第二章精细有机合成反应理论Word文件下载.docx
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2.30
C—Cl
1.36
C—N
0.22
CN
3.50
二有机反应中的电子效应与空间效应
1.电子效应
电子效应可用来讨论分子中原子间的相互影响以及原子间电子云分布的变化。
可分为诱导效应和共轭效应。
(1)诱导效应(Inductioneffect)
在有机分子中相互连接的不同原子间,由于原子各自的电负性不同而引起的连接键内电子云偏移的现象,以及原子或分子受外电场作用而引起的电子云转移的现象称作诱导效应,用I表示。
根据作用特点,诱导效应可分为静态诱导效应和动态诱导效应。
①静态诱导效应Is:
由于分子内成键原子的电负性不同所引起的,电子云沿键链(包括σ键和π键)按一定方向移动的效应,或者说键的极性通过键链依次诱导传递的效应。
这是化合物分子内固有的性质,被称为静态诱导效应,用Is表示。
诱导效应的方向是通常以C—H键作为基准的,比氢电负性大的原子或原子团具有较大的吸电性,称吸电子基,由此引起的静态诱导效应称为吸电静态诱导效应,通常以-Is表示;
比氢电负性小的原子或原子团具有较大的供电性,称给电子基由此引起的静态诱导效应称为供电静态诱导效应,通常以+Is表示。
其一般的表示方法如下(键内的箭头表示电子云的偏移方向):
诱导效应沿键链的传递是以静电诱导的方式进行的,只涉及电子云分布状况的改变和键的极性的改变,一般不引起整个电荷的转移、价态的变化。
如:
由于氯原子吸电诱导效应的依次传递,促进了质子的离解,酸性↑甲基则由于供电诱导效应的依次诱导传递影响,阻碍了质子的离解,酸性↓。
在键链中通过静电诱导传递的诱导效应受屏蔽效应的影响是明显的,诱导效应的强弱是与距离有关的,随着距离的增加,由近而远依次减弱,愈远效应愈弱,而且变化非常迅速,一般经过三个原子以后诱导效应已经很弱,相隔五个原子以上则基本观察不到诱导效应的影响。
诱导效应不仅可以沿σ键链传递,同样也可以通过π键传递,而且由于π键电子云流动性较大,因此不饱和键能更有效地传递。
②动态诱导效应Id:
在化学反应中,当进攻试剂接近底物时,因外界电场的影响,也会使共价键上电子云分布发生改变,键的极性发生变化,这被称为动态诱导效应,也称可极化性,用Id表示。
发生动态导效应时,外电场的方向将决定键内电子云偏离方向。
如果Id和Is的作用方向一致时,将有助于化学反应的进行。
在两者的作用方向不一致时,Id往往起主导作用。
③诱导效应的相对强度。
对于静态诱导效应,其强度取决于原子或基团的电负性。
(a)同周期的元素中,其电负性和-Is随族数的增大而递增,但+Is则相反。
-Is:
—F>—OH>—NH2>—CH3
(b)同族元素中,其电负性和-Is随周期数增大而递减,但+Is则相反。
—F>—Cl>—Br>—I
(c)同种中心原子上,带有正电荷的比不带正电荷的-Is要强;
带有负电荷的比同类不带负电荷的+Is要强。
例如:
-Is:
—+NR3>—NR2
+Is:
—O->—OR
(d)中心原子相同而不饱和程度不同时,则随着不饱和程度的增大,-Is增强。
=O>—OR;
≡N>=NR>—NR2
一些常见取代基的吸电子能力、供电子能力强弱的次序如下:
—Is:
—+NR3>—+NH3>—NO2>—SO2R>—CN>—COOH>—F>—Cl>—Br>—I>—OAr>—COOR>—OR>—COR>—OH>—C≡CR>—C6H5>—CH=CH2>—H
