精細有機合成技術(shù)完教學課件完整版電子教案VIP

1、 精細有機合成的理論與技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 一、有機反應(yīng)中的電子效應(yīng)與空間效應(yīng) 1. 電子效應(yīng) 電子效應(yīng)可用來討論分子中原子間的相互影響以及原子間電子云分布的變化。電子效應(yīng)又可分為誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)。 （1）誘導(dǎo)效應(yīng) 在有機分子中相互連接的不同原子間，由于原子各自的電負性不同而引起的連接鍵內(nèi)電子云偏移的現(xiàn)象，以及原子或分子受外電場作用而引起的電子云轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱作誘導(dǎo)效應(yīng)，用I表示。根據(jù)作用特點，誘導(dǎo)效應(yīng)可分為靜態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)和動態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 靜態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)Is。由于分子內(nèi)成鍵原子的電負性不同所引起的，電子云沿鍵鏈（包括鍵和鍵）按一定方向移動的效應(yīng)，或者說

2、鍵的極性通過鍵鏈依次誘導(dǎo)傳遞的效應(yīng)。這是化合物分子內(nèi)固有的性質(zhì)，被稱為靜態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)，用Is表示。誘導(dǎo)效應(yīng)的方向是通常以CH鍵作為基準的，比氫電負性大的原子或原子團具有較大的吸電性，稱吸電子基，由此引起的靜態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)稱為吸電靜態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)，通常以Is表示；比氫電負性小的原子或原子團具有較大的供電性，稱給電子基，由此引起的靜態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)稱為供電靜態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)，通常以+Is表示。其一般的表示方法如下（鍵內(nèi)的箭頭表示電子云的偏移方向）：第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 誘導(dǎo)效應(yīng)沿鍵鏈的傳遞是以靜電誘導(dǎo)的方式進行的，只涉及電子云分布狀況的改變和鍵的極性的改變，一般不引起整個電荷的轉(zhuǎn)移、價態(tài)的變化。如： 由于氯原子

3、吸電誘導(dǎo)效應(yīng)的依次傳遞，促進了質(zhì)子的離解，加強了酸性，而甲基則由于供電誘導(dǎo)效應(yīng)的依次誘導(dǎo)傳遞影響，阻礙了質(zhì)子的離解，減弱了酸性。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 在鍵鏈中通過靜電誘導(dǎo)傳遞的誘導(dǎo)效應(yīng)受屏蔽效應(yīng)的影響是明顯的，誘導(dǎo)效應(yīng)的強弱是與距離有關(guān)的，隨著距離的增加，由近而遠依次減弱，愈遠效應(yīng)愈弱，而且變化非常迅速，一般經(jīng)過三個原子以后誘導(dǎo)效應(yīng)已經(jīng)很弱，相隔五個原子以上則基本觀察不到誘導(dǎo)效應(yīng)的影響。 誘導(dǎo)效應(yīng)不僅可以沿鍵鏈傳遞，同樣也可以通過鍵傳遞，而且由于鍵電子云流動性較大，因此不飽和鍵能更有效地傳遞這種原子之間的相互影響。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 動態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)。在化學反應(yīng)中，當進攻試劑接

4、近底物時，因外界電場的影響，也會使共價鍵上電子云分布發(fā)生改變，鍵的極性發(fā)生變化，這被稱為動態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)，也稱可極化性，用Id表示。 發(fā)生動態(tài)導(dǎo)效應(yīng)時，外電場的方向?qū)Q定鍵內(nèi)電子云偏離方向。如果Id和Is的作用方向一致時，將有助于化學反應(yīng)的進行。在兩者的作用方向不一致時，Id往往起主導(dǎo)作用。 誘導(dǎo)效應(yīng)的相對強度。對于靜態(tài)誘導(dǎo)效應(yīng)，其強度取決于原子或基團的電負性。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （a）同周期的元素中，其電負性和Is隨族數(shù)的增大而遞增，但+Is則相反。如：Is：FOHNH2CH3 （b）同族元素中，其電負性和Is隨周期數(shù)增大而遞減，但+Is則相反。如：Is：FClBrI （c）同種中心

5、原子上，帶有正電荷的比不帶正電荷的-Is要強；帶有負電荷的比同類不帶負電荷的+Is要強。例如： Is：+NR3NR2 +Is：OOR （d）中心原子相同而不飽和程度不同時，則隨著不飽和程度的增大，Is增強。Is：=OOR；N=NRNR2 當然這些誘導(dǎo)效應(yīng)強弱次序的比較是以官能團與相同原子相連接為基礎(chǔ)的，否則無比較意義。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 一些常見取代基的吸電子能力、供電子能力強弱的次序如下： Is：+NR3+NH3NO2SO2RCNCOOHFClBrIOArCOORORCOROHCCRC6H5CHCH2H+Is：OCO2C(CH3)3CH(CH3)2CH2CH3CH3H 對于動態(tài)誘導(dǎo)

6、效應(yīng)，其強度與施加影響的原子或基團的性質(zhì)有關(guān)，也與受影響的鍵內(nèi)電子云可極化性有關(guān)。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （a）在同族或同周期元素中，元素的電負性越小，其電子云受核的約束也相應(yīng)減弱，可極化性就越強，即Id增大，反應(yīng)活性增大。如： Id：IBrClFCR3NR2ORF （b）原子的富電荷性將增加基可極化的傾向。 Id：OORO+R2 （c）電子云的流動性越強，其可極化傾向也大。一般來說，不飽和化合物的不飽和程度大，其Id也大。 Id：C6H5CHCH2CH2CH3第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （2）共軛效應(yīng) 共軛效應(yīng)。在單雙鍵交替排列的體系中，或具有未共用電子對的原子與雙鍵直接相連的體系中

7、，p軌道與軌道或軌道與軌道之間存在著相互的作用和影響。電子云不再定域在成鍵原子之間，而是圍繞整個分子形成了整體的分子軌道。每個成鍵電子不僅受到成鍵原子的原子核的作用，而且也受分子中其他原子核的作用，因而分子能量降低，體系趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象被稱為電子的離域，這種鍵稱為離域鍵，由此而產(chǎn)生的額外的穩(wěn)定能被稱為離域能（或叫共軛能）。含有這樣一些離域鍵的體系通稱為共軛體系，共軛體系中原子之間的相互影響的電子效應(yīng)就叫共軛效應(yīng)。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 1,3-丁二烯在靜態(tài)時的共軛效應(yīng)，由于電子離域的結(jié)果，單鍵不再是一般的CC單鍵，而表現(xiàn)為鍵長的平均化趨勢，即在C2和C3間也有一定程度的p軌道交蓋。 如

8、果共軛鍵原子的電負性不同時，則共軛效應(yīng)也表現(xiàn)為極性效應(yīng)，如在丙烯腈中，電子云定向移動呈現(xiàn)正負偶極交替的現(xiàn)象。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 因此共軛效應(yīng)也是分子中原子之間相互影響的電子效應(yīng)。與誘導(dǎo)效應(yīng)不同的是，它起因于電子的離域，而不僅是極性或極化的效應(yīng)。它不像誘導(dǎo)效應(yīng)那樣可以存在于一切鍵上，而只存在于共軛體系之中；共軛效應(yīng)的傳遞方式不靠誘導(dǎo)傳遞而愈遠愈弱，而是靠電子離域傳遞的，對距離的影響是不明顯的，而且共軛鏈愈長，電子離域就愈充分，體系的能量也就愈低，系統(tǒng)也就愈穩(wěn)定，鍵長的平均化趨勢就愈大。例如：苯分子是一個閉合的共軛體系，電子高度離域的結(jié)果，使得電子云分布呈平均化，苯分子根本不存在單、雙鍵

