有機(jī)反應(yīng)機(jī)理第1章-2

1、有機(jī)反應(yīng)機(jī)理1.3 重要極性反應(yīng)及機(jī)理回顧1.3.1 影響極性反應(yīng)的主要因素1.3.2 飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理1.3.1 影響極性反應(yīng)的主要因素極性反應(yīng)實際上是親核試劑與親電試劑的反應(yīng)極性反應(yīng)實際上是親核試劑與親電試劑的反應(yīng)大多數(shù)極性反應(yīng)需在酸性或堿性條件下進(jìn)行大多數(shù)極性反應(yīng)需在酸性或堿性條件下進(jìn)行因此，反應(yīng)物或試劑的親核親電性和反應(yīng)體系的因此，反應(yīng)物或試劑的親核親電性和反應(yīng)體系的酸堿性對反應(yīng)有決定性的影響酸堿性對反應(yīng)有決定性的影響有機(jī)反應(yīng)機(jī)理(1) 親核試劑親核試劑(nucleophile)親核試劑具有能量較高的電子對，能用于形成新鍵親核原子可以是電中性的，也可帶負(fù)電荷親核試

2、劑有三種類型：lone-pair nucleophiles, -bond nucleophiles, and -bond nucleophiles有機(jī)反應(yīng)機(jī)理含未共用電子對的親核試劑(Lone-pair nucleophiles)R3NLone-pair nucleophiles contain atoms with lone pairsThe lone pair is used to make a new bond to an electrophilic atomR3CR3C含未共用電子對的親核試劑有哪些？有機(jī)反應(yīng)機(jī)理Alcohols (ROH)alkoxides (RO)amines (R

3、3N)metal amides (R2N)halides (X)thiols (RSH)sulfides (R2S)and phosphines (R3P) are all examples of lone-pair nucleophiles有機(jī)反應(yīng)機(jī)理親核反應(yīng)示例R3NH3CIR3NCH3I+Curved arrows are used to show the flow of electron density from the nucleophile to the electrophile有機(jī)反應(yīng)機(jī)理AlHHHHMeMeO+MeMeOH鍵親核試劑(Sigma-bond nucleophile

4、s)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理鍵親核試劑包含一個非金屬原子與金屬原子之間的化學(xué)鍵 NuM親核原子可能為雜原子 (as in NaNH2 or KOH), 碳原子 (as in Grignard reagents (RMgBr), organolithium reagents (RLi), and Gilman reagents (R2CuLi), 或氫原子 (as in the complex metal hydrides NaBH4 and LiAlH4)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理強(qiáng)極性的金屬-非金屬鍵NuM常被認(rèn)為是離子鍵 NuM); 因此， PhCCLi, H3CMgBr, 和 LiAlH4 有時也寫成 PhCC,

5、 H3C, 和 H. 按這樣的寫法-鍵親核試劑也是含未共用電子對的親核試劑有機(jī)反應(yīng)機(jī)理鍵親核試劑(Pi-bond nucleophiles)鍵親核試劑利用 鍵的電子對與親電試劑的親電原子形成鍵，例如HHOHH3CMeMeOHHHMeMeOHHOH3C有機(jī)反應(yīng)機(jī)理親核烯烴與親電試劑反應(yīng)時，總是電子云密度高的雙鍵碳與親電試劑形成新鍵直接與含未共用電子對的雜原子相連的烯烴(enolates, enamines, enols, enol ethers) -碳親核性強(qiáng), -碳 (attached to heteroatom) 親核性弱H3CHOHBrBrH3CBrOHHH3CHOHBrnot為什么-碳親

