有机合成反应机理：离子与自由基反应机理-英文课件

2023/3/10CollegeofMaterialScienceandEngineering2023/3/10考核方式：闭卷考试成绩评定：期末考试占70％、平时成绩占30％；期末考试：试题（试题满分100分）考题类型：1.选择题；2.填空题；3.简答题；4.机理题；5.合成题平时成绩：满分30分；

2023/3/10StructureandBonding;AcidsandBases

Contents:PrefaceAtomicstructureElectronConfigurationofAtomsCovalentBondsHybridization:sp3;sp2;spBondPolarityandElectronegativityAcidsandBasesChapter1.

2023/3/10In1828FriedrichWohlerIn1848GmelinOrganiccompounds:containingtheelementcarbonAmmoniumcyanateUrea2023/3/10ShellsandsubshellsShell:1,2,3Subshell:s,p,d,f1.1AtomicStructureAtomicnumber(Z,原子序数)=protonsMassnumber(A,质量数)=Protonsplus(+)neutrons2023/3/10Boundarysurfacesofa1sorbitalanda2sorbital.Theboundarysurfacesenclosethevolumewherethereisa90-95%probabilityoffindinganelectron.Boundarysurfacesofa2porbital2023/3/102023/3/101.3CovalentBonds

1.4Hybridization:sp3,sp2,sp

2023/3/10CH4(Methane):2023/3/10CH2CH2(Ethylene):2023/3/10spHybridization2023/3/10CHCH

(Acetylene):2023/3/101.5BondPolarityandElectronegativityBronsted-LowryDefinition

Acid:asubstancethatdonatesaproton(hydrogenion,H+)

Base:asubstancethatacceptsaproton

LewisDefinition1.6AcidsandBases:Electronegativity:theintrinsicabilityofanatomtoattractelectronsinacovalentbond.2023/3/10OrganicReactionMechanismNucleophilicsubstitution:SN1andSN2

Elimination:E1andE22023/3/10（一）NucleophilicsubstitutionNucleophile(亲核试剂)：带负电荷的试剂(OH-,RO-,CN-,HS-)或具有未共用电子对的试剂（H2O,ROH,NH3)Nucleophilicsubstitution(亲核取代反应)：由亲核试剂对显正电性的碳原子的进攻而引起的取代反应。2023/3/102023/3/102023/3/10Mechanismofnucleophilicsubstitution反应速率=k[CH3Br][OH-]反应速率=k[(CH3)3C-Br](1)双分子亲核取代反应SN2(2)单分子亲核取代反应SN12023/3/102、StereochemistryofSN2reaction(S)-2-溴丁烷(R)-2-丁醇瓦尔登转化2023/3/103、SN1reaction2023/3/105、SN1反应的立体化学(R)-3-甲基-3-己醇(S)-3-甲基-3-己醇外消旋体2023/3/106、影响亲核取代反应速率的因素（1）卤代烷结构的影响SN2：空间位阻的顺序：3o>2o>

1o>+CH3同为1o烷基，β-C上支链越多，空间位阻越大，反应越不易按SN2机理进行，易按SN1进行。2023/3/10SN1：正碳离子的稳定性顺序:3o>2o>

1o>+CH32023/3/10p-π共轭效应p-π共轭效应2023/3/10（2）LeavinggroupSN1：SN2:Reactivityasleavinggroup：RI>RBr>RCl>RF2023/3/10CN-的碱性极强，当碱性Nu-

<CN-

时,

故氰化物不被其他亲核试剂取代。即弱碱不能置换强碱。2023/3/10Problem用化学的方法区别下列化合物：2023/3/10（3）NucleophileSN1：不受影响；原因？？SN2:有影响！（4）Polarityofsolvent2023/3/10Eliminations2023/3/101、Mechanism（1）E2reaction2023/3/10（2）E1reaction2023/3/102023/3/102、消除反应的取向扎衣采夫(Zaitsev)规则：发生消去反应有两个β－H时，优势产物是与含氢较少的β－C上消除氢。双键C上的烷基越多，烯烃就越稳定，越稳定的烯烃越易生成。2023/3/103、消除反应中卤代烷烃的活性E1、E2卤代烷烃消除反应活性顺序相同叔卤代烷>仲卤代烷>伯卤代烷Question:tellwhatkindofreactionthisis:Solution：E2reaction