9、的區(qū)別，苯環(huán)為正六邊形，CCC鍵角為120，CC鍵長均為0.139nm。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 共軛效應(yīng)也分為靜態(tài)（以Cs表示）和動態(tài)（以Cd表示）兩種類型，其中又可細分為給電子效應(yīng)的正共軛效應(yīng)（+Cs，+Cd）和吸電子效應(yīng)的負共軛效應(yīng)（Cs，Cd）；靜態(tài)共軛效應(yīng)是共軛體系內(nèi)在的、永久性的性質(zhì)，而動態(tài)共軛效應(yīng)則是由外電場作用所引起，僅在分子進行化學反應(yīng)時才表現(xiàn)出來的一種暫時的現(xiàn)象。例如：1,3-丁二烯在基態(tài)時由于存在Cs，表現(xiàn)出體系能量降低，電子離域、鍵長趨于平均化。當其與HCl發(fā)生加成反應(yīng)時，由于質(zhì)子外電場的影響，丁二烯內(nèi)部發(fā)生Cd效應(yīng)，分子上電子云沿著共軛鏈發(fā)生轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)各碳原子被

10、極化所帶部分電荷正負交替分布的情況，這是動態(tài)共軛效應(yīng)（Cd）所致。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 在反應(yīng)中生成的上述活性中間體正碳離子，由于結(jié)構(gòu)上具有烯丙基型正碳離子的p-共軛離域而穩(wěn)定，并產(chǎn)生了1,2-加成和1,4-加成兩種產(chǎn)物。 靜態(tài)共軛效應(yīng)可以促進也可以阻礙反應(yīng)的進行，而動態(tài)共軛效應(yīng)只能存在于反應(yīng)過程 中，有利于反應(yīng)進行時才能發(fā)生，因此，動態(tài)共軛效應(yīng)只會促進反應(yīng)的進行。與誘導(dǎo)效應(yīng)類似，動態(tài)因素在反應(yīng)過程中，往往是起主導(dǎo)、決定作用的。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 共軛體系。共軛體系中以p-共軛、-共軛最為常見。 （a）-共軛體系。由單鍵雙鍵交替排列組成的共軛體系是由軌道與軌道電子離域的體系

11、稱為-共軛體系。不只雙鍵，其他鍵如叁鍵也可組成-共軛體系，如： （b）p-共軛體系。具有處于p軌道的未共用電子對的原子與鍵直接相連的體系，稱為p-共軛體系，如： 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 正是因為p-共軛效應(yīng)的結(jié)果，氯乙烯鍵長有平均化的趨勢，而且在與不對稱親電試劑的加成反應(yīng)中也符合馬爾可夫尼柯夫規(guī)則。羧酸為什么具有酸性？苯胺為什么比脂肪胺堿性弱？酰胺為什么堿性更弱？苯酚為什么與醇明顯不同？這些都起因于p-共軛效應(yīng)的影響。 另外，還有一些如烯丙基型正離子或自由基等也是p-共軛，不同的是體系是缺電子或含有獨電子的p-共軛。 烯丙基型正離子、自由基比較穩(wěn)定，是p-共軛效應(yīng)分散了正電荷或獨電子性的

12、結(jié)果。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 共軛效應(yīng)的相對強度。共軛效應(yīng)的強弱與組成共軛體系的原子性質(zhì)、價鍵狀況以及空間位阻等因素有關(guān)。靜態(tài)共軛效應(yīng)（Cs）和動態(tài)共軛效應(yīng)（Cd）有相同的傳遞方式，它們的強弱比較次序是一致的。 （a）同族元素與碳原子形成p-共軛時，隨元素的原子序數(shù)增加，正共軛效應(yīng)+C減少。而同族元素與碳原子形成-共軛時，隨元素的原子序數(shù)增加，其負共軛效應(yīng)C也變大。+C：FClBrI （b）同周期元素與碳原子形成p-共軛時，+C效應(yīng)隨原子序數(shù)的增加而變??；與碳原子形成-共軛時，C效應(yīng)隨原子序數(shù)的增加而變大。+C： NR2ORF （c）帶正電荷的取代基具有相對更強的C效應(yīng)，帶負電荷的取代

13、基具有相對更強的+C效應(yīng)： +C： OORO+R2 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （3）超共軛效應(yīng) 單鍵與重鍵以及單鍵與單鍵之間也存在著電子離域的現(xiàn)象，即出現(xiàn)-共軛和-共軛，一般被稱為超共軛效應(yīng)。例如丙烯分子中，甲基上的CH鍵可與不飽和體系發(fā)生共軛，使鍵和鍵間的電子云發(fā)生離域，形成-鍵共軛體系，致使丙烯中甲基上的氫原子比丙烷中的甲基氫原子活潑得多，丙烯分子中的C2C3鍵（0.150nm）也比一般的CC鍵（0.154nm）略短一些。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 CH鍵的電子云也可離域到相鄰的空p-軌道或僅有單個電子的p-軌道上，形成-p超共軛效應(yīng)，使電荷分散，體系穩(wěn)定性增加。例如： 超共軛效應(yīng)

14、多數(shù)是給電子性的。它可使分子內(nèi)能降低，穩(wěn)定性增加。但與普通的共軛效應(yīng)相比，其影響較弱。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 2空間效應(yīng) 空間效應(yīng)是由分子中各原子或基團的空間適配性，或反應(yīng)分子間的各原子或基團的空間適配性所引起的一種形體效應(yīng)，其強弱取決于相關(guān)原子或基團的大小和形狀。最普通的空間效應(yīng)是所謂的空間位阻，一般是指體積龐大的取代基直接影響化合物反應(yīng)活性部位的顯露，阻礙反應(yīng)試劑對反應(yīng)中心的有效進攻；也可以是指進攻試劑的龐大體積影響其有效地進入反應(yīng)位置。例如，對烷基苯進行一硝化反應(yīng)時，隨著烷基基團的增大，硝基進入取代基鄰位的空間位阻也增大，從而使鄰位產(chǎn)物的生成量下降，而對位產(chǎn)物的生成量上升，見表2

15、-1。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 同樣，在向甲苯分子中引入甲基、乙基、異丙基和叔丁基時，隨著引入基團（進攻試劑）體積的增大，進入甲基鄰位的空間位阻也增大，所以鄰、對位產(chǎn)物比例發(fā)生變化，見表2-2。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 又如，鹵代烷與胺類物質(zhì)進行N-烷化反應(yīng)時，一般不用鹵代叔烷作烷化劑，這是因為鹵代叔烷的空間位阻大。在反應(yīng)條件下，鹵代叔烷的反應(yīng)中心不能有效地作用于氨基，相反，自身卻容易發(fā)生消除反應(yīng)，產(chǎn)生烯烴副產(chǎn)物。 在分子內(nèi)部，各原子之間也有空間適配性問題。例如，p-共軛體系中的各原子其p-軌道必須是平行的或很接近于平行，這樣才能通過-軌道發(fā)生有效的電子云離域。如果這一平行狀態(tài)受到阻

