第一章 取代基效应

1、高等有机化学高等有机化学 32学时学时 * 有机化学是研究有机化合物的组成、结 构、性质、反应规律和应用的一门科学。* 在有机化学发展的基础上，产生了高分子、生命、医学、药学等一系列现代学科。 * 与衣食住行休戚相关。 “博大精深博大精深” 其博无穷、其大无限、其精无尽、其深无极！ 有机化学以官能团性质为主线，侧重各种官能团之间的相互转化。即“What”的问题。 但是没有告诉我们为什么会发生这样的转化？这种转化是易是难？即“Why”的问题。 目的：目的： 高等有机化学告诉我们结构、取代基等对官能团或中间体性质的影响规影响规律律，帮我们正确判断反应能否发生、朝哪个方向发生，并能以此解释和指导自己

2、的实验。 如果把有机化学看成主线，高等有机如果把有机化学看成主线，高等有机化学则是辅线，二者相辅相成、缺一不化学则是辅线，二者相辅相成、缺一不可。可。高等有机化学的研究内容：高等有机化学的研究内容：高等高等有机化学有机化学分子结构分子结构反应反应反应过程中的结构变化反应过程中的结构变化化合物及中间体的结构化合物及中间体的结构机理机理目的：目的： 揭示有机反应的本质和内在规律，揭示有机反应的本质和内在规律， 把各类反应有机地联系起来。把各类反应有机地联系起来。第一章第一章 取代基效应取代基效应 Substituent Effects诱导效应诱导效应场效应场效应共轭相应共轭相应超共轭效应超共轭效应

3、空间效应空间效应 CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH pKa 4.76 2.86 1.29 0.65取代基效应：分子中的原子或原子团对取代基效应：分子中的原子或原子团对所研究的官能团所产生的影响所研究的官能团所产生的影响取代基效应是贯穿有机化学始终的核心根取代基效应是贯穿有机化学始终的核心根本问题，是有机化学的筋脉之一。本问题，是有机化学的筋脉之一。官能团性质取代基效应活的有机化学官能团性质取代基效应活的有机化学取代基效应取代基效应电子效应电子效应场效应场效应空间传递电子效应空间传递电子效应空间效应（位阻效应）空间效应（位阻效应）诱导效应诱导效应共轭效应共

4、轭效应超共轭效应超共轭效应电子效应电子效应 (Electronic effect)：取代基通过对分子电子云取代基通过对分子电子云分布产生影响从而改变母分布产生影响从而改变母体分子的性质体分子的性质O2NCH2C OHOCH3C OHOAcidity：Inductive effects are those that occur through the sigma system due to electronegativity effects. These can be either electron donating (e.g. -Me) where sigma electrons are pu

5、shed toward the functional group or electron withdrawing (e.g. -CF3, +NR3) where sigma electrons are drawn away from the functional group. RGRG一、一、 诱导效应诱导效应 Inductive effectCCClCCClC CCl特征：特征： 沿分子链传递（沿分子链传递（-键）键） 由电负性差异引起由电负性差异引起强度：强度：取决于取代基的电负性取决于取代基的电负性与距离。与距离。电负性差电负性差值越大，强度越高；值越大，强度越高；距离越大，强度越弱。距

6、离越大，强度越弱。CZCHCZ-I标标准准+IH 2.1Li 1.0Be 1.5B 2.0C 2.5N 3.0O 3.5F 4.0Na 0.9Mg1.2Al 1.5Si 1.8P 2.1S 2.5Cl 3.0K 0.8Ca 1.0Br2.8I 2.5Electronegativity1. 同周期元素（同周期元素（-I）：）：F OH NH2 CH32. 同族元素（同族元素（-I） ： F Cl Br I 电负性：电负性： 4.0 3.0 2.8 2.5 3. 杂化状态：杂化状态： 不饱和度越大，不饱和度越大，-I 效应越强效应越强C CR CH CHR4. 相同原子：带正电荷的取代基的相同原子

