[工学]第二章有机反应的一般原理课件.ppt

1、键的断裂可分为均裂和异裂。1、均裂 本身的键能较弱（如OO），或是在裂解时能同时释放出一个键合很牢的分子（如N2），这样的键容易发生均裂。能否发生均裂与键能有关，键能越低，越容易发生均裂。2022-8-91A B均裂A B异裂精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理但无论是哪一种情况，都必须从外界接受一定的能量，方能发生键的均裂。最常见的方法是通过加热或光照提供能量。均裂所需的活化能应大于所断裂键的键能。例：已知Cl2分子的键能是238.2kJ/mol，产生均裂的 热解离能是242.8kJ/mol，光解离能是250.0kJ/mol：偶氮二异丁腈是一种常用的引发剂，遇热后即 分解放出分子氮

2、和生成游离基：2022-8-92Cl2 2Cl加热或光照精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理2、异裂当断键后所形成的带电荷质点相对稳定时，容易发生键的异裂。电负性相差大的原子间易发生异裂。例：叔丁基氯的水解要比氯甲烷容易得多，原因是 所生成的(CH3)3C+受到三个甲基的稳定化作用，因而叔丁基氯发生异裂的活化能低于氯甲烷：2022-8-93(CH3)2CN=NC(CH3)2 2(CH3)2C +N2|CN CN CN6070精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理烷基正离子稳定性顺序是：发生异裂由易到难的顺序是：当正离子相同时则阴离子离去基团的稳定性高低是判断异裂难易的重要依据

3、。2022-8-94(CH3)3CCl慢(CH3)3C+ClD(CH3)3C+H2O (CH3)3C+OH2 (CH3)3COH快H+叔C+仲C+伯C+CH3+叔CH 仲CH 伯CH CH3H精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理例：含叔丁基化合物发生异裂的难易顺序是：这一顺序恰好与酸的强度顺序是一致的。2022-8-95(CH3)3CCl (CH3)3COAc (CH3)3COH精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理键的形成有以下三种情况：1、两个游离基结合成键 可将其看作是均裂的逆反应。如：两个氯原子可重新结合生成氯分子：需指出的是并非所有游离基质点都非常活泼，有些游离基是

4、比较稳定的。如：由氯原子与氧分子所构成的质点是不活泼的，这也正是在进行甲苯侧链氯化时不宜采用含氧氯气作氯化剂的理由。2022-8-962Cl Cl2Cl +O2 C lO2精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理2、两个带相反电荷的质点结合成键 能否提供空轨道是成键的关键。可将其看作是异裂的逆反应。例：由于正负电荷相互吸引，这一成键反应很易进行。但是对于电价已经饱和的正离子，如季铵离子 则不能再与负离子结合生成共价键。3、一个离子与一个中性分子成键（中性分子的可 极化性要好）当中性分子的某一原子上包含着一对未共享2022-8-97(CH3)3C+Cl-(CH3)3CCl(CH3)4N+精

5、细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理电子时，它能与正离子成键；当中性分子中具有可接受电子对的空轨道时，它能与负离子成键。例：4、引入两个概念：(1)亲电试剂：能从其他化合物中接受一对电子而成 键的带有正离子或缺少电子的试剂。这种试剂的电子云密度较低，在反应中进攻其他分子的高电子云密度中心，具有亲电性能。主要有以下几类：2022-8-98(CH3)3C+H2O (CH3)3C+OH2Cl +AlCl3 AlCl4精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理A、阳离子；B、含有可极化和已经极化共价键的分子；如：Cl2、Br2、HF、HCl、SO3、RCOCl、CO2等。C、含有可接受共用

6、电子对的分子（未饱和价电子 层原子的分子）；如：AlCl3、FeCl3、BF3等。D、羰基的双键；E、氧化剂；F、酸类；G、卤代烷中的烷基。2022-8-99精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理(2)亲核试剂：能供给一对电子给其他化合物 并成键的带有负离子或未共享 电子对的试剂。这种试剂具有较高的电子云密度，与其他分子作用时，将进攻分子的低电子云密度中心，具有亲核性能。主要有以下几类：A、阴离子；如：OH、RO、ArO、NaSO3、NaS、CNB、极性分子中偶极的负端；2022-8-910精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理如：NH3、RNH2、RRNH、ArNH、NH2

