有机合成理论基础

第二章有机合成反应理论基础

有机化学品种繁多，其合成涉及的有机化学反应也较多。有机化学反应大致可分为取代反应、消去反应、氧化-还原反应、加成反应等。其中取代反应是范围最广的一类反应。有机化学反应根据反应物中共价键断裂的方式不同，可分为离子型反应和自由基型反应。根据反应试剂性质的不同，离子型反应可分为亲核反应和亲电反应。

第一节脂肪族取代反应

一、亲核取代反应

(一)脂肪族亲核取代

脂肪族亲核取代反应中最典型的是卤代烷和与许多亲核试剂间发生的反应。表2-1是卤代烷的一些常见的亲核取代反应：

卤代烷中卤素电负性很强，C-X键中的共用电子对偏向卤素，使碳带部分正电荷，易受到亲核试剂的进攻，然后卤素带着一对电子离开。反应通式如下：

RX+Nu-RNu +X-

由于这个反应是亲核试剂对带正电荷的碳进行的进攻，因此称为亲核取代反应，用S N表示。在反应中，Nu-荷负电，进攻带正电荷的碳，称为亲核试剂或进入基团；卤代烷是受亲核试剂进攻的对象，称为作用底物；X-称为离去基团。

RX + OH- ROH + X-醇

RX + H2O ROH + HX 醇

RX + R1O- ROR1 + X-醚

RX + I- RI + X-碘化物

RX + SH- RSH + X-硫醇

RX +SCN- RSCN+X-硫氰化物

RX +CN- RCN +X-腈

RX +NH3 RNH2+HX 胺

RX +NO2-RONO,RNO2+X-亚硝酸酯，硝酸酯

RX +R1C≡C- RC≡CR1+X-炔化物

上述反应中以卤代烷的水解反应研究得较多，通过亲核试剂进攻反应的动力学测定，表明存在着两种不同类型的反应：

(1)S N1反应(单分子亲核取代反应)

叔丁基溴的水解是典型的S N 1反应。

(CH 3)3CBr+OH - (CH 3)3C- OH+Br

–

该反应的反应速度仅取决于叔丁基溴的浓度，而不受OH -浓度的影响。反应速度可用下式来表示：

反应速度=k[(CH 3)3CBr]

这种反应的动力学特性表明反应历程是分步进行的，卤代烷首先离解为正碳离子与带负电荷的离去基团，而离解过程需要消耗能量，是控制反应速度的步骤，也是速度最慢的步骤。离解生成正碳离子随后立即与亲核试剂反应，而这一过程速度极快。S

N 1反应历程可用下式来表示：

例如叔丁基溴的水解的历程为：

(CH 3)3CBr (CH 3)3C + + Br –

(CH 3)3C + + OH - (CH 3)3C- OH

在反应中，C-X 键离解需消耗能量，当能量达到最高点时，即相当于第一个过渡态R 3C ⋅⋅⋅X ，C-X 键离解生成正碳离子中间体，能量降低。当正碳离子与亲核试剂碰撞形成新的键时，又需要能量，形成第二个过渡态R 3C ⋅⋅⋅Nu ，当键一旦形成，就释放出能量得到产物。而正碳离子是反应过程的中间体，它的碳上只有六个电子，反应活性很高，所以在反应中只能暂时存在，一般不能分离得到。由于该亲核取代反应中控制反应速度的一步是单分子，因此这种反应称为单分子亲核取代反应。

(2) S N 2反应(双分子亲核取代反应)

溴甲烷、溴乙烷及异溴丙烷在碱性水溶液中的水解反应速度取决于两个反应物的浓度，该反应的反应历程可认为卤代烷和羟基离子都参与了限速步骤。S N 2反应历程可用

一般式表示： 该反应是一个同步过程，亲核试剂从反应物离去基团的背面向与它连接的碳原子进攻，先与碳原子形成较弱的键；与此同时，离去基团与碳原子的键有所减弱，两者与碳原子成直线形状，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变成平面，这一过程需要消耗能量(即RX +Nu

-慢Nu R X -快RNu +X -

RX +Nu -RNu

RX R ++X

-快

活化能)，所以这一过程较慢，是控制反应速度的步骤。当反应进行和达到最高能量状态(即过渡态)时，亲核试剂与碳原子之间的键开始形成，离去基团与碳原子之间的键发生断裂。碳原子上另外三个键由平面向另一边偏转，这时就释放出能量，生成反应产物，这一过程进行得很快。

当反应物形成过渡态时，需要吸收能量∆E，处在能量最高点，因此形成过渡态的过程是最慢的一步，控制着整个反应的速度。过渡态一旦形成，随即释放能量，形成产物，这一过程进行得很快。反应物与产物之间的能量差为∆E '。由于控制反应速度的一步是双分子，需要两个反应物分子碰撞，因此，这种反应称为双分子亲核取代反应。1．影响反应因素

(1)底物中烷基结构

卤代烷中的烷基结构对取代反应速度影响非常明显。在卤代烷的S N1反应中，正碳离子的生成是控制速度的一步，因此可以预计卤代烷的反应活性主要取决于生成的正碳离子的稳定程度。由于叔碳正离子上有较多的C-H键与正碳离子的空轨道发生超共轭作用，结果使正碳离子上的正电荷分散而稳定，因而碳正离子的稳定性顺序为：

叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳正离子>甲基正离子

与离去基团相连的碳原子背面的空间阻碍越大，越不易发生S N2反应，而越容易发生S N1反应。因此，卤烷发生S N2反应的活性顺序为：

卤甲烷>伯卤烷>仲卤烷>叔卤烷

(2)亲核试剂

亲核取代反应中，亲核试剂提供一对电子与底物的碳原子成键。进入基团的给电子能力越强，成键速度越快，亲核试剂的亲核性就越强。在S N1反应中，由于亲核试剂不参与整个反应的速控步骤，因此亲核试剂的性质对反应速度没有影响。S N2反应则由于亲核试剂参与了过渡态的形成，亲核试剂的亲核性对反应速度影响显著。

在大多数情况下，离子碱性的大小与亲核性的大小是一致的。进入基团的碱性愈强,其亲核性能力也愈强。一些常见的亲核试剂的亲核性顺序为：

I->CN->OH->Br–>AcO->H2O

由于离子的碱性强弱与溶剂的关系很大，因此亲核性也受溶剂的影响，故离子的亲核性顺序不是固定不变的。

(3)离去基团