《有機(jī)合成反應(yīng)理論》ppt課件

1、第一章 有機(jī)合成反響實際朱健本章內(nèi)容 1.1 單元反響的分類 1.2 有機(jī)反響的根本過程 1.3 脂肪族取代反響實際 1.4 芳香族取代反響實際 1.5 自在基反響實際1.1 單元反響的分類 單元反響：為了在脂鏈、脂環(huán)、芳環(huán)、雜環(huán)上引入或者構(gòu)成各種取代基，所采用的各種化學(xué)反響。 常見的取代基 單元反響分類： 根據(jù)取代基類型分類： 磺化、硝化、鹵化、烷基化 根據(jù)反響機(jī)理分類： 芳環(huán)上的H被各種取代基取代的反響取代； 芳環(huán)上的取代基轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N取代基置換； 構(gòu)成雜環(huán)或新的碳環(huán)的反響成環(huán)縮合。常見的取代基 1. -SO3H,-SO2Cl,-SO2NH2 2. -NO2,-NO 3. -Cl,-Br,

2、-F, -I, -CH2Cl,-CHCl2,-CCl3,-CF3等 4. -NH2,-NHAr,-NHOH,-NHNH2,-NHAc,-NHR,-NRR 5. -R 6. -COOH,-COR,-COAr, -COH, -COOR,-COCl,-CONH2 7. -OH,-OR,-OAr,-OAc 8. -N2+Cl-, -N2 + HSO4 -, -N=NAr1.2 有機(jī)反響的根本過程 五個根本過程： 鍵的斷裂 鏈的構(gòu)成 鍵的斷裂與構(gòu)成同步發(fā)生 分子內(nèi)重排作用 電子傳送 鍵的斷裂ABC N NCNNCCH3CH3CH3CH3NC CCH3CH32N2+6070oCCl2Heat or Lig

3、htCl2(a)(b)ABH3C CCH3CH3ClH3C CCH3CH3+ClH3C CCH3CH3H3C CCH3CH3OH2H3C CCH3CH3OH+H均裂異裂鍵的構(gòu)成 兩個游離基的結(jié)合； 兩個相反離子的結(jié)合； 一個離子和一個中性分子的結(jié)合。(CH3)3C+OH2(CH3)3C-+OH2Cl-+AlCl3AlCl4- 鍵的斷裂和構(gòu)成同步發(fā)生 斷裂一個單鍵；構(gòu)成一個單鍵。 一個雙鍵轉(zhuǎn)化構(gòu)成單鍵同時構(gòu)成一個單鍵。分子內(nèi)重排CH3CCH3CH2+CH3CH3C+CH2CH3CH3 電子轉(zhuǎn)移 1.3 脂肪族取代反響實際 1.3.1 脂肪族親核取代反響； 同步取代反響：SN2歷程； 先消除再取代

4、反響：SN1歷程； 先加成再消除反響：四面體歷程 1.3.2 脂肪族親電取代反響。 雙分子歷程； 單分子歷程； 取代伴隨雙鍵挪動。1.3.1 脂肪族親核取代反響通式：RX + NuR Nu+XSN反響：S取代substitution), N親核nuclear);R-X：底物；Nu-：親核試劑、進(jìn)入基團(tuán)；X-：離去基團(tuán)。典型反響與運用：鹵代烷的各類取代反響P1表11。1.3.1 脂肪族親核取代反響反響歷程：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RXNu+NuRXRNu +X慢快過渡態(tài)SN2歷程歷程+慢快C BrHHHOH-CHBrHOHH過渡態(tài)CHOHHHBr親核試劑從反

5、響物離去基團(tuán)反面親核試劑從反響物離去基團(tuán)反面向碳原子進(jìn)攻，構(gòu)成一個較弱的向碳原子進(jìn)攻，構(gòu)成一個較弱的鍵；鍵；同時，離去基團(tuán)與碳原子的鍵有同時，離去基團(tuán)與碳原子的鍵有所減弱，兩者與碳原子成直線外所減弱，兩者與碳原子成直線外形，碳原子上另外三個鍵逐漸由形，碳原子上另外三個鍵逐漸由傘形轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫?，?gòu)成過渡態(tài)；傘形轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫?，?gòu)成過渡態(tài)；構(gòu)成過渡態(tài)耗費的能量為活化能構(gòu)成過渡態(tài)耗費的能量為活化能DE，過程需求較大能量，是比較，過程需求較大能量，是比較慢的一個過程，控制反響速度慢的一個過程，控制反響速度反響動力學(xué)與底物和親核試劑濃反響動力學(xué)與底物和親核試劑濃度都有關(guān)系。度都有關(guān)系。DENu- + RX N