7、OH C、烯烃双键和芳环；D、还原剂；E、碱类；F、有机金属化合物中的烷基。如：RMgX、RCCM例：醋酸根离子OAc便是亲核试剂。2022-8-911(CH3)3C+OAc-(CH3)3COAc精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理断键使分子能量升高；成键使分子能量降低。按照过渡态理论，在完成某一化学反应时，常常首先是一个或多个键发生部分断裂，与此同时，一个或多个键将部分形成。故断键所需要的能量可部分由成键时所释放的能量提供，因此总的活化能将低于直接发生断键所需的能量。断键与成键同步发生的反应可有以下两种情况：1、断裂一个单键，形成一个单键例：氰负离子与碘甲烷的反应：2022-8-9

8、12精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理当CN向CH3I靠近时，CI键减弱，与此同时，新的CC键部分形成，即构成过渡态结构，进一步作用后得到乙腈和碘离子。反应是通过CN向碳原子发生亲核攻击，在形成一个新键的同时，使另一个键发生异裂。2、一个双键转化成单键（或叁键转化为双键），与此同时，形成一个单键。例：烯烃与氯化氢的加成反应：2022-8-913CN +CH3I CN CH3 I CH3CN +I过渡态精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理2022-8-914CH2=CH2 +HCl CH2 CH2 H Cl +CH2CH3 +Cl CH3CH2Cl精细化工产品合成原理第二章

9、 有机反应的一般原理分子内重排：指在分子内产生的基团重排，常常是通过基团的迁移，使得该分子从热力学不稳定状态转化为热力学稳定状态。这种迁移有以下三种情况：1、基团带着一对电子迁移如：又：2022-8-915CH3CCH2CH3CH3|CH3CCH2|CH3|CH3(叔叔碳碳正正离离子子比比伯伯碳碳正正离离子子稳稳定定）(CH3)3CCHCH3|OH(CH3)2CCHCH3|CH33,3二甲基2丁醇H+,催化H2O精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理2、基团带着原来键中的一个电子转移例：3、基团迁移时不带原来的键合电子例：2022-8-916(CH3)2C=C(CH3)2(大量)CH3

10、CCH(CH3)2（少量）CH2C6H5CHO|CH3C6H5CHO|CH3（原原因因是是氧氧负负离离子子要要比比碳碳负负离离子子稳稳定定）精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理C6H5CCH2 C6H5CCH2|C6H5C6H5|C6H5C6H5 一个有强烈趋势释放出一个电子的质点（低电离电位）能够通过电子转移与一个具有强烈趋势接受电子的质点（高电子亲和力）发生反应。如：ROOH是电子接受者，而Fe2+则为电子供给者，二者可进行氧化还原反应：又：Fe3+遇苯酚：2022-8-917Fe2+ROOH Fe3+RO +OHFe3+PhOH Fe2+PhO +H+精细化工产品合成原理第二章

11、 有机反应的一般原理有机化合物的性质取决于自身的化学结构，也与其分子中的电子云分布有关。分子相互作用形成新的化合物时，将发生旧键的断裂和新键的生成，这过程不仅与电子云分布有关，还与分子间的适配性有关。2022-8-918精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理不同的原子在形成化学键时由于各自电负性的差异，键内的电子云以及相邻原子或基团的影响出现不均衡分布，一侧带有部分正电荷，一侧还有部分负电荷，这种共价键具有永久极性，在性质上介于离子键和纯共价键之间。各种原子或基团的电负性，从本质上讲，是一种给予或获得电子能力的度量，通常以CH键作为基准，其它原子或基团取代CH键中的氢原子后，必将引起原

12、化学键中的电子云分布发生变化。以取代基Z取代R3CH键中的H为例，如果2022-8-919精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理R3CZ中的R3C电子云密度比原来R3CH中R3C电子云密度大，则Z属于给电子原子（基团）；相反，当R3CZ中R3C电子云密度小于原来R3CH中R3C电子云密度，则Z表现出吸电子特性，属于吸电子原子（基团）。显然，原子或基团的给电子性或吸电子性是相对的。一般表示方法为：键内的箭头表示电子云偏移的方向。2022-8-920精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理（给电子基）（吸电子基）Z CR3 HCR3 Z CR3 静态诱导效应：受取代基电负性的影响，中

