脂肪族取代反应精选课件.ppt

关于脂肪族取代反应第一页，本课件共有69页亲核取代反应反应通式：亲核取代反应反应通式：R-X Nu-R-Nu X-R-X Z-Y R-Z X-Y脂肪族化合物的亲核取代脂肪族化合物的亲核取代(1.1)芳香族化合物的亲核置换芳香族化合物的亲核置换(1.4.3)芳环上氢的亲核取代芳环上氢的亲核取代(1.4.2)第二页，本课件共有69页3n在亲核取代反应里，带着一对电子的亲核试剂在亲核取代反应里，带着一对电子的亲核试剂(Nu：)从底物从底物(RX)中取代一个被置换的基团中取代一个被置换的基团(X)，X带着其成键电子对离开。反应通式为：带着其成键电子对离开。反应通式为：n最经典的是卤代烷与许多亲核试剂发生亲核取代反应，生成最经典的是卤代烷与许多亲核试剂发生亲核取代反应，生成相应的醇、醚、腈、胺等化合物。具体见课本表相应的醇、醚、腈、胺等化合物。具体见课本表1-1。第三页，本课件共有69页4一一、反应动力学与历程反应动力学与历程n脂肪族亲核取代反应，依据底物、亲核试剂、离脂肪族亲核取代反应，依据底物、亲核试剂、离去基团和反应条件可以按几种不同的机理进行。在去基团和反应条件可以按几种不同的机理进行。在饱和碳原子上的亲核取代反应中，最常见的是饱和碳原子上的亲核取代反应中，最常见的是SNl和和SN2机理。机理。第四页，本课件共有69页51.1 双分子双分子SN2机理机理对卤代烷的水解反应研究较多，以此为例：对卤代烷的水解反应研究较多，以此为例：第五页，本课件共有69页6XNuXNuXNuXNu第六页，本课件共有69页关键过渡态关键过渡态n机理的证明：机理的证明：1）二级动力学：）二级动力学：2）光学活性（即旋光性）物质会发生构型转变。）光学活性（即旋光性）物质会发生构型转变。X第七页，本课件共有69页8n光学活性光学活性 2-碘代辛烷和同位素标记的碘负离子碘代辛烷和同位素标记的碘负离子在丙酮中进行交换反应，形成含有标记碘的对在丙酮中进行交换反应，形成含有标记碘的对映体。映体。第八页，本课件共有69页9第九页，本课件共有69页101.2 单分子单分子SN1机理机理第十页，本课件共有69页11n叔丁基溴水解生成叔丁醇的反应遵循一级动力学，叔丁基溴水解生成叔丁醇的反应遵循一级动力学，反应速度仅仅取决于叔丁基溴的浓度，而不受反应速度仅仅取决于叔丁基溴的浓度，而不受OH-浓度的影响。浓度的影响。第十一页，本课件共有69页12n由于控制反应速度的一步是单分子，因此这种反应由于控制反应速度的一步是单分子，因此这种反应称称单分子亲核取代反应。单分子亲核取代反应。第十二页，本课件共有69页事实上，事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：反应往往伴随构型转化产物：当当C+不是足够稳定时，由于不是足够稳定时，由于X 的屏蔽效应，的屏蔽效应，Nu:从从 X 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构背后进攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多型转化增多。第十三页，本课件共有69页1.3 混合混合SN1和和SN2的机理的机理(了解）了解）n在一组指定的反应条件下，一个指定的底物的某些反应在一组指定的反应条件下，一个指定的底物的某些反应表现表现SN2机理的特征，而另外一些反应却按机理的特征，而另外一些反应却按SN1机理进机理进行，但是时常有些情况似乎是在边缘区域，不容易分行，但是时常有些情况似乎是在边缘区域，不容易分辨。辨。