親核取代與加成反應(yīng)課件

第一節(jié)飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)

(AliphaticNucleophilicSubstitution)2022/12/171一.定義及反應(yīng)類型親核試劑底物中心碳原子

離去基團(tuán)親核取代反應(yīng)的通式：親核取代反應(yīng)的定義：親核試劑Nu進(jìn)攻底物分子R-L中帶正電荷的碳原子而發(fā)生的取代反應(yīng)。2022/12/172⑴

底物為中性，中性親核試劑帶著一對(duì)孤對(duì)電子：親核取代反應(yīng)的反應(yīng)類型：⑵底物為中性，親核試劑帶有負(fù)電荷：2022/12/1731.雙分子親核取代(SN2)反應(yīng)機(jī)理

【動(dòng)力學(xué)研究】該親核取代反應(yīng)的速率與底物的濃度和試劑的濃度同時(shí)相關(guān)：二級(jí)反應(yīng)其反應(yīng)機(jī)理為：親核試劑從離去基團(tuán)的背面接近中心碳原子，新鍵的形成與舊鍵的斷裂是同時(shí)發(fā)生的，與此同時(shí)，離去基團(tuán)也正在逐步地離開底物分子二.親核取代反應(yīng)機(jī)理2022/12/175●反應(yīng)的立體化學(xué)與反應(yīng)機(jī)理相關(guān):由于試劑從離去基團(tuán)的背后進(jìn)攻中心碳原子，所以產(chǎn)物發(fā)生完全構(gòu)型轉(zhuǎn)化－Walden轉(zhuǎn)化。

反應(yīng)特征：

雙分子、一步反應(yīng)；存在過(guò)渡態(tài)狀態(tài)；

立體化學(xué)是瓦爾登轉(zhuǎn)化（構(gòu)型翻轉(zhuǎn)）2.單分子親核取代(SN1)反應(yīng)機(jī)理:第一步碳正離子的生成：第二步親核試劑進(jìn)攻碳正離子：第一步是決定反應(yīng)速率的一步。動(dòng)力學(xué):一級(jí)反應(yīng)2022/12/177試劑從正碳離子的兩面進(jìn)攻中心碳原子，形成外消旋產(chǎn)物?！馭N1反應(yīng)的立體化學(xué)過(guò)程：

反應(yīng)特征：

單分子、兩步歷程

碳正離子活性中間體、存在重排現(xiàn)象

產(chǎn)物外消旋化或外消旋化加構(gòu)型轉(zhuǎn)化。2022/12/178事實(shí)上，SN1反應(yīng)往往伴隨構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物：當(dāng)C+不是足夠穩(wěn)定時(shí)，由于L的屏蔽效應(yīng)，Nu:從L背后進(jìn)攻中心碳原子的機(jī)會(huì)增大，故構(gòu)型轉(zhuǎn)化增多。2022/12/17104.SNi機(jī)理（分子內(nèi)親核取代）緊密離子對(duì)氯代亞硫酸酯特點(diǎn)：構(gòu)型保持醇與亞硫酰氯反應(yīng)制備鹵代烴，其機(jī)理不能用SN1和SN2解釋，是分子內(nèi)親核取代反應(yīng)。2022/12/1712如：2-莰醇與硫酸作用生成莰烯的反應(yīng)機(jī)理2022/12/17142022/12/17152.非經(jīng)典碳正離子：由于π鍵或σ鍵的鄰基參與而形成的碳正離子活性中間體，稱為非經(jīng)典碳正離子。σ鍵參與的非經(jīng)典的碳正離子是兩電子三中心鍵，而經(jīng)典的碳正離子可看成是W-M重排。非經(jīng)典的碳正離子2022/12/1716

旋光的exo-降冰片對(duì)溴苯磺酸酯(exo-bornylbrosylate)在乙酸中溶劑解，生成消旋的exo-降冰片乙酸酯；endo-降冰片對(duì)溴苯磺酸酯的乙酸解也生成exo-降冰片乙酸酯，但exo-異構(gòu)體的速率為endo-異構(gòu)體的350倍：1)σ鍵參與的非經(jīng)典碳正離子Winstein據(jù)此認(rèn)為是C1-C6σ鍵的鄰基參與，因而形成了非經(jīng)典的碳正離子而加速其反應(yīng)。2022/12/1717【解釋】2022/12/1718例1：下面是雙環(huán)化合物進(jìn)行親核取代反應(yīng)，其反應(yīng)速率常數(shù)如下。π鍵的鄰基參與作用使反應(yīng)速率成倍數(shù)增加：2)π鍵參與的非經(jīng)典正碳離子2022/12/1720例2：3-苯基-2-丁醇的對(duì)甲苯磺酸酯的醋酸解反應(yīng)SRSRSR2022/12/17213)

