资源简介

(共102张PPT)
取代反应
一、自由基取代反应
甲烷的氯代反应
反应特点:
(1)反应需紫外光光照或加热。
(2)光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷
(3)反应的时间、原料的组成影响产物
(4)有O2存在时反应延迟，过后正常。延迟时间与O2量有关
2019化学竞赛
甲烷与其它卤素的反应
反应速率: F2 > Cl2 > Br2 > I2 （不反应）
F2 ：反应过分剧烈、较难控制，无价值。
Cl2 ：正常（常温下可发生反应）
Br2 ：稍慢（加热下可发生反应）
I2 ：不反应。即使反应, 其逆反应易进行
主要讨论的内容
2019化学竞赛
甲烷的卤代反应机理（反应机制，反应历程）
什么是反应机理：
反应机理是对反应过程的详细描述，应解释以下问题：
反应条件起什么作用？
决速步骤是哪一步？
副产物是如何生成的？
反应是如何开始的？
产物生成的合理途径？
经过了什么中间体？
研究反应机理的意义：
了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。
发现反应的一些规律，指导研究的深入。
2019化学竞赛
甲烷的氯代反应机理的表达
自由基型链反应（chain reaction）
自由基
中间体
2019化学竞赛
甲烷卤代机理的循环表达式
循环
引发
产物
产物
自由基中间体
O2 存在时有延迟现象
反应速率：氯代 > 溴代
机理应解释的实验现象
产物的生成
光或加热的作用
链现象
O2存在时反应的延迟现象
O2 ：自由基抑制剂
2019化学竞赛
机理的决速步骤（以氯代为例）
DH(反应热)
+ 7.5 kJ/mol
吸热
－112.9 kJ/mol
放热
决速步骤
2019化学竞赛
甲烷氯代的势能变化图
过渡态: 势能最高处的原子排列
Ea：活化能（ activation energy）； DH: 反应热
2019化学竞赛
氯代和溴代反应速率的差别 ——决速步骤速率的差别
氯代
溴代
2019化学竞赛
3o H, 2o H, 1o H：哪种氢易被取代？
Cl 和 Br：哪个卤素的选择性好？
如:
烷烃卤代反应的选择性问题
2019化学竞赛
自由基的稳定性与不同类型H的反应活性
考虑反应的决速步骤
自由基生成的相对速度决定反应的选择性
自由基稳定性：
自由基的相对稳定性决定反应的选择性
R-H的键离解能（DH）
2019化学竞赛
2o 自由基
较易生成
3o 自由基
较易生成
自由基的相对稳定性：3o > 2o > 1o
1o 自由基
较难生成
1o 自由基
较难生成
不同类型自由基的相对稳定性
键离解能（D）
2019化学竞赛
-p 0 3 6 9
自由基稳定性：3° R· > 2° R· > 1° R· > CH3·
超共轭效应对自由基稳定性的影响
2019化学竞赛
苯甲基自由基 烯丙基自由基 三级丁基自由基 异丙基自由基
乙基自由基 甲基自由基 苯基自由基
常见自由基的稳定性顺序
2019化学竞赛
氯代反应的选择性
只考虑氢原子的类型, 忽略烷烃结构的影响
氯代选择性（25oC）：
3o H : 2o H : 1o H = 5.0 : 4 : 1
选择性：2o H : 1o H = 57/2 : 43/6 = 4 : 1
选择性：3o H : 1o H = 36/1 : 64/9 = 5 : 1
2019化学竞赛
选择性：2o H : 1o H = 97/2 : 3/6 = 82 : 1
选择性：3o H : 1o H = 1600 : 1
溴代选择性（127oC）：
3o H : 2o H : 1o H = 1600 : 82 : 1
溴代反应的选择性
2019化学竞赛
总结：烷烃卤代反应的选择性
不同卤素的反应选择性: 溴代 > 氯代
合成上的应用价值： 溴代 > 氯代（反应的选择性
　　好，可得到较高纯度的产物）
3o H > 2o H > 1o H > CH4 (温度升高，选择性变差)
卤代反应中不同类型氢的反应活性
自由基的相对稳定性：
3o > 2o > 1o
总之，氯代反应反应迅速，但选择性差；溴代反应反应温和，选择性好
2019化学竞赛
二、饱和碳上的亲核取代反应
（SN 反应，Nucleophilic Substitution Reaction）
反应通式
底物
(substrate)
负离子型亲核试剂
分子型
亲核试剂
2019化学竞赛
与负离子型亲核试剂的反应
2019化学竞赛
2019化学竞赛
