有机化学机理理论

第一讲 共振论的基本原理及其在有机化学中的应用
一、 基本原理
1. 极限式、共振、共振杂化体
对于乙酸根，可写出如下两个Lewis 结构式
C
O O
H 3
C -(I )
(I I )
C O H 3
C O -(I )
(I I )
Lewis 结构1 Lewis 结构2
如果把结构1、2中的成键电子看作是定域的，那它们之间是有区别的。

它们各代表了两种极限状况，是极限结构。

通过电子位置的变化，可以实现由结构1转变为结构2。

-C O H 3
C O C
O
H 3
结构1 结构2
共振论认为，有些分子或离子的真实结构(例如乙酸根)，并不是任何一个单独的Lewis 结构所能描述的，体现它们的应该是若干个共振结构。

电子位置变化的过程可用双箭头表示。

C
O
H 3
C O H 3
C
O
-
结构1
结构2
CH 3CO 2- 的真实结构可以看作是结构
1和结构2
的叠加，这种叠加称为共振。

参与叠加的结构称为共振结构，共振的综合结果称为共振杂化体。

又如，酚氧负离子，共振论认为，它是由下列极限式参与共振所得到的杂化体。

2. 共振结构式的书写规则
(1) 只允许合理的Lewis 结构。

(2) 电子位置变，原子的位置不变。

离域所涉及到的电子一般为π电子，或为非
键电子对以及容易离域到P 轨道上的电子。

(3) 要求有关的原子必须共平面。

亦即，有关原子为SP 2
或SP 杂化(有关原子指的
是电子位置变化所涉及到的原子)。

(4) 从一个共振结构变化到另一个共振结构，不配对的电子数保持不变。

例如，重氮甲烷CH 2N 2
C H
H
-C H
N N
两个极限式的不配对的电子数为0，是允许的。

+
C H
H
N N -
第一个极限式的不配对电子数为0，第二个极限式的不配对电子数为2，是不允许的。

3. 极限式对共振杂化体的贡献
共振是稳定因素。

共振杂化体的能量低于任一参与共振的极限式。

但并不是所有的共振结构对描述共振杂化体的贡献是等同的。

(1) 含完整八隅体的结构比在价电子层上少于8个电子的结构更稳定，贡献更大。

(2) 共价键的数目愈多，该共振结构愈稳定。

(3) 结构中电荷分离数目愈大，愈不稳定。

(4) 含不同电荷的结构，电荷愈接近，结构的贡献愈大。

反之，含相同电荷的结
构，电荷相隔愈远，结构的贡献愈大。

(5) 在电负性大的原子上带负电荷比电负性小的原子上带负电荷更稳定(此为电
负性规则)。

例题：说明各共振式在下列共振杂化体结构中的贡献。

1．C H 3
C N
C H 3C N -A B 贡献： A>B>C 讨论：A 2H 3
C C H 3
C O H 3
C C H 3
C
O -+
(A )(B )
贡献：A>B
讨论：A 的共价键数目多，没有电荷分离。

3．
C
O H 3
C O H 3
C O
-A
贡献：两个极限式对共振杂化体的贡献等同。

4.
C H H 2C C O H C H H 2C C
O
H C H H 2C C O H C H H 2
C C
O
H -+
+--+
A B
C D 贡献：A>B>C>D
讨论：A 共价键数目多，没有电荷分离，贡献最大。

D 违反电负性规则，贡献最小。

稳定性B>C 也是因为电负性的原因。

二、 共振论在有机化学中的应用
1. 解释有机物的酸碱性
判断化合物酸碱性大小的一般方法是：质子越易离去，酸性越强；共轭碱越稳定，酸性越强。

实例1.试用共振论解释苯酚的酸性强于环己醇。

O H
+-O H O-
+H2O
苯酚的酚羟基离去一个质子后，得到酚氧负离子，后者因共振而稳定。

一个带电体系，电荷愈分散，体系愈稳定。

而环己醇的共轭碱没有类似的共振结构存在，稳定性较差。

实例2. RNH2是一个弱碱，而胍是一个强碱。

从杂化的观点来看，亚胺基上的孤电子对更难给出，但与质子(Lewis 酸)结合后，所得到的共轭酸因共振而稳定。

C N
H
H2N
H2N
+H+C N
H
H2N
H2N H
+
C
H2
H
H2N
C
H H
2
N+
C
N H2
H2N
H2N
三个极限式是等同的，共振所得的杂化体稳定。

