精細(xì)有機(jī)合成基礎(chǔ)課件

第二章精細(xì)有機(jī)合成基礎(chǔ)※電子效應(yīng)※脂肪族親核取代※芳香族親電取代※溶劑效應(yīng)※相轉(zhuǎn)移催化2．1有關(guān)電子效應(yīng)的幾個(gè)問題電子效應(yīng)：1、誘導(dǎo)效應(yīng)2、共軛效應(yīng)3、超共軛效應(yīng)1、誘導(dǎo)效應(yīng)pKa

ClCH2COOH2.8

ClCH2CH2COOH4.0

ClCH2CH2CH2COOH4.5CH3COOH4.7同族元素：-I：F>Cl>Br>IOR>SR>SeR>TeR+I：Li<Na<K在同族元素中，吸電子能力隨原子量增大而減少；給電子能力隨原子量增大而增大。帶電荷時(shí)同周期中-I：F>OH>NH2>CH3+I相反誘導(dǎo)效應(yīng)大小的比較，常用測(cè)定取代乙酸酸度的大小來決定。

XCH2COOH通過測(cè)取代乙酸的電離常數(shù)，得：-I：-F>-Cl>-Br>-I>-OCH3>-NHCOCH3>-C6H5>-CH=CH2>-H>-CH3（3）σ-π共軛。2、共軛效應(yīng)重要的共軛體系有：（1）π-π共軛；（2）p-π共軛；（1）

π-π共軛體系CH2=CH-CH=OCH2=CH-CH=CH2特點(diǎn)：（1）以C=C為標(biāo)準(zhǔn)（2）只涉及電子云密分布的改變，共用電子對(duì)不屬于某一原子（3）沿π鍵傳遞，位置越遠(yuǎn)，影響不變。（4）共軛效應(yīng)的強(qiáng)弱由共軛體系的性質(zhì)、原子半徑的大小及其電負(fù)性所決定。共軛體系由于氧的電負(fù)性較大，電子密度沿共軛體系向氧原子方向轉(zhuǎn)移，為負(fù)的共軛效應(yīng)，也稱吸電子共軛效應(yīng)，以-M或-C表示。π-π共軛體系X=O、N、S、C-M：-C=O>-C=S-C=O>-C=N>-C=C原子序數(shù)越小，電負(fù)性越大，吸電子的能力越大。-M效應(yīng)越大。p-π共軛體系X=F、Cl、Br、I、O、S、N、etc+M：-F>-Cl>-Br>-IFClBrI原子半徑：F<Cl<Br<IC-X的鍵長(zhǎng)：F-C<Cl-C<Br-C<C-IP-π重疊程度：F-C>Cl-C>Br-C>C-IC-XC-FC-ClC-BrC-I鍵長(zhǎng)(nm)0.1410.1780.1910.212δF-δCl-δBr-δI-δF->δCl->δBr->δI-δO-δS-δSe-δO->δS->δSe-+M：-OR>-SR>-SeR帶電荷時(shí)正電荷加強(qiáng)吸電子效應(yīng)，負(fù)電荷加強(qiáng)給電子效應(yīng)。（和誘導(dǎo)效應(yīng)的規(guī)律一致）由于H原子的特殊性，電子云屏蔽的作用很小，易與π電子共軛。

3、超共軛效應(yīng)（σ-π共軛）2．2．1親核取代反應(yīng)的歷程（1）SN2雙分子歷程（2）SN1單分子歷程（3）四面體歷程反應(yīng)速度=k[RX][Nu-]（1）SN2雙分子歷程歷程一般表示為：（2）SN1單分子歷程反應(yīng)速度=k[RX]歷程一般表示為：δ-δ+驗(yàn)證SN2或SN1反應(yīng)，可通過添加N3-（疊氮陰離子，親核性高），觀察對(duì)反應(yīng)速度的影響。SN1無影響SN2反應(yīng)速度明顯提高

對(duì)不飽和鍵（C=O，C=S和C=N）上的親核取代反應(yīng)。如酯的水解、羧酸的酯化等。

（3）四面體歷程2．2．2親核取代反應(yīng)的立體化學(xué)在SN2中，如：構(gòu)型反轉(zhuǎn)

