精細有機合成第二章2

1、2.3 2.3 親核取代反應親核取代反應反應通式：反應通式：R-H Z- R-Z H-R-H Z-Y R-Z H-Y脂肪族化合物的親核取代脂肪族化合物的親核取代芳香族化合物的親核置換芳香族化合物的親核置換芳環(huán)上氫的親核取代芳環(huán)上氫的親核取代2.3.1 2.3.1 脂肪族化合物的親核取代反應脂肪族化合物的親核取代反應 反應歷程：反應歷程：雙分子歷程雙分子歷程 單分子歷程單分子歷程 反應的影響因素：反應的影響因素：作用物結構作用物結構 被取代離去基團被取代離去基團 親核試劑親核試劑 溶劑溶劑2.3.1.1 2.3.1.1 反應歷程反應歷程 雙分子歷程（雙分子歷程（S SN2N2）+RXNuRXNu

2、R +Nu :-X-親核試劑親核試劑過渡態(tài)過渡態(tài)離去基團離去基團OH-: +CXHHH慢HOCHHXH-CHOHHH+ X:- 單分子歷程（單分子歷程（S SN1N1）第一步第一步第二步第二步R+-Nu :快快RNuX-RXR+慢慢2.3.1.2 2.3.1.2 反應的影響因素反應的影響因素 作用物結構的影響作用物結構的影響圖圖 鹵代烷烷基對水解速度的影響鹵代烷烷基對水解速度的影響被進攻的碳原子上有給電性取代基，有利于被進攻的碳原子上有給電性取代基，有利于SN1反應，反應，分子中有吸電性取代基，則有利于分子中有吸電性取代基，則有利于SN2反應。反應。 被取代離去基團的影響被取代離去基團的影響

3、（1 1）被取代離去基（）被取代離去基（X X）接受電子能力越強接受電子能力越強，越有利于親核取，越有利于親核取代反應的進行。代反應的進行。 （2 2）被取代離去基接受電子的能力取決于）被取代離去基接受電子的能力取決于X X- -的穩(wěn)定性和堿性的穩(wěn)定性和堿性。 X X- -堿性越弱，穩(wěn)定性越強，越容易被親核試劑堿性越弱，穩(wěn)定性越強，越容易被親核試劑取代而離去。取代而離去。RSO3 I Br Cl RCOO HO H2N一般說來，被取代的難易次序為：一般說來，被取代的難易次序為： 親核試劑的影響親核試劑的影響 （1 1）對）對S SN N1 1反應影響不大，對反應影響不大，對S SN N2 2反

4、應速度有明顯的影響。反應速度有明顯的影響。 （2 2）絕大多數(shù)試劑的親核能力與其堿性一致。）絕大多數(shù)試劑的親核能力與其堿性一致。 例如：例如：C2H5O- OH- PhO- CH3CH2-H2O （3 3）當可極化度起主導作用時，親核性與堿性不一致。）當可極化度起主導作用時，親核性與堿性不一致。在同族元素的試劑中，親核性是按電負性的下降而提高。在同族元素的試劑中，親核性是按電負性的下降而提高。 例如：例如：IBrClF和和 PhSPhO 溶劑的影響溶劑的影響（1 1）對）對S SN N1 1反應，極性溶劑有利于中性化合物反應，極性溶劑有利于中性化合物R-XR-X的解離。的解離。 RXR+X-溶

5、劑極性越大，反應速度越快。溶劑極性越大，反應速度越快。（2 2）對）對S SN N2 2反應，反應，NuNu- -易與質子傳遞型溶劑形成氫鍵，使易與質子傳遞型溶劑形成氫鍵，使反應活性降低。反應活性降低。反應宜在非質子傳遞型溶劑中進行。反應宜在非質子傳遞型溶劑中進行。2.3.2 2.3.2 芳環(huán)上氫的親核取代反應芳環(huán)上氫的親核取代反應 Nu:-優(yōu)先進攻芳環(huán)上電子云密度最低的位置。優(yōu)先進攻芳環(huán)上電子云密度最低的位置。 反應的難易和定位規(guī)律與芳香族化合物的親反應的難易和定位規(guī)律與芳香族化合物的親電取代反應相反。電取代反應相反。 自學自學2.3.3 2.3.3 芳環(huán)上已有取代基的親核置換芳環(huán)上已有取代

