缩合反应，得到二氢吡啶衍生物，再用氧化剂氧化得到吡啶衍生物。这是一个很普遍的反应，用于合成吡啶同系物。1.反应机理 反应过程可能是一分子b-羰基酸酯和醛反应，另一分子b-羰基酸酯和氨反应生成b-氨基烯酸酯，所生成的这两个化合物再发生Micheal加成反应，然后失水关环生成二氢吡啶衍生物，它很溶液脱氢而芳构化，例如用亚硝酸或铁氰化钾氧化得到吡啶衍生物：2.反应实例三十五.Wittig 反应(P.591) Wittig 试剂与醛、酮的羰基发生亲核加成反应，形成烯烃：1.反应机理2.反应实例三十六.Parr-Knorr 合成反应(P.604)

25、1,4-二羰基化合物在无水的酸性条件下脱水，生成呋喃及其衍生物。1,4-二羰基化合物与氨或硫化物反应，可得吡咯、噻吩及其衍生物。1.反应机理2.反应实例三十七.Chichi babin 反应(P.618) 杂环碱类，与碱金属的氨基物一起加热时发生胺化反应，得到相应的氨基衍生物，如吡啶与氨基钠反应生成2-氨基啶，如果位已被占据，则得-氨基吡啶，但产率很低。 本法是杂环上引入氨基的简便有效的方法，广泛适用于各种氮杂芳环，如苯并咪唑、异喹啉、丫啶和菲啶类化合物均能发生本反应。喹啉、吡嗪、嘧啶、噻唑类化合物较为困难。氨基化试剂除氨基钠、氨基钾外，还可以用取代的碱金属氨化物：1.反应机理 反应机理还不是

26、很清楚，可能是吡啶与氨基首先加成，（），（）转移一个负离子给质子给予体(AH)，产生一分子氢气和形成小量的2-氨基吡啶（），此小量的（）又可以作为质子的给予体，最后的产物是2-氨基吡啶的钠盐，用水分解得到2-氨基吡啶：2.反应实例 吡啶类化合物不易进行硝化，用硝基还原法制备氨基吡啶甚为困难。本反应是在杂环上引入氨基的简便有效的方法，广泛适用于各种氮杂芳环，如苯并咪唑、异喹啉、吖啶和菲啶类化合物均能发生本反应三十八.Skraup 合成法(P.622)苯胺（或其他芳胺）、甘油、硫酸和硝基苯（相应于所用芳胺）、五氧化二砷（As2O5)或三氯化铁等氧化剂一起反应，生成喹啉。本合成法是合成喹啉及衍生物最

27、重要的合成法。苯胺环上间位有给电子取代基时，主要在给电子取代基的对位关环，得取代喹啉；当苯胺环上间位有吸电子取代基团时，则主要在吸电子取代基团的邻位关环，得取代喹啉。很多喹啉类化合物，均可用此法进行合成。1.反应机理2.反应实例 也可用，-不饱和醛或酮代替甘油，或用饱和醛发生羟醛缩合反应得到，-不饱和醛再进行反应，其结果是一样的。三十九.Haworth 反应(P.635) 萘和丁二酸酐发生Friedel-Crafts酰化反应然后按标准的方法还原、关环、还原、脱氢得到多环芳香族化合物。1.反应机理 见Friedel-Crafts酰化反应2.反应实例四十、Mannich 反应(P.748) 含有a

28、-活泼氢的醛、酮与甲醛及胺(伯胺、仲胺或氨)反应，结果一个a-活泼氢被胺甲基取代，此反应又称为胺甲基化反应，所得产物称为Mannich碱。1.反应机理2.反应实例四十一、Diels-Alder 反应(P.179)含有一个活泼的双键或叁键的化合物(亲双烯体)与共轭二烯类化合物(双烯体)发生1,4-加成，生成六员环状化合物：这个反应极易进行并且反应速度快，应用范围极广泛，是合成环状化合物的一个非常重要的方法。带有吸电子取代基的亲双烯体和带有给电子取代基的双烯体对反应有利。常用的亲双烯体有：下列基团也能作为亲双烯体发生反应：常用的双烯体有：1、反应机理这是一个协同反应，反应时，双烯体和亲双烯体彼此靠

29、近，互相作用，形成一个环状过渡态，然后逐渐转化为产物分子：反应是按顺式加成方式进行的，反应物原来的构型关系仍保留在环加成产物中。例如：正常的Diels-Alder反应主要是由双烯体的HOMO(最高已占轨道)与亲双烯体的LUMO(最低未占轨道)发生作用。反应过程中，电子从双烯体的HOMO“流入”亲双烯体的LUMO。也有由双烯体的LUMO与亲双烯体的HOMO作用发生反应的。2、反应实例 本反应具有很强的区域选择性，当双烯体与亲双烯体上均有取代基时，主要生成两个取代基处于邻位或对位的产物： 当双烯体上有给电子取代基、亲双烯体上有不饱和基团如：与烯键(或炔键)共轭时，优先生成内型(endo)加成产物四