n对于这种情况曾经有两种解释，一种理论认为这种情况对于这种情况曾经有两种解释，一种理论认为这种情况是由于反应机理不是是由于反应机理不是“纯的纯的”SN1，也不是，也不是“纯的纯的”SN2，而是而是“在二者之间在二者之间”的一种机理；另一种理论认为根本的一种机理；另一种理论认为根本没有中间机理，没有中间机理，这种难以确定的情况是由于同时进行的这种难以确定的情况是由于同时进行的SNl和和SN2两种机理引起的，亦即在同一反应混合物中，两种机理引起的，亦即在同一反应混合物中，有的分子按有的分子按SNl机理进行反应，而另外一些分子按机理进行反应，而另外一些分子按SN2机理机理进行反应。进行反应。第十四页，本课件共有69页nSneen提出一个基本机理提出一个基本机理(离子对机理离子对机理)可以把所有的可以把所有的SN1和和SN2反应都容纳进去。作用物首先离解成为中反应都容纳进去。作用物首先离解成为中间离子对，然后再转变为产品：间离子对，然后再转变为产品：nSN1和和SN2机理之间的区别在于：在机理之间的区别在于：在SNl机理中离子对的形成机理中离子对的形成(k1)是速度决定步骤，而在是速度决定步骤，而在SN2机理中离子对的机理中离子对的“消失消失”(k2)是是速度决定步骤。离子对的形成速度和消失速度在同一数量级速度决定步骤。离子对的形成速度和消失速度在同一数量级时，则出现边缘表现。时，则出现边缘表现。第十五页，本课件共有69页16第十六页，本课件共有69页例：例：n光学活性甲烷磺酸光学活性甲烷磺酸-2-辛酯在辛酯在25%1,4二氧六环水溶液二氧六环水溶液中溶剂解，形成中溶剂解，形成2-辛醇，大约辛醇，大约95构型转化。构型转化。n加入加入0.0462M叠氮离子，得到产品的叠氮离子，得到产品的31%是是2-辛基叠辛基叠氮化合物氮化合物(其他其他69%是构型转化了的是构型转化了的2-辛醇辛醇)，但是对溶，但是对溶剂解速度剂解速度(原料磺酸酯消失的速度原料磺酸酯消失的速度)也没影响。也没影响。第十七页，本课件共有69页18可行的机理可行的机理SN1第十八页，本课件共有69页1.4 邻位基团机理邻位基团机理(非经典碳正离子机理非经典碳正离子机理)n在某些作用物的亲核取代反应里：在某些作用物的亲核取代反应里：(1)反应速度反应速度比预期的大；比预期的大；(2)在手性碳原子上，构型保持不变，在手性碳原子上，构型保持不变，既不转化也不消旋。在这些情况里，时常是在离去既不转化也不消旋。在这些情况里，时常是在离去基团的基团的-位置位置(有时更远一些有时更远一些)有一个带有未共用电子有一个带有未共用电子对的基团。在这种反应里，运行的机理叫作邻位基团对的基团。在这种反应里，运行的机理叫作邻位基团机理。机理。自学自学第十九页，本课件共有69页第二十页，本课件共有69页溶剂解产物构型不变溶剂解产物构型不变第二十一页，本课件共有69页第二十二页，本课件共有69页23二二、脂肪族亲核取代反应的影响因素脂肪族亲核取代反应的影响因素1.底物结构对反应的影响底物结构对反应的影响nSN1和和SN2之间没有明显的界限，常放在一起讨论。之间没有明显的界限，常放在一起讨论。（1）电子效应）电子效应nSN1机理取决于碳正离子的稳定性。分子的离解机理取决于碳正离子的稳定性。分子的离解能低和离去基团的电子亲和力大有利于单分子机能低和离去基团的电子亲和力大有利于单分子机理。理。第二十三页，本课件共有69页第二十四页，本课件共有69页n诱导效应、共轭效应越强，分子的离解能越低。有利于诱导效应、共轭效应越强，分子的离解能越低。有利于SN1反应。反应。苄基苄基,烯丙基离子烯丙基离子叔丁基离子叔丁基离子仲丙基离子仲丙基离子伯正离子伯正离子第二十五页，本课件共有69页（2）空间效应）空间效应第二十六页，本课件共有69页n对对 SN2 反应来说，反应来说，2-溴异丁烷反应性能比溴甲烷的溴异丁烷反应性能比溴甲烷的小约小约2104倍，而溴代新戊烷的则小约倍，而溴代新戊烷的则小约2.5106倍。