13、心碳原子上的电子云密度会发生变化，这种变化或影响是可以传递的，这是化合物分子内在固有的性质，被称为静态诱导效应 Is。例：乙酸的电离常数Ka=1.8105，氯乙酸的Ka=1.5 103。氯原子具有较强的电负性，它取代乙酸中的-H后，C-Cl键的电子云将向Cl原子偏移。由于这种电子云转移现象可沿单键传递，结果使羟基中的O-H键内的电子云偏向O的一2022-8-921精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理侧，从而使H更易作为质子氢而离去。多取代氯乙酸中的H的离解倾向更大，所以表现出更强的酸性。又：丙酸可看作是CH3取代了乙酸中的H。因CH3具有供电性，会引起电子云发生不利于H 离去的方向偏

14、移，从而使丙酸酸性减弱。诱导效应沿着单键传递，并随着与取代基距离的增加而减弱。一般经过三个原子后其影响已很微弱；经五个原子2022-8-922精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理Cl CCOH|H|HOCH3CH2COHO后其影响已不存在了。2022-8-923精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理动态诱导效应：分子在外电场作用下，或者在反应瞬间受到极性试剂的影响，其内部电子云分布发生瞬时变化的现象称动态诱导效应，也叫可极化性。发生动态诱导效应时，外电场的方向将决定键内电子云偏离方向。当Is与Id方向一致时，有助于化学反应的进行；当两者不一致时，Id起主导作用。2022-8-

15、924精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理（1）静态诱导效应的强弱 静态诱导效应的强弱取决于原子或基团的电负性。给电子基团具有提供电子的倾向，以Is表示；吸电子基团具有吸引电子的倾向，以Is表示。同族元素中，其电负性和Is随原子序数增大而减小，但Is随之增大：同一种原子上，富电荷增加Is；缺电荷增加2022-8-925精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理-Is:F Cl Br I+Is:Li Na K OR-Is:N R3 NR2-Is:F OH NH2 CH3 -Is:N NR NR2CCR CR=CR2甲基等烷基具有给电子特性，属Is效应基团。（2）动态诱导效应的强弱动

16、态诱导效应的强弱与施加影响的原子或基团的性质有关，也与受影响的键内电子云可极化性有关。同族或同周期的元素中，元素的电负性越大，即电子云的可极化性越小，Id也就越弱：2022-8-927精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理+Is:C(CH3)3 CH(CH3)2 CH2CH3 CH3 Id:I Br Cl FCR3 NR2 OR F原子的富电荷性将增加其可极化的倾向：电子云的可流动性越强，其可极化倾向也大。一般不饱和化合物的不饱和程度大，其Id也大：。2022-8-928精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理Id:O OR O RId:C6H5 CH=CH2 CH2CH3 诱导

17、效应：在有机分子中相互连接的不同原子间，由于原子各自的电负性不同而引起的连接键内电子云偏移的现象，以及原子或分子受外电场作用而引起的电子云转移的现象，称诱导效应，用 I 表示。根据其作用特点，诱导效应 I 又分为动态诱导效应 Id 和静态诱导效应 Is。2022-8-929精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理(1)共轭体系以-共轭和p-共轭较常见。-共轭：含有交替出现的单双键：p-共轭：含有孤电子对或全空p-轨道，通过单键与带有键的另一原子连接而成。(2)共轭效应：共轭体系形成后由于电子的流动性以及相邻轨道的相互交盖，从而2022-8-930精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般

18、原理CH2=CHCH=CH2(联苯)CH2=CHCl ,NH2 (多电子p-共轭)CH2 ,RCH=CHCH2 (缺电子p-共轭)使共轭体系内各键的电子云密度趋于平均化，相邻单双键之间的区别部分或全部消失，这种现象称为共轭效应，以C表示，也有用T表示的。(3)共轭效应的表示方法：共轭效应沿键传递，可用弧形箭头表示。从重键开始指向单键或原子；或起始于轨道的孤电子对，指向单键。2022-8-931精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CH2=CHCH=CHCH ;RCC l ;OOORCOR静态共轭效应Cs是共轭体系内在的、永久性的性质；动态共轭效应Cd是由外电场作用引起，仅在分子进行化学

