第2章精细有机合成的理论基础-2

1、2.3 2.3 亲核取代反应亲核取代反应亲核（负离子型）取代反应通式亲核（负离子型）取代反应通式：亲核取代反应亲核取代反应是指有机分子中与碳相连的某原子或基团被作为亲核试剂的某原子或基团取代的反应。 在反应过程中，取代基团提供形成新键的一对电子，而被取代的基团则带着旧键的一对电子离去。（1）双分子亲核取代反应历程（）双分子亲核取代反应历程（SN2）该过程中旧键的断裂与新键的形成是同时发生的，没有中间体的形成，反应一步进行。通式如下：1.脂肪族亲核取代反应历程脂肪族亲核取代反应历程SN2历程的特征历程的特征：Nu-从离去基团背面进攻；构型反转（R/S）；旧键断裂与新键形成同时；二级反应，即v =

2、 kRCH2XOH-；假一级反应（当 OH- RCH2X 时 )，v = kRCH2X该历程中反应是分两步进行的，第一步，中心C原子与离去基间发生异裂，生成一个不稳定的碳正离子中间体；（2）单分子亲核取代反应历程（）单分子亲核取代反应历程（SN1）第二步，碳正离子与亲核试剂结合生成新的化合物。 SN1反应机制的特点反应分两步，第一步是控制步骤，即C-X键首先断裂形成碳正离子；过渡态为平面结构，中心原子由sp3杂化转化为sp2杂化；亲核试剂可以从碳正离子两侧与之结合,生成等量的对映体，即发生消旋化；此类反应与亲核试剂的亲核能力及浓度无关。一级反应，即v = kR3CX SN1反应立体化学: 生成

3、等量的对映体即外消旋体 2.影响反应历程和速度的因素影响反应历程和速度的因素（1）作用物的结构）作用物的结构SN1:单分子亲核取代反应.主要考察形成的C正离子的稳定性被进攻的碳原子上有给电性取代基；取代基的p-p（如-氯代醚类）和p-（如烯丙基卤化物）共轭有利于SN1。在RX里,按SN1进行的RX的活性为:烯丙型，苄基型叔RX仲RX伯RXSN2:双分子亲核取代反应. 主要考察空间阻力.受到的阻力越小,活性就越大. 注意：烯丙型RX and 苄基型RX,发生SN2反应的活性也是非常大的,与伯RX相当（2）离去基团的影响）离去基团的影响越容易形成负离子（或接受电子能力强）的离去基团越有利于亲核取代

4、反应的进行。难易次序：（3）亲核试剂的影响）亲核试剂的影响C2H5O OH C6H5O C2H5S H2O对SN1影响不大，对SN2反应有明显的影响。绝大多数试剂的亲核能力与其碱性一致。同族元素的亲核试剂中，原子半径越大，越容易极化，亲核性越强（4）溶剂的影响）溶剂的影响对SN1反应，极性溶剂有利于中性化合物R-X的解离溶剂极性越大，溶剂极性越大，反应速度越快反应速度越快对SN2反应，Nu-易与质子传递型溶剂形成氢键，使反应活性降低。反应宜在非质子传递型溶剂中进行反应宜在非质子传递型溶剂中进行3.芳香族环上氢芳香族环上氢的亲核取代反应的亲核取代反应反应时，亲核试剂优先进攻环上电子云密度最低的位

5、置，故（反应难易和定位规律）与芳香族亲电取代反应相反。特点：特点：由于芳香环和亲核试剂的电子云密度都比较高，所以这类反应较难发生。当芳环上连接有吸电子基团时，使邻位和对位的电子云密度下降得比间位更多，该位有利于发生亲核取代反应。4.芳香族已有取代基的芳香族已有取代基的亲核置换反应亲核置换反应 在芳环上引入某些基团。要在芳环上引入-OH、-OR、-OAr、-NH2、-NHR、-NR2、-NHAr、-CN和-SH等取代基的化合物，采用环上H的亲核取代相当困难。（1）重要性）重要性但是，亲电取代可以在苯环上引入磺基、硝基、亚硝基、卤基、烷基、酰基、羧甲基和偶氮基等。引入这些基团后，由于这些基团的吸电

6、子作用使与之相连的C原子上的电子云密度比其它C原子降低得更多，因此该位置易发生亲核置换反应。a）双分子历程 (二级反应） 中间体：配合物负离子（2）亲核置换反应亲核置换反应反应历程反应历程 XNO2+ Nu-Nu+ X-NO2XNO2Nu迈森海默络合物迈森海默络合物b）单分子历程 （一级反应）重氮盐的水解或醇解生成醇或醚是亲核置换反应，其历程按SN1进行：c. 苯炔历程苯炔历程第一步：消除卤化氢，形成苯炔中间体；第二步：亲核加成生成取代产物ClCH3NH2CH3CH3NH2+KNH2-液NH338%（预期的）（预期的）62%（非预期的）（非预期的）消除消除-加成机理加成机理(苯炔机理苯炔机理)

