有機(jī)合成反應(yīng)理論課件

第一章有機(jī)合成反應(yīng)理論本章內(nèi)容1.1單元反應(yīng)的分類1.2有機(jī)反應(yīng)的基本過(guò)程1.3脂肪族取代反應(yīng)理論1.4芳香族取代反應(yīng)理論1.5自由基反應(yīng)理論1.1單元反應(yīng)的分類單元反應(yīng)：為了在脂鏈、脂環(huán)、芳環(huán)、雜環(huán)上引入或者形成各種取代基，所采用的各種化學(xué)反應(yīng)。常見(jiàn)的取代基單元反應(yīng)分類：根據(jù)取代基類型分類：磺化、硝化、鹵化、烷基化……根據(jù)反應(yīng)機(jī)理分類：芳環(huán)上的H被各種取代基取代的反應(yīng)（取代）；芳環(huán)上的取代基轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N取代基（置換）；形成雜環(huán)或新的碳環(huán)的反應(yīng)（成環(huán)縮合）。1.2有機(jī)反應(yīng)的基本過(guò)程五個(gè)基本過(guò)程：鍵的斷裂鏈的形成鍵的斷裂與形成同步發(fā)生分子內(nèi)重排作用電子傳遞鍵的斷裂均裂異裂鍵的形成兩個(gè)游離基的結(jié)合；兩個(gè)相反離子的結(jié)合；一個(gè)離子和一個(gè)中性分子的結(jié)合。分子內(nèi)重排電子轉(zhuǎn)移1.3脂肪族取代反應(yīng)理論1.3.1脂肪族親核取代反應(yīng)；同步取代反應(yīng)：SN2歷程；先消除再取代反應(yīng)：SN1歷程；先加成再消除反應(yīng)：四面體歷程1.3.2脂肪族親電取代反應(yīng)。雙分子歷程；單分子歷程；取代伴隨雙鍵移動(dòng)。1.3.1脂肪族親核取代反應(yīng)反應(yīng)歷程：同步取代（SN2歷程）先消除后加成（SN1歷程）先加成后消除（四面體歷程）SN2歷程親核試劑從反應(yīng)物離去基團(tuán)背面向碳原子進(jìn)攻，形成一個(gè)較弱的鍵；同時(shí)，離去基團(tuán)與碳原子的鍵有所減弱，兩者與碳原子成直線形狀，碳原子上另外三個(gè)鍵逐漸由傘形轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫妫纬蛇^(guò)渡態(tài)；形成過(guò)渡態(tài)消耗的能量為活化能DE，過(guò)程需要較大能量，是比較慢的一個(gè)過(guò)程，控制反應(yīng)速度反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與底物和親核試劑濃度都有關(guān)系。DE’Nu-+RXd-

d-Nu…R…XRNu+X-反應(yīng)進(jìn)程能量SN2反應(yīng)能量變化圖Nu-+R3CXR3C…NuR3C-Nu+X-反應(yīng)進(jìn)程SN1歷程反應(yīng)分步進(jìn)行；底物先離解形成碳正離子與帶負(fù)電荷的離去基團(tuán)，這種離解過(guò)程需要消耗能量，是控制反應(yīng)速度的慢的一步。然后，離解形成的碳正離子立即與親核試劑反應(yīng)，這一過(guò)程的速度極快，是快的一步反應(yīng)動(dòng)力學(xué)只與底物濃度有關(guān)。常見(jiàn)脂肪族親核取代反應(yīng)a氧親核試劑酯水解、羧酸的酯化、酯的醇解、酰鹵的醇解等，可以應(yīng)用于涂料粘合劑的生產(chǎn)中。b硫親核試劑

