有机反应历程

关于有机反应历程L：为离去基团，通常是卤素或烷氧基。L的邻、对位必有强的吸电子基，使中间体稳定性增加第2页,共54页，2024年2月25日，星期天第3页,共54页，2024年2月25日，星期天二、通过消除——加成历程（苯炔机理）

的取代反应1、历程：消除加成机理就是苯环先消除一分子的简单分子，形成高度不稳定的“去氢苯”或苯炔的活性中间体，然后再形成亲核加成而完成反应。历程为：第4页,共54页，2024年2月25日，星期天例如：氯苯在强碱作用下生成苯胺的反应历程：第一步：第二步：第5页,共54页，2024年2月25日，星期天2、反应活泼性

3、预测主要产物

反应物具有较强的电负性，则反应活性高。卤苯进行反应的活性为：

经苯炔历程的反应，试剂位置（主要产物的得出）被苯环上的取代基所决定，当取代基和离去基团处于邻、对位时，只生成一种苯炔：第6页,共54页，2024年2月25日，星期天当取代基和离去基团处于间位，有两种α—氢，可生成一种苯炔，哪一种为主，决定于α—氢的酸性（活性），酸性更强的被消除。生成的产物可在两个位置被Nu-进攻，哪个位置为主，决定于取代基的—I效应，碳负离子越靠近取代基，负电荷北分散的越多，其稳定性越大，相应产物就多。例如：二氯代苯与氨基钠或钾的作用：第7页,共54页，2024年2月25日，星期天第8页,共54页，2024年2月25日，星期天4、苯炔历程举例：第9页,共54页，2024年2月25日，星期天§3—2芳香环上的亲电取代反应一、历程：芳香环是富电子体系，易和亲电试剂作用，，反应历程也是分步进行的，第一步是亲电试剂——带正电荷的离子或带有偶极性的性质的中性的正端和芳香环形成π—络合物之后，试剂与环上的某个碳原子形成一个σ键，则得到σ—络合物。通常亲电取代反应的第一步为定速步骤，而第二步决定反应是否为可逆的。对于多数反应来说，H+的离去比E+离去容易得多，这些取代反应是不可逆的，但在某些条件下，两者离去难易程度差不多，甚至E+的离去更容易些，则这一反应就是可逆的。如璜化、烷基化反应。第10页,共54页，2024年2月25日，星期天二、取代基的定位效应和对反应物的活化作用

当苯环上有一个取代基，如C6H5—Z,在进行亲电取代反应，新引入的取代基在苯环上的位置由原取代基决定，这就是取代基的定位效应。１、第一类定位基：有些取代基引入芳环之后，使芳环上的电子云密度增加，反应速度比苯快（即活化苯环），我们称这样的取代基为第一类定位基。由于第一类定位基使新引入的基团在它的O—、P—位，所以亦叫邻、对位定位基，如—OH、—NH2、—CH3、—OCH3等等。

２、第二类定位基：有另一些取代基它们引入芳环后，使环上电子云密度降低，反应速度比苯慢（即钝化苯环），我们称这样的取代基为第二类定位基。由于第二类定位基使新引入的取代基在它的m—，所以亦叫间位定位基，如—COOH、—NO2等等。第11页,共54页，2024年2月25日，星期天３、卤素：当卤素原子引入芳环之后，使新导入的基团在它的O—、P—位，而反应速度又比苯慢，所以有的书上为了与第一类定位基加以区别，称它为第三类定位基。三、取代定位规律的理论解释：自从Holleman（霍洛曼）在1895年总结出定位规律之后，化学家们相继提出了一些理论，认为：但取代基引入苯环之后，电子云密度的分布和苯是不同的，不同的取代基对苯环上电子云密度的影响不同，有的使苯环上电子云密度增加，有的使苯环上的电子云密度降低，取代基对苯环上电子云密度的影响一般认为是取代基诱导效应和共轭效应的综合表现。

