第二章精细有机合成基础
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>-C6H5>-CH=CH2>-H>-CH3
2、共轭效应 重要的共轭体系有： （1）π-π共轭； （2）p-π共轭； （3）σ-π共轭。
（1） π-π共轭体系 CH2=CH-CH=CH2 CH2=CH-CH=O
C H 2 C HC HC H 2 C H 2 C HC HC H 2
（2）p-π共轭体系 具有未共用电子对（也称孤对电子）的 原子通过单键与某原子相连，而后者以π键 与其他原子相连：
溴代烷与EtO-在EtOH中，于55℃反应
(C H 3 )3 C C lH 2 O/E (C H t3 )O 2 CC H H 2+ C H 3 )3 (COH 2 CH 2 X H
CH 3CH 2N u + X
N u
C H 2 C H 2 X H
+I：Li<Na<K 在同族元素中，吸电子能力随原子 量增大而减少；给电子能力随原子量增 大而增大。
带电荷时
-I： +-O2>R-OR，+ 3->N-NR2R +I： --O >-OR
同周期中 -I： F>OH>NH2>CH3 +I相反
烷基是给电子基，有+I的效应： +I： -CMe3>-CHMe2>-CH2CH3>-CH3
2．2．3 影响亲核取代反应速度的因素
（1）反应物结构的影响 （2）亲核试剂的影响 Nu（3）离去基团 （4）溶剂效应
（1）反应物结构的影响
δ+
Nu R CH X Y
Y为吸电子基时， 有利于SN2
R CH X
R CH Nu
Y
YX
Y为给电子基时，有利于SN1
R
Nu
RC
X
空间阻碍越大，越 不利于SN2
very slow
RC2HCl +2H O
RC2HOH + HC
I- + RC2CHl
RC2HI + C- l
RC2HI + H 2O
RC2HOH + HI
又：_OH 、 _ OR、 _ NH2、_ NHR 等，碱性强，一般不易被置换，即不 是好的离去基团。
所以，-OH、-OR、-NH2、-NHR 不易被取代。
δS-
RS CH CH2
δSe-
RSe CH CH2
δO->δS-> δSe-
+M：-OR>-SR>-SeR
δN-
R2N CH CH2
δO-
RO CH CH2
δF-
F CH CH2
δN->δO-> δF-
电负性：N<O<F
C-X 键长(nm)
+M： -NR2>-OR>-F
C-N C-O C-F
0.147 0.143 0.141
R C X +Y O
Y RCX
O-
Y RCX
O-
R C Y +X O
2．2．2 亲核取代反应的立体化学
在SN2中，如：
C2H5 HO + CH3 C Br
H
slow
C2H5 HO C CH3 + Br
H
构型反转
δ- CH3 C2H5 δ-
HO C
Br
H
transition state
在SN1中，较复杂。中间生成的碳正离子 的稳定性起了重要作用。有以下几种情况：
2．2．1 亲核取代反应的历程
（1）SN2双分子历程 （2） SN1单分子历程 （3）四面体历程
（1）SN2双分子历程
RX +- NuRNu -+ X
反应速度=k[RX][Nu- ]
历程一般表示为：
N-u+
slowδ- δRX Nu RX
RNu- +
transition state
（2） SN1单分子历程
+M：-F>-Cl>-Br>-I
C-X 键长(nm)
C-F C-Cl 0.141 0.178
C-Br 0.191
C-I 0.212
δF-
F CH CH2
δBr-
Br CH CH2
δCl-
Cl CH CH2
δI-
I CH CH2
R CHCH2
δF->δCl-> δBr-> δI-
δO-
RO CH CH2
ROH 2S + R
极性增加不利
2．2．4 亲核取代反应与消除 反应(Elimination)的竞争
CH3CH2Br
CH3CHBr CH3
(CH3)3CBr
CH3CH2 OEt + CH2 CH2
90%
10%