6、uRXRNu + X-反響進(jìn)程能量SN2反響能量變化圖+XNuRNu慢快RXR+RNu- + R3CXR3CNuR3C-Nu + X-反響進(jìn)程SN1歷程歷程反響分步進(jìn)展；底物先離解構(gòu)成碳正離子與帶負(fù)電荷的離去基團(tuán)，這種離解過程需求耗費能量，是控制反響速度的慢的一步。然后，離解構(gòu)成的碳正離子立刻與親核試劑反響，這一過程的速度極快，是快的一步反響動力學(xué)只與底物濃度有關(guān)。反響的影響要素 烷基構(gòu)造：空間效應(yīng)和電子效應(yīng) SN2歷程反響，空間效應(yīng)決議； SN1歷程反響，電子效應(yīng)決議。 立體化學(xué)和重排： SN2-構(gòu)型翻轉(zhuǎn)； SN1-消旋。 進(jìn)入基團(tuán)：堿性和極化性 堿性強(qiáng)，親核性強(qiáng)，但是容易受溶劑影響溶劑選擇

7、； 可極化性大，親核性強(qiáng)，不受溶劑影響。 離去基團(tuán)：堿性弱，易離去 溶劑效應(yīng)： SN1歷程-質(zhì)子溶劑酸性強(qiáng)有利，溶劑極性大好； SN2歷程-偶極溶劑比較好，溶劑極性小較好。常見脂肪族親核取代反響la 氧親核試劑酯水解、羧酸的酯化、酯的醇氧親核試劑酯水解、羧酸的酯化、酯的醇解、酰鹵的醇解等，可以運用于涂料粘合劑解、酰鹵的醇解等，可以運用于涂料粘合劑的消費中。的消費中。lb硫親核試劑硫親核試劑 SH基或基或SR基在烷基碳上基在烷基碳上攻擊，主要用于外表活性劑的制備中。攻擊，主要用于外表活性劑的制備中。lc 氮親核試劑氮親核試劑 N烷化、烷化、N酰化；酰胺和?；?；酰胺和酰亞胺的酰亞胺的N烷化、烷化、

8、N?；?；以及亞硝酸酰化；以及亞硝酸根根(N02)、疊氮基、疊氮基(N3)、異氰酸根、異氰酸根(NCO)等，可以用于消費陽離子外表活性等，可以用于消費陽離子外表活性劑。劑。 ld 鹵親核試劑常用鹵化氫，無機(jī)酰鹵等，可鹵親核試劑常用鹵化氫，無機(jī)酰鹵等，可以用于鹵代烷的消費。以用于鹵代烷的消費。 le 在磺酰基硫上的親核取代反響在磺酰基硫上的親核取代反響 外表活性劑。外表活性劑。 1.3.2 脂肪族親電取代反響CXYCXYSE2（前面）構(gòu)型保持YSE2（后面）構(gòu)型轉(zhuǎn)化CXY CXCXYZCXYZSEi反響歷程：+RYX慢快RXR+RYSE1C C CXY+CYC CX+雙分子歷程SE2雙分子歷程SE

9、i單分子歷程SE1親電取代伴隨雙鍵挪動 1.4.1 芳香族親核取代反響 1.4.1.1 反響動力學(xué)與歷程； 1.4.1.2 對氫的親核取代反響； 1.4.1.3 對非氫的親核置換反響。 1.4.2 芳香族親電取代反響 1.4.2.1 苯的一元親電取代反響； 1.4.2.2 苯的二元親電取代反響； 1.4.2.3 苯的多元親電取代反響； 1.4.2.4 稠環(huán)芳烴的親電取代反響。1.4 芳香族取代反響1.4.1.1 芳香族親核取代反響反響類型：反響類型：芳環(huán)上氫的親核取芳環(huán)上氫的親核取代代芳環(huán)上已有取代基芳環(huán)上已有取代基的親核取代的親核取代經(jīng)過苯炔中間體的經(jīng)過苯炔中間體的親核取代親核取代反響歷程：

10、雙分子反響歷程單分子反響歷程苯炔中間體歷程親核試劑類型：負(fù)離子：OH-, RO-, ArO-等；極性分子中偶極的負(fù)端：含氮化合物。芳烴的親核反響要難于親電反響：苯環(huán)上電子云密度較高，不利于親核試劑的進(jìn)攻。1.4.1 反響動力學(xué)與歷程雙分子反響吸電子基團(tuán)活化的取代苯XNOO+NuXNuNOOXNuNOOXNuNOOXNuNOOXNuNOONuNOO絡(luò)合物共振式絡(luò)合物產(chǎn)物證明：邁森海默絡(luò)合物的獲得P49， 371.4.1 反響動力學(xué)與歷程+Ar慢快N2+NuArArN2+ArNu單分子反響芳香重氮鹽的親核置換證明：NN15+N NN N151.4.1 反響動力學(xué)與歷程ClNH2+NH2-經(jīng)過苯炔中