16、礙，則電子云的離域就受到抑制。例如N,N-二甲基苯胺具有p-共軛結(jié)構(gòu)，苯環(huán)可有效地進攻重氮鎓陽離子PhN + 2，產(chǎn)生偶聯(lián)在氮的對位產(chǎn)物。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 但以N,N-二甲基苯胺的2,6-二甲基衍生物 為原料，在相同的條件下不能得到類似的對位偶聯(lián)產(chǎn)物。這是因為連接在取代基N(CH3)2鄰位的兩個甲基在空間上對氮原子上的p-軌道產(chǎn)生干擾，使其不能與芳環(huán)上的p-軌道相平行，從而破壞了p-共軛體系，電荷不發(fā)生如同在N,N-二甲基苯胺中那樣的遷移。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 二、有機反應(yīng)試劑 1極性試劑 極性試劑是指那些能夠供給或接受電子對以形成共價鍵的試劑。極性試劑又分為親電試劑和親核

17、試劑。 （1）親電試劑 親電試劑是從基質(zhì)上取走一對電子形成共價鍵的試劑。這種試劑電子云密度較低，在反應(yīng)中進攻其他分子的高電子云密度中心，具有親電性能，包括以下幾類：陽離子，如NO + 2、NO+、R+、RC+O、ArN + 2、R4N+等；含有可極化和已經(jīng)極化共價鍵的分子，如Cl2、Br2、HF、HCl、SO3、RCOCl、CO2等；含有可接受共用電子對的分子（未飽和價電子層原子的分子），如AlCl3、FeCl3、BF3等；羰基的雙鍵；氧化劑，如Fe3+、O3、H2O2等；酸類；鹵代烷中的烷基等。 由該類試劑進攻引起的離子反應(yīng)叫親電反應(yīng)。例如，親電取代、親電加成。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識

18、 （2）親核試劑 能將一對電子提供給底物以形成共價鍵的試劑稱親核試劑。這種試劑具有較高的電子云密度，與其他分子作用時，將進攻該分子的低電子云密度中心，具有親核性能，包括以下幾類：陰離子，如OH、RO、ArO、NaSO 3、NaS、CN等；極性分子中偶極的負端，N()H3、RN()H2、RRN()H、ArN()H和N()H2OH等；烯烴雙鍵和芳環(huán)，如CH2=CH2、C6H6等；還原劑，如Fe2+、金屬等；堿類；有機金屬化合物中的烷基，如RMgX、RCCM等。 由該類試劑進攻引起的離子反應(yīng)叫親核反應(yīng)。例如，親核取代、親核置換、親核加成等。 2自由基試劑 含有未成對單電子的自由基（也稱游離基）或是在

19、一定條件下可產(chǎn)生自由基的化合物稱自由基試劑。例如，氯分子（Cl2）可產(chǎn)生氯游離基（Cl）。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 三、有機反應(yīng)溶劑與催化劑 1. 溶劑 在精細有機合成中，溶劑不只是使反應(yīng)物溶解，更重要的是溶劑可以和反應(yīng)物發(fā)生各種相互作用。因此，了解溶劑的性質(zhì)、分類以及溶劑與溶質(zhì)之間的相互作用，并合理地選擇溶劑，對于目的反應(yīng)的順利完成有重要意義。 （1）溶劑的分類與性質(zhì) 溶劑的分類有多種方法，各有一定的用途。若根據(jù)溶劑是否具有極性和能否放出質(zhì)子，可將溶劑分為四類： 極性質(zhì)子溶劑。這類溶劑極性強，介電常數(shù)大，具有能電離的質(zhì)子。水、醇是最常用的極性質(zhì)子溶劑。它們最顯著的特點是能同負離子或強電

20、負性元素形成氫鍵，從而對負離子產(chǎn)生很強的溶劑化作用。因此，極性質(zhì)子溶劑有利于共價鍵的異裂，能加速大多數(shù)離子型反應(yīng)。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 極性非質(zhì)子溶劑。該類溶劑又稱偶極非質(zhì)子溶劑或情性質(zhì)子溶劑。其介電常數(shù)大于15，偶極矩大于2.5D，故具有較強的極性。分子中的氫一般同碳原子相連，由于CH鍵結(jié)合牢固，故難以給出質(zhì)子。常見的偶極非質(zhì)子溶劑有N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亞砜（DMSO）、四甲基砜、碳酸乙二醇酯（CEG）、六甲基磷酰三胺（HMPA），以及丙酮、乙睛、硝基烷等。由于這類溶劑一般含有負電性的氧原子（如CO、SO、PO），而且氧原子周圍無空間障礙，因此，能對正離子產(chǎn)生很強的

21、溶劑化作用。相反在這類溶劑的結(jié)構(gòu)中正電性部分一般包藏于分子內(nèi)部，故難于對負離子發(fā)生溶劑化。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 非極性質(zhì)子溶劑。該類溶劑極性很弱，常見的是一些酸類，如叔丁醇、異戊醇等。它們的羥基質(zhì)子可以被活潑金屬置換。 非極性非質(zhì)子溶劑。這類溶劑的介電常數(shù)一般在8以內(nèi)，偶極矩在02D之間，在溶液中既不能給出質(zhì)子，極性又很弱。如一些烴類化合物和醚類化合物等。常見的溶劑分類及某些物性參數(shù)見表2-3。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （2）溶劑對有機合成反應(yīng)的影響 溶劑在許多有機反應(yīng)中是必不可少的。它可以對有機反應(yīng)的反應(yīng)速率、反應(yīng)歷程、反應(yīng)方向和立體化學等產(chǎn)生影響。

22、 對于質(zhì)子性溶劑（如水、醇等），所起的作用是多方面的，它們和溶質(zhì)分子以氫鍵相締合，或形成 離子，在介質(zhì)中增加離子的溶劑化效應(yīng)，它們自己往往是酸堿催化劑。雖然多數(shù)有機分子是不能在溶劑中離解的，但是質(zhì)子化的結(jié)果把極性分子變成不穩(wěn)定的活性中間體，碳正離子或 離子，促進了離子反應(yīng)。但當反應(yīng)中有兩個不相似的離子時，正離子和負離子在這種介質(zhì)中相互離開，而且它們的電荷被分散，反應(yīng)便減慢。 對于非質(zhì)子無極性溶劑（如苯、CCl4等），它們對電荷分散不起作用，介電能力很低，也不能生成氫鍵，在這類溶劑中不易進行離子的分隔，不相似的離子極易接近而迅速結(jié)合成中性分子。如果反應(yīng)中帶電荷的和不帶電荷的反應(yīng)物在不同溶劑中相遇

