精细有机合成第二章2

1、2.3 2.3 亲核取代反应亲核取代反应反应通式：反应通式：R-H Z- R-Z H-R-H Z-Y R-Z H-Y脂肪族化合物的亲核取代脂肪族化合物的亲核取代芳香族化合物的亲核置换芳香族化合物的亲核置换芳环上氢的亲核取代芳环上氢的亲核取代2.3.1 2.3.1 脂肪族化合物的亲核取代反应脂肪族化合物的亲核取代反应 反应历程：反应历程：双分子历程双分子历程 单分子历程单分子历程 反应的影响因素：反应的影响因素：作用物结构作用物结构 被取代离去基团被取代离去基团 亲核试剂亲核试剂 溶剂溶剂2.3.1.1 2.3.1.1 反应历程反应历程 双分子历程（双分子历程（S SN2N2）+RXNuRXNu

2、R +Nu :-X-亲核试剂亲核试剂过渡态过渡态离去基团离去基团OH-: +CXHHH慢HOCHHXH-CHOHHH+ X:- 单分子历程（单分子历程（S SN1N1）第一步第一步第二步第二步R+-Nu :快快RNuX-RXR+慢慢2.3.1.2 2.3.1.2 反应的影响因素反应的影响因素 作用物结构的影响作用物结构的影响图图 卤代烷烷基对水解速度的影响卤代烷烷基对水解速度的影响被进攻的碳原子上有给电性取代基，有利于被进攻的碳原子上有给电性取代基，有利于SN1反应，反应，分子中有吸电性取代基，则有利于分子中有吸电性取代基，则有利于SN2反应。反应。 被取代离去基团的影响被取代离去基团的影响

3、（1 1）被取代离去基（）被取代离去基（X X）接受电子能力越强接受电子能力越强，越有利于亲核取，越有利于亲核取代反应的进行。代反应的进行。 （2 2）被取代离去基接受电子的能力取决于）被取代离去基接受电子的能力取决于X X- -的稳定性和碱性的稳定性和碱性。 X X- -碱性越弱，稳定性越强，越容易被亲核试剂碱性越弱，稳定性越强，越容易被亲核试剂取代而离去。取代而离去。RSO3 I Br Cl RCOO HO H2N一般说来，被取代的难易次序为：一般说来，被取代的难易次序为： 亲核试剂的影响亲核试剂的影响 （1 1）对）对S SN N1 1反应影响不大，对反应影响不大，对S SN N2 2反

4、应速度有明显的影响。反应速度有明显的影响。 （2 2）绝大多数试剂的亲核能力与其碱性一致。）绝大多数试剂的亲核能力与其碱性一致。 例如：例如：C2H5O- OH- PhO- CH3CH2-H2O （3 3）当可极化度起主导作用时，亲核性与碱性不一致。）当可极化度起主导作用时，亲核性与碱性不一致。在同族元素的试剂中，亲核性是按电负性的下降而提高。在同族元素的试剂中，亲核性是按电负性的下降而提高。 例如：例如：IBrClF和和 PhSPhO 溶剂的影响溶剂的影响（1 1）对）对S SN N1 1反应，极性溶剂有利于中性化合物反应，极性溶剂有利于中性化合物R-XR-X的解离。的解离。 RXR+X-溶

5、剂极性越大，反应速度越快。溶剂极性越大，反应速度越快。（2 2）对）对S SN N2 2反应，反应，NuNu- -易与质子传递型溶剂形成氢键，使易与质子传递型溶剂形成氢键，使反应活性降低。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。2.3.2 2.3.2 芳环上氢的亲核取代反应芳环上氢的亲核取代反应 Nu:-优先进攻芳环上电子云密度最低的位置。优先进攻芳环上电子云密度最低的位置。 反应的难易和定位规律与芳香族化合物的亲反应的难易和定位规律与芳香族化合物的亲电取代反应相反。电取代反应相反。 自学自学2.3.3 2.3.3 芳环上已有取代基的亲核置换芳环上已有取代

