有机化学反应机理.doc

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1、有机化学反应机理四.弗瑞德-克来福特(Friedel-Crafts)烷基化反应(P.201) 芳烃与卤代烃、醇类或烯类化合物在Lewis催化剂(如AlCl3，FeCl3, H2SO4, H3PO4, BF3, HF等)存在下，发生芳环的烷基化反应。 卤代烃反应的活泼性顺序为：RF RCl RBr RI ; 当烃基超过3个碳原子时，反应过程中易发生重排。1.反应机理 首先是卤代烃、醇或烯烃与催化剂如三氯化铝作用形成碳正离子： 所形成的碳正离子可能发生重排，得到较稳定的碳正离子： 碳正离子作为亲电试剂进攻芳环形成中间体s-络合物，然后失去一个质子得到发生亲电取代产物：2.反应实例 五. 弗瑞德-克

2、来福特(Friedel-Crafts)酰基化反应(P.200)芳烃与酰基化试剂如酰卤、酸酐、羧酸、烯酮等在Lewis酸(通常用无水三氯化铝)催化下发生酰基化反应，得到芳香酮： 这是制备芳香酮类最重要的方法之一，在酰基化中不发生烃基的重排。1.反应机理2.反应实例七. 迈克尔(Michael )加成反应(P.378,499)一个亲电的共轭体系和一个亲核的碳负离子进行共轭加成，称为Micheal加成：1.反应机理2.反应实例十六.Gattermann-Koch 反应(P.368) 芳香烃与等分子的一氧化碳及氯化氢气体在加压和催化剂(三氯化铝及氯化亚铜)存在下反应，生成芳香醛：1.反应机理2.反应实

3、例 四十一、Diels-Alder 反应(P.179)含有一个活泼的双键或叁键的化合物(亲双烯体)与共轭二烯类化合物(双烯体)发生1,4-加成，生成六员环状化合物：这个反应极易进行并且反应速度快，应用范围极广泛，是合成环状化合物的一个非常重要的方法。带有吸电子取代基的亲双烯体和带有给电子取代基的双烯体对反应有利。常用的亲双烯体有：下列基团也能作为亲双烯体发生反应：常用的双烯体有：1、反应机理这是一个协同反应，反应时，双烯体和亲双烯体彼此靠近，互相作用，形成一个环状过渡态，然后逐渐转化为产物分子：反应是按顺式加成方式进行的，反应物原来的构型关系仍保留在环加成产物中。例如：正常的Diels-Ald

4、er反应主要是由双烯体的HOMO(最高已占轨道)与亲双烯体的LUMO(最低未占轨道)发生作用。反应过程中，电子从双烯体的HOMO“流入”亲双烯体的LUMO。也有由双烯体的LUMO与亲双烯体的HOMO作用发生反应的。2、反应实例 本反应具有很强的区域选择性，当双烯体与亲双烯体上均有取代基时，主要生成两个取代基处于邻位或对位的产物： 当双烯体上有给电子取代基、亲双烯体上有不饱和基团如：与烯键(或炔键)共轭时，优先生成内型(endo)加成产物二、马氏规则的解释和碳正离子的稳定性马氏规则是由实验总结出来的经验规则，它的理论解释可以从结构和反应历程两方面来理解。1 用诱导效应和-共轭效应来解释1）用诱导

5、效应解释2）-共轭效应来解释当键直接与双键相连时，这样的体系中存在着电子的离域现象，其结果使极化。2用泼中间体碳正离子的稳定性来解释正碳离子的杂化状态及结构如下所示：定性的说，碳正离子的稳定性顺序为：原因：从电负性看，Csp2 Csp3 故烷基上的电荷向C+ 转移，分散了C+ 的电荷，烷基越多，分散作用越大，碳正离子越稳定。从-P共轭效应看，参与-P共轭的键数目越多，则正电荷越分散，碳正离子越稳定。碳正离子的稳定性越大，越易生成，当有两种碳正离子可能生成时，则优先生成稳定的碳正离子，故主要得到马氏产物。例如：苯环上亲电取代反应的定位规律掌握两类定位基的定位规律，定位规律的理论解释及其在有机合成