2.解释芳香亲电取代的定位规律
实例1 .酚羟基是一个强的邻对位定位基。

++
O
H
+
-
因共振原因，邻对位电子云密度更大。

另一解释是从亲电试剂E+进攻芳环所得到的中间体的稳定性来考虑。

进攻邻位：
O H O H
E
+
进攻对位：
O H
E
+
O H
进攻间位：
O H
E
+
进攻邻对位时多产生一个共振结构，且-OH上的O原子参与了分配正电荷，产生了一个3级碳正离子，中间体稳定。

因而，羟基是邻对位定位基。

实例2.硝基是一个强的间位定位基(解释略)。

实例3. 1, 3, 5-己三烯与1 mol Br2反应可能有四种产物，实际上没有3，4-二溴产物。

为什么？
2
B r
B r
B r
B r B r
B r
++
(1,2-a d d i t i o n)(1,4-a d d i t i o n)(1,6-a d d i t i o n)途径A：
B r
B r
B r
B
r B r
B r
+
B r
+
B
r
r-r-r
-
途径B：
+
B r
+
B r
+
B r
B r
B r
B r
r-B r-
途径A生成的中间体因共振而稳定
(由更多的共振结构共振得到的杂化体)。

故反应按途径A进行，没有3，4-加成产物。

3.解释其它物理常数及性质
实例1. N, N – 二甲基甲酰胺分子中的羰基的伸缩振动频率(1650 cm-1)比丙酮的低(1715 cm-1)。

C
O
N
C H3
C H3
H
C
O
H3C C H3
解：根据胡克定律，拉伸振动频率与键力常数成正比。

键能愈大，键长愈短，键力常数愈大。

C O H3
C H3)2C
H3C N(C H3)2
O
+
-
(i)(i i)
因共振结构(II)的贡献，碳氧单键键长变长，键能降低，故键力常数下降，拉伸振动频率变低。

对于丙酮，不存在上述情况。

实例2.对硝基苯酚显黄色，而它的负离子显亮黄色(颜色加深)。

解：共轭体系愈长，电子离域性愈好，颜色愈深。

--
N O
O
N O
O
N
O
O
O
N
O
O
O
++
+
-
+-
-
--
最后一个极限式具有醌式结构，有颜色。

而对硝基苯酚对应的极限式因氧上带正电荷，故电子对离域效果差。

N
O
O
O H
+
-
-
+
实例3.偶极矩的差异。

第1组卤代烃：
(C H3
)3C l
C l
μ=2.14 D μ=1.56 D
第2组硝基化合物：
(C H3)3N O2
N O 2
μ=3.29 D
μ=3.93 D
从脂肪族卤代烃到芳香族卤代烃，偶极矩减小；从脂肪族硝基化合物到芳香族硝基化合物，偶极矩却增大。

可解释如下：
C
l
C
l
++
+
(I)(I I)
(I V)
(II)、(III)、(IV)的偶极取向恰好与氯苯的取向相反，所以，从脂肪族卤代烃到芳香族卤代烃，偶极矩减小。

-
+
-
N
O
N
O O
N
O
O
+
++
--
(I')(I I')(I I I')(I V')
N O2
(II’)、(III’)、(IV’)三个极限式中硝基接受了苯环的一对电子，与硝基苯本身的偶极取向相同，所以第2组的偶极矩增大。

实例4.键长
在乙酸根离子中，两个碳氧键的键长等长，均为0.127 nm。

在碳酸根离子中，三个碳氧键也等长，均为0.128 nm。

对于上述实验事实，可用共振论解释如下。

乙酸根离子是由两个等同的极限式参与共振所得到的杂化体，而碳酸根离子是由三个等同的极限式参与共振所得的杂化体。

用共振论同样可以解释乙酸分子中碳氧单键键长和碳氧双键键长趋于平均化, 乙酰胺分子中碳氮单键键长和碳氮双键键长趋于平均化
第二讲 书写有机反应机理的一般原理
化学反应机理是基础有机化学教学的重要组成部分。

