有机化学反应概论

第一章 有机化学反应概论
反应物转变为产物的具体途径叫反应历程或反应机理，研究和确定一个新的有机反应历程时一般经过如下步骤：首先，要提出一个与已有的实验结果及理论相符合的可能的反应历程；然后通过实验来验证所提出的历程。

如果新的实验结果与提出的历程相符合，即可对最初提出的历程加以肯定；如果新的实验结果与假设的历程不相符合，则需重新提出历程；如果部分符合，则需要罪提出的历程进行修正。

1.1 有机化学反应的分类 1.1.1按反应历程分类
按化学键断裂和形成方式可将有机化学反应分为三类: 一、离子反应（异裂历程）
共价键发生异裂形成了正负离子，有离子参与的反应叫离子反应。

R 3C
R 3C ++Br -慢
异裂
R 3C +
2
R 3C OH 2
－H +R 3C OH
+
这是 S N 1反应
二、自由基反应（均裂反应）
共价键发生均裂形成两个自由基，如烯的反马氏加成即过氧化反应。

均裂2RO
快
ROH
+
慢
2CH CH BrCH 23
+HBr
+
Br
BrCH 23
BrCH 2CH 2CH 3
三 分子反应（协同反应,周环反应）
共价键的断裂与形成是同时（协同）
进行的，反应一步完成反应叫协同反应。

如S N 2,E2,Diels-Alder 均叫协同反应。

如果经过一个环状过渡态，一步形成产物，过程无任何中间体的反应叫周环反应。

S
N 2,E2,Diels-Alder 均叫协同反应。

但只有
Diel-Alder 反应叫周环反应。

环转过渡态
周环反应的特点：1一般不受溶剂极性、酸性、催化剂、自由基引发剂或抑制剂的影响，而受加热或光照的影响，而且光照和加热的结果相反。

2具有高度的立体专一性。

3周环反应通过环状过渡态而实现的协同反应。

周环反应分类：电环化、环加成和σ－迁移。

1.1.2按反应物与产物之间的关系分类 不饱和度计算：UN=n 4+1+1/2(n 3-n 1) 一、取代反应
反应产物的不饱和度不发生变化，根据进攻试剂的类型分为亲核取代，亲电取代和自由基取代。

RCH 2Br +OH -
RCH 2
OH +Br -亲核取代
+NO 2+
NO 2
+
H +
亲电取代
RCH(CH 3)2++HCl
Cl 2
RCCl(CH 3)2自由基取代
二、加成反应
反应物不饱和度减少，分为亲核加成，亲电加成和自由基加成。

亲核加成
R
-
C H
CN
O
-
H +
R
C H
CN
HO
亲电加成RCH 2
+H
+
R CH CH 3
Cl -R CH CH 3
Cl
自由基加成
RCH CH 2
+
Br.
R CH 2Br
三、消除反应
反应物不饱和度减小，分为离子消去及协同消去或α－消除，β—消除
RCHCH 2X
H OH -
RCH=CH 2+HX
离子消去和β—消除
(CH 3)3COK CCl 2+(CH 3)3COH +KCl
+CHCl 3
α－消除 四、重排反应
碳骨架发生变化，分子的不饱和度不变，有离子重排、自由基重排和协同重排
N OH
+
NH
O
亲核重排
五、氧化还原反应
1.2 有机化学反应中的试剂
在有机化学反应中，我们常把某一种有机化合物看作反应中心称为底物、反应物或作用物，从而把
另外的有机物或无机物视为试剂。

+CH 3CH 2Br
3
CH 2CH 3
底物试剂芳烃的烷基化反应试剂
底物
卤烷的芳基化反应
(CH 3)3COH +HBr
(CH 3)3CBr +H 2O
底物 试剂
自由基试剂（含奇电子）
亲电试剂(接受电子)
亲核试剂（给予电子）
有机试剂
离子试剂(含偶电子）
电中性试剂往往具有亲电性和亲核性或其一较强另一较弱。