(CH3)2CH OEt + CH3CH CH2
21%
79%
(CH3)2C CH2 100%
C6H5 H
C6H5 + H COH
CH3
CH3 CH3
R构型
S构型
R构型
原料为旋光性，产物外消旋。
（2）中间生成的碳正离子寿命很短
R
R' R
R' C X
CX
R''
Nu
R''
sp3杂化
sp2杂化
R Nu C R'
R''
构型反翻
离去基团还没有完全离去，亲核试剂已开始反应。此时，正面进攻受离 去基团的阻碍，故主要从反面进攻。
（1）中间生成的碳正离子相当稳定
R1
R2
3
C
X
R
sp 3杂化
R2 R1 C+ +X R3 sp 2杂化
Y-
Y
C
R
1
R
2
+
R3
R1 R23 C Y R
中间形成的C+离子相对稳定，同一平面，Y-从两边进攻的几率相等。
如α-氯代苯乙烷的水解，得到的是98%外 消旋化的产物：
C6H5 H CCl
H2O
HOC
带电荷时
+
-M: C=NR 2 > C=NR
+M:
-O
->
-OR
>
+
-OR
2
-S -> -SR > -SR+ 2
正电荷加强吸电子效应，负电荷加强
给电子效应。（和诱导效应的规律一致）
3、超共轭效应
H H C CH CH2
H
（σ-π共轭）
HC CHCH2 H
HC CHCH2 H
由于H原子的特殊性，电子云屏蔽的作用很 小，易与π电子共轭。
超共轭效应一般为给电子的效应，大小如 下：
CH3>CH2R>CHR2>CR3
超共轭效应一般比共轭效应和诱导效应小 得多，一般场合可不考虑。只有在其它效应相 似时，才考虑超共轭效应。
2.2 Substitution of aliphatic compounds
1、亲核取代SN (Nucleophilic Substitution) 2、亲电取代SE (Electrophilic Substitution) 3、游离基取代SR (Radical Substitution)
..B....r CH CH2 ..C....l C N
.. H2N C O
R
Br CH CH2
Br CH CH2
特点：（1）以C=C为标准 （2）只涉及电子云密分布的改变，
共用电子对不属于某一原子 （3）沿π键传递，位置越远，影响不
变。 （4）共轭效应的强弱由共轭体系的
性质、原子半径的大小及其电负性所决定。
第二章 精细有机合成基础
※ 电子效应 ※ 脂肪族亲核取代 ※ 芳香族亲电取代 ※ 溶剂效应 ※ 相转移催化
2．1 有关电子效应的几个问题
电子效应：1、诱导效应 2、共轭效应 3、超共轭效应
1、诱导效应
δ+ δX CR3 H CR3
给电子基团 +I
δ- δ+ Y CR3
吸电子基团 -I
特点：（1）以C—H为标准 （2）只涉及电子云密分布的改变，共用电
（3）离去基团
R X slow R+ + X-
R+ + N-u
R Nu
N-u+
slowδ- δRX Nu RX
RNu- +
transition state
离去基团的碱性越弱，形成的负离 子越稳定，就越容易离去。
易离去： RSO3- > -I > -Br> -Cl>RCOO- > -NR2
I- 的 特 殊 性 ， 好 的 亲 核 能 力 ， 好 的离去基团，常作为氯代烷水解的催 化剂，如：
（3）邻近基团参与作用
如2-溴丙酸在稀碱溶液中进行的反应，可 似为SN1反应。
CH3
-OOC C Br H
dil. base
OC-H3 C+ + BrOC H
OH -
CH3
-OOC C OH H
得到构型保持的乳酸
又如：由于双键的参与，得到构型保持 的产物。
H OTs
H + C3 H COOH H OCOCH3
N-u+
slowδ- δRX Nu RX
RNu- +
transition state
Nu-的亲核能力大小，与碱性和可极化 性有关。
碱性大小： EtO->OH->C6H5O->CH3COO->H2O
亲核性大小： EtO->OH->C6H5O->CH3COO->H2O
可极化性
