精細有機合成的理論基礎

關于精細有機合成的理論基礎（1）雙分子親核取代反應歷程（SN2）該過程中舊鍵的斷裂與新鍵的形成是同時發(fā)生的，沒有中間體的形成，反應一步進行。通式如下：1.脂肪族親核取代反應歷程第2頁,共29頁，2024年2月25日，星期天SN2歷程的特征：①Nu-從離去基團背面進攻；②構型反轉（R/S）；③舊鍵斷裂與新鍵形成同時；④二級反應，即v=k[RCH2X][OH-]；假一級反應（當[OH-]﹥﹥[RCH2X]時)，v=k[RCH2X]第3頁,共29頁，2024年2月25日，星期天該歷程中反應是分兩步進行的，第一步，中心C原子與離去基間發(fā)生異裂，生成一個不穩(wěn)定的碳正離子中間體；（2）單分子親核取代反應歷程（SN1）第二步，碳正離子與親核試劑結合生成新的化合物。第4頁,共29頁，2024年2月25日，星期天★

SN1反應機制的特點

●反應分兩步，第一步是控制步驟，即C-X鍵首先斷裂形成碳正離子；

●過渡態(tài)為平面結構，中心原子由sp3雜化轉化為sp2雜化；

●親核試劑可以從碳正離子兩側與之結合,生成等量的對映體，即發(fā)生消旋化；

●此類反應與親核試劑的親核能力及濃度無關。一級反應，即v=k[R3CX]

★SN1反應立體化學:生成等量的對映體即外消旋體第5頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2.影響反應歷程和速度的因素（1）作用物的結構SN1:單分子親核取代反應.主要考察形成的C正離子的穩(wěn)定性被進攻的碳原子上有給電性取代基；取代基的p-p（如α-氯代醚類）和p-π（如烯丙基鹵化物）共軛有利于SN1。在RX里,按SN1進行的RX的活性為:烯丙型，芐基型>叔RX>仲RX>伯RXSN2:雙分子親核取代反應.主要考察空間阻力.受到的阻力越小,活性就越大.

注意：烯丙型RXand芐基型RX,發(fā)生SN2反應的活性也是非常大的,與伯RX相當?shù)?頁,共29頁，2024年2月25日，星期天（2）離去基團的影響越容易形成負離子（或接受電子能力強）的離去基團越有利于親核取代反應的進行。難易次序：（3）親核試劑的影響對SN1影響不大，對SN2反應有明顯的影響。絕大多數(shù)試劑的親核能力與其堿性一致。同族元素的親核試劑中，原子半徑越大，越容易極化，親核性越強第7頁,共29頁，2024年2月25日，星期天（4）溶劑的影響對SN1反應，極性溶劑有利于中性化合物R-X的解離溶劑極性越大，反應速度越快對SN2反應，Nu-易與質子傳遞型溶劑形成氫鍵，使反應活性降低。反應宜在非質子傳遞型溶劑中進行第8頁,共29頁，2024年2月25日，星期天3.芳香族環(huán)上氫的親核取代反應反應時，親核試劑優(yōu)先進攻環(huán)上電子云密度最低的位置，故（反應難易和定位規(guī)律）與芳香族親電取代反應相反。特點：①由于芳香環(huán)和親核試劑的電子云密度都比較高，所以這類反應較難發(fā)生。②當芳環(huán)上連接有吸電子基團時，使鄰位和對位的電子云密度下降得比間位更多，該位有利于發(fā)生親核取代反應。第9頁,共29頁，2024年2月25日，星期天4.芳香族已有取代基的親核置換反應在芳環(huán)上引入某些基團。要在芳環(huán)上引入-OH、-OR、-OAr、-NH2、-NHR、-NR2、-NHAr、-CN和-SH等取代基的化合物，采用環(huán)上H的親核取代相當困難。（1）重要性但是，親電取代可以在苯環(huán)上引入磺基、硝基、亞硝基、鹵基、烷基、?；?、羧甲基和偶氮基等。引入這些基團后，由于這些基團的吸電子作用使與之相連的C原子上的電子云密度比其它C原子降低得更多，因此該位置易發(fā)生親核置換反應。第10頁,共29頁，2024年2月25日，星期天a）雙分子歷程(二級反應）中間體：配合物負離子（2）親核置換反應反應歷程邁森海默絡合物b）單分子歷程（一級反應）重氮鹽的水解或醇解生成醇或醚是親核置換反應，其歷程按SN1進行：第11頁,共29頁，2024年2月25日，星期天c.苯炔歷程第一步：消除鹵化氫，形成苯炔中間體；第二步：親核加成生成取代產物38%（預期的）62%（非預期的）消除-加成機理(苯炔機理)如下：必須使用強堿第12頁,共29頁，2024年2月25日，星期天（3）苯環(huán)上其它取代基對親核置換反應的影響a）當取代基的共軛位（鄰、對位）有吸電子取代基存在，對反應有利b.當苯環(huán)上同時有鹵基和其它吸電性基時，通常都是鹵基發(fā)生親核置換，而其它吸電性基團不發(fā)生變化（重氮基容易分解，氰基容易水解）第13頁,共29頁，2024年2月25日，星期天習題

