第二章精细有机合成反应理论

第二章精细有机合成反应理论主要内容：1精细有机合成基础知识(共价键、电子效应、空间效应)2有机反应理论、类型（取代、加成、消除、重排等反应）3近代有机合成新技术（微波合成、PTC、电解、超声波）第一节精细有机合成基础知识一共价键及其特性(1)共价键：共价键是两个原子的未成对而又自旋相反的电子偶合配对的结果。共价键的形成降低了体系的能量，形成稳定的结构。共价键有饱和性，方向性(2)共价键的性质：①键长②键角③键能④共价键的极性和元素的电负性表征了原子电负性的大小由于成键电子云的不完全对称而呈极性的共价键被称为极性共价键，通常用箭头→来表示这种极性键，箭头所指的原子通常是吸引电子能力较强的原子，也就是指向极性键中带部分负电荷的原子例如：H→Cl同一周期而言，原子序数增加↑，电负性增加↑；同一主族而言，原子序数增加↑，电负性降低↓。常用偶极矩（μ）表征极性共价键的大小偶极矩（μ）等于正电中心或负电中心的电荷值q(单位：库仑)与两个电荷中心之间的距离d(单位：m)的乘积：μ=q×d键型偶极矩/D键型偶极矩/D键型偶极矩/DC—H0.45C—Br1.38C—O0.74C—F1.41C—I1.19C=O2.30C—Cl1.36C—N0.22CN3.50二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。如：－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。如：－Is：—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。－Is：=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。如：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。Id：—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。Id：—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。例如：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。（a）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：+C：—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；+C：—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。例如：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%化合物环上原有取代基异构体分布%邻位对位间位邻位对位间位甲苯—CH358.4537.154.40异丙苯—CH(CH3)230.062.37.7乙苯—CH2CH345．048.56.5叔丁苯—C(CH3)30937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异构体分布%新引入基团异构体分布%邻位对位间位邻位对位间位甲基（—CH3）58.328.817.3异丙基[—CH(CH3)2]37.532.729.8乙基（—CH2CH3）452530叔丁基[—C(CH3)3]0937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。包括以下几类：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