有机反应机理第1章-3

反应可按E1，E2和E1CB几种不同的机理进行
有机反应机理
3
E1消除
R R
1
X C C R 2 R
3
k1 k-1
R R
1
C H
C R
Hቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R 2
3
+
X
R R
1
C H
C
R 2 R
3
k2
R R
1
C
C
R R
3 2
+ H
有机反应机理
4
E2消除
R R
1
X C C R R 2
3
R
+ B
X C C R 2 R
3
H
有机反应机理
25
强碱，强亲核试剂 First-row, unhindered species and moderately stable carbanions are both good nucleophiles and good bases Unhindered RO－, R2N－, and R3N are in this class, as are enamines, simple enolates, and alkynyl anions (RC≡C－). Cl－ (an honorary member of the first row) is also in this class
有机反应机理
22
E2与SN2的竞争
碱性与亲核性既有区别又有联系
碱作为消除反应的催化剂，一定条件下也可起亲核 试剂的作用 ，引发亲核取代反应
亲核取代反应所用的亲核试剂也会具有碱性，一 定条件下会引发消除反应
有机反应机理
23
最终发生取代还是消除取决于试剂的亲核性和碱性 以及底物的结构，可归纳成下表
底物 弱碱，强亲 核试剂 MeX or BnX SN2 RCH2X R2CHX R3CX SN2 SN2 E2, SRN1 or N.R. 强碱，强亲 核试剂 SN2 SN2 SN2 < E2 E2 强碱，弱亲 核试剂 SN2 or N.R. E2 E2 E2
Amidines and guanidines such as DBN, DBU, and TMG are also in this class
有机反应机理
28
离去基团的性质只影响反应速率
好的离去基团，E2和SN2的速率都会增加，但对反 应选择性的影响很小
有机反应机理
29
E1与SN1的竞争 E1与SN1反应都经由正碳离子中间体 质子溶剂(RCO2H, ROH, H2O) 同时作亲核试剂有利 于SN1 非质子溶剂有利于E1
以下醇脱水生成烯烃的反应可能按何种机理进行？
有机反应机理
12
OH
H H O
OEt
OH
H O
O
CH3
O
CH3
OH
H O
H O
O
CH3
O
CH3
有机反应机理
13
有利于E1消除的条件
酸性介质；形成稳定的正碳离子中间体 以下反应可能按何种机理进行？
HO cat. TsOH OH
机理？
有机反应机理
14
HO
1.3 重要极性反应及机理回顾（续）
1.3.3 -消除反应
1.3.4 不饱和碳原子上的亲核加成反应
1.3.5 不饱和碳原子上的亲核取代反应
有机反应机理
1
1.3.6 不饱和烃的亲电加成反应(选讲）
1.3.7 芳环上的亲电取代反应(选讲）
有机反应机理
2
1.3.3 -消除反应
反应通式
H
X
催化剂
+
HX
有机反应机理
27
NaH and KH are in this class. F－ is a good nucleophile in aprotic solvents and a poor nucleophile in protic solvents, but it is always a good base
有机反应机理
26
强碱，弱亲核试剂（非亲核碱） First-row, hindered species and unstabilized carbanions are poor nucleophiles and good bases t-BuO－, i-Pr2NLi (LDA), (Me3Si)2NK (KHMDS), iPr2NEt (Hünig’s base), and C(sp2) and C(sp3) Grignard and organolithium reagents are in this class
OH
O OH OH O
OH OH OH HO OH D-fructopyranose +
HO O HO
OH OH OH
HO OH D-fructose
D-fructofuranose
吡喃果糖
呋喃果糖
有机反应机理
44
胺与醛酮生成亚胺的反应也是可逆的 羟胺和肼与醛酮加成平衡更偏向于肟和腙
R X NH2 C O R
有机反应机理
30
1.3.4 不饱和碳原子上的亲核加成反应
典型反应：对羰基碳的亲核加成和Michael加成
有机反应机理
31
羰基碳原子上的亲核加成反应 反应通式
O
O
OH
H
Nu
+
R
1
Nu
R
2
R
1
Nu R1 R2
R2
具体的反应机理与亲核试剂的种类、羰基化合物 的结构以及反应类型有关
有机反应机理
32
在合成中的重要性 大约几十种缩合反应中涉及羰基亲核加成的步骤
有机反应机理
35
RMgBr, RLi，NaBH4和LiAlH4对羰基的加成
R H3C C OMgBr R
BrMg
CH3
R R
C O
work up
R H3C C OH R
有机反应机理
36
加成和脱氢的选择性 格林亚试剂和有机锂都是强碱，可能发生脱氢的 副反应
羰基碳位阻大有利于脱氢的反应；加CeCl3可通 过转移金属化生成弱碱强亲核性的有机铈，有利 于亲核加成和抑制脱氢的副反应，例如
HO
H
OH
HO
OH2
H
H
HO
HO
H
H
H H H
HO
H
H
有机反应机理
15
-消除反应的区域选择性
Zaitsev消除和Hofmann消除
有机反应机理
16
Zaitsev消除
具有氢原子的卤代烃或其它烃衍生物在碱的醇 溶液中消除卤化氢或其它小分子生成烯烃的反应 称作Zaitsev消除，例如：
H H KOH/EtOH Br － HBr 81%
3
C C R
H B
R 2
3
H B
E1特征增加
R R
1
E2
E1CB特征增加
R X C C R R 2
3
C H
C R
2
R
3
R
1
E1
有机反应机理
E1CB
7
介质酸碱性对反应机理的影响
碱性条件有利于E2或E1CB消除
