有机化合物的反应基础课件.ppt

1、食品化学 第二章 有机化合物的结构及其反应 第三节 有机化合物的反应基础 2.3 2.3 有机化学反应机理基础 2.3.1 2.3.1 反应机理的概念及其基本研究内容 一、基本概念 有机化学反应机理：对有机化合物反应过程的详细描述；即用一系列化学方程、相关数据、曲线表示一个有机化学反应中化学键断裂、形成的位置、方式、不同的反应方式和方向及其与之相对应的能量变化等。 CH3CH2Cl+NaOHH2OCH3CH2OH+NaCl1.CH3CH2ClCH3CH2+ Cl-OH-CH3CH2OH2.CH3CH2Cl + OH-CHHCH3CH2HOCl-HOCH2CH3+Cl-举例：举例： 有机化学反应

2、机理研究属于有机化学的有机化学反应机理研究属于有机化学的一个重要分支，是有机化学从定性走向定量一个重要分支，是有机化学从定性走向定量的主要基础。的主要基础。 二、有机反应机理研究的可能性与必要性 可能性：有机化学反应的典型特点是反应速度比较慢，正是这一点为有机反应机理研究提供了可能性，使人们可以通过一定的手段，观察或计算有机物变化的方向和细节。 必要性： a.人们需要知道某一类型或某一环境的化学键断裂的方式和难易，这将为正确判断类似键的反应特点提供重要的参数； b.b.一种有机物经历化学反应时，往往存在多种反应方向，得到多种反应产物；而人们出于不同的需要只希望得到其中的一种或其中一种占有绝对的

3、比例。这是通过反应机理研究可以为人们控制反应方向提供重要的依据； c.通过反应机理研究，人们可以详细了解影响反应的各种因素，确定反应的最佳工艺条件。 d.反应机理研究为人们开发新的反应类型，得到新物质奠定了基础。 三、反应机理研究的主要内容三、反应机理研究的主要内容 1.研究反应按照何种方式进行？反应过程需要经历那些主要的步骤？会出现那种活性中间体或过渡状态？ 有机化学反应中通常出现的活性中间体包括：碳正离子、碳负离子、自由基、卡宾等。按照活性中间体类型的不同，一般将有机化学反应分作离子型反应、自由基型反应等。 如脂类物质氧化反应的开始阶段：如脂类物质氧化反应的开始阶段： R1R2+R1R2R

4、1R2R1R2R1R2光、热或金属（诱导期）O2（增殖期）H+R1R2R1R2R1R2R1R2OOHOOHOOHOOH 由上面的机理可以知道：脂类物质的氧化反应属于自由基类型的反应；反应主要发生在不饱和脂肪酸的CC双键部位，所出现的活性中间体为CC双键邻位C上带未成对电子的自由基；反应是一个多步骤的过程，需要空气氧参加。 2.研究反应过程及各步骤中的能量变化及动力学特征，并用反应进程曲线描述反应的整个过程。 如： CH4+ Cl2CH3Cl光Cl2光Cl2CH4链引发+ ClCH3+HClCH3+Cl2CH3Cl +Cl链延长链终止Cl + CH3CH3ClCl2Cl2CH32CH3CH3+2

5、42.6kJ/mol+8.4kJ/mol-111.8kJ/molCH3CH2Cl+NaOHH2OCH3CH2OH+NaCl1.CH3CH2ClCH3CH2+ Cl-OH-CH3CH2OH2.CH3CH2Cl+ OH-CHHCH3CH2HOCl-HOCH2CH3+Cl-EtEtCH3CH2Cl+OH-CH3CH2+CH3CH2OHCH3CH2Cl+OH-CHHCH3CH2HOCl-CH3CH2OH 3.研究反应过程中可能发生的多个反应方向，副产物的种类和相对含量； 如：甲烷氯化除了生成氯甲烷外，还可能有二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）、四氯化碳及乙烷等产物。 CH3Cl+ ClCH2Cl +HClCl

6、2CH4ClCl+ Cl 4.研究温度、溶剂、酸碱度、其他试剂等反应条件对反应方向、反应速度等方面的影响，实现对反应的控制。 如：Maillsrd反应是食品化学中的重点反应，其初始阶段的反应机理为： 由此机理可以知道：改变食品原料中还原性糖及氨基酸的含量，可以促进或抑制Maillard反应的发生；通过控制食品加工中的酸碱度或温度，也可改变 Maillard反应发生的程度等。 5.研究表征反应中间产物或活性中间体的方法，利用计算机技术模拟反应过程的物质及能量变化；等等。 四、有机化学反应机理的特点： 1.反应机理是在大量的实践及理论研究的基础上建立起来的，是有机化学中“最高层次”的研究； 2.一