+Is:
—O->—CO2->—C(CH3)3>—CH(CH3)2>—CH2CH3>—CH3>—H
对于动态诱导效应,其强度与施加影响的原子或基团的性质有关,也与受影响的键内电子云可极化性有关。
(a)在同族或同周期元素中,元素的电负性越小,其电子云受核的约束也相应减弱,可极化性就越强,即Id增大,反应活性增大。
Id:
—I>—Br>—Cl>—F;
—CR3>—NR2>—OR>—F
(b)原子的富电荷性将增加基可极化的倾向。
—O->—OR>—O+R2
(c)电子云的流动性越强,其可极化倾向也大。
一般来说,不饱和化合物的不饱和程度大,其Id也大。
—C6H5>—CH=CH2>—CH2CH3
(2)共轭效应(conjugativeeffect)
①共轭效应:
在单双键交替排列的体系中,或具有未共用电子对的原子与双键直接相连的体系中,p轨道与π轨道或π轨道与π轨道之间存在着相互的作用和影响。
电子云不再定域在成键原子之间,而是围绕整个分子形成了整体的分子轨道。
每个成键电子不仅受到成键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,体系趋于稳定。
这种现象被称为电子的离域,这种键称为离域键,由此而产生的额外的稳定能被称为离域能(或叫共轭能)。
含有这样一些离域键的体系通称为共轭体系,共轭体系中原子之间的相互影响的电子效应就叫共轭效应。
1,3-丁二烯在静态时的共轭效应,由于电子离域的结果,单键不再是一般的C—C单键,而表现为键长的平均化趋势,即在C2和C3间也有一定程度的p轨道交盖。
如果共轭键原子的电负性不同时,则共轭效应也表现为极性效应,如在丙烯腈中,电子云定向移动呈现正负偶极交替的现象
因此共轭效应也是分子中原子之间相互影响的电子效应。
与诱导效应不同的是,它起因于电子的离域,而不仅是极性或极化的效应。
它不像诱导效应那样可以存在于一切键上,而只存在于共轭体系之中;
共轭效应的传递方式不靠诱导传递而愈远愈弱,而是靠电子离域传递的,对距离的影响是不明显的,而且共轭链愈长,电子离域就愈充分,体系的能量也就愈低,系统也就愈稳定,键长的平均化趋势就愈大。
②共轭效应分为静态共轭效应(以Cs表示),动态共轭效应(以Cd表示)。
其中又可细分为:
给电子效应的正共轭效应(+Cs,+Cd)
吸电子效应的负共轭效应(-Cs,-Cd);
静态共轭效应是共轭体系内在的、永久性的性质,
动态共轭效应则是由外电场作用所引起,仅在分子进行化学反应时才表现出来的一种暂时的现象。
1,3-丁二烯在基态时由于存在Cs,表现出体系能量降低,π电子离域、键长趋于平均化。
当其与HCl发生加成反应时,由于质子外电场的影响,丁二烯内部发生-Cd效应,分子上π电子云沿着共轭链发生转移,出现各碳原子被极化——所带部分电荷正负交替分布的情况,这是动态共轭效应(-Cd)所致。
在反应中生成的上述活性中间体——正碳离子,由于结构上具有烯丙基型正碳离子的p-π共轭离域而稳定,并产生了1,2-加成和1,4-加成两种产物。
③共轭体系
共轭体系中以p-π共轭、π-π共轭最为常见。
π-π共轭体系。
由单键双键交替排列组成的共轭体系是由π轨道与π轨道电子离域的体系称为π-π共轭体系。
不只双键,其他π键如叁键也可组成π-π共轭体系,如:
(b)p-π共轭体系具有处于p轨道的未共用电子对的原子与π键直接相连的体系,称为p-π共轭体系,如:
烯丙基型正离子或自由基也是p-π共轭,不同的是体系是缺电子或含有独电子的p-π共轭。