7、：带正电荷的取代基的 -I 强强-NR3 -NO2 -NR2-I:取代基诱导效应的影响结果：取代基诱导效应的影响结果：u对反应活性的影响对反应活性的影响CH3CH2O, HClZnCl2CF3CH2O, HClZnCl2u对反应区域选择性的影响：对反应区域选择性的影响：CH3COOHClCH2COOHO2NCH2COOHpKa:4.762.861.68u对化合物酸性的影响：对化合物酸性的影响：二、二、 场效应场效应 (Field effect)通过空间传递空间传递的电子效应 场效应。邻氯代苯丙炔酸：邻氯代苯丙炔酸：3-(2-chlorophenyl)propynoic acidpKa: 大大

8、小小酸性：酸性： 弱弱 强强场效应是依赖分子的几何构型的。场效应是依赖分子的几何构型的。CCCOOHClCCCOOHClCOOHClClHHCOOHHHClClCH2=CH-CH=NR CH2=CH-CH=CH2 同元素，带正电荷的，同元素，带正电荷的，-C效应较强效应较强CNR2CNR +C效应效应: p - 共轭体系共轭体系NR2CCOHCCCCCCCCFCC+C:同周期：电负性越大，同周期：电负性越大，+C 效应越小效应越小同族元素：半径接近同族元素：半径接近，C 显著显著。+C:FCCClCCBrCCICC静态时：静态时：（分子未参加反应）（分子未参加反应）-I +C动态时：动态时：（

9、分子处于反应中（分子处于反应中+C -ICCClE+CH2CHCOCH3CH2CHCl+ HCl+ HCl注意：静态时电荷分布注意：静态时电荷分布CCCl1.30.80.9 共轭效应与诱导效应在一个分子中往往是并存的，共轭效应与诱导效应在一个分子中往往是并存的，有时两种作用的方向是相反的有时两种作用的方向是相反的.4、共振论 （Resonance Theory） Pauling 1931年提出 Electrons in bonds have a fixed location and so they are said to be localized. In contrast, electrons

10、 that can be drawn in different locations are said to be delocalized. In certain cases, molecules can be represent by more than one reasonable Lewis structure that differ only in the location of electrons. Collectively these Lewis diagrams are then known as resonance structures. The real structure h

11、as characteristics of each of the resonance structures, and is often represented as the resonance hybrid. OC-OO-O-COO-O-C-OOLewis DiagramsOCOOResonance Hybrid2/3-2/3-2/3-真实分子的能量比任何一个极限结构的能量都低真实分子的能量比任何一个极限结构的能量都低能够写出的有意义的极限结构数量越多，而且结构能够写出的有意义的极限结构数量越多，而且结构等价，那么共振能越大（例如：苯）等价，那么共振能越大（例如：苯）书写原则：书写原则： 原

12、子排列顺序不能改变原子排列顺序不能改变 符合符合Lewis结构式书写规则结构式书写规则 未成对电子必须相同未成对电子必须相同共振结构稳定性规则共振结构稳定性规则 包含共价键多的稳定 带有形式电荷的结构低于不带电的结构 相邻原子带有相同电荷的结构尤其不稳定 负电荷位于电负性大的原子上的结构较稳定稳定性高的极限结构贡献大稳定性高的极限结构贡献大CHCO-HHCHHCOH-= 6.3D应用举例：应用举例：思考题：思考题：请写出下列极限结构式，并注明哪个极限式比较稳定。请写出下列极限结构式，并注明哪个极限式比较稳定。三三. 超共轭效应超共轭效应 (Hyperconjugation) +I: Me3CM

13、e2CHEtMeCCH3CH3H3CCCH3CH3HCCH3HHCHHH: 0.70D 0.65D 0.58D 0.38D轨道与轨道与轨道的重叠，轨道的重叠， 电子的离域电子的离域RBr2FeBr3RBr R: Me3C Me2CH Et Me H 110 180 290 340 1CCH3CH3H3CCCH3CH3HCCH3HHCHHH CH键上的键上的电子发生电子发生离域，形成离域，形成共轭。共轭。电子已经不再定域在原来的电子已经不再定域在原来的C、H 两原子之间，而是离域两原子之间，而是离域在在C3C2之间，使之间，使H原子容易原子容易作为质子离去作为质子离去，这种共轭强这种共轭强度远弱