—SH基或—SR基在烷基碳上攻擊，主要用于表面活性劑的制備中。c氮親核試劑

N—烷化、N—?；?；酰胺和酰亞胺的N—烷化、N—?；?；以及亞硝酸根(N02—)、疊氮基(N3—)、異氰酸根(NCO—)等，可以用于生產(chǎn)陽(yáng)離子表面活性劑。d鹵親核試劑常用鹵化氫，無(wú)機(jī)酰鹵等，可以用于鹵代烷的生產(chǎn)。

e在磺?；蛏系挠H核取代反應(yīng)表面活性劑。

1.3.2脂肪族親電取代反應(yīng)反應(yīng)歷程：雙分子歷程SE2雙分子歷程SEi單分子歷程SE1親電取代伴隨雙鍵移動(dòng)1.4.1芳香族親核取代反應(yīng)1.4.1.1反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與歷程；1.4.1.2對(duì)氫的親核取代反應(yīng)；1.4.1.3對(duì)非氫的親核置換反應(yīng)。1.4.2芳香族親電取代反應(yīng)1.4.2.1苯的一元親電取代反應(yīng)；1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)；1.4.2.3苯的多元親電取代反應(yīng)；1.4.2.4稠環(huán)芳烴的親電取代反應(yīng)。1.4芳香族取代反應(yīng)1.4.1反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與歷程雙分子反應(yīng)（吸電子基團(tuán)活化的取代苯）證實(shí)：邁森海默絡(luò)合物的獲得（P49，37）1.4.1反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與歷程單分子反應(yīng)（芳香重氮鹽的親核置換）證實(shí)：1.4.1反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與歷程通過(guò)苯炔中間體的取代（氯苯和溴苯的氨解）證實(shí)：1.4.2芳香族親電取代反應(yīng)苯的分子結(jié)構(gòu)：容易發(fā)生親電反應(yīng)；加成會(huì)破壞共軛結(jié)構(gòu)，因此只能發(fā)生取代反應(yīng)C原子是sp2雜化，p軌道相互重疊，形成一個(gè)大p鍵；p電子高度離域，環(huán)上下面電子云密度高；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)親電取代反應(yīng)1.4.2芳香族親電取代反應(yīng)“p絡(luò)合物”和“

