有機(jī)合成反應(yīng)理論

1、精細(xì)有機(jī)合成單元反應(yīng)概 述本課程的目的掌握精細(xì)化工領(lǐng)域的基本概念；了解精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史；了解精細(xì)化工的工藝學(xué)原理；了解精細(xì)化工的生產(chǎn)過程及設(shè)備；把握精細(xì)化工的發(fā)展方向；開拓視野，增強(qiáng)獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。概 述相關(guān)課程有機(jī)化學(xué)化工原理化工設(shè)備化工計(jì)算工藝設(shè)計(jì)參考資料張鑄勇主編，精細(xì)有機(jī)合成單元反應(yīng)（第二版），華東理工大學(xué)出版社，2003李和平，精細(xì)化工工藝學(xué)，科學(xué)出版社，2006郝素娥，精細(xì)有機(jī)合成單元反應(yīng)與合成設(shè)計(jì)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004張招貴，精細(xì)有機(jī)合成與設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2003第一章 有機(jī)合成反應(yīng)理論主要內(nèi)容概述脂肪族親核取代反應(yīng)脂肪族親電取代反應(yīng)芳香族親電

2、取代反應(yīng)芳香族親核取代反應(yīng)自由基反應(yīng)脂肪族取代反應(yīng)理論脂肪族親核取代歷程同步取代 (SN2歷程 )先消除再加成 (SN1歷程 ) 先加成再消除 (四面體歷程)脂肪族親電取代反應(yīng) 自由基取代反應(yīng)自由基取代反應(yīng)(1) SN2歷程 反應(yīng)歷程(溴烷的水解)化學(xué)動(dòng)力學(xué)R=kC2H5BrOH-慢快(2) SN1親核取代歷程溶劑效應(yīng)（1，溶劑的分類）=1R-Le R-LeR+ + LeR+ +Nu:R -Nu慢快常見的脂肪族親核取代反應(yīng) a 氧親核試劑羧酸的酯化、酯交換、酯水解、酰胺的水解等酯水解常見的脂肪族親核取代反應(yīng) b硫親核試劑 SH基或SR基在烷基碳上攻擊硫親核試劑的反應(yīng)常見的脂肪族親核取代反應(yīng) c

3、 氮親核試劑 N烷化、N?；货０泛王啺返腘烷化、N酰化；以及亞硝酸根(N02)、疊氮基(N3)、異氰酸根(NCO)等 氨與鹵烷反應(yīng)常見的脂肪族親核取代反應(yīng)d 鹵親核試劑攻擊烷基碳鹵烷 ；?；减｛u化合物 鹵親核試劑的反應(yīng)常見的脂肪族親核取代反應(yīng)e 氫親核試劑氫化鋁鋰(LiAlH4)硼氫化鉀(KBH4 ) 硼氫化鈉(NaBH4)氫親核試劑的反應(yīng)常見的脂肪族親核取代反應(yīng) (3) 影響脂肪族親核取代反應(yīng)活潑性的因素 a底物結(jié)構(gòu) a, 底物結(jié)構(gòu)b進(jìn)攻試劑 c 離去基團(tuán) d 反應(yīng)介質(zhì) e 兩可親核試劑 脂肪族親電取代反應(yīng) 脂肪族親電取代歷程 a, SE2和SEi歷程 b,SE1歷程 常見的脂肪族親電

4、取代反應(yīng) (1)醛、酮、羧酸衍生物的鹵化 2，末端炔烴的鹵化3，脂肪酸的脫羧4，在氮上的親電取代反應(yīng)芳香族取代反應(yīng)理論A,芳環(huán)取代反應(yīng)的分類親電取代(SE型) 亦稱陽離子型取代親核取代(SN型) 亦稱陰離子型取代 游離基取代，亦稱均裂取代 B,親電取代反應(yīng) C,親核取代反應(yīng) A親電取代反應(yīng) 絡(luò)合物與絡(luò)合物 親電取代反應(yīng)歷程 影響親電取代定位的主要因素 兩類定位基 苯環(huán)親電取代的定位規(guī)則 萘環(huán)親電取代的定位規(guī)則 蒽醌環(huán)的定位規(guī)則 (1)絡(luò)合物與絡(luò)合物 親電試劑絡(luò)合物絡(luò)合物絡(luò)合物共振結(jié)構(gòu)式 P19 1-55絡(luò)合物與絡(luò)合物之間同樣存在平衡 (2)親電取代反應(yīng)歷程 ArH + E+Ar+HEk1K-1