6、基的親核置換反應反應 芳環(huán)的電子云密度較高，芳環(huán)的電子云密度較高，很難被很難被Nu-進攻而直接引進攻而直接引入入-OH、-OR、-NH2等基等基團，只能通過親核置換來團，只能通過親核置換來完成。完成。 首先在芳環(huán)上引入首先在芳環(huán)上引入-Cl、 -SO3H、-N2+Cl-等吸電子等吸電子取代基，使苯環(huán)上電子云取代基，使苯環(huán)上電子云密度降低，有利于親核置密度降低，有利于親核置換反應的發(fā)生。換反應的發(fā)生。ClNaOROHRONH2Cl2+Fe2.3.3.1 2.3.3.1 反應歷程反應歷程 雙分子歷程雙分子歷程 單分子歷程單分子歷程ArN2+X-Ar+N2X-+慢慢Ar+ArOHH2OH+X+ Y-

7、YX-.Y+ X-慢慢2.3.3.2 2.3.3.2 芳環(huán)上已有取代基對反應的芳環(huán)上已有取代基對反應的影響影響 離去基團共軛位（鄰、對位）有離去基團共軛位（鄰、對位）有吸電子取吸電子取代基存在，對反應有利代基存在，對反應有利。Cl2NaOH+ONaNaClH2O+10% NaOH350-400,20-30MPaClNO22NaOH+ONaNO2NaClH2O+10% NaOH160,0.6MPaClNO2NO22NaOH+ONaNO2NO2NaClH2O+10% NaOH100,常壓常壓 離去基團共軛位有離去基團共軛位有供電子取代基，對反應不供電子取代基，對反應不利利。 芳環(huán)上同時有多個離去基

8、團（芳環(huán)上同時有多個離去基團（-Cl，-SO3H， -NO2，-CN，-N=N-等）同時存在時，等）同時存在時，ClCl優(yōu)先優(yōu)先 被置換被置換。 自由基是具有不成對電子的化學物種，它可自由基是具有不成對電子的化學物種，它可以是原子、基團或分子。大多數(shù)自由基很活潑，以是原子、基團或分子。大多數(shù)自由基很活潑，在反應過程中只能瞬時存在。產(chǎn)生自由基的方在反應過程中只能瞬時存在。產(chǎn)生自由基的方法有三種：熱離解法和光離解法是使分子中共法有三種：熱離解法和光離解法是使分子中共價鍵的一對電子發(fā)生均裂而產(chǎn)生自由基；電子價鍵的一對電子發(fā)生均裂而產(chǎn)生自由基；電子轉移法是可變價金屬離子得電子或失電子使中轉移法是可變價

9、金屬離子得電子或失電子使中性分子離解為自由基和正離子或負離子；電解性分子離解為自由基和正離子或負離子；電解法是中性分子在電極表面得電子或失電子而生法是中性分子在電極表面得電子或失電子而生成正離子基或負離子基。成正離子基或負離子基。 自由基反應大都是鏈反應，其反應歷程包自由基反應大都是鏈反應，其反應歷程包括三個階段，即鏈引發(fā)、連增長和鏈終止。括三個階段，即鏈引發(fā)、連增長和鏈終止。2.4 2.4 自由基反應自由基反應 加成反應分為三種類型：親電加成、親核加加成反應分為三種類型：親電加成、親核加成、自由基加成。成、自由基加成。2.5.1 親電加成親電加成 親電加成一般發(fā)生在碳親電加成一般發(fā)生在碳碳重

