有机合成反应理论介绍

1.3.1 苯的一元亲电取代反应
苯分子的电子集中在分子平面的上下两边，和烯 烃有些相似，不易受亲核试剂的进攻而易受亲电 试剂的进攻，这是苯类芳香化合物的重要特征。
苯环上的亲电取代反应历程：
惠兰特中间体的共振结构式 质子化的苯的正电荷分布
（1）Π络合物
芳烃的离域Π轨道能与亲电能力较弱的 试剂HCl、HBr、Ag+等相互作用形成下列 Π络合物：
(5) 溶剂效应
亲核取代反应中，质子溶剂中的质子可以与 反应中生成的负离子，尤其是与由氧与氮形成 的负离子通过氢键溶剂化，使负电荷得到分散， 负离子变得稳定，因此有利于离解反应，有利 于反应按SN1进行，所以增加溶剂的酸性，即增 加质子形成氢键的能力，有利于反应按SNl进行。
1.1.3 氧亲核试剂的反应
SN1反应能量变化图
1.1.2 影响反应的因素
（1）烷基结构 电子效应 SN1
(2)立体化学和重排
空间效应 SN2
SN2
新戊基溴代烷与C2H5O-作用，通过SN2反应得醚 新戊基溴代烷在乙醇中进行反应，通过SN1重排 取代和消除得醚和烯
（3） 进入基团（亲核试剂，Nu-)
Nu-能提供一对电子，与底物碳原子成键。Nu的给电子能力强，成键就快，亲核性强。通常Nu的碱性愈强，亲核能力亦愈强。在很多情况下， 碱性与亲核性是一致的，但有时并不完全一致， 因为碱性是对质子的亲合能力，而亲核性是碱在 过渡态对碳原子的亲合能力。
（2）单分子历程SE1
(3)亲电取代伴随双键移动
1.2.2 氢作离去基团的反应 （1）双键及三键的迁移
（2）醛、酮的卤化
1.2.3 碳作为离去基团的反应 容易脱羧的羧酸
1.2.4 在氮上亲电取代的反应 （1）重氮化
（2）氧化物偶氮化合物
1.3 芳香族亲电取代反应
芳香族化合物是有机合成的重要组成部分。 一般可包括苯衍生的芳香化合物、稠环芳香化 合物、稠环非苯芳香化合物和杂环芳香化合物 四大类。在芳香化合物的有机合成反应中，以 取代反应最为重要，通过取代反应，可以从简 单的芳香化合物合成各式各样较为复杂的芳香 化合物。芳环上取代反应从历程上区分，包括： 亲电、亲核及自由基取代，其中以亲电取代最 为常见和重要。
第一章 有机合成反应理论
1.1 脂肪族亲核取代反应
有机合成反应中研究得较为深入的一类反应。 最经典的是卤代烷与许多亲核试剂可以发生亲 核取代反应，可以生成相应的醇、醚、胺等化 合物
卤代烃是受攻击的对象，称为底物；Nu-是亲核试 剂或称为进入基团；X-为反应中离开的基团，称为离 去基团
பைடு நூலகம்
表1-1 常见的卤代烃亲核取代反应
-78℃
HCl的Π络合物
特征：(A)反应在低温(-78`C)时就会迅速达成 平衡，表明Π络合物的生成和分解都只需很小 的活化能，大大低于亲电取代反应的活化能， 由此可以认为亲电试剂并未与芳环上的任何碳 原子形成真正的化学键。
(B)溶液的紫外吸收光谱表明与甲苯的光谱几 乎没有差别，说明芳环上的π电子体系没有发 生显著变化。
Williamson醚合成法
1.1.1 反应动力学与历程
亲核取代反应的类型
通过各种亲核试剂对卤代烃进攻反应的动力学 测定，表明存在两类不同类型的反应:
一种是： SN2反应 r＝k2[RX][Nu-]
另一种是：SN1反应 r＝k1[RX]
（1） SN2反应
SN2反应能量变化图