与分子型亲核试剂的反应
同时充当试剂和溶剂——溶剂解反应
2019化学竞赛
取代反应小结
R－X为重要有机中间体（intermediates）
2019化学竞赛
实验证据：存在两种类型的反应
2.1 亲核取代反应机理
2019化学竞赛
SN1、SN2机理
SN2中的2，表示双分子，即这个亲核取代反应控制反应速率一步（即慢的一步）是由两种分子控制的。
SN1中的1表示单分子，即这个亲核取代反应控制反应速率一步（即慢的一步）是由一种分子控制的。
2019化学竞赛
SN2机理
C－X 键先解离，再与亲核试剂成键（二步机理）
反应经过碳正离子中间体。
第一步应为决速步骤
碳正离子
2019化学竞赛
构型转换型反应
2019化学竞赛
SN2反应机制：
SN2反应是同步过程，即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，先与碳原子形成比较弱的键，同时离去基团与碳原子的键有一定程度的减弱，两者与碳原子成一直线形，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变成平面，这需要消耗能量，当反应进行和达到能量最高状态即过渡态后，亲核试剂与碳原子之间的键开始形成，碳原子与离去基团之间的键断裂，碳原子上三个键由平面向另一边偏转，释放能量，形成产物。
反应的立体化学：
SN2反应手性底物反应发生构型转换。
2019化学竞赛
SN1机理
旧键的解离与新键的形成同时进行（一步机理）
反应一步完成，不经过任何其它中间体
2019化学竞赛
消旋型反应
平面型（sp2杂化）
2019化学竞赛
SN1反应机制：
SN1反应是分步过程，反应物首先离解为碳正离子与带负电荷的离去基团，这个过程需要能量，是控制反应速率的一步，也是慢的一步，当分子离解后，碳正离子马上与亲核试剂结合，速率极快，是快的一步。
反应的立体化学：
SN1反应手性底物反应发生消旋化。
2019化学竞赛
亲核取代反应机理小结
卤代烷亲核取代的两种机理： SN2 和 SN1 机理
SN2 机理：双分子取代，一步机理
反应速率 ＝ k[RX][Nu-]
手性底物反应发生构型转换
SN1 机理：单分子取代，二步机理
反应速率 ＝ k[RX]
手性底物反应发生消旋化
2019化学竞赛
2.2 碳正离子（Carbonium ion）
碳正离子：一类碳上只带有六个电子的活泼中间体
碳正离子一般无法分离得到，可通过实验方法捕获：
甲基碳正离子
伯碳
正离子
仲碳
正离子
叔碳
正离子
2019化学竞赛
碳正离子的相对稳定次序：
补充：苄基和烯丙基碳正离子的相对稳定性：
2019化学竞赛
烷基对碳正离子的稳定作用——（诱导）给电子效应
稳定性
烷基充当给电子基作用
（通过单键传递的）诱导给电子效应
（诱导）吸电子效应
一些使碳正离子不稳定的因素
很不稳定
2019化学竞赛
碳正离子的重排性 —— Wagner-Meerwein重排
迁移动力：生成更稳定的正碳离子
1, 2-H 迁移
2019化学竞赛
其它形式的碳正离子的重排
1, 2-H 迁移
1, 2-CH3 迁移
2019化学竞赛
写出下列反应的机理
溴乙烷与NaOH的反应（SN2机理）
机理：
希望通过这些例子，学习并基本掌握反应机理的表达方法
2019化学竞赛
叔丁基溴在80％EtOH水溶液中的水解反应（SN1机理）
机理：
2019化学竞赛
写出反应机理解释下列主要反应产物的形成
SN1机理
主要产物
2019化学竞赛
2.3 影响亲核取代反应机理和反应速率的因素
烷基结构的影响、亲核试剂的影响、
溶剂极性的影响、离去基团的影响
R的结构
C－X键强度
体积
浓度
亲核能力
浓度
对亲核试剂的影响
对反应的影响
稳定性
绝对的按 SN2 或 SN1 机理的例子不多，一般情况下两种机理并存，并依反应条件而改变。
2019化学竞赛
SN2 机理
SN1 机理
C－X键强度：
F >> Cl > Br > I
R 的空间位阻小
α-碳正电性大
C－X键易解离
有利因素
生成的正碳离子稳定
C－X键易解离
有利因素
① 底物结构的影响
2019化学竞赛
SN2机理与烷基的结构
相对速率
相对速率
空间位阻效应
电子效应
2019化学竞赛
SN1机理与烷基的结构
相对速率
相对速率
正碳离子稳定性
空助效应（消除X减少基团拥挤）
2019化学竞赛
注意反应条件改变对机理的影响
SN1机理
新戊基SN1, SN2均慢
2019化学竞赛
亲核能力
浓度
亲核试剂