1.下面所列的每對親核取代反應，各按何種機理進行？哪一個反應更快？為什么？I-的親核性很強，且丙酮極性較小。這種反應條件有利于SN2,

SN2反應速率：1oRX＞2oRX＞3oRX2.鹵代烷與NaOH在水－乙醇溶液中進行反應，下列哪些是SN2機理？哪些是SN1機理？(1)產物發(fā)生Walden轉化；(2)增加溶劑的含水量反應明顯加快；（3）有重排反應；（4）叔鹵代烷反應速率大于仲鹵代烷；（5）反應只有一步。SN2SN1SN1SN1SN2第14頁,共29頁，2024年2月25日，星期天3）下列每一對反應中，預測哪一個更快，為什么？(1)(2)(3)(4)質子溶劑，p-π共軛，更容易SN1，CH3CH=CHCH2＋＞CH2＝CHCH2CH2＋空間位阻大，不利于SN1S半徑越大，越容易極化，親核性越強第15頁,共29頁，2024年2月25日，星期天(5)(A)(B)P-P共軛效應(6)(A)(B)甲醇是質子性溶劑，DMF為非質子溶劑有利于SN2第16頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2.4消除反應消除反應：有機物分子中同時除去兩個原子（或原子團），形成一個新分子的反應。這種反應通常是不飽和程度增加的反應。分β消除和α消除兩種。在相鄰的兩個碳原子上除去兩個基團，生成烯（炔）烴化合物。（1）β-消除反應①雙分子消除反應歷程（E2歷程)：雙分子消除反應通常在強堿性試劑存在下發(fā)生。當親核性試劑的堿性試劑Nu接近β－H時，形成過渡態(tài)，而后發(fā)生C－H鍵和C－X鍵的同時斷裂，形成烯鍵。反應為二級，反應速度v=k[Nu][RX]第17頁,共29頁，2024年2月25日，星期天E2歷程和SN2歷程很相似，區(qū)別在E2歷程中堿性試劑進攻β-氫原子，而SN2歷程中親核試劑進攻α碳原子上。按E2歷程進行反應，離去基團的空間排布在理論上有兩種，即順式消除和反式消除。對烷基化合物，單鍵可以自由旋轉，很難確定按哪種方式進行；但烯烴衍生物和脂環(huán)化合物中，雙鍵和環(huán)上的單鍵自由旋轉受到阻礙，就以反式共平面的消除方式為主。E2和SN2的比較：第18頁,共29頁，2024年2月25日，星期天單分子消除反應歷程(E1)分兩步進行，分子上離去基先解離掉（控制步驟）生成正碳離子，第二步在堿性條件下消除β－H質子后形成烯烴：反應為一級，反應速率與堿的濃度無關，v=k[RX]β-消除反應定向規(guī)律當形成的C正離子比較穩(wěn)定時，反應優(yōu)先按E1歷程進行。E1和SN1反應常同時發(fā)生，兩者比值常根據(jù)溶劑的極性和溫度的不同而異。②單分子消除反應歷程（E1歷程)：第19頁,共29頁，2024年2月25日，星期天從鹵代烷消除鹵化氫時，氫從含氫量少的碳原子上消除，主要生成不飽和碳原子上連有烷基數(shù)目最多的烯烴。b)霍夫曼（Hofmann）法則:季銨堿分解時，主要生成在不飽和碳原子上連有烷基數(shù)目最少的烯烴。a）查依采夫（Saytzeff）法則:第20頁,共29頁，2024年2月25日，星期天c）若分子中已有一個雙鍵，消除反應后形成新的雙鍵位置，不論按何種消除歷程，均以形成共軛雙鍵產品為主。在相同的碳原子上消除兩個原子（或原子團)，也稱1,1-消除，形成卡賓（Carbene,>C：），由于卡賓的特殊價鍵狀態(tài)和化學結構，可發(fā)生多種化學反應。（2）