倍。n桥头化合物，如双环桥头化合物，如双环2.2.1衍生物无论在衍生物无论在SN2条件条件(强亲核试剂和高浓度强亲核试剂和高浓度)下，或是在下，或是在SN1条件条件(银离子银离子亲电催化亲电催化)下，都是非常不活泼的。下，都是非常不活泼的。第二十七页，本课件共有69页综合电子效应和空间效应各类型结构综合电子效应和空间效应各类型结构SN活性活性第二十八页，本课件共有69页（3）离去基团效应）离去基团效应n离去基团接受负电荷能力越强，越有利于离去基团接受负电荷能力越强，越有利于SN1机理。机理。2-取代异丁烷在取代异丁烷在80%乙醇中，取代基的相对离去能力乙醇中，取代基的相对离去能力第二十九页，本课件共有69页n影响离去基团离去能力的因素在影响离去基团离去能力的因素在SN2中的作用和在中的作用和在SN1中的作用相似。中的作用相似。离去基团对离去基团对SNl和和SN2反应的影响反应的影响第三十页，本课件共有69页2.亲核试剂对反应的影响亲核试剂对反应的影响n一个分子或负离子从碳原子取代离去基团的能力一个分子或负离子从碳原子取代离去基团的能力叫作亲核性。亲核性是给电子能力的函数，也是使叫作亲核性。亲核性是给电子能力的函数，也是使亲核试剂脱离溶剂化需要的能量的函数。亲核试剂脱离溶剂化需要的能量的函数。1）碱性强度与亲核性大小可能不一致。例如，乙）碱性强度与亲核性大小可能不一致。例如，乙氧离子的碱性比碘离子的强，而碘离子的亲核性比氧离子的碱性比碘离子的强，而碘离子的亲核性比乙氧离子的大。乙氧离子的大。n一般情况下，亲核试剂的碱性越强，亲核能力越强。一般情况下，亲核试剂的碱性越强，亲核能力越强。第三十一页，本课件共有69页2）容易极化的亲核试剂的亲核性比较大。）容易极化的亲核试剂的亲核性比较大。3）亲核试剂的体积加大，亲核性差。）亲核试剂的体积加大，亲核性差。4）亲核性与溶剂有关。）亲核性与溶剂有关。n甲醇中甲醇中:I-Br-Cl-DMF中中:Cl-Br-I-第三十二页，本课件共有69页3.溶剂效应对反应的影响溶剂效应对反应的影响对对SN1反应反应:n提高溶剂极性有利于提高溶剂极性有利于SN1反应进行。反应进行。一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。性的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。第三十三页，本课件共有69页SN2反应反应：n在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速度稍有降剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速度稍有降低。低。XXX在质子型溶剂中：亲核在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，试剂与溶剂形成氢键，由此降低了试剂的亲核由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。性，不利于反应进行。第三十四页，本课件共有69页35在质子型溶剂中，试剂的亲核性强度顺序为：在质子型溶剂中，试剂的亲核性强度顺序为：RS-ArS-I-CN-OH-N3-Br-ArO-Cl-吡啶吡啶 ArO-H2O第三十五页，本课件共有69页SN2反应常在极性非质子型溶剂中进行。反应常在极性非质子型溶剂中进行。