１、邻、对位定位基（—CH3、—OH、—OCH3等）苯环上取代基为给电子取代基，则新引入的基团进入邻、对位时，则给电子基团Z与带正电荷的碳原子直接相连，是正电荷越分散，即这种芳香正离子稳定性越大。第12页,共54页，2024年2月25日，星期天而给电子取代基使新引入的基团引入它的间位，在共振结构式中，就没有Z与带正电荷直接相连的正则结构，正电荷分散不如邻、对位来得大，所以中间体稳定性小。所以给电子取代基使新引入的基团进入邻、对位。例如C6H5—OCH3进行亲电取代反应，新引入基团主要导入邻、对位，这是由于—OCH3参与共轭，使形成的中间体更加稳定。第13页,共54页，2024年2月25日，星期天—OCH3基使生成的中间体（苯基正离子）更稳定，从(3)’、(4)’和(2)、(3)看得更清楚，正电荷较分散。—OCH3在间位，中间体没有和带有正电荷的碳直接相连的，正电荷分散较小，故稳定性小，所以给电子取代基使新引入基团进入它的邻、对位。第14页,共54页，2024年2月25日，星期天—OCH3为给电子取代基，而使苯基正离子电和分散而稳定，这是由于—OCH3的-IS和+CS效应（电子效应）作用的结果，而是-IS<+CS效应，总的效应是给电子效应。

(1)+CS效应>-IS效应的原子团：

这类原子团包括OR、OH、NR2、NH2等，这些原子团和苯核相连的原子上含有未共用的孤电子对和苯环电子共振，使电子转移苯环，本身带有正电荷，而苯环电子密度增加，特别是邻、对位更显著，但这些原子如N、O等都是电负性较大的元素，所以有—I效应，而诱导效应引起电子云密度移向电负性大的元素，使本身带有负电荷（故用—

I表示）。一般这些基团中是+CS效应大于-IS效应，总的结果是给电子效应，故使苯环电子云密度增加，尤其是邻、对位。第15页,共54页，2024年2月25日，星期天通过下面的电离常数也证明这些原子团+CS效应>-IS效应：可以看出由上到下酸的强度减小，酸强度减小是由于酸的共轭碱稳定性减小，稳定性变小是由于这些基团给电子效应使其共轭碱不稳定。第16页,共54页，2024年2月25日，星期天共轭碱为带负电荷的离子，负电荷越分散越稳定，但这些连结着取代基的羧酸，羧酸酸性变小了，共轭碱不稳定了，说明它们是给电子的取代基。（2）-Is效应>+Cs效应的原子团：这类原子团有F、Cl、Br、I，它们都有未共用的电子对，能和苯环共轭，电子云移向苯环，使自己带正电荷（故用+Cs表示），共轭的结果使邻、对位电子云密度升高，但这些卤素原子电负性大，因此-Is效应吸引电子（使自己带负电荷，故用-Is表示）使苯环电子向卤素移动，即两种效应相反，但卤素恰好是Is-效应大于+Cs效应，总结果是使苯环电子云密度下降。通过下面电离常数也证明了卤素中存在着-Is>+Cs的电子效应：第17页,共54页，2024年2月25日，星期天共轭碱越稳定，说明取代基连结环上之后，使共轭负电荷更加分散了，负电荷的分散只能归结于这些基团存在着-Is效应，所以卤素为-Is效应大于+Cs效应的原子团，是苯环上电子云密度降低（钝化苯环）。但是卤素仍为邻、对位定位基，因为卤素的孤电子对能使苯基正离子稳定。第18页,共54页，2024年2月25日，星期天（3）+Cs和+Is效应的原子团：这个典型例子为酚氧负离子C6H5—O-，苯酚离子的氧原子带有负电荷，它有给电子的+Is效应，同时其未共用电子对和苯环共轭，电子云向苯环转移（+Cs效应），总结果使苯环电子云密度增高，特别是邻、对位。（4）+Is原子团：烷基属于这类原子团，例如甲基、乙基、异丙基和叔丁基和苯环相连时，由于这些原子团的给电子的诱导效应+Is，使苯环的电子云密度增高，优为邻、对位，烷基给电子效应是—CH3>—CH2CH3>(CH3)2CH—>(CH3)3C—。第19页,共54页，2024年2月25日，星期天2、第二类定位基：

