資源簡介

(共102張PPT)
取代反應
一、自由基取代反應
甲烷的氯代反應
反應特點:
(1)反應需紫外光光照或加熱。
(2)光照時吸收一個光子可產生幾千個氯甲烷
(3)反應的時間、原料的組成影響產物
(4)有O2存在時反應延遲，過后正常。延遲時間與O2量有關
2019化學競賽
甲烷與其它鹵素的反應
反應速率: F2 > Cl2 > Br2 > I2 （不反應）
F2 ：反應過分劇烈、較難控制，無價值。
Cl2 ：正常（常溫下可發生反應）
Br2 ：稍慢（加熱下可發生反應）
I2 ：不反應。即使反應, 其逆反應易進行
主要討論的內容
2019化學競賽
甲烷的鹵代反應機理（反應機制，反應歷程）
什么是反應機理：
反應機理是對反應過程的詳細描述，應解釋以下問題：
反應條件起什么作用？
決速步驟是哪一步？
副產物是如何生成的？
反應是如何開始的？
產物生成的合理途徑？
經過了什么中間體？
研究反應機理的意義：
了解影響反應的各種因素，最大限度地提高反應的產率。
發現反應的一些規律，指導研究的深入。
2019化學競賽
甲烷的氯代反應機理的表達
自由基型鏈反應（chain reaction）
自由基
中間體
2019化學競賽
甲烷鹵代機理的循環表達式
循環
引發
產物
產物
自由基中間體
O2 存在時有延遲現象
反應速率：氯代 > 溴代
機理應解釋的實驗現象
產物的生成
光或加熱的作用
鏈現象
O2存在時反應的延遲現象
O2 ：自由基抑制劑
2019化學競賽
機理的決速步驟（以氯代為例）
DH(反應熱)
+ 7.5 kJ/mol
吸熱
－112.9 kJ/mol
放熱
決速步驟
2019化學競賽
甲烷氯代的勢能變化圖
過渡態: 勢能最高處的原子排列
Ea：活化能（ activation energy）； DH: 反應熱
2019化學競賽
氯代和溴代反應速率的差別 ——決速步驟速率的差別
氯代
溴代
2019化學競賽
3o H, 2o H, 1o H：哪種氫易被取代？
Cl 和 Br：哪個鹵素的選擇性好？
如:
烷烴鹵代反應的選擇性問題
2019化學競賽
自由基的穩定性與不同類型H的反應活性
考慮反應的決速步驟
自由基生成的相對速度決定反應的選擇性
自由基穩定性：
自由基的相對穩定性決定反應的選擇性
R-H的鍵離解能（DH）
2019化學競賽
2o 自由基
較易生成
3o 自由基
較易生成
自由基的相對穩定性：3o > 2o > 1o
1o 自由基
較難生成
1o 自由基
較難生成
不同類型自由基的相對穩定性
鍵離解能（D）
2019化學競賽
-p 0 3 6 9
自由基穩定性：3° R· > 2° R· > 1° R· > CH3·
超共軛效應對自由基穩定性的影響
2019化學競賽
苯甲基自由基 烯丙基自由基 三級丁基自由基 異丙基自由基
乙基自由基 甲基自由基 苯基自由基
常見自由基的穩定性順序
2019化學競賽
氯代反應的選擇性
只考慮氫原子的類型, 忽略烷烴結構的影響
氯代選擇性（25oC）：
3o H : 2o H : 1o H = 5.0 : 4 : 1
選擇性：2o H : 1o H = 57/2 : 43/6 = 4 : 1
選擇性：3o H : 1o H = 36/1 : 64/9 = 5 : 1
2019化學競賽
選擇性：2o H : 1o H = 97/2 : 3/6 = 82 : 1
選擇性：3o H : 1o H = 1600 : 1
溴代選擇性（127oC）：
3o H : 2o H : 1o H = 1600 : 82 : 1