酸性条件有利于E1消除
有机反应机理
8
E2消除的条件和特征
立体选择性：对向消除
R R1 H
X R R2
其中一些非常重要的缩合反应包括
羟醛缩合，Mannich反应，Wittig反应， Perkin反应， Knoevenagel缩合，Robinson增环反应，Stobbe缩合， Reformatsky反应，Baylis-Hillman反应等
有机反应机理
33
羰基碳与碳的活性
R2C O
R CHR2 base
Hofmann消除的区域选择性
如果氨基的和'位均含氢，通常得到取代较少的 烯烃，称作Hofmann取向
H3C H3C CH3 N CH3 1. CH3I 2. AgOH H3C + CH3 2-butene (minor) 1-butene (major) H3C
如果氨基与脂环烃相连，消除往往服从Zaitsev取向
有机反应机理
碱性条件下水和醇与醛酮发生可逆加成形成水合物 或半缩醛
RO H B
RO
+
B H
R RO C O R
R RO C O R
R RO C O R
H OR
R RO C OH R
平衡通常偏向反应物，对酮更是如此
有机反应机理
43
碳上的吸电基和成环有利于平衡向半缩醛方向移 动，例如糖大多以半缩醛的形式存在
H
R
H X
R N C OH R
X N C O H R
H N C X
R R OH
R N C X R + H2O
有机反应机理
45
1.3.5不饱和碳原子上的亲核取代反应
羰基碳上的亲核取代反应
芳环上的亲核取代反应
有机反应机理
46
羰基碳上亲核取代反应的加成-消除机理
酰卤、酯等羰基衍生物与亲核试剂发生亲核取代 反应，生成亲核试剂被酰化的产物，反应通常按 加成-消除机理进行
有机反应机理
21
Hofmann消除的机理 通常认为Hofmann消除也是E2消除，但从区域选择 性分析，反应可能更多地具有E1CB特征
H3C H3C CH3 N CH3 H3C I
H 3C H 2C H OH
CH3 N CH I 3 CH3
H3C
AgOH
+ HOH + AgI + NMe2 CH3
有机反应机理
24
弱碱，强亲核试剂 Second-row or heavier species and very stable carbanions are good nucleophiles and poor bases Br－, I－, R2S, RS－, and R3P are in this class, as are －CN, stabilized enolates such as malonate anions and their derivatives, and certain organometallic compounds such as cuprates (R2CuLi)
胺经彻底甲基化生成季铵盐，再在碱的作用下分 解为甲胺衍生物和烯烃的反应称作Hofmann消除
R H NH2
2 MeI
R H
NMe3
AgOH
R
+ NMe3 + H2O
Hofmann A W. Volatile organic bases, Ann, 1851, 78, 253~286 有机反应机理 20
R
1
H B
R
k2
R
1
C
C
R R
3 2
+ BH
+
X
有机反应机理
5
E1CB消除
R R
1
X C C R R 2
3
R
B
X C C R 2 R
3
R
1
H
+ BH
k2
R R
1
C
C
R R
3 2
+
X
有机反应机理
6
不同消除机理过渡态结构比较
X R R
1
R R
1
X C C R 2 R
3
R R H B
1
X C C R 2 R
R2C O
R CR2 R CR2
O C
O C
O C
因此碱性条件下羰基碳是亲电的，碳是亲核的
有机反应机理
34
羰基化合物的活性与稳定性
热力学稳定性顺序取决于第2个共振结构的稳定性
RCOCl (acyl chlorides)< RCO2COR (acid anhydrides) < RCHO (aldehydes) < R2CO (ketones) < RCO2R (acids, esters) < RCONR2 (amides) < ROCO2R (carbonates) < ROCONR2 (urethanes/carbamates) < R2NCONR2 (ureas) < RCO2－ (carboxylate salts). 活性顺序与此相反
有机反应机理
37
CH3
O O
MgBr CeCl3
H2C
CH3
CH3 OH CH2
HO
CH3 MgBr no CeCl3
O
O
有机反应机理
38
又如：
有机反应机理
有机反应机理
51为主要产物
无CeCl3主要生成脱氯产物
有机反应机理
Giuseppe Bartoli, Enrico Marcantoni, Mauro Marcolini,† and Letizia Sambri. Applications of CeCl3 as an Environmental Friendly Promoter in Organic Chemistry. Chem. Rev. 2010, 110, 6104–6143
3
B
R R1
R3 + R2 BH
X R1 R2 H R R3
有机反应机理
9
E2消除立体选择性的解释
对位交叉式构象较稳定 立体电子效应的要求
有机反应机理
10
x C
H
H
x C
C
C
HOMO LUMO
HOMO LUMO
对向消除
同向消除
有机反应机理
11
有利于E1CB消除的条件
氢酸性强，离去基团离去倾向小
R Nu X C O
R Nu C O X
R C O Nu + X
为什么不按SN2机理进行？
有机反应机理
47
按加成-消除机理反应的原因分析
羰基的键能量高于C－X 键，较易断开 按加成消除机理反应，亲核试剂可从羰基平面上方 或下方进攻羰基碳，位阻较小
如果按SN2机理反应，亲核试剂必须从羰基平面上 进攻羰基碳，位阻较大
H +
H
19%
有机反应机理
17
Zaitsev消除的机理 通常为E2消除 Zaitsev消除的区域选择性
生成取代较多的烯烃，也称作Zaitsev取向
有机反应机理
18
预测以下反应的主要产物
CH3
H CH3 CH3 NaOEt
H CH3 H
CH3 CH3
H
Cl
有机反应机理
19
Hofmann消除(1851)