23、，可以歸納出極性和非極性溶劑對反應(yīng)速度的影響如表2-4第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識表2-4 溶劑的極性對各種電荷類型反應(yīng)的影響反應(yīng)類型產(chǎn)物影響情況非極性溶劑促進其反應(yīng)極性溶劑促進其反應(yīng)溶劑的極性對其影響不大極性溶劑稍有利非極性溶劑稍有利第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （3）有機反應(yīng)中溶劑的使用和選擇 在有機化學反應(yīng)中溶劑的使用和選擇，除了考慮溶劑對反應(yīng)的上述影響以外，還必須考慮以下因素：溶劑對反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物不發(fā)生化學反應(yīng)，不降低催化劑的活性。溶劑本身在反應(yīng)條件下和后處理條件下是穩(wěn)定的。溶劑對反應(yīng)物有較好的溶解性，或者使反應(yīng)物在溶劑中能良好分散。溶劑容易從反應(yīng)體系中回收，損失少，不影響產(chǎn)品質(zhì)量。

24、溶劑應(yīng)盡可能不需要太高的技術(shù)安全措施。溶劑的毒性小、含溶劑的廢水容易治理。溶劑的價格便宜、供應(yīng)方便。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 2催化劑 催化劑是一種能改變給定反應(yīng)的速度，但不參與化學計量的物質(zhì)。催化劑參與化學反應(yīng)，催化劑與反應(yīng)物作用，通過降低反應(yīng)活化能參與化學反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束時催化劑又重新再生，從而實現(xiàn)少量催化劑起到活化很多反應(yīng)物分子的作用。催化劑只能改變反應(yīng)速度，但不能改變反應(yīng)平衡點的位置。催化作用是決定現(xiàn)代化學合成工業(yè)發(fā)展的一項重要手段。精細有機合成中常見的催化體系有：均相催化、多相催化、相轉(zhuǎn)移催化及酶催化等。對于多相催化、相轉(zhuǎn)移催化和酶催化等內(nèi)容將在后面相關(guān)章節(jié)中加以介紹，這里僅介紹均

25、相催化劑及催化作用。 均相催化作用指催化劑與反應(yīng)物處于同一物相，反應(yīng)在均一的單相體系內(nèi)發(fā)生。均相催化反應(yīng)可分為氣相和液相兩類，但常見的為液相。用于液相均相反應(yīng)的催化劑有酸堿催化劑和均相配合物催化劑。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （1）酸堿催化劑及其催化作用 常用作酸堿催化劑的物質(zhì)有：Brnstaed酸（即為質(zhì)子給予體，如H2SO4、HCl、H3PO4、CH3COOH、CH3C6H4SO3H等）和Lewis酸（即為電子對接受體，如AlCl3、BF3等），Brnstaed堿（即為質(zhì)子接受體，如NaOH、NaOC2H5、NH3、RNH2等）。其催化作用可從廣義酸堿概念來理解，即通過催化劑和反應(yīng)物的

26、自由電子對，使反應(yīng)物與催化劑形成非均裂鍵，然后再分解為產(chǎn)物。例如，催化異構(gòu)化反應(yīng)中，反應(yīng)物烯烴與催化劑的酸性中心作用，生成活潑的正碳離子中間化合物： 這類催化劑可用于水合、脫水、裂化、烷基化、異構(gòu)化、歧化、聚合等反應(yīng)的催化。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （2）均相配合物催化劑及其催化作用 這類催化劑是由特定的過渡金屬原子與特定的配位體相配而成。通常有三類：一是只含有過渡金屬的配合物，如烯烴加氫催化劑RhClP(C6H5)33；二是含有過渡金屬及典型金屬的配合物，如Ziegler-Natta定向聚合催化劑TiCl-Al(C2H5)2Cl等；三是電子接受(EDA)配合物，如蒽鈉及石墨-堿金屬的夾層

27、化合物等。常見的過渡金屬配合物或配合離子為多面體構(gòu)型，金屬原子位于中心，配位體在其周圍。常見的配位體有Cl、Br、H2O、NH3、P(C6H5)3、C2H5、CO等，配合物中典型的鍵為配位鍵。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 在均相配位催化劑分子中，參加化學反應(yīng)的主要是過渡金屬原子，而許多配位體只起著調(diào)整催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性的作用，而并不參加化學反應(yīng)。其催化作用是通過配位體，反應(yīng)物分子與配合物催化劑分子中的金屬原子的配位活化、配位體的交換、配位體的離解（與配合物催化劑的金屬脫絡(luò)）、配位體向金屬C和金屬H鍵插入等步驟循環(huán)進行的。這類催化劑廣泛用于烯烴的氧化、氫甲?；⒕酆?、加氫、加成，甲醇羰

28、基化，烷烴氧化，芳烴氧化和酯交換等反應(yīng)的催化。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 四、合成反應(yīng)器 1反應(yīng)器的類型 反應(yīng)器的分類方式很多，可按物料的聚集狀態(tài)、反應(yīng)操作方式、反應(yīng)器換熱方式、反應(yīng)溫度控制方式和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等不同加以分類。這里僅介紹按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不同的分類方式。 按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)外形可將其分為槽形反應(yīng)器、管形反應(yīng)器和柱形（塔形）反應(yīng)器。 （1）槽形反應(yīng)器（反應(yīng)釜或釜式反應(yīng)器） 其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。它是由筒體1、夾套2、蓋3、攪拌器4、蛇管5等構(gòu)成。攪拌器的作用是使反應(yīng)物均勻混合，夾套和蛇管的作用是使反應(yīng)能夠保持在某一規(guī)定的溫度下進行。此類反應(yīng)器適用于液-液、液-固、氣-液及氣-液-固三相反應(yīng)，操

29、作方式可滿足間歇式、連續(xù)式及半間歇和半連續(xù)式要求。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （2）管形反應(yīng)器（管式反應(yīng)器） 管形反應(yīng)器可以由一根或若干根管串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成（圖2-2）。這類裝置非常適用于氣相反應(yīng)系統(tǒng)或均相液-液反應(yīng)系統(tǒng)，并適宜進行高溫、高壓反應(yīng)；對于液-液非均相反應(yīng)一般采用單管式反應(yīng)器；對于氣-固相反應(yīng)可選用列管式反應(yīng)器。主要用于連續(xù)操作。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （3）柱形反應(yīng)器 鼓泡式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器都屬于這類反應(yīng)器。 圖2-3是氣液連續(xù)鼓泡塔的示意圖。這類反應(yīng)器最簡單的結(jié)構(gòu)為一個空圓柱體，塔的底都有一多孔板，以分散氣體成為適宜尺寸的氣泡，

30、以便氣體均勻通過床層。床內(nèi)充滿液體反應(yīng)物。液態(tài)物料以連續(xù)方式從塔底加入而自塔頂引出（或逆方向），氣體以氣泡形式通過液相后自塔頂逸出。氣體反應(yīng)物溶解進入液相后，與液相中的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)。由于氣泡的攪拌作用造成塔內(nèi)液體劇烈的混和運動，其液相均處于強烈的返混和強烈的微團混和狀態(tài)。為了限制氣液鼓泡反應(yīng)器中液相的返混程度，通?？刹扇≡谒?nèi)放置填料、設(shè)置橫向檔板和安置垂直套管等措施。鼓泡塔主要適用于氣-液相反應(yīng)，通常采用連續(xù)操作。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識圖2-3 氣液連續(xù)鼓泡塔第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 塔式設(shè)備的用途極為廣泛，不僅可作氣體、液體物料的化學反應(yīng)器，而最主要的應(yīng)用是作為蒸餾、萃取、吸收