6、核性強(qiáng)?有機(jī)反應(yīng)機(jī)理對于純烷基取代的烯烴，取代較少的碳親核性強(qiáng)，優(yōu)先與親電試劑結(jié)合。CH3HCH3HHCH3HHHnot有機(jī)反應(yīng)機(jī)理親核試劑的親核性與堿性親核試劑的親核性是根據(jù)其在25的水溶液中與 CH3Br反應(yīng)的速率來測定的試劑的堿性是其與H+ 反應(yīng)的能力（用平衡常數(shù)的負(fù)對數(shù)表示), 因此，試劑的親核性與堿性有聯(lián)系，也有區(qū)別許多親核反應(yīng)在堿性條件下進(jìn)行，了解親核性與許多親核反應(yīng)在堿性條件下進(jìn)行，了解親核性與堿性的關(guān)系很重要堿性的關(guān)系很重要有機(jī)反應(yīng)機(jī)理親核性 (the rate of reaction with CH3Br) 是動力學(xué)性質(zhì)由于這些區(qū)別，有些強(qiáng)堿可能是弱親核試劑而酸堿性 (the

7、 equilibrium constant between protonated and unprotonated species) 是熱力學(xué)性質(zhì)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理Nucleophilicity increases as you go down the periodic table, whereas basicity decreasesNucleophilicity：Et2S Et2O 較重原子具有較強(qiáng)的親核性是因為原子半徑較大，導(dǎo)致電負(fù)性較低，空間可接近性較好，同時被溶劑化的程度小。親核原子在周期表中的位置與親核性的關(guān)系親核原子在周期表中的位置與親核性的關(guān)系Nucleophilicity：I Cl

8、有機(jī)反應(yīng)機(jī)理親核原子周圍立體位阻增加，親核性顯著降低，堿性則略有增加例如， EtO 是強(qiáng)堿(pKb 17) 和強(qiáng)親核試劑, 而t-BuO 的親核性則非常小，但堿性卻更強(qiáng) (pKb 19)立體位阻對親核性的影響立體位阻對親核性的影響有機(jī)反應(yīng)機(jī)理電荷離域使堿性顯著降低，對親核性影響則較小電荷離域（共振）對親核性的影響電荷離域（共振）對親核性的影響例如， EtO (pKb = 17) 在較低溫度下與s-BuBr反應(yīng)生成消除產(chǎn)物2-丁烯 ；而AcO (pKb = 4.7)在較高的溫度下與s-BuBr發(fā)生SN2反應(yīng)生成s-BuOAc有機(jī)反應(yīng)機(jī)理BrHH3CHCH3HEtOHH3CHCH3BrHH3CHC

9、H3HAcOCH3HAcOHCH3H有機(jī)反應(yīng)機(jī)理極性非質(zhì)子溶劑增加試劑的親核性MeSMeOMe2NMeOMe2NHOMe2NPNMe2ONMe2DMSOHMPADMFDMANMeONNOMeMeNMPDMPU有機(jī)反應(yīng)機(jī)理極性非質(zhì)子溶劑增加試劑的親核性的解釋以DMSO對NaF的親核性影響為例OSH3CCH3OSH3CCH3OSH3CCH3OSH3CCH3OSH3CH3COSCH3CH3NaF有機(jī)反應(yīng)機(jī)理非親核堿的重要性在親核反應(yīng)中作為堿催化劑使用，本身不與親電在親核反應(yīng)中作為堿催化劑使用，本身不與親電試劑反應(yīng)試劑反應(yīng)t-BuOKLiN(i-Pr)2LDALiN(SiMe3)2LiHMDSKN(S

10、iMe3)2KHMDSNaHKHEtN(i-Pr)2Hunig baseNNNNDBU, or 1,8-diazabicyclo5.4.0undec-1(7)-ene有機(jī)反應(yīng)機(jī)理介質(zhì)酸度對試劑親核性的影響強(qiáng)堿性親核試劑(RO, RCC, RS, R2N)只能在堿性條件下存在弱堿性親核試劑 (halides, R2S, R3P, RCO2 , RSO3) 在酸性或堿性條件下均可存在有機(jī)反應(yīng)機(jī)理水和醇可在堿性也可在酸性條件下存在，堿性條件下與親電試劑反應(yīng)前先脫質(zhì)子，酸性條件下則不可能先脫質(zhì)子ROH+ BRO+ BHROH+ HRO H2因此醇在強(qiáng)酸條件下可能失去親核性有機(jī)反應(yīng)機(jī)理酸性條件下胺 (R