当Z为吸电子原子团（间位定位基）时，若取代反应发生在邻、对位时，通过共振效应可看出，正则结构中，取代基和带正电荷的碳直接相连，这种苯基正离子稳定性小。当Z为吸电子原子团时，若取代基发生在间位，Z和不带正电荷的碳直接相连，正电荷越远离吸电子基团越稳定，所以间位中间体稳定。所以吸电子取代基使引入新基团在它的间位。第20页,共54页，2024年2月25日，星期天例如：C6H5—CHO进行亲电取代反应，新引入基团主要进入间位，通过共振，可以看出间位中间体的正则结构中，吸电子的CHO不和带有正电荷的碳直接相连，中间体稳定。第21页,共54页，2024年2月25日，星期天（1）-Is效应的原子团：这类原子团有：

这些原子团和苯环相连的碳带有正电荷，这些原子团有强的吸电子能力，而使苯环上电子云密度向带正电荷的原子转移，降低了苯环电子云密度，使邻、对位更甚，因此表现为间位定位效应。（2）-Is与-Cs效应的原子团：

这类原子团有：这些原子团吸引电子即表现为强的-Is效应，同时这些原子团的电子和苯环的电子发生共轭，引起苯核电子密度移向取代基，两种效应均使苯环电子云密度下降，邻、对位更显著，因此表现为间位定位效应。四、常见的芳香亲电取代反应：1、卤化反应2、硝化反应3、璜化反应第22页,共54页，2024年2月25日，星期天4、烷基化和酰基化反应（付—克反应）烷基化和酰基化是付—克（Friedel—Crafts）反应的两种，反应的进攻试剂（亲电试剂）的中心原子是碳，反应产物是形成了新的碳—碳键，是有机合成增长碳链的好方法。（1）付—克烷基化试剂：常用的付—克烷基化试剂有卤代烷，链烯和醇，使用卤代烷为试剂时，反应活性顺序是RF>RCl>RBr>RI。

例如：用BCl3为催化剂时，FCH2CH2CH2Cl与苯反应产物是PhCH2CH2CH2Cl。

链烯也是很好的烷基化试剂，醇是比卤代烷更活泼的烷基化试剂（还有一些不太常用醚、硫醇、硫氰酸酯）。无论什么作为烷基化试剂都是将烷基引入芳环，形成碳—碳键，进攻试剂为C+离子。各类试剂的反应活性为烯丙基、苄基>叔>仲>伯

（由碳正离子稳定性决定）第23页,共54页，2024年2月25日，星期天路易斯酸催化活性为：AlBr3>AlCl3>

GaCl3>

FeCl3>

SbCl3>

ZrCl3>SnCl4>

BCl3>BF3

>SbCl3

（2）烷基化反应注意事项：（i）往往烷基化很难停留在一烷基化一步，由于烷基引入之后，烷基使苯环活化，引入一个之后，二、三个就非常易引入，因此产物一般是多烷基化的，要多于烷基化产物，通过烷基化反应的可逆性，可加过量的苯，使多烷基苯发生脱烷基化反应。（ii）产物的重排：（a）试剂的重排：所谓的试剂重排即进攻试剂为三碳以上的碳正离子，往往发生重排，由伯→仲→叔第24页,共54页，2024年2月25日，星期天若得不到重排产物，往往是升高温度，升高温度则产生热力学稳定的伯碳正离子，碳正离子热力学稳定性为伯>仲>叔。（b）烷基在环上重排：烷基在环上转化位置即是付—克烷基化的另一种重排，在低温往往生成动力学产物，即活化能低的产物，活化能低的产物不太稳定，高温则生成热力学产物（平衡控制产物）。第25页,共54页，2024年2月25日，星期天例如：对一二甲苯与AlCl3和HCl共热产物位间一二甲苯。这是由于烷基化的可逆性和低温为速控产物，高温为平衡控制产物。

（c）C6H5—OH，C6H5—NH2，C6H5—OR进行付—克烷基化反应，使催化剂路易斯酸失活：（d）强吸电子基如NO2在芳环上不能发生付—克反应第26页,共54页，2024年2月25日，星期天2、付—克酰基化：酰基化反应试剂主要是酰卤、羧酸、酸酐、烯酮，试剂中R可以是烷基，芳香基，不论R是直链或支链，R的重排从未发现，并且得到一酰基取代产物，因为RCO基是钝化基，这点和烷基化是不同的。酰基化一般只在苯环和有给电子基的苯环上发生，在给电子芳环引入酰基大都唯一给出对位产物。第27页,共54页，2024年2月25日，星期天

