有机合成化学机理

一些常见 的烯烃亲电 加成
亲电试剂
HX (X＝Cl, Br, I)
0oC H OSO3H
H
CC +
H OH
XX (X＝Cl, Br)
X OH
次卤酸
CCl4
CC HX
卤代烷
CC
硫酸氢酯
H OSO3H
CC
醇
H OH
CC XX
CC X OH
邻二卤代烷 b-卤代醇
5. 亲电加成反应机理 (I)—— 经碳正离子的加成机理
H
机理
CH3 H3C C CH CH2 +
H Cl H
CH3 H3C C CH CH2
Cl H H
重排产物
CH3
H3C C CH CH2 H H Cl
CH3 H3C C CH
H
Cl
~H CH2
H迁移
H
CH3 H3C C CH CH2
HH Cl
重排现象 —— 碳正离子的证据
CH3 H3C C CH CH2
•机理
R X ＋ AlCl3
R ＋ X AlCl3
R
H
－H+
R
R
•正碳离子
证据
CH3CH2CH2X AlCl3
CH2CH2CH3 ＋
CH3 CH
CH3
AlCl3 CH3CH2CH2X
~H CH3CHCH2
H
CH3CHCH3
4. 亲核取代反应机理 SN1 和 SN2
双分子亲核取代反应（SN2）
-
Nu + C X
(2) Cl + H CH3 (3) CH3 + Cl Cl
Cl H + CH3 CH3 Cl + Cl
第(2), (3)步反应重复进行
链转移 （链传递,链增长）
chain propagation
(4) Cl + Cl (5) Cl + CH3 (6) CH3 + CH3
Cl Cl CH3 Cl CH3 CH3
HCl F3C CH CH2
F3C CH CH2 H Cl
F3C CH CH2 H Cl
强吸电子基团
F3C CH CH2 H
较稳定 Cl
or F3C CH CH2
H
不稳定 （强吸电子基直接 与碳正离子相连）
F3C CH CH2 H Cl
亲电加成中的重排现象及解释
CH3
HCl
H3C C CH CH2
——亲核性强弱顺序与碱性基本相同 ——同一周期元素原子随原子序数增加亲核性减弱
-CH3 > -NH2 > HO- > F-； ——带负电荷基团的亲核性强于中性基团
HO- > H2O； CH3O- > CH3OH； -NH2 > NH3；
SN2 反应的影响因素
3) Nucleophile (亲核试剂 )
O
H
O
1) BH3
O
O 2) H2O2/OH- O
O
H3O+
OH
O
H OH2
O+
O
O
OH H2O
OH
O
OH
O
H3O+
HO+ HO OH
O OH
OH
O
O OH
+ OH2
OH O OH
OH
OH
O H
1) Hg(OAc)2 2) NaBH4
OH
OAc + Hg
Hg(OAc)2
H2O
HgOAc
NaBH4
+
C Nu + X-
单分子亲核取代反应（SN1）
-
CX
+
C+ + X-
C+ + Nu
C Nu
SN1 和 SN2 反应的影响因素
Nu + C X
C Nu + X-
底物 RX（以卤代烃和磺酸酯为代表) 离去基团 X亲核试剂 :Nu or :Nu 溶剂
SN2 反应的机理
一步反应，动力学表现为二级反应 亲核试剂是从离去基团的背面进攻
SN2 反应的影响因素
2) The leaving Group（离去基团）
离去基团的离去倾向越大，SN2 反应活性越高。 离去基团的碱性越弱，则离去倾向越大。 Relative reactive（反应活性）:
OH-, NH2-, OR-, < F- < Cl- < Br- < I- < TsO-
链终止 chain termination
自由基型链反应（chain reaction）
甲烷氯代的势能变化图
过渡态: 势能最高 处的原子排列，
势
能
Cl H CH3
Cl Cl CH3
Ea 1
Ea 2
Cl + CH4
Cl H + CH3
~~
H 1 H 2
CH3 Cl + Cl 反应进程
Ea：活化能（ activation energy）； H: 反应热
SN2 反应的影响因素
3) Nucleophile (亲核试剂 )
The nucleophile can be neutral or negatively charged as long as it has an unshared pair of electrons. So it is also a Lewis base（路易斯 碱）.
+E
H E
－H+ 快
s-络合物
E
E
反应进程
常见的几类苯环上的亲电取代反应
X2 Fe or FeX3
X
卤代反应
HNO3 , 浓H2SO4
（混酸）
NO2
硝化反应
浓 H2SO4 or
＋
发烟 H2SO4
SO3H
磺化反应
R X, AlCl3
O R C X, AlCl3
R
烷基化反应
Friedel-Crafts 反应 （傅－克反应）
有机合成化学机理
甲烷的溴代反应机理
hv or
(1) Br Br
Br + Br
(2) Br + H CH3
Br H + CH3
(3) CH3 + Br Br
CH3 Br + Br
第(2), (3)步反应重复进行
链引发 chain initiation
链转移 （链传递,链增长）
chain propagation
SO3
H2SO4 H2O
SO3H
势 能
Eact 1
Eact 2
Eact1接近Eact 2
H
SO3
+ SO3
SO3 + H+
反应进程
苯环上的烷基化反应（Friedel-Crafts烷基化反应）
＋ RX
AlCl3
Lewis 酸催化剂
其它催化剂： R SnCl4, FeCl3, ZnCl2,
TiCl4, BF3等
Basicity (碱性)—— how well the base shares electrons with a proton.
Nucleophilicity (亲核性) —— how readily the nucleophile is able to attack an atom (e. g. carbon) other than a proton.