11、3N)以銨鹽形式存在，無未共用電子，不能作親核試劑起反應(yīng)RNH2+ HRNH3有機(jī)反應(yīng)機(jī)理大多數(shù)-鍵親核試劑(PhMgBr, CH3Li, LiAlH4, NaBH4)有相當(dāng)強(qiáng)的堿性，在酸甚至水存在的條件下容易分解，只能在堿性條件下使用RMgBr+ H XRH+ XMgBr只有少數(shù)-鍵親核試劑可用在酸性條件下，包括Lewis酸型親核試劑 AlMe3, ZnEt2, i-Bu2AlH, 以及非Lewis酸型親核試劑NaBH(OAc)3 ， NaBH3CN有機(jī)反應(yīng)機(jī)理大多數(shù)-鍵親核試劑 (enols, enol ethers, enamines, as well as simple alkyl-s

12、ubstituted alkenes and arenes) 可在酸性條件，也可在堿性條件下存在，但烯醇鹽（enolates）只能在堿性條件下存在-鍵親核試劑 中，烯醇鹽和烯胺（enolates and enamines）具有較強(qiáng)的親核性烯醇鹽和烯胺的共振結(jié)構(gòu)？有機(jī)反應(yīng)機(jī)理(2) 親電試劑（親電試劑（electrophile）親電試劑具有能量較低的空軌道，能用于形成新鍵親電試劑可以是電中性的，也可帶正電荷親電試劑也有三種類型： Lewis acid electrophiles, -bond electrophiles, and -bond electrophiles有機(jī)反應(yīng)機(jī)理Lewis 酸親

13、電試劑（Lewis acid electrophiles）Lewis 酸親電試劑的親電原子（E)不具備八電子結(jié)構(gòu)，有一個低能量的非鍵軌道，通常為p軌道Lewis 酸親電試劑與親核試劑反應(yīng)時，利用親核試劑的未共用電子對形成新鍵，使原子E達(dá)到八電子結(jié)構(gòu)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理H3COH3CFBFFH3COBFFH3CF周期表中，硼是最不安分的元素硼氫化-氧化機(jī)理有機(jī)反應(yīng)機(jī)理R1CHCH2B2H6R3BHOOH2O2/NaOHBRRROOHRBRORHOORB(OR)2HOOB(OR)3H2O3 ROH + B(OH)3有機(jī)反應(yīng)機(jī)理MeMeMeHHHHMeMeMe反應(yīng)類型？反應(yīng)類型？正碳離子作為親電試劑，也可看

14、成是Lewis酸有機(jī)反應(yīng)機(jī)理鍵親電試劑（-bond electrophiles）鍵親電試劑的親電原子E具備八電子結(jié)構(gòu)，但通過鍵與一可接受一對電子的原子或基團(tuán)連接當(dāng)親核試劑進(jìn)攻鍵親電試劑時， 鍵斷裂，電子轉(zhuǎn)移至相鄰原子上有機(jī)反應(yīng)機(jī)理鍵親電試劑通常具有CO, CN, 或CN鍵，其中電負(fù)性小的原子為親電原子CHHHH3CH3COH3CH3COH3C有機(jī)反應(yīng)機(jī)理與吸電基相連的CC和CC鍵也是親電試劑HOCH3HHEtOHOCH3HHEtOHOCH3HHEtO有機(jī)反應(yīng)機(jī)理鍵親電試劑（Sigma-bond electrophiles）鍵親電試劑可表示成EX.親電原子 E具備八電子結(jié)構(gòu)，通過 鍵與離去基團(tuán)X