如： I- ， SH-，SCN-是弱碱， 但它们都是好的亲核试剂，这是因 为它们的原子半径较大，因而有好 的可极化性。
共轭体系
CH2 CH CH O
由于氧的电负性较大，电子密度沿共 轭体系向氧原子方向转移，为负的共轭效 应，也称吸电子共轭效应，以-M或-C表示。
..B....r CH CH2
电子云密度沿共轭体系向碳原子的方向 转移，为正的共轭效应，也称给电子共轭效 应，以+M或+C表示。
π-π共轭体系
CH2 CH CH X
一般情况下，重键的不饱和程度越大，吸 电子性越强，-I效应越大：
-I： =O>―OR
≡N>=NR>―NR2 ―C≡CR>―CR=CR2
诱导效应大小的比较，常用测定取代乙酸 酸度的大小来决定。
XCH2COOH 通过测取代乙酸的电离常数，得： -I： -F>-Cl>-Br>-I>-OCH3>-NHCOCH3
R O H + C l
R C l + O H
R O R ' + C l
R C l + O R '
但在强酸溶液中，变成-OH2+、OHR+、-NH3+、-NH2+R；离去后形 成H2O、ROH、NH3、RNH2，非常 稳定，易离去。
H C l
R O H + C l
R C l + H 2O
H
H C l
X=O、N、S、C
-M： -C=O > -C=S -C=O>-C=N>-C=C
原子序数越小，电负性越大，吸 电子的能力越大。-M效应越大。
p-π共轭体系
X CH CH2
X=F、Cl、Br、I、O、S、N、etc
Br CH CH2
Br CH CH2
• 原子半径 • 电负性
F Cl Br I 原子半径：F < Cl < Br < I C-X的键长：F-C<Cl-C<Br-C<C-I P-π重叠程度：F-C>Cl-C>Br-C>C-I
子对不属于某一原子 （3）沿σ键传递，位置越远，影响越弱。 （4）诱导效应的强弱由原子或基团的电负
性所决定，和键的极化率有关。
pKa
ClCH2COOH
2.8
ClCH2CH2COOH
4.0
ClCH2CH2CH2COOH 4.5
CH3COOH
4.7
同族元素： -I：F>Cl>Br>I OR>SR>SeR>TeR
如：2-溴辛烷在乙醇-水溶液中单分子 水解，外消旋化程度为40%左右。
CH3 HC
Br
H2O
CH3
CH3
H C OH+ HO C H
C6H13
C6H13
C6H13
R构 型
R构 型
S构 型
如果原料有旋光性，则大部分构型翻 转，部分外消旋化。
CH3 HC C6H13
+I、+I
CH3 HC C6H5
+I、+M
R
R
C
R
有利于SN1
如：
SN2相对活性：
CH3Br>CH3CH2Br>(CH3)2CHBr>(CH3)3CBr
150： 1：
0.01： 0.001
（SN1的相对活性刚好相反）
（2）亲核试剂的影响 Nu-
对SN1无影响。
R X slow R+ + X-
R+ + N-u
R Nu
在SN2中，Nu-的亲核性越大，反应速度越快。
R X slow R+ + X-
R+ + N-u
R Nu
反应速度=k[RX] 历程一般表示为：
slo w δ+ δ-
RX
RX
R+X
验证SN2 或SN1 反应，可通过添加 N3-（叠氮阴离子，亲核性高），观察对 反应速度的影响。
SN2 反应速度明显提高 SN1 无影响
（3）四面体历程
对不饱和键（C=O，C=S和C=N）上的亲 核取代反应。如酯的水解、羧酸的酯化等。
对SN1有利
极性的影响如下：
SN1
δ+δRCl RCl
R++ -Cl
极性增加有利
SN2
H- O +
δ- δRClH ORC l
ROH - +
极性增加略微减慢
SN2
δ+ δR 3N + RR '3N CR l' C l
R 3N + R' -+
极性增加有利
SN2
H- O + 3S+ R
δ- δ+ H ORSR 2
C H 2 C H 2+X
SN2与E2竞争。
R
R
R ' C HCX R ' C HC
H R '' X H R ''
N u
R R ' C HCN u
H R ''
R
R
