有机反应机理精.ppt

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1、有机反应机理第1页，本讲稿共91页1.3.3-消除反应反应通式反应可按E1，E2和E1CB几种不同的机理进行第2页，本讲稿共91页E1消除第3页，本讲稿共91页E2消除第4页，本讲稿共91页E1CB消除第5页，本讲稿共91页不同消除机理过渡态结构比较E2E1E1CBE1CB特征增加E1特征增加第6页，本讲稿共91页介质酸碱性对反应机理的影响碱性条件下按E2或E1CB机理消除酸性条件下按E1机理消除第7页，本讲稿共91页E2消除的条件和特征立体选择性：对向消除第8页，本讲稿共91页E2消除立体选择性的解释立体电子效应的要求对位交叉式构象较稳定第9页，本讲稿共91页对向消除同向消除第10页，本讲稿

2、共91页有利于E1CB消除的条件氢酸性强，离去基团离去倾向小例如以下醇脱水生成烯烃的反应，羟基离去倾向小，而氢受羰基影响酸性强，有利于E1CB消除第11页，本讲稿共91页第12页，本讲稿共91页有利于E1消除的条件酸性介质；形成稳定的正碳离子中间体例如以下反应机理？第13页，本讲稿共91页第14页，本讲稿共91页-消除反应的区域选择性Zaitsev消除和Hofmann消除第15页，本讲稿共91页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：第16页，本讲稿共91页Zaitsev消除的机理通常为E2消除Zaits

3、ev消除的区域选择性生成取代较多的烯烃，也称作Zaitsev取向第17页，本讲稿共91页预测以下反应的主要产物第18页，本讲稿共91页Hofmann消除(1851)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Hofmann A W.Volatile organic bases,Ann,1851,78,253286第19页，本讲稿共91页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取向如果氨基与脂环烃相连，消除往往服从Zaitsev取向第20页，本讲稿共91页Hofmann消除的机理通常认为Hofma

4、nn消除也是E2消除，但从区域选择性分析，有些反应可能更多地具有E1CB特征第21页，本讲稿共91页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第22页，本讲稿共91页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，强亲核试剂强碱，强亲核试剂强碱，弱亲核试剂MeX or BnXSN2SN2SN2 or N.R.RCH2XSN2SN2E2R2CHXSN2SN2 E2E2R3CXE2,SRN1 or N.R.E2E2第23页，本

5、讲稿共91页弱碱，强亲核试剂Br,I,R2S,RS,and R3P are in this class,as areCN,stabilized enolates such as malonate anions and their derivatives,and certain organometallic compounds such as cuprates(R2CuLi)Second-row or heavier species and very stable carbanions are good nucleophiles and poor bases第24页，本讲稿共91页强碱，强亲核试

6、剂Unhindered RO,R2N,and R3N are in this class,as are enamines,simple enolates,and alkynyl anions(RCC).Cl(an honorary member of the first row)is also in this classFirst-row,unhindered species and moderately stable carbanions are both good nucleophiles and good bases第25页，本讲稿共91页强碱，弱亲核试剂（非亲核碱）First-row,

7、hindered species and unstabilized carbanions are poor nucleophiles and good basest-BuO,i-Pr2NLi(LDA),(Me3Si)2NK(KHMDS),i-Pr2NEt(Hnigs base),and C(sp2)and C(sp3)Grignard and organolithium reagents are in this class第26页，本讲稿共91页Amidines and guanidines such as DBN,DBU,and TMG are also in this classNaH a

8、nd KH are in this class.F is a good nucleophile in aprotic solvents and a poornucleophile in protic solvents,but it is always a good base第27页，本讲稿共91页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第28页，本讲稿共91页E1与SN1的竞争质子溶剂(RCO2H,ROH,H2O)同时作亲核试剂有利于SN1非质子溶剂有利于E1E1与SN1反应都经由正碳离子中间体第29页，本讲稿共91页1.3.4 不饱和碳原