§3-6自由基反应

以上我们各节所讨论的各种类型的有机化学反应，都是以离子反应的方式发生的。即在反应过程中，新键生成及旧键断裂时，电子都是成对转移的。本节将要讨论另一类有机化学反应。在这类反应中，反应物或中间体是带有未成对电子的化学物种，新键的生成和旧键的断裂，都是通过单电子转移而完成的。

自由基化学是有机化学发展中一个比较新的领域，而且自由基反应历程的研究，已经在有机化学的理论中揭示了一种新的展望发展更为迅速。本节只对某些重要的自由基反应作一简述。

自由基反应可以按反应的方式大体分为以下三种：（一）两个自由基结合形成一个非自由基产物，称为自由基的化合；第28页,共54页，2024年2月25日，星期天（二）一个自由基与别的分子反应产生一个新的自由基，称为自由基的转移；（三）自由基本身的重排或断裂为新的自由基。

自由基主要可以起以下几种类型的反应：1、偶联和歧化：两个自由基相遇，在多数情况下是偶联生成安定分子：

R.+R.’→R—R.’

偶联反应中只生成新的共价键，活化能近似为零。歧化反应是一类特殊的自由基反应，它指的是一个自由基从另一个自由基的β—位上夺取氢原子，形成非自由基产物。

例如：

第29页,共54页，2024年2月25日，星期天像自由基偶联反应一样，歧化反应在能量上也是有利的，因为生成的是稳定的分子产物。

2、取代和加成反应：自由基取代和加成反应，都是自由基转移反应，通常为连锁反应。3、自由基的裂解和重排：有的自由基可以在β—位发生键的断裂，生成一个新的自由基和一个安定的分子（不饱和化合物）。例如：自由基重排反应比较少见，但对带有吸电子取代基的芳基，如果重排后有利于未成对电子的领域，则可能发生重排。第30页,共54页，2024年2月25日，星期天4、氧化还原反应：自由基与适当的氧化剂或还原剂作用或在电极上可以被氧化成正离子或还原成负离子，其中有些反应可以应用于有机合成。（例子见后）

一、自由基取代反应：自由基取代反应是一类重要的和常见自由基转移反应，主要是指烷氧基、烷基、苯基、过氧自由基以及卤原子的夺氢反应，其次是某些自由基夺取卤原子的反应。现以烷烃的卤代反应为例说明自由基取代反应的历程。第31页,共54页，2024年2月25日，星期天（一）烷烃的卤代历程：烷烃的卤代是卤原子夺氢的连锁反应。甲烷氯代的反应历程为：在反应(1)中产生引发式反应所需的自由基。除了光照引发外，还可以加热或用过氧化物、偶氮化合物等引发剂来引发。反应(2)和反应(3)是链增长步骤，在反应(1)中所产生的一个自由基，通过2和3的反复进行可以生成大量的卤代甲烷分子。

在反应(4)、(5)、(6)中，自由基偶联成安定分子，是链反应不能再继续下去，是链终止步骤。第32页,共54页，2024年2月25日，星期天（二）卤素对甲烷的相对反应活性：烷烃的卤代反应中，只有氯和溴具有适当的活泼性；氯代反应相当剧烈，难以控制；碘代反应难以发生，无实际意义。为什么卤素对甲烷的相对反应活性次序是F2>>Cl2>Br2>I2

现把卤代反应前三步(1)—(3)的反应热及活化能列举如下：第33页,共54页，2024年2月25日，星期天从以上数据可以清楚看到，步骤(1)的能量是指均裂产生卤素自由基所需要的能量(即键能），其中氟和碘的离解能较小，氯和溴的都较大，显然这一步不是决定相对反应活性的关键。反应(3)都是放热反应，氯、溴、碘的ΔH都非常接近，而且这一步骤与X—X键断裂有关，这与反应(1)有类似之处，所以这一步也不是定速步骤。如果反应(1)或(3)是定速步骤，其相对活性应该是：I2>F2>

