有机合成反应机理：离子与自由基反应机理课件-英.ppt
2023/10/29,有机合成,College of Material Science and Engineering,2023/10/29,考核方式：闭卷考试成绩评定：期末考试占70、平时成绩占30；期末考试：试题（试题满分100分）考题类型：1.选择题；2.填空题；3.简答题；4.机理题；5.合成题平时成绩：满分30分；,2023/10/29,Structure and Bonding;Acids and Bases,Contents:,PrefaceAtomic structure Electron Configuration of AtomsCovalent BondsHybridization:sp3;sp2;spBond Polarity and ElectronegativityAcids and Bases,Chapter 1.,2023/10/29,Preface,Mid-1700s Foundations of Organic Chemistry alchemists noticed differences between compounds:living sources and mineralsIn 1770 Swedish chemist Torbern Bergman“Organic”and“Inorganic”substances Organic Chemistry:Chemistry of compounds from living organisms.,2023/10/29,In 1828 Friedrich WohlerIn 1848 Gmelin Organic compounds:containing the element carbon,Ammonium cyanate Urea,2023/10/29,Shells and subshellsShell:1,2,3Subshell:s,p,d,f,1.1 Atomic Structure,Atomic number(Z,原子序数)=protons Mass number(A,质量数)=Protons plus(+)neutrons,2023/10/29,Boundary surfaces of a 1s orbital and a 2s orbital.The boundary surfaces enclose the volume where there is a 90-95%probability of finding an electron.,Boundary surfaces of a 2p orbital,2023/10/29,1.2 Electron Configuration of Atoms,Three rules:Rule 1(Aufbau principle):the orbitals of lowest energy are filled first,according to the order:1s-2s-2p-3s-3p-4s-3dRule 2(Pauli exclusion principle):Only two electrons can occupy an orbital,and they must be of opposite spin.Rule 3(Hunds rule):if two or more empty orbitals of equal energy are available,one electron is placed in each with their spins parallel until all are half-full.,2023/10/29,2023/10/29,1.3 Covalent Bonds1.4 Hybridization:sp3,sp2,sp,2023/10/29,CH4(Methane):,2023/10/29,sp2 Hybridization,2023/10/29,CH2CH2(Ethylene):,2023/10/29,sp Hybridization,2023/10/29,CHCH(Acetylene):,2023/10/29,2023/10/29,1.5 Bond Polarity and Electronegativity,Bronsted-Lowry Definition Acid:a substance that donates a proton(hydrogen ion,H+)Base:a substance that accepts a proton Lewis Definition,1.6 Acids and Bases:,Electronegativity:the intrinsic ability of an atom to attract electrons in a covalent bond.,2023/10/29,Organic Reaction Mechanism,Nucleophilic substitution:SN1 and SN2Elimination:E1 and E2,2023/10/29,（一）Nucleophilic substitution,Nucleophile(亲核试剂)：带负电荷的试剂(OH-,RO-,CN-,HS-)或具有未共用电子对的试剂（H2O,ROH,NH3)Nucleophilic substitution(亲核取代反应)：由亲核试剂对显正电性的碳原子的进攻而引起的取代反应。,2023/10/29,2023/10/29,2023/10/29,2023/10/29,Mechanism of nucleophilic substitution,反应速率=kCH3BrOH-,反应速率=k(CH3)3C-Br,(1)双分子亲核取代反应SN2,(2)单分子亲核取代反应SN1,2023/10/29,1、SN2 reaction,新键已部分形成 旧键已部分断裂,2023/10/29,2、Stereochemistry of SN2 reaction,(S)-2-溴丁烷,(R)-2-丁醇,瓦尔登转化,2023/10/29,3、SN1 reaction,2023/10/29,4、正碳离子的结构和相对稳定性,正碳离子的稳定性顺序:3o 2o 1o+CH3,2023/10/29,4、正碳离子的结构和相对稳定性,2023/10/29,5、SN1反应的立体化学,(R)-3-甲基-3-己醇(S)-3-甲基-3-己醇,外消旋体,2023/10/29,6、影响亲核取代反应速率的因素,（1）卤代烷结构的影响SN2：,空间位阻的顺序：3o 2o 1o+CH3同为1o烷基，-C上支链越多，空间位阻越大，反应越不易按SN2机理进行，易按SN1进行。