R ' C HC X R ' C HC N u
R O R ' +C l
R C l + R 'O H
2、共轭效应 重要的共轭体系有： （1）π-π共轭； （2）p-π共轭； （3）σ-π共轭。
（1） π-π共轭体系 CH2=CH-CH=CH2 CH2=CH-CH=O
C H 2 C HC HC H 2 C H 2 C HC HC H 2
（2）p-π共轭体系 具有未共用电子对（也称孤对电子）的 原子通过单键与某原子相连，而后者以π键 与其他原子相连：
溴代烷与EtO-在EtOH中，于55℃反应
(C H 3 )3 C C lH 2 O/E (C H t3 )O 2 CC H H 2+ C H 3 )3 (COH 2 CH 2 X H
CH 3CH 2N u + X
N u
C H 2 C H 2 X H
+I：Li<Na<K 在同族元素中，吸电子能力随原子 量增大而减少；给电子能力随原子量增 大而增大。
带电荷时
-I： +-O2>R-OR，+ 3->N-NR2R +I： --O >-OR
同周期中 -I： F>OH>NH2>CH3 +I相反
烷基是给电子基，有+I的效应： +I： -CMe3>-CHMe2>-CH2CH3>-CH3
2．2．3 影响亲核取代反应速度的因素
（1）反应物结构的影响 （2）亲核试剂的影响 Nu（3）离去基团 （4）溶剂效应
（1）反应物结构的影响
δ+
Nu R CH X Y
Y为吸电子基时， 有利于SN2
R CH X
R CH Nu
Y
YX
Y为给电子基时，有利于SN1
R
Nu
RC
X
空间阻碍越大，越 不利于SN2
very slow
RC2HCl +2H O
RC2HOH + HC
I- + RC2CHl
RC2HI + C- l
RC2HI + H 2O
RC2HOH + HI
又：_OH 、 _ OR、 _ NH2、_ NHR 等，碱性强，一般不易被置换，即不 是好的离去基团。
所以，-OH、-OR、-NH2、-NHR 不易被取代。
δS-
RS CH CH2
δSe-
RSe CH CH2
δO->δS-> δSe-
+M：-OR>-SR>-SeR
δN-
R2N CH CH2
δO-
RO CH CH2
δF-
F CH CH2
δN->δO-> δF-
电负性：N<O<F
C-X 键长(nm)
+M： -NR2>-OR>-F
C-N C-O C-F
0.147 0.143 0.141
R C X +Y O
Y RCX
O-
Y RCX
O-
R C Y +X O
2．2．2 亲核取代反应的立体化学
在SN2中，如：
C2H5 HO + CH3 C Br
H
slow
C2H5 HO C CH3 + Br
H
构型反转
δ- CH3 C2H5 δ-
HO C
Br
H
transition state
在SN1中，较复杂。中间生成的碳正离子 的稳定性起了重要作用。有以下几种情况：
2．2．1 亲核取代反应的历程
（1）SN2双分子历程 （2） SN1单分子历程 （3）四面体历程
（1）SN2双分子历程
RX +- NuRNu -+ X
反应速度=k[RX][Nu- ]
历程一般表示为：
N-u+
slowδ- δRX Nu RX
RNu- +
transition state
（2） SN1单分子历程
+M：-F>-Cl>-Br>-I
C-X 键长(nm)
C-F C-Cl 0.141 0.178
C-Br 0.191
C-I 0.212
δF-
F CH CH2
δBr-
Br CH CH2
δCl-
Cl CH CH2
δI-
I CH CH2
R CHCH2
δF->δCl-> δBr-> δI-
δO-
RO CH CH2
ROH 2S + R
极性增加不利
2．2．4 亲核取代反应与消除 反应(Elimination)的竞争
CH3CH2Br
CH3CHBr CH3
(CH3)3CBr
CH3CH2 OEt + CH2 CH2
90%
10%
(CH3)2CH OEt + CH3CH CH2
21%
79%
(CH3)2C CH2 100%
