第2章 理论基础(2)

第2章 精细有机合成的理论基础
主要内容：
2.1 反应试剂的分类 2.2 亲电取代反应
2.3 亲核取代反应
2.4 消除反应 2.5 自由基反应 2.6 加成反应 2.7 重排反应
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上节回顾 2.1 反应试剂的分类
亲电试剂 极性试剂 反应试剂 自由基试剂 亲核试剂
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上节回顾 2.2 亲电取代反应
k1 k -1
Ar+
H E
σ配合物
H
第二步
Ar+
k2
E
ArE + H+
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上节回顾 2.2 亲电取代反应
芳香族亲电取代定位规律
■ 已有取代基的性质
极性效应 空间效应
极性效应 ■ 亲电试剂的性质——也包括： 空间效应 ■ 反应条件：主要－温度、催化剂和溶剂。
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上节回顾 2.3 亲核取代反应
■
溶剂（介质）的影响 溶剂极性 溶剂极性 单分子E1反应 双分子的E2反应
溶剂的极性促进生成解离中间物的速度，故对单分子反应 有利，而对SN1与E1产物的比例没有影响。 溶剂的极性越小，越有利于E2反应。
■
温度的影响：提高温度有利于消除反应。
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2.5 自由基反应
2.5 自由基反应（前一部分：消除反应；下一部分：加成反应）
查依采夫（Saytzeff）法则：从卤代烷消除卤化氢时，氢从含 氢量少的碳原子上消除，主要生成不饱和碳原子上连有烷基数 目最多的烯烃。
■
■ 霍夫曼（Hofmann）法则：季铵碱分解时，主要生成在不饱
和碳原子上连有烷基数目最少的烯烃。
2.4 消除反应→ 2.4.1 β消除反应 →（3） β－消除反应的定向
CH3CH=CHCH=CHCH2CH3
2.4 消除反应→ 2.4.2 α消除反应
2.4.2 α消除反应：在相同的碳原子上消除两个原子（或原子
团）形成卡宾
C：。由于卡宾的特殊价键状态和化学结构，
可发生多种化学反应：如单键插入反应，双键加成反应等。
单键插入反应
C
H
C
CH2
H
:C H 2
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2.4 消除反应→ 2.4.3 影响消除反应的因素→（1）反应物分子结构的影响
亲电取代反应也称为正离子型取代反应。反应通式： R:—H ＋ Z+ R—Z ＋ H+ 或
R:—H ＋ Z— :Y
R—Z ＋ H—Y （R：芳基或烷基）
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上节回顾 2.2 亲电取代反应
芳香族亲电取代反应历程
大多数亲电取代反应是按照经过σ配合物中间产物的两步历程
进行的。其通式如下：
第一步
+
Ar－H + E
烯烃结构的影响：碳－碳双键上连有供电基时，双键上 电子云密度增加，使C正离子稳定，加快反应速度。 常 用的 亲 电 试剂 ： 强 酸、 Lewis 酸 （ 如 氯 化铁 、 氯 化 铝）、卤素、卤代烷、卡宾、醇、羧酸、羧酰氯等。
卤素的亲电性：氯>溴>碘。
碳－氧双键也可发生亲电加成。
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2.6 加成反应→ 2.6.2 亲核加成
CH2 Cl－ CH2 ·
2.7 重排反应
2.7 重排反应
重排反应是指在试剂作用下或其他因素影响下，有机
物分子发生某些原子或基团的转移，形成另外一种化合物 的反应。包括分子间重排、分子内重排（亲电、亲核）。
思考题 1. 反应试剂分为哪两类，它们各自的含义是什么？ 2. 何谓动力学同位素效应？何谓σ络合物和π络合物？
但烯烃衍生物和脂环化合物中，双键和环上的单键自由旋 转受到阻碍，就以一种消除方式为主。
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2.4 消除反应→ 2.4.1 β消除反应 →（2）单分子消除反应历程（E1历程）
（2）单分子消除反应历程（E1历程） 单分子消除反应历程（E1）分两步进行，作用物分子先
解离掉离去基（控制步骤）生成正碳离子，第二步消除β－
亲核取代反应也称为负离子型取代反应。反应通式如下：
R—:H ＋ Z
R—Z ＋ H
或
R—:H ＋ Z: — Y
R—Z ＋ H—Y （R芳基或烷基）
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上节回顾 2.3 亲核取代反应
双分子历程（SN2）
SN2表示双分子亲核取代。该历程中旧的化学键断裂和新的化 学键形成是同时的，没有中间产物生成，反应同步进行，其一般 通式为：
（控制步骤）
第2步: 碳正离子与亲核试剂结合构成新的键： R-Nu
