精细化学品合成原理-第2章-精细有机合成基础1-2

12019/12/18复习－提问亲电试剂亲核试剂第一类定位基团，举例第二类定位基团，举例为下列定位基团分类，并按发生取代反应的难易排序：-CHO,-OH,-NO2,-OCH3,-Cl,-N+(CH3)322019/12/18一、反应历程以苯的一元亲电取代为例，其反应过程可表示如下：σ络合物又叫惠兰特中间体或碳正离子中间体+E+E+EH+-H+Es-络合物p-络合物快慢EH+EH+EH+K-1k1k2化学反应所经历的途径或过程，又称反应机理。2.1芳香族亲电取代的定位规律32019/12/181、定位规律EAAEAEAE++①决定反应的难易——以苯的相对反应速率为标准，分为活化基和钝化基②决定反应的位置——以邻对位产率60%为标准，分为邻对位基和间位基理论平均值：40%40%20%定位基团二、苯的二元亲电取代反应42019/12/18表2-1邻、对位定位基和间位定位基定位效应强度取代基电子效应综合性质邻、对位定位最强-O-给电子诱导效应、给电子共轭效应活化基强NR2、NHR、NH2、OH、OR吸电子诱导效应小于给电子共轭效应*给电子诱导效应，给电子超共轭效应中OCOR、NHCOR弱NHCHO、C6H5、CH3*、CR3*弱F、Cl、Br、I、CH2Cl、CH=CHCOOH、CH=CHNO2吸电子诱导效应大于给电子共轭效应间位定位强COR、CHO、COOR、CONH2、COOH，SO3H、CN、NO2、CF3**、CCl3**吸电子诱导效应、吸电子共轭效应**只有吸电子诱导效应钝化基最强NH3+、NR3+吸电子诱导效应52019/12/18三、苯环上的已有取代基的定位规律及影响因素1、已有取代基的电子效应诱导效应(Inductiveeffect)（I）：由电负性大小决定。共轭效应（T）：包括π-π共轭和p-π共轭。＋I:供电子-I:吸电子＋T:供电子-T:吸电子62019/12/18有+I，无T：如-C2H5，-CH3（1）使σ-配合物稳定，活化苯环；（2）使邻、对位取代产物更稳定；（3）为邻、对位定位基。C:I:-CH3是斥电子基CHHHs-p超共轭使苯环上电子云密度使苯环上电子云密度+C、+I同向，都使苯环上电子云密度CHHH72019/12/18有-I，无T：如-N+(CH3)3、-CF3、-CCl3等（1）使σ-配合物均不稳定，使苯环钝化；（2）使邻、对位取代产物更不稳定；（3）为间位定位基。82019/12/18有-I，-T：如-NO2、-CN、-COOH、-CHO等（1）诱导效应与共轭效应作用一致；（2）则使苯环钝化；（3）间位定位基。92019/12/18有+I，+T：如-O-、-CH3（1）共轭效应与诱导效应作用一致；（2）则使苯环活化；（3）邻、对位定位基。102019/12/18有-I，+T，且|-I||+T|：如-OH、-OCH3、-NH2、-N(CH3)2、-NHCOCH3等（1）诱导效应与共轭效应作用不一致，共轭效应作用大于诱导效应，使苯环活化；（2）使邻、对位取代产物更稳定；（3）邻、对位定位基。ZHEZHEZHEZHEZZZHEZZHEZZHEZHEZ112019/12/18有-I，+T，且|-I||+T|：如-F,-Cl,-Br,-I等（1）总效果使苯环电子云密度降低；（2）使取代基邻、对位电子云密度低于间位；（3）邻、对位定位基。ClNH2O=N→O+0.0041+4.46+0.0202-0.0030-0.02+0.260+0.191+0.270122019/12/18两类定位基：邻、对位定位基（第一类定位基）：-O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3,-F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。间位定位基（第二类定位基）：-N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO,-COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。132019/12/182、已有取代基的空间效应已有取代基的空间效应Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12(1)在极性效应相差不大时，已有取代基体积越大，邻位异构产物的比例越小。表一硝化（AcONO2,0℃)产物异构体比例R142019/12/18(2)当极性效应起主导作用时，结果可能相反。Xo/p-F0.15-Cl0.55-Br0.77-I0.83表一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25℃)产物异构体比例X152019/12/183、亲电试剂的活泼性（电子效应）亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度越快，反应的选择性越低。亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度越低，反应的选择性越高。162019/12/18异构产物比例，％反应类型氯化C-酰化C-烷化反应条件Cl2(CH3COOH,25℃)CH3COCl(AlCl3,C2H4Cl2,25℃)C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)kT/kB3401282.47表亲电试剂活泼性的影响H3C59.80.539.7H3C1.171.2597.6H3C38.421.040.6172019/12/184、亲电试剂的空间效应5、新取代基的空间效应亲电试剂／新引入取代基的体积越大，邻位产物越少。表甲苯C-烷化反应新引入基团对异构体比例的影响新引入基团反应条件异构产物比例，％邻位间位对位CH3CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45℃)55.79.934.4C2H5C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)38.421.040.6CH(CH3)2CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)26.226.247.2C(CH3)3C(CH3)3Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)032.167.9182019/12/182.1芳香族亲电取代的定位规律6、反应的可逆性对于不可逆的亲电取代反应，电子效应对定位起主导作用，即各异构产物的生成比例主要取决于各异构物的δ配合物中间体的相对稳定性。