31、、吸附等過程的設(shè)備，也可以作氣體的凈化、除塵和冷卻。 塔式設(shè)備的外形基本相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)則根據(jù)物料性質(zhì)、用途而異。泡罩型反應(yīng)塔的結(jié)構(gòu)與用作氣體吸收、蒸餾等的多層塔板型塔是相同的，有的在每層塔板上裝有攪拌葉輪，使固體物料與氣體充分接觸。如圖2-4所示。 流化床反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。它的主要部件是殼體、氣體分布板、熱交換器和催化劑回收裝置。有時為了減少反向混合并改善流態(tài)化質(zhì)量，還在催化劑床層內(nèi)附加擋板或擋網(wǎng)等內(nèi)部構(gòu)件。流化床反應(yīng)器主要適用于氣-固相催化反應(yīng)，采用連續(xù)操作方式。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 2反應(yīng)器的操作方式 在反應(yīng)器中實現(xiàn)化學反應(yīng)可以有三種操作方

32、式，即間歇操作、連續(xù)操作和半間歇操作。 （1）間歇操作 生產(chǎn)是分批進行的。以釜式反應(yīng)器為例，將需要反應(yīng)的原料一次加入釜中，使在一定的條件下進行反應(yīng)。當反應(yīng)達到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率時，將全部生成物放出，清洗反應(yīng)器。這種操作稱為間歇式操作。 間歇操作中，每批生產(chǎn)過程包括加料、反應(yīng)、卸料和清洗等階段。它的特點是在反應(yīng)期間反應(yīng)物的濃度隨著反應(yīng)的進行而發(fā)生變化，是不穩(wěn)定的操作。由于有加料、卸料和清洗等階段，所以設(shè)備利用率不高，工人勞動強度大，不易自動控制。 間歇操作通常用于小批量生產(chǎn)或反應(yīng)時間需要很長的生產(chǎn)中，或用一個反應(yīng)器生產(chǎn)幾種不同產(chǎn)品的場合。因此，對于多品種、產(chǎn)量不大的精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，間歇操作仍有著廣

33、泛應(yīng)用。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （2）連續(xù)操作 將需要反應(yīng)的各種原料按一定順序和速率連續(xù)地從反應(yīng)器的一側(cè)加入，反應(yīng)后的產(chǎn)物不斷地從反應(yīng)器的另一側(cè)排出。當穩(wěn)定操作時，反應(yīng)器中各處的溫度、壓力、濃度和流量都不隨時間而變化。連續(xù)操作的優(yōu)點是設(shè)備利用率高、節(jié)省勞力和易于實現(xiàn)節(jié)能、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、易于自動控制，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。 （3）半間歇操作 以甲醛和氨生產(chǎn)烏洛托品為例，先將甲醛水溶液加入反應(yīng)器中，然后逐漸加入氨水溶液，反應(yīng)進行很快，會有大量熱量放出。為了使反應(yīng)溫度保持穩(wěn)定，除了對反應(yīng)器進行冷卻外，還必須控制氨水的加料速度。因此，在這個生產(chǎn)中，對甲醛來說是間歇的，對氨水是連續(xù)的，所以稱為半間歇操

34、作。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 五、有機合成反應(yīng)計算 1有關(guān)化學反應(yīng)計算的基本術(shù)語 （1）反應(yīng)物的摩爾比（反應(yīng)配比或投料比） 反應(yīng)物的摩爾比指的是加入反應(yīng)器中的幾種反應(yīng)物之間的物質(zhì)的量之比。這個物質(zhì)的量比值可以和化學反應(yīng)式的物質(zhì)的量之比相同，即相當于化學計量比。但是對于大多數(shù)有機反應(yīng)來說，投料的各種反應(yīng)物的摩爾比并不等于化學計量比。 （2）限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物 化學反應(yīng)物不按化學計量比投料時，其中以最小化學計量數(shù)存在的反應(yīng)物叫作“限制反應(yīng)物”。而某種反應(yīng)物的量超過“限制反應(yīng)物”完全反應(yīng)的理論量，則該反應(yīng)物稱為“過量反應(yīng)物”。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （3）過量百分數(shù) 過量反應(yīng)物超過限制

35、反應(yīng)物所需理論量部分占所需理論量的百分數(shù)稱作“過量百分數(shù)”。若以ne表示過量反應(yīng)物的物質(zhì)的量，nt表示它與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所消耗的物質(zhì)的量，則過量百分數(shù)為： 【例2-1】：氯苯二硝化為二硝基氯苯 ClC6H52HNO3ClC6H3(NO2)2 2H2O 物料名稱 化學計量比（系數(shù)） 投料摩爾數(shù) 投料 摩爾比 投料化學計量數(shù)氯苯 1 5.00 1 5 硝酸 2 10.70 2.14 5.35第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 因此，氯苯是限制反應(yīng)物，硝酸是過量反應(yīng)物。 應(yīng)該指出，對于苯的一硝化或一氯化等反應(yīng)，常常使用不足量的硝酸或氯氣等反應(yīng)劑，但這時仍以主要反應(yīng)物（苯）作為配料基準。例如，在使1mo

36、l苯進行一硝化時用0.98mol硝酸，通常表示苯與硝酸的摩爾比為1:0.98，硝酸用量是理論量的98%。但這種表示法不利于計算轉(zhuǎn)化率。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 2. 轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率的計算 （1）轉(zhuǎn)化率（以x表示） 某一種反應(yīng)物A反應(yīng)掉的量nA,r占其向反應(yīng)器中輸入量nA,in的百分數(shù)，叫做反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率xA。 上式中nA,out表示A從反應(yīng)器輸出的量。均以摩爾數(shù)表示。 一個化學反應(yīng)以不同的反應(yīng)物為基準進行計算，可得到不同的轉(zhuǎn)化率。因此，在計算時必須指明某反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。若沒有指明，則常常是主要反應(yīng)物或限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 有些生產(chǎn)過程，主要反應(yīng)物每次經(jīng)

37、過反應(yīng)器后的轉(zhuǎn)化率并不太高，有時甚至很低，但是未反應(yīng)的主要反應(yīng)物大部分可經(jīng)分離回收循環(huán)再用。這時要將轉(zhuǎn)化率分為單程轉(zhuǎn)化率x單和總轉(zhuǎn)化率x總兩項。設(shè)和表示反應(yīng)物A輸入和輸出反應(yīng)器的摩爾數(shù)。和表示反應(yīng)物A輸入和輸出全過程的摩爾數(shù)。則：第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 【例2-2】：在苯一氯化制氯苯時，為了減少副產(chǎn)二氯苯的生成量，每100mol苯用40mol氯，反應(yīng)產(chǎn)物中含38mol氯苯，1mol二氯苯，還有61mol未反應(yīng)的苯，經(jīng)分離后可回收60mol苯，損失1mol苯，如圖2-7所示。 苯的單程轉(zhuǎn)化率： 苯的總轉(zhuǎn)化率： 由上例可以看出，對于某些反應(yīng)，其主反應(yīng)物的單程轉(zhuǎn)化率可以很低，但是總轉(zhuǎn)化率卻可以