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2.4 消除反应
2.4 消除反应
（前一部分：亲核取代反应；下一部分：自由基反应）
有机物分子中同时除去两个原子（或原子团），形成一个 新分子的反应。这种反应通常是不饱和程度增加的反应。分β
消除和α消除两种。
β消除：在相邻的两个碳原子上除去两个基团。 生成烯（炔） 烃、或碳与杂原子的双键。 α消除： 在同一个碳原子上除去两个基团，也称1,1—消除。 生成卡宾（Carbene, C：）。
的碱性试剂B接近β－氢时，形成过渡态，而后发生C－H键
和C－X键的同时断裂，形成烯键。 反应为二级，反应速度 v =k[B-][RX]
2.4 消除反应→ 2.4.1 β消除反应 →（1）双分子消除反应历程（E2历程）
E2和SN2的比较：E2历程和SN2历程很相似。区别在E2历程中 碱性试剂进攻离去基团的β－氢原子，而SN2历程中反应发生 在离去基团的α碳原子上。
子云密度下降，有利于E2消除，而对E1消除无明显影响。
2.4 消除反应→ 2.4.3 影响消除反应的因素→（2）反应条件的影响
（2）反应条件的影响
■
亲核试剂碱性的影响 碱性就是对质子的亲和力，试剂的碱性增大，按E2 进行反应更容易。
2.4 消除反应→ 2.4.3 影响消除反应的因素→（2）反应条件的影响
2.6 加成反应→ 2.6.2 亲核加成
（2）具有未共用电子对的化合物或离子：如H2O、H2S、 SO3H－、NH2OH、C6H5NHNH2等，与羰基化合物加成后形成
C－O、C－S和C－N键等。如：
●
醛、环氧化合物、不饱和化合物与亚硫酸钠的亲核加成，
生成烷基磺酸化合物；
●
乙酰乙酰胺与苯肼亲核加成生成腙。
质子后形成烯烃：
反应速度与碱B的浓度无关。v = k[RX] 可见，当形成的C正离子比较稳定时，反应优先按E1历 程进行。E1和SN1反应常同时发生，两者比值常根据溶剂的 极性和温度的不同而异。
2.4 消除反应→ 2.4.1 β消除反应 →（3） β－消除反应的定向
（3）β－消除反应的定向
经验法则：共3条。
（3）含氢负离子的金属氢化物：如LiAlH4、NaBH4等。能
与双键发生加氢反应（即双键的还原）。
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2.6 加成反应→ 2.6.3 自由基加成
2.6.3 自由基加成 如：卤素和卤化氢对碳碳双键的加成、自由基型聚合反应。 Cl· Cl2
CH2＝CH2
CH2Cl－CH2· CH2Cl－CH2Cl ＋ Cl·
Nu－: + R－X
[Nuδ－……R……Xδ－]
过渡态
Nu－R + X:－
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上节回顾 2.3 亲核取代反应
单分子历程（SN1） SN1表示单分子亲核取代。该历程中反应是分两步进行的：
第1步:离去基与中心C原子之间的键发生异裂，生成一个不稳 定的碳正离子中间体：
慢
R－X R+ + Nu:－
R+ + X-
3. 精细有机合成的反应的主要类型及特点。
4. 影响亲电和亲核取代反应的主要因素有哪些？ 5. 简述游离基的产生方法。
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H H OH－ :
SN2
C CH3
X
H H
E2
B－ :
C CH3
X
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2.4 消除反应→ 2.4.1 β消除反应 →（1）双分子消除反应历程（E2历程）
按E2历程进行反应，离去基团的空间排布在理论上有两种， 即顺式消除和反式消除。
H X X
顺式消除
C
C
C
C
反式消除
H
对烷基化合物，单键可以自由旋转，很难确定按哪种方式 进行；
2.4.3 影响消除反应的因素
（1）反应物分子结构的影响
■空间效应：被消除原子所连的碳原子（α-碳原子）上有支链时，
无论E2还是E1机理，反应均有利（因消除后空间位阻小了）。
■电子效应：β-碳原子上有吸电子氢的正电性）。
■离去基团的性质：离去基团吸电子能力增加，使β-氢原子的电
2.6.2 亲核加成 最重要的是碳氧双键（羰基）的亲核加成。 C＝O 带正电 荷的C原子与亲核试剂发生反应。
δ+ δ-
C＝O ＋ X－
参与加成反应的亲核试剂有三类： （1）能形成C负离子的化合物：主要是含活泼α－氢的醛、 酮、羧酸及其衍生物和亚砜等，在碱催化剂的作用下能形成C 负离子。 这类亲核加成是在脂键上形成新的C－C键的重要方法。
过氧化物分解产生自由基：
Fe2+ + H-O-O-H Co3+ + （CH3）3C-O-O-H Fe3+ + OH- + HO· Co2+ + H+ + （CH3）3COO·
自由基反应属链锁反应，反应历程包括三个阶段：链引发、 链传递和链终止。该类反应应用广泛。如卤化、磺化、氧化、 聚合等。
2.6 加成反应→ 2.6.1 亲电加成
在E2历程中季铵碱消除按霍夫曼法则，卤代烷消除按
查依采夫法则；在E1历程中季铵碱消除按查依采夫法则