7、个好的反应机理，不仅要能够完全解释已经得到的试验事实，而且要对未来可能发生的试验现象给出合理的预测； 3.限于检测手段及理论研究的不能完全满足机理研究的需要，目前大多数机理中的许多环节尚未完全得到充分的证明，所描述的机理有理论上的假设和人为的推测。但这种假设和推测不能违背第 2点。 4.反应机理对于应用化学诸学科的发展发挥着非常重要的作用。 2.3.2 2.3.2 基础有机化学中典型的反应类型及其机基础有机化学中典型的反应类型及其机理描述 一、反应类型总结 自由基型反应离子型反应自由基取代反应自由基加成反应自由基光卤代反应R-HX2R-XHX+NBS 反应NBSCH+ArCCArCBr溴化氢与

8、烯加成CH2CHCH3+HBrCH2CH2CH3Br烯烃聚合亲电反应亲电反应亲核反应亲核反应亲核加成亲核取代Nu-+CXCOHOCOXNO2XNu-+COHCO亲电取代亲电加成HXR+定位效应付 -克反应R+CCCC马氏规律N2+消去反应CXCHCCHOHCCHR3N+扎依采夫规律霍夫曼规律其它类型反应加氢还原反应氧化反应重排反应烯、炔、醛、酮催化加氢；NaBH4、LiAlH4还原、Zn(Hg)/浓HCl还原烷、烯、炔、芳烃、醇、醛、酮、胺、单糖等的氧化反应二、主要反应类型的机理描述二、主要反应类型的机理描述 （一）自由基反应（一）自由基反应 自由基反应中较重要的是自由基取代反应，有机化学中学

9、过的光卤代反应即属此类反应，其机理描述一般可为：机理描述一般可为： X2光X2链引发链延长链终止CH+XC+H XC+X2CX+XX2X2C+XCX 此类反应的特点是：此类反应的特点是： a.反应需要自由基引发剂。可以充当自由基的物质很多，例如空气氧、一些金属离子等；有机化学制备中常用一些含过氧键或过硫键的物质作自由基引发剂，如过氧化苯甲酸、过硫酸铵等。 b.此类反应常经历比较明显的三个过程。引发过程往往速度比较慢，俗称“潜伏期”，这个阶段是抑制此类反应进行的最佳时间；一旦反应进入链延长阶段就会生产大量的产物，是快速增殖阶段。往往是一些食品（特别是油性食品）质量变差的主要原因。 c.此类反应的

10、中间产物为自由基，产物种类与自由基种类和稳定性有很大关系。对于烃类化合物来说，其中不同类型的氢反应活性顺序为： 烯丙基氢或苄基氢叔氢仲氢伯氢 有机化学中自由基加成反应的典型例证是烯烃的自由基聚合反应，其机理可以简单表述为： ROOR2+RORO+C?RORORO 另外，NBS取代苄基氢及HBr在有空气氧存在时与烯烃的反马氏加成反应也属自由基类型的反应。 （二）亲核类型的反应 有机化学中的亲核反应属于离子反应类型，即带负电荷或部分负电荷的亲核基团（试剂或其它反应物）进攻底物中带正电荷或部分正电荷的原子（反应中心）而发生的反应。 亲核类型的反应主要包括 亲核取代反应和亲核加成反应。 、亲核取代反应

11、 有机化学中有许多物质都可以发生亲核取代类型的反应，最典型的就是卤代烃类化合物与一些碱性物质（如 MOH、MOR、NH3、RNH2、RNH等）的反应，另外，醇类、羧酸及羧酸衍生物，甚至一些芳烃化合物也能发生亲核取代反应。 亲核取代反应的机理主要有两种类型 A.单分子亲核取代机理（ SN1） 其机理可以表示为： CLNu-+RCR+L+CR+-CRNu 其中的L为底物中的离去基团，一般包括 X（卤代烃、酰卤、卤代苯的硝基衍生物）、 OH（醇）、OR（醚或羧酸酯）、 OCOR（酸酐）等； 这类反应的基本特点 是： a.第一步是反应的慢步骤，也就是速度控制步骤；第二步为快反应；这是因为第一步只有键的