烯丙基型正离子、自由基比较稳定,是p-π共轭效应分散了正电荷或独电子性的结果。
④共轭效应的相对强度:
共轭效应的强弱与组成共轭体系的原子性质、价键状况以及空间位阻等因素有关。
静态共轭效应(Cs)和动态共轭效应(Cd)有相同的传递方式,它们的强弱比较次序是一致的。
(a)同族元素,随元素的原子序数增加,正共轭效应+C减少。
其负共轭效应-C变大。
+C:
—F>—Cl>—Br>—I
(b)同周期元素,+C效应随原子序数的增加而变小,而-C效应变大:
—NR2>—OR>—F
(c)带正电荷的取代基具有相对更强的-C效应,而带负电荷的取代基具有相对更强的+C效应;
—O->—OR>—O+R2
(3)超共轭效应单键与重键以及单键与单键之间也存在着电子离域的现象,即出现σ-π共轭和σ-σ共轭,一般被称为超共轭效应。
例如丙烯分子中,甲基上的C—H键可与不饱和体系发生共轭,使σ键和π键间的电子云发生离域,形成σ-π键共轭体系。
C—H键的电子云也可离域到相邻的空p-轨道或仅有单个电子的p-轨道上,形成σ-p超共轭效应,使电荷分散,体系稳定性增加。
2.空间效应:
由分子中各原子或基团的空间适配性,或反应分子间的各原子或基团的空间适配性所引起的一种形体效应,其强弱取决于相关原子或基团的大小和形状。
最普通的空间效应是所谓的空间位阻,指体积庞大的取代基直接影响化合物反应活性部位的显露,阻碍反应试剂对反应中心的有效进攻;
也可以指进攻试剂的庞大体积影响其有效地进入反应位置。
例如,对烷基苯进行一硝化反应时,随着烷基基团的增大,硝基进入取代基邻位的空间位阻也增大,从而使邻位产物的产率↓,而对位产物的产率↑,见下表。
烷基苯硝化反应的异物分布
化合物
环上原有取代基
异构体分布%
邻位
对位
间位
甲苯
—CH3
58.45
37.15
4.40
异丙苯
—CH(CH3)2
30.0
62.3
7.7
乙苯
—CH2CH3
45.0
48.5
6.5
叔丁苯
—C(CH3)3
93
7
同样,在向甲苯分子中引入甲基、乙基、异丙基和叔丁基时,随着引入基团(进攻试剂)体积的增大,进入甲基邻位的空间位阻也增大,所以邻、对位产物比例发生变化,见下表。
甲苯烷基化时异物体的分布
新引入基团
甲基(—CH3)
58.3
28.8
17.3
异丙基[—CH(CH3)2]
37.5
32.7
29.8
乙基(—CH2CH3)
45
25
30
叔丁基[—C(CH3)3]
又如,卤代烷与胺类物质进行N-烷化反应时,一般不用卤代叔烷作烷化剂,这是因为卤代叔烷的空间位阻大。
在反应条件下,卤代叔烷的反应中心不能有效地作用于氨基,相反,自身却容易发生消除反应,产生烯烃副产物。
三、有机反应试剂
1.极性试剂极性试剂是指那些能够供给或接受电子对以形成共价键的试剂。
极性试剂又分为亲电试剂和亲核试剂。
(1)亲电试剂亲电试剂是从基质上取走一对电子形成共价键的试剂。
这种试剂电子云密度较低,在反应中进攻其他分子的高电子云密度中心,具有亲电性能。
包括以下几类:
①阳离子,如NO2+、NO+、R+、R—C+=O、ArN2+、R4N+等
②含有可极化和已经极化共价键的分子,如Cl2、Br2、HF、HCl、SO3、RCOCl、CO2等;
③含有可接受共用电子对的分子(未饱和价电子层原子的分子),如AlCl3、FeCl3、BF3等;
④羰基的双键;
⑤氧化剂,如Fe3+、O3、H2O2等;
⑥酸类;
⑦卤代烷中的烷基等。
由该类试剂进攻引起的离子反应叫亲电反应。
例如,亲电取代、亲电加成。
(2)亲核试剂能将一对电子提供给底物以形成共价键的试剂称亲核试剂。