38、很高。 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （2）選擇性（以S表示） 選擇性是指某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物，其理論消耗的摩爾數(shù)占該反應(yīng)物在反應(yīng)中實際消耗掉的總摩爾數(shù)的百分數(shù)。設(shè)反應(yīng)物A生成目的產(chǎn)物P，nP表示生成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)，a，p分別為反應(yīng)物A和目的產(chǎn)物P的化學計量系數(shù)，則選擇性為： 例如，【例2-2】中苯氯化生成氯苯的選擇性為： 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （3）理論收率（以y表示） 收率是指生成的目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)占按輸入反應(yīng)器的反應(yīng)物摩爾數(shù)計算應(yīng)得的產(chǎn)物摩爾數(shù)的百分數(shù)。這個收率又叫做理論收率。 當反應(yīng)系統(tǒng)有物料循環(huán)時，通常需要用總收率來表示。相應(yīng)地，物料一次通過反應(yīng)器所得產(chǎn)物所計算的收率稱

39、為單程收率。設(shè)表示從反應(yīng)器輸出的目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)，表示從整個系統(tǒng)輸出的目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)，nA,循表示反應(yīng)物A在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的摩爾數(shù)。則： 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 例如，在【例2-2】中苯通過氯化反應(yīng)器生成氯苯的單程收率為： 對于整個系統(tǒng)，苯轉(zhuǎn)化成氯苯的總收率為： 轉(zhuǎn)化率、選擇性和理論收率三者之間的關(guān)系是： y = Sx 應(yīng)當指出，利用上述三者關(guān)系進行計算時，應(yīng)注意對應(yīng)關(guān)系，如單程轉(zhuǎn)化率對應(yīng)于單程收率。因此，【例2-2】中苯通過反應(yīng)器生成氯苯的單程收率也可作如下計算： y單 = Sx單= 97.44%39.00% =38.00% 第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 （4）質(zhì)量收率（以yw表示） 在

40、工業(yè)生產(chǎn)中，還常常采用質(zhì)量收率yw來衡量反應(yīng)效果。它是目的產(chǎn)物的質(zhì)量占某一輸入反應(yīng)物質(zhì)量的百分數(shù)。 【例2-3】：100kg苯胺（純度99%，分子量93）經(jīng)培烘磺化和精制后得217kg對氨基苯磺酸鈉（純度97%，分子量231.2）。則按苯胺計，對氨基苯磺酸鈉的理論收率： 對氨基苯磺酸鈉的質(zhì)量收率： 在這里，質(zhì)量收率大于100%，主要是因為目的產(chǎn)物的分子量比反應(yīng)物的分子量大。第一節(jié) 精細有機合成基礎(chǔ)知識 3原料消耗定額 這指的是每生產(chǎn)1t產(chǎn)品需消耗多少噸（或公斤）各種原料。對于主要反應(yīng)物來說，它實際上就是質(zhì)量收率的倒數(shù)。消耗定額的高低，說明生產(chǎn)工藝水平的高低及操作技術(shù)水平的好壞。在【例2-3】中

41、，每生產(chǎn)1t對氨基苯磺酸鈉時，苯胺的消耗定額是：100/217 = 0.461t = 461kg。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 一、取代反應(yīng) 取代反應(yīng)通常是指與碳原子相連的原子或基團被另一個原子或基團所替代的反應(yīng)。它可分為親電取代、親核取代及游離基取代反應(yīng)三類。其中，比較重要的是脂肪族的親核取代、芳香族的親電取代和親核取代反應(yīng)。 1脂肪族的親核取代反應(yīng) 脂肪族的親核取代反應(yīng)可以用以下通式表達： 此反應(yīng)是親核試劑對帶有部分正電荷的碳原子進行攻擊，屬于親核取代反應(yīng)，用SN表示。R-L是受攻擊對象，稱為底物；把進行反應(yīng)的碳原子稱為中心碳原子；Nu是親核試劑或稱進入基團，親核試劑可以是中性的，也可

42、以帶有負電荷；L為反應(yīng)中離開的基團，稱為離去基團。脂肪族飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)中，以鹵代烷的親核取代最為典型。其反應(yīng)歷程可分為SN2和SN1兩種類型。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 （1）雙分子親核取代反應(yīng)（SN2） 發(fā)生SN2的一般通式是： 過渡態(tài) 以伯鹵代烷的水解為例：第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 親核試劑從離去基團的背面，接近中心碳原子，并與之形成較弱的鍵。由于親核試劑的插入，離去基團與中心碳原子的鍵開始變?nèi)?，中心碳原子上的其它三個鍵也逐漸從遠離離去基團的地方向接近離去基團的方向偏移。當這三個鍵同處于一個平面，并垂直于親核試劑、中心碳原子和離去基團三者所連成的直線時，即形成了過

43、渡態(tài)。這個過程較慢，是速度控制步驟。 當過渡態(tài)向產(chǎn)物轉(zhuǎn)化時，離去基團X離開中心碳原子。同時，處于一個平面內(nèi)的三個鍵完全轉(zhuǎn)向另一邊，完成了構(gòu)型的逆轉(zhuǎn)。構(gòu)型逆轉(zhuǎn)是發(fā)生SN2的重要標志。由于是雙分子的共同作用，才形成了過渡狀態(tài)，所以叫雙分子親核取代反應(yīng)。該反應(yīng)為二級反應(yīng)，反應(yīng)速度可表示為：第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 （2）單分子親核取代反應(yīng)（SN1） 發(fā)生SN1的一般通式是： 反應(yīng)物首先離解為正碳離子與帶負電荷的離去基團，此步反應(yīng)速度慢，是整個反應(yīng)的控制步驟。當反應(yīng)物分子離解后，正碳離子馬上與親核試劑結(jié)合，其速度極快，是快速反應(yīng)步驟。由于決定反應(yīng)速度的一步只涉及一種分子，是單分子的，因此這種反

44、應(yīng)是單分子親核取代反應(yīng)。該反應(yīng)為一級反應(yīng)，反應(yīng)速度可表示為： v = kRL第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 （3）影響因素 影響親核取代反應(yīng)歷程和速度的因素主要有底物的結(jié)構(gòu)、離去基團和親核試劑的性質(zhì)、濃度以及溶劑的性質(zhì)等。 反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)。反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)對SN1和SN2反應(yīng)速度有不同的影響。例如鹵代烷的水解，按SN2歷程進行時，其反應(yīng)速度的快慢順序是：伯鹵烷仲鹵烷叔鹵烷；按SN1歷程進行，則是：烯丙基鹵芐基鹵代物叔鹵烷仲鹵烷伯鹵烷CH3X。 在反應(yīng)物分子中，當中心碳原子上有給電子性基團時，有利于SN1反應(yīng)；有吸電子基團時，有利于SN2反應(yīng)。 離去基團。離去基團攜帶著原來共有的一對電子而離去，其接