在SN1中，較復(fù)雜。中間生成的碳正離子的穩(wěn)定性起了重要作用。有以下幾種情況：

（1）中間生成的碳正離子相當(dāng)穩(wěn)定

中間形成的C+離子相對(duì)穩(wěn)定，同一平面，Y-從兩邊進(jìn)攻的幾率相等。如α-氯代苯乙烷的水解，得到的是98%外消旋化的產(chǎn)物：原料為旋光性，產(chǎn)物外消旋。離去基團(tuán)還沒有完全離去，親核試劑已開始反應(yīng)。此時(shí)，正面進(jìn)攻受離去基團(tuán)的阻礙，故主要從反面進(jìn)攻。（2）中間生成的碳正離子壽命很短構(gòu)型反翻如：2-溴辛烷在乙醇-水溶液中單分子水解，外消旋化程度為40%左右。如果原料有旋光性，則大部分構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，部分外消旋化。+I、+I+I、+M（3）鄰近基團(tuán)參與作用如2-溴丙酸在稀堿溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，可似為SN1反應(yīng)。得到構(gòu)型保持的乳酸

又如：由于雙鍵的參與，得到構(gòu)型保持的產(chǎn)物。

2．2．3影響親核取代反應(yīng)速度的因素（1）反應(yīng)物結(jié)構(gòu)的影響（2）親核試劑的影響Nu-（3）離去基團(tuán)（4）溶劑效應(yīng)（1）反應(yīng)物結(jié)構(gòu)的影響δ+Y為吸電子基時(shí)，有利于SN2Y為給電子基時(shí)，有利于SN1空間阻礙越大，越不利于SN2有利于SN1如：SN2相對(duì)活性：CH3Br>CH3CH2Br>(CH3)2CHBr>(CH3)3CBr150：1：0.01：0.001（SN1的相對(duì)活性剛好相反）（2）親核試劑的影響Nu-對(duì)SN1無影響。在SN2中，Nu-的親核性越大，反應(yīng)速度越快。Nu-的親核能力大小，與堿性和可極化性有關(guān)。

堿性大小：EtO->OH->C6H5O->CH3COO->H2O親核性大?。篍tO->OH->C6H5O->CH3COO->H2O如：I-，

SH-，SCN-是弱堿，但它們都是好的親核試劑，這是因?yàn)樗鼈兊脑影霃捷^大，因而有好的可極化性?？蓸O化性（3）離去基團(tuán)離去基團(tuán)的堿性越弱，形成的負(fù)離子越穩(wěn)定，就越容易離去。易離去：RSO3->-I>-Br>-Cl>RCOO->-NR2

I-的特殊性，好的親核能力，好的離去基團(tuán)，常作為氯代烷水解的催化劑，如：又：_OH

、

_

OR、_

NH2、_

NHR等，堿性強(qiáng)，一般不易被置換，即不是好的離去基團(tuán)。所以，-OH、-OR、-NH2、-NHR不易被取代。但在強(qiáng)酸溶液中，變成-OH2+、-OHR+、-NH3+、-NH2+R；離去后形成H2O、ROH、NH3、RNH2，非常穩(wěn)定，易離去。從醇制備溴化物，加入較濃的氫溴酸；或加入Lewisacid，如AlCl3、ZnCl2等：（4）溶劑效應(yīng)質(zhì)子溶劑中：不利于SN2對(duì)SN1有利

極性的影響如下：

SN1

極性增加有利

SN2

極性增加略微減慢

SN2

極性增加有利

SN2

極性增加不利

2．2．4親核取代反應(yīng)與消除反應(yīng)(Elimination)的競(jìng)爭(zhēng)溴代烷與EtO-在EtOH中，于55℃反應(yīng)SN取代與E常常處于競(jìng)爭(zhēng)。SN2與E2競(jìng)爭(zhēng)。SN1與E1競(jìng)爭(zhēng)。2．3芳香族取代理論2．3．1反應(yīng)歷程

大部分情況下，形成π-complex階段對(duì)總的反應(yīng)速度，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成沒有影響，因此在討論反應(yīng)歷程時(shí)常將其省略。σ-complex不穩(wěn)定，兩種反應(yīng)途徑：1、快速脫去H+，形成ArE，k2≥k1、k-1；2、快速脫落E+，恢復(fù)為ArH，k-1≥k2。第一步第二步

氫H、氘D、氚T，三種同位素和碳所形成的C-H、C-D、C-T鍵的斷裂速度不同，質(zhì)量大的斷鍵較慢，這種反應(yīng)速度的差異，稱動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)。斷鍵速度C-H比C-D快7倍，kH/kD≈7C-H比C-T快20倍，kH/kT≈20實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)同位素效應(yīng)（isotopiceffect）來判斷。例1：苯-T，甲苯-T，HNO3-H2SO4，kH/kT<1.2

硝基苯-D5，HNO3-H2SO4，kH/kD≈1.0上兩例中，沒有同位素效應(yīng)。K2≥k-1、k1,生成σ-complex是慢速度，是速度控制步驟。例2：2-萘酚-8-磺酸-1D，C6H5N2+，kH/kD≈6.28位的磺酸基體積大，空間阻礙。