6、基的亲核置换反应反应 芳环的电子云密度较高，芳环的电子云密度较高，很难被很难被Nu-进攻而直接引进攻而直接引入入-OH、-OR、-NH2等基等基团，只能通过亲核置换来团，只能通过亲核置换来完成。完成。 首先在芳环上引入首先在芳环上引入-Cl、 -SO3H、-N2+Cl-等吸电子等吸电子取代基，使苯环上电子云取代基，使苯环上电子云密度降低，有利于亲核置密度降低，有利于亲核置换反应的发生。换反应的发生。ClNaOROHRONH2Cl2+Fe2.3.3.1 2.3.3.1 反应历程反应历程 双分子历程双分子历程 单分子历程单分子历程ArN2+X-Ar+N2X-+慢慢Ar+ArOHH2OH+X+ Y-

7、YX-.Y+ X-慢慢2.3.3.2 2.3.3.2 芳环上已有取代基对反应的芳环上已有取代基对反应的影响影响 离去基团共轭位（邻、对位）有离去基团共轭位（邻、对位）有吸电子取吸电子取代基存在，对反应有利代基存在，对反应有利。Cl2NaOH+ONaNaClH2O+10% NaOH350-400,20-30MPaClNO22NaOH+ONaNO2NaClH2O+10% NaOH160,0.6MPaClNO2NO22NaOH+ONaNO2NO2NaClH2O+10% NaOH100,常压常压 离去基团共轭位有离去基团共轭位有供电子取代基，对反应不供电子取代基，对反应不利利。 芳环上同时有多个离去基

8、团（芳环上同时有多个离去基团（-Cl，-SO3H， -NO2，-CN，-N=N-等）同时存在时，等）同时存在时，ClCl优先优先 被置换被置换。 自由基是具有不成对电子的化学物种，它可自由基是具有不成对电子的化学物种，它可以是原子、基团或分子。大多数自由基很活泼，以是原子、基团或分子。大多数自由基很活泼，在反应过程中只能瞬时存在。产生自由基的方在反应过程中只能瞬时存在。产生自由基的方法有三种：热离解法和光离解法是使分子中共法有三种：热离解法和光离解法是使分子中共价键的一对电子发生均裂而产生自由基；电子价键的一对电子发生均裂而产生自由基；电子转移法是可变价金属离子得电子或失电子使中转移法是可变价

9、金属离子得电子或失电子使中性分子离解为自由基和正离子或负离子；电解性分子离解为自由基和正离子或负离子；电解法是中性分子在电极表面得电子或失电子而生法是中性分子在电极表面得电子或失电子而生成正离子基或负离子基。成正离子基或负离子基。 自由基反应大都是链反应，其反应历程包自由基反应大都是链反应，其反应历程包括三个阶段，即链引发、连增长和链终止。括三个阶段，即链引发、连增长和链终止。2.4 2.4 自由基反应自由基反应 加成反应分为三种类型：亲电加成、亲核加加成反应分为三种类型：亲电加成、亲核加成、自由基加成。成、自由基加成。2.5.1 亲电加成亲电加成 亲电加成一般发生在碳亲电加成一般发生在碳碳重

10、键上碳重键上，因为因为烯烃、快烃分子中的烯烃、快烃分子中的电子具有较大的活动电子具有较大的活动性，表现出亲核性，所以它们容易与多种亲电性，表现出亲核性，所以它们容易与多种亲电试剂发生亲电加成反应。常用的亲电试剂有：试剂发生亲电加成反应。常用的亲电试剂有：强酸强酸( (例如硫酸、氢卤酸例如硫酸、氢卤酸) )、LewisLewis酸酸( (例如例如FeCl3FeCl3、A1C13)A1C13)、卤素卤素、次卤酸、卤代烷等。次卤酸、卤代烷等。 双键连有供电基时使反应加快，有吸电基时双键连有供电基时使反应加快，有吸电基时使反应减慢。使反应减慢。2.5 2.5 加成反应加成反应 其反应历程分两步进行：首