19、反应时才表现出的一种暂时现象。2022-8-932精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理共轭效应动态共轭效应Cd静态共轭效应CS给电子动态共轭效应Cd吸电子动态共轭效应Cd 给电子静态共轭效应Cs吸电子静态共轭效应Cs例：1,3-丁二烯由于存在静态共轭效应，电子云分布平均化。当用溴化氢对其进行加成反应时，受到质子H的电场作用，丁二烯分子内部发生吸电子动态共轭效应，-电子云沿着键发生偏移，导致电子云分布不对称，在分子两端出现电性相反的部分电荷。2022-8-933精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CH2=CHCH=CH2 ,H共轭效应的强弱与组成共轭体系的原子性质、价键状况、

20、空间位阻等因素有关。静态共轭效应Cs和动态共轭效应Cd有相同的传递方式，它们强弱比较一致。(1)同族元素与碳原子形成p-共轭时，随原子序数增加，+C减小：同族元素与碳原子形成-共轭时，随原子序数增大，-C变大：2022-8-934精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理+C:CF CC l CBr CI -C:C=S C=O(2)同周期元素与碳原子形成p-共轭时，+C效应随原子序数增加而减小。同周期元素与碳原子形成-共轭时，原子序数大，-C效应也大。(3)缺电荷性取代基增强C效应；富电荷性取代基则加强+C效应。2022-8-935精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理+C:NR2

21、 OR F -C:C=O C=N C=C-C:C=NR2 C=NR2022-8-936精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理+C:O OR OR2 超共轭效应：单键与重键以及单键之间存在电子离域现象，即出现-和-p共轭，被称为超共轭效应。如：丙烯分子中，甲基上的C-H键可与不饱和体系发生共轭，使键和键间电子云离域形成-共轭体系，致使丙烯中甲基上的H原子比丙烷中的甲基H原子活泼得多，C2 C3键也较一般C-C键短。2022-8-937精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理HCCH=CH2H3CC CH2Cl|HHHCH3123 C-H键的电子云也可离域到相邻的空p-轨道或仅有单个

22、电子的p-轨道上，形成-p超共轭效应，使电荷分散，体系稳定性增加。如：超共轭效应多数是给电子性的。它可使分子内能降低，稳定性增加，但与普通的共轭效应比，其影响较弱。2022-8-938精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理HCCHCHCH3CH2CCH2|HHHHHH当共轭效应与诱导效应相冲突时共轭效应占优势，且动态较静态占优势。2022-8-939精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理电子效应可用来讨论分子中原子间相互影响以及原子间电子云分布的变化。2022-8-940精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理电子效应诱导效应共轭效应空间效应是由分子中各原子或基团空间适配

23、性，或反应分子间各原子或基团的空间适配性所引起的一种形体效应。其强弱取决于相关基团的大小和形状。最普通的空间效应是空间位阻。空间位阻：一般指体积庞大的取代基直接影响化合物反应活性部位的暴露，阻碍试剂对反应中心的有效进攻；也可指进攻试剂的体积影响其有效进入反应位置。例：对烷基苯()进行一硝化反2022-8-941精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理R +NO2应时，随着烷基基团的增大，硝基进入取代基邻位的空间位阻也增大，从而使邻位产物的生成量下降，对位产物上升。表2-1 烷基苯硝化反应的异构体分布2022-8-942精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理化 合 物 环上原有取代

24、基-R 异 构 体 分 布 邻 位对 位间 位甲 苯 Me :58.4537.154.40乙 苯Et :45.048.56.5异丙苯iso-Pr:30.062.37.7叔丁苯 iso-Bu:15.872.711.5CH3CH2CH3CH(CH3)2C(CH3)3同样，在向甲苯分子中引入甲基、乙基、异丙基和叔丁基时()，随着引入基团(进攻试剂)体积的增大，引入甲基邻位的空间位阻也增大，所以邻对位产物发生变化。表2-2 甲苯-烷基化时异构体的分布2022-8-943精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CH3 +X新 引 入 基 团异 构 体 分 布%邻 位对 位间 位Me :53.828

25、.817.3Et :45.025.030.0iso-Pr:37.532.729.8iso-Bu:00.093.007.0CH3CH2CH3CH(CH3)2C(CH3)3亲电加成反应大多发生在C=C上。烯烃和炔烃容易受亲电试剂的进攻发生亲电加成。如：2022-8-944精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理反应分两步进行：形成C+离子中间体；中间体与亲核试剂作用生成产物。R CH=C H2 +HCl RCHCH3 +Cl-RCHCH3慢快|Cl在碳-碳重键上连有供电子基时，将使重键上电子云密度增加，有利于亲电试剂进攻和碳正离子的生成及稳定性的提高，可提高反应速度。例：2022-8-945