α-消除反應第21頁,共29頁，2024年2月25日，星期天a）空間效應：（3）

消除反應影響因素反應物分子結構的影響b）電子效應：c.離去基團的性質：離去基團吸電子能力增加，使β-H原子的電子云密度下降，有利于E2消除，而對E1消除無明顯影響。無論E2還是E1機理，反應均有利(因E2是進攻β-H原子)。β-碳原子上有吸電子基團，增加了β-氫原子的活性，有利于E2反應。第22頁,共29頁，2024年2月25日，星期天a）試劑堿性的影響：反應條件的影響b）溶劑（介質）的影響：c）溫度的影響：升高反應溫度對E1和E2消除均有利高濃度的強堿性試劑在非質子化溶劑中，有利于雙分子歷程，且對E2比對SN2更有利。低濃度的堿或者沒有堿存在時，在質子化溶劑中有利于單分子歷程，且對SN1比對E1更有利。對于單分子反應歷程，首先是形成C+離子，增加溶劑極性可以使反應速率提高，但是對E1和SN1產物比例影響較小

對于雙分子反應歷程，非極性溶劑對SN2和E2反應均有利。第23頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2.5自由基反應自由基反應屬快速鏈反應，反應歷程包括三個階段：鏈引發(fā)、鏈傳遞和鏈終止。自由基反應應用十分廣泛，如鹵化、磺化、氧化、聚合等。自由基的產生方式：1.熱離解法：化合物受熱到一定溫度發(fā)生熱離解，產生自由基.2.光離解法：3.電子轉移法：利用重金屬離子具有得失電子的性能，來催化過氧化物分解產生自由基第24頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2.6加成反應加成反應分：親電加成、親核加成和自由基加成。1、親電加成：烯烴、炔烴分子中的π電子具有較大的活性，容易與多種親電試劑加成。常用的親電試劑：強酸、Lewis酸（如氯化鐵、氯化鋁）、鹵素、鹵代烷、卡賓、醇、羧酸、羧酰氯等。烯烴結構的影響：當碳－碳雙鍵上連有給電性取代基時，有利于穩(wěn)定正離子，加快了反應速度；當碳－碳雙鍵上連有吸電性取代基時，降低了碳正離子穩(wěn)定性，反應速度減慢。歷程：分兩步，先生成碳正離子中間產物（控制步驟），再與負離子結合。鹵素的親電性：Cl2>Br2>I2。第25頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2、親核加成親核加成中最重要的是羰基的親核加成。C＝O中帶正電荷的C原子與親核試劑發(fā)生反應。參與加成反應的親核試劑有三類：1）能形成碳負離子的化合物，主要是含有活潑α-H的醛，酮，羧酸及其衍生物和亞砜等。這類親核加成是在酯鍵上形成新的C－C鍵的重要方法。2）具有未共用電子對的化合物或離子：如H2O、H2S、SO3H－、NH2OH、C6H5NHNH2等。與羰基化合物加成后形成C－O、C－S和C－N鍵等。第26頁,共29頁，2024年2月25日，星期天a）

醛、環(huán)氧化合物、不飽和