45、受電子的能力越強，對SN1和SN2反應(yīng)越有利。一般情況下，離去基團的離去能力的大小順序是： RSO3IBrCl RCOOOHNH2第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 親核試劑。親核試劑的性質(zhì)，在SN1歷程中對反應(yīng)速度沒有影響；但在SN2歷程中，由于親核試劑是組成過渡態(tài)的一部分，它的性質(zhì)對反應(yīng)速度有明顯的影響。各種親核試劑的親核能力的大小順序為： C2H5OOHPhOCH3CH2H2O 在同族元素中，親核試劑隨著原子序數(shù)的增大，其給出電子傾向也越大，從而使親核性增強。 IBrClF 在發(fā)生親核取代反應(yīng)的同時，存在著消除反應(yīng)的競爭。其中，SN2和E2的最大區(qū)別在于前者是對中心碳原子的進攻，而后者則是

46、堿性物質(zhì)對氫原子的進攻。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 2芳香族的親電取代反應(yīng) 芳香族化合物中的芳環(huán)是一個環(huán)狀的共軛體系，環(huán)上的-電子云高度離域，具有很高的流動性，容易與親電試劑發(fā)生親電取代反應(yīng)。主要包括磺化、硝化、鹵化、C烷化、C?；?、C羧化、氯甲基化等親電取代反應(yīng)。 （1）芳香族-絡(luò)合物與-絡(luò)合物 芳烴具有與一系列親電試劑形成絡(luò)合物的特性。根據(jù)芳烴堿性的強弱和試劑親電能力的強弱，所形成的絡(luò)合物分為-絡(luò)合物和-絡(luò)合物兩大類，它們在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上是完全不同的。這兩類絡(luò)合物都很不穩(wěn)定。在一般情況下，都不能從溶液中分離出來，只有在特殊條件下才能被觀察到。其中-絡(luò)合物對芳香族親電取代的反應(yīng)歷程起重要

47、作用。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 芳烴能與親電能力較弱的試劑（例如：HCl、HBr、Ag+等）形成-絡(luò)合物。例如，將HCl氣體通入苯中，HCl與苯生成-絡(luò)合物： 這種絡(luò)合物是由芳環(huán)供給電子生成的，-絡(luò)合物中HCl的質(zhì)子與苯環(huán)的電子之間只有微弱的作用，并沒有生成新的共價鍵，HCl鍵也沒有破裂。-絡(luò)合物通常為無色或淡黃色，其溶液不導(dǎo)電。 芳烴能與親電能力較強的試劑（例如：HClAlCl3、HF、HFBF3等）生成-絡(luò)合物。例如： 第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 被無水AlCl3強烈極化的HCl中氫原子帶有較多的正電荷，在反應(yīng)瞬間能以H的形式插入苯環(huán)的-電子層里面，奪取一對電子，并與苯環(huán)上的

48、某一特定碳原子連接起來，形成鍵。將這類絡(luò)合物稱作-絡(luò)合物。-絡(luò)合物為橙色，有時甚至為黑色，-絡(luò)合物溶液能導(dǎo)電。 -絡(luò)合物與-絡(luò)合物之間存在著平衡：第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 （2）親電取代反應(yīng)歷程 親電試劑進攻芳環(huán)時，先形成-絡(luò)合物，然后進一步作用，形成-絡(luò)合物。該絡(luò)合物脫去質(zhì)子，恢復(fù)原芳環(huán)結(jié)構(gòu)，從而完成親電取代反應(yīng)的全過程。 對于大多數(shù)親電取代反應(yīng)來說，形成-絡(luò)合物是反應(yīng)速度的控制步驟。 第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 （3）苯環(huán)的親電取代定位規(guī)律 當苯環(huán)上已有一個或多個取代基時，再引入新的取代基，它進入的位置與已有取代基的性質(zhì)、親電試劑（被引入取代基）的性質(zhì)以及反應(yīng)條件等因素有關(guān)。

49、其中已有取代基的性質(zhì)最為重要。 取代基的類型及其定位作用。在進行親電取代反應(yīng)時，可以把苯環(huán)上已有取代基Z按其定位效應(yīng)，大致分為兩類：鄰、對位定位基（亦稱第一類定位基），此類取代基具有鄰、對定位作用，即使新引入的取代基團進入其自身的鄰位或?qū)ξ唬婚g位定位基（亦稱第二類定位基），此類取代基具有間位定位作用，即使引入的取代基進入其自身的間位。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 屬于第一類取代基的主要有：O、NR2、NHR、NH2、OH、OR、NHCOR、OCOR、F、Cl、Br、I、NHCHO、C6H5、CH3、C2H5、CH2COOH、CH2F等；屬于第二類取代基的主要有：N(+)R3、CF3、NO2

50、、CN、SO3H、COOH、CHO、COOR、COR、CONR2、N(+)H3和CCl3等。 上述兩類取代基的次序是按它們的定位能力由強到弱排列的。兩類取代基有三種不同的表現(xiàn)方式：活化苯環(huán)的鄰、對位定位基，鈍化苯環(huán)的鄰、對位定位基和鈍化苯環(huán)的間位定位基，具體見表2-5。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 苯環(huán)上已有取代基定位作用的電子效應(yīng)解釋。具有給電子性的取代基，將使所連苯環(huán)上的電子云密度增加，尤其在鄰、對位處增加得更多，對苯環(huán)有活化作用，有利于親電試劑對這些位置的進攻，所以新引入的取代基主要進入其鄰、對位，因此，具有給電子性的取代基屬于第一類定位基。相反，具有吸電子性的取代基將使所連苯環(huán)上的

51、電子云密度降低，并且在鄰、對位處降低得更多，對苯環(huán)有致鈍作用，不利于親電試劑的進攻。但相比之下，在間位的電子云密度較高些，所以親電試劑主要進入它的間位，因此，具有吸電子性的取代基屬于第二類定位基。鹵素原子比較特殊，作為取代基它最終具有吸電子性，對苯環(huán)有致鈍作用。但由于它可與苯環(huán)形成p-共軛體系，使得在它的鄰、對位處的電子云密度比間位處稍高些，所以親電性的進攻基團優(yōu)先進入鹵原子的鄰、對位。鹵原子也屬于第一類定位基。 根據(jù)已有取代基與苯環(huán)的電子效應(yīng)：已有取代基可歸納為三類：第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 A只有供電誘導(dǎo)效應(yīng)（+I）的取代基。如各種烷基，這類取代基對苯環(huán)具有給電子性，它們可使苯環(huán)活

52、化，而且是鄰、對定位。其中甲基還具有供電超共軛效應(yīng)，所以甲基的活化作用比其他烷基大。 B與苯環(huán)相連的原子含有未共用電子對的取代基。如O()、N()R2、N()HR、N()H2、O()H、O()R、O()COR、N()HCOR、F()、C()l、B()r、I()等，它們的未共用電子對能與苯環(huán)形成供電共軛效應(yīng)（C），所以它們都是鄰、對位定位基。除O以外，上述基團還具有吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)（I）。這會影響取代基的活化作用。對于氨基、羥基而言，其供電共軛效應(yīng)|C|大于吸電誘導(dǎo)效應(yīng)|I|，總的結(jié)果是使苯環(huán)活化；對于鹵素，其|C|略小于|I|，總的結(jié)果使苯環(huán)上的電子云密度稍有下降，對苯環(huán)有致鈍作用。第二節(jié) 有機