26、精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CH3C=CHCH3 +HCl CH3CCH2CH3 +Cl CH3CCH2CH3|CH3|Cl|CH3CH3在碳-碳重键上连有吸电子基团时，重键上的电子云密度降低，不利于C+离子的生成和稳定，反应困难。如：含有取代基的烯烃进行亲电加成反应活性顺序为：2022-8-946精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理R2C=CR2 R2C=CHR R2C=CH2 RCH=CH2 CH2=CH2 CH2=CHClO2NCH=CH2 +HCl O2NCH2CH2 +Cl O2N CH2CH2Cl碳-碳重键受到亲电试剂进攻形成C+离子后，可发生加成反应也

27、可发生消除反应。所以C+离子空间位阻越大，越不利于加成，而利于消除。2022-8-947精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理(C6H5)3CC=CH2 (C6H5)3CCCH2Br|CH3|(C6H5)3CCCH2BrCH2|Br2H+(C6H5)3CC=CHBrCH3CH3亲核加成反应中以羰基化合物亲核加成最为重要。在羰基中，由于O的电负性比C大得多，在极化作用下，使O带负电荷，C带正电荷。而一般情况下，羰基中带负电荷的氧较带正电荷的碳稳定很多，故羰基中的碳可发生亲核加成。如：亲核试剂 的进攻是速度的控制步骤。2022-8-948精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理C=O

28、RC=O +CN RCO RCOH +OH|R慢快|CNH2O|R|R|CNCN影响此类反应的主要因素包括：亲核试剂的性质、羰基C的缺电子性及羰基邻位的空间位阻。进攻试剂亲核性越强，羰基C缺电性越高，羰基邻位基团越小，越有利于亲核加成反应。不同羰基化合物反应活性顺序为：2022-8-949精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CCl CH CCH3 CR COR CNR2 COHOOOOOOO反应试剂可在引发剂、光照或高温作用下产生游离基，然后对重键进行加成。如：在光照或引发剂的存在下，HBr与烯烃的加成属于游离基加成，其定位主要受到双键极化方向、位阻效应和烯烃游离基的稳定性等因素影响

29、，一般进行反马加成：2022-8-950精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CH3CH=CH2 +HBr CH3CH2CH2Br光照或引发剂-消除：在同一碳上消除两个原子(基团)的反应称-消除反应，也叫1,1-消除反应。如：氯仿在碱催化下，发生-消除，生成二氯碳烯(又称二氯卡宾)。2022-8-951精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CHCl3 +OH CCl3 +H2OCCl3 CCl2慢Cl-消除大多数是从两个相邻碳原子上脱去两个基团或原子，形成不饱和化合物的过程。两个相邻的原子一般为碳原子，但其中一个也可为氧、硫、氮原子。-消除反应历程可分为双分子历程(E2)和单分

30、子历程(E1)：2022-8-952精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CC C=C|XYX,Y-消除1、双分子反应历程(E2)双分子消除反应一般在强碱性试剂作用下进行。例：溴乙烷与乙醇钠反应：该反应为二级反应。2022-8-953精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理C2H5O +HCCH HC=CH +C2H5OH +Br-|HBrHHHHCC|C2H5OHBr|v=k CH3CH2ONaCH3CH2Br反应速度试剂碱性越强，离去基团携带电子离去能力越大，越有利于消除反应进行。卤代烷中作为离去基团的卤素离去能力大小顺序：不同结构烷基发生消除反应由易到难顺序：叔烷基 仲烷基

31、伯烷基2、单分子消除反应历程（E1）单分子消除反应分两步进行：离去基团携带一个电子离去，形成碳正离子；2022-8-954精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理I Br Cl F 消除质子形成烯烃。形成碳正离子的过程是速度控制步骤。该反应为一级反应：v=k RX2022-8-955精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CCX CC （速速度度控控制制步步骤骤）C=C +HB|HHHH慢X快+B|碳正离子稳定性高，有利于反应进行。在消除反应产物中存在多种异构产物，一般以共轭程度高、体系能量低、稳定性高的产物为主。如：2022-8-956精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原