Br2>

Cl2，这与实验事实不相符，所以关键步骤只是反应(2)，这一步骤的ΔH值差别很大，当氟的强烈放热反应到碘的强烈吸热反应，而这一步的Ea数值从氟到碘是逐渐增高的，这与反应相对活性的次序是相符的，另外从同位素效应的实验结果也完全可以证明反应(2)是定速步骤。由以上讨论可见，氯代反应和溴代反应比较适中，容易进行，两者的相对活性为Cl2>Br2。

由于碘原子和甲烷之间的夺氢反应的活化能很高(>33千卡/摩），反应难以传递下去，致链反应不能发生，同时碘原子易于重新结合成分子，这就阻止了碘代反应的发生，而氟代反应活化能很低，并放出大量的热，导致反应相当激烈，难以控制。第34页,共54页，2024年2月25日，星期天（三）烷烃各种氢对同一卤素的相对活性：和甲烷一样，乙烷以上的烷烃或芳基取代烷烃也都可以起氯代反应。例如：丙烷在25℃及光照条件下与氯反应生成两种一氯丙烷，即1-氯丙烷和2-氯丙烷。两种产物相对量的大小取决于反应过程中的定速步骤，即Cl.夺取丙烷中氢原子的反应：现以1°H的反应活性作标准为1，设2°

H的活性为X，则：2-氯丙烷产量1-氯丙烷产量=0.550.45=2X6×1因此，X≈3.7第35页,共54页，2024年2月25日，星期天为什么夺取2°H所需的活化能要比夺取1°H低呢？对于竞争反应来说，反应物是相同的，因此活化能的差异就可以直接用它们相应过渡态的稳定性大小来判断。过渡态越稳定，过渡态与反应物的内能差就越小，所需活化能也就越低，反应速度也就越快。而过渡态的稳定性是由它们的结构决定的，因此要判断竞争反应的相对活性就得从比较它们相应过渡态的结构着手。根据Hammond假定，夺氢反应过渡态的结构相当同能量近的产物。即活性中间体丙基自由基相近似，因此只需比较两个中间体和的稳定性，就可得知两个相应过渡态的相对稳定性。从电子效应看，由于异丙基自由基的未成键电子可与两个甲基上的两个C—H键超共轭，显然是异丙基自由基要比CH3CH2CH2.稳定，因此反应Ⅱ的过渡态比反应Ⅰ稳定，既然反应Ⅱ的过渡态稳定，那么生成异丙基自由基（反应Ⅱ）所需活化能比生成CH3CH2CH2.（即反应Ⅰ）为低就很容易理解了。第36页,共54页，2024年2月25日，星期天△H2△H1E1（Ⅰ）E2（Ⅱ）下面再将这两个反应进程的能量曲线图作一比较：第37页,共54页，2024年2月25日，星期天其它自由基的卤代方法还有若干种，可参照下表。试剂产生的基和反应产物产率50%74%58~64%

