精细有机合成02第二章精细有机合成的理论与技术基础.ppt

第二章 精细有机合成的理论与技术基础,复习:p轨道、CH 键、CC 键、元素周期表和电负性概念,原子的电负性：指原子吸收电子的能力。鲍林指定氟原子的电负性为4.0，其它原子与其比较计算得电负性值，是相对值，无单位。,第一节 精细有机合成基础理论知识,电子效应和空间效应,诱导效应 有机物分子中相互连接的不同原子间由于原子各自的电负性不同而引起的连接键内电子云偏移的现象，以及原子或分子受外电场作用而引起的电子云转移现象。通常用I表示。,静态诱导效应 由于分子内成键原子的电负性不同所引起的电子云沿键链按一定方向移动的效应，或者说键的极性通过键链依次传递的效应。,箭头表示电子云的偏移方向,诱导效应的方向通常是以C-H键作为基准的，根据原子或原子团比氢的电负性大小引起的静态诱导效应分为吸电静态诱导效应（-IS）和供电静态诱导效应（+IS）。,诱导效应沿键链的传递是以静电诱导的方式进行的，只涉及电子云分布状况改变和键的极性的改变，一般不引起整个电荷的转移、价态的变化。,在键链中通过静电诱导传递的诱导效应受屏蔽效应的影响是明显的，诱导效应随着距离的增加，变化非常迅速。,由于氯原子的吸电诱导效应的依次传递，促进了质子的离解，增强的该酸的酸性。,动态诱导效应 当进攻试剂接近底物时，因外界电场的影响也会使共价键上电子云发生改变，键的极性发生变化，这种变化用Id表示。,Id和Is作用方向一致时，将有助于化学反应的进行。Id和Is的作用方向不一致时，Id往往起主导作用。,Id:-I-Br-Cl-F-CR3-NR2-OR-F-O-OR,共轭效应,在单双键交替排列的体系中或具有未共用电子对的原子与双键直接相连的体系中，p轨道与轨道间存在着相互的作用和影响，每个成键原子不仅受到成键原子的原子核的作用，而且也受到其他原子核的作用，因而分子能量降低，体系趋于稳定。这种现象称为离域键，含有这样一些离域键的体系通称为共轭体系，共轭体系中原子间的相互影响的电子效应称为共轭效应。,空间效应 是由分子中各原子或基团的空间适配性，或反应分子间的各原子或基团的空间适配性所引起的一种形体效应,空间效应的强弱取决于相关原子或基团的大小和形状。,空间位阻一般指体积庞大的取代基直接影响化合物反应活性部位的显露，阻碍反应试剂对反应中心的有效进攻。,空间位阻也可以指进攻试剂的庞大体积影响其有效进入反应位置。,空间位阻是最常见的一种空间效应。,有机反应试剂,共价键断裂的方式不同,例：氯气分子在不同条件下,第二节 精细有机合成反应基础知识,取代反应 取代反应指与碳原子相连的原子或基团被另一个原子或基团所替代的反应。,脂肪族亲核取代反应（SN）,卤代烷中卤素的电负性很强，因此，C-X键的电子对偏向卤原子,底物,亲核试剂（进入基团）,离去基团,单分子亲核取代反应(SN1),叔丁基溴的水解:,该反应的反应速度仅取决于叔丁基溴的浓度，而不受OH-浓度的影响。反应速度=k(CH3)3CBr,SN1反应历程可用下式来表示：,卤代烷首先离解为正碳离子与带负电荷的离去基团，而离解过程需要消耗能量，是控制反应速度的步骤，也是速度最慢的步骤。,离解生成正碳离子随后立即与亲核试剂反应，而这一过程速度极快。,由于该亲核取代反应中控制反应速度的一步是单分子，因此这种反应称为单分子亲核取代反应。,SN1反应能量变化图:,溴甲烷在碱性水溶液中的水解反应:,双分子亲核取代反应(SN2),溴甲烷在碱性水溶液中的水解反应速度取决于两个反应物的浓度，该反应的反应历程可认为卤代烷和羟基离子都参与了限速步骤。,该反应是一个同步过程，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，先与碳原子形成较弱的键,离去基团与碳原子的键有所减弱，两者与碳原子成直线形状，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变成平面。,这一过程需要消耗能量(即活化能)，所以这一过程较慢，是控制反应速度的步骤。,SN2反应能量变化图:,影响反应的因素,在SN1反应中，与离去基团相连的碳原子背面的空间阻碍越大，越不易发生SN2反应，而越容易发生SN1反应。,在SN1反应中，亲核试剂的性质对反应速度没有影响。SN2反应中亲核试剂的亲核性对反应速度影响显著。,进入基团的碱性愈强,其亲核性能力也愈强。,I-CN-OH-Br AcO-H2O,离去基团的碱性愈弱，形成的负离子愈稳定，愈容易被进入基团取代。