32、理CH3CCl CH3C=CHCH3 +CH2=CCH2CH3|CH3CH2CH3|CH3|CH3|消除75%25%CH3CH=CHCH2CHCH2CH3|Br二甲基吡啶HBrCH3CH=CHCH=CHCH2CH3无论是E1还是E2，均存在与亲核取代反应的竞争。这便与溶剂的极性、反应物性质、试剂的性质以及反应条件等因素有关。2022-8-957精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理在发生亲核取代时，亲核试剂中的一对电子与底物构成新键，底物中的离去基团则带着一对电子脱落：Nu：亲核试剂Le：离去基团亲核试剂可以是中性分子或带负电荷；底物可以是中性分子或带正电荷。故有以下四种类型的电荷形式

33、：2022-8-958精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理Nu +CLe Nu C Le NuC +Le-|过过渡渡态态底物为中性分子时：底物带正电荷时：例：采用以下亲核试剂与卤烷反应，得到产物如下：2022-8-959精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理类类型型1 1：RI +OH-ROH +I-类类型型2 2：RI +NMe3 RN+Me3 +I-类类型型3 3：RN+Me3 +OH-ROH +NMe3类类型型4 4：RNMe3 +H2S RSH2 +NMe3以溴烷的水解为例，其反应历程可表示为：2022-8-960精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理亲核试剂

34、产物 亲核试剂产物 醇 炔烃 醚 腈 硫醚 NH3胺 酯 R3N季铵盐 R3R+NX OH-R O-R S-R CO2-R OHR ORR SRR OCORRC C-CN-RC CRRC NR NH2HO-+CBr HO C Br HOC +Br-亲核试剂从底物离去基团背面180的位置发生亲核进攻，C-OH键的形成与C-Br键的断裂同时发生，断键所需能量可以从生成的新键获得补充。形成过渡态时，中心C原子由原来的sp3杂化轨道转化为sp2轨道，并具有趋近垂直的p轨道。p轨道的一侧与亲核试剂重叠，另一侧与离去基团重叠。在形成过渡态时，三个未参加反应的基团及中心碳原子几乎共平面，在引入新键后所生成的

35、取代产物的构型将发生变化，称作旋光转化作用(Waldeninversion)。动力学研究证明，反应速度与亲核试剂浓度、2022-8-961精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理底物浓度各自一次方成正比，即：v=k Nu R Le k ：速度常数；Nu ：亲核试剂；RLe：底物。SN2历程基本特征：键的形成与断裂同步进行；形成过渡态时中心碳原子由sp3杂化变为sp2杂化；产物构型将发生旋光转化(构型逆转)；反应为二级反应。2022-8-962精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理特征：反应速度仅与底物浓度有关：反应分两步进行：底物发生断裂形成活泼的碳正离子(速度控制步骤)；碳正离

36、子与亲核试剂之间形成新键(快速过程)；2022-8-963精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理v=k R Le(一级级反反应应)RLe R+Le-慢R+Nu RNu发生在含不饱和键(C=O、C=S和C=N)化合物三角碳上的亲核取代反应，如酯的水解、羧酸的酯化等。这些化合物发生取代反应时，一般需经过先加成再消除两阶段。从动力学看是二级反应，但与SN2历程有所不同。例：羰基化合物(R-CO-X)；当受到亲核试剂Y攻击时，得到的中间产物同时连接Y基团和X基团：步骤1：2022-8-964精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理然后才是X基团离去。而对于饱和碳原子则不能生成此种中间产物

37、。羰基化合物之所以可能是因为中心碳原子可将一对电子转移到氧原子上，这也是四面体历程与SN2历程的主要区别所在。步骤2：2022-8-965精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理RCX +Y RCX|O|O|Y2022-8-966精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理|O|YRCXRC +X|Y|O(1)底物结构不同底物结构对反应有明显影响，其变化规律又与反应历程相关联。按SN2历程，当底物的或碳上存在支链时，使反应速率下降。其原因是空间位阻增大，导致减少攻击基团靠近中心碳原子的几率。对卤烷发生SN2反应的相对活泼性顺序(以溴 烷为例)如下：2022-8-967精细化工产品合成原

38、理第二章 有机反应的一般原理CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBr150 1 0.01 0.001即：伯卤烷 仲卤烷 叔卤烷按SN1历程进行的反应，则当底物-碳上存在支链时使反应变易，解释是随着支链增多，使异裂所产生的碳正离子稳定性提高。反应相对活泼性(反应速度)顺序：叔卤烷 仲卤烷 伯卤烷。在底物分子中，当中心碳原子上有给电子基团时，有利于SN1反应；有吸电子基时有利于SN2反应。(2)攻击试剂 任何含未共享电子对的化合物，无论是中性2022-8-968精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理分子还是带负电荷分子，均可作为亲核试剂。对SN1反应，改变亲核