5、Ar+HEk2ArE + H+第一步：第二步：(3)影響親電取代定位的主要因素 (1)已有取代基的性質(zhì)（包括極性效應(yīng)和空間效應(yīng);已有幾個(gè)取代基則決定于它們的性質(zhì)和相對(duì)位置）(2)親電試劑的性質(zhì) （包括極性效應(yīng)和空間效應(yīng)）(3)反應(yīng)的可逆性(4)反應(yīng)條件（主要是溫度、催化劑和溶劑的影響）在上述因素中，最重要的是已有取代基的極性效應(yīng)。 第一類定位基（鄰對(duì)位定位基 ）第二類定位基（間位定位基 ） (5)苯環(huán)親電取代的定位規(guī)則 a,已有取代基的極性效應(yīng) b,已有取代基的空間效應(yīng) c,反應(yīng)劑的空間效應(yīng)與極性效應(yīng) d,反應(yīng)的可逆性 e,反應(yīng)條件的影響 f,已有兩個(gè)取代基的定位規(guī)則 (a)已有取代基的極性效

6、應(yīng) 不可逆的親電取代 ,異構(gòu)產(chǎn)物的生成比例決定于生成各異構(gòu)的過渡態(tài)的相對(duì)難易，即決定于各過渡態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定性 過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)接近于絡(luò)合物的結(jié)構(gòu) 可根據(jù)苯環(huán)上已有取代基的極性效應(yīng)對(duì)絡(luò)合物穩(wěn)定性的影響來解釋其定位作用苯的一取代物Ar-Z發(fā)生親電取代時(shí)可以生成鄰、對(duì)和間位三種絡(luò)合物?？梢园衙恳环N絡(luò)合物(陽離子)都看作是三個(gè)共振結(jié)構(gòu)雜化的結(jié)果誘導(dǎo)效應(yīng)的影響Z和苯環(huán)之間有共軛效應(yīng)影響絡(luò)合物的穩(wěn)定性 取代基歸納為以下三類 只具有正的誘導(dǎo)效應(yīng)(如烷基,他們都使苯環(huán)活化，而且是鄰對(duì)位定位,其中甲基還具有超共扼效應(yīng) )同苯環(huán)相連的原子具有未共有電子對(duì) 具有負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng) ，而且同芳環(huán)相連的原子沒有未共有電子對(duì) (b)

7、已有取代基的空間效應(yīng) 如果已有取代基占據(jù)的空間越大，則鄰位異構(gòu)產(chǎn)物的比例越小只有在已有取代基的極性效應(yīng)相差不大時(shí)，空間效應(yīng)起主導(dǎo)作用如果已有取代基的極性效應(yīng)相差較大，則極性效應(yīng)起主要作用對(duì)于可逆反應(yīng)，空間效應(yīng)起主要作用(c)反應(yīng)劑的空間效應(yīng)與極性效應(yīng) 新取代基的空間障礙影響鄰位異構(gòu)產(chǎn)物的生成比例(甲苯的C烷化就是如此，在特丁基化時(shí)幾乎沒有鄰位異構(gòu)產(chǎn)物)親電質(zhì)點(diǎn)的活潑性對(duì)定位作用有很重要的影響當(dāng)極活潑時(shí)，它進(jìn)攻甲苯或苯時(shí)，幾乎沒有選擇性，生成相當(dāng)量的間位異構(gòu)產(chǎn)物; 當(dāng)極不活潑時(shí)，它進(jìn)攻甲苯或苯時(shí)選擇性很好，Kt/Kb主要取決于甲苯和苯的相對(duì)活性(Cl進(jìn)攻甲苯時(shí)，幾乎不生成間位異構(gòu)產(chǎn)物)。 (d)

8、反應(yīng)的可逆性 對(duì)于不可逆親電取代，極性效應(yīng)起主要作用。對(duì)于可逆親電取代，則空間障礙起主要作用。 甲苯在AlCl3存在下用丙烯進(jìn)行異丙基化 間二甲苯磺化 (e)反應(yīng)條件的影響 溫度的影響溫度升高可以使不可逆的磺化和C-烷化轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡娣磻?yīng) ,溫度影響不可逆親電取代的異構(gòu)產(chǎn)物比例催化劑的影響(催化劑改變了親電試劑的極性效應(yīng)或空間效應(yīng)。如甲苯在甲基化時(shí)用AlBr3比用GaBr3作催化劑得到更多的間位異構(gòu)產(chǎn)物)介質(zhì)的影響介質(zhì)對(duì)定位作用的影響主要在于它的酸度、極性或空間效應(yīng)的不同(f)已有兩個(gè)取代基的定位規(guī)則 已有取代基對(duì)新取代基的定位作用一致 兩個(gè)取代基屬于同一類型(即都屬于第一類或第二類)，并處于間位