7、如下：如下：ClHNaNH2/液NH3-HClNH2-NH2-NH3NH3NH2-NH2NH2-NH2+ NH2-+ NH2-“苯炔”非正常三键条件苛刻必须使用强碱必须使用强碱（3）苯环上其它取代基对亲核置换反应的影响）苯环上其它取代基对亲核置换反应的影响a）当取代基的共轭位（邻、对位）有吸电子取代基存在，对反应有利b. 当苯环上同时有卤基和其它吸电性基时，通常都是卤基发生亲核置换，而其它吸电性基团不发生变化（重氮基容易分解，氰基容易水解）习题 1. 下面所列的每对亲核取代反应，各按何种机理进行？哪一个反应更快？为什么？下面所列的每对亲核取代反应，各按何种机理进行？哪一个反应更快？为什么？I-

8、的亲核性很强，且丙酮极性较小。这种反应条件有利于SN2, SN2反应速率：1RX2RX3RX2. 卤代烷与卤代烷与NaOH在水乙醇溶液中进行反应，下列哪些是在水乙醇溶液中进行反应，下列哪些是SN2机理？哪些是机理？哪些是SN1机理？机理？ (1) 产物发生Walden转化； (2) 增加溶剂的含水量反应明显加快； （3）有重排反应； （4）叔卤代烷反应速率大于仲卤代烷； （5）反应只有一步。 S SN N2 2S SN N1 1S SN N1 1S SN N1 1S SN N2 23）下列每一对反应中，预测哪一个更快，为什么？）下列每一对反应中，预测哪一个更快，为什么？ (1) (CH3)2C

9、HCH2Cl + SH-(CH3)2CHCH2SH + Cl-(CH3)2CHCH2I + SH-(CH3)2CHCH2SH + I -(A)(B)(A)(B)CH3CH2CHCH2Br + CN-CH3CH3CH2CHCH2CN + Br-CH3CH3CH2CH2CH2CH2Br + CN-CH3CH2CH2CH2CH2CN + Br- (2) CH3CH=CHCH2Cl + H2OCH3CH=CHCH2OH + HClCH2=CHCH2CH2Cl + H2OCH2=CHCH2CH2OH + HCl(A)(B) (3) (A)(B)CH3CH2CH2Br + NaSHCH3CH2CH2SH

10、+ NaBrCH3CH2CH2Br + NaOHCH3CH2CH2OH + NaBr (4) 质子溶剂，质子溶剂，p-p-共轭，共轭，更容易更容易SN1SN1，CH3CH=CHCH2CH2CHCH2CH2空间位阻大，不利于SN1S半径越大，越容易极化，亲核性越强CH3CH2OCH2Cl+ CH3COOAgCH3COOCH2OCH2CH3CH3COOHAgCl+CH3OCH2CH2ClCH3COOCH2CH2OCH3+ CH3COOAgCH3COOHAgCl+(5) (A) (B)CH3CH2OCH2CH3CH2OCH2P-P共轭效应CH3CH2ISH -CH3CH2SHI -CH3OHCH3C

11、H2ISH -CH3CH2SHI -DMF(6) (A) (B)甲醇是质子性溶剂，DMF为非质子溶剂有利于SN2 2.4 2.4 消除反应消除反应消除反应：消除反应：有机物分子中同时除去两个原子（或原子团），形成一个新分子的反应。这种反应通常是不饱和程度增加的反应。分 消除和 消除两种。在相邻的两个碳原子上除去两个基团，生成烯（炔）烃化合物。（1） -消除反应消除反应 双分子消除反应历程（双分子消除反应历程（E2历程历程)：双分子消除反应通常在强碱性试剂存在下发生。当亲核性试剂的碱性试剂Nu接近H时，形成过渡态，而后发生CH键和CX键的同时断裂，形成烯键。反应为二级，反应速度v =kNuRXE

12、2历程和SN2历程很相似，区别在E2历程中碱性试剂进攻-氢原子，而SN2历程中亲核试剂进攻碳原子上。按E2历程进行反应，离去基团的空间排布在理论上有两种，即顺式消除和反式消除。对烷基化合物，单键可以自由旋转，很难确定按哪种方式进行；但烯烃衍生物和脂环化合物中烯烃衍生物和脂环化合物中，双键和环上的单键自由旋转受到阻碍，就以反式共平面的消除方式反式共平面的消除方式为主。E2和和SN2的比较：的比较：单分子消除反应历程(E1)分两步进行，分子上离去基先解离掉（控制步骤）生成正碳离子，第二步在碱性条件下消除H质子后形成烯烃：反应为一级，反应速率与碱的浓度无关，v =kRX -消除反应定向规律消除反应定