14、于度远弱于-和和p-共轭。共轭。CH2CH3Br2hCHCH3BrCHHHCHCH2+ ND3CHHDCHCH2+ ND2H超共轭效应的作用：超共轭效应的作用：CCCHHHHHHCHHHCHCH2当当CH键与双键直接相连时，键与双键直接相连时，CH键的强度减弱，键的强度减弱，H原子的原子的活性增加。活性增加。CHHHCHO 羰基化合物的羰基化合物的-H原子原子酸性较强酸性较强使分子的偶极距增加：使分子的偶极距增加：COHHCHCH3HCHO : 2.27 2.73使正碳离子和自由基稳定性增加：使正碳离子和自由基稳定性增加：CCHHHCHHHCHCHHHCHHCHH CCHHHCHHHCHHCH

15、H HCCHHHCHHH HHCHHH 在叔碳正离子中在叔碳正离子中 CH键与空的键与空的p轨轨道具有道具有9个超共轭个超共轭 效应的可能，其结果：效应的可能，其结果：正电荷分散在正电荷分散在3个碳原子上。个碳原子上。O-NR2NH2OHORNHCORRPhCH=CR2HOCORActivatingEDGStrongly ActivatingModerately ActivitingWeakly ActivatingReferenceortho/para directingXCHOCORCOORCOOHCOClCF3CNSO3HN+R3NO2DeactivatingEWGStrongly De

16、activatingModerately DeactivitingWeakly Deactivatingmeta directingThese effects are a combination of Resonance and Inductive effects 各各种种效效应应在在芳芳烃烃亲亲电电取取代代反反应应中中的的表表现现五五. 空间效应空间效应 (Steric effect) 也称为也称为位阻效应位阻效应，由取代基引起的一种空，由取代基引起的一种空间张力或阻力的效应。间张力或阻力的效应。1. 空间效应对构象的影响空间效应对构象的影响HHCH3HHCH3与与3，5-位直立氢发生相互作

17、用位直立氢发生相互作用环状化合物的稳定构象环状化合物的稳定构象CH3H3COOCH3OOH3C比较下列两组化合物构象的稳定性比较下列两组化合物构象的稳定性HHHHHHHHH HHHHHCH3HCH3HHHCH3CH3HH12.6 kJ/mol higher20.9 kJ/mol higher开链分子的稳定构象开链分子的稳定构象CH3BrHBrCH3HCH3HBrBrCH3HCH3HOHOHCH3HCH3HOHOHCH3H MeNH2 Me3N NH3与体积较大的与体积较大的Lewis 酸酸,如如B(CMe3)3反应时，碱反应时，碱性强度顺序为：性强度顺序为：MeNH2 NH3 Me2NH Me

18、3N NRRRBRR R两者在相互接近过程中，基团位阻导致相两者在相互接近过程中，基团位阻导致相互排斥作用互排斥作用F张力张力(Face - Strain)NCH3CH32, 6-二甲基吡啶几乎二甲基吡啶几乎不与不与R3B作用作用3. 空间效应对反应的影响空间效应对反应的影响 SN2 伯卤代烷的乙醇解的相对速度是与伯卤代烷的乙醇解的相对速度是与中心碳原子连接的烷基大小相关的：中心碳原子连接的烷基大小相关的：EtOH +CRHHBrCEtORHH+ HBrR相相对对速速度度H3C-CH3CH2-(CH3)2CH-(Isopropyl)(CH3)3C-(t-Butyl)4.2 10-51.00.2

19、80.03SN2 反应反应乙氧基从背后进攻乙氧基从背后进攻R越大，位阻越大越大，位阻越大对反应活性的影响对反应活性的影响A steric effect on a rate process may resultin a rate increase (steric acceleration) or a decrease (steric retardation).CRBrRRCRRR+ Br-RCH3 Rrel=1.0RC2H5 Rrel=3.0 SN1 CRRRXCRRR12010928+ X形成碳正离子是形成碳正离子是SN1反应反应的一步（速控步）的一步（速控步）键角的扩张缓解了基团的拥挤程度键角的扩张缓解了基团的拥挤程度sp3四面体四面体 sp2平面三角型平面三角型 B-张力张力 (Back Strain)60 109.560 120 随着反应的进行，环的键角与轨道夹角的矛盾加剧随着反应的进行，环的键角与轨道夹角的矛盾加剧内部张力内部张力(Internal strain