6、中的应用基本概念：定位基：在进行亲电取代反应时，苯环上原有取代基，不仅影响着苯环的取代反应活性，同时决定着第二个取代基进入苯环的位置，即决定取代反应的位置。原有取代基称做定位基。一、两类定位基在一元取代苯的亲电取代反应中，新进入的取代基可以取代定位基的邻、间、对位上的氢原子，生成三种异构体。如果定位基没有影响，生成的产物是三种异构体的混合物，其中邻位取代物 40%（2/5）、间位取代物 40%（2/5）和对位取代物 20%（1/5）。实际上只有一种或二种主要产物。例如各种一元取代苯进行硝化反应，得到下表所示的结果： 排在苯前面的取代硝化产物主要是邻位和对位取代物，除卤苯外，其它取代苯硝化速率都

7、比苯快；排在苯后面取代硝化产物主要是间位取代物，硝化速率比苯慢得多。归纳大量实验结果，根据苯环上的取代基（定位基）在亲电取代反应中的定位作用，一般分为两类：第一类定位基又称邻对位定位基：O-，N(CH3)2，NH2，OH，OCH3，NHCOCH3，OCOCH3，F，Cl，Br，I，R，C6H5 等。第二类定位基又称间位定位基：N+(CH3)3，NO2，CN，SO3H，CHO，COCH3，COOH，COOCH3，CONH2，N+H3 等。两类定位基的结构特征：第一类定位基与苯环直接相连的原子上只有单键，且多数有孤对电子或是负离子；第二类定位基与苯环直接相连的原子上有重键，且重键的另一端是电负性大

8、的元素或带正电荷。两类定位基中每个取代基的定位能力不同，其强度次序近似如上列顺序。二、定位规律的电子理论解释在一取代苯中，由于取代基的电子效应沿着苯环共轭链传递，在环上出现了电子云密度较大和较小的交替分布现象，因而环上各位置进行亲电取代反应的难易程度不同，出现两种定位作用。也可以从一取代苯进行亲电取代反应生成的中间体 络合物的相对稳定性的角度进行考察，当亲电试剂 E+ 进攻一取代苯时生成三种络合物： Z 不同，生成的三种 络合物碳正离子的稳定性不同，出现了两种定位作用。1第一类定位基对苯环的影响及其定位效应以甲基、氨基和卤素原子为例说明。甲基 在甲苯中，甲基的碳为 sp3 杂化，苯环碳为 sp

9、2 杂化，sp2 杂化碳的电负性比 sp3 杂化碳的大，因此，甲基表现出供电子的诱导效应（A）。另外，甲基 CH 键的轨道与苯环的 轨道形成 超共轭体系（B）。供电诱导效应和超共轭效应的结果，苯环上电子密度增加，尤其邻、对位增加得更多。因此，甲苯进行亲电取代反应比苯容易，而且主要发生在邻、对位上。亲电试剂 E+ 进攻甲基的邻、间、对位置，形成三种 络合物中间体，三种 络合物碳正离子的稳定性可用共振杂化体表示：进攻邻位：进攻对位：进攻间位：亲电试剂进攻苯生成的 络合物的碳正离子也可以用共振杂化体表示：显然，共振杂化体和比稳定，因为c和b的正电荷在有供电基的叔碳上，较分散。而在中，正电荷都分布在仲

10、碳上，不稳定。所以甲基是邻对位定位基。共振杂化体比稳定，虽然在和中的共振极限结构式都是正电荷分布在仲碳上，但甲基有供电性，使的正电荷可以分散在环和甲基上，因此，甲基活化了苯环。从共轭效应和共振论两种观点分析、考察甲苯的亲电取代反应，都得出甲基是第一类定位基、有活化苯环作用的一致结论。氨基 在苯胺中，NC 键为极性键，N有吸电子的诱导效应（C），使环上电子密度减少；但同时氮原子有孤对电子，与苯环形成供电的p共轭效应（D），使环上电子密度增加：在这里，共轭效应大于诱导效应，所以综合效应使是环上电子密度增加，尤其是氨基的邻位和对位增加更多。因此，苯胺进行亲电取代反应比苯更容易，且主要发生在氨基的邻、