极性非质子型溶剂不能与极性非质子型溶剂不能与 Nu:形成氢键，不能使形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核试剂，具亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。有较高的反应活性。n常见的极性非质子型溶剂有：常见的极性非质子型溶剂有：N,N-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺六甲基磷酰胺HMPT (Hexamethylphosphorictriamide)第三十六页，本课件共有69页37三、氧亲核试剂的反应三、氧亲核试剂的反应1.酯的水解酯的水解n酯水解、羧酸的酯化、酯交换、酰胺的水解等酯水解、羧酸的酯化、酯交换、酰胺的水解等OR是一个较难的离去基团，所以单用水不能使多数酯水解。是一个较难的离去基团，所以单用水不能使多数酯水解。用碱催化时，进攻试剂是用碱催化时，进攻试剂是OH-，反应生成盐，反应生成盐，称称皂化反应。皂化反应。第三十七页，本课件共有69页382.羧酸羧酸的的酯化酯化反应反应为为可逆反应，使反应向右进行的方法：？可逆反应，使反应向右进行的方法：？催化剂？催化剂？第三十八页，本课件共有69页393.酯的醇解酯的醇解(酯交换反应酯交换反应)应用：聚对苯二甲酸丁二醇酯的合成应用：聚对苯二甲酸丁二醇酯的合成第三十九页，本课件共有69页404.酰卤酰卤的醇解的醇解是制取酯的较好的方法。是制取酯的较好的方法。nR和和R可以是伯可以是伯、仲仲、叔烷基或芳基，当位阻效应大时，叔烷基或芳基，当位阻效应大时，可用烷氧化物代替醇。可用烷氧化物代替醇。n反应过程中常用碱水来中和反应过程中常用碱水来中和HX，也常用吡啶、三乙胺等作，也常用吡啶、三乙胺等作为为“缚酸剂缚酸剂”来捕获来捕获HX。第四十页，本课件共有69页41n农药多菌灵的中间体氯甲酸甲酯的合成农药多菌灵的中间体氯甲酸甲酯的合成通过光气和甲醇反应通过光气和甲醇反应第四十一页，本课件共有69页42四、硫亲核试剂的反应四、硫亲核试剂的反应硫亲核试剂比氧亲核试剂更为快速和平稳。硫亲核试剂比氧亲核试剂更为快速和平稳。n氯代烷与亚硫酸盐反应，可生产相应的烷基磺氯代烷与亚硫酸盐反应，可生产相应的烷基磺酸盐（酸盐（阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂）第四十二页，本课件共有69页43n环氧化合物与亚硫酸氢盐发生开环，得到环氧化合物与亚硫酸氢盐发生开环，得到-羟基羟基磺酸。磺酸。例：例：羟乙基磺酸钠羟乙基磺酸钠第四十三页，本课件共有69页44五、氮亲核试剂的反应五、氮亲核试剂的反应1.氨或胺的烷基化（氨或胺的烷基化（N-烷基化反应烷基化反应）n由于生成的伯胺及仲胺的碱性均比氨更强，所以反应由于生成的伯胺及仲胺的碱性均比氨更强，所以反应一般不会停留在伯胺或仲胺阶段。但不是完全不可能，一般不会停留在伯胺或仲胺阶段。但不是完全不可能，例如采用大量过量的氨进行反应时。另外别的效应也可例如采用大量过量的氨进行反应时。另外别的效应也可能使伯胺成为一种比氨更弱的碱的时候。能使伯胺成为一种比氨更弱的碱的时候。第四十四页，本课件共有69页452.环氧化合物的胺化环氧化合物的胺化第四十五页，本课件共有69页46六、卤素亲核试剂的反应六、卤素亲核试剂的反应n醇与卤素亲核试剂反应是合成卤代烷最适用的方法，醇与卤素亲核试剂反应是合成卤代烷最适用的方法，常用的试剂是常用的试剂是HX，无机酰卤等。，无机酰卤等。第四十六页，本课件共有69页47七、在磺酰基硫上的亲核取代反应七、在磺酰基硫上的亲核取代反应n磺酰氯、磺酸酯及磺酰胺的水解。磺酰氯、磺酸酯及磺酰胺的水解。