按离去基团的碱性大小排列次序为：I-Br-Cl-,脂肪族亲电取代反应,脂肪族亲电取代反应最重要的离去基团是外层缺少电子对而能很好存在的离去基团。重要是有氢作离去基团的反应，亲电取代常在酸性较强的位置上发生。,SE2和SEi,SE2(前面进攻)构型保持,SE2(后面进攻)构型转化,SE1,取代反应的的动力学是一级的，包括两步：慢的离解和快的结合,芳香族亲电取代反应,苯的一元亲电取代,芳环上的亲电取代反应历程:,芳香环是一个环状共轭体系，电子云密度较高，容易受到亲电试剂的进攻，发生亲电取代反应。,首先是亲电试剂进攻芳环，生成-络合物,离去基团变成正离子离开，离去基团在多数情况下为质子,取代基的电子效应,给电子诱导效应使芳环活化，吸电子诱导效应使芳环钝化。,诱导效应是由邻键的极化而引起的某个键的极化。诱导效应对邻键的影响最大，随着键的远离影响迅速减弱。,芳环上的取代基使电子云向芳环偏移，增加芳环电子云密度，增强碱性，增大芳环亲电能力的，这类取代基具有给电子诱导效应;取代基使芳环上电子云向取代基偏移，从而降低芳环电子云密度，这类取代基具有吸电子诱导效应。,共轭效应是由共轭体系内取代基引起的共轭体系的电子云密度的变化，因而对分子的电子云密度分布产生影响。,芳环上已有取代基通过共轭效应供给芳环电子的称为给电子的共轭效应；移走芳环电子的称吸电子共轭效应。,给电子的共轭效应使芳环活化，吸电子的共轭效应使芳环钝化。,超共轭效应是当取代基为烷基时，烷基内的碳原子与极小的氢原子结合，对于电子云屏蔽的作用很小，容易与相连接的苯环上碳原子的-电子共轭，发生电子向芳环离域，使体系变得更稳定。,超共轭效应一般是给电子的，而且超共轭效应的影响较共轭效应小得多。,取代基种类和性质,凡是活化基常使新取代基进入它的邻、对位；凡是钝化基使新取代基进入它的间位。,取代基的实质是个反应速度的问题。,根据取代基的定位作用将取代基分为两类：具有邻、对位定位作用的取代基称为第一类定位基；具有间位定位作用的取代基称为间位定基。,苯环上的定位规律,苯环上已有取代基的定位效应具有加和性。,当苯环上已有两个取代基对新取代基的定位效应不一致时，新取代基进入芳环的位置取决于已有取代基定位效应的强弱。通常活化基的定位效应高于钝化基。,活化基强弱顺序：O-NH2NR2OHOCH3、NHCOCH3CH3X钝化基强弱顺序：(CH3)3+NO2CNSO3HCHOCOCH3COOH,新取代基一般不进入1，3-二取代基的2位。,萘环上的定位规律,亲电取代优先进攻位。,若萘环上的位已有一个邻、对位取代基，则新取代基进入它的同环的另一位。,若萘环上的位已有间位取代基，则新取代基进入它的异环的另一位。,若萘环上的位已有一个邻、对位取代基，则新取代基进入它的同环的与之相邻的位。,自由基反应,自由基反应历程通常包括链引发、链增长和链终止三个步骤。,链的引发过程就是生成活泼自由基的过程，自由基反应必须要首先产生一定数量的自由基。,含有较弱键能的化合物及易于分解的偶氮化合物或过氧羧酸酯在一定温度下能发生热解生成自由基。,此法产生自由基的最适宜的温度是50100C,氧化还原反应,采用适当波长的可见光或紫外光就能使有机化合物生成自由基。,光解能在任何温度下进行，特别适用于在较低温度下不易或根本不能裂解的共价键；二是能通过调节光的照射强度和吸收物种的浓度来控制生成自由基的速度。,Cl2 2Cl,链增长与链终止,链终止两个自由基间进行偶联反应或歧化反应，生成非自由基产物。,偶联终止是指两个自由基的化合导致生成新键，成为二聚物。,歧化终止是指发生在-氢原子由一个自由基转移到另一个自由基的过程。,第三节 精细有机合成技术,相转移催化技术,当反应体系是非均相体系时，处于不同相的反应物之间彼此不能接触，若在反应体系中加入相转移催化剂（PTC），则会使两反应物转移到同一相中，便可使反应顺利进行。,酶催化技术,酶是由生物细胞产生的以蛋白质为主要成分的高效生物催化剂。用酶作催化剂所进行的反应，具有催化效率高、反应速率快、立体选择性好、反应条件温和等优点。,微波辐照技术,频率在300MHz300GHz范围内的电磁波（微波）加快化学反应主要是靠加热反应体系来实现的。微波作用下的有机反应的速率较传统方法有数倍、数十倍上千倍的增加，特别是可使一些在通常条件下不易进行的反应迅速进行。,有机声化学合成技术,声化学是指利用频率在20kHz1000MHz范围内的电磁波（超声波）加速化学反应，声化学在有机合成中应用很广。,