15、（leaving group or nucleofuge)相連Nucleofuge, 離核試劑有機(jī)反應(yīng)機(jī)理親核試劑提供一對電子與親電原子E成鍵HOBrHHHHOHHHBrX帶著電子離去有機(jī)反應(yīng)機(jī)理鍵親電試劑可進(jìn)一步分成三類：and Bronsted acids, in which E is Hthose where E is a heteroatomthose where E is C有機(jī)反應(yīng)機(jī)理HOHHHBrBrHOHHHBrBrOOArOHR3NOArOR3NOH有機(jī)反應(yīng)機(jī)理(3) 離去基團(tuán)離去基團(tuán)的離去傾向與pKb 密切相關(guān)離去基團(tuán)的堿性越小，越容易離去親核取代反應(yīng)中，只有當(dāng)離去基團(tuán)具有

16、較高的離去傾向時反應(yīng)才能按SN2機(jī)理進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)機(jī)理Approximate order of leaving group abilityThe pKb of a base is defined as the pKa of its conjugate acid有機(jī)反應(yīng)機(jī)理不過單獨pKb 值不一定能完全反映離去基團(tuán)的離去傾向親電試劑的結(jié)構(gòu)，金屬離子的存在以及反應(yīng)介質(zhì)都會對離去基團(tuán)的離去傾向起重要作用有機(jī)反應(yīng)機(jī)理例如， 盡管NR2 的pKb 為35， CCR的pKb為25， 酰胺(RCONR2)可以被水解，炔基酮(RCOCCR)卻不能被水解RORH2OROHOHR+RNR2OH2OROHO+ NHR

17、2為什么？有機(jī)反應(yīng)機(jī)理這是因為酰胺水解時，N原子可能先被質(zhì)子化，反應(yīng)中真正的離去基團(tuán)不是NR2 ，而是HNR2 (pKb = 10).RNR2ORNHR2OH3OH2OROHO+ NHR2有機(jī)反應(yīng)機(jī)理例如，盡管烷氧基不是一個好的離去基團(tuán)(EtO的pKb為17)，環(huán)氧乙烷衍生物與親核試劑Nu生成NuCH2CHRO的反應(yīng)很容易進(jìn)行張力的緩解也可以增加基團(tuán)的離去傾向ORNuORNu有機(jī)反應(yīng)機(jī)理(4) 介質(zhì)酸堿性對反應(yīng)機(jī)理的影響離子型反應(yīng)通常在酸性或堿性條件下進(jìn)行，介質(zhì)酸堿性不同，反應(yīng)機(jī)理差別很大有機(jī)反應(yīng)機(jī)理如果反應(yīng)在酸性條件下進(jìn)行，體系中就不可能存在強(qiáng)堿！體系中存在的任何負(fù)離子都應(yīng)當(dāng)是弱堿(e.g.

18、, Cl).如果反應(yīng)在堿性條件下進(jìn)行，體系中就不可能存在強(qiáng)酸！體系中存在的任何正離子都應(yīng)當(dāng)是弱酸有機(jī)反應(yīng)機(jī)理例如，轉(zhuǎn)酯反應(yīng)（ transesterification）可在堿性條件也可在酸性條件下進(jìn)行H3COCH3ONaOEt, EtOH orEtOH, cat. H2SO4H3COEtO有機(jī)反應(yīng)機(jī)理堿性條件下，體系中只能存在弱酸，機(jī)理中不可能出現(xiàn)R2OH 之類的強(qiáng)酸性中間體H3COCH3OH3COEtOOEtH3COCH3OOEt有機(jī)反應(yīng)機(jī)理酸性條件下，體系中只能存在弱堿，機(jī)理中不可能出現(xiàn)RO 之類的強(qiáng)堿性中間體H3COCH3OHH3COCH3OHOEtHH3COCH3OHOEtHHH3COC