首先，提出或解释一个有机反应的机理需要应用到有机化学的基本理论和基本原理(包括诱导效应、共轭效应、共振论、酸碱理论等)，提出或解释机理的过程是对这些基本理论和基本原理的学习和加深理解的过程。

其次，机理方法的主要优点在于它只需要运用一些比较简单的原则，就能解释现有的实验事实，把相关的众多的反应联系起来，得到一些规律性的东西。

通过学习和研究有机反应机理，我们将逐步学会利用这些规律去预测已知反应在改变条件后的结果，或对一些新反应可能出现的产物作出推测，以帮助学习和研究有机化学反应。

本讲介绍了若干条书写有机反应机理的一般性原理，对反应机理的书写具有指导作用。

原理1．书写反应机理时，旧键断裂和新键生成的过程是用弯箭头来表示的，弯箭头表示价电子的重新分布。

箭头起始于带负电荷的原子、孤电子对或一对成键电子，终止于带正电荷的原子、偶极的正端或电负性较大的原子。

换句话说，箭头起始于亲核部位，终止于亲电部位。

例如：：
H 3
C C H 3O H H
H (H 3
C C O H
H 3
++O +
H
C O N
O 2
C O
N O +--+E t O H
+
-E t ) (1)起始于非键电子对终止于偶极正端；(2)起始于成键电子对终止于带正电荷的原子；
(3)起始于带负电荷的原子终止于偶极正端；(4)起始于成键电子对终止于电负性较大的原子(该碳原子因 -NO 2的吸电子诱导效应而带微正电荷)。

原理2． 每个单元过程的电荷必须平衡。

原理3． 能正确地写出反应物分子的Lewis 结构式，并标明N 、O 、S 、P 等杂原子上的非键电子对，对书写机理将是十分有益的。

原理4． 在强碱性介质中进行的反应，不会生成强酸；在强酸性介质中进行的反应，不会生成强碱。

但是，在弱酸或弱碱性介质中进行的反应，强碱和强酸均可作为机理的一部分。

例如，对于乙酸甲酯的碱性水解反应
C H 3
C O 2C H 3 + H 2O _C H 3C O 2
+ C H 3O H _
合理的机理为：
H3
H3H3
O
H3C O
O
H
O C3
-
+C H
3
O H
H
3
C O2-
不合理的机理是：
H3
3
C O C3
C
O
O
H H
2
3
C H3
C
O
O H
+H
3
O
+
A
3
O2H+O C H
3
-
H3C C H2
C
O
不合理之处在于：碱性介质中，HO-具有足够的浓度，HO-是比H2O更好的亲核试剂，亲核进攻应该是由HO- 引起的；另外，强碱性介质中，不可能形成象A或H3O
+这样的强酸。

原理5．在水溶液(中性条件)中，烯醇式和酮式的互变异构涉及到强酸和强碱作为中间产物。

3
C C H2
C
O
+H
3
O
+
质子被夺去后所产生的负离子因共振而稳定。

H32
C
O
H3
C
O
强碱与强酸作用给出产物。

H3C
C
O
C H3
+H
2
O
H3
C
O
H
3
O
+
原理6．假如试剂是一个强碱，我们就要寻找底物中显酸性的质子。

显酸性的质子一旦被夺去，接下来就要考虑所生成的负离子将可能要发生的反应。

如果负离子是一个好的亲核试剂，就要寻找合适的亲电中心。

如果负离子既是好的亲核试剂又是好的碱，所有的可能性都要予以考虑。

另外，酸性质子被夺去的同时，也可能会涉及一个离去基团同时离去，这是协同消去的过程，卤代烃和季铵盐的E2消除反应就属于这种情况。

原理7．当一个机理涉及到一个质子被夺取时，产物的生成并不总是由酸性最强的质子被夺取而引起的。

同样，当一个机理涉及到质子化，产物的生成并不总是由碱性最强的原子的质子化而引起的。

例如：反应：H3C
N H N
C
O
C H3
O
H O
H2O
H
N
N
O
O
3
C
N H2
C H3
-
根据电子效应和共振论可以判断，NH上氢的酸性比CH2上H的酸性小。