strongbaseKOHandsecondaryalkylhalide2023/3/10OrganicReactionMechanismElectrophilicAromaticSubstitutionReaction2023/3/10Electrophilicaromaticsubstitutionreaction2023/3/101、NitrationElectrophilicaromaticsubstitutionreaction2023/3/102023/3/10DifficultEasierthanbenzene！2、Chlorination2023/3/103、Sulfonation2023/3/102023/3/10Problemanddiscussion如何由甲苯制得邻氯甲苯而产品中不含有对氯甲苯？2023/3/104、Friedel-Crafts

reaction(1)Friedel-Crafts

Alkylation傅-克烷基化2023/3/102023/3/10H-的迁移2023/3/102023/3/10Acyl酰基：此反应主要用于制备芳香酮。苯乙酮(2)Friedel-Crafts

Acylation傅-克酰化2023/3/102023/3/10解释下列有关Friedel-Crafts烷基化反应的事实：（1）苯用RX在AlCl3存在下进行烷基化时需要过量的苯。（2）苯酚与苯氨的烷基化产率极差。（3）Ph-Ph不能用下面反应制得。（4）反应A产率极差，而反应B反应有很好的产率。Problemanddiscussion2023/3/10解：（1）因为R-为致活基团，一烷基化产物C6H5R比C6H6本身更活泼，故C6H5R将进一步反应生成C6H5R2和C6H5R3。为了避免多烷基化，使用过量的苯以增加R+和C6H6之间的碰撞机会和减少R+和C6H5R之间的碰撞机会。（2）-OH和-NH2均能跟催化剂反应而使其失去活性。（4）中间体R+，特别是10RH2C+能发生重排，重排反应如下：所以，B的反应产物高。Problemanddiscussion2023/3/10Alkylgroupswithabenzylichydrogenareoxidizedtocarboxylicgroups(-COOH)。（六）ReactionofsubstitutedbenzeneOxidation2023/3/10（七）Substituenteffectsofbenzenering58%38%4%80%19%1%2023/3/10Ortho-andpara-directors－－－邻对位定位基：Substituentsonanaromaticringcandirectsubstitutionttotheortho-andpara-positions.inductiveo/p-directingorresonanceo/p-directing。-R.-X.-OH.-OR.-NH2.-NHR.-OOCRMeta-directors－－－间位定位基：Substituentsonanaromaticringcandirectsubstitutiontothemeta-positions.

inductivem-directingorresonancem-directing-NO2.-CN.-SO3H.-CHO.-COOH（七）Orientingeffectsinaromaticrings2023/3/10Explanation1、Electroneffectsofsubstituentgroups2023/3/102、Stereo-effects2023/3/10Exercises：Answer：Preparethefollowingcompoundsfromtoluene:2023/3/10(3)Proposeasynthesisofthefollowingsubstancesfrombenzene:2023/3/10

