有机合成反应理论

精细有机合成单元反应概述本课程的目的掌握精细化工领域的基本概念；了解精细化工产业的发展历史；了解精细化工的工艺学原理；了解精细化工的生产过程及设备；把握精细化工的发展方向；开拓视野，增强独立分析问题和解决问题的能力。概述相关课程有机化学化工原理化工设备化工计算工艺设计参考资料张铸勇主编，精细有机合成单元反应（第二版），华东理工大学出版社，2003李和平，精细化工工艺学，科学出版社，2006郝素娥，精细有机合成单元反应与合成设计，哈尔滨工业大学出版社，2004张招贵，精细有机合成与设计，化学工业出版社，2003第一章有机合成反应理论主要内容概述脂肪族亲核取代反应脂肪族亲电取代反应芳香族亲电取代反应芳香族亲核取代反应自由基反应脂肪族取代反应理论脂肪族亲核取代历程同步取代(SN2历程)先消除再加成(SN1历程)先加成再消除(四面体历程)脂肪族亲电取代反应自由基取代反应自由基取代反应(1)SN2历程反应历程(溴烷的水解)化学动力学C2H5-Br+OHC2H5-OH+Br--R=k[C2H5Br][OH-]慢快(2)SN1亲核取代历程溶剂效应（1，溶剂的分类）υ=κ1[R-Le]R-LeR++Le－R++Nu:R-Nu慢快常见的脂肪族亲核取代反应a氧亲核试剂羧酸的酯化、酯交换、酯水解、酰胺的水解等酯水解常见的脂肪族亲核取代反应b硫亲核试剂—SH基或—SR基在烷基碳上攻击硫亲核试剂的反应常见的脂肪族亲核取代反应c氮亲核试剂N—烷化、N—酰化；酰胺和酰亚胺的N—烷化、N—酰化；以及亚硝酸根(N02—)、叠氮基(N3—)、异氰酸根(NCO—)等氨与卤烷反应常见的脂肪族亲核取代反应d卤亲核试剂攻击烷基碳－卤烷；酰基碳－酰卤化合物卤亲核试剂的反应常见的脂肪族亲核取代反应e氢亲核试剂氢化铝锂(LiAlH4)硼氢化钾(KBH4)硼氢化钠(NaBH4)氢亲核试剂的反应常见的脂肪族亲核取代反应(3)影响脂肪族亲核取代反应活泼性的因素a底物结构a,底物结构b进攻试剂c离去基团d反应介质e两可亲核试剂脂肪族亲电取代反应脂肪族亲电取代历程a,SE2和SEi历程b,SE1历程常见的脂肪族亲电取代反应(1)醛、酮、羧酸衍生物的卤化CH3CCH3O+Br2OH-/H+CH3CCH2OBr+Br-O+Br2OH-/H++Br-OBrCH2COXR+Br2CCOXRBrH2，末端炔烃的卤化RCCH+OHBrRCCBr+OH23，脂肪酸的脱羧RCOOHRH+CO24，在氮上的亲电取代反应RNH2+NaNO2+HClRN+N:Cl-R++Cl-+N2ROHRCl烯烃芳香族取代反应理论A,芳环取代反应的分类亲电取代(SE型)亦称阳离子型取代亲核取代(SN型)亦称阴离子型取代游离基取代，亦称均裂取代B,亲电取代反应C,亲核取代反应A亲电取代反应π络合物与σ络合物亲电取代反应历程影响亲电取代定位的主要因素两类定位基苯环亲电取代的定位规则萘环亲电取代的定位规则蒽醌环的定位规则(1)π络合物与σ络合物+E+E+EH+E+H+亲电试剂π络合物σ络合物σ络合物共振结构式P191-55π络合物与σ络合物之间同样存在平衡(2)亲电取代反应历程ArH+E+Ar+HEk1K-1Ar+HEk2ArE+H+第一步：第二步：(3)影响亲电取代定位的主要因素(1)已有取代基的性质（包括极性效应和空间效应;已有几个取代基则决定于它们的性质和相对位置）(2)亲电试剂的性质（包括极性效应和空间效应）(3)反应的可逆性(4)反应条件（主要是温度、催化剂和溶剂的影响）在上述因素中，最重要的是已有取代基的极性效应。