11、先生成碳正其反应历程分两步进行：首先生成碳正离子中间产物，然后快速生成产物。离子中间产物，然后快速生成产物。2.5.2 亲核加成亲核加成 亲核加成是由亲核试剂进攻而引起的加成反应，亲核加成是由亲核试剂进攻而引起的加成反应，主要发生在碳氧双键上，在碱催化下总是带正电荷主要发生在碳氧双键上，在碱催化下总是带正电荷的碳原子与亲核试剂反应。的碳原子与亲核试剂反应。2.5.3 自由基加成自由基加成 自由基加成是反应试剂在光、高温或引发剂的自由基加成是反应试剂在光、高温或引发剂的作用下先生成游离基，然后与碳碳重键发生加成反作用下先生成游离基，然后与碳碳重键发生加成反应，它们都是链反应。例如卤素和卤化氢对碳

12、碳重应，它们都是链反应。例如卤素和卤化氢对碳碳重键的加成反应。键的加成反应。 2.6 2.6 精细有机合成中的溶剂作用精细有机合成中的溶剂作用 概述概述 溶剂的分类溶剂的分类 离子化作用和理解作用离子化作用和理解作用 溶剂的静电效应对反应速度的影响溶剂的静电效应对反应速度的影响 专一性溶剂化作用对亲核取代反应速度的影响专一性溶剂化作用对亲核取代反应速度的影响 有机反应中溶剂的使用和选择（自学）有机反应中溶剂的使用和选择（自学） 溶剂对有机反应的影响溶剂对有机反应的影响 溶液和溶解作用溶液和溶解作用（1 1）相同分子之间的引力与不同分子之间的引力的相互关系。）相同分子之间的引力与不同分子之间的引

13、力的相互关系。（2 2）由分子的极性所引起的缔合程度。）由分子的极性所引起的缔合程度。（3 3）溶剂化作用。）溶剂化作用。（4 4）溶剂和溶质的分子量。）溶剂和溶质的分子量。 溶剂和溶质之间的相互作用溶剂和溶质之间的相互作用2.6.1 2.6.1 概述概述库仑力库仑力( (静电引力静电引力) )：离子：离子- -离子力、离子离子力、离子- -偶极力偶极力范德华力范德华力( (内聚力内聚力) )：偶极：偶极- -偶极力、偶极偶极力、偶极- -诱导偶诱导偶 极力、瞬时偶极极力、瞬时偶极- -诱导偶极力诱导偶极力专一性力：包括氢键缔合专一性力：包括氢键缔合作用、电子对给体受体作用、溶剂作用、电子对给

14、体受体作用、溶剂 化作用、离子化作用合离解作用等。化作用、离子化作用合离解作用等。非专一性力非专一性力( (普遍）普遍）2.6.2 2.6.2 溶剂的分类溶剂的分类 按化学结构分类按化学结构分类无机溶剂无机溶剂：水、液氨、液体二氧化硫、氟化氢、浓：水、液氨、液体二氧化硫、氟化氢、浓 硫酸、熔融氢氧化钠和氢氧化钾、四氯硫酸、熔融氢氧化钠和氢氧化钾、四氯 化钛、三氯化磷合三氯氧磷等。化钛、三氯化磷合三氯氧磷等。有机溶剂有机溶剂：脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、：脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、 酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、 胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂

15、环化合物等。胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等。 按偶极矩和介电常数分类按偶极矩和介电常数分类（1 1）偶极矩（偶极矩（）：）： 指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中的一个电荷的电量（的一个电荷的电量（q q），与这两个电荷间距），与这两个电荷间距离（离（d d）的乘积，单位：德拜（）的乘积，单位：德拜（D D）。即：）。即：q qd dCl例：例：1.54D1.54D极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。 有机溶剂的偶极矩有机溶剂的偶极矩在在0 05.5D5.5D之间。之间。无极性溶剂无极性溶剂 分子中没有永久偶极的溶剂