11、对位上。考察生成的中间体络合物碳正离子的稳定性也得到同样的结论。 （3）卤原子 卤原子比较特殊，是一类使苯环钝化的第一类定位基。以氯苯为例，在氯苯中氯原子是强吸收电子基，强的吸电子诱导效应使苯环电子密度降低，比苯难进行亲电取代反应。但氯原子与苯环又有弱的供电的 p- 共轭效应（C的2p轨道与 Cl 的 3p 轨道形成 p- 共轭体系，没有 C 的 2p 轨道与 N 的 2p 轨道形成的 p- 共轭体系有效），使氯原子邻、对位上电子密度减少得不多，因此表现出邻对位定位基的性质。2第二类定位基对苯环的影响及其定位效应以硝基苯为例说明。在硝基苯中，硝基存在着吸电子的诱导效应（E），还存在着吸电子的-

12、共轭效应（F）： 这两种电子效应都使苯环上电子密度降低，亲电取代反应比苯难；共轭效应的结果，使硝基的间位上电子密度降低得少些，表现出间位定位基的作用。亲电试剂进攻硝基苯时，形成邻、间、对三种 络合物中间体：进攻邻位：进攻对位：进攻间位：共振杂化体 比 和 稳定，因为在 和 中有正电荷分布在有强吸电子基团的叔碳上的极限结构式 c 和 b 不稳定。因此，硝基是第二类定位基，取代反应发生在间位上。共振杂化体有强吸电子基团，与相应的苯的共振杂化体相比， 不稳定。因此，硝基表现出钝化苯环的作用。三、对邻、对位产物比例的影响因素1空间效应环上有邻对位定位基存在时，生成邻位和对位产物的比例与定位基和新进入基

13、团的体积有关系。这两种基团体积越大，空间位阻越大，邻位产物越少。烷基苯的硝化反应随着烷基的体积增大，邻位硝基苯的比例减少。烷基硝化反应时异构体分布苯环上原有定位基不变，随着进入基团体积增大，邻位异构体的比例也减少。如表所示。甲基苯烷基化时异构分布2反应温度的影响反应温度不同，邻、对位异构体的比例不同。如 3催化剂的影响 利用现代催化技术，可以控制取代基的定位作用，如使用有择型催化作用的分子筛催化乙苯的乙基化，可以得到高选择性的对二乙苯。工业上就是用分子筛催化合成对二乙苯。后者催化脱氢，得到交联聚苯乙烯的共聚单体对二乙烯基苯： 甲苯与丙烯烷基化反应，使用不同孔径的分子筛催化剂，分别得到间甲基异丙

14、苯和对甲基异丙基苯。已应用于工业生产装置上。间甲基异丙基苯和对甲基异丙基苯分别是制备间甲基苯酚和对甲基苯酚的原料。四、二元取代苯的定位规律当苯环上有两个取代基时，第三个取代基进入苯环的位置，主要由原来的两个取代基的性质决定。大体上说，苯环上有两个取代基时，有三种定位情况。1苯环上原有两个取代基对引入第三个取代基的定位作用一致，第三个取代基进入苯环的位置就由它们共同定位。例如，下列化合物引入第三个取代基时，第三个取代基主要进入箭头所示的位置： 2苯环上原有两个取代基，对进入第三个取代基的定位作用不一致，两个取代基属同一类定位基，这时第三个取代基进入苯环的位置主要由定位作用强的取代基所决定。如果两