溴代反應的選擇性
2019化學競賽
總結：烷烴鹵代反應的選擇性
不同鹵素的反應選擇性: 溴代 > 氯代
合成上的應用價值： 溴代 > 氯代（反應的選擇性
　　好，可得到較高純度的產物）
3o H > 2o H > 1o H > CH4 (溫度升高，選擇性變差)
鹵代反應中不同類型氫的反應活性
自由基的相對穩定性：
3o > 2o > 1o
總之，氯代反應反應迅速，但選擇性差；溴代反應反應溫和，選擇性好
2019化學競賽
二、飽和碳上的親核取代反應
（SN 反應，Nucleophilic Substitution Reaction）
反應通式
底物
(substrate)
負離子型親核試劑
分子型
親核試劑
2019化學競賽
與負離子型親核試劑的反應
2019化學競賽
2019化學競賽
與分子型親核試劑的反應
同時充當試劑和溶劑——溶劑解反應
2019化學競賽
取代反應小結
R－X為重要有機中間體（intermediates）
2019化學競賽
實驗證據：存在兩種類型的反應
2.1 親核取代反應機理
2019化學競賽
SN1、SN2機理
SN2中的2，表示雙分子，即這個親核取代反應控制反應速率一步（即慢的一步）是由兩種分子控制的。
SN1中的1表示單分子，即這個親核取代反應控制反應速率一步（即慢的一步）是由一種分子控制的。
2019化學競賽
SN2機理
C－X 鍵先解離，再與親核試劑成鍵（二步機理）
反應經過碳正離子中間體。
第一步應為決速步驟
碳正離子
2019化學競賽
構型轉換型反應
2019化學競賽
SN2反應機制：
SN2反應是同步過程，即親核試劑從反應物離去基團的背面向與它連接的碳原子進攻，先與碳原子形成比較弱的鍵，同時離去基團與碳原子的鍵有一定程度的減弱，兩者與碳原子成一直線形，碳原子上另外三個鍵逐漸由傘形轉變成平面，這需要消耗能量，當反應進行和達到能量最高狀態即過渡態后，親核試劑與碳原子之間的鍵開始形成，碳原子與離去基團之間的鍵斷裂，碳原子上三個鍵由平面向另一邊偏轉，釋放能量，形成產物。
反應的立體化學：
SN2反應手性底物反應發生構型轉換。
2019化學競賽
SN1機理
舊鍵的解離與新鍵的形成同時進行（一步機理）
反應一步完成，不經過任何其它中間體
2019化學競賽
消旋型反應
平面型（sp2雜化）
2019化學競賽
SN1反應機制：
SN1反應是分步過程，反應物首先離解為碳正離子與帶負電荷的離去基團，這個過程需要能量，是控制反應速率的一步，也是慢的一步，當分子離解后，碳正離子馬上與親核試劑結合，速率極快，是快的一步。
反應的立體化學：
SN1反應手性底物反應發生消旋化。
2019化學競賽
親核取代反應機理小結
鹵代烷親核取代的兩種機理： SN2 和 SN1 機理
SN2 機理：雙分子取代，一步機理
反應速率 ＝ k[RX][Nu-]
手性底物反應發生構型轉換
SN1 機理：單分子取代，二步機理
反應速率 ＝ k[RX]
手性底物反應發生消旋化
2019化學競賽
2.2 碳正離子（Carbonium ion）
碳正離子：一類碳上只帶有六個電子的活潑中間體
碳正離子一般無法分離得到，可通過實驗方法捕獲：
甲基碳正離子
伯碳
正離子
仲碳
正離子
叔碳
正離子
2019化學競賽
碳正離子的相對穩定次序：
補充：芐基和烯丙基碳正離子的相對穩定性：
2019化學競賽
烷基對碳正離子的穩定作用——（誘導）給電子效應
穩定性
烷基充當給電子基作用
（通過單鍵傳遞的）誘導給電子效應
（誘導）吸電子效應
一些使碳正離子不穩定的因素
很不穩定
2019化學競賽