这种试剂具有较高的电子云密度,与其他分子作用时,将进攻该分子的低电子云密度中心,具有亲核性能。
①阴离子,如OH-、RO-、ArO-、NaSO3-、NaS-、CN-等;
②极性分子中偶极的负端,N(·
·
)H3、RN(·
)H2、RR´
N(·
)H、ArN(·
)H和N(·
)H2OH等;
③烯烃双键和芳环,如CH2=CH2、C6H6等;
④还原剂,如Fe2+、金属等;
⑤碱类;
⑥有机金属化合物中的烷基,如RMgX、RC≡CM等。
由该类试剂进攻引起的离子反应叫亲核反应。
例如,亲核取代、亲核置换、亲核加成等。
2.自由基试剂
含有未成对单电子的自由基(也称游离基)或是在一定条件下可产生自由基的化合物称自由基试剂。
例如,氯分子(Cl2)可产生氯游离基(Cl·
)。
四、有机反应溶剂
在精细有机合成中,溶剂作为介质,溶解反应物形成均相体系,更重要的是溶剂可以和反应物发生各种相互作用。
1溶剂的分类与性质
根据溶剂是否具有极性和能否放出质子,可将溶剂分为4类:
①极性质子溶剂这类溶剂介电常数(ε>15),偶极矩(1.5D~2.5D),具有能电离的质子。
水、醇是最常用的极性质子溶剂。
它们最显著的特点是能同负离子或强电负性元素形成氢键,从而对负离子产生很强的溶剂化作用。
因此,极性质子溶剂有利于共价键的异裂,能加速大多数离子型反应。
②极性非质子溶剂又称偶极非质子溶剂或情性质子溶剂。
其介电常数(ε>15),偶极矩(2.5D~5.0D),故具有较强的极性。
分子中的氢一般同碳原子相连,由于C—H键结合牢固,故难以给出质子。
常见的偶极非质子溶剂有N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、四甲基砜、碳酸乙二醇酯(CEG)、六甲基磷酰三胺(HMPA),以及丙酮、乙腈、硝基烷等。
由于这类溶剂一般含有负电性的氧原子(如C=O、S=O、P=O),而且氧原子周围无空间障碍,因此,能对正离子产生很强的溶剂化作用。
相反在这类溶剂的结构中正电性部分一般包藏于分子内部,故难于对负离子发生溶剂化。
③非极性质子溶剂该类溶剂极性很弱,介电常数(9<ε<15),偶极矩(1.5D~2.0D),常见的是一些醇类,如叔丁醇、异戊醇等,它们的羟基质子可以被活泼金属置换。
④非极性非质子溶剂这类溶剂的介电常数(ε<8),偶极矩(0~2D),在溶液中既不能给出质子,极性又很弱。
如一些烃类化合物和醚类化合物等。
2溶剂的使用和选择
在有机化学反应中溶剂的使用和选择,除了考虑溶剂对反应的上述影响以外,还必须考虑以下因素:
①稳定性,溶剂对反应物和反应产物不发生化学反应,不降低催化剂的活性。
②溶解分散性,溶剂对反应物有较好的溶解性,或者使反应物在溶剂中能良好分散。
③易回收,
④溶剂应尽可能不需要太高的技术安全措施。
⑤溶剂的毒性小、含溶剂的废水容易治理。
⑥溶剂的价格便宜、供应方便。
五、有机活性中间体稳定性原理及应用原料→过渡态→产物
若过渡态稳定性大,则反应所需能量低,即活化能越少,反应速率就快,研究过渡态的稳定性非常重要。
①根据静电学的原则,过渡态(带电体系)的稳定性,决定于体系所带电荷的分布、分配情况,电荷越易分散,则整个体系就越稳定,反应越容易发生;
②从空间结构上讲,过渡态(带电体系)内各原子或原子团间拥挤程度越小,其稳定性也就越高,反应越容易发生。
1正碳离子(C+)
①产生方式
(a)中性化合物的异裂——直接离子化
(b)正离子对中性分子的加成——间接离子化