9、；兩個(gè)取代基屬于不同類型，并處于鄰位或?qū)ξ灰延腥〈鶎?duì)新取代基的定位作用不一致 P39決定于已有取代基的相對(duì)定位能力 通常第一類取代基的定位能力比第二類強(qiáng)得多；同類取代基定位能力的強(qiáng)弱大致如下： 兩個(gè)取代基的定位能力相差不大時(shí)，新取代基進(jìn)入的位置與反應(yīng)類型和反應(yīng)條件有關(guān) (6)萘環(huán)親電取代的定位規(guī)則 (a)萘的一取代主要發(fā)生在-位（如萘的硝化、氯化、低溫磺化） 可逆的親電取代中，新取代基會(huì)轉(zhuǎn)移到?jīng)]有空間障礙的位 (b)萘環(huán)上已經(jīng)有了一個(gè)第一類取代基 取代基在位 已有取代基在-位 (c)已有的取代基是第二類(7)蒽醌環(huán)的定位規(guī)則蒽醌在用發(fā)煙硫酸磺化 蒽醌環(huán)上已有一個(gè)取代基 C，親核取代反應(yīng) 環(huán)上

10、氫的親核取代 已有取代基的親核置換 a,重要性 b,反應(yīng)歷程 c,其他取代基的影響 (1)環(huán)上氫的親核取代(a)親核試劑的類型(b)反應(yīng)歷程 （2）已有取代基的親核置換 (a)重要性親電取代只能在芳環(huán)上引入磺基、硝基、亞硝基、鹵基、烷基、?；Ⅳ然团嫉戎苯釉诜辑h(huán)上引入-OH、-OR、-OAr、-NH2、-HHR、-NRR、-NHAr、-CN和-SH等困難 有時(shí)為取得良好的效果，或者為了在指定位置引入磺基或鹵基也要用到這類親核置換反應(yīng) (b)反應(yīng)歷程 （c）其他取代基的影響 取代基的鄰位或?qū)ξ挥形娮踊?，降低了反?yīng)的活化能，使反應(yīng)較易進(jìn)行吸電子基在取代基的間位時(shí)，對(duì)絡(luò)合物陰離子負(fù)電荷的分散

11、作用弱，對(duì)反應(yīng)的活化能影響很小取代基的鄰、對(duì)位沒有強(qiáng)吸電子基時(shí)，反應(yīng)較難進(jìn)行；在取代基的鄰、對(duì)位有強(qiáng)吸電子基時(shí)可以使反應(yīng)較易進(jìn)行 芳環(huán)上同時(shí)有鹵基和其他吸電子基時(shí)，通常都是鹵基優(yōu)先發(fā)生親核置換，其他吸電子基不發(fā)生變化一般情況下重氮基容易分解，氰基容易水解 取代基1,-SO3H,-SO2Cl,-SO2NH22,-NO2,-NO3,-Cl,-Br,-F, -I, -CH2Cl,-CHCl2,-CCl3,-CF3等4,-NH2,-NHAr,-NHOH,-NHNH2,-NHAc,-NHR,-NRR5,-R6,-COOH,-COR,-COAr, -COH, -COOR,-COCl,-CONH27,-OH

12、,-OR,-OAr,-OAc8,-N2+Cl-, -N2 + HSO4 -, -N=NAr幻燈片 2OVER！化學(xué)動(dòng)力學(xué) (1)反應(yīng)速率與反應(yīng)級(jí)數(shù)(2)過渡態(tài)理論 反應(yīng)速率與反應(yīng)級(jí)數(shù)R=kC2H5BrOH- 過渡態(tài)理論丙烯與氯化氫加成產(chǎn)物 能階圖 過渡態(tài)與中間絡(luò)合物的區(qū)別反應(yīng)歷程(溴烷的水解)化學(xué)動(dòng)力學(xué)溶劑效應(yīng)（1，溶劑的分類）2,溶劑化效應(yīng)（負(fù)離子的親核能力順序 ）質(zhì)子溶劑中 ISCNBrC1F極性非質(zhì)子傳遞溶劑中 F C1 Br SCN I3,正離子締合作用的影響 4,溶劑的介電常數(shù)及偶極矩對(duì)反應(yīng)速度的影響 當(dāng)活化絡(luò)合物的電荷密度大于起始原料時(shí)，溶劑的極性增加有利于絡(luò)合物的形成，使反應(yīng)速度