26%79%同上第38页,共54页，2024年2月25日，星期天在这些卤代试剂中，硫酰氯（或称二氯化砜）SO2Cl2、N—溴代丁二酰亚胺（NBS）是较常用的，特别是后者与烯丙基或苄基衍生物时，溴总是先取代α—H，而不与双键加成。在NBS中一般含微量的HBr（或Br），而微量的HBr可与NBS反应，易于提供实际的溴化剂溴分子。δ_δ+分子溴在光或某些引发剂（如过氧化苯甲酰）的作用下产生来使反应开始。机理为：反应产生的HBr又与NBS反应，为反应(3)不断提供浓度很低的Br2。在这种情况下，可逆的加成不能有效的与不可逆的夺氢反应进行竞争，对于烯丙基体系可表示如下：第39页,共54页，2024年2月25日，星期天由上式可见，低浓度的Br2不利加成反应，而HBr保持在低浓度则有利于夺氢反应。最后说明一点，NBS在有利于异裂反应的条件下，在某些反应中也可以提供“正溴”而进行离子型的取代反应。二、自由基加成反应：在自由基反应中，加成反应使最为重要的一类反应，研究的也最为广泛。这类反应除具有较大的理论意义外，还广泛应用于有机合成中。烯烃除了可以自身加成（聚合）外，还可以与很多物质进行自由基加成反应。如卤素（Cl2、Br2）、卤化氢（HBr）、多卤代烷（CCl4、BrCl4、BrCCl3、BrCHCl2、CHBr3、CHCl3、CHI3、CHF3等）烃、醇、醛、酮、羧酸、酯、硫醇等等。这里仅举两例说明自由基的加成反应历程。第40页,共54页，2024年2月25日，星期天（一）加溴化氢溴化氢在过氧化物影响下与不对称烯烃的反马氏规则的加成反应已经牢固地被认定是自由基历程。例如：HCl和HI都不能进行上述的自由基加成反应。氯化氢中氢氯键比氢溴键强得多，需较高的活化能才能使氯化氢均裂成自由基。这就阻碍了链引发，结果使反应不能进行。碘化氢是因为碘原子与双键加成要求较高的E活，使链增长难于进行。所以也不能进行自由基加成反应。第41页,共54页，2024年2月25日，星期天烯烃与HBr的自由基加成反应如果在低温下进行为反氏加成。例如：为了揭示反氏加成的立体选择性，提出这样的看法：加成通过一个“桥”自由基（环状溴鎓自由基）进行，很像溴对烯烃的离子型加成中涉及的环状溴鎓离子：第42页,共54页，2024年2月25日，星期天（二）自由基聚合反应：自由基聚合是研究得较多的自由基加成反应，它可以分为三个主要阶段。1、链引发：引发过程是使单体在各种引发手段的影响下成为带有未配对电子的单体自由基，引发手段有光引发、高能辐射引发、热引发和引发剂引发。用引发剂引发时，引发剂首先分解为自由基，自由基加成烯键上新的单体自由基。单体自由基生成的速度决定于引发剂分解的速度。第43页,共54页，2024年2月25日，星期天2、链增长：单体自由基一旦生成，立即与第二分子单体M相作用。单体M受激发打开π键。其中一个P电子与单体自由基RM.生成σ键，放出约15~20千卡/mol的能量。得到新的二聚体自由基RM.。由于链增长的活化能仅需5~8

Kcal/Mol，远小于聚合反应的热效应。因此，链增长过程甚为迅速，一秒钟内可达上千次。可以得到分子量几万到几十万的大分子自由基RMn.。由于自由基中间体稳定性受到电子效应和空间效应的影响一般的烯烃聚合物都是头—尾加成结构。例如：在过氧化本甲酰引发的苯乙烯自由基加聚反应中：第44页,共54页，2024年2月25日，星期天3、链终止：大分子自由基通过各种方式变成安定的普通大分子。大分子自由基可以通过下面的几种方式失去活性。（1）偶联：两个大分子自由基碰撞，生成两头都带引发剂碎片的普通大分子。大的自由基与初级自由基相碰，也可偶联生成普通分子。（2）歧化：两个大分子自由基之间发生氢原子转移。第45页,共54页，2024年2月25日，星期天（3）链转移：大分子自由基从溶剂或其他小分子中夺取一个氢原子。在进行聚合反应时，往往有意加入少量硫醇或二硫化物作为链转移剂，以控制聚合物的分子量。生成的RS.又可以引发新的反应链。三、自由基氧化还原反应：无论是自由基还是离子型的氧化还原反应，通常是指有机物分子中得氧、失氢或得氢、失氧的化学反应，其本质是电子的直接转移或电子的部分得失。自由基氧化还原反应大体可包括下列几个方面的反应：（1）电解氧化反应或还原反应：

例如：科尔贝(Kolbe)反应：第46页,共54页，2024年2月25日，星期天（2）自动氧化反应：有机物和空气中的氧在常温或稍高温度下，温和地进行而不发生燃烧、爆炸的反应叫自动氧化。

exp：2PhCHO+O2→2PhCOOH（3）金属离子的氧化还原反应：为数众多的金属离子，特别是那些过渡金属离子，能参与自由基氧化还原反应。它们在低价态时是强的还原剂；而在高价态时，则却具有强的氧化性。某些离子能够可逆地起两种功能。即可作氧化剂又可作还原剂，这类反应是多种多样的。包括分子被氧化成自由基，正、负离子被还原氧化成自由基，自由基被氧化、还原成正、负离子等。

例如：第47页,共54页，202