但与反应事实相一致的机理是：反应是由HO-进攻酸性较小的NH上的氢而引起的。

H3C N N
C N
H3
O
H3C
N N
C N
O
C H3
O
-
生成的负离子可写成如下构象，很易发生亲核加成反应，生成一个六元环。

此过程是反应的主要驱动力。

C
H3
N
C
N
C
H3
O
H3C
O
N
-
接着发生质子化和互变异构导致产物的生成。

C
H3
C
H3N
C
N
C
H3
O
H3C
O
N H2
原理8．任何一个可行的反应都必须有一定的驱动力。

比如稳定的无机物的生成；稳定的双键或芳香体系的生成；从稳定性较差的碳正离子、碳负离子或游离基生成更稳定的碳正离子、碳负离子或游离基；稳定的小分子(例如CO、CO2、N2、H2O等)的生成；强酸强碱作用生成弱酸弱碱。

过程焓的减少、熵的增加也是反应的驱动力。

被熵驱动的过程往往是由更少的反应物分子生成更多的产物分子，被焓驱动的过程往往有更稳定的键的生成。

当书写反应机理时，要经常思考：反应为什么朝此方向进行而不朝另一方向进行？其驱动力是什么？
例1. 乙酸乙酯在NaOEt 存在下发生Claisen酯缩合反应，生成乙酰乙酸乙酯，包括4个单元过程。

_
_
(1)
(2
)
H3t
C H3C O
2
E t+O E t C H
2
C O
2
E t+E t O H
2
C O
2
E t
H
_
H3C O E t
O
C H2C O2E t
_
(3)
H 3
t
O 2
E t H 3
C C H 2C O 2
E t O
+ O E t
_
+C 3
C H 2C O 2E t O 2
E t (4)
H 3
C C H 2C O
+ O E _
3
C C H C O 2
E t O + E t O H
_
过程(4)是整个反应的关键一步。

因为乙酰乙酸乙酯的PKa ≈ 11,乙醇的PKa ≈ 16,
故过程(4)的平衡常数约为105
，基本上可看作是单方向的。

此过程(强酸强碱作用生成弱酸弱碱)为整个反应提供了驱动力。

例2．在正常情况下，酮类与简单醇类一般不发生反应，但酮类经常与1，2 - 二醇，
例如乙二醇，反应生成缩醛。

[6]R
R O +
H O
H O H
+
O O
R
R
为什么与乙二醇能起反应，而与简单醇不起反应，关键在于熵有利于前者而不利于后者，因为与后者反应则从起始物至产物涉及分子数的降低。

原理9．由于熵减少的过程是不利的过程，所以机理中涉及到三分子的单元过程是罕见的。

O
O
H 2O H C l
H O
O
O
H
机理1：单元过程涉及到三分子，不合理。

+
H 2
机理2：单元过程仅涉及双分子，更合理。

H 2
H H O
O
O H
H
N
C l
H
H
N
C l -
+
原理10．第二周期的元素价电子层只能容纳8个电子，而第三周期的元素(比如S 、P
等)价电子层可容纳10个电子(有时更多)。

在书写机理时必须注意价电子层的最大电子容量。

比如，下面过程的结果是N 的价电子层超过8个电子，不合理。

为避免这种情况，双键中π电子可转移到邻近原子上，得到内盐(叶立德)，内盐是某些反应的中间体。

-
+H
N
C l H _
假如一个中性的亲核试剂以类似的方式进攻氮，产物中将有三个电荷，两个正电荷处于邻位原子上，是非常不稳定的中间体。

N H
O H R H
C l R O H
++_
一个更合理的过程是：
N
O H
N H
C l O H R +
原理11．按逻辑次序给原料分子中的原子编号，然后在产物分子中找出对应的原子并予以编号，这样有利于发现原料和产物分子中原子间相互键合的情况。

例如，写出下列反应的机理。

O
H 3
C O S
N N H
P h
3
M e O H
S N
N
P h
O
对照原料和产物的分子，给有关的原子进行逻辑编号，可明显发现N-1和C-6间形成
了一个新的共价键。

12
312345
6N
N H
P h
4
56O
H 3
C O S
S N N
P h
O
有关反应的机理就很清晰了。

H 3
C H
P h
S H 3
C O N
N
P h
O
_
+E t 3
S N
N P h O
_
S N
N H 3
O
P h
+ O C H 3
_
O C H 3
+ H N E _+t 3C H 3O H + N E t 3
原理12. 当存在不止一个可能的机理时，最简单的也许是最好的。