53、反應(yīng)類型及其基本原理 C具有吸電子性的取代基。如N(+)R3、NO2、CF3、CN、SO3H、CHO、COR、COOH、COOR、CONR2、CCl3和N(+)H3等。這類取代基中與芳環(huán)直接相連的原子上沒有未共用的電子對，具有吸電子性的誘導(dǎo)效應(yīng)，其中有些基團還具有吸電子性的共軛效應(yīng)（C）。這些效應(yīng)均使苯環(huán)上的電子云的密度降低，對苯環(huán)有致鈍作用，而且是間位定位基。 表2-5列出了各類取代基的電子歷程及其定位作用。 第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 表2-5 鄰、對位定位基和間位定位基定位效應(yīng)強度取代基電子效應(yīng)電子機理綜合性質(zhì)鄰、對位定位最強O給電子誘導(dǎo)效應(yīng)（+I），給電子共軛效應(yīng)（+C）活化強N

54、R2，NHR，NH2，OH，OR吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)（I）小于給電子共軛效應(yīng)（+C）中OCOR，NHCOR，NHCHO弱CH3給電子誘導(dǎo)效應(yīng)（+I），給電子超共軛效應(yīng)（+C）C2H5，CH(CH3)2，CR3給電子誘導(dǎo)效應(yīng)（+I）弱CH2Cl，CH2CN 弱吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)（I）活化或鈍化CHCHCOOH，CHCHNO2F，Cl，Br，I吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)（I）大于給電子共軛效應(yīng)（+C）鈍化間位定位強COR，CHO，COOR，CONH2，COOH，SO3H，CN，NO2，吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)（I），吸電子共軛效應(yīng)（C）CF3，CCl3吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)（I）最強NH3，NR3第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 苯環(huán)上

55、已有兩個取代基時的定位規(guī)律。當苯環(huán)上已有兩個取代基，需要引入第三個取代基時，新取代基進入苯環(huán)的位置主要取決于已有取代基的類型、它們的相對位置和定位能力的相對強弱。一般可分為兩個取代基的定位作用一致和不一致兩種情況。 A兩個已有取代基的定位作用一致。這時仍可按前述定位規(guī)律來決定新取代基進入苯環(huán)的位置。 當兩個取代基屬于同一類型（都屬于第一類或都屬于第二類）并處于間位時，其定位作用是一致的。例如：第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 從間二甲苯的硝化不難看出，新取代基很少進入兩個處于鄰位的取代基之間的位置，這顯然是空間效應(yīng)的結(jié)果。 當兩個取代基屬于不同類型，并處于鄰位或?qū)ξ粫r，其定位作用也是一致的。例

56、如： 第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 B兩個已有取代基的定位作用不一致。這時新取代基進入苯環(huán)的位置將取決于已有取代基的相對定位能力，通常第一類取代基的定位能力比第二類取代基強得多，同類取代基定位能力的強弱與前述兩類定位基的排列次序是一致的。 當兩個取代基屬于不同類型，并處于間位時，其定位作用就是不一致的，這時新取代基主要進入第一類取代基的鄰、對位。例如：第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 當兩個取代基屬于同一類型，并處于鄰、對位時，其定位作用也是不一致的，這時新取代基進入的位置取決于定位能力較強的取代基。例如： 如果兩個取代基的定位能力相差不大，則得到多種異構(gòu)產(chǎn)物的混合物。例如： 第二節(jié) 有機

57、反應(yīng)類型及其基本原理 （4）萘環(huán)的取代定位規(guī)律 位和位的活潑性。 與苯相比，萘環(huán)上的位和位都比較活潑。其中位更活潑，在對萘進行親電取代反應(yīng)時，取代基E+優(yōu)先進入位。例如在萘的硝化、氯化和低溫磺化時，基團進入位和位的比例為： 萘環(huán)上已有取代基時的定位規(guī)律。在已有一個取代基的萘環(huán)上再引入第二個取代基時，新引入取代基進入萘環(huán)的位置主要與已有取代基的類型和位置有關(guān)，同時也與反應(yīng)試劑的類型和反應(yīng)條件有關(guān)。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 如果在萘環(huán)的位有一個第一類定位基，則新引入的取代基優(yōu)先進入同環(huán)的鄰或?qū)ξ?，并且以其中的一個位置為主；如果是在位，則優(yōu)先進入同環(huán)的位。例如： 如果萘環(huán)上有一個第二類定位基

58、，則新引入的取代基主要進入沒有取代基的另一個環(huán)上，并且主要是位。例如： 第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 （5）蒽醌環(huán)的親電取代定位規(guī)律 蒽醌分子中由于兩個對稱羰基的吸電子作用，使得在兩個邊環(huán)上進行親電取代反應(yīng)要比在萘和苯環(huán)上困難。例如，在蒽醌環(huán)上發(fā)生Friedel-Crafts反應(yīng)、鹵化反應(yīng)等很困難。 由于蒽醌的兩個邊環(huán)是隔離的，當其中的一個環(huán)上有第二類定位基時，對另一個環(huán)的致鈍作用并不明顯，所以新取代基可進入另一邊環(huán)。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 3芳香族的親核取代反應(yīng) 芳香族的親核取代是親核試劑對芳香進攻的反應(yīng)，它是通過親核試劑優(yōu)先進攻芳環(huán)上電子云最低的位置而實現(xiàn)的。芳香族親核取代反

59、應(yīng)的難易程度和定位規(guī)律與親電取代反應(yīng)正好相反。芳香族親核取代反應(yīng)可分為：芳環(huán)上氫的親核取代、芳環(huán)上已有取代基的親核取代（本質(zhì)上為親核置換）和通過苯炔中間體的親核取代。 對于芳環(huán)上氫的親核取代，由于芳環(huán)和親核試劑的電子云密度都比較高，所以這類反應(yīng)較難發(fā)生。當芳環(huán)上有較強的吸電子基團時，在連接吸電子基團的碳原子上電子云密度下降較多，較易受到親核試劑的進攻，從而發(fā)生已有取代基親核取代（親核置換）反應(yīng)。這類反應(yīng)在有機合成中相當重要，在許多情況下，較易進行，產(chǎn)率也較高。表2-6列出了重要的芳環(huán)上已有取代基的親核取代（置換）反應(yīng)。第二節(jié) 有機反應(yīng)類型及其基本原理 反應(yīng)物親核試劑反應(yīng)產(chǎn)物單元反應(yīng)反應(yīng)物親核試

60、劑反應(yīng)產(chǎn)物單元反應(yīng)ArCl或ArBrNaOH，H2OArOH羥基化ArNO2ROKArOR烷氧基化RONaArOR烷氧基化ArOKArOAr芳氧基化ArONa，ArOKArOAr芳氧基化NH4OHArNH2氨解NH3，NH4OHArNH2氨解Na2SO3ArSO3Na磺化RNH2ArNHR氨解ArN 2Cl或Ar N 2 HSO 4H2OArOH羥基化Na2SO3ArSO3 Na磺化HCl(CuCl)ArCl鹵素置換Na2SArSHNaCu(CN)2ArCNNaCNArCNArNH2H2O（NaHSO）ArOH羥基化ArSO3HNaOH，KOHArOH羥基化ArNH2ArNHAr芳胺基化NH4