s絡(luò)合物”:芳烴與親電試劑接觸時(shí)，它先與芳環(huán)平面兩側(cè)的環(huán)狀p電子發(fā)生松散結(jié)合，形成p絡(luò)合物，但是此時(shí)沒(méi)有化學(xué)鍵形成。對(duì)于親電能力較強(qiáng)的試劑，形成p絡(luò)合物后，將進(jìn)一步從芳環(huán)奪取一對(duì)電子，與環(huán)上的某一碳原子形成s鍵，稱作s絡(luò)合物。比較穩(wěn)定。1.4.2芳香族親電取代反應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)由相鄰鍵的極化而引起某個(gè)鍵的極化，對(duì)鄰鍵影響最大。給電子誘導(dǎo)效應(yīng)：使電子云向苯環(huán)偏移－－增強(qiáng)（負(fù)電荷基團(tuán)）；吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)：使電子云向取代基偏移－－消弱（雜原子基團(tuán)）；各種取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)：P27表1-5。共軛效應(yīng)共軛體系內(nèi)取代基引起的共軛體系的電子云密度的變化，因而對(duì)分子的偶極矩產(chǎn)生影響；給電子共軛效應(yīng)－－供給苯環(huán)電子（富電子基團(tuán)，氨基等）；吸電子共軛效應(yīng)－－移走苯環(huán)電子（缺電子基團(tuán)，硝基等）。超共軛效應(yīng)s鍵與p鍵共軛的效應(yīng)；一般都是烷基；烷基中C－H鍵數(shù)量多的超共軛效應(yīng)大。取代基的電子效應(yīng)：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)意義：一元取代苯再進(jìn)行一次親電取代的反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)果：形成二元取代苯。目的：制備各種芳香族中間體產(chǎn)品。關(guān)鍵：第二個(gè)基團(tuán)的取代位置和難易程度。取代基只有正的誘導(dǎo)效應(yīng)（如烷基），結(jié)果：使苯環(huán)上面電子云密度增加，活化親電試劑和苯環(huán)間的反應(yīng)。取代基中與芳環(huán)相連的原子有孤對(duì)電子，結(jié)果：例子：－O,--NR2,--NHR,--NH2,--OH,--OR,--F,--Cl,--Br,--I等；都具有負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，降低苯環(huán)上面的電子云密度；然而，由于孤對(duì)電子還可以與苯環(huán)發(fā)生正的共軛效應(yīng)，一般共軛效應(yīng)大于負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，最終結(jié)果使苯環(huán)電子云密度增加，活化親電試劑和苯環(huán)間的反應(yīng)；鹵素由于其正的共軛效應(yīng)小于負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，而使苯環(huán)與親電試劑的反應(yīng)鈍化，是比較特殊的情況。取代基具有負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，而且與苯環(huán)相連的原子沒(méi)有孤對(duì)電子，結(jié)果：例子：--NR3,--NO2,--CF3,--CN,--SO3H,--CHO,--COR,--COOH等；使苯環(huán)上電子云密度降低，鈍化親電試劑與苯環(huán)的取代反應(yīng)。二元取代的定位規(guī)律：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)取代基的分類（P29表1-7)：二元取代的定位規(guī)律：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)苯環(huán)定位規(guī)律：不同類型取代苯環(huán)上有效電荷分布。取代基對(duì)苯環(huán)上電子云密度有很大影響；電子云密度不同，親電試劑進(jìn)攻的難易程度不同；二元取代的定位規(guī)律：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)推電子取代基取代苯的二元親電取代定位規(guī)律：推電子取代基使其鄰對(duì)位帶有靜態(tài)的負(fù)電荷，有利于親電試劑的進(jìn)攻；推電子取代基取代苯在親電試劑進(jìn)攻其鄰對(duì)位形成的s絡(luò)合物由于有推電子取代基參加其正電荷的分散，因而相對(duì)于沒(méi)有推電子取代基參加正電荷分散的間位s絡(luò)合物穩(wěn)定，有利于降低反應(yīng)的活化能（P30，1－68、1－69）；親電取代反應(yīng)比沒(méi)有取代苯容易，而且以鄰對(duì)位取代為主。鄰對(duì)位取代s絡(luò)合物中的穩(wěn)定因素間位取代s絡(luò)合物中推電子取代基不能參與正電荷分散二元取代的定位規(guī)律：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)吸電子取代基取代苯的二元親電取代定位規(guī)律：吸電子取代基使苯環(huán)共軛電子體系電子云密度降低，不有利于親電試劑的進(jìn)攻，相比而言，間位比較有利于親電試劑進(jìn)攻；吸電子取代基取代苯在親電試劑進(jìn)攻其鄰對(duì)位形成的s絡(luò)合物由于存在正電荷集中的共振結(jié)構(gòu)，因而其能量相對(duì)于間位s絡(luò)合物高，相應(yīng)的反應(yīng)活化能大，不利于反應(yīng)發(fā)生（P32，1－70、1－71、1－72）；親電取代反應(yīng)比沒(méi)有取代的苯難于發(fā)生，反應(yīng)以間位取代為主。鄰對(duì)位取代s絡(luò)合物中的不穩(wěn)定因素間位取代s絡(luò)合物中沒(méi)有類似的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)二元取代的定位規(guī)律：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)鹵素取代苯的二元親電取代定位規(guī)律：鹵素的共軛推電子效應(yīng)弱于吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，因而最終導(dǎo)致鹵素取代苯上電子云密度要低于未取代的苯，不利于親電試劑進(jìn)攻；親電試劑進(jìn)攻鹵代苯鄰對(duì)位時(shí)形成的s絡(luò)合物由于有鹵素的參與而能夠分散部分正電荷，使其得到一定程度的穩(wěn)定，能量要低于沒(méi)有鹵素參與分散的間位s絡(luò)合物，因而鄰對(duì)位反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)（P33，1－73、1－74、1－75）；親電取代反應(yīng)比沒(méi)有取代的苯難于發(fā)生，反應(yīng)以鄰對(duì)位取代為主。鄰對(duì)位取代s絡(luò)合物中的穩(wěn)定因素間位取代s絡(luò)合物中沒(méi)有類似的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)影響二元取代產(chǎn)物異構(gòu)體比例的因素：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)影響二元取代產(chǎn)物異構(gòu)體分配比例的因素是十分復(fù)雜的，主要包括：