C6H5 H
C6H5 + H COH
CH3
CH3 CH3
R构型
S构型
R构型
原料为旋光性，产物外消旋。
（2）中间生成的碳正离子寿命很短
R
R' R
R' C X
CX
R''
Nu
R''
sp3杂化
sp2杂化
R Nu C R'
R''
构型反翻
离去基团还没有完全离去，亲核试剂已开始反应。此时，正面进攻受离 去基团的阻碍，故主要从反面进攻。
（1）中间生成的碳正离子相当稳定
R1
R2
3
C
X
R
sp 3杂化
R2 R1 C+ +X R3 sp 2杂化
Y-
Y
C
R
1
R
2
+
R3
R1 R23 C Y R
中间形成的C+离子相对稳定，同一平面，Y-从两边进攻的几率相等。
如α-氯代苯乙烷的水解，得到的是98%外 消旋化的产物：
C6H5 H CCl
H2O
HOC
带电荷时
+
-M: C=NR 2 > C=NR
+M:
-O
->
-OR
>
+
-OR
2
-S -> -SR > -SR+ 2
正电荷加强吸电子效应，负电荷加强
给电子效应。（和诱导效应的规律一致）
3、超共轭效应
H H C CH CH2
H
（σ-π共轭）
HC CHCH2 H
HC CHCH2 H
由于H原子的特殊性，电子云屏蔽的作用很 小，易与π电子共轭。
超共轭效应一般为给电子的效应，大小如 下：
CH3>CH2R>CHR2>CR3
超共轭效应一般比共轭效应和诱导效应小 得多，一般场合可不考虑。只有在其它效应相 似时，才考虑超共轭效应。
2.2 Substitution of aliphatic compounds
1、亲核取代SN (Nucleophilic Substitution) 2、亲电取代SE (Electrophilic Substitution) 3、游离基取代SR (Radical Substitution)
..B....r CH CH2 ..C....l C N
.. H2N C O
R
Br CH CH2
Br CH CH2
特点：（1）以C=C为标准 （2）只涉及电子云密分布的改变，
共用电子对不属于某一原子 （3）沿π键传递，位置越远，影响不
变。 （4）共轭效应的强弱由共轭体系的
性质、原子半径的大小及其电负性所决定。
第二章 精细有机合成基础
※ 电子效应 ※ 脂肪族亲核取代 ※ 芳香族亲电取代 ※ 溶剂效应 ※ 相转移催化
2．1 有关电子效应的几个问题
电子效应：1、诱导效应 2、共轭效应 3、超共轭效应
1、诱导效应
δ+ δX CR3 H CR3
给电子基团 +I
δ- δ+ Y CR3
吸电子基团 -I
特点：（1）以C—H为标准 （2）只涉及电子云密分布的改变，共用电
（3）离去基团
R X slow R+ + X-
R+ + N-u
R Nu
N-u+
slowδ- δRX Nu RX
RNu- +
transition state
离去基团的碱性越弱，形成的负离 子越稳定，就越容易离去。
易离去： RSO3- > -I > -Br> -Cl>RCOO- > -NR2
I- 的 特 殊 性 ， 好 的 亲 核 能 力 ， 好 的离去基团，常作为氯代烷水解的催 化剂，如：
（3）邻近基团参与作用
如2-溴丙酸在稀碱溶液中进行的反应，可 似为SN1反应。
CH3
-OOC C Br H
dil. base
OC-H3 C+ + BrOC H
OH -
CH3
-OOC C OH H
得到构型保持的乳酸
又如：由于双键的参与，得到构型保持 的产物。
H OTs
H + C3 H COOH H OCOCH3
N-u+
slowδ- δRX Nu RX
RNu- +
transition state
Nu-的亲核能力大小，与碱性和可极化 性有关。
碱性大小： EtO->OH->C6H5O->CH3COO->H2O
亲核性大小： EtO->OH->C6H5O->CH3COO->H2O
可极化性
如： I- ， SH-，SCN-是弱碱， 但它们都是好的亲核试剂，这是因 为它们的原子半径较大，因而有好 的可极化性。
共轭体系