碳正離子的重排性 —— Wagner-Meerwein重排
遷移動力：生成更穩定的正碳離子
1, 2-H 遷移
2019化學競賽
其它形式的碳正離子的重排
1, 2-H 遷移
1, 2-CH3 遷移
2019化學競賽
寫出下列反應的機理
溴乙烷與NaOH的反應（SN2機理）
機理：
希望通過這些例子，學習并基本掌握反應機理的表達方法
2019化學競賽
叔丁基溴在80％EtOH水溶液中的水解反應（SN1機理）
機理：
2019化學競賽
寫出反應機理解釋下列主要反應產物的形成
SN1機理
主要產物
2019化學競賽
2.3 影響親核取代反應機理和反應速率的因素
烷基結構的影響、親核試劑的影響、
溶劑極性的影響、離去基團的影響
R的結構
C－X鍵強度
體積
濃度
親核能力
濃度
對親核試劑的影響
對反應的影響
穩定性
絕對的按 SN2 或 SN1 機理的例子不多，一般情況下兩種機理并存，并依反應條件而改變。
2019化學競賽
SN2 機理
SN1 機理
C－X鍵強度：
F >> Cl > Br > I
R 的空間位阻小
α-碳正電性大
C－X鍵易解離
有利因素
生成的正碳離子穩定
C－X鍵易解離
有利因素
① 底物結構的影響
2019化學競賽
SN2機理與烷基的結構
相對速率
相對速率
空間位阻效應
電子效應
2019化學競賽
SN1機理與烷基的結構
相對速率
相對速率
正碳離子穩定性
空助效應（消除X減少基團擁擠）
2019化學競賽
注意反應條件改變對機理的影響
SN1機理
新戊基SN1, SN2均慢
2019化學競賽
親核能力
濃度
親核試劑
SN2 機理
SN1 機理
親核能力強
濃度大
有利因素
親核能力、濃度與決速步驟無關
SN2速率 ＝ k[RX][Nu]
SN1速率 ＝ k[RX]
② 親核試劑的影響
2019化學競賽
極性大：對極性大（電荷密度集中）體系有利。
極性?。簩O性?。姾擅芏确稚ⅲw系有利。
SN2 機理
SN1 機理
電荷密度集中
（極性大）
電荷密度分散
（極性減小）
極性較小
極性增加
低極性溶劑對穩定過渡態有利
極性溶劑對穩定過渡態有利
③ 溶劑極性的影響
2019化學競賽
各種影響親核取代機理的因素總結
對SN2有利的因素
對SN1有利的因素
2019化學競賽
離去基團
Leaving Group
好離去基團的條件：是穩定的弱堿
堿性順序
強
弱
離去相對速率
10-2 1 50 150
好離去基團
④ 離去基團的影響
2019化學競賽
其它底物的親核取代問題
醇的羥基難取代
差離去基團
（堿性強）
均難被取代
2019化學競賽
轉變為好的離去基團
例：醇的溴代
例：醇的氯代
質子化羥基
SN2 or SN1
弱堿
好離去基團
金屬的絡合物
SN2 or SN1
穩定的絡合物
好離去基團
2019化學競賽
轉變為磺酸酯（常用對甲基苯磺酸酯）
好離去基團
SN2
對甲苯磺酰氯
對甲苯磺酸酯
對甲苯磺酸根負離子
穩定的負離子，弱堿
苯環上的親電取代機理通式
s-絡合物
2020化學競賽
三、芳環上的親電取代
3.1 常見的幾類苯環上的親電取代反應
鹵代反應
硝化反應
磺化反應
烷基化反應
酰基化反應
Friedel-Crafts 反應
（傅－克反應）
2020化學競賽
① 鹵代反應
機理
親電中心
2020化學競賽
與自由基取代反應的區別
芳環上的鹵代在合成上的重要性
是芳環引入鹵素（Cl、Br）的主要方法之一
Ar－X是合成其它類型的化合物的重要中間體
2020化學競賽
② 硝化反應
機理
無 H2SO4時反應很慢