12、断裂而没有键的形成，所以是一个纯粹消耗能量的步骤； b.在速度控制步骤中，只是反应底物参与反应，与其它因素特别是亲核试剂的种类和浓度无关，因此为单分子反应； c.当反应中心的C失去L后，其杂化状态由SP3改变为SP2，因此中间产物碳正离子为平面结构，这也就导致亲核基团从两面进攻的几率相等，产物为外消旋； d.Sd.SN N1 1反应的速度主要决定于底物的结构，当底物中存在可以使碳正离子结构稳定的因素是必然促进反应的发生，因此有： CLCLCLRRRCLRRHCLRHHB、双分子亲核取代机理（ SN2） LNu-+NuL-Nu SN2反应机理的主要特点为： a.生成过渡态的过程为速度决定步骤。在

13、这个步骤中需要底物和亲核试剂同时参加，因此为双分子反应，称为双分子亲核取代反应；中间出现寿命短、能量高的分子质点称为过渡态，未将反应分为二步，因此为一步反应； b.b.由于反应开始时，离去基团并未从中心 C C上脱下来，因此亲核基团只能从离去基团的背面进攻；这样，S SN N2 2反应的立体化学特点为构型转化。 c.c.在过渡状态中，中心 C C的杂化状态为SPSP2 2，除了通过三个SP2杂化轨道结合三个基团外，还通过P轨道的两瓣结合了离去基团和亲核基团；由于中心C C变成了五价的不正常状态，因此是一种非常不稳定的结合形式； SN1和SN2机理仅是亲核取代反应的两种极端情况，也就是说离去基团

14、完全离去和完全不离去这两种情况，在这两种之间还有一系列情况需要用其它方式去解释，但可以从这两种机理出发去进行比较清晰的理解。 、亲核加成反应 亲核加成反应是醛、酮类化合物典型的反应形式，其机理可以表示为： ONu-O-Nu+NuO-H+O-Nu+NuO- 可以与醛酮类化合物发生亲核加成反应的试剂已如前述。此机理的特点是： a.羰基C是反应的活性中心。凡是能增加羰基C正电荷的因素，均可使反应速度增加，凡是 降低羰基C正电荷的因素均可使反应速度降低。正电荷的因素均可使反应速度降低。酮类反应不如醛类就是这个道理； b.由于羰基的平面结构，亲核基团从两面进攻的几率相等，因此当羰基 C连接（除氧外）两个

15、不同基团时，形成的是外消旋产物；两个不同基团时，形成的是外消旋产物； c.机理中的第一步为速度决定步骤。在此步骤中，羰基C由SP2杂化态变为SP3杂化态。 d.醛酮类化合物亲核加成反应的快慢还与羰基C所连基团的体积大小有关，体积越大，速度越慢。 （三）亲电类型的反应（三）亲电类型的反应 亲电类型的反应也属于离子型反应，是带正电荷或部分正电荷的分子或基团（亲电试剂）进攻底物分子中带负电荷或电子云密度较高的原子（反应中心）而发生的反应。 亲电类型的反应包括 亲电加成反应和亲电取代反应。 、亲电加成反应 亲电加成反应是烯烃、炔烃类化合物发生的典型的化学反应，其机理可以表述为： CGABC+CCA+B

16、-CCAB 机理中G表示给电性基团（常见为 R基）。可以与烯烃类化合物发生亲电加成反应的试剂有X2（X+）、HX（H+）、H2O（ H+）及其它无机酸等。 亲电加成反应机理具有以下特点： a.亲电试剂必须具有可以解离或在反应中受底物影响可以解离的正离子或正性基团； b.对称烯烃烯键上的电子云密度均匀分布，而不对称烯烃双键上电子云的分布不均匀，两个双键C上的电子云密度有差别；亲电试剂中的正性基团首先进攻或接近电子云密度比较高的双键C原子； c.不对称的亲电试剂（即 A不等于B）与不对称烯烃发生亲电加成反应时，其加成方向遵守Markevnikev规则。马氏规则可有两种表述方式： *在烯烃类化合物的

17、亲电加成反应中，质子首先加在含氢较多的双键 C原子上； *在烯烃类化合物的亲电加成反应中，亲电基团首先加在电子云密度比较高的双键 C原子上； 第一种是经典的表述，其主要针对烯烃类化合物和可解离出质子的亲电试剂之间的反应，如： CH3CH2CHCH2+HBrH2O(H+)CH3CHCH2CH3BrOHCH3CHCH2CH3 但是，对于烯烃的其它衍生物，特别是烯键上带吸电基团的衍生物发生的亲电加成反应，马氏规则的经典表述就难以发挥作用。如： CH2CH CHO + HBrCH CHOCH3BrCH2CHOCH2Br 这并不是违反马氏规则，而是遵守了马氏规则的本质表述。 CH2CH CHO +H+C