(4)2023/3/10(5)2023/3/10

(6)2023/3/10写出下列化合物的苯环硝化活性由强到弱顺序：1、

苯、1,3,5-三甲基苯、甲苯、间二甲苯、对二甲苯2、苯、溴苯、硝基苯、甲苯3、2,4-二硝基氯苯、2,4-二硝基酚解：（a）1,3,5-三甲基苯、间二甲苯、对二甲苯、甲苯、苯（b）甲苯、苯、溴苯、硝基苯（c）2,4-二硝基酚、2,4-二硝基氯苯Problemanddiscussion2023/3/10Substituenteffectofdi-substitutedbenzenes①若原有的两个取代基相互一致而增强，引入第三个取代基的定位不成问题。②当一个为邻、对位定位基而另一个为间位基时，由邻、对位基控制定位。2023/3/10③当较强的活化基团与较弱的活化基团竞争时，由较强的活化基团控制定位。强度相同，得到差不多相等数量的异构体。④在两个相互处于间位的取代基之间，由于空间阻碍，很少会发生亲电取代反应。Substituenteffectofdi-substitutedbenzenes2023/3/10Exercises：D＞A＞B＞CRankthereactivityoffollowingcompoundstonitration.2023/3/10Exercises：Rankthereactivityoffollowingcompoundstonitration.D＞A＞C＞B2023/3/10Exercises：Predictthemainproductofthefollowingcompoundsinnitration2023/3/10Exercises：Predictthemainproductofthefollowingcompoundsinnitration2023/3/10解：(3)Exercises：Preparethefollowingcompoundsfromtoluene:2023/3/10（二）Non-benzenoidaromatics芳香性(aromaticity)：环稳定，易取代，难加成。Hückelrule：环多烯化合物中，具有共平面的离域体系，其π电子数等于4n+2（n=0，1，2，3…），此化合物具有芳香性。244668810102023/3/102023/3/102023/3/10Problemanddiscussion用化学方法区别下列化合物：(1)苯与甲苯(2)环戊二烯和环戊二烯负离子解：（1）分别取两物质于两个试管中，分别加入酸性高锰酸钾溶液，使高锰酸钾褪色的是甲苯，不褪色的是苯。（2）分别取两物质于两个试管中，分别加入金属钠，有气体产生的是环戊二烯，无气体产生的是环戊二烯负离子。2023/3/102molK与1mol1,3,5,7-环辛四烯反应(不放出H2)生成的一个稳定化合物，该化合物不溶于非极性溶剂，而易溶于极性溶剂，说明理由。解：两个K原子提供两个电子给1,3,5,7-环辛四烯，生成1,3,5,7-环辛四烯二负离子的钾盐。因为是盐，所以，不溶于非极性溶剂，而易溶于极性溶剂。该反应方程式为：1,3,5,7-环辛四烯二负离子是稳定的共轭体系，符合休克尔规则，具有芳香性，性质较稳定。Problemanddiscussion2023/3/10OrganicReactionMechanismNucleophilicAromaticSubstitutionReaction2023/3/10芳香族化合物的亲核取代反应历程有三种：1、被取代的原子团的邻、对位有吸引电子的原子团使其活化，形成中间体络合物历程（SNAr）

2、SN1历程：在反应过程中重氮盐的氮原子被亲核试剂取代

3、苯炔历程：反应在极强碱催化作用下经过苯炔中间体。2023/3/101、中间体络合物历程

2、SN1历程：证明：

a、反应速度和Y－的浓度无关

b、当加入等浓度的卤素盐类，则产物为芳香卤代物，但反应速度和加入盐的浓度无关；

c、环上取代基对反应速度的影响与单分子裂解时的反应速度相一致；

d、第一步为可逆裂解反应；2023/3/10重氮盐的制法、性质和用途重氮盐的制备芳香族重氮盐虽然比脂肪族重氮盐稳定，但温度稍高也很易分解，所以此反应必须在低温下进行。重氮盐的性质重氮盐可溶于水，不溶于乙醚，在水中可电离，ArN2+X-

——→ArN2++X-

化学性质活泼，遇光、热、铜、铅等离子或氧化剂，均可被分解并放出氮气，生成芳基正离子或自由基。2023/3/10这里值得注意的是：

1.

无机酸要大大过量。若酸量不足，生成的重氮盐可与未反应的苯胺作用生成复杂的化合物。

2.亚硝酸不能过量。因为亚硝酸过量会促使重氮盐本身的分解。其检查方法是：用KI-淀粉试纸。若证明亚硝酸已过量，可用尿素使其分解。重氮盐的制法、性质和用途2023/3/10重氮盐具有盐的典型性质，绝大多数重氮盐易溶于水而不溶于有机溶剂。芳香族重氮盐所以稳定，是因为其重氮盐正离子中的C－N－N键呈线型结构，π轨道与芳环的π轨道构成共轭体系的结果。按共振论的观点，重氮正离子是下列极限共振结构的共振杂化体：当苯环上连有强吸电子时，重氮正离子的稳定性将↑。2023/3/10重氮盐的应用1.被X－或CN－取代的反应（Sandmeyer）用此反应制备的卤烃无副产物，产物较纯。2023/3/10重氮盐的应用2.被－OH取代的反应为防止带入Cl－，故不用HCl盐，而用硫酸盐，并在硫酸介质中反应。该法主要用来制备没有异构体的酚和用磺化碱融等其它方法难以得到的酚。2023/3/10值得注意的是该法不宜使用重氮苯盐酸盐。因为：重氮盐的水解反应是分步进行的：2023/3/10分析：该目标分子的合成若用磺化碱融法的问题在于有对碱敏感的基团－X。而采用重氮盐法效果很好。再如：如：2023/3/10重氮盐的应用3.被H取代的反应（次磷酸、乙醇）重要用途：利用氨基定位后，去掉氨基。这两种方法中，以次磷酸还原为好；而以乙醇还原产率则不高，因往往有副产物Ar－OC2H5生成。2023/3/10