第四十七页，本课件共有69页48第一章第一章 有机合成反应理论有机合成反应理论n精细化工单元反应的分类精细化工单元反应的分类n有机反应的基本过程有机反应的基本过程n脂肪族亲核取代反应理论脂肪族亲核取代反应理论n脂肪族亲电取代反应理论脂肪族亲电取代反应理论n芳香族亲电取代反应理论芳香族亲电取代反应理论n芳香族亲核取代反应理论芳香族亲核取代反应理论n自由基反应自由基反应第四十八页，本课件共有69页49n脂肪族亲电取代反应是指符合以下反应通式的脂肪族亲电取代反应是指符合以下反应通式的反应：反应：n其中：其中：R为脂肪族；离去基团为脂肪族；离去基团X为外层电子层虽然缺少一对为外层电子层虽然缺少一对电子但是比较稳定的原子或原子团，常见的为质子和金属离电子但是比较稳定的原子或原子团，常见的为质子和金属离子。子。E为亲电试剂。为亲电试剂。n酸性比较强的物质上的质子体系、金属有机化合物以及酸性比较强的物质上的质子体系、金属有机化合物以及一些能够脱掉质子或碳正离子的烃类或胺类是典型脂肪族一些能够脱掉质子或碳正离子的烃类或胺类是典型脂肪族亲电取代反应的体系。亲电取代反应的体系。第四十九页，本课件共有69页50一一、脂肪族亲电取代反应的反应历程脂肪族亲电取代反应的反应历程n目前对脂肪族亲电取代反应机理的了解是比较少的。目前对脂肪族亲电取代反应机理的了解是比较少的。但是确认了四种可能的主要机理，但是确认了四种可能的主要机理，SE1，SE2(前边前边)，SE2(背后背后)和和SEi。SE1是按单分子机理进行的亲电取是按单分子机理进行的亲电取代反应，其他都是按双分子机理进行的。代反应，其他都是按双分子机理进行的。1.双分子双分子SE2和和SEi机理机理第五十页，本课件共有69页双分子双分子SE2机理机理第五十一页，本课件共有69页双分子双分子SEi机理机理n这三种机理是很难区分的。它们都表现为二级动力学，其中两个这三种机理是很难区分的。它们都表现为二级动力学，其中两个机理机理SE2(前边前边)和和SEi保持构型不变，立体化学研究可以区分它们与保持构型不变，立体化学研究可以区分它们与SE2(后边后边)反应。反应。n许多报导都表明这种二级亲电取代反应中的绝大多数都保持许多报导都表明这种二级亲电取代反应中的绝大多数都保持构型不变，或者反映其他从前边进攻的迹象，因而这些反应是构型不变，或者反映其他从前边进攻的迹象，因而这些反应是按按SE2(前边前边)或或SEi机理进行的。机理进行的。第五十二页，本课件共有69页n溴溴-锂交换反应就是这种情况。光学活性锂交换反应就是这种情况。光学活性2-甲基甲基-1-溴溴代环丙烷与丁基锂作用形成的代环丙烷与丁基锂作用形成的2-甲基环丙基锂保持构甲基环丙基锂保持构型不变。型不变。第五十三页，本课件共有69页542.单分子单分子SE1机理机理 例例1 有羰基的碳氢化合物的碱催化的反应：有羰基的碳氢化合物的碱催化的反应：第五十四页，本课件共有69页例例2 在碱催化的互变异构中的氢在碱催化的互变异构中的氢重氢交换反应：重氢交换反应：n在这个反应里重氢交换速度和消旋速度一样，在这个反应里重氢交换速度和消旋速度一样，并且有同位素效应。并且有同位素效应。第五十五页，本课件共有69页563.亲电取代伴随双键移动亲电取代伴随双键移动当亲电取代发生在烯丙式底物上时，产物可能重排。当亲电取代发生在烯丙式底物上时，产物可能重排。n重排的两种途径：重排的两种途径：1.第一是第一是离去基团先消除，生成共振稳定的烯丙基负离离去基团先消除，生成共振稳定的烯丙基负离子，然后再发生亲电进攻。子，然后再发生亲电进攻。2.第二条是第二条是Y基团先进攻，产生正碳离子，然后再失去基团先进攻，产生正碳离子，然后再失去X。P13第五十六页，本课件共有69页57二、氢作离去基团的反应二、氢作离去基团的反应1.