39、试剂的亲核能力对反应速率影响不大，原因是它不属速率控制阶段。例：叔丁基溴的水解是SN1历程，采用OH或水作亲核试剂，二者反应速率相近。然而对SN2反应则不同，以溴甲烷水解为例，以OH或水作亲核试剂，前者的反应速率是后者的5000倍。对SN2反应来说，判断亲核试剂亲核能力的大小遵循以下四条基本规则：2022-8-969精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理带负电荷的亲核试剂的能力大于中性分子：例：在周期表同一周期中其亲核能力大小顺序为：周期表同一族中位于下方的元素，其亲核性增大（给电子能力增强）而碱性则降低。如：卤素按2022-8-970精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理OH

40、-H2O NH2-NH3;NH2 RO-OH-R2NH ArO-NH3 吡吡啶啶 F-H2O ClO4-NR3C-R2N-RO-F-亲核性顺序是：亲核质点自由度越大，则反应速率越快。正、负离子之间由于缔合作用形成离子对，缔合越牢，则负离子活泼性越小。例：加入冠醚可以锁住K+，从而使负离子活泼性显著增大。2022-8-971精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理I-Br-Cl-F-(此顺序与采用的溶剂有关)OOOOOOKMnO4注意：采用以上四条规则判断亲核能力大小并非总是有效的。原因之一是空间位阻的影响。如：虽然叔丁氧负离子（）的碱性大于 或 ，但却属于较弱的亲核试剂，原因是由于自身体

41、积大，妨碍向底物分子靠拢。各种亲核试剂的亲核能力大小顺序：（3）离去基团 处在饱和C原子上的基团，其离去难易与阴离子离去基团的稳定性有关，越稳定，越易离去。2022-8-972精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理Me3CO-OH-OEt-C2H5O OH PhO CH3CH2 H2O如：叔丁基化合物发生异裂的难易顺序：即强酸弱碱是最好的离去基团。在卤离子中，I最易离去，F最难离去。磺酸酯是比卤离子更好的离去基团。一般情况下，离去基团的离去能力大小顺序：处在 碳上的离去基团活泼性顺序：2022-8-973精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理Me3CCl Me3COAc Me3

42、COH RSO3 I Br Cl RCOO OH NH2(磺磺酸酸酯酯基基)CO以上顺序大体上是离去基团负离子的稳定性降低顺序。如果离去基团的体积较大，则会由于空间位阻影响，使反应速度减缓。2022-8-974精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理RCCl RCOCOR RCOAr RCOR RCNH2 RCNR2 RCO-OOOOOOO当连接在碳原子上的一个基团被另一基团取代时，有三种途径：同步取代、先消除再加成、先加成再消除。参加同步取代反应的试剂可以是亲核或亲电的，当进攻试剂和离去基团均属路易斯碱时，属于亲核取代反应。大多数此种同步取代反应为SN2反应。先消除再加成反应途径则是指

43、当碳原子与一个容易带着一对键合电子脱落的基团相连接时所发生的单分子溶剂分解反应。属SN1反应。先加成再消除反应常是不饱和化合物发生取代2022-8-975精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理反应的途径。属四面体历程。当底物结构、亲核试剂、离去基团以及反应条件发生改变时，往往会导致反应历程改变。尽管如此，它有一个共同点：均系攻击试剂通过所携带的一对电子发生作用。2022-8-976精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理主要有SE1、SE2(前面)、SE2(背面)和SEi（1）SE2和SEiSE2：SE2与SN2历程有些相似，即在形成新键的同 时，离去基团脱落。主要区别是SN2的

44、攻击基团携带一对电子，由于受到电子云相互排斥作用，只能从背面攻击。而SE2中亲电试剂指向底物的是空轨道，不存在电荷相斥问题，因而攻击方向不定。从前面攻击称作SE2(前面)，从背面攻击称SE2(背面)。2022-8-977精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理SEi：还存在一种情况，即亲电试剂部分协助离去 基团脱落，成键与断键同步发生，称SEi历程。2022-8-978精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理C CYYXXSE2(前面)CX YCYX|SE2(背面)按SE2(前面)或 SEi历程进行时产物的构型保持不变。(2)SE1历程与SN1历程相似，也由两步组成：第一步：第二步