第一类定位基（邻对位定位基）第二类定位基（间位定位基）(5)苯环亲电取代的定位规则a,已有取代基的极性效应b,已有取代基的空间效应c,反应剂的空间效应与极性效应d,反应的可逆性e,反应条件的影响f,已有两个取代基的定位规则(a)已有取代基的极性效应不可逆的亲电取代,异构产物的生成比例决定于生成各异构的σ过渡态的相对难易，即决定于各过渡态的相对稳定性σ过渡态的结构接近于σ络合物的结构可根据苯环上已有取代基的极性效应对σ络合物稳定性的影响来解释其定位作用苯的一取代物Ar-Z发生亲电取代时可以生成邻、对和间位三种σ络合物。可以把每一种σ络合物(阳离子)都看作是三个共振结构杂化的结果Ｚ诱导效应的影响Z和苯环之间有共轭效应影响络合物的稳定性取代基归纳为以下三类只具有正的诱导效应(如烷基,他们都使苯环活化，而且是邻对位定位,其中甲基还具有超共扼效应)同苯环相连的原子具有未共有电子对具有负的诱导效应，而且同芳环相连的原子没有未共有电子对(b)已有取代基的空间效应如果已有取代基占据的空间越大，则邻位异构产物的比例越小只有在已有取代基的极性效应相差不大时，空间效应起主导作用如果已有取代基的极性效应相差较大，则极性效应起主要作用对于可逆反应，空间效应起主要作用(c)反应剂的空间效应与极性效应新取代基的空间障碍影响邻位异构产物的生成比例(甲苯的C—烷化就是如此，在特丁基化时几乎没有邻位异构产物)亲电质点Ｅ＋的活泼性对定位作用有很重要的影响当Ｅ＋极活泼时，它进攻甲苯或苯时，几乎没有选择性，生成相当量的间位异构产物;当Ｅ＋极不活泼时，它进攻甲苯或苯时选择性很好，Kt/Kb主要取决于甲苯和苯的相对活性(Cl进攻甲苯时，几乎不生成间位异构产物)。(d)反应的可逆性对于不可逆亲电取代，极性效应起主要作用。对于可逆亲电取代，则空间障碍起主要作用。甲苯在AlCl3存在下用丙烯进行异丙基化间二甲苯磺化(e)反应条件的影响温度的影响温度升高可以使不可逆的磺化和C-烷化转变为可逆反应,温度影响不可逆亲电取代的异构产物比例催化剂的影响(催化剂改变了亲电试剂的极性效应或空间效应。如甲苯在甲基化时用AlBr3比用GaBr3作催化剂得到更多的间位异构产物)介质的影响介质对定位作用的影响主要在于它的酸度、极性或空间效应的不同(f)已有两个取代基的定位规则已有取代基对新取代基的定位作用一致两个取代基属于同一类型(即都属于第一类或第二类)，并处于间位；两个取代基属于不同类型，并处于邻位或对位已有取代基对新取代基的定位作用不一致P39决定于已有取代基的相对定位能力通常第一类取代基的定位能力比第二类强得多；同类取代基定位能力的强弱大致如下：两个取代基的定位能力相差不大时，新取代基进入的位置与反应类型和反应条件有关(6)萘环亲电取代的定位规则(a)萘的一取代主要发生在α-位（如萘的硝化、氯化、低温磺化）可逆的亲电取代中，新取代基会转移到没有空间障碍的β位(b)萘环上已经有了一个第一类取代基取代基在α位已有取代基在β-位(c)已有的取代基是第二类(7)蒽醌环的定位规则蒽醌在用发烟硫酸磺化蒽醌环上已有一个取代基C，亲核取代反应环上氢的亲核取代已有取代基的亲核置换a,重要性b,反应历程c,其他取代基的影响(1)环上氢的亲核取代(a)亲核试剂的类型(b)反应历程（2）已有取代基的亲核置换(a)重要性亲电取代只能在芳环上引入磺基、硝基、亚硝基、卤基、烷基、酰基、羧基和偶氮基等直接在芳环上引入-OH、-OR、-OAr、-NH2、-HHR、-NRR’、-NHAr、-CN和-SH等困难有时为取得良好的效果，或者为了在指定位置引入磺基或卤基也要用到这类亲核置换反应(b)反应历程（c）其他取代基的影响取代基的邻位或对位有吸电子基，降低了反应的活化能，使反应较易进行吸电子基在取代基的间位时，对络合物阴离子负电荷的分散作用弱，对反应的活化能影响很小取代基的邻、对位没有强吸电子基时，反应较难进行；在取代基的邻、对位有强吸电子基时可以使反应较易进行芳环上同时有卤基和其他吸电子基时，通常都是卤基优先发生亲核置换，其他吸电子基不发生变化一般情况下重氮基容易分解，氰基容易水解取代基1,-SO3H,-SO2Cl,-SO2NH22