15、个取代基定位作用强度较小时，得到两个定位基定位作用的混合物： 3苯环上原有两个取代基对引入第三个取代基的定位作用不一致，两个取代基不同类定位基时，这时第三个取代基进入苯环的位置主要由第一类定位基定位： 在考虑第三个取代基进入苯环的位置时，除考虑原有两个取代基的定位作用外，还应该考虑空间位阻，如 3-乙酰氨基苯甲酸的 2 位取代产物很少。五、定位规律在有机合成上的应用应用定位规律可以选择可行的合成路线，得到较高的产率和避免复杂的分离过程。例如由甲苯合成间硝基苯甲酸，应采用先氧化后硝化的步骤： 由对硝基甲苯合成2，4-二硝基苯甲酸，其合成路线有如下两条： 显然第一条合成路线较合理，可以简化分离步骤

16、，同时硝化一步反应较第二条路线的硝化一步反应易进行，因为两个取代基（CH3，NO2）的定位作用是一致的。定位规律只适用于动力学控制的反应。例如，叔丁苯在 FeCl3 催化下，与叔丁基氯反应生成对二叔丁基苯：这与定位规律一致，但用过量的AlCl3为催化剂，则生成 1，3，5-三叔丁基苯： 这是因为在过量强酸作用下，烷基化和脱烷基化达成平衡，邻、对位烷基化快，脱烷基化也容易；间位烷基化慢，脱烷基化也较难，最后变成热力学上稳定的均三叔丁基苯。六、关键词定位基，定位规律，两类定位基，定位规律的性质解释，二元取代苯的定位规律，定位规律的应用单分子亲核取代反应的动力学和机理叔溴丁烷在稀碱溶液中发生水解，生

17、成的产物主要是叔丁醇，还有少量的异丁烯： 通过实验测定，这个反应的动力学方程是一级的，=kt-BuBr。这表明，在叔溴丁烷的水解反应中，反应的速率只由叔溴丁烷的浓度所控制，而与碱的浓度无关。这个反应的机理不同于 SN2 反应，不是一步反应过程，而是一个多步骤反应：1)2)3）4)在溶剂(H2O)的作用下，叔溴丁烷先按着(1)式解离生成碳正离子(CH3)3C+ 和溴负离子 Br-，需要吸收能量。与(2)、(3)、(4)相比是最难于发生的，是整个反应的控制步骤。生成的碳正离子与 -OH 结合生成 C-O 键的同时放出能量，是一个非常易于进行的过程。水是大量存在于反应体系中的，虽然它是溶剂，但水分子

18、也能与生成的碳正离子结合，而后迅速脱去一个质子生成醇，所以(3)式的发生是必然的。如果碳正离子在没有与 -OH 或 H2O 结合之前就从邻位碳原子上脱去一个质子，则产生烯烃。在整个反应过程中，在控制步骤(1)里，碳溴键的断裂与-OH 无关，是单分子行为，所以称之为单分子的亲核取代反应，记为 SN1。在 SN1 反应中，中心碳原子的杂化状态变化是：sp3sp2sp3。中间体碳正离子的生成是这个过程的特征。整个反应过程的能量变化如图所示。 SN1反应的立体化学在卤代烷的SN1反应中，生成的中间体碳正离子是一个 sp2 杂化的平面构型，当亲核试剂与这个碳正离子成键时，可以从平面两侧与之结合，产生两种

19、构型的产物。如果卤代烷的中心碳原子是手性的，则产物会出现外消旋化。如果反应物是卤代环烷烃，而且有顺反构型，当按 SN1 反应机理发生反应后，所得产物就会出现顺反混合物，也被实验事实所证明。例如： 外消旋化是卤代烷发生 SN1 反应的立体化学特征。但是，几乎所有卤代烷的SN1 机理反应的产物并不是完全外消旋化，即产物不是 100% 的外消旋体。其主要原因是先行离去的卤负离子可以与生成的碳正离子以离子对的形态留存于原来的空间方位，这就使亲核试剂从碳正离子平面两侧进入的概率不均等，因而形成一定量的构型转化的产物。SN1 反应的另一特点是常伴有重排反应发生。例如： 四、邻基参与的亲核取代反应机理以上讨