CH2 CH CH O
由于氧的电负性较大，电子密度沿共 轭体系向氧原子方向转移，为负的共轭效 应，也称吸电子共轭效应，以-M或-C表示。
..B....r CH CH2
电子云密度沿共轭体系向碳原子的方向 转移，为正的共轭效应，也称给电子共轭效 应，以+M或+C表示。
π-π共轭体系
CH2 CH CH X
一般情况下，重键的不饱和程度越大，吸 电子性越强，-I效应越大：
-I： =O>―OR
≡N>=NR>―NR2 ―C≡CR>―CR=CR2
诱导效应大小的比较，常用测定取代乙酸 酸度的大小来决定。
XCH2COOH 通过测取代乙酸的电离常数，得： -I： -F>-Cl>-Br>-I>-OCH3>-NHCOCH3
R O H + C l
R C l + O H
R O R ' + C l
R C l + O R '
但在强酸溶液中，变成-OH2+、OHR+、-NH3+、-NH2+R；离去后形 成H2O、ROH、NH3、RNH2，非常 稳定，易离去。
H C l
R O H + C l
R C l + H 2O
H
H C l
X=O、N、S、C
-M： -C=O > -C=S -C=O>-C=N>-C=C
原子序数越小，电负性越大，吸 电子的能力越大。-M效应越大。
p-π共轭体系
X CH CH2
X=F、Cl、Br、I、O、S、N、etc
Br CH CH2
Br CH CH2
• 原子半径 • 电负性
F Cl Br I 原子半径：F < Cl < Br < I C-X的键长：F-C<Cl-C<Br-C<C-I P-π重叠程度：F-C>Cl-C>Br-C>C-I
子对不属于某一原子 （3）沿σ键传递，位置越远，影响越弱。 （4）诱导效应的强弱由原子或基团的电负
性所决定，和键的极化率有关。
pKa
ClCH2COOH
2.8
ClCH2CH2COOH
4.0
ClCH2CH2CH2COOH 4.5
CH3COOH
4.7
同族元素： -I：F>Cl>Br>I OR>SR>SeR>TeR
如：2-溴辛烷在乙醇-水溶液中单分子 水解，外消旋化程度为40%左右。
CH3 HC
Br
H2O
CH3
CH3
H C OH+ HO C H
C6H13
C6H13
C6H13
R构 型
R构 型
S构 型
如果原料有旋光性，则大部分构型翻 转，部分外消旋化。
CH3 HC C6H13
+I、+I
CH3 HC C6H5
+I、+M
R
R
C
R
有利于SN1
如：
SN2相对活性：
CH3Br>CH3CH2Br>(CH3)2CHBr>(CH3)3CBr
150： 1：
0.01： 0.001
（SN1的相对活性刚好相反）
（2）亲核试剂的影响 Nu-
对SN1无影响。
R X slow R+ + X-
R+ + N-u
R Nu
在SN2中，Nu-的亲核性越大，反应速度越快。
R X slow R+ + X-
R+ + N-u
R Nu
反应速度=k[RX] 历程一般表示为：
slo w δ+ δ-
RX
RX
R+X
验证SN2 或SN1 反应，可通过添加 N3-（叠氮阴离子，亲核性高），观察对 反应速度的影响。
SN2 反应速度明显提高 SN1 无影响
（3）四面体历程
对不饱和键（C=O，C=S和C=N）上的亲 核取代反应。如酯的水解、羧酸的酯化等。
对SN1有利
极性的影响如下：
SN1
δ+δRCl RCl
R++ -Cl
极性增加有利
SN2
H- O +
δ- δRClH ORC l
ROH - +
极性增加略微减慢
SN2
δ+ δR 3N + RR '3N CR l' C l
R 3N + R' -+
极性增加有利
SN2
H- O + 3S+ R
δ- δ+ H ORSR 2
C H 2 C H 2+X
SN2与E2竞争。
R
R
R ' C HCX R ' C HC
H R '' X H R ''
N u
R R ' C HCN u
H R ''
R
R
R ' C HC X R ' C HC N u
R O R ' +C l
R C l + R 'O H