10、鍵上碳重鍵上，因為因為烯烴、快烴分子中的烯烴、快烴分子中的電子具有較大的活動電子具有較大的活動性，表現(xiàn)出親核性，所以它們容易與多種親電性，表現(xiàn)出親核性，所以它們容易與多種親電試劑發(fā)生親電加成反應。常用的親電試劑有：試劑發(fā)生親電加成反應。常用的親電試劑有：強酸強酸( (例如硫酸、氫鹵酸例如硫酸、氫鹵酸) )、LewisLewis酸酸( (例如例如FeCl3FeCl3、A1C13)A1C13)、鹵素鹵素、次鹵酸、鹵代烷等。次鹵酸、鹵代烷等。 雙鍵連有供電基時使反應加快，有吸電基時雙鍵連有供電基時使反應加快，有吸電基時使反應減慢。使反應減慢。2.5 2.5 加成反應加成反應 其反應歷程分兩步進行：首

11、先生成碳正其反應歷程分兩步進行：首先生成碳正離子中間產(chǎn)物，然后快速生成產(chǎn)物。離子中間產(chǎn)物，然后快速生成產(chǎn)物。2.5.2 親核加成親核加成 親核加成是由親核試劑進攻而引起的加成反應，親核加成是由親核試劑進攻而引起的加成反應，主要發(fā)生在碳氧雙鍵上，在堿催化下總是帶正電荷主要發(fā)生在碳氧雙鍵上，在堿催化下總是帶正電荷的碳原子與親核試劑反應。的碳原子與親核試劑反應。2.5.3 自由基加成自由基加成 自由基加成是反應試劑在光、高溫或引發(fā)劑的自由基加成是反應試劑在光、高溫或引發(fā)劑的作用下先生成游離基，然后與碳碳重鍵發(fā)生加成反作用下先生成游離基，然后與碳碳重鍵發(fā)生加成反應，它們都是鏈反應。例如鹵素和鹵化氫對碳

12、碳重應，它們都是鏈反應。例如鹵素和鹵化氫對碳碳重鍵的加成反應。鍵的加成反應。 2.6 2.6 精細有機合成中的溶劑作用精細有機合成中的溶劑作用 概述概述 溶劑的分類溶劑的分類 離子化作用和理解作用離子化作用和理解作用 溶劑的靜電效應對反應速度的影響溶劑的靜電效應對反應速度的影響 專一性溶劑化作用對親核取代反應速度的影響專一性溶劑化作用對親核取代反應速度的影響 有機反應中溶劑的使用和選擇（自學）有機反應中溶劑的使用和選擇（自學） 溶劑對有機反應的影響溶劑對有機反應的影響 溶液和溶解作用溶液和溶解作用（1 1）相同分子之間的引力與不同分子之間的引力的相互關系。）相同分子之間的引力與不同分子之間的引

13、力的相互關系。（2 2）由分子的極性所引起的締合程度。）由分子的極性所引起的締合程度。（3 3）溶劑化作用。）溶劑化作用。（4 4）溶劑和溶質的分子量。）溶劑和溶質的分子量。 溶劑和溶質之間的相互作用溶劑和溶質之間的相互作用2.6.1 2.6.1 概述概述庫侖力庫侖力( (靜電引力靜電引力) )：離子：離子- -離子力、離子離子力、離子- -偶極力偶極力范德華力范德華力( (內聚力內聚力) )：偶極：偶極- -偶極力、偶極偶極力、偶極- -誘導偶誘導偶 極力、瞬時偶極極力、瞬時偶極- -誘導偶極力誘導偶極力專一性力：包括氫鍵締合專一性力：包括氫鍵締合作用、電子對給體受體作用、溶劑作用、電子對給