1.3 化学反应的热力学和动力学要求
1.3.1 热力学要求（反应的可能性和倾向）
热力学研究能量各种形式的转化规律，尤其是热运动的转化律。

热力学的基础是热力学三大定律。

热力学第一定律研究物理和化学变化的能量变化，尤其是热效应和能量衡算；热力学第二定律研究物理和化学变化的方向和限度（平衡），并确定外界条件变化的影响；热力学第三定律阐明了规定熵数值。

一个体系总是趋向于最低的焓值（H ）和最高熵值(S)利用吉不斯函数来计算和预测反应的方向和反应的限度。

△G=△H-T △S △r G m φ=-RTlnK Φ
K ө为反应的限度
△r G m =-RTlnK Φ
+RTlnJ p
K Φ
>J p △r G m <0 反应自发向右进行 K Φ
>J p △r G m >0 反应自发向左进行 K Φ
=J p △r G m =0 反应达到平衡
大多数有机反应的△S 较小，可以不考虑，常用△H 来判断反应进行的方向和限度。

1.3.2动力学要求（反应的现实性）
研究反应快慢的问题 一、碰撞理论
反应分子必须碰撞，而且必须是有效碰撞才能反应，分子必须获得一定的能量变成活化分子后才能反应，这个能量的最低限度叫活化能。

RT
a E Ae
k -=
活化能越高，k 越小，反应越慢。

二、过渡态理论
化学反应不是只经过分子间的简单碰撞就能完成，而且要经过一个高能量的过渡态（即活化络合物，是一种高度不稳定而且具有一定几何形状和电荷分布的活化物），过渡态与反应物能量之差叫活化自由能ΔG ≠。

过渡态（TS ）的结构与能量相近的反应物或产物（或中间体）相似，我们无法分离和观察到TS 的存在。

基元反应为吸热反应，TS 与产物的结构和能量相近。

基元反应为放热反应，TS 与反应物的结构和能量相近。

1.4热力学控制及动力学控制
某一反应物A 在一定条件下可能转变成两种产物B 和C ，若k B <k C ,K B >K C,
A
C
速度常数k B <k C , 平衡常数K B >K C
1. 反应初期，由于ΔG φ<ΔG φ
，A 转变成C 较容易，K C >K B .[C]>[B]
2. 若平衡
B
A
C
还未建立前，就使反应停止。

d[C]/d[D]=K C [A]/K B [A] [C]/[B]=K C /K B >1
主要产物为C,这种反应产物的比例由反应速度控制的过程叫动力学控制或是速度控制反应。

3.如果建立了平衡
C
K B>K C（即B比C更稳定）K B
K C
[B]/[A]
[C]/[A]
[B]
[C]>1
主要产物为B,这种反应物的比例有其相对热力学稳定型（即比例平衡常数）来控制的反应叫热力学控制成平衡控制反应。

(93%)
(85%)
动力学控制
热力学控制
SO3H
SO3H
O
CH3
O
CH3
O
O-
CH3
O-
CH3
动力学控制反应(空阻小)
热力学控制反应(空阻大,但稳定)
1.5研究反应历程的方法
研究反应历程一般有产物的鉴定、中间体的确证、催化剂的研究、立体化学的研究、动力学研究、同位素标记等。

1.5.1产物鉴定
研究任何反应的中间过程之前，对产物的确定是首要的
Cl
CH3
NaNH2
3
CH3NH2+CH3
NH3
这不是简单的取代反应，需要用其他方法去寻找某些中间体过程来加以说明。

1.5.2 中间体的确证
1.中间体的分离
中间体活性高，寿命短难以分离。

但某些活性中间体可以在特殊条件下分离出来。

CH3
CH3CH3
+ C2H5
F
BF3
CH3
C2H5
CH3CH3
HBF4
+
σ-络合物
CH3
C2H5
CH3CH3
H
BF4-
+
2.中间体的检测
多数中间体不能分离，但可利用IR，NMR，MR，Raman，EPR，XPS等质谱跟踪反应以检测中间体的存在。

3 24NO
2
+ H2O
用Raman光谱检测出中间体硝酰正离子存在，推测存在以下反应：
++ HSO4-
+
NO2H2O
H2SO4 +HNO3
1HNMR证明下述反应为邻基参与的反应，存在苯桥正离子。