对于可逆的亲电取代反应，则是空间效应对定位效应起主要作用，即各异构产物的生成比例主要取决于各异构产物之间的空间位阻和平衡关系。192019/12/182.1芳香族亲电取代的定位规律6、反应的可逆性对于不可逆的亲电取代反应，电子效应对定位起主导作用，即各异构产物的生成比例主要取决于各异构物的δ配合物中间体的相对稳定性。对于可逆的亲电取代反应，则是空间效应对定位效应起主要作用，即各异构产物的生成比例主要取决于各异构产物之间的空间位阻和平衡关系。202019/12/18温度（1）通常情况下，温度升高，亲电取代反应活性增高，选择性下降。NO2NO2NO2NO2NO2NO2NO2＋＋混酸硝化0℃5％94％1％40℃7％91％2％90℃13％85％2％7、反应条件的影响212019/12/18（2）使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆反应，从而影响产物异构体的比例。CH3CH3SO3HCH3SO3HCH3SO3HCH3SO3HCH3SO3HCH3SO3H0℃43%4%53%4.3%54.1%35.2%200℃实例1：磺化磺化222019/12/18实例2：CH3CH3CH(CH3)2CH2=CH-CH3CH3CH(CH3)2CH(CH3)2CH3CH2=CH-CH3CH3CH(CH3)2CH3CH(CH3)2CH(CH3)2CH3AlCl3,0℃34%25%41%AlCl3,110℃1~2%65~70%28~30%232019/12/18反应介质NHCOCH3NHCOCH3NO2NHCOCH3NO2NHCOCH3NO2硝化反应介质++乙酸酐约92％少量约8％硫酸约30％少量约70％242019/12/18催化剂的影响（1）改变E+的极性效应或空间效应。（2）改变反应历程。OOOOSO3HOOSO3H磺化磺化HgSO4催化252019/12/18已有两个取代基为同一类型定位基，且处于间位，则定位作用一致。已有两个取代基为同一类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用不一致——取决于定位能力的强弱。CH3CH3COOHCOOH四、苯环上已有两个取代基的定位规律主产物少量NHCOCH3CH3262019/12/18已有两个取代基为不同类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用一致。已有两个取代基为不同类型定位基，且处于间位，则定位作用不一致——取决于第一类定位基。CH3NO2NHCOCH3COOH272019/12/18(1)苯环上已有取代基的定位效应具有加和性。(2)当苯环上已有两个取代基对新取代基的定位效应不一致时，新取代基进入苯环的位置取决于已有取代基定位效应的强弱。通常活化基的定位效应大于钝化基的定位效应；邻、对位的定位效应大于间位的定位效应。活化基的定位效应有下列强弱次序：O-＞NR2＞NH2＞OH＞NHCOCH3＞X＞CH3(3)当苯环上两个取代基都是钝化基时，很难再进入新取代基。钝化基的定位效应有下列强弱次序：N(CH3)3+＞NO2＞CN＞SO3H＞COOH＞CHO＞COCH3(4)新取代基一般不进入1,3-取代苯的2位。苯的多元亲电取代反应的定位规律282019/12/18CH3NO2NO2OHCH3CH3NH2ClOHNH2CH3NH2NO2ClNO2OH292019/12/18CH3ClCH3ClCH3ClOHCH3NO2COOHNO2NO2NO2CH3NO2CH3NO2O2N302019/12/18练习3：在下述两题中，各选择一条更好的合成路线。-BrCH3CH3SO3HCOOHCOOHCH3SO3H-BrCH3CH3CH3COOHCOOH-Br☺☺-BrCH3CH3312019/12/18练习4：选择合理的合成路线氯化、磺化①ClSO3H②NO2COCH3酰基化、硝化ClCl2/FeH2SO4HNO3/H2SO4CH3COCl/AlCl3COCH3NO2？322019/12/18NO2BrCOOHCH3③氧化、硝化、溴化④CH3NO2BrCOOH硝化、溴化、氧化CH3BrCH3溴化？注1：引入第三个基团时，前两个基团的定位作用一致更好。KMnO4COOHNO2COOHHNO3H2SO4Br2/FeNO2BrCH3KMnO4HNO3H2SO4Br2/FeCH3NO2BrCOOH？332019/12/18五、萘环的定位规律•萘的结构X－射线衍射结果：萘分子中，18个原子共平面。0.142nm0.136nm0.140nm0.139nmC-C键长：C=C键长：0.154nm0.134nm通常：其中：123456781,4,5,8位2,3,6,7位9,10位∴萘分子中亦有离域现象，单、双键键长趋于平均化（但未完全平均化）。OHa-萘酚–OHb-萘酚342019/12/18五、萘环的定位规律萘环的特性（1）比苯环更易发生亲电取代反应。HEHEHEHEHEHEHEHEHEHEα-位β-位352019/12/18（2）α位比β位的亲电取代反应活性高，E+优先进攻α位。95%5%硝化90%10%85%15%氯化低温磺化（3）某些反应在一定条件下可逆，使低温反应产物以α位为主，高温反应产物以β位为主。SO3HSO3H160℃异构化SO3HH原因解释:SO3HHH362019/12/18已有一个取代基的定位作用OH（1）已有一个第一类取代基CH3CH3大多使萘环活化，新取代基进入已有取代基的同环。372019/12/18（2）已有一个第二类取代基NO2NO2ENO2EE++使苯环钝化，新取代基进入异环的α位。SO3HSO3HNO2SO3HNO2硝化+382019/12/18六、蒽醌环的定位规律蒽醌环的特点（1）亲电取代反应活性低；（2）两个边环具有等同性；（3）α位比β位活泼。OOOONO2OONO2NO2OO392019/12/18蒽醌环的定位规律催化剂的