n電子參與歷程

化合物的分子中具有未共用電子對(duì)的基團(tuán)位于離去基團(tuán)的β位置或更遠(yuǎn)時(shí)，此化合物在取代反應(yīng)過(guò)程中構(gòu)型保持。以3-溴-2-丁醇與HBr的取代反應(yīng)為例：2022/12/1723產(chǎn)物都是（S,R)-2,3-二溴丁烷，是內(nèi)消旋體例2：β-氯代二乙硫醚的水解速率比相應(yīng)的β-氯代二乙基醚快104倍。例3：旋光的α-溴代丙酸鹽的水解反應(yīng)2022/12/17262022/12/1727環(huán)丙基位于外型時(shí)（A)，三元環(huán)阻礙C-Cσ電子的鄰基參與；位于內(nèi)型時(shí)（B)有利于環(huán)丙基香蕉鍵的鄰基參與。內(nèi)型的環(huán)丙基有時(shí)甚至比雙鍵更有效。化合物（B)的溶劑解速率比化合物（C)快5倍；而化合物（A)溶劑解速率比（C)慢3倍。4)環(huán)丙基的參與作用

環(huán)丙烷環(huán)的某些性質(zhì)與雙鍵類似，因此處于適當(dāng)位置時(shí)也可能發(fā)生鄰基參與作用。2022/12/1728具有雜原子參與作用的基團(tuán)有：COO-、

OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、I、Br、Cl鹵素作為鄰基參與的能力大小次序一般為I>Br>Cl，這與原子的親核性和可極化性大小順序是一致的。F電負(fù)性太強(qiáng)，不易給出電子，親核性和可極化性太小，一般不發(fā)生鄰基參與作用。若鄰基參與作用形成的中間體是穩(wěn)定的或由于其它方式而穩(wěn)定，親核試劑Nu－親核進(jìn)攻能力不足時(shí)，只能形成環(huán)狀產(chǎn)物。這是簡(jiǎn)單的分子內(nèi)SN2反應(yīng)。2022/12/1730五、親核試劑的類型和反應(yīng)1.含氧親核試劑H2O,ROH,OH-,RO-.2.含硫親核試劑H2S,RS-,RSO2-,S2O32-等。3.含氮親核試劑NH3,RNH2,R2NH,R3N,Li3N,NO2-,NaN3,NCO-,NCS-等。4.鹵素親核試劑HX,X-,LiI,SOCl2,ClCOSCl等。5.負(fù)氫離子LiAlH4,AlH3,NaBH4,等6.碳親核試劑RMgX,R2CuLi,RLi,R3B,葉立德試劑和各種活潑亞甲基產(chǎn)生的負(fù)碳離子。2022/12/17311.排列下列碳正離子的穩(wěn)定性2.下面雙環(huán)化合物進(jìn)行親核取代反應(yīng)，請(qǐng)排列它們的反應(yīng)速率順序

【思考題】3.下列化合物在KI/丙酮溶液中反應(yīng)，按反應(yīng)速率遞減順序排列下列化合物C>B>A4.從反應(yīng)機(jī)理角度分析下列親核取代反應(yīng)產(chǎn)物含量的不同5.完成下列反應(yīng)6.用反應(yīng)機(jī)理解釋下列反應(yīng)7.解釋?duì)?氯代二乙硫醚的水解速率比相應(yīng)的β-氯代二乙基醚快104倍。8.蘇式及赤式的對(duì)甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯在醋酸中進(jìn)行溶劑分，前者得消旋化的蘇式醋酸酯，后者得光學(xué)純赤式醋酸酯，試用反應(yīng)歷程解釋。赤式-2-對(duì)甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯（SR)(SR)(SR)前者是取代產(chǎn)物，后者是重排產(chǎn)物。兩者是外消旋產(chǎn)物。2022/12/1735蘇式-2-對(duì)甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯（SR)2022/12/1736第二節(jié)親核加成反應(yīng)

碳雜鍵常發(fā)生親核加成反應(yīng)（如C=N\C=O\C≡N等）除此之外,碳碳鍵也可以發(fā)生親核反應(yīng)（如C=C\C≡C）常見的親核試劑有:N、O、S、X、P等雜原子中心，負(fù)碳離子，氫負(fù)離子。一、碳碳不飽和鍵的親核加成反應(yīng)（一）碳碳雙鍵的親核加成