16、，如环己烷、苯等。分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。2.5D2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。 偶极矩主要影响在溶质（分子或离子）偶极矩主要影响在溶质（分子或离子）周围溶剂分子的定向作用。周围溶剂分子的定向作用。（2 2）介电常数（介电常数（） 也叫电容率或相对电容率，是表示电介质也叫电容率或相对电容率，是表示电介质或绝缘材料或绝缘材料电性能的一个重要参数电性能的一个重要参数。 具有永久偶极或诱导偶极的溶剂分子被充具有永久偶极或诱导偶极的溶剂分子被充电的电容器板强制形成一个有序排列，即极化电的电容器板强制形成一个有序排列，即极化作用，作用，极化作用

17、越大，介电常数越大极化作用越大，介电常数越大。 介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的能力，或溶剂使它偶极定向的能力。能力，或溶剂使它偶极定向的能力。 极性溶剂：极性溶剂：15152020非极性溶剂：非极性溶剂：15152020 介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作用和离子体的离解作用。用和离子体的离解作用。 有机溶剂的介电常数有机溶剂的介电常数在在2 2190190之间，之间，越大，溶剂极性越强越大，溶剂极性越强。（3 3）溶剂极性的本质溶剂极性的本质溶剂化作用溶剂化作用 每一个被溶解的分子或离子被一层或几每一个被溶解的分

18、子或离子被一层或几层溶剂分子或松或紧地包围的现象，叫做层溶剂分子或松或紧地包围的现象，叫做溶溶剂化作用剂化作用，它包括溶剂与溶质之间所有专一，它包括溶剂与溶质之间所有专一性和非专一性相互作用的总和。性和非专一性相互作用的总和。（4 4）溶剂极性参数溶剂极性参数 实验极性参数实验极性参数E ET T(30)(30)值值 按按LewisLewis酸碱理论分类酸碱理论分类( (电子理论）电子理论）LewisLewis酸碱理论：酸是电子对受体（酸碱理论：酸是电子对受体（EPAEPA） 碱是电子对给体（碱是电子对给体（EPDEPD） A + :B A BA + :B A B 酸酸(EPA) (EPA)

19、碱碱(EPD) (EPD) 酸酸- -碱配合物碱配合物 亲电试剂亲电试剂 亲核试剂亲核试剂 EPA/EPDEPA/EPD配合物配合物 EPAEPA溶剂溶剂：具有缺电子或酸性部位，亲电试剂，：具有缺电子或酸性部位，亲电试剂， 择优使择优使EPDEPD或负离子溶剂化或负离子溶剂化。 如水、醇、酚、羧酸等。如水、醇、酚、羧酸等。EPDEPD溶剂溶剂：具有富电子或碱性部位，亲核试剂，：具有富电子或碱性部位，亲核试剂， 择优使择优使EPAEPA或正离子溶剂化或正离子溶剂化。 如：醇、醚、羰基化合物中的氧如：醇、醚、羰基化合物中的氧 氨类和氨类和N N杂环化合物中的氮原子杂环化合物中的氮原子质子给体溶剂质

20、子给体溶剂：主要是酸，如：主要是酸，如H2SO4、CH3COOH质子受体溶剂质子受体溶剂：主要是碱，如：主要是碱，如NH3、CH3CON(CH3)2两性溶剂两性溶剂：既可接受质子，又可提供质子，如：既可接受质子，又可提供质子，如H2O 按按Brownsted 酸碱理论分类酸碱理论分类(质子理论质子理论) 按专一性溶质、溶剂相互作用分类按专一性溶质、溶剂相互作用分类质子传递型溶剂质子传递型溶剂：含有能与电负性元素：含有能与电负性元素( (F、Cl、O、S、 N、P) )相结合的氢原子，相结合的氢原子，1515。 水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等非质子传递极性溶

21、剂非质子传递极性溶剂：高介电常数：高介电常数，高偶极矩。，高偶极矩。 丙酮、丙酮、DMF、硝基苯、乙腈、二甲、硝基苯、乙腈、二甲 基亚砜、环丁砜等基亚砜、环丁砜等非质子传递非极性溶剂非质子传递非极性溶剂：低介电常数，低偶极矩。：低介电常数，低偶极矩。 烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、 叔胺、二硫化碳叔胺、二硫化碳2.6.3 2.6.3 离子化作用和离解作用离子化作用和离解作用 离子原和离子体离子原和离子体 离子化过程和离解过程离子化过程和离解过程 离解性溶剂和离子化溶剂离解性溶剂和离子化溶剂2.6.3.1 2.6.3.1 离子原和离子体离子原和离子体 离子原离子原 指在