13、加快；當(dāng)活化絡(luò)合物的電荷密度小于起始原料時(shí)，溶劑的極性增加不利于絡(luò)合物的形成，使反應(yīng)速度減慢；當(dāng)活化絡(luò)合物與起始原料的電荷密度相差不大時(shí)，改變?nèi)軇O性對(duì)反應(yīng)速度的影響不大。 叔丁基氯的水解 碘甲烷的堿性水解 5,溶劑對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的影響 2-萘酚與芐基溴的反應(yīng) e 兩可親核試劑(5)脂肪族親電取代反應(yīng)溶劑對(duì)絡(luò)合物穩(wěn)定性的影響 苯乙酸乙酯甲乙酮乙腈二甲基甲酰胺二甲基亞砜相對(duì)速度 1： 11 ： 59 ： 300： 1950 ： 7200SN1親核取代歷程溶劑效應(yīng)SN2歷程的反應(yīng)，底物的 -或-碳上存在支鏈時(shí)，反應(yīng)速率下降CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr (CH3)3CBrSN1歷程

14、反應(yīng)，則當(dāng)?shù)孜锾忌洗嬖谥ф湑r(shí)反應(yīng)變易 a, 底物結(jié)構(gòu) 150 1 0.01 0.001b進(jìn)攻試劑 對(duì)SN1反應(yīng)，進(jìn)攻試劑影響小對(duì)SN2反應(yīng)，進(jìn)攻試劑影響大如溴甲烷的水解，以O(shè)H或H2O為親核試劑，前者的反應(yīng)速率是后者的500倍 親核試劑的親核能力取決于堿性和可極化性一般第三、四周期元素親核能力強(qiáng)、第二周期元素堿性強(qiáng)I-、SH-、SCN-可極化程度高，堿性弱，親核能力強(qiáng)F-、Cl-、Br-體積小，電荷較集中，堿性強(qiáng)而可極化性較低在質(zhì)子溶劑中易被溶劑化在非質(zhì)子溶劑中不被溶劑分子包圍，顯示堿性帶負(fù)電荷的親核試劑的反應(yīng)能力大于中性分子親核質(zhì)點(diǎn)的自由度越大，則反應(yīng)速率越快空間位阻的影響飽和碳上的離去基因

15、，其離去難易與陰離子離去基團(tuán)的穩(wěn)定性有關(guān)，越穩(wěn)定，則越容易離去 (CH3)3C-Cl(CH3)3C-OAc(CH3)3C-OH離去基團(tuán)堿性越大，越不容易離去 RIRBrRCl空間位阻的影響，會(huì)使反應(yīng)速度減緩 c 離去基團(tuán) d 反應(yīng)介質(zhì)質(zhì)子溶劑可以與生成的負(fù)離子形成氫鍵，使負(fù)電荷分散，負(fù)離子變得穩(wěn)定，有利于離解反應(yīng)，有利于SN1反應(yīng)提高溶劑的酸性，有利于SN1反應(yīng)進(jìn)行SN2反應(yīng)，親核試劑被溶劑分子包圍，降低親核能力 非質(zhì)子溶劑難于對(duì)負(fù)離子溶劑化非質(zhì)子溶劑對(duì)SN2反應(yīng)有利溶劑的極性增加溶劑的極性可加速離解，使原來極性較小的底物變?yōu)闃O性較大的過渡態(tài)，對(duì)SN1有利按SN2歷程反應(yīng)形成過渡態(tài)時(shí)，原來電荷比較集中的親核試劑變?yōu)殡姾杀容^分散的過渡態(tài)增加溶劑極性對(duì)SN2反應(yīng)不利e 兩可親核試劑(5)脂肪族親電取代反應(yīng)某些親核試劑中的一對(duì)電子在不同條件下可存在于兩個(gè)或更多個(gè)原子上，因而可在兩個(gè)或更多個(gè)位置上發(fā)生攻擊，從而獲得不同產(chǎn)物，稱作兩可親核試劑 5,溶劑對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的影響常見的兩可親核試劑有以下三類化合物兩可親核試劑化合物 判斷兩可親核試劑的反應(yīng)位置的兩個(gè)主要因素：親核試劑的極化度、溶劑效應(yīng)；有時(shí)空間位阻也對(duì)取代位置起控制作用兩可親核試劑化合物具有 結(jié)構(gòu)的化