14、體受體作用、溶劑 化作用、離子化作用合離解作用等?；饔?、離子化作用合離解作用等。非專一性力非專一性力( (普遍）普遍）2.6.2 2.6.2 溶劑的分類溶劑的分類 按化學結構分類按化學結構分類無機溶劑無機溶劑：水、液氨、液體二氧化硫、氟化氫、濃：水、液氨、液體二氧化硫、氟化氫、濃 硫酸、熔融氫氧化鈉和氫氧化鉀、四氯硫酸、熔融氫氧化鈉和氫氧化鉀、四氯 化鈦、三氯化磷合三氯氧磷等。化鈦、三氯化磷合三氯氧磷等。有機溶劑有機溶劑：脂烴、環(huán)烷烴、芳烴、鹵代烴、醇、醚、：脂烴、環(huán)烷烴、芳烴、鹵代烴、醇、醚、 酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、 胺、腈、酰胺、砜和亞砜、雜

15、環(huán)化合物等。胺、腈、酰胺、砜和亞砜、雜環(huán)化合物等。 按偶極矩和介電常數(shù)分類按偶極矩和介電常數(shù)分類（1 1）偶極矩（偶極矩（）：）： 指偶極分子中電量相等的兩個相反電荷中指偶極分子中電量相等的兩個相反電荷中的一個電荷的電量（的一個電荷的電量（q q），與這兩個電荷間距），與這兩個電荷間距離（離（d d）的乘積，單位：德拜（）的乘積，單位：德拜（D D）。即：）。即：q qd dCl例：例：1.54D1.54D極性溶劑：分子中具有永久偶極的溶劑。極性溶劑：分子中具有永久偶極的溶劑。 有機溶劑的偶極矩有機溶劑的偶極矩在在0 05.5D5.5D之間。之間。無極性溶劑無極性溶劑 分子中沒有永久偶極的溶劑

16、，如環(huán)己烷、苯等。分子中沒有永久偶極的溶劑，如環(huán)己烷、苯等。2.5D2.5D的有機溶劑，如氯苯、二氯甲烷等。的有機溶劑，如氯苯、二氯甲烷等。 偶極矩主要影響在溶質（分子或離子）偶極矩主要影響在溶質（分子或離子）周圍溶劑分子的定向作用。周圍溶劑分子的定向作用。（2 2）介電常數(shù)（介電常數(shù)（） 也叫電容率或相對電容率，是表示電介質也叫電容率或相對電容率，是表示電介質或絕緣材料或絕緣材料電性能的一個重要參數(shù)電性能的一個重要參數(shù)。 具有永久偶極或誘導偶極的溶劑分子被充具有永久偶極或誘導偶極的溶劑分子被充電的電容器板強制形成一個有序排列，即極化電的電容器板強制形成一個有序排列，即極化作用，作用，極化作用

17、越大，介電常數(shù)越大極化作用越大，介電常數(shù)越大。 介電常數(shù)表示溶劑分子本身分離出電荷的介電常數(shù)表示溶劑分子本身分離出電荷的能力，或溶劑使它偶極定向的能力。能力，或溶劑使它偶極定向的能力。 極性溶劑：極性溶劑：15152020非極性溶劑：非極性溶劑：15152020 介電常數(shù)主要影響溶劑中離子的溶劑化作介電常數(shù)主要影響溶劑中離子的溶劑化作用和離子體的離解作用。用和離子體的離解作用。 有機溶劑的介電常數(shù)有機溶劑的介電常數(shù)在在2 2190190之間，之間，越大，溶劑極性越強越大，溶劑極性越強。（3 3）溶劑極性的本質溶劑極性的本質溶劑化作用溶劑化作用 每一個被溶解的分子或離子被一層或幾每一個被溶解的分