20、论的SN1和SN2反应，反应物和亲核试剂是两种不同的化合物，这种反应是分子间的反应。如果亲核试剂与离去基团处于同一分子内，能否发生分子内的亲核取代反应？答案是肯定的，但是有条件的。当亲核基团与离去基团位置适当，且能反式共平面才能发生反应。如：-氯乙醇在碱催化作用下合成环氧乙烷的反应： 这是一种分子内的SN2反应,它远比分子间的SN2反应有利。邻基参与（邻基效应）：有旋光性的溴代丙酸盐的碱性水解反应，得到构型保持的旋光性-羟基丙酸盐 O 在这一反应中，邻近的羧基负离子从离去溴原子的背后进攻碳原子，促使溴原子离去，形成三元环内酯中间体，然后亲核试剂-OH从Br-离去的方面进攻碳，使构型保持： 在同

21、一分子中，一个基团参与并制约和反应中心相连的另一个基团所发生的反应，这种分子内基团之间的特殊作用称为邻基效应或邻基参与。如这种参与使反应速率加快，则称为邻基协助。溴代丙酸盐碱性水解反应，实际上经理了两次SN2反应。一次是由于邻基参与的分子内的SN2反应，接着是羟基负离子-OH与内酯中间体的分子间SN2反应。有邻基参与的亲核取代反应的特点是反应中心原子的构型保持不变，取代反应的速率快。邻基参与不限于亲核取代反应，在消除反应、重排反应、加成反应、自由基反应等中也普遍存在。共轭效应轭效共应 (conjugated effect) ，又称离域效应，是指由于共轭键的形成而引起分子性质的改变的效应。H2C

22、=CH2，键的两个p电子的运动范围局限在两个碳原子之间，这叫做定域运动CH2=CH-CH=CH2中，可以看作两个孤立的双键重合在一起，p电子的运动范围不再局限在两个碳原子之间，而是扩充到四个碳原子之间，这叫做离域现象。这种分子叫共轭分子。共轭分子中任何一个原子受到外界试剂的作用，其它部分可以马上受到影响。这种电子通过共轭体系的传递方式，叫做共轭效应。特点：沿共轭体系传递不受距离的限制。正常共轭效应 又称 共轭。是指两个以上双键(或三键)以单键相联结时所发生的 电子的离位作用。英戈尔德，C.K.称这种效应为仲介效应，并且认为，共轭体系中这种电子的位移是由有关各原子的电负性和 p 轨道的大小(或主

23、量子数)决定的。据此若在简单的正常共轭体系中发生以下的电子离位作用： (例如：CH2 CHCH CH2、CH2 CHCH O)。Y 原子的电负性和它的 p 轨道半径愈大，则它吸引 电子的能力也愈大，愈有利於基团X Y从基准双键 A B吸引 电子的共轭效应(如同右边的箭头所示)。与此相反，如果A原子的电负性和它的 p 轨道半径愈大，则它释放电子使其向 Y 原子移动的能力愈小，愈不利於向X Y基团方向给电子的共轭效应。中间原子 B 和 X 的特性也与共轭效应直接相关。 多电子共轭效应 又称 p- 共轭。在简单的多电子共轭体系中，Z 为一个带有 p 电子对 (或称 n电子)的原子或基团。这样的共轭体

24、系中，除 Z 能形成 d- 共轭情况外，都有向基准双键 A B方向给电子的共轭效应： (例如 等)。Z 原子的一对 p 电子的作用，类似正常共轭体系中的X Y基团。 正常共轭效应 又称 共轭。是指两个以上双键(或三键)以单键相联结时所发生的 电子的离位作用。英戈尔德，C.K.称这种效应为仲介效应，并且认为，共轭体系中这种电子的位移是由有关各原子的电负性和 p 轨道的大小(或主量子数)决定的。据此若在简单的正常共轭体系中发生以下的电子离位作用： (例如：CH2 CHCH CH2、CH2 CHCH O)。Y 原子的电负性和它的 p 轨道半径愈大，则它吸引 电子的能力也愈大，愈有利於基团X Y从基准