取代基的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)；

介質(zhì)與底物的相互作用；

介質(zhì)與進(jìn)攻試劑的相互作用，以及由此引起的進(jìn)攻試劑與底物之間的相互作用的改變；不同條件下引起的過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)改變等。影響二元取代產(chǎn)物異構(gòu)體比例的因素：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)影響因素已有取代基的空間效應(yīng)和極性效應(yīng)反應(yīng)劑的空間效應(yīng)和極性效應(yīng)反應(yīng)條件的影響極性類似時(shí)，空間效應(yīng)主導(dǎo)；烷基苯硝化時(shí)候體積增大，對(duì)位產(chǎn)物增多極性相差大時(shí)，極性效應(yīng)主導(dǎo)。鹵代苯硝化時(shí)從F到I，雖然體積增大，但是鄰位產(chǎn)物增加，就是由于極性效應(yīng)的影響。親電試劑的體積大，對(duì)位產(chǎn)物多；個(gè)別情況親電試劑可以與已有取代基形成絡(luò)合物，使鄰位產(chǎn)物含量增加溫度：增加溫度，可以使反應(yīng)從不可逆轉(zhuǎn)變成可逆，導(dǎo)致熱力學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)物增加；（P38）催化劑：影響親電試劑能力；介質(zhì)：通過(guò)溶劑化程度影響底物和親電試劑。苯的二元親電取代分速因素：1.4.2.2苯的二元親電取代反應(yīng)分速因素：取代苯中某一位置的二元取代速度與苯的一個(gè)位置的一元取代速度之比?？梢杂糜诒容^取代苯上各個(gè)位置的反應(yīng)速率。其中fz

z位置的分速因素；z鄰、對(duì)、間位；yz位置的數(shù)目；kr取代苯與苯的相對(duì)取代反應(yīng)速率常數(shù)；xz位置異構(gòu)產(chǎn)物的分?jǐn)?shù)。例子：甲苯硝化反應(yīng)，產(chǎn)物：鄰位61.4%，間位1.6%，對(duì)位37%，kr27,求分速因素！1.4.2.3苯的多元親電取代反應(yīng)苯環(huán)上已有取代基的定位效應(yīng)具有加和性；當(dāng)苯環(huán)上已有取代基對(duì)新取代基定位效應(yīng)不一致時(shí)，新取代基進(jìn)入苯環(huán)的位置取決于已有取代基定位效應(yīng)的強(qiáng)弱；當(dāng)苯環(huán)上兩個(gè)取代基都是鈍化基時(shí)，很難再進(jìn)入新取代基；取代基一般不進(jìn)入1,3-取代苯的2位。P40。1.4.2.4稠環(huán)芳烴的親電取代反應(yīng)萘的一元親電取代：a-取代的中間體正離子共振結(jié)構(gòu)b-取代的中間體正離子共振結(jié)構(gòu)通常條件下，親電取代時(shí)，a位比b位活潑，主要得到a位取代產(chǎn)物；高溫磺化時(shí)得到熱力學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)物——b位取代產(chǎn)物（空間位阻）硝化氯化低溫磺化1.4.2.4稠環(huán)芳烴的親電取代反應(yīng)萘的二元親電取代：已有取代基為活化基團(tuán)時(shí)，第二