双键及三键的迁双键及三键的迁移移n许多不饱和的双键或三键化合物用强碱处理后，分子中的双键许多不饱和的双键或三键化合物用强碱处理后，分子中的双键或三键往往发生迁移。或三键往往发生迁移。n常得到平衡混合物，大常得到平衡混合物，大多数以热力学稳定的异构体为主。多数以热力学稳定的异构体为主。一般规律：末端烯有异构化为内烯；非共轭成为共轭等一般规律：末端烯有异构化为内烯；非共轭成为共轭等第五十七页，本课件共有69页582.醛、酮的卤化醛、酮的卤化n醛和酮的醛和酮的位可用溴、氯或碘取代卤化位可用溴、氯或碘取代卤化n对于不对称酮，氯化的顺序首先是对于不对称酮，氯化的顺序首先是CH，其次是，其次是CH2，然后是，然后是CH3，通常得到的是混合物。，通常得到的是混合物。第五十八页，本课件共有69页59n反应历程是烯醇或烯醇式离子，以酸催化为例：反应历程是烯醇或烯醇式离子，以酸催化为例：第五十九页，本课件共有69页603.碳作离去基团的反应碳作离去基团的反应n一些反应中发生一些反应中发生CC键的分裂，把保留电子对的部分看作键的分裂，把保留电子对的部分看作底物，因此可以认为是亲电取代。底物，因此可以认为是亲电取代。脂肪酸的脂肪酸的脱羧：脱羧：第六十页，本课件共有69页61第六十一页，本课件共有69页624.在氮上亲电取代的反应在氮上亲电取代的反应n亲电试剂与氮原子的未共用电子对结合。亲电试剂与氮原子的未共用电子对结合。(1)重氮化重氮化n当芳伯胺与亚硝酸反应时，生成重氮盐。当芳伯胺与亚硝酸反应时，生成重氮盐。第六十二页，本课件共有69页63n酸催化下重氮化的历程：酸催化下重氮化的历程：第六十三页，本课件共有69页64(2)氧化偶氧化偶氮化合物氮化合物n亚硝基化合物和羟胺的缩合，可以生成氧化偶氮化合物。亚硝基化合物和羟胺的缩合，可以生成氧化偶氮化合物。第六十四页，本课件共有69页65三三、脂肪族亲电取代反应的影响因素脂肪族亲电取代反应的影响因素1.底物效应底物效应nSE1反应，给电子基团降低反应速度，吸电子基反应，给电子基团降低反应速度，吸电子基团提高反应速度。取决于碳负离子的稳定性。团提高反应速度。取决于碳负离子的稳定性。nSE2(背后背后)机理中，烷基的反应活性，和在机理中，烷基的反应活性，和在SN2机理机理中的相似中的相似(MeEtPr异异-Pr新戊基新戊基)。nSE2(前边前边)机理其特征活性次序，也有报道，但差别机理其特征活性次序，也有报道，但差别较大，典型的为：较大，典型的为：MeEtPrBu 新戊基新戊基异异pr。第六十五页，本课件共有69页66nSEi机理似乎对于相对很小的反应条件的改变也机理似乎对于相对很小的反应条件的改变也很敏感。很敏感。2.离去基团效应离去基团效应n对于对于SE1机理和二级机理，机理和二级机理，CX键的极性越大，键的极性越大，则带着正电荷离去的基团越容易脱掉。则带着正电荷离去的基团越容易脱掉。n研究报道表明研究报道表明:碳作为脱掉的基团通常是碳作为脱掉的基团通常是SE1机理，机理，而金属作为脱掉的基团，机理几乎完全是而金属作为脱掉的基团，机理几乎完全是SE2或或SEi。第六十六页，本课件共有69页673.溶剂效应溶剂效应n溶剂的极性升高，提高离子机理的可能性溶剂的极性升高，提高离子机理的可能性(SE1机机理理)。n溶剂的极性升高，溶剂的极性升高，SE2机理速度也提高，而对机理速度也提高，而对SEi机理的影响就比较小得多。机理的影响就比较小得多。第六十七页，本课件共有69页68n在极性溶剂中，如下图所示在极性溶剂中，如下图所示Z会被溶剂化，会被溶剂化，使之使之比较不容易袭击比较不容易袭击X，因而在降低因而在降低SEi机理的同时提高机理的同时提高SE2机理。机理。第六十八页，本课件共有69页感谢大家观看第六十九页，本课件共有69页