30、十二、Dieckmann 缩合反应(P.491)1.反应机理2.反应实例四十三、Bischler-Napieralski 合成法(P.622)1.反应机理2.反应实例四十四、Fischer重排(P.607) N-亚硝基芳胺用盐酸或氢溴酸或其乙醇溶液处理时氨基氮上的亚硝基转移到芳核上去形成p-硝基芳胺(对位重排): 通常发生对位重排，但在奈系化合物中如N-亚硝基-N-加基-2-奈胺则发生邻位重排成1-亚硝基化合物：反应机理 在HCl存在下，N-亚硝基化合物首先解离成仲胺及NOCl然后进行亚硝基化：四十五.Ullmann反应(P.319) 卤代芳烃在铜粉存在下加热发生偶联反应生成联苯类化合物。如碘

31、代苯与铜粉共热得到联苯：这个反应的应用范围广泛，可用来合成许多对称和不对称的联苯类化合物。芳环上有吸电子取代基存在时能促进反应的进行，尤其以硝基、烷氧羰基在卤素的邻位时影响最大，邻硝基碘苯是参与Ullmann反应中最活泼的试剂之一。1、反应机理 本反应的机理还不肯定，可能的机理如下：另一种观点认为反应的第二步是有机铜化合物之间发生偶联：2、反应实例当用两种不同结构的卤代芳烃混合加热时，则有三种可能产物生成，但常常只得到其中一种。例如，2,4,6-三硝基氯苯与碘苯作用时主要得到2,4,6-三硝基联苯：二、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

32、反应历程两方面来理解。1 用诱导效应和-共轭效应来解释1）用诱导效应解释2）-共轭效应来解释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：定性的说，碳正离子的稳定性顺序为：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-P共轭效应看，参与-P共轭的键数目越多，则正电荷越分散，碳正离子越稳定。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：苯环上亲电取代反应的定

33、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%（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： 排在苯前面的取

34、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：O-，N(CH3)2，NH2，OH，OCH3，NHCOCH3，OCOCH3，F，Cl，Br，I，R，C6H5 等。第二类定位基又称间位定位基：N+(CH3)3，NO2，CN，SO3H，CHO，COCH3，COOH，COOCH3，CONH2，N+H3 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

35、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应生成的中间体 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络合物： Z 不同，生成的三种 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

36、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 CH 键的轨道与苯环的 轨道形成 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 络合物中间体，三种 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：亲电试剂进攻苯生成的 络合物的碳正离子也可以用共振杂化体表示：显然，共振杂化体和比稳定，因为c

37、和b的正电荷在有供电基的叔碳上，较分散。而在中，正电荷都分布在仲碳上，不稳定。所以甲基是邻对位定位基。共振杂化体比稳定，虽然在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。氨基 在苯胺中，NC 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

38、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- 共轭效应（C的2p轨道与 Cl 的 3p 轨道形成 p- 共轭体系，没有 C 的 2p 轨道与 N 的 2p 轨道形成的 p- 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以硝基苯为例说明。

39、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-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 络合物中间体：进攻邻位：进攻对位：进攻间位：共振杂化体 比 和 稳定，因为在 和 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 c 和 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。共振杂化体有强吸电子基团，与相应的苯的共振杂化体相比， 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

40、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。烷基硝化反应时异构体分布苯环上原有定位基不变，随着进入基团体积增大，邻位异构体的比例也减少。如表所示。甲基苯烷基化时异构分布2反应温度的影响反应温度不同，邻、对位异构体的比例不同。如 3催化剂的影响 利用现代催化技术，可以控制取代基的定位作用，如使用有择型催化作用的分子筛催化乙苯的乙基化，可以得到高选择性的对二乙苯。工业上就是用分子筛催化合成对二乙苯。后者催化脱氢，得到交联聚苯乙烯的共聚单体对二乙烯基苯： 甲苯

41、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位作用不一致，两个取代基属同一类定位基，这时

42、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： 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： 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： 由对硝基甲苯合成2，4-二硝基苯甲酸，其

43、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。定位规律只适用于动力学控制的反应。例如，叔丁苯在 FeCl3 催化下，与叔丁基氯反应生成对二叔丁基苯：这与定位规律一致，但用过量的AlCl3为催化剂，则生成 1，3，5-三叔丁基苯： 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，脱烷基化也较难，最后变成热力学上稳定的均三叔丁基苯。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