如：分析：根据定位效应，解决这一问题的最好办法是首先在环上引入一个强的邻、对位定位基，待完成引入溴原子的任务后，再被H原子取代。2023/3/10分析：(1)先引入一个基团，但无论是先引入－CH3(为邻、对位基)还是先引入－NO2都不行(不能进行酰基化)。(2)考虑苯环上有两个取代基，成功引入第三个取代基后再去掉一个基团。这里有两种情况：再如：2023/3/102023/3/10例：以苯为原料合成均三氯苯重氮盐的应用举例2023/3/10例：由苯合成连三溴苯2023/3/10OrganicReactionMechanismElectrophilicAdditionReactionofAlkenes2023/3/Electrophilicaddition1、Hydrogenhalideaddition(Hydrohalogenation)（1）MechanismActivities：HI

﹥HBr﹥HCl2023/3/10(2)RegioselectiveandreactionactivitiesMarkovnikov’srule(马氏规则)：IntheadditionofHXtoanalkene,theHattachestothecarbonwithfeweralkylsubstituents,andtheXattachestothecarbonwithmorealkylsubstituents.2023/3/10ExplanationsofMarkovnikov’srule1、Inductiveeffects：2023/3/102、Carbocationstabilities:碳正离子这样的稳定性次序是分子内原子间相互影响的结果。2023/3/10Relativeactivitiesofalkenes：2023/3/10（3）Rearrangementofcarbocationrearrangement2023/3/102、Conc.Sulfuricacidaddition硫酸氢异丙基酯（溶于硫酸中）问题：如何将己烷与1-己烯分离？解：加入浓硫酸，将油相与硫酸相分离。2023/3/103、Halogenadditionactivities：Cl2﹥Br22023/3/10Br2/NaClsolutionBr2/H2Osolution2023/3/104、Hypochlorousacidaddition2023/3/10次卤酸对不对称烯烃的加成，卤素原子加到含氢较多的碳原子上！2023/3/105、Hydroborationofalkenes定义：硼烷(BH3)中的硼原子和氢原子分别加到碳碳双键的两个碳原子上的反应。BH32023/3/10BH3的制备：硼氢化：硼原子加到含氢较多的碳原子上2023/3/10烷基硼氧化：例题：由1-己烯合成1-己醇2023/3/10OrganicReactionMechanismNucleophilicAdditionReactionofAldehydesandKetones2023/3/10（一）NucleophilicadditionNucleophile:Hydroxideion(OH-),hydrideion(H-),carbonanions(carbanions,R3C-),water,ammonia,andalcoholsetc..2023/3/10Activities:2023/3/101、HCN2023/3/10例题：比较下列化合物与HCN反应的活性顺序A.CH3CHOB.C6H5COCH3C.CH3COCH3D.C6H5COC6H5答案：活性顺序由强到弱A-C-B-D例题：完成由乙醛到乳酸的转化。2023/3/10Racemate2023/3/10与饱和亚硫酸氢钠反应适用于醛、脂肪族甲基酮和少于8个碳的环酮，可用于分离和提纯醛、酮。例题：如何将1-苯基-1-丙酮与丙酮分离。2、NaHSO32023/3/10例题：完成由乙醛到乳酸的转化。例题：下列化合物中，哪些能与亚硫酸氢钠反应，若能反应，哪一个最快？A、苯乙酮B、二苯酮C、环己酮D、丙醛E、乙醛2023/3/103、H2O2023/3/10HemiacetalAcetal4、Alcohols2023/3/10酮与醇反应较困难，但易与二元醇作用，生成缩酮(Ketal)。2023/3/10Acetalsorketalcanserveasprotectinggroupsforaldehydesandketones.Example1.2023/3/101.ShowthestructuresofthealcoholsandaldehydesorketonesyouwouldusetomakethefollowingcompoundsQuestion2023/3/102.Completethefollowingreaction2023/3/10亚胺（imine,Schiffbase)5、Amines:imineformation2023/3/10肼腙2,4-二硝基苯肼2,4-二硝基苯腙羟胺肟氨基脲缩胺脲2023/3/106、Organometalliccompounds2023/3/102023/3/10lithiumborohydride(LiAlH4);sodiumborohydride(NaBH4)7、WithahydrideionReductants:2023/3/10(S)-2-Butanol(R)-2-Butanol2023/3/102023/3/10Reactionsofα-H