脫質(zhì)子速度慢，是速度控制步驟，即K2≤k-1、k1，有同位素效應(yīng)。1，3，5-三叔丁基苯-T，Br2，kH/kT≈10.0空間阻礙例3：硝基苯-D5，H2SO4-SO3，kH/kD≈1.6～1.7，有中等同位素效應(yīng)，此時(shí)k2≈k-1，脫質(zhì)子是部分控制速度的階段。影響因素：1、已有取代基的性質(zhì)(最重要)；2、親電試劑的性質(zhì)；3、反應(yīng)的可逆性；4、反應(yīng)條件（溫度、催化劑、溶劑等）。2．3．2苯的二元親電取代的定位規(guī)律鄰對(duì)位定位基最強(qiáng)O-+I，+M活化基強(qiáng)NR2，NHR，NH2，OH，OR

-I，+M，但|-I|<|+M|

*+I中OCOR，NHCOR弱NHCHO，C6H5，*CH3，*CR3

弱F,Cl,Br,I,CH2Cl,CH=CHCOOH，CH=CHNO2

-I，+M，但|-I|>|+M|鈍化基間位定位基強(qiáng)CORCHO,COORCONH2，COOH，SO3H，CN，NO2

-I，-M最強(qiáng)NH3+，NR3+

-I

2．3．3影響苯的二元產(chǎn)物異構(gòu)體比例的因素（1）已有取代基的空間效應(yīng)和電子效應(yīng)（2）親電試劑的空間效應(yīng)和電子效應(yīng)（3）反應(yīng)條件的影響（1）已有取代基的空間效應(yīng)和電子效應(yīng)

體積增大，鄰位減少（在電子效應(yīng)相近時(shí)成立）。

鄰/對(duì)注：用CH3COONO2，在0℃硝化

甲苯1.66乙苯0.90異丙苯0.41叔丁苯0.12如電子效應(yīng)相差大時(shí)，以電子效應(yīng)為主。

鄰/對(duì)注：用HNO3+67.5%H2SO4，在25℃硝化

氟苯0.15氯苯0.55溴苯0.77碘苯0.83

+MF>Cl>Br>I隨π鍵傳遞，對(duì)鄰、對(duì)位影響相同；-IF>Cl>Br>I隨σ鍵傳遞，對(duì)鄰位影響較大。（2）親電試劑的空間效應(yīng)和電子效應(yīng)

E+體積越大，位阻越大，鄰位生成量減少。

已有取代基Cl2鄰/對(duì)Br2鄰/對(duì)OH10.11NHAc0.430OCH30.270.04CH31.510.49CMe30.290.09有時(shí)有取代基參與，則情況不同，如：

因?yàn)橄跛岷鸵宜狒纬梢阴；跛狨ィ?/p>

（3）反應(yīng)條件的影響

A．溫度

大多數(shù)親電取代反應(yīng)不可逆，但溫度升高，使磺化和烷基化成為可逆，因而影響異構(gòu)體比例。如：

其中有熱力學(xué)控制與動(dòng)力學(xué)控制的問題。對(duì)于不可逆反應(yīng)，溫度升高，只會(huì)有微小的影響。

B．催化劑

硝化劑的組成molH2SO4

H2OP2O5

鄰/對(duì)1.1710.02.355.7%40.3%4.0%1.381.171.78059.5%36.5%4.0%1.63P2O5相當(dāng)于加入一定量的H3PO4，H3PO4和NO2+形成絡(luò)合物，增大體積，使鄰位減少。

C．介質(zhì)

介質(zhì)是影響異構(gòu)體比例的重要因素。對(duì)不同的反應(yīng)有些不同，將在具體的反應(yīng)中討論。

經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：（大多為混合物）

（1）已有取代基具有加和性。二個(gè)取代基一致時(shí)，如：2．3．4苯的多元取代反應(yīng)

（2）二個(gè)取代基不一致時(shí)，取決于已有取代基定位效應(yīng)的強(qiáng)弱。一般定位以活化基為主；活化基的定位效應(yīng)有下列強(qiáng)弱次序：O->NH2>NR2>OH>OCH3,NHCOCH3>CH3>X如：

（3）二個(gè)取代基都是鈍化基時(shí)，很難再進(jìn)入新取代基。鈍化基的定位效應(yīng)有下列強(qiáng)弱次序：NMe3+>NO2>CN>SO3H>CHO>COCH3>COOH（4）新取代基一般不進(jìn)入1，3-取代苯的2位。