18、子或離子被一層或幾層溶劑分子或松或緊地包圍的現(xiàn)象，叫做層溶劑分子或松或緊地包圍的現(xiàn)象，叫做溶溶劑化作用劑化作用，它包括溶劑與溶質之間所有專一，它包括溶劑與溶質之間所有專一性和非專一性相互作用的總和。性和非專一性相互作用的總和。（4 4）溶劑極性參數(shù)溶劑極性參數(shù) 實驗極性參數(shù)實驗極性參數(shù)E ET T(30)(30)值值 按按LewisLewis酸堿理論分類酸堿理論分類( (電子理論）電子理論）LewisLewis酸堿理論：酸是電子對受體（酸堿理論：酸是電子對受體（EPAEPA） 堿是電子對給體（堿是電子對給體（EPDEPD） A + :B A BA + :B A B 酸酸(EPA) (EPA)

19、堿堿(EPD) (EPD) 酸酸- -堿配合物堿配合物 親電試劑親電試劑 親核試劑親核試劑 EPA/EPDEPA/EPD配合物配合物 EPAEPA溶劑溶劑：具有缺電子或酸性部位，親電試劑，：具有缺電子或酸性部位，親電試劑， 擇優(yōu)使擇優(yōu)使EPDEPD或負離子溶劑化或負離子溶劑化。 如水、醇、酚、羧酸等。如水、醇、酚、羧酸等。EPDEPD溶劑溶劑：具有富電子或堿性部位，親核試劑，：具有富電子或堿性部位，親核試劑， 擇優(yōu)使擇優(yōu)使EPAEPA或正離子溶劑化或正離子溶劑化。 如：醇、醚、羰基化合物中的氧如：醇、醚、羰基化合物中的氧 氨類和氨類和N N雜環(huán)化合物中的氮原子雜環(huán)化合物中的氮原子質子給體溶劑質

20、子給體溶劑：主要是酸，如：主要是酸，如H2SO4、CH3COOH質子受體溶劑質子受體溶劑：主要是堿，如：主要是堿，如NH3、CH3CON(CH3)2兩性溶劑兩性溶劑：既可接受質子，又可提供質子，如：既可接受質子，又可提供質子，如H2O 按按Brownsted 酸堿理論分類酸堿理論分類(質子理論質子理論) 按專一性溶質、溶劑相互作用分類按專一性溶質、溶劑相互作用分類質子傳遞型溶劑質子傳遞型溶劑：含有能與電負性元素：含有能與電負性元素( (F、Cl、O、S、 N、P) )相結合的氫原子，相結合的氫原子，1515。 水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等非質子傳遞極性溶

21、劑非質子傳遞極性溶劑：高介電常數(shù)：高介電常數(shù)，高偶極矩。，高偶極矩。 丙酮、丙酮、DMF、硝基苯、乙腈、二甲、硝基苯、乙腈、二甲 基亞砜、環(huán)丁砜等基亞砜、環(huán)丁砜等非質子傳遞非極性溶劑非質子傳遞非極性溶劑：低介電常數(shù)，低偶極矩。：低介電常數(shù)，低偶極矩。 烷烴、環(huán)烷烴、芳烴、鹵代烴、烷烴、環(huán)烷烴、芳烴、鹵代烴、 叔胺、二硫化碳叔胺、二硫化碳2.6.3 2.6.3 離子化作用和離解作用離子化作用和離解作用 離子原和離子體離子原和離子體 離子化過程和離解過程離子化過程和離解過程 離解性溶劑和離子化溶劑離解性溶劑和離子化溶劑2.6.3.1 2.6.3.1 離子原和離子體離子原和離子體 離子原離子原 指在

22、固態(tài)時具有指在固態(tài)時具有分子晶格分子晶格的的偶極型化合物偶極型化合物，在液體時仍以分子狀態(tài)存在，與溶劑發(fā)生作用在液體時仍以分子狀態(tài)存在，與溶劑發(fā)生作用時可形成離子。時可形成離子。 如氯化氫、烷基鹵和金屬有機化合物等。如氯化氫、烷基鹵和金屬有機化合物等。 離子體離子體 固態(tài)時具有固態(tài)時具有離子晶格結構離子晶格結構，在熔融狀態(tài)或，在熔融狀態(tài)或稀溶液中以離子形式存在的化合物，如金屬鹵稀溶液中以離子形式存在的化合物，如金屬鹵化物等化物等2.6.3.2 2.6.3.2 離子化過程和離解過程離子化過程和離解過程 離子化過程：離子化過程：離子原的共價鍵發(fā)生異裂產(chǎn)離子原的共價鍵發(fā)生異裂產(chǎn)生離子對的過程。生離子