（2）SN1反应
Nu-的亲核能力取决于两个因素：碱性和可 极化性。一般而言，周期表中第三、第四 周期元素的亲核性强，第二周期元素的碱 性强。
碱性强弱与溶剂的关系很大，因此亲核 性亦受溶剂的影响，但是可极化性很少受 溶剂的影响。
一些常见的亲核试剂的亲核性由高到低 的顺序是：
但是在偶极溶剂中，有些试剂的 亲核性是相反的：
绪言
本课程从精细化学品合成的共性出发，按 有机合成的单元反应分类，介绍精细化学品生 产中常见的单元反应。在介绍其基本理论的基 础上，重点讨论反应过程的影响因素。结合工 业实例讨论单元过程的一般技术；还简要介绍 有机合成路线设计方法的一般知识，对有机合 成新工艺、新技术也作了适当介绍。讲授内容 共分十二章；单元反应的理论基础，磺化，硝 化，卤化，羟基化，烷基化，酰化，还原，氨 基化和芳胺基化，氧化，缩合等。
（4）亲电取代反应的可逆性
大多数亲电取代反应是不可逆的。通常当芳环上 引入吸电子基后，如硝基、卤素、酰基或偶氮基，芳 环的电子云密度有所降低，特别是与上述取代基相连 的碳原子上的电子云密度降低得更多，H+不易进攻 这个位置重新生成原来的中间体正离子，因而也不易 进一步脱落亲电质点而回复为起始的反应物，所以硝 化、卤化、C-酰化和偶合等亲电取代反应实际上是不 可逆的。如果亲电质点进攻芳环底引入了一个供电子 基(如烷基)，这使芳环的电子云密度增大，尤其是与 烷基相连的碳原子增加得更多，H+就较易进攻这个 位置，重新生成原先的中间体正离子，并进一步脱落 烷基回复为起始的反应物，所以C—烷基化通常是可 逆的。
(C)溶液不具有导电性，表示HCl分子中的氢 原子并没有以H+的形式转移到芳环上去， 也没有生成正离子和负离子。
(D)如用DCl代替HCl进行试验也没有发现 DCl中的D和芳环上的H之间有交换作用。 这表示在形成π络合物时，并未发生D从 DCl中转移到芳环上并形成真正化学键的反 应。
（2）σ络合物：当存在一个具有缺电子轨道 的化合物，例如路易斯(Lewis）酸AlCl3 时，便生成另一种 σ络合物。
σ络合物和Π络合物确实能够稳定的存在，有 些稳定的σ络合物可以制备，并能在低温条件 下分离出来：
（3）亲电取代反应历程
芳香族亲电取代的两步反应历程可以简单表示 如下：
第一步
σ络合物
第二步
芳香族亲电取代在生成σ络合物、 Π络合物以 及最终产物的过程中，能量变化如图所示：
σ络
合
Π络
物
合物
加成产物 取代产物
在SN2反应中，由于Nu-参加决定反应速度 的一步， Nu-亲核能力越大，越利于SN2反应。 在SN1反应中，亲核试剂与正碳离子的反应不 是反应速度的控制步骤，因此Nu-对反应速度 影响不大。由于正碳离子的反应性很高，不论 Nu-的亲核能力是大或小，均能发生反应。
（4）离去基团
不论SN2反应还是SNl反应，变换离去基团都 会影响其反应的速度，影响基本相同。不同的离 去基团在亲核取代反应中的相对活性如下：
（1）酯的水解
（2）羧酸的酯化 （3）酯的醇解
（4）酰卤的醇解
1.1.4 硫亲核试剂的反应
1.1.5 氮亲核试剂的反应
（1）氨或胺的烷基化
（2）环氧化合物的胺化
1.1.6 卤素亲核试剂的反应 1.1.7 在磺酰基硫上的亲核取代反应
1.2 脂肪族亲电取代反应
1.2.1 反应历程 （1）双分子历程SE2和SEi