9、子上的亲核加成反应典型反应：对羰基碳的亲核加成和Michael加成第30页，本讲稿共91页羰基碳原子上的亲核加成反应反应通式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第31页，本讲稿共91页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反应等第32页，本讲稿共91页羰基碳与碳的活性因此碱性条件下羰基碳是亲电的，碳是亲核的第33页，本讲稿共9

10、1页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).活性顺序与此相反第34页，本讲稿共91页RMgBr,RLi，NaBH4和LiAlH4对羰基的加成第35页，本讲稿共91页加成和脱氢的选择性格林亚

11、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可抑制脱氢，例如第36页，本讲稿共91页第37页，本讲稿共91页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平衡通常偏向反应物，对酮更是如此第38页，本讲稿共91页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第39页，本讲稿共91页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第40页，本讲稿共91页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第41页，本讲稿共91页羰基碳上亲核取代反应的加成-消除机理酰卤、酯等羰基

12、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-消除机理进行第42页，本讲稿共91页按加成-消除机理反应的原因分析如果按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，位阻较小羰基的键能量高于CX 键，较易断开第43页，本讲稿共91页羰基碳上亲核取代反应的实例碱催化下，两分子酯缩合成碱催化下，两分子酯缩合成-酮酯的反应酮酯的反应Claisen condesation(Claisen酯缩合酯缩合)第44页，本讲稿共91页Claisen缩合的加成缩合的加成-消除机理消除机理第45页，本讲稿共91页

13、Further reactions of the products产物产物-酮酸酯的亚甲基氢受羰基和酯基的共同影响，酮酸酯的亚甲基氢受羰基和酯基的共同影响，酸性强，易转变为钠盐，使平衡向右移动酸性强，易转变为钠盐，使平衡向右移动因此，可用乙醇钠（因此，可用乙醇钠（pKa=18）作碱）作碱（实际上烷基酯的（实际上烷基酯的pKa=25）第46页，本讲稿共91页如果羧酸酯如果羧酸酯 碳上只有一个活泼氢，反应产物就碳上只有一个活泼氢，反应产物就不能发生上述不可逆转化，因此要用更强的碱不能发生上述不可逆转化，因此要用更强的碱例如例如第47页，本讲稿共91页第48页，本讲稿共91页Intramolecul

14、ar condensationDieckmann condensation第49页，本讲稿共91页主要用来合成五元环和六元环主要用来合成五元环和六元环-酮酸酯酮酸酯,例如例如第50页，本讲稿共91页也可用来合成七元环或十三元环以上的大环也可用来合成七元环或十三元环以上的大环合成合成34元环及元环及912元环，收率低，甚至不反应元环，收率低，甚至不反应第51页，本讲稿共91页Effects of -or -alkyl groups on the reaction未取代的未取代的位优先形成烯醇位优先形成烯醇第52页，本讲稿共91页位阻小的位阻小的位氢优先被脱去位氢优先被脱去第53页，本讲稿共91页

15、芳环上的亲核取代反应加成-消除机理：SNAr消除-加成机理：强碱作用下，以苯炔为中间体单电子转移机理：SRN1注意：不按SN2机理反应第54页，本讲稿共91页加成-消除机理：SNAr,芳环上有强吸电基第55页，本讲稿共91页中间体的共振结构Jackson-Meisenheimer配合物；配合物第56页，本讲稿共91页消除-加成机理第57页，本讲稿共91页消除-加成机理的实验证据第58页，本讲稿共91页1.3.6 不饱和烃的亲电加成反应反应机理与亲电试剂的种类有关，以烯烃与质子酸的加成为例，反应机理可表示如下具体的反应将在有关章节中讨论第59页，本讲稿共91页烯烃与质子酸加成的区域选择性服从Ma