SN2 机理
SN1 机理
亲核能力强
浓度大
有利因素
亲核能力、浓度与决速步骤无关
SN2速率 ＝ k[RX][Nu]
SN1速率 ＝ k[RX]
② 亲核试剂的影响
2019化学竞赛
极性大：对极性大（电荷密度集中）体系有利。
极性小：对极性小（电荷密度分散）体系有利。
SN2 机理
SN1 机理
电荷密度集中
（极性大）
电荷密度分散
（极性减小）
极性较小
极性增加
低极性溶剂对稳定过渡态有利
极性溶剂对稳定过渡态有利
③ 溶剂极性的影响
2019化学竞赛
各种影响亲核取代机理的因素总结
对SN2有利的因素
对SN1有利的因素
2019化学竞赛
离去基团
Leaving Group
好离去基团的条件：是稳定的弱碱
碱性顺序
强
弱
离去相对速率
10-2 1 50 150
好离去基团
④ 离去基团的影响
2019化学竞赛
其它底物的亲核取代问题
醇的羟基难取代
差离去基团
（碱性强）
均难被取代
2019化学竞赛
转变为好的离去基团
例：醇的溴代
例：醇的氯代
质子化羟基
SN2 or SN1
弱碱
好离去基团
金属的络合物
SN2 or SN1
稳定的络合物
好离去基团
2019化学竞赛
转变为磺酸酯（常用对甲基苯磺酸酯）
好离去基团
SN2
对甲苯磺酰氯
对甲苯磺酸酯
对甲苯磺酸根负离子
稳定的负离子，弱碱
苯环上的亲电取代机理通式
s-络合物
2020化学竞赛
三、芳环上的亲电取代
3.1 常见的几类苯环上的亲电取代反应
卤代反应
硝化反应
磺化反应
烷基化反应
酰基化反应
Friedel-Crafts 反应
（傅－克反应）
2020化学竞赛
① 卤代反应
机理
亲电中心
2020化学竞赛
与自由基取代反应的区别
芳环上的卤代在合成上的重要性
是芳环引入卤素（Cl、Br）的主要方法之一
Ar－X是合成其它类型的化合物的重要中间体
2020化学竞赛
② 硝化反应
机理
无 H2SO4时反应很慢
浓H2SO4作用：
产生 NO2
除去生成的水
2020化学竞赛
硝化反应在合成上的重要性
制备硝基苯类化合物（炸药）
转变为苯胺衍生物
2, 4, 6-三硝基甲苯
(TNT)
苯胺类化合物的主要制备方法
2020化学竞赛
③ 苯环上的磺化反应
磺化反应
去磺酸基反应
苯磺酸
注意：磺化反应是可逆的
2020化学竞赛
苯环的磺化机理(逆向为去磺酸基机理）
E1接近E2
磺化亲电试剂
2020化学竞赛
磺化反应可逆性在合成上的应用
例：
直接氯代
用磺化法保护
2－氯甲苯
（得混合物）
（得纯产物）
保护对位
去除保护基
2020化学竞赛
④ 苯环上的烷基化反应（Friedel-Crafts烷基化反应）
机理
碳正离子证据
Lewis 酸催化剂
其它催化剂：
SnCl4, FeCl3, ZnCl2, TiCl4, BF3等
2020化学竞赛
苯环烷基化其它方法
问题：碳正离子的产生途径还有那些？
例
由烯烃
由醇
与苯环反应
2020化学竞赛
⑤ 苯环上的酰基化反应（Friedel-Crafts酰基化反应）
酸酐
酰氯
AlCl3用量:
用酰氯时，用量 > 1 eqv.
用酸酐时，用量 > 2 eqv.
比较：
烷基化AlCl3用量为催化量
eqv. = equivalent
2020化学竞赛
反应机理
酰氯为酰基化试剂
酮与AlCl3络合，消耗1eqv. AlCl3
2020化学竞赛
酸酐为酰基化试剂
以下步骤同前
消耗1eqv. AlCl3
消耗1eqv. AlCl3
2020化学竞赛
Friedel-Crafts酰基化反应在合成中的应用
制备芳香酮
间接制备烷基苯
不会多取代
比第一步快
直接法不足之处：(1)有重排。 (2)易进一步取代
2020化学竞赛
⑥ 芳环的氯甲基化反应和Gattermann-Koch反应
氯甲基化反应（与Friedel－Crafts烷基化类似）
机理
醇的氯代
氯甲基
2020化学竞赛
Gattermann-Koch反应
与Friedel－Crafts酰基化类似
甲酰基
机理
2020化学竞赛
苯环上的亲电取代反应小结
2020化学竞赛
问题：苯环上已有取代基时，取代在何处？
邻位取代
间位取代
对位取代

3.2 芳环上的亲电取代反应规律
2020化学竞赛
取代基对反应有两方面影响——反应活性和反应取向
一些实验结果
R 反应温度 邻位取代 对位取代 间位取代 反应速度
H 55~60oC 1
CH3 30oC 58% 38% 4% 25
Cl 60~70oC 30% 70% 微量 0.03
NO2 95oC 6% 1% 93% 10－4