23、對的過程。 離解過程：離解過程：離子對或締合離子轉變?yōu)楠毩㈦x子對或締合離子轉變?yōu)楠毩㈦x子的過程。離子的過程。A-BA-BA+B-A-BA+B-溶離 解締 合A+溶 +溶 B-溶離子原溶劑化溶劑化離子化離子體溶劑化的離子對（締合離子）溶劑化正離子溶劑化負離子溶劑化的獨立離子A+與B-的作用力與溶劑的成反比溶劑必須對離子原的共價鍵進行進攻離子化方式：離子化方式：EPDEPD進攻：進攻：對離子原共價鍵的正端作親電進攻，對離子原共價鍵的正端作親電進攻， 使正離子溶劑化，自由的或裸的負離使正離子溶劑化，自由的或裸的負離 成為高活性的反應質點。成為高活性的反應質點。EPAEPA進攻：進攻：對離子原共價鍵的

24、負端作親核進攻，對離子原共價鍵的負端作親核進攻， 使負離子溶劑化，自由的或裸的正離使負離子溶劑化，自由的或裸的正離 成為高活性的反應質點。成為高活性的反應質點。EPD/EPAEPD/EPA雙進攻：雙進攻：兩種溶劑或一種兩性溶劑同時兩種溶劑或一種兩性溶劑同時 進攻共價鍵的正、負端，生成進攻共價鍵的正、負端，生成 溶劑化的正、負離子。溶劑化的正、負離子。2.6.3.3 2.6.3.3 離解性溶劑和離子化溶劑離解性溶劑和離子化溶劑 離子化溶劑離子化溶劑：具有強的具有強的EPDEPD性質或性質或EPAEPA性質。性質。 離解性溶劑：離解性溶劑：具有高的介電常數(shù)。具有高的介電常數(shù)。2.6.4 2.6.4

25、 溶劑的靜電效應對反應速度的溶劑的靜電效應對反應速度的影響影響( (Houghes-IngoldHoughes-Ingold規(guī)則規(guī)則) ) 對于從起始反應物變?yōu)榛罨浜衔飼r對于從起始反應物變?yōu)榛罨浜衔飼r電荷電荷密度增加密度增加的反應，的反應，溶劑極性增加，使反應溶劑極性增加，使反應速度加快速度加快。異性電荷分離異性電荷分離電荷密度增加電荷密度增加S SN N1 1反應反應RX+R X-R+X-+ 對于從起始反應物變?yōu)榛罨浜衔飼r對于從起始反應物變?yōu)榛罨浜衔飼r電電荷密度降低荷密度降低的反應，的反應，溶劑極性增加，使反溶劑極性增加，使反應速度減慢應速度減慢。電荷分散電荷分散電荷密度降低電荷密度降低YRX-RXY-+R X-Y+S SN N2 2反應反應例：例：溶劑溶劑CH3COCH3C2H5OHCH3OH(CH2OH)2H2O20.720.724.5524.5532.732.737.737.778.3978.39(D)(D)2.862.861.731.731.701.702.282.281.821.82k k（相對）（相對）13000130004444161617171 1I*-+ CH3IkI*-CH3I-ICH3I-+對于從起始反應物變?yōu)榛罨浜衔飼r對于從起始反應物變?yōu)榛罨浜衔飼r電荷密度電荷密度變化很小或無變化變化很小或無變化的反應，的反應，溶劑極性的改變對溶劑極性的