19、H3OHOEtHH3COCH3OHOEtHCH3OHH3COEtOHHH3COEtO有機(jī)反應(yīng)機(jī)理任何條件下，乙醇直接進(jìn)攻羰基碳都是不合理的因為這樣的直接進(jìn)攻將同時產(chǎn)生強(qiáng)堿性的RO和強(qiáng)酸的R2OH ，二者是不可能同時存在的H3COCH3OOEtHH3COCH3OOEtH就像NaOH 和H2SO4 不能同時存在一樣有機(jī)反應(yīng)機(jī)理離子型反應(yīng)的第1步通常是質(zhì)子化或脫質(zhì)子如果反應(yīng)在堿性條件下進(jìn)行，第1步往往是脫底物中的酸性氫如果反應(yīng)在酸性條件下進(jìn)行，第1步往往是底物分子中的堿性位置被質(zhì)子化有機(jī)反應(yīng)機(jī)理The “pKa rule”弱堿可以脫去弱酸分子中的氫生成較強(qiáng)的堿，盡管熱力學(xué)上可能不利，但反應(yīng)往往是快速

20、可逆的, 只要酸的pKa值減去堿的pKb 值不大于8有機(jī)反應(yīng)機(jī)理例如，丙酮的pKa(20)與 OH pKb(15)相差5，因此用OH作堿脫丙酮的質(zhì)子是可行的H2OH3CCH3OH3CCH2Ounfavorable, but sufficiently rapid to be proposed in a mechanismHOpKb = 15pKa = 20+pKb = 20pKa = 15計算反應(yīng)的平衡常數(shù)K有機(jī)反應(yīng)機(jī)理()()2222332322051511010101010a acetonebOHpKpKAcCHH OAcCHHH OKAcCHHOAcCHHOHAcCHHHOHAcCHH O

21、有機(jī)反應(yīng)機(jī)理而己炔BuCCH的pKa(25)與 OH 的pKb(15)相差10，用OH作堿難以脫己炔的質(zhì)子H2O+pKa = 15HOpKa = 25pKb = 15HBuBuunfavorable, and not sufficiently rapid to be proposed in a mechanismpKb = 251010K有機(jī)反應(yīng)機(jī)理Approximate pKa values for some organic acids有機(jī)反應(yīng)機(jī)理1.3.2 飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)反應(yīng)通式：RX+NuRNu + X式中R為烴基X為離去基團(tuán)，如鹵素，OTs等Nu為親核試劑，如胺，烷氧負(fù)離子

22、等有機(jī)反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理不同機(jī)理的主要區(qū)別在于離去基團(tuán)的離去和親核試劑進(jìn)攻的先后順序不同視反應(yīng)介質(zhì)酸堿性，作用物結(jié)構(gòu)，離去基團(tuán)和親核試劑的種類不同而不同有機(jī)反應(yīng)機(jī)理機(jī)理的兩種極端形式： SN2機(jī)理和SN1機(jī)理SN2機(jī)理：雙分子親核取代反應(yīng)RX+NuRNu + XRXNu有機(jī)反應(yīng)機(jī)理SN1機(jī)理：單分子親核取代反應(yīng)RX+RXNuRRNu+正碳離子不可能在堿性條件下存在，因此只有酸性條件下反應(yīng)才有可能按SN1機(jī)理進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)機(jī)理離子對機(jī)理RXNuRNuR XNuRNuNuR XRNu+RXNuRNuSN1SN2有機(jī)反應(yīng)機(jī)理介質(zhì)酸堿性的影響堿性條件下伯，仲鹵代烴的親核取代反應(yīng)通常按SN2機(jī)理進(jìn)行SN2反

23、應(yīng)的條件和特征酸性條件下反應(yīng)通常按SN1機(jī)理進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)機(jī)理但在以下幾種情況下，酸性條件下的親核取代反應(yīng)也可按SN2機(jī)理進(jìn)行底物的親電中心為伯碳原子，CH3X親核試劑親核性強(qiáng)反應(yīng)在強(qiáng)酸介質(zhì)中進(jìn)行伯醇與氫鹵酸生成伯鹵烷的反應(yīng)就是在強(qiáng)酸介質(zhì)中進(jìn)行的SN2親核取代反應(yīng)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理OHHBrOH2BrBr有機(jī)反應(yīng)機(jī)理親核試劑親核性的影響強(qiáng)親核試劑有利于SN2反應(yīng)，包括lone-pair親核試劑和-bond親核試劑-bond親核試劑的親核性較低，通常不足以發(fā)生SN2反應(yīng)，但烯胺和烯醇負(fù)離子例外有機(jī)反應(yīng)機(jī)理烯胺和烯醇負(fù)離子的共振結(jié)構(gòu)R2NCRCR2R2NCRCR2OCRCR2OCRCR2有機(jī)反應(yīng)機(jī)理烯醇負(fù)