(c)由其他正离子生成
②正碳离子的稳定性与影响因素正碳离子的中心碳原子是缺电子的,显然任何使正离子中心碳原子上电子云密度增加的结构因素将使正电荷分散,使正碳离子稳定性增高,相反,任何吸电基将使中心碳原子正电荷更集中,而使正碳离子稳定性减小。
1)I效应推电子基+I增加C+稳定性;
相反,吸电子基—I降低C+稳定性。
2)共轭效应C+与双键共轭时,稳定性增加,电子离域使正电荷分散,稳定性提高。
2负碳离子C-烯丙基及苄基正碳离子都是比较稳定的正碳离子。
①生成途径
(a)碳一氢键异裂产生负碳离子
(b)碳一碳键异裂产生负碳离子
(c)负离子与C=C或C≡C加成
②负碳离子稳定性及影响因素
一方面表现在负碳离子是否容易生成,与碳原子相连的氢是否易离去,即酸性的强弱;
另一方面表现为生成的负碳离子是否稳定。
1)杂化效应杂化轨道中s成分越多,则轨道相应越靠近原子核,能量也越低。
2)诱导效应:
强的吸电基存在,由于分散了负电荷,而使负碳离子稳定。
即
-Is↑,C—稳定↑;
相反,+Is↑,C—稳定↓。
3)共轭效应:
连接的∏键(或苯环)越多则离域越充分,负碳离子越稳定。
3自由基
①生成方式
(a)热解;
(b)光解;
(c)氧化还原反应。
②自由基的稳定性及影响因素
自由基中心单电子定域程度愈高,其稳定性就愈差。
自由基的稳定性主要取决于共价键均裂的相对难易程度和所生成自由基的结构因素。
1)超共轭效应
2)诱导效应:
自由基中心碳原子与∏键共轭时,可以分散独电子性,而使自由基稳定。
第二节有机反应理论
根据原料与产物的关系,有机反应可以分为以下四种:
1取代反应:
亲电取代(脂肪族、芳香族)、亲核取代(脂肪族、芳香族)、游离基取代;
2加成反应:
亲电加成、亲核加成;
3消除反应:
α-消除、β-消除反应;
4重排反应:
分子内重排、分子间重排。
一、取代反应
取代反应通常是指与碳原子相连的原子或基团被另一个原子或基团所替代的反应。
可分为亲电取代、亲核取代及游离基取代反应三类。
其中,比较重要的是脂肪族的亲核取代、芳香族的亲电取代和亲核取代反应。
1.脂肪族的亲核取代反应(SN)NucleophilicSubstitution应用:
卤代烃与亲核试剂制备醇、醚、腈、胺等。
1)脂肪族的亲核取代反应(SN)可以用以下通式表达:
R-L是受攻击对象,称为底物;
把进行反应的碳原子称为中心碳原子;
∶Nu-是亲核试剂或称进入基团,亲核试剂可以是中性的,也可以带有负电荷;
∶L-为反应中离开的基团,称为离去基团。
2)亲核取代反应可概括为下列四种类型:
①中性底物与中性亲核试剂作用
②中性底物与负性亲核试剂作用
③正性底物与负性亲核试剂作用
④正性底物与中性亲核试剂作用
3)反应历程在亲核取代反应过程中,发生了两个键的变化:
断裂中心碳原子与离去基团;
成键亲核试剂与中心碳原子。
有4种反应历程:
(1)双分子亲核取代反应(SN2)(构型倒转)反应物和亲核试剂两者都参与了生成过渡态的亲核取代反应
发生SN2的一般通式是:
以伯卤代烷的水解为例:
解释SN2的具体过程
亲核试剂从离去基团的背面,接近中心碳原子,并与之形成较弱的键。
由于亲核试剂的插入,离去基团与中心碳原子的键开始变弱,中心碳原子上的其它三个键也逐渐从远离离去基团的地方向接近离去基团的方向偏移。
当这三个键同处于一个平面,并垂直于亲核试剂、中心碳原子和离去基团三者所连成的直线时,即形成了过渡态。
这个过程较慢,是速度控制步骤。
当过渡态向产物转化时,离去基团X-离开中心碳原子。