22、固态时具有指在固态时具有分子晶格分子晶格的的偶极型化合物偶极型化合物，在液体时仍以分子状态存在，与溶剂发生作用在液体时仍以分子状态存在，与溶剂发生作用时可形成离子。时可形成离子。 如氯化氢、烷基卤和金属有机化合物等。如氯化氢、烷基卤和金属有机化合物等。 离子体离子体 固态时具有固态时具有离子晶格结构离子晶格结构，在熔融状态或，在熔融状态或稀溶液中以离子形式存在的化合物，如金属卤稀溶液中以离子形式存在的化合物，如金属卤化物等化物等2.6.3.2 2.6.3.2 离子化过程和离解过程离子化过程和离解过程 离子化过程：离子化过程：离子原的共价键发生异裂产离子原的共价键发生异裂产生离子对的过程。生离子

23、对的过程。 离解过程：离解过程：离子对或缔合离子转变为独立离子对或缔合离子转变为独立离子的过程。离子的过程。A-BA-BA+B-A-BA+B-溶离 解缔 合A+溶 +溶 B-溶离子原溶剂化溶剂化离子化离子体溶剂化的离子对（缔合离子）溶剂化正离子溶剂化负离子溶剂化的独立离子A+与B-的作用力与溶剂的成反比溶剂必须对离子原的共价键进行进攻离子化方式：离子化方式：EPDEPD进攻：进攻：对离子原共价键的正端作亲电进攻，对离子原共价键的正端作亲电进攻， 使正离子溶剂化，自由的或裸的负离使正离子溶剂化，自由的或裸的负离 成为高活性的反应质点。成为高活性的反应质点。EPAEPA进攻：进攻：对离子原共价键的

24、负端作亲核进攻，对离子原共价键的负端作亲核进攻， 使负离子溶剂化，自由的或裸的正离使负离子溶剂化，自由的或裸的正离 成为高活性的反应质点。成为高活性的反应质点。EPD/EPAEPD/EPA双进攻：双进攻：两种溶剂或一种两性溶剂同时两种溶剂或一种两性溶剂同时 进攻共价键的正、负端，生成进攻共价键的正、负端，生成 溶剂化的正、负离子。溶剂化的正、负离子。2.6.3.3 2.6.3.3 离解性溶剂和离子化溶剂离解性溶剂和离子化溶剂 离子化溶剂离子化溶剂：具有强的具有强的EPDEPD性质或性质或EPAEPA性质。性质。 离解性溶剂：离解性溶剂：具有高的介电常数。具有高的介电常数。2.6.4 2.6.4

25、 溶剂的静电效应对反应速度的溶剂的静电效应对反应速度的影响影响(Houghes-Ingold(Houghes-Ingold规则规则) ) 对于从起始反应物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电荷电荷密度增加密度增加的反应，的反应，溶剂极性增加，使反应溶剂极性增加，使反应速度加快速度加快。异性电荷分离异性电荷分离电荷密度增加电荷密度增加S SN N1 1反应反应RX+R X-R+X-+ 对于从起始反应物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电电荷密度降低荷密度降低的反应，的反应，溶剂极性增加，使反溶剂极性增加，使反应速度减慢应速度减慢。电荷分散电荷分散电荷密度降低电荷密度降低YRX-RXY-+R X-Y+S SN N2 2反应反应例：例：溶剂溶剂CH3COCH3C2H5OHCH3OH(CH2OH)2H2O20.720.724.5524.5532.732.737.737.778.3978.39(D)(D)2.862.861.731.731.701.702.282.281.821.82k k（相对）（相对）13000130004444161617171 1I*-+ CH3IkI*-CH3I-ICH3I-+对于从起始反应物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度电荷密度变化很小或无变化变化很小或无变化的反应，的反应，溶剂极性的改变对溶剂极性的