18、H2CH CHOH+Br-CH2CH CHOHBr亲电取代反应 亲电取代反应是芳环（特别是苯环）所发生的典型的化学反应。其机理可以简单的表述为： H+ A+HA+AH+ 对于亲电取代反应，应该注意以下方面： a.反应的中间产物是芳环的芳香结构遭到破坏的环上带正电荷的离子，第一步是反应的速度控制步骤。而当芳环因失去质子而变回到芳香结构时，就得到了亲电取代产物； b.能够与芳环发生亲电取代反应的有卤素、卤代烃、酰氯、硝酸、硫酸等。这些试剂均是在催化剂或其它试剂的帮助下，产生亲电基团的： XX +FeX3FeX3X-XRXAlCl3+AlCl3XR+HONO2+ H+HOSO3HH2O + NO2+

19、 只有磺化反应中的硫酸步需要催化剂，但需只有磺化反应中的硫酸步需要催化剂，但需要加热：要加热： HOSO3H + H+H2O+ HO3S+ c. c.当芳环上原先有取代基时，会对新进入当芳环上原先有取代基时，会对新进入的取代基的取代位置产生影响，此即定位基的定位效应；定位基不仅影响新亲电基团的进入位置，也对反应的活性会产生影响。位置，也对反应的活性会产生影响。 常见基团根据其在苯环上的定位效应及对常见基团根据其在苯环上的定位效应及对反应活性的影响分作三类：反应活性的影响分作三类： 活化的邻对位定位基：如 R-R-、RO-、HO-、H2N-、RHN-、R2N-等；这些基团使得亲电基团进入自身的邻

20、对位，而且使所连苯环的反应活性提高；提高反应活性的原因是通过（诱导或共轭）给电，导致苯环的电子云密度提高，更有利于亲电基团的进攻。 钝化的间位定位基，如： -NO2、-SO3H H、- -COOH、-CO-CO-、-CHO、-CN等；这些基团使亲电基团进入自身的间位，且使其所连的苯环反应的活性降低；降低活性的原因是通过吸电的共轭效应使得苯环的电子云密度降低。 弱钝化的邻对位定位基，苯环上连有卤素时即发挥此种作用；卤素为邻对位定位基的原因是p- 共轭效应导致卤素邻对位 C上的电子云密度高于间位；而卤素钝化的原因是吸电的诱导效应使苯环的电子云密度降低。 X（四）消去反应（四）消去反应 有机化学中学

21、过的消去反应，实质上也是离子型反应；主要包括卤代烃的消去反应、醇的消去反应及季铵碱的消去反应。 消去反应从消去位置上分还有两种类型，即,-消去（也称-消去、异位消去、成烯消去等）和, -消去（-消去、同位消去、成卡宾消去等）： CCHXA+ HA=OH N+R3A-消去-消去CHA+ HACAX= -消去是一类特殊的消去反应，得到的直接产物是具有高活性的中间产物卡宾。如： CHClClClHO-CClCl+ HCl二氯卡宾 卡宾可与许多有机物发生反应，如可与醛酮反应形成烯烃。 -消去是常见也是基础有机化学中讨论比较多的典型的反应类型，其机理有两种类型。 a.E1机理 其机理可以表示为： CCH

22、ACCH- A-+-H+ E1机理的主要特点是： (1) 离去基团首先离去，得到碳正离子的中间体，然后-C上的H离去，形成消去产物烯烃； (2)E1消去方式和SN1取代方式有相似的地方，因此这两种反应通常共存且相互竞争；叔卤代烃、叔醇容易按照此种方式进行反应； (3) (3)通常情况下，当消去可以得到两种或两种以上产物时，其优势产物由扎依采夫规律决定，即倾向于由含氢较少的 -C-C上消去H H而得到含支链较多的烯烃。 b.E2机理 此机理可以表述为： C CHAB-C CHAB- -H+ B+A- E2 E2机理的主要特点是： (1)A不首先离去，而是在碱性试剂的帮助下，A A及质子的离去同时进行，形成的是过渡状态，而后解离形成烯烃； (2)E2机理与S SN N2 2机理比较相似，因此也是两个共存且相互竞争的反应，也就是说在其消去产物中总是混有取代产物。 (3)E2消去也遵守扎依采夫规律。 以上总结式的讨论了基础有机化学中主要的反应类型、反应机理及基本特征，这些机理对于理解食品化学中的许多反应将起到重要的帮助作用。 由于时间关系，有机中的其它一些反应机理未予讨论；还有，随着有机化学反应研究的不断深入，新类型的有机反应层出不穷，新类型反应也会在食品化学中有一定的反应，对于这类反应的机理，也需给予一定的关注。