第三讲 如何理解和提出离子型有机反应的机理
一、 离子型反应的本质 ─ 亲电反应、亲核反应或酸碱反应
从电性考虑，离子型反应的进行，要么是由亲电试剂(缺电子物种，例如H +、R + 等)对底物富电子部位(例如碳碳双键、芳环等)的亲电进攻引起的；要么是由亲核试剂(富电子物种，
如R -、RO -、-CN 、HO -、H 2O 、ROH 等)对底物缺电子部位(例如羰基碳)的亲核进攻引起的。

一个化合物中特定键或特定原子的电子密度，可能在很大程度上影响着对某一试剂的反应
性：一个电子密度高的部位可使像HO -
那样的试剂很难进攻；反过来，一个电子密度低的部位却很容易被进攻。

对于带正电荷的试剂来说，情形则相反。

从酸碱角度考虑，碱性试剂会寻找底物中酸性部位结合，而酸性试剂则会寻找底物中碱性部位结合。

本质上，离子型有机反应大致有这样三种情况：由亲电试剂对富电子部位的进攻而引起的反应(亲电反应)、由亲核试剂对缺电子部位的亲核进攻而引起的反应(亲核反应)和由酸碱结合而引起的反应。

因此，在书写离子型反应机理的过程中，要熟练地掌握电子效应(诱导效应、共扼效应)、共振论、空间效应和酸碱理论，并应用它们：(1) 判断试剂是亲核的或者是亲电的，是酸性的还是碱性的；(2) 判断一个化合物中特定键或特定原子的电子密度相对大小，或一个化合物作为酸、碱的部位以及酸碱性的强弱。

二、 离子型有机反应包含的五个单元过程(书写机理时的五个单元操作) 1. 离解和中和
离解描述的是共价键的异裂。

共价键异裂时，一对成键电子完全偏向某一原子，产生一个正离子和一个负离子或一个正离子和一个中性分子。

欲断裂的共价键极性愈大，愈易发生离解；生成的离子或中性分子愈稳定，离解也愈易进行。

例1. 几个典型的离解过程。

O O
O _+H
+
B
r + B
r _ 2+H 2
O C H 3C H N C H 3C H 2++N 2+
为便于学生理解，我们用“中和”这一名词来描述有机反应中某些酸碱作用或正负离子结合的过程。

从Lewis 酸碱观点来看，正负离子的结合也是酸碱中和。

例2． Bronsted 酸碱中和。

O
O
E t +E t O
H
R C C H 2
R C C _
+ N H 3
例3．Lewis 酸碱中和。

C l A l
C l
l A l C l
C l
C l
_+ C H 2
+
+H O
_C H 2
O H
最后一个例子，既可以看作是Lewis 酸碱中和，也可以看作是电性中和。

由上述例子可见，Bronsted 酸碱中和不仅涉及到新键的生成，而且涉及到旧键的断裂。

而Lewis 酸碱中和往往只涉及到新键的生成，是离解的逆过程。

2. 1，3 ─ 非键电子对的置换
这类基本过程对试剂或底物结构的一般要求是：(1) 1号原子至少有一对非键电子存在，具有亲核性；(2) 2号原子因诱导或共轭效应，带微正电荷，具有亲电性，易接受1号原子非键电子对的亲核进攻；(3) 3号原子具有较大的电负性，能接受一对非键电子。