SN2 反应的影响因素
1) Substrate（底物） —— Steric Effects
SN2 反应的影响因素
1) Substrate（底物） —— Steric Effects
H
C Br H
H
H3C
C Br H
H
H3C
H3C C Br H
H3C
H3C
C Br
H3C
SN2反应活性: methyl > 10 > 20 > 30
氯代和溴代反应速率的差别 ——决速步骤速率的差别
X + H CH3
Cl
439.3 kJ/mol
Br
X H + CH3 431.8 kJ/mol 366.1 kJ/mol
H(反应热) Ea(活化能)
+ 7.5 kJ/mol + 16.7 kJ/mol +73.2 kJ/mol +75.3 kJ/mol
反应进程
② 与H2SO4 的加成机理
CC
0oC + H OSO3H
机理
CC H OSO3H
CC H OSO3H
CC H
OSO3H
CC H OSO3H
加成机理对Markovnikov规则的解释
例： CH3CH2 CH CH2 HBr
CH3CH2 CH CH2 Br H
+ CH3CH2 CH CH2
H Cl H
CH3 H3C C CH CH2
Cl H H
烯烃的亲电加成——X2和XOH
2.1 Facts about the Addition of X2 and XOH —— Stereochemistry of Br2 Addition
3.苯环上的亲电取代机理通式
E H
慢
E
H
H
E
E
势 能
H E
CH3CH2CH2 + H
CH3 CH3CHCH3
389.1 kJ/mol 410.0 kJ/mol
CH3 CH3CCH3
+H
CH3 CH3CHCH2 + H
2o 自由基 较易生成
1o 自由基 较难生成
3o 自由基 较易生成
1o 自由基 较难生成
自由基的相对稳定性：3o > 2o > 1o
2.烯烃的亲电加成反应（Electrophilic addition）
4:1
H Br
机理：
2o 正碳离子 较稳定
1o 正碳离子 较不稳定
CH3CH2 CH CH2 H Br
CH3CH2 CH Br
CH2 + H
CH3CH2 CH CH2 H Br
中间体正碳离 子的稳定性决 定加成的取向
CH3CH2 CH CH2 Br H
CH3CH2 CH CH2 H Br
➢ 例：下列加成不遵守Markovnikov规则，请给出合理的解释
NO2
机理
H O NO2
H O SO3H
浓H2SO4作用：
•产生NO2 •除去生成的水
H H O NO2 + HSO4
H2O + NO2
NO2
H NO2
－H+
NO2
苯环的磺化机理(逆向为去磺酸基机理）
2 H2SO4 O
H3O ＋ HSO4 ＋ SO3 磺化亲电试剂
SO O －SO3
H
－H+
SO3 +H+
1 500 Less reactive
700 1,000
Nu - CH 3 + Br-
OH-
CH3O -
I-
CN- HS -
16,000 25,000 100,000 125,000
More reactive
SN2 反应的影响因素
3) Nucleophile (亲核试剂 ) 关于亲核试剂的亲核性强弱顺序尚无完善的 解释，不过一般有如下的规律:
O
C R 酰基化反应
苯环上的卤代反应
＋ X2 Fe or FeX3
X ( X = Cl, Br)
机理
X2 ＋ Fe X2 ＋ FeX3
FeX3
亲电中心
X X FeX3
X X FeX3
H －H+
X
－FeX4
X
苯环上的硝化反应
无 H2SO4时反应很慢
＋ HNO3 (浓)
H2SO4 (浓) 55~60oC
① 与HX的加成机理
CC
+ HX

机理：
双键为电子供体 （有亲核性或碱性）
CC HX
碳正离子中间体
X CC
慢
HX
H有亲电性
CC
快
H
X
CC HX
➢反应进程分析
CC
HX
CC
H
X 过渡态 I
CC H
X 中间体
CC
H
X
过渡态 II
CC
HX
产物
势
CC
能
XH
CC
H X
CC +
HX
CC H
+X
反应进程图
CC HX
SN2 反应的影响因素
3) Nucleophile (亲核试剂 )
亲核试剂的亲核性越强，反应活性越高。 亲核性强弱常受到底物、溶剂甚至是浓度的影响。 因此，比较亲核试剂的强弱应该确定一个标准，最
好在相同的底物和相同的反应条件下比较：
Nu =
relative reactivity
Nu - + CH 3 - Br H2O CH3CO2- NH3 Cl-
—— 因此发生构型的转化
SN2 反应的机理
SN2反应中过渡态结构：
sp2杂化
新键已部分形成
旧键已部分断裂
反应势能变化图如右： 凡能影响过渡态稳定性
的因素都将影响反应的 活性和选择性
Free energy
HH
#
HO Br
CH3
Ea
CH3Br + HO-
CH3OH+ Br-
progress of the reaction
OH
OH
HgOAc +
(4) Br + Br (5) Br + CH3 (6) CH3 + CH3
Br Br CH3 Br CH3 CH3
链终止 chain termination
1.自由基取代机理
甲烷的氯代反应机理的表达
hv or
(1) Cl Cl
Cl + Cl
自由基 中间体
链引发 chain initiation
——在质子性溶剂中， 同一族元素的原子 随周期数的增加亲 核性增加 (碱性降 低）。
原因：原子可极化性
和溶剂化效应
——在非质子溶剂中 顺序刚好相反
O H+ O
O
OH
OH
H+
HO
HO
-H+ O
Cl Cl
HCl
+
a+ H+ b a
+ Cl-
Cl
b
+
Cl- Cl
1) BH3
H3O+
O OH
O
O 2) H2O2/OH-
势能 kJ/mol 势能 kJ/mol
氯代
Cl H CH3
溴代
Br H CH3
HBr + CH3
75.3
16.7
Cl + CH4
HCl + CH3
Br + CH4
反应进程
反应进程
➢不同类型自由基的相对稳定性
CH3CH2CH3
键离解能（DH）