CH2CH2OTs CH2CH2OA C
HOAc
CH2
H2C
+
3.中间体的捕获
如果推测到一个反应可能存在某一种中间体时，可加入另一种物质作捕获剂。

当它与不稳定中间体作用后再分离出预测化合物来证明。

O
I
NaNH
2
NH2
苯炔历程，加成-消除反应
1.5.3 催化剂的研究
根据反应所需催化剂类型，往往可大致推测反应的历程。

光或过氧化物的催化反应一般为自由基历程。

能被酸催化的反应可能有正离子中间体形成。

能被硷催化的反应可能有负离子中间体形成。

1.5.4 立体化学的研究
研究反应物到产物的立体构型或光活性的变化来推测反应历程。

如顺-2-丁烯被KMnO4氧化成内消旋体，而反-2-丁烯为外消旋体。

C C
CH3
H
CH3
H
(2S,3R)
H CH3
H CH3
OH
OH
KMnO
-
2
+
C C CH 3H
CH 3
H
4-
2CH 3H H
CH 3
OH
OH
H CH 3CH 3
H
OH
OH
因此这是一个顺式加成历程 1.5.5动力学研究 一、速度方程
1.-d[A]/dt=k 1[A] 一级反应单分子反应
2.-d[A]/dt=k 2[A][B] 或-d[A]/dA=k[A]2 二级反应双分子反应历程
3.A+2B C 如果有中间体I 形成，则分步反应为
(1)A +B
1I (2)
I +B
k 2
C
若(1)为慢步骤，即k 1<k 2 -d[A]/dt=k 1[A][B] 二级反应 若(2)
为慢步骤，步骤（1）快速达到平衡
A +B
I
-1I +B
2
C
k 2<k 1, k 2<k -1
d[C]/dt=k 2[I][B] (3)
k 1[A][B] - k -1[I] - k 2[I][B]
d[I]dt
d[I]/dt=0
k 1[A][B]k 2[B]+k -1
则
[I]=
(4)
（4）代入(3)
k 1k 2[A][B]2
k 2[B]+k -1
则d[C]dt =
因为（2）为慢步骤
所以 k 1[A][B]>>k 2[I][B]
而第一步为平衡反应则
k 2[A][B]=k -1[I] 所以k -1[I]>>k 2[I][B]
k -1>>K 2[B]
d[C]dt
k 1k 2
k -1
[A][B]2=k obs [A][B]2
这是一个三级反应，对A 为一级,对B 为二级。

速度方程与反应历程的关系:速度方程只表示最慢的基元反应的速度方程式，即定速步骤，从定速步骤的速度方程可知道反应基数和参与反应的分子数等。

1.5.6同位素标记
用同位素标记的化合物作反应物，反应后测定产物中同位素的分布，往往可以分为反应历程的确定提供有用的信息。

NH 2
+
50%50%
I
*
NH 2
*
NH 2
*
C =C
14
*
Claisen 重排
(分子内周环反应)
*OCH 2CH CH 2
OH
CH 2CH=CH 2
200℃
*
CH CH
2
2CH CH 2
OH
CH 2CH CH 2
*
*
1.6反应过程中心立体化学
一、立体专一性反应
凡互为立体异构体的反应物在相同的条件下生成不同的立体异构产物的反应叫立体专一性反应。

C C CH 3
H CH 3
H
+Br 2
+Br H H
Br CH 3
CH 3(2S,3S)(2R,3R)50%
50%
外消旋体(dl )
H Br Br
H
CH 3
CH 3
C C CH 3H
CH 3
H
+Br 2
H Br H
Br
CH 3
CH 3(2S,3R)100%内消旋体(meso )
这是一个反式加成。

H Br Ph Ph C C Ph
Br Ph
H
meso 顺-1-溴-1,2-二苯乙烯E-1-溴-1,2-二苯乙烯
H
Br
OH
-
(2S,3R)
(2S,3S)
外消旋体之一
H Br Br
H
Ph Ph OH
-
C Ph
H
Br Ph
反-1-溴-1,2-二苯乙烯(Z)-1-溴-1,2-二苯乙烯
这是反式消除。