例4．Williamson 醚合成法中，烷氧负离子对卤代烃α- C的亲核取代反应。

I
_
例5. 醇羟基质子化后，被氯负离子的亲核取代。

+
l+H2O
例6. 例6.醛酮的亲核加成反应，羧酸衍生物的水解、醇解和氨解反应均涉及1，3 ─ 非键电子对的置换过程。

以酰氯的碱性水解为例。

H
+C l
_
+H
2
O
H O
_
C H
3
C O2
_
O H
O
+
1，3 ─ 非键电子对置换过程的实质是亲核取代。

净结果是：1，2号原子间形成一个共价键(σ键或π键)，2，3号原子间的一个共价键(σ键或π键)断裂。

键的断裂或生成为协同过程。

2号原子的形式电荷保持不变，共价键数目(σ键或π键总数)保持不变。

3.1，5 ─ 非键电子对置换
这类过程涉及到5个原子，与1，3非键电子对置换具有类似性。

1号原子必须具有1对非键电子，2号原子因电子效应(诱导或共轭)显电正性(或带微电正性)。

5号原子是电负性比较大的原子，能接受一对电子。

该过程的净结果是：生成两个新键和断裂两个旧键。

随着电子对的转移，1-2、
2-3、3-4和4-5原子间共价键的生成和断裂按“生成、断裂、生成、断裂”交替进行。

例
7. 卤代烃的E2消除反应。

H3C
C C
r
C H3
H3C C H3
E
3
4
H3C
C
H3C
C
C H3
C H
3
_
+B r+E t O H 例8. 醛酮的烯醇式与Br2的反应。

4
O
H
+B r
+
+H B r 例9. Michael 加成反应。

O 2
t O 2
C C O 2
E t O
E t O 2
C C E t O 2C H
E t O 2
1，5 ─ 非键电子对置换过程的实质仍然是亲核取代。

4. 1、2 → 2、3成键电子对的转移
在这类过程中，电子的转移涉及到3个原子。

从结果上考虑，要求3号原子具有空价键轨道，能接纳1、2号原子间转移过来的一对成键电子。

净结果是，随着成键电子的转移，在2、3号原子间形式一个共价键，1，2号原子间的一个共价键破裂。

例10. 烯烃与HBr 的加成。

3
C
H 3C +12C H 2C
H 3C H +C H 2C H 3H 3C H B r
例11. 芳环的亲电取代反应。

+H
E +
H E
+
H
E
+E
例12. 卤代烃和醇以E1方式消去一分子HX 和H 2O，生成烯烃，包含此过程。

+1
5. 分子内原子或基团的迁移 ─ 重排反应
最后一个过程是分子内基团的迁移。

在离子型反应中，涉及此基本过程的是一些重排反应，主要包括碳正离子重排和某些负离子的重排。

重排的驱动力是生成更稳定的离子。

例如[5]: +H 3C C C C H 3H H H 3C C H 2C H 3C C
H 3+ __
P h O C H C H H O C C H 3P h
三、 应用
基于书写有机反应机理的一般指南，利用本文介绍的5个单元操作，可以很方便地书写或解释基础有机化学教学中涉及到的大多数离子型反应的机理。

主要包括：烯烃的亲电加成反应(包括与HBr 加成、烯烃的水合)、碳正离子的重排、炔烃的水合、消除反应(卤代烃、醇和季铵盐分别消除HX 、H 2O 和胺生成烯烃的反应)、缩醛(酮)的生成、羰基的亲核加成反应、腈的水解、脱羧反应、环氧化合物的开环反应、酯的形成和水解、亚胺的形成和水解、醇与HX 的反应、Wittig 反应、醇醛缩合反应、芳香亲电取代反应(包括Friedel-Crafts 烷基化和酰基化、硝化、磺化)、芳烃的亲核取代反应等。

笔者及其同事在从事C 60衍生物合成研究过程中，发现了一种新的卡宾产生方法[6]。

具体反应是：
H 2
N N H 2
2
1 2
利用本文介绍的方法，可以提出1和2生成的可能机理。

(1)
1
□
H 2
H 2
□
H
2N N H 2C S S
_
+
□
N 2
H N
C H S
N H 2
H N H S S
+_N H
H N H 21
2-H 2
S +C O 2C (C H 3)2
H N +3
3
□
C
H 3　
□+N H H N S H 2N
C O 2
H C C H 3C H 3
□
_N H N H S
N H
C O 2
H C H 3
C H 3　
□
N H
H N H S N H 2
2
C C
H 3
C H 3
□
_++N H H N 2
H C C
H 3C H 3　□
O N H H N C C
H 3　□
-H 2S (6)(10)2
过程(1)、(3)、(5)为1，3—非键电子对的置换过程，(2)、(4)为酸碱中和。