13、向规律当形成的C正离子比较稳定时，反应优先按E1历程进行。E1和SN1反应常同时发生，两者比值常根据溶剂的极性和温度的不同而异。 单分子消除反应历程（单分子消除反应历程（E1历程历程)：从卤代烷消除卤化氢时，氢从含氢量少的碳原子上消除，主要生成不饱和碳原子上连有烷基数目最多的烯烃。b) 霍夫曼（霍夫曼（Hofmann）法则）法则: 季铵碱分解时，主要生成在不饱和碳原子上连有烷基数目最少的烯烃。a）查依采夫（查依采夫（Saytzeff）法则）法则: c）若分子中已有一个双键若分子中已有一个双键，消除反应后形成新的双键位置，不论按何种消除历程，均以形成共轭双键产品为主。在相同的碳原子上消除两个原子

14、（或原子团)，也称1,1-消除，形成卡宾（Carbene, C：），由于卡宾的特殊价键状态和化学结构，可发生多种化学反应。（2） -消除反应消除反应a）空间效应）空间效应：（3） 消除反应影响因素消除反应影响因素反应物分子结构的影响反应物分子结构的影响b）电子效应：）电子效应：c. 离去基团的性质：离去基团的性质：离去基团吸电子能力增加，使-H原子的电子云密度下降，有利于E2消除，而对E1消除无明显影响。无论E2还是E1机理，反应均有利 (因E2是进攻-H原子)。-碳原子上有吸电子基团，增加了-氢原子的活性，有利于E2反应。a）试剂碱性的影响：）试剂碱性的影响：反应条件的影响反应条件的影响b）

15、溶剂（介质）的影响：）溶剂（介质）的影响：c）温度的影响：）温度的影响：升高反应温度对E1和E2消除均有利高浓度的强碱性试剂在非质子化溶剂中，有利于双分子历程，且对E2比对SN2更有利。低浓度的碱或者没有碱存在时，在质子化溶剂中有利于单分子历程，且对SN1比对E1更有利。对于单分子反应历程，首先是形成C+离子，增加溶剂极性可以使反应速率提高，但是对E1和SN1产物比例影响较小 对于双分子反应历程，非极性溶剂对SN2和E2反应均有利。2.5 2.5 自由基反应自由基反应自由基反应属快速链反应，反应历程包括三个阶段：链引发、链传递和链终止。自由基反应应用十分广泛，如卤化、磺化、氧化、聚合等。自由基

16、的产生方式自由基的产生方式：1.热离解法：化合物受热到一定温度发生热离解，产生自由基.2.光离解法：3.电子转移法：利用重金属离子具有得失电子的性能，来催化过氧化物分解产生自由基2.6 2.6 加成反应加成反应加成反应分：亲电加成、亲核加成和自由基加成。加成反应分：亲电加成、亲核加成和自由基加成。1、亲电加成：、亲电加成：烯烃、炔烃分子中的电子具有较大的活性，容易与多种亲电试剂加成。常用的亲电试剂：强酸、Lewis酸（如氯化铁、氯化铝）、卤素、卤代烷、卡宾、醇、羧酸、羧酰氯等。烯烃结构的影响烯烃结构的影响：当碳碳双键上连有给电性取代基时，有利于稳定正离子，加快了反应速度；当碳碳双键上连有吸电性

17、取代基时，降低了碳正离子稳定性，反应速度减慢。历程：历程：分两步，先生成碳正离子中间产物（控制步骤），再与负离子结合。卤素的亲电性卤素的亲电性：Cl2 Br2 I2。2、亲核加成、亲核加成亲核加成中最重要的是羰基的亲核加成。CO 中带正电荷的C原子与亲核试剂发生反应。参与加成反应的亲核试剂有三类：CO1）能形成碳负离子的化合物，主要是含有活泼-H的醛，酮，羧酸及其衍生物和亚砜等。这类亲核加成是在酯键上形成新的CC键的重要方法。2）具有未共用电子对的化合物或离子：如H2O、H2S、SO3H、NH2OH 、 C6H5NHNH2等。与羰基化合物加成后形成CO、CS和CN键等。a） 醛、环氧化合物、不饱和化合物与亚硫酸钠的亲核加成，生成烷基磺酸化合物。b）乙酰乙酰胺与苯肼亲核加成生成腙。（3）含氢负离子的金属氢化物：如LiAlH4、NaBH4等。能与碳氧双键等发生加氢