25、双键 A B吸引 电子的共轭效应(如同右边的箭头所示)。与此相反，如果A原子的电负性和它的 p 轨道半径愈大，则它释放电子使其向 Y 原子移动的能力愈小，愈不利於向X Y基团方向给电子的共轭效应。中间原子 B 和 X 的特性也与共轭效应直接相关。 多电子共轭效应 又称 p- 共轭。在简单的多电子共轭体系中，Z 为一个带有 p 电子对 (或称 n电子)的原子或基团。这样的共轭体系中，除 Z 能形成 d- 共轭情况外，都有向基准双键 A B方向给电子的共轭效应： (例如 等)。Z 原子的一对 p 电子的作用，类似正常共轭体系中的X Y基团。 超共轭效应 又称 - 共轭，它是由一个烷基的 CH 键的

26、 键电子与相邻的 键电子互相重叠而产生的一种共轭现象。依照多电子共轭的理论，一个CH键或整个CH基团可作为一个假原子来看待，有如结构式 中的 Z 原子： (例如 CH2 CHCH3、O CHCH3等) 。超共轭效应存在於烷基连接在不饱和键上的化合物中，超共轭效应的大小由烷基中 -H 原子的数目多少而定，甲基最强，第三丁基最弱。超共轭效应比一般正常共轭效应和多电子共轭效应弱得多。 同共轭效应 又称 p 轨道与 p 轨道的 型重叠。甲基以上的烷基，除有超共轭效应外，还可能产生同共轭效应。 所有同共轭效应，原是指 碳原子上的 CH 键与邻近的 键间的相互作用。大量的化学活性和电子光谱的数据表明，在丙

27、烯基离子和类似的烯羰基中，存在一种特殊的 p- 或 - 共轭现象，即所谓同共轭效应： 在丙烯基离子中是烯碳原子上的 p 轨道，与正碳离子( )上的空p轨道，作型的部分重叠；而在类似的烯羰基中，则是羰基碳原子的 p轨道与烯碳原子( )的p轨道作 型的部分重叠。诱导效应2诱导效应卤原子取代氢原子后形成X-C极性键，使成键电子偏向卤原子XC与这个X-C键相接的共价键的成键电子对受极性键的影响产生极化，如此影响下去，XCC=OOH,到羟基的OH时，使OH的成键电子对也偏向氧原子,H原子以质子H+的形式离开，酸性变大。诱导效应：由极性键诱导作用产生的沿价键链传递的电子对偏移效应称为诱导效应，又称为I效应

28、。3诱导效应作用的范围诱导效应沿价键链传递随着价键链的增长而衰减，一般传递三个化学健后，诱导效应的影响可以忽略不计，计算含氯的碳链上原子静电荷分布情况为：二、取代基的推电子效应和拉电子效应1以醋酸为标准判断取代基团的电子性能以醋酸分子甲基上的氢为参考标准HCH2COOH测其pKa值。取代基团X取代H原子以后，中的X产生吸电子的诱导效应(-I效应)时，使醋酸的pKa变小，称X为吸电子基团。取代基团Y取代H原子后，产生推电子的诱导效应(+I效应)时，使醋酸pKa变大，称Y为推电子基团。取代基团X、Y可以是原子也可以是基团。吸电子基团又称拉电子基团，推电子基团又称给电子基团或供电子基团。测定X、Y取

29、代醋酸的pKa值，可以把取代基团按pKa由小到大排列顺序，即取代基团吸电子能力从大到小顺序：排在H前面的取代基是吸电子取代基，排在H后面的取代基是推电子取代基。具有+I效应的取代基还有少数负离子，如：O-,COO-2取代基推、拉电子性能的相对性上面的取代基推、拉电子性能的顺序是近似的，是由测定取代醋中pKa值得到的，有相对性。当这些取代基连结到其它化合物上，由于分子中原子的互相作用，会使上述取代基的诱导效应有所改变。三、动态诱导效应上面讨论的由极性键引起的诱导效应称为静态诱导效应。在外电场存在时，由外电场的影响会产生键的极化作用，极化键产生的诱导作用称为动态诱导效应。在某些情况下，动态诱导效应的影响要比静态诱导效应的影响大，如在化学反应过程中，动态诱导效应的影响比静态诱导效应大得多。20