11、間體的取代氯苯和溴苯的氨解證明：+Cl14NH21414 NH248%52%1.4.2 對氫的親核取代反響 發(fā)生非常困難；吸電子基團(tuán)取代有利于反響進(jìn)展。相對于氫來說比較容易，詳細(xì)可以見P5253；用途：用于在苯環(huán)上直接引入直接在芳環(huán)上引入-OH、-OR、-OAr、-NH2、-HHR、-NRR、-NHAr、-CN和-SH等，或者為了在指定位置引入磺基或鹵基。1.4.3 對非氫的親核取代反響 1.4. 2 芳香族親電取代反響苯的分子構(gòu)造：容易發(fā)生親電反響；加成會破壞共軛構(gòu)造，因此只能發(fā)生取代反響C原子是sp2雜化，p軌道相互重疊，構(gòu)成一個大p鍵；p電子高度離域，環(huán)上下面電子云密度高；構(gòu)造特點構(gòu)造特

12、點親電取代反響親電取代反響1.4. 2 芳香族親電取代反響“p絡(luò)合物和“ s絡(luò)合物:CF3+NO2+F-+BF3CF3NO2+BF4-CF3HNO2+BF4-CF3NO2+HF+BF3 絡(luò)絡(luò)合合物物 絡(luò)絡(luò)合合物物反反應(yīng)應(yīng)物物親親電電試試劑劑生生成成物物芳烴與親電試劑接觸時，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，構(gòu)成p絡(luò)合物，但是此時沒有化學(xué)鍵構(gòu)成。對于親電才干較強(qiáng)的試劑，構(gòu)成p絡(luò)合物后，將進(jìn)一步從芳環(huán)奪取一對電子，與環(huán)上的某一碳原子構(gòu)成s鍵，稱作s絡(luò)合物。比較穩(wěn)定。1.4. 2 芳香族親電取代反響ArH+E+k1k-1ArHE+ArHE+k2ArE+H+反響歷程：第一步第二步親電試劑E和

13、芳烴先構(gòu)成s絡(luò)合物。絡(luò)合物由于破壞原來的芳香構(gòu)造，進(jìn)一步了解構(gòu)成取代產(chǎn)物。機(jī)理的證明可以經(jīng)過同位素效應(yīng)進(jìn)展：+NO2+k1k-1HNO2+k2NO2用混酸作為硝化試劑分別對苯、氘代苯和氚代苯進(jìn)展硝化時，測得三者的反響速度幾乎相等，即沒有同位素效應(yīng)。闡明反響中k2k1, k-1，即生成s絡(luò)合物是反響速度的控制階段，而脫質(zhì)子是快速階段。P23，表1-3更多例子。1.4.2 芳香族親電取代反響EE反響的可逆性：吸電子基團(tuán)取代后，導(dǎo)致苯環(huán)上電子云密度降低，特吸電子基團(tuán)取代后，導(dǎo)致苯環(huán)上電子云密度降低，特別是與吸電子基團(tuán)相連的碳原子電子云密度降低更多，別是與吸電子基團(tuán)相連的碳原子電子云密度降低更多，H

14、H更加不容易進(jìn)攻，所以反響不可逆。更加不容易進(jìn)攻，所以反響不可逆。推電子基團(tuán)取代后，導(dǎo)致苯環(huán)上電子云密度添加，尤推電子基團(tuán)取代后，導(dǎo)致苯環(huán)上電子云密度添加，尤其是與吸電子基團(tuán)相連的碳原子電子云密度添加更多，其是與吸電子基團(tuán)相連的碳原子電子云密度添加更多，有利于有利于H H進(jìn)攻，所以反響可逆。進(jìn)攻，所以反響可逆。特例：磺化反響的可逆。特例：磺化反響的可逆。SO3-+H3O+-O3SH+H2O+H-O3SH2OH2SO4親電的H間隔苯環(huán)間隔很小，容易進(jìn)攻，導(dǎo)致反響可逆。1.4.2 芳香族親電取代反響 誘導(dǎo)效應(yīng) 由相鄰鍵的極化而引起某個鍵的極化，對鄰鍵影響最大。 給電子誘導(dǎo)效應(yīng)：使電子云向苯環(huán)偏移加

15、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，因此對分子的偶極矩產(chǎn)生影響； 給電子共軛效應(yīng)供應(yīng)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)； 普通都是烷基； 烷基中CH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響 意義：一元取代苯再進(jìn)展一次親電取代的反響。 反響結(jié)果：構(gòu)成二元取代苯。 目的：制備各種芳香族中間體產(chǎn)品。 關(guān)鍵：第二個基團(tuán)的取代位置和難易程度。 取代基只需正的誘