44、亲核加成 （羰基上）羰基加成中亲核试剂结合到羰基的碳原子上，而亲电试剂与羰基氧原子连接。在酸性条件下由亲电试剂（H+）首先加上去；而在碱性条件下则是亲核试剂首先加上去。若亲核试剂为： H- 或：R-,那么加成反应是不可逆的，但若亲核试剂为NR2、 卤素X-等加成反应则一般为可逆的。多重键 C=N 和 CN 其性质类似羰基。在羰基加成反应中，由于起始物羰基碳原子的配位数为 3，而产物中羰基.该羰基碳原子的配位数则增加到4，所以立体因素对该反应的影响是明显的，如图（a）。图（a） 羰基加成 在羰基由于键极化，使得氧原子上带部分负电荷，碳原子上带部分正电荷。因为氧原子可以形成比较稳定的氧负离子，它较

45、带正电荷的碳原子要稳定得多。因此反应的活性中心是羰基中带正电荷的碳。这样在反应时，醛、酮分子中碳氧双键很容易被带有负电荷或带有未共用电子对的试剂即亲核试剂所进攻。这一步反应通常是决定反应速度的一步。这种在决定反应速率的一步，是由亲核试剂进攻而发生的加成反应，与烯烃的亲电加成反应不同，称为亲核加成反应。 氮上至少有一个氢的氨及其衍生物与醛或酮羰基加成时，其直接产物在反应条件下一般立即消除水而得到含 的键的最终产物如图（b）。图（b） 氨及其衍生物的加成情形羧酸及其衍生物RCOZ在羰基加成后，可裂去离核基团Z而得到取代产物。双分子亲核取代反应的动力学与机理对于溴代甲烷和羟基负离子之间进行的SN反应

46、，经过实验测定，发现反应的速率取决于两个反应物 (CH3Br 和 -OH) 的浓度。反应速率方程为：。即反应速率与每个反应物浓度的一次方成正比。对于一个在液相中进行的 SN 反应，在反应温度、压力、溶剂性质等不变的条件下，每个卤代烷都有各自不变的k值。从这个反应速率方程可见，它是一个二级的动力学方程，反应是双分子的。记为 SN2。CH3Br 与 -OH 以 SN2 方式进行反应的过程可描述如下，即 SN2 反应机理：在卤代烷按 SN2 机理进行反应时，亲核试剂对中心碳原子的攻击是在C-X键的卤原子离去的反方向进行的；只有这样，进入的 -OH 和离去的 X才相距最远，在达到过渡状态时，各个原子和

47、基团之间的排斥作用才能最低，使过渡状态相对较为稳定而有利于反应的完成。SN2反应的立体化学SN2反应是一步完成的反应翻转，新键的生成和旧键的断裂是同时进行的。由于亲核试剂是在碳卤键背后攻击中心碳原子，所以在达到过渡状态时，进入基团 (Nu-) 已经把中心碳与另外三个原子或基团形成的键排斥到同一个平面内，随着反应的进行，离去基团(X-)逐步远离中心碳，这时在平面内的三个 键所连接的原子或基团在空间上更为有利地转向X-离去的方向；最终结果是中心碳原子的构型发生了转化，即在反应前后中心碳原子的构型发生了翻转。这种现象叫做瓦尔登翻转(Walden invertion)。中心碳原子构型翻转是SN2反应的

48、特征。如果中心碳原子在反应前有一定的构型，具有旋光性，则在发生 SN2 反应后，中心碳原子的构型必定改变，其旋光性也将随之变化。例如，从实验测定得知，HO- 与 2-溴辛烷的反应是二级反应，通过构型测定已知 (+)-2-辛醇与 (-)-2-溴辛烷的构型是相反的；当 (-)-2-溴辛烷和 HO- 发生 SN2 反应时，得到的产物是 (+)-2-辛醇。通过对这个反应的研究，表明了SN2反应是构型完全翻转的反应。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： 通过实验测定，这个反应的动力学方程是一级的，=kt-BuBr。这表明，在叔溴丁烷的水

49、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，不是一步反应过程，而是一个多步骤反应：1)2)3）4)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(CH3)3C+ 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

50、合之前就从邻位碳原子上脱去一个质子，则产生烯烃。在整个反应过程中，在控制步骤(1)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：sp3sp2sp3。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。 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 SN1 反应机

51、理发生反应后，所得产物就会出现顺反混合物，也被实验事实所证明。例如： 外消旋化是卤代烷发生 SN1 反应的立体化学特征。但是，几乎所有卤代烷的SN1 机理反应的产物并不是完全外消旋化，即产物不是 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正离子以离子对的形态留存于原来的空间方位，这就使亲核试剂从碳正离子平面两侧进入的概率不均等，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。例如： 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

52、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。如：-氯乙醇在碱催化作用下合成环氧乙烷的反应： 这是一种分子内的SN2反应,它远比分子间的SN2反应有利。邻基参与（邻基效应）：有旋光性的溴代丙酸盐的碱性水解反应，得到构型保持的旋光性-羟基丙酸盐 O 在这一反应中，邻近的羧基负离子从离去溴原子的背后进攻碳原子，促使溴原子离去，形成三元环内酯中间体，然后亲核试剂-OH从Br-离去的方面进攻碳，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。溴代丙酸盐碱性水解反应，实际上经理了两次SN2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