酮式,Keto-99.9%

烯醇式,Enol0.1%

2023/3/10CondensationofAldehydesandKetones

___Aldolreaction(1)β-hydroxylaldehydecondensationβ-Hydroxyaldehyde(ketone)Conjugatedenone2023/3/10低温下得到β-羟基醛，加热可得到α、β-不饱和醛2023/3/10Startingfromacetaldehyde,prepare2-ethyl-1-hexanal.2023/3/10以羰基与苯基处于反式产物为主。2023/3/10带羰基的基团总是与另一大基团处于反式(2)β-hydroxylacetonecondensation2023/3/10（3）IntramolecularSeeingPage3662023/3/10ReductiontoalkanesClemmensenreduction：Wolff-Kishner-黄鸣龙还原法：Reductionviaacyclicthioketal：2023/3/10(3)Cannizzaro反应歧化反应（不含α-H的醛）两种醛反应时，甲醛具有较强的还原性，甲醛被氧化。Cannizzaro反应2023/3/10OrganicReactionMechanismNucleophilicAcylSubstitutionReactionsofCarboxylicAcidsandDerivatives2023/3/10NucleophilicAcylsubstitutionreactionsL的碱性越弱，越易离去。R-(H-)是强碱，不易离去。故醛酮不会发生亲核取代反应。2023/3/10反应生成四面体中间体的步骤是关键，酰基碳的正电性越大，立体障碍越小，越有利于加成；离去基团（:L－）的碱性越弱，离去能力越强，越有利于消除，总的来讲，羧酸衍生物的亲核取代反应的相对活性为：酰氯＞酸酐＞酯＞酰胺羧酸的亲核取代反应实际上是按这种加成——消去机理进行的。反应先对酰基进行亲核加成，然后再脱去一基团完成反应。2023/3/10起始：1mol1mol平衡：⅓mol⅓mol⅔mol平衡常数KMethodstoimprovingtheyield:a.raisetheconcentrationofRCOOH&R’OHb.removeH2OformedinesterificationExample:FormationofEsters(Excess)84％(b.p.:82oC)2023/3/1018181818182023/3/10空间位阻影响：无论是酸或醇-侧链越大、越多，立体障碍越大，速率越慢。

2023/3/10克服酯化的可逆性，可用酰卤与醇作用。Specialmechanism:3°ROH

产物有可能外消旋化Stepa:Formationof3°C+b:Formationofalkyloxoniumionc:Deprotonationtoformester2023/3/102023/3/10OrganicReactionMechanismFree-radicalReaction2023/3/101烷烃卤代反应（i）甲烷的氯代反应机理链引发链增长链终止H=7.5KJ/molEa=16.7KJ/mol

H=-112.9KJ/molEa=8.3KJ/mol2023/3/10

过渡态理论

过渡态的特点:（1）能量高。（2）极不稳定，不能分离得到。（3）旧键未完全断开，新键未完全形成。任何一个化学反应都要经过一个过渡态才能完成。=2023/3/102023/3/10X+CH3-H

CH3+H-XFClBrI439.3568.2431.8366.1298.3-128.9+7.5+73.2+141△H(KJ/mol)Ea(KJ/mol)

+4.2+16.7+75.3>+141

总反应热(KJ/moL)：F(-426.8)Cl(-104.6)Br(-30.96)I(53.97)1.氟代反应难以控制。2.碘代反应一般不用，碘自由基是不活泼的自由基。3.氯代和溴代反应常用，氯代比溴化反应快5万倍。（ii）甲烷卤代反应活性的比较2023/3/10（iii）烷烃氯代反应的选择性V:V=28/6:72/4=1:4

1oH2oH1oHV:V=63/9:37/1=1:5.3

3oH氯代V:V:V=1:4:5.31oH2oH3oH2023/3/10