同时,处于一个平面内的三个键完全转向另一边,完成了构型的逆转。
构型逆转是发生SN2的重要标志。
(2)单分子亲核取代反应(SN1)(外消旋化)反应速度的慢步骤中只有反应物参加;
发生SN1的一般通式是:
反应物首先离解为正碳离子(C+)及离去基团(负电荷),此步反应是整个反应的控制步骤。
然后,正碳离子(C+)与亲核试剂极快结合,是快速反应步骤。
(3)离子对历程反应物的离解不是一步完成的,而是沿着下列顺序逐步离解成离子对,在离解的不同阶段形成不同的离子对,同时溶剂参与了这一过程,可表示如下:
(4)分子内的亲核取代反应(SNi)历程(构型保持)
实例:
利用醇和亚硫酰氯作用可得到卤代烷
醇与亚硫酰氯反应发生SNi历程可表示如下:
4)影响因素主要有底物的结构、离去基团和亲核试剂的性质、浓度以及溶剂的性质等。
①反应物的结构
反应物的结构对SN1和SN2反应速度有不同的影响:
即电子效应和空间效应。
SN1由碳正离子(C+)的稳定性决定;
*正碳离子越稳定,越有利于SN1反应。
*供电诱导效应,有利于SN1反应;
*共轭效应,有利于SN1反应;
*当杂原子(O、N、S)直接与中心碳原子相连时,有利于SN1
烃基对于SN2反应的影响也是通过电子效应和空间效应实现:
*吸电基团—I,利于SN2反应;
*空间效应看,取代基团增加,空间位阻大,不利于SN2反应。
②离去基团
离去基团携带着原来共有的一对电子而离去,其接受电子的能力越强,对SN1和SN2反应越有利。
易离去的离去基团是强酸的共轭碱,最重要的离去基团是pKa值小于5的酸的共轭碱。
一般情况下,离去基团的离去能力的大小顺序是:
RSO3->I->Br->Cl->RCOO->—OH>—NH2
③亲核试剂
SN2中,亲核试剂的性质对反应速度有明显的影响,
在同族元素中,亲核试剂随着原子序数的增大,其给出电子倾向也越大,从而使亲核性增强。
I->Br->Cl->F-
对同一周期的元素,原子序数越大电负性越强,其给电子的能力越弱,亲核性降低。
④溶剂效应
按SN1进行的反应,增加溶剂的极性和增强溶剂的离子-溶剂化能力,导致反应速度显著增大。
按SN2历程进行的反应,对于SN2历程通常有三种电荷类型:
在式(a)中,反应物和产物电荷相等,过渡态也没有新的电荷产生而只有电荷的分散,故溶剂对此反应的影响较小。
在式(b)中,由中性的亲核试剂和反应物转变成离子型产物,在过渡态中有电荷产生,故极性溶剂有利于反应的进行,溶剂的极性越强对反应越有利。
在式(c)中,情况与(b)式相反,因此极性溶剂将使反应不利,溶剂的极性越大对反应越不利。
5)常见亲核试剂的反应举例
①含氧亲核试剂的反应
羧酸衍生物的水解、醇解反应;
②含硫亲核试剂的反应
卤代烷用亚硫酸盐反应,可以生成相应的烷基磺酸盐,它是阴离子表面活性剂中的重要品种之一;
环氧化合物用亚硫酸氢盐处理发生开环生成β-羟基磺酸;
③含氮亲核试剂的反应
卤代烷与氨及胺类物质可发生N-烷化反应;
环氧化合物在氮亲核试剂如氨的作用下,环氧化合物开环,生成β-羟胺;
④卤素亲核试剂的反应
醇与卤素亲核试剂反应合成卤代烷;
⑤磺酰基硫上的亲核取代反应
磺酰卤、磺酸酯、磺酰胺水解成酸.
2.芳香族的亲电取代反应Electrophilicsubstitution芳香族化合物中的芳环上的π-电子云高度离域,具有很高的流动性,容易与亲电试剂发生亲电取代反应。
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- 第二 精细 有机合成 反应 理论