,-NO2,-NO3,-Cl,-Br,-F,-I,-CH2Cl,-CHCl2,-CCl3,-CF3等4,-NH2,-NHAr’,-NHOH,-NHNH2,-NHAc,-NHR,-NRR’5,-R6,-COOH,-COR,-COAr,-COH,-COOR,-COCl,-CONH27,-OH,-OR,-OAr’,-OAc8,-N2+Cl-,-N2+HSO4-,-N=NAr’幻灯片2化学动力学(1)反应速率与反应级数(2)过渡态理论反应速率与反应级数C2H5-Br+OH-C2H5-OH+Br-R=k[C2H5Br][OH-]过渡态理论丙烯与氯化氢加成产物能阶图过渡态与中间络合物的区别反应历程(溴烷的水解)化学动力学溶剂效应（1，溶剂的分类）2,溶剂化效应（负离子的亲核能力顺序）质子溶剂中I—＞SCN—＞Br—＞C1—＞F—极性非质子传递溶剂中F—＞C1—＞Br—＞SCN—＞I—3,正离子缔合作用的影响4,溶剂的介电常数及偶极矩对反应速度的影响当活化络合物的电荷密度大于起始原料时，溶剂的极性增加有利于络合物的形成，使反应速度加快；当活化络合物的电荷密度小于起始原料时，溶剂的极性增加不利于络合物的形成，使反应速度减慢；当活化络合物与起始原料的电荷密度相差不大时，改变溶剂极性对反应速度的影响不大。叔丁基氯的水解RX[R……X]δ+δ－R++X－碘甲烷的碱性水解5,溶剂对产物结构的影响2-萘酚与苄基溴的反应e两可亲核试剂(5)脂肪族亲电取代反应溶剂对络合物稳定性的影响苯＜乙酸乙酯＜甲乙酮＜乙腈＜二甲基甲酰胺＜二甲基亚砜相对速度1：11：59：300：1950：7200SN1亲核取代历程溶剂效应SN2历程的反应，底物的α-或β-碳上存在支链时，反应速率下降CH3Br＞CH3CH2Br＞(CH3)2CHBr＞(CH3)3CBrSN1历程反应，则当底物碳上存在支链时反应变易a,底物结构15010.010.001b进攻试剂对SN1反应，进攻试剂影响小对SN2反应，进攻试剂影响大如溴甲烷的水解，以OH－或H2O为亲核试剂，前者的反应速率是后者的500倍亲核试剂的亲核能力取决于碱性和可极化性一般第三、四周期元素亲核能力强、第二周期元素碱性强I-、SH-、SCN-可极化程度高，碱性弱，亲核能力强F-、Cl-、Br-体积小，电荷较集中，碱性强而可极化性较低在质子溶剂中易被溶剂化在非质子溶剂中不被溶剂分子包围，显示碱性带负电荷的亲核试剂的反应能力大于中性分子亲核质点的自由度越大，则反应速率越快空间位阻的影响饱和碳上的离去基因，其离去难易与阴离子离去基团的稳定性有关，越稳定，则越容易离去(CH3)3C-Cl(CH3)3C-OAc(CH3)3C-OH离去基团碱性越大，越不容易离去RIRBrRCl空间位阻的影响，会使反应速度减缓c离去基团d反应介质质子溶剂可以与生成的负离子形成氢键，使负电荷分散，负离子变得稳定，有利于离解反应，有利于SN1反应提高溶剂的酸性，有利于SN1反应进行SN2反应，亲核试剂被溶剂分子包围，降低亲核能力非质子溶剂难于对负离子溶剂化非质子溶剂对SN2反应有利溶剂的极性增加溶剂的极性可加速离解，使原来极性较小的底物变为极性较大的过渡态，对SN1有利按SN2历程反应形成过渡态时，原来电荷比较集中的亲核试剂变为电荷比较分散的过渡态增加溶剂极性对SN2反应不利e两可亲核试剂(5)脂肪族亲电取代反应某些亲核试剂中的一对电子在不同条件下可存在于两个或更多个原子上，因而可在两个或更多个位置上发生攻击，从而获得不同产物，称作两可亲核试剂5,溶剂对产物结构的影响常见的两可亲核试剂有以下三类化合物两可亲核试剂化合物判断两可亲核试剂的反应位置的两个主要因素：亲核试剂的极化度、溶剂效应；有时空间位阻也对取代位置起控制作用两可亲核试剂化合物具有结构的化合物丙二酸酯、β－酮酯、β－二酮等，当这类化合物与R’X反应时，可得到C—烷化