2020化学竞赛
3.2.1 取代基对亲电取代位置的影响
3.2.2 取代基的分类
致活基团和致钝基团（考虑对反应活性及速度的影响）
（activating groups and deactivating groups)
如：
致活基团
（亲电取代反应比苯快）
致钝基团
（亲电取代反应比苯慢）
2020化学竞赛
邻对位定位基和间位定位基（考虑对反应取向的影响）
如：
邻对位定位基
（邻对位产物为主）
间位定位基
（间位产物为主）
邻对位定位致活基
邻对位定位致钝基
间位定位致钝基
Ortho- and para-directing activators
Ortho- and para-directing deactivators
Meta-directing deactivators
2020化学竞赛
Benzene
（苯）
邻对位致活基
邻对位致钝基
间位致钝基
强致钝
中致钝
弱致钝
弱致活
中致活
强致活
Reactivity
一些常见取代基
2020化学竞赛
3.2.3 取代基对反应活性及定位的分析和解释
取代基的电子效应对苯环电荷密度的影响
诱导效应的影响
诱导给电子
（使苯环活化）
诱导吸电子
（使苯环钝化）
致活基
致钝基
2020化学竞赛
共轭效应的影响
共轭给电子效应
（使苯环邻、对位活化）
例：－NH2的致活作用
2020化学竞赛
例：－NO2的致钝作用
共轭吸电子效应
（使苯环邻、对位钝化）
2020化学竞赛
取代基的电子效应对中间体稳定性的影响
诱导给电子效应的影响
例：
主要产物
中间体稳定性分析：
最稳定的共振式
（CH3起稳定作用）
邻位取代
2020化学竞赛
对位取代
最稳定的共振式
（CH3起稳定作用）
间位取代
CH3 的给电子效应未起作用
2020化学竞赛
苯的反应
－CH3（致活基团）使得邻、对、间三个位置均活化。
反应进程——势能图
2020化学竞赛
共轭给电子效应的影响
例：
主要产物
中间体稳定性分析：
邻位取代
最稳定的共振式
(满足八隅体)
中间体稳定
（有四个共振式）
2020化学竞赛
对位取代
中间体稳定
（有四个共振式）
最稳定的共振式
(满足八隅体)
间位取代
中间体只有三个共振式，－OR未起作用
2020化学竞赛
反应进程——势能图
苯的反应
－OR使得邻、对位活化（共轭效应）。
－OR使得间位钝化（诱导吸电子效应）
2020化学竞赛
共轭吸电子效应的影响
例：
主要产物
中间体稳定性分析：
邻位、对位取代
不稳定
不稳定
2020化学竞赛
间位取代
－NO2使得邻、对、间三个位置均钝化，间位受到影响较小。
苯的反应
2020化学竞赛
卤素的双重作用:邻对位致钝基
例：
慢
苯环钝化，反应慢。邻位受影响最大。
邻位取代（对位取代情况类似）
最稳定
(满足八隅体)
中间体稳定
（有四个共振式）
2020化学竞赛
间位取代
中间体只有三个共振式，不稳定
苯的反应
邻、对、间三个位置均钝化，对位位受到影响较小。
2020化学竞赛
例1：
合成路线
2020化学竞赛
3.3 取代基的定位作用在合成中的应用
例2：
直接硝化
保护氨基
存在问题：
(1)苯胺易被硝酸氧化
(2)苯环钝化，反应难，
生成少量间位产物
优点：(1)氨基保护后不易被氧化
(2)N的碱性减弱，不与H+反应
(3)保护后为弱致活基，反应易控制
2020化学竞赛
例3：
热力学稳定产物
合成方法：先保护对位
去磺酸基
2020化学竞赛
例4：
分析
第一步不合理：
(1) 直接接丙基，有重排产物
(2)丙基为致活基团，易多取代
第二步反应难
（为什么？）
或
2020化学竞赛
较好的合成路线
有致钝基团，
不会多取代。
Wolff-Kishner还原
（碱性体系）
Clemmensen还原
（酸性体系）
2020化学竞赛
例5：
2020化学竞赛
2020化学竞赛
分析







例6：
2020化学竞赛
2020化学竞赛
氧化反应
苯环的氧化
侧链的氧化
不反应
顺丁烯二酸酐
不被氧化（因为无a-H）
产物均为苯甲酸
2020化学竞赛
2.3 苯及其同系物的氧化和还原
例 1：
芳环侧链氧化在合成上的应用——制备苯甲酸衍生物
合成
先硝化，再氧化，符合定位取向
分去邻位产物
2020化学竞赛
例 2：
合成
2020化学竞赛
合成
符合定位取向
不能得到目标分子
2020化学竞赛
四、不饱和碳（羰基）上的亲核取代
五 、芳环上的亲核取代
六、芳环上的自由基取代反应
未完待续……

展开更多......

收起↑