过程(6)为1，3 — 非键电子对的置换过程，(7)、(8)、(9)为酸碱中和过程，(10)为离解过程，(11)为1，5 — 非键电子对的置换过程。

第四讲 与亲核试剂和碱有关的反应的机理
一、 亲核取代反应
1． 发生在SP 3碳上的亲核取代反应----SN2反应
反应: PhCH 2OSO 2CF 3 + - CN → PhCH 2CN + -
OSO 2CF 3
机理 ：
O S O
O
C F 3C H 2
C N +
O S O
O
C F 3_
氰负离子为良好的亲核试剂，三氟甲基磺酸根为良好的离去基团。

一般地说，取代基的碱性愈弱(从共轭酸的酸性大小来判断碱性大小)，作为离去基团愈易离去。

杰出的离去基团：
,
N 2
,N O 2O S O 2-O S O
O C F 3_B r
O
S O 2-,C H 3
O S O 2
-
好的离去基团： -I， -Br, -
Cl, SR 2
中等离去基团： H 2O, NH 3, -OCOCH 3
差的离去基团：-F， -OH， -OR
极差的离去基团：-NH 2
，-NHR，-NR 2，-H，-Ar etc. 提示1：强碱(e.g.-H)不可能作为离去基团离去。

提示2：醇羟基作为离去基团离去前，发生质子化。

对于反应：
O H
+ H B r
+ H 2
O 一个好的机理：
B H
r
_
B + H 2
O
一个差的机理：
r
B r
+ H O
-
习题：用合理的机理解释下列反应。

反应1.
+ C H 2N 2
C O 2
H C O 2C H 3
机理：
C O 2
H
H
3
N
N C H 2+
_+N N 3+
N 2
反应2：
O P h
+ H 2
O H +
H O O H
P h
机理：
O P h
H
H O O H
P h
+ H O
O H 2P h
+
- H
+
反应3：
E t
N
E t C l
H 2
O -E t
N O H
E t
机理
E t
N
E t t N E t +E t
N O H
E t
SN2反应得到产物。

在此，不能用水作为亲核试剂，原因，一是水的亲核能力不如氢氧根；二是将产生一个强酸，这在强碱性介质中是不容许的。

反应4.
C H B r 2
O 23
D M S O
O
B r H C
机理：
O
B r H C
O O
_
2． 发生在SP 2
碳上的亲核取代反应
一般遵循加成-消除反应机理。

主要涉及到的反应为酰氯、酸酐、酯和酰胺的水解、醇解和氨解。

实例：酯的碱性水解 反应：
C H 3C O 2C H 3
H 2O H O
-C H 3C O 2-+C H 3C H 2
O H
机理1：
C C
-C H 3C O 2H +C H 3C H 3C
O H O C H 3
_
C H 3C O 2_
+C H 3
O H
机理2
C H 3C O 2_
+C H 3
O H C
机理2看似很合理，因为氢氧根是一个好的亲核试剂，而醋酸根又是一个好的离去基团。

但是，同位素标记实验研究表明，在普通条件下，酯的碱性水解不按此机理进行。

假如按机理2进行，同位素标记的结果应该为：
C H 3C O 2_+C H 3O H C H 3O C
O
C H 3
H O
-18
+18
为什么羧酸衍生物亲核取代反应的机理为加成-消除，而不是直接发生在SP 2杂化的碳上呢？
首先，与离去基团-OCH 3直接相连的碳为SP 2杂化，具有较多的s 成分，碳氧键键能较大。

其次，由于碳氧双键中π电子的流动性，使π电子朝氧原子流动的可能性增大。

第三，亲核试剂从离去基团的背面进攻SP 2杂化碳比进攻SP 3
杂化的碳，将会遇到更大的空间障碍。

综上所述，酯碱性条件下水解的机理不能为：
+C H 3
O C
C H 3
H C H 3C O 2
H O C H 3_
H 3C O 2-+C H 3
O H
N
O
R
C O 2
M e 1.N a O H /D M F
2
O H
N R C O 2
M e
下面这个例子，也是用以说明加成-消除而不采用直接亲核取代(SN2)的。

机理1
-
M
e M e H 2
O ²úÎï
机理2
O
N R C O 2
M e -
-H
O 2
M e O 2M e H 2O ²úÎï
机理1直接亲核取代，不合理。