濃H2SO4作用：
產生 NO2
除去生成的水
2020化學競賽
硝化反應在合成上的重要性
制備硝基苯類化合物（炸藥）
轉變為苯胺衍生物
2, 4, 6-三硝基甲苯
(TNT)
苯胺類化合物的主要制備方法
2020化學競賽
③ 苯環上的磺化反應
磺化反應
去磺酸基反應
苯磺酸
注意：磺化反應是可逆的
2020化學競賽
苯環的磺化機理(逆向為去磺酸基機理）
E1接近E2
磺化親電試劑
2020化學競賽
磺化反應可逆性在合成上的應用
例：
直接氯代
用磺化法保護
2－氯甲苯
（得混合物）
（得純產物）
保護對位
去除保護基
2020化學競賽
④ 苯環上的烷基化反應（Friedel-Crafts烷基化反應）
機理
碳正離子證據
Lewis 酸催化劑
其它催化劑：
SnCl4, FeCl3, ZnCl2, TiCl4, BF3等
2020化學競賽
苯環烷基化其它方法
問題：碳正離子的產生途徑還有那些？
例
由烯烴
由醇
與苯環反應
2020化學競賽
⑤ 苯環上的?；磻‵riedel-Crafts?；磻?br/>酸酐
酰氯
AlCl3用量:
用酰氯時，用量 > 1 eqv.
用酸酐時，用量 > 2 eqv.
比較：
烷基化AlCl3用量為催化量
eqv. = equivalent
2020化學競賽
反應機理
酰氯為?；噭?br/>酮與AlCl3絡合，消耗1eqv. AlCl3
2020化學競賽
酸酐為酰基化試劑
以下步驟同前
消耗1eqv. AlCl3
消耗1eqv. AlCl3
2020化學競賽
Friedel-Crafts?；磻诤铣芍械膽?br/>制備芳香酮
間接制備烷基苯
不會多取代
比第一步快
直接法不足之處：(1)有重排。 (2)易進一步取代
2020化學競賽
⑥ 芳環的氯甲基化反應和Gattermann-Koch反應
氯甲基化反應（與Friedel－Crafts烷基化類似）
機理
醇的氯代
氯甲基
2020化學競賽
Gattermann-Koch反應
與Friedel－Crafts?；愃?br/>甲酰基
機理
2020化學競賽
苯環上的親電取代反應小結
2020化學競賽
問題：苯環上已有取代基時，取代在何處？
鄰位取代
間位取代
對位取代

3.2 芳環上的親電取代反應規律
2020化學競賽
取代基對反應有兩方面影響——反應活性和反應取向
一些實驗結果
R 反應溫度 鄰位取代 對位取代 間位取代 反應速度
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化學競賽
3.2.1 取代基對親電取代位置的影響
3.2.2 取代基的分類
致活基團和致鈍基團（考慮對反應活性及速度的影響）
（activating groups and deactivating groups)
如：
致活基團
（親電取代反應比苯快）
致鈍基團
（親電取代反應比苯慢）
2020化學競賽
鄰對位定位基和間位定位基（考慮對反應取向的影響）
如：
鄰對位定位基
（鄰對位產物為主）
間位定位基
（間位產物為主）
鄰對位定位致活基
鄰對位定位致鈍基
間位定位致鈍基
Ortho- and para-directing activators
Ortho- and para-directing deactivators
Meta-directing deactivators
2020化學競賽
Benzene
（苯）
鄰對位致活基
鄰對位致鈍基
間位致鈍基
強致鈍
中致鈍
弱致鈍
弱致活
中致活
強致活
Reactivity
一些常見取代基
2020化學競賽