24、離子作SN2反應(yīng)的親核試劑NOOCH3Oi-PrH3CINOOCH3Oi-PrCH3有機(jī)反應(yīng)機(jī)理作用物結(jié)構(gòu)酸性條件下叔鹵代烴或磺酸酯有利于SN1反應(yīng)伯、仲、烯丙基和芐基作用物有利于SN反應(yīng)烯丙型底物的反應(yīng)可伴隨烯丙基重排，例如有機(jī)反應(yīng)機(jī)理NCHCH3HOTsHHSN2CH3NCHHHHHCH3HOTsHHSN2HCH3HCNHH有機(jī)反應(yīng)機(jī)理離去基團(tuán)的性質(zhì)F, HO, H和各種負(fù)碳離子離去傾向小，堿性條件下，一般不能作為SN2反應(yīng)的離去基團(tuán)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理立體化學(xué)：構(gòu)型轉(zhuǎn)化+ PCl5D(+)-蘋果酸L(-)-氯代琥珀酸CO2HOHCH2CO2HHCO2HHCH2CO2HClWalden轉(zhuǎn)換有機(jī)反應(yīng)

25、機(jī)理某些條件下，SN2反應(yīng)也會出現(xiàn)構(gòu)型保持的結(jié)果OH3CON2HClOH3COClHOH3COHCl有機(jī)反應(yīng)機(jī)理以下原因可能導(dǎo)致反應(yīng)失去立體選擇性底物脫質(zhì)子，再質(zhì)子化導(dǎo)致構(gòu)型改變產(chǎn)物發(fā)生進(jìn)一步的反應(yīng)導(dǎo)致構(gòu)型改變親核試劑同時又是好的離去基團(tuán)使反應(yīng)逆轉(zhuǎn)導(dǎo)致構(gòu)型改變反應(yīng)不按SN2機(jī)理進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)實例：Finkelstein reaction，1910RXNaXacetone/refluxRXX = Cl, Br, OMs, OTs; X = Br, IFinkelstein H. Preparation of organic iodides from the corresponding br

26、omides and chlorides. Ber. 1910, 43, 1528-1532R = 1o and 2o alkyl, allyl, benzyl有機(jī)反應(yīng)機(jī)理Finkelstein 反應(yīng)的機(jī)理：構(gòu)型轉(zhuǎn)化的SN2機(jī)理XXCXXC有機(jī)反應(yīng)機(jī)理SN1反應(yīng)的條件和特征SN1反應(yīng)的中間體正碳離子是強(qiáng)酸，堿性條件下不可能產(chǎn)生，因此堿性條件下難以發(fā)生SN1反應(yīng)除前述幾種特殊情況外，酸性條件下親核取代反應(yīng)通常按SN1機(jī)理進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)機(jī)理SN1反應(yīng)的立體化學(xué)：外消旋化NuR2R3R1R2R3R1NuNuR2R3R1R2R3R1Nu有機(jī)反應(yīng)機(jī)理分析以下反應(yīng)的機(jī)理OOHOHHOHOHOCH3OHHOOCH3OHHOHOHOSN1 or SN2?有機(jī)反應(yīng)機(jī)理SN2機(jī)理1OOHOHHOHOHOH3COH2OOOHHOHOHOCH3HOOOHHOHOHOCH3酸性條件下的SN2反應(yīng)需要強(qiáng)親核試劑，未脫質(zhì)子的醇不是強(qiáng)親核試劑SN2機(jī)理無法解釋選擇性不合理之處有機(jī)反應(yīng)機(jī)理SN2機(jī)理2同樣不能解釋位置選擇性O(shè)OH2OHHOHOHOH