机理2为加成-消除机理，更合理。

习题：写出下列反应的机理。

N N H 3C N H
N H 2
+ C H 2(C O 2E t )2
N N N N
H 3C O H
O H
反应：
机理：
R
N H N
H
t
R
H
H O 2
E t R
N H N H
2
E t N C O 2E t O E t
2E t R
R
N H N
R
N N
O O
R -N N
R
N N
O H O
R
_
[讨论]：本机理主要涉及到一系列的酸碱反应，从键的极性来看，亚胺基上的氢的酸性大于氨基上氢的酸性，但在这里，因氢失去后得到的负离子因共振稳定作用不一样，故乙氧基负离子夺取氨基上的氢。

R
N N H 2
_ R
R
N H
N H -
共振稳定易生成 不存在共振稳定
3. 发生在芳香碳上的亲核取代反应(加成-消除和消除-加成)
O 2
H C +O
C O 2
F
F
N
C H 3
= R 2
N H O O 2
H R
O 2
H 2
H +N
C O 2
H F R 2
H N N
p r o d u c t
另一类例子，属于消除-加成(苯炔机理)。

B r H
N a N H 23
N H 2
这类反应所用的碱比上述加成-消除机理所用的碱要强。

在这类反应中，芳环并不需要吸电子取代基活化，但必须有一个较好的离去基团存在。

N H 2
H N H 2
习题：写出下列反应的机理。

C l
C
N
N a N H 3
C N
[分析] 底物分子中酸性最强的质子是处在CN 基的α位的碳上的氢。

此质子首先被碱夺取，接着是消除一分子HCl,生成苯炔。

C N
H 2
H 2
-N
(A )
侧链中的碳负离子作为亲核试剂与亲电的苯炔反应，得到的负离子(A)与NH 3发生酸碱
反应。

由于产物已经得到，我们通常就停止往下面书写了。

但是，在反应混合物中，氨基负离子将夺取CN 基α碳上的一个质子，只有进一步处理后才能得到最终产物。

4. 其它消除反应
提示1. 在酸性介质中，醇羟基一般以水的形式离去，不会以羟基形式离去。

例如：在酸催化的醇醛缩合反应中，消除一分子水生成α，β不饱和醛的机理如下。

H 3
C H
O H O H +H
+H 2
H 3
C H
O
不会按如下经理进行。

H 3
C H
O
H H 2
+ H O _
+ H 3
O +
提示2：在某些情况下，羟基也能作为离去基团。

例如，在碱性条件下，假如所生成的双键特别稳定，则β-羟基醛和酮也会发生消除生
成α，β不饱和醛酮，羟基业可以作为离去基团。

P H 3H
P h
H
H 3C
+O H -+H 2
O
提示3：分子内消除必须具备酸和碱共存于底物中。

又如：O N O O E t
O N +
P h S O H
)2
2
+H O N (C H 3)2
这类反应只需加热就行了。

二、羰基的亲核加成反应
1. Grignard 试剂和有机锂试剂对羰基的亲核加成
(1) 醛酮与Grignard 试剂的加成 (2) Grignard 试剂与腈的加成
反应：
C H 3C O C H 2
N 2.3+2
C H 3C O C H 2P h O
机理：
H 3C O C C H 3C O C H 2
P h N _3
+C 3C O C H 2P h
N H H 3
O +
C H 3C O C H 22
+
H 2
C H 3C O C H 2P h
N H 2
O H 2
+C H 3C O C H 2
P h 3O H
+C H 3C O C H 2P
h O H
+C H 3C O C H 2P
h O
- H
+
生成的酮还会进一步与Grignard 试剂反应，生成醇。

(3) (3) 有机锂试剂与羧酸的反应
O H O
+
E t L i +
C H 3C H 3O L i O L i
E t
2
O O H
E t
(4) (4) Grignard 试剂与酯的反应(略)
习题： 为下列反应提出一个合理的机理。

P h
P h
P h
P h
N O T s
+ A r M g B r
N
A r
[讨论
] 正常情况下，亲核试剂Ar -
将亲核进攻碳氮双键的C 原子。

如果这样，所生成的中间体五元环就具有反芳香性。

相反，如果亲核试剂进攻氮原子，所生成的中间体五元环就有芳香性，后者稳定，按第二种途径进行。

P O T s
(反芳香性，不稳定)
P
N
A T N
A
r
(芳香性，稳定)
一个不太可能的机理是：Ar 对OT s 的直接取代。