二、立体选择性反应
如果某一立体异构体作用物能同时生成几种立体异构体产物，其中一种的量超过其它立体异构体，这种反应称为立体选择性反应。

60%
20%
20%
CH 3CH 2CHCH 3
I
C C H
CH 3
CH 3
H
+C C CH 3H
CH 3
H +CH 3CH 2CH CH 2
位置选择性为查氏消除，立体选择性为过渡态的位阻较小。

H OTs Ph H -TsOH
OTs H Ph H
-TsOH
H
Ph
顺-1-苯基环己烯
反应只是立体选择的，而非立体专一的。

凡立体专一性反应都是立体选择性反应，而立体选择性反应并不一定立体专一性反应。

CH 3CCOOH O [H]
()CH 3CHCOOH
OH 丙酮酸非手性分子
非立体选择性也非立体专一性+
1.7 赤式和苏式构型
丁醛糖有两个手性碳，存在四种立体异构体分属于两对对映体。

在Fisher 式中，凡是相同基团位于同侧的叫赤藓糖，而位于异侧的苏阿糖
HO H HO
H CHO CH 2OH H OH HO
H CHO
CH 2OH HO H H
OH CHO
CH 2OH H OH H
OH CHO CH 2OH D-(-)-苏阿糖L-(+)-苏阿糖(2R,3S)-苏阿糖(2S,3R)-苏阿糖
D-(-)-赤藓糖
(2R,3R)-赤藓糖
(2S,3S)-赤藓糖
L-(+)-赤藓糖
凡是含有两个手性碳原子的化合物的构型均可用赤式和苏式来表示，在Fischer 投影式中，将不同的基团写在竖键上，凡是相同基团位于同侧的是赤式，相同基团位于异侧的为苏式。

赤式dl 对苏式dl 对
X W W
X Y
Z
W X X
W Y
Z
W X W
X Y
Z
X W X
W
Y Z
赤式和苏式各含有一对对映体，赤式和苏式互为非对映体，若Y=Z 时，赤式为内消旋体。

苏式仍是含一对对映体。

赤式
苏式
H CH 3H
CH 3
Ph Br CH 3H H
CH 3
Br
OH
3
3
H
H CH 3H
CH 3
Ph
Br 赤式
赤式
赤式
H CH 3H
CH 3
N(CH 3)
2
Ph O -赤式
CH 3)23
-
O
苏式
Me H H
Me
Br
Br Br
Me
H Br Me
H Br
Me H
Br
Me
H
CHO
H
Me
赤式
H Me H
Me CHO
Et H
Me
Et
Me
CHO Me H
Et
H
1.8不对称合成（手性合成）
由于作用物、试剂、催化剂、偏振光等因素产生不对称反应环境，使有机反应生成不等量的对映异构体产物的反应叫不对称合成反应。

所有的立体专一性反应和立体选择性反应均为不对称合成反应。

不对称合成的程度可用对映体过量百分数（%e.e.）和光学纯度百分率（%O.P.）表示
%e.e.=
[R]- [S][R] + [S]
×100%=
[R]%-[S]%
%.e.e ．是指一种对映体超过另一种对映体的百分数。

×100%
%O.P.=
[α]测[α]纯
%O.P.为实测产物比旋光度与光学纯对映体的比旋光度之比.
CH 3(CH 2)6
CH 3
H
OCCPh O +
Ph
OH
COOH
CH 3
HO
Ph COOH
CH 3
(1) CH 3MgBr (2)H 3+O
(S)-2-辛醇苯甲酰甲酸酯
(R)-苯基乳酸
(S)-苯基乳酸59%
41%
光学纯(R)-苯基乳酸[α]D 20
=-36.6º，实测产物 [α]D 20
=-6.6 º
[][]%%S %R .e .e %18=-=
[]
[]
%%%.P .O %1810036.6
6.6
100=⨯--=
⨯=
纯
实
αα
光学纯的左或右旋体： %e.e.=100% %O.P.=100% 外消旋体: %e.e.=0% %O.P.=0%。