碳碳雙鍵含π鍵，是富電子的，容易發(fā)生親電反應(yīng)，難被親核試劑進(jìn)攻。因此要想進(jìn)行親核反應(yīng)需活化，降低雙鍵電子云密度，需增加吸電子基團(tuán)。2022/12/1737

雙鍵碳上連有吸電子基有利于親核加成反應(yīng)。它們可以降低雙鍵碳上的電子云密度，來(lái)促進(jìn)親核試劑的進(jìn)攻。更重要的是，這樣的取代基能使生成的負(fù)碳離子中間體的負(fù)電荷分散而得到穩(wěn)定。2022/12/17381、氰乙基化反應(yīng)

丙烯腈分子中的碳碳雙鍵，因受到氰基的影響能發(fā)生親核反應(yīng)。

因此，由親核試劑進(jìn)攻雙鍵碳原子，生成的中間體再?gòu)娜芤褐蝎@得質(zhì)子，所得產(chǎn)物相當(dāng)于在親核試劑分子中引入一個(gè)氰乙基，故稱為氰乙基化反應(yīng)。是維生素B1的中間體可合成3-丙氨酸2022/12/1739氰乙基化反應(yīng)特點(diǎn):當(dāng)親核試劑具有一個(gè)活潑的亞甲基或甲基時(shí)，丙烯腈可以發(fā)生二或三次氰乙基化反應(yīng)。通過(guò)控制條件也可以得到單氰乙基化產(chǎn)物。2022/12/1740

碳負(fù)離子與α,β-不飽和羰基化合物發(fā)生的1,4-加成反應(yīng)稱為麥克爾加成反應(yīng)。

一般情況下，具有α-活潑氫的化合物，在堿的作用下形成碳負(fù)離子。此碳負(fù)離子可以與缺電子C=C雙鍵發(fā)生親核加成。2、Michael加成反應(yīng)(麥克爾加成)2022/12/1741雙甲基酮的合成2022/12/1742甾醇的合成：2022/12/1743（二）碳碳叁鍵的親核加成反應(yīng)

碳碳叁鍵通常比雙鍵更容易被親核試劑進(jìn)攻。因碳碳叁鍵之間的鍵長(zhǎng)較短，叁鍵中電子被束縛的比雙鍵中的要緊；再者，三鍵碳比雙鍵碳的s成分多，與電子的結(jié)合能力較強(qiáng)。所以表現(xiàn)出較強(qiáng)的親核性。雙鍵比叁鍵具有更強(qiáng)的親電加成活性，但親核加成恰相反。如乙炔和醇的反應(yīng)，可生成乙烯基醚。弱親核試劑則需要加入催化劑，如乙炔和水反應(yīng)需要Hg2+做催化劑。2022/12/17442022/12/1745反應(yīng)機(jī)理為：2022/12/1746二、羰基的親核加成反應(yīng)（一）羰基的親核加成反應(yīng)兩種不同條件下的加成歷程：1、酸催化下：2、堿催化下：2022/12/1747基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)所講內(nèi)容：2022/12/17481、雜原子親核試劑的加成多數(shù)親核試劑與醛酮的加成反應(yīng),在平衡建立后,其平衡常數(shù)往往小于1。只有當(dāng)強(qiáng)的吸電子試劑與羰基相連時(shí)，才能得到較穩(wěn)定的加成產(chǎn)物。2022/12/1749苯甲醛與季戊四醇在稀鹽酸溶液中反應(yīng)：2022/12/1750Wittig試劑是一種磷的內(nèi)翁鹽，也叫磷葉立德。它是相鄰的原子帶有不同的電荷，磷帶正電荷而碳帶負(fù)電荷，由于碳和磷之間的軌道重疊而使碳的負(fù)電荷分散。2、碳原子親核試劑的加成（1）Wittig反應(yīng)（維蒂希反應(yīng)）Wittig反應(yīng)可用通式表示：2022/12/1751●簡(jiǎn)單的wittig試劑（R=H,烷基）很活潑，與氧、水、氫鹵酸、醇等能起反應(yīng)?！癞?dāng)帶負(fù)電荷的碳原子上連接COR、CN、COOR、CHO等吸電子基團(tuán)時(shí)，Wittig比較穩(wěn)定，但活性降低，與酮作用較慢?！窀倪M(jìn)的方法是用磷酸三乙酯代替三苯基磷。2022/12/1752反應(yīng)機(jī)理：極性的甜菜堿氧磷環(huán)丁烷2022/12/1753●經(jīng)Wittig反應(yīng)生成的烯烴，通常是順式和反式異構(gòu)體的混合物。VA