16、導(dǎo)效應(yīng)如烷基，結(jié)果： 使苯環(huán)上面電子云密度添加，活化親電試劑和苯環(huán)間的反響。 取代基中與芳環(huán)相連的原子有孤對電子，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，由于孤對電子還可以與苯環(huán)發(fā)生正的共軛效應(yīng)，普通共軛效應(yīng)大于負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，最終結(jié)果使苯環(huán)電子云密度添加，活化親電試劑和苯環(huán)間的反響； 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)與親電試劑的反響鈍化，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)相連的原子沒有孤對電子，結(jié)果： 例子：-NR3, -NO2,

17、-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)的取代反響。二元取代的定位規(guī)律：1.4.2.2 苯的二元親電取代反響取代基的分類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響苯環(huán)定位規(guī)律：不同類型取代苯環(huán)上有效電荷分布。000000Cl+0.0429+0.116+0.0282NO2+0.260+0.192+0.274N +0.10-0.02-0.030.00-0.02取代基對苯環(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

18、反響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)攻其鄰對位構(gòu)成的s絡(luò)合物由于有推電子取代基參與其正電荷的分散，因此相對于沒有推電子取代基參與正電荷分散的間位s絡(luò)合物穩(wěn)定，有利于降低反響的活化能P30，168、169；親電取代反響比沒有取代苯容易，而且以鄰對位取代為主。N +0.10-0.02-0.030.00-0.02OHHClOHClH鄰對位取代s絡(luò)合物中的穩(wěn)定要素OHClHOHClHOHClH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響吸電子

19、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)攻其鄰對位構(gòu)成的s絡(luò)合物由于存在正電荷集中的共振構(gòu)造，因此其能量相對于間位s絡(luò)合物高，相應(yīng)的反響活化能大，不利于反響發(fā)生P32，170、171、172；親電取代反響比沒有取代的苯難于發(fā)生，反響以間位取代為主。鄰對位取代s絡(luò)合物中的不穩(wěn)定要素間位取代s絡(luò)合物中沒有類似的不穩(wěn)定構(gòu)造NO2+0.260+0.192+0.274NOONO2HNOONO2HNOONO2HNNO2HOONOOHNO2二元取代的定位規(guī)律：1.4.2.2

20、苯的二元親電取代反響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)，因此最終導(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)攻鹵代苯鄰對位時構(gòu)成的s絡(luò)合物由于有鹵素的參與而可以分散部分正電荷，使其得到一定程度的穩(wěn)定，能量要低于沒有鹵素參與分散的間位s絡(luò)合物，因此鄰對位反響占優(yōu)勢P33，173、174、175；親電取代反響比沒有取代的苯難于發(fā)生，反響以鄰對位取代為主。鄰對位取代s絡(luò)合物中的穩(wěn)定要素間位取代s絡(luò)合物中沒有類似的穩(wěn)定構(gòu)造Cl+0.0429+0.116+0.0282ClHNO2ClNO2HClNO2HClNO2HClNO2H影響二元取

21、代產(chǎn)物異構(gòu)體比例的要素：1.4.2.2 苯的二元親電取代反響影響二元取代產(chǎn)物異構(gòu)體分配比例的要素是非常復(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動； 不同條件下引起的過渡態(tài)構(gòu)造改動等。影響二元取代產(chǎn)物異構(gòu)體比例的要素：1.4.2.2 苯的二元親電取代反響影響要素已有取代基的空間效應(yīng)和極性效應(yīng)反響劑的空間效應(yīng)和極性效應(yīng)反響條件的影響極性類似時，空間效應(yīng)主導(dǎo)；烷基苯硝化時候體積增大，對位產(chǎn)物增多極性相差大時，極性效應(yīng)主導(dǎo)。鹵代苯硝化時從F到I，雖然體積增大，但是鄰位產(chǎn)物添加，就是由于極性效應(yīng)的影響。親電試劑的體積大，對位產(chǎn)物多；個別情況親電試劑可以與已有取代基構(gòu)成絡(luò)合物，使鄰位產(chǎn)物含量添加溫度：添加溫度，可以使反響從不可逆轉(zhuǎn)變成可逆，導(dǎo)致熱力學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)物添加；P38催化劑：影響親電試劑才干；介質(zhì)：經(jīng)過溶劑化程度影響底物和親電試劑。苯的二元親電取代分速要素：1.4.2.2 苯的二元親電取代反響分速要素：取代苯中某一位置的二元取代速度與苯的一個位置的一元取代速度之比?？梢杂糜诒容^取代苯上各個位置的反響速率。其中 fz z位置的分速要素； z 鄰、對、間位； y z位置的數(shù)目； kr 取代苯與苯的相對取代反響速率常數(shù)； x z位置異構(gòu)產(chǎn)