45、：2022-8-979精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CXYZCYXZSEiRX R +X慢(控制制步步骤骤)R +Y RY快（1）底物对SE1反应，引入供电基使速率降低；引入吸电基使速率加快。对SE2（背面）反应，烷基的活性顺序与SN2相似，即对SE2（前面）历程，反应活泼性顺序：2022-8-980精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理新戊基Me Et Pr iso-Pr （空间位阻增大，使速率降低）Me Et Pr Bu iso-Bu iso-Pr新戊基（2）离去基团 CX键的极性越强，则基团越易脱落。2022-8-981精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原

46、理（1）醛、酮的卤化羰基位的氢较活泼，可在酸或碱催化下进行卤化。（2）在脂肪碳上酰化2022-8-982精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理CHCR +Br2 CCR|BrOH+或OHOC=C +RCCl C=CHOOCR（3）胺的重氮化（4）胺与CO反应：2022-8-983精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理RNH2 +HONO RN NRNH2 +CO RNHCH 或CatORNHCNHR 或 RN=C=OO亲电试剂进攻芳环时先形成络合物，然后进一步作用形成络合物，络合物脱去质子恢复为原芳环结构，从而完成亲电取代反应过程：2022-8-984精细化工产品合成原理第二章

47、 有机反应的一般原理形成络合物是反应速度的控制步骤。式中E代表亲电子质点。亲电子质点向芳环进行亲电攻击生成络合物。由于破坏了芳环本身的高度稳定性，这种络合物是不稳定的，它存在两种可能性，一是通过可逆反应快速脱落E，使其仍恢复为原来的芳烃结构，即k-1k2；二是快速脱落H使其转变为产物，即k2k1，k-1。2022-8-985精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理 由于氢的三种同位素H（氕）、D（氘）、T（氚）的质量数不同，由这三种同位素所构成的碳氢键的断键速度表现出差异，其中质量大的断键较慢。根据实验数据，CH键的断键速度约比CD键快7倍，即kH/kD=7；约比CT键的断键速度快20倍

48、，即kH/kT=20。这种反应速度的差异，称为动力学同位素效应，被用来研究反应历程。方法是向有机分子的相应位置上引入氢同位素，把它与不含氢同位素的同一化合物进行同一化学反应，二者进行比较。如果kH/kD或kH/kT接近1，则认2022-8-986精细化工产品合成原理第九章卤化为没有动力学同位素效应。以苯的硝化为例：当采用混酸为硝化剂分别与苯、氘代苯、氚代苯进行硝化时，测得的三者的反应速度几乎相等，即没有氢同位素效应。对于这一实验事实的理论解释只能是k2k1、k-1，即生成络合物是反应速度的控制阶段，而脱质子是快速阶段。又：实验测得1萘酚4磺酸2与苯胺重氮盐2022-8-987精细化工产品合成原

49、理第九章卤化 的偶合反应速度，其kH/kD1.0；而2萘酚8磺酸1与苯胺重氮盐的偶合反应速度，其kH/kD6.2。原因是前者也与苯的硝化一样，形成络合物是慢的阶段；后者则完全不同，这时k2 SCN Br Cl F 而在极性非质子传递溶剂中的顺序则是：F Cl Br SCN I 原因是在质子溶剂中产生强烈的溶剂化效应，使负离子的反应能力明显下降。其真实反应能力被溶剂化作用所掩盖，只有在极性非质子传递溶剂中精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理2022-8-9134才反映出负离子的真实亲核能力。精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理2022-8-9135按照过渡态理论，在发生键的异

50、裂时将首先形成活化络合物，溶剂的存在常常对活化络合物的形成产生一定影响。休斯-英格尔德总结出以下三条溶剂对反应速度影响的规则：(1)当活化络合物的电荷密度大于起始原料时，溶剂的极性增加有利于络合物的形成，使反应速度加快；(2)当活化络合物的电荷密度小于起始原料时，溶剂的极性增加不利于络合物的形成，使反应速度减慢；精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理2022-8-9136(3)当活化络合物与起始原料的电荷密度相差不大时，改变溶剂极性对反应速度的影响不大。精细化工产品合成原理第二章 有机反应的一般原理2022-8-9137溶剂的极性对SN1反应速率的影响，与底物呈中性还是带正电荷有关。对