3.2.3 取代基對反應活性及定位的分析和解釋
取代基的電子效應對苯環電荷密度的影響
誘導效應的影響
誘導給電子
（使苯環活化）
誘導吸電子
（使苯環鈍化）
致活基
致鈍基
2020化學競賽
共軛效應的影響
共軛給電子效應
（使苯環鄰、對位活化）
例：－NH2的致活作用
2020化學競賽
例：－NO2的致鈍作用
共軛吸電子效應
（使苯環鄰、對位鈍化）
2020化學競賽
取代基的電子效應對中間體穩定性的影響
誘導給電子效應的影響
例：
主要產物
中間體穩定性分析：
最穩定的共振式
（CH3起穩定作用）
鄰位取代
2020化學競賽
對位取代
最穩定的共振式
（CH3起穩定作用）
間位取代
CH3 的給電子效應未起作用
2020化學競賽
苯的反應
－CH3（致活基團）使得鄰、對、間三個位置均活化。
反應進程——勢能圖
2020化學競賽
共軛給電子效應的影響
例：
主要產物
中間體穩定性分析：
鄰位取代
最穩定的共振式
(滿足八隅體)
中間體穩定
（有四個共振式）
2020化學競賽
對位取代
中間體穩定
（有四個共振式）
最穩定的共振式
(滿足八隅體)
間位取代
中間體只有三個共振式，－OR未起作用
2020化學競賽
反應進程——勢能圖
苯的反應
－OR使得鄰、對位活化（共軛效應）。
－OR使得間位鈍化（誘導吸電子效應）
2020化學競賽
共軛吸電子效應的影響
例：
主要產物
中間體穩定性分析：
鄰位、對位取代
不穩定
不穩定
2020化學競賽
間位取代
－NO2使得鄰、對、間三個位置均鈍化，間位受到影響較小。
苯的反應
2020化學競賽
鹵素的雙重作用:鄰對位致鈍基
例：
慢
苯環鈍化，反應慢。鄰位受影響最大。
鄰位取代（對位取代情況類似）
最穩定
(滿足八隅體)
中間體穩定
（有四個共振式）
2020化學競賽
間位取代
中間體只有三個共振式，不穩定
苯的反應
鄰、對、間三個位置均鈍化，對位位受到影響較小。
2020化學競賽
例1：
合成路線
2020化學競賽
3.3 取代基的定位作用在合成中的應用
例2：
直接硝化
保護氨基
存在問題：
(1)苯胺易被硝酸氧化
(2)苯環鈍化，反應難，
生成少量間位產物
優點：(1)氨基保護后不易被氧化
(2)N的堿性減弱，不與H+反應
(3)保護后為弱致活基，反應易控制
2020化學競賽
例3：
熱力學穩定產物
合成方法：先保護對位
去磺酸基
2020化學競賽
例4：
分析
第一步不合理：
(1) 直接接丙基，有重排產物
(2)丙基為致活基團，易多取代
第二步反應難
（為什么？）
或
2020化學競賽
較好的合成路線
有致鈍基團，
不會多取代。
Wolff-Kishner還原
（堿性體系）
Clemmensen還原
（酸性體系）
2020化學競賽
例5：
2020化學競賽
2020化學競賽
分析







例6：
2020化學競賽
2020化學競賽
氧化反應
苯環的氧化
側鏈的氧化
不反應
順丁烯二酸酐
不被氧化（因為無a-H）
產物均為苯甲酸
2020化學競賽
2.3 苯及其同系物的氧化和還原
例 1：
芳環側鏈氧化在合成上的應用——制備苯甲酸衍生物
合成
先硝化，再氧化，符合定位取向
分去鄰位產物
2020化學競賽
例 2：
合成
2020化學競賽
合成
符合定位取向
不能得到目標分子
2020化學競賽
四、不飽和碳（羰基）上的親核取代
五 、芳環上的親核取代
六、芳環上的自由基取代反應
未完待續……

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