2．3．5稠環(huán)化合物的親電取代反應(yīng)α位比β位活潑，β位比α位穩(wěn)定。

萘環(huán)中的取代基對(duì)兩個(gè)環(huán)都有影響，但是對(duì)同環(huán)影響更大。一般，活化基，新取代基進(jìn)入同環(huán)：如為鈍化基，則新取代基進(jìn)入異環(huán)：

蒽醌可似為二個(gè)羰基（鈍化基）取代的苯環(huán)，其親電取代比苯和萘要難，α位比β位微活潑，主要得α位產(chǎn)物，但同時(shí)生成較多的β位異構(gòu)體。特例：因?yàn)橛泄}時(shí)：

蒽醌的二個(gè)邊環(huán)是隔離的，引入磺基或硝基時(shí)，對(duì)另一邊環(huán)的鈍化作用不大。所以，一取代時(shí)，常得到大量的二取代物。引入第二個(gè)取代基時(shí)，定位規(guī)律和萘環(huán)基本相同。如：

分以下三種類型：（1）在離去基團(tuán)的鄰、對(duì)位受到吸電子基團(tuán)活化的反應(yīng)，屬SN2：2．3．6芳香族親核取代反應(yīng)鄰、對(duì)位吸電子基，電荷分散，活化能降低。

（2）受強(qiáng)堿催化通過生成苯炔中間過程的反應(yīng)，benzynemechanism:其中以溴化物是活潑，最易氨解。

但：

（3）重氮基被親核基團(tuán)置換的反應(yīng)，SN1：

（1）溶劑的分類質(zhì)子溶劑protic非質(zhì)子溶劑aprotic極性溶劑polar水甲酸甲醇乙醇乙腈DMF丙酮HMPADMSO非極性溶劑nonpolar異戊醇叔丁醇苯甲醇仲戊醇乙二醇二甲醚乙酸乙酯苯環(huán)己烷2．4溶劑效應(yīng)

（2）軟硬酸堿理論在溶劑效應(yīng)上的應(yīng)用硬軟中間酸H+,Li+,Na+,AlCl3,SO3,RSO2+,RCO+,CO2

Hg2+,RS+,I+,Br+,RO+,I2,Br2，CSO2+,NO+,C6H5+,R3C+

堿H2O,HO-,F-,CH3COO-,SO42-,Cl-,ROH,RO-,R2O,NH3,RNH2

R2S,R2S,RSH,RS-,I-,SCN-,S2O32-,CN-,CO,C2H4,C6H6,R3C-，CO32-

C6H5NH2,N3-,C5H5N,Br-,NO2-,SO32-

軟硬酸堿規(guī)則：硬酸易與硬堿結(jié)合，軟酸易與軟堿結(jié)合。此規(guī)則可以解釋和預(yù)測(cè)有機(jī)反應(yīng)中的一些問題。

Li+

+N(n-C4H9)4I-6.23.7相對(duì)速度常數(shù)Br-5.718（丙酮為弱極性非質(zhì)子溶劑）Cl-1.068（3）正離子締合作用的影響解釋：Li+體積小，與負(fù)離子成離子對(duì)Li+‖X-，離子越小，形成的離子對(duì)越容易，越緊密。+N(C4H9)4的體積很大，難形成離子對(duì)，在丙酮中實(shí)際上完全解離。此即正離子締合作用對(duì)反應(yīng)速度的影響。即降低反應(yīng)速度。又例：

離子對(duì)K+‖CH3O-，降低了CH3O-的反應(yīng)活性。加入冠醚時(shí)：二苯并-18-冠醚-6冠醚與金屬正離子形成牢固的配價(jià)鍵，將正離子包圍起來，使CH3O-成為“裸離子”，增強(qiáng)其親核能力。（4）溶劑的極性（polarity）對(duì)反應(yīng)速度的影響溶劑對(duì)活化過渡態(tài)的形成產(chǎn)生影響，繼而對(duì)反應(yīng)速度產(chǎn)生影響。Hughes-IngoldRule:①當(dāng)活化過渡態(tài)的電荷密度大于起始原料時(shí)，溶劑的極性增加有利于過渡態(tài)的形成，使反應(yīng)速度加快。②當(dāng)活化過渡態(tài)的電荷密度小于起始原料時(shí)，溶劑的極性增加不利于過渡態(tài)的形成，使反應(yīng)速度減慢。③當(dāng)活化過渡態(tài)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。（5）溶劑對(duì)產(chǎn)物的影響即對(duì)反應(yīng)的途徑產(chǎn)生影響。例：

原因：乙酰乙酸乙酯在苯中主要以酮式存在；而在吡啶中主要以烯醇式存在。

2．5相轉(zhuǎn)移催化簡(jiǎn)稱PTC（PhaseTransferCat