的乙酸酯2022/12/1754（2）羥醛縮合反應(yīng)在酸或堿催化下含有α-氫的醛酮相互作用生成羥基醛或羥基酮?！駢A催化下的反應(yīng)歷程（酮難于縮合）●酸催化下的反應(yīng)歷程（利于酮的縮合）2022/12/1755（3）Benzoin(安息香)縮合兩分子芳醛在KCN的水-乙醇溶液中短時(shí)間溫?zé)釀t發(fā)生雙分子縮合生成芳香族a-羥基酮類的反應(yīng)2022/12/17562022/12/1757（4）Perkin反應(yīng)（柏金反應(yīng)）

由于酸酐的α-氫比較活潑，在羧酸鹽的催化下，與芳醛作用。（5）Darzen反應(yīng)（α，β-環(huán)氧酯合成）

醛酮在堿作用下與α-鹵代酸酯反應(yīng)生成α，β-環(huán)氧酯。2022/12/1758如從苯乙酮為原料合成2-苯基丙醛：2022/12/1759三、羧酸衍生物與親核試劑的反應(yīng)1、反應(yīng)歷程（加成-消除歷程）2022/12/17602、結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系羧酸衍生物與親核試劑的加成-消除反應(yīng)難易程度，與烴基的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)以及親核試劑的特性都有關(guān)。在特定的反應(yīng)中，羧酸衍生物的相對(duì)活性主要取決于：●與羰基直接相連的離去基團(tuán)的電子效應(yīng)●離去基團(tuán)離去的能力●已知羧酸衍生物的親核活性為酰鹵>酸酐>酯>酰胺離去基團(tuán)離去的易到難順序?yàn)椋?/p>

-X>-OCOR>-OR>-NH22022/12/17613、酯化、水解反應(yīng)歷程及影響因素在羧酸衍生物中，酯化和水解反應(yīng)研究的最為詳細(xì)。以酯類水解為例，包括酰氧鍵斷裂和烷氧鍵斷裂。在不同條件下，反應(yīng)歷程有所不同。（1）酸催化酰-氧鍵斷裂雙分子歷程（AAC2）Acidcatalysis,dimolecularacyl-oxygencleavage2022/12/17622022/12/1763對(duì)AAC2而言，主要影響因素是四面體中間體的空間張力作用。2022/12/1764（2）酸催化烷-氧鍵斷裂單分子歷程（AAl1）Acidcatalysis,unimolecularalkyl-oxygencleavage▲關(guān)鍵在于碳正離子的穩(wěn)定性2022/12/1765（3）酸催化酰-氧鍵斷裂單分子歷程（AAC1）▲2,6-位兩個(gè)甲基的位阻作用，不能生成正常的四面體加成產(chǎn)物。2022/12/1766（3）堿催化酰-氧鍵斷裂雙分子歷程（BAC2）(Basecatalysis,bimolecularacyl-oxygencleavage)▲氫氧根的親核性高于水分子。2022/12/1767四、碳-氮重鍵的親核加成反應(yīng)常見的碳-氮重鍵是C=N和C≡N，既亞胺和腈。1、亞胺的親核加成反應(yīng)亞胺是醛酮的含氮衍生物，俗稱Schiff堿。其性質(zhì)與醛酮相似，能發(fā)生親核加成及縮合反應(yīng)。心血管藥物“恢壓敏”的合成：2022/12/17682、醛（通常是甲醛）與氨或胺（以鹽的形式）和含有活潑氫的化合物所發(fā)生的縮合反應(yīng)，稱Mannich反應(yīng)。2022/12/1769反應(yīng)機(jī)理：2022/12/17702022/12/17713、腈的親核加成反應(yīng)●腈與親核試劑H2O加成的最初產(chǎn)物是酰胺2022/12/1772●在堿的存在下，腈首先與強(qiáng)親核試劑OH-作用，其歷程如下：2022/12/1773Thorpe反應(yīng)：兩分子腈發(fā)生的縮合反應(yīng),一份子腈的α-碳加到另一個(gè)腈分子的CN碳上，類似于羥醛縮合。如2，2-二甲基環(huán)己酮的合成：2022/12/17744、仲胺與醛酮在酸催化下的縮合得到烯胺的