16、rkorfnikof规则氢（或亲电试剂）加到含氢多的碳上第60页，本讲稿共91页1.3.7 芳环上的亲电取代反应反应通式：第61页，本讲稿共91页亲电芳香取代机理-络合物-络合物；Wheland中间体第62页，本讲稿共91页-络合物的共振结构第63页，本讲稿共91页亲电芳香取代的活性和选择性供电基：增加活性，邻、对位定位X=electron donating group第64页，本讲稿共91页亲电芳香取代的活性和选择性吸电基：降低活性，间位定位X=electron withdrawing group第65页，本讲稿共91页起初认为芳烃硝化是按硝酸向苯的加成和加成物脱水的加成消除机理进行的，反应

17、式如下芳烃硝化机理的确立过程第66页，本讲稿共91页该机理的局限性不能解释芳环上己有取代基的定位效应不能解释动力学实验结果第67页，本讲稿共91页例如:用过量硝酸硝化活泼芳烃为零级反应而用过量硝酸硝化不活泼芳烃为一级反应第68页，本讲稿共91页Ingold的发现浓硝酸的拉曼光谱在1400cm1处有吸收往浓硝酸中加入浓硫酸，1400cm1处吸收增强。第69页，本讲稿共91页Ingold对1400cm1谱线的解释提出1400cm1处的吸收为硝酰离子NO2+的吸收提出芳烃硝化的亲电取代机理第70页，本讲稿共91页芳烃硝化的亲电取代机理第71页，本讲稿共91页如何由Ingold提出的机理解释芳烃硝化反

18、应中芳环上已有取代基的定位效应？亲电取代机理能够较好地解释动力学实验结果和取代基效应，很长时间被当作经典机理。第72页，本讲稿共91页定位效应的解释：以甲苯的硝化为例：(1)根据反应物分子中芳环上电子云密度解释第73页，本讲稿共91页(2)根据络合物的稳定性解释邻位进攻第74页，本讲稿共91页对位进攻第75页，本讲稿共91页间位进攻第76页，本讲稿共91页为什么优先进攻反应物电荷密度高的位置？为什么络合物稳定对反应有利？以上两种解释有没有区别，什么情况下第一种解释合理，什么情况下第二种解释合理？要回答以上问题，必须了解过渡态理论和影响反应速率的因素第77页，本讲稿共91页用四氟硼硝酰和六氟磷硝

19、酰硝化高的位置选择性（分子内选择性）低的作用物选择性（分子间选择性）用Ingold的经典机理无法解释第78页，本讲稿共91页例如用四氟硼硝酰在硝基甲烷中硝化甲苯，反应速率只是相同条件下硝化苯的1.6倍而在硝基甲烷中用硝酸硝化甲苯，反应速率是苯硝化速率的21倍两种体系中硝化甲苯时，邻、对位产物的比例均达96%以上第79页，本讲稿共91页为什么硝酰离子对甲苯和苯之间失去选择性但仍能在甲苯的邻、对位和间位之间进行选择用Ingold提出的机理显然不能给出满意的解释第80页，本讲稿共91页甲苯亲电取代反应的选择性数据第81页，本讲稿共91页相对分速率和指向因子的定义：第82页，本讲稿共91页为了解释新的

20、实验事实，Olah提出以下经由络合物的芳烃硝化机理：认为生成络合物的步骤决定分子间选择性而分子内选择性则是由络合物向络合物转变的步骤决定的第83页，本讲稿共91页第84页，本讲稿共91页Olah的络合物机理假设虽然较Ingold的机理假设有了进步，但仍存在不少疑问近年来，关于芳烃硝化机理仍然是很多理论和实验研究的课题，并提出了经由单电子转移的机理假设第85页，本讲稿共91页由此可见，即使像芳烃硝化这样的经典反应，其机理仍有很多值得进一步研究的地方在学习反应机理时，应当认识到反应机理存在局限性如果把反应机理当作一成不变的教条，就会束缚我们的思维，不利于创新能力的培养第86页，本讲稿共91页习题33.1 写出以下反应的机理第87页，本讲稿共91页第88页，本讲稿共91页3.2 预测以下反应的可能产物第89页，本讲稿共91页第90页，本讲稿共91页第91页，本讲稿共91页