,2023/10/29,SN1：,正碳离子的稳定性顺序:3o 2o 1o+CH3,2023/10/29,p-共轭效应,p-共轭效应,2023/10/29,（2）Leaving group,SN1：SN2:,Reactivity as leaving group：RI RBr RCl RF,2023/10/29,CN-的碱性极强，当碱性Nu-CN-时,故氰化物不被其他亲核试剂取代。即弱碱不能置换强碱。,2023/10/29,Problem,用化学的方法区别下列化合物：,2023/10/29,（3）Nucleophile,SN1：不受影响；原因？SN2:有影响！,（4）Polarity of solvent,2023/10/29,Eliminations,2023/10/29,1、Mechanism,（1）E2 reaction,2023/10/29,（2）E1 reaction,2023/10/29,2023/10/29,2、消除反应的取向,扎衣采夫(Zaitsev)规则：发生消去反应有两个H时，优势产物是与含氢较少的C上消除氢。双键C上的烷基越多，烯烃就越稳定，越稳定的烯烃越易生成。,2023/10/29,3、消除反应中卤代烷烃的活性,E1、E2卤代烷烃消除反应活性顺序相同叔卤代烷 仲卤代烷 伯卤代烷,Question:tell what kind of reaction this is:,Solution：E2 reaction strong base KOH and secondary alkyl halide,2023/10/29,Organic Reaction Mechanism,Electrophilic Aromatic Substitution Reaction,2023/10/29,Electrophilic aromatic substitution reaction,2023/10/29,1、Nitration,Electrophilic aromatic substitution reaction,2023/10/29,2023/10/29,Difficult,Easier than benzene！,2、Chlorination,2023/10/29,3、Sulfonation,2023/10/29,2023/10/29,Problem and discussion,如何由甲苯制得邻氯甲苯而产品中不含有对氯甲苯？,2023/10/29,4、Friedel-Crafts reaction,(1)Friedel-Crafts Alkylation 傅-克烷基化,2023/10/29,2023/10/29,H-的迁移,2023/10/29,2023/10/29,Acyl酰基：,此反应主要用于制备芳香酮。,苯乙酮,(2)Friedel-Crafts Acylation 傅-克酰化,2023/10/29,2023/10/29,解释下列有关Friedel-Crafts烷基化反应的事实：（1）苯用RX在AlCl3存在下进行烷基化时需要过量的苯。（2）苯酚与苯氨的烷基化产率极差。（3）Ph-Ph不能用下面反应制得。,（4）反应A产率极差，而反应B反应有很好的产率。,Problem and discussion,2023/10/29,解：（1）因为R-为致活基团，一烷基化产物C6H5R比C6H6本身更活泼，故C6H5R将进一步反应生成C6H5R2和C6H5R3。为了避免多烷基化，使用过量的苯以增加R+和C6H6之间的碰撞机会和减少R+和C6H5R之间的碰撞机会。（2）-OH和-NH2均能跟催化剂反应而使其失去活性。,（4）中间体R+，特别是10RH2C+能发生重排，重排反应如下：,所以，B的反应产物高。,Problem and discussion,2023/10/29,Alkyl groups with a benzylic hydrogen are oxidized to carboxylic groups(-COOH)。,（六）Reaction of substituted benzene,Oxidation,2023/10/29,（七）Substituent effects of benzene ring,58%38%4%,80%19%1%,2023/10/29,Ortho-and para-directors邻对位定位基：Substituents on an aromatic ring can direct substitutiont to the ortho-and para-positions.inductive o/p-directing or resonance o/p-directing。-R.-X.-OH.-OR.-NH2.-NHR.-OOCR Meta-directors间位定位基：Substituents on an aromatic ring can direct substitution to the meta-positions.inductive m-directing or resonance m-directing-NO2.-CN.-SO3H.-CHO.-COOH,（七）Orienting effects in aromatic rings,2023/10/29,Explanation,1、Electron effects of substituent groups,2023/10/29,2、Stereo-effects,2023/10/29,Exercises：,Answer：,Prepare the following compounds from toluene:,2023/10/29,(3),Propose a synthesis of the following substances from benzene:,2023/10/29,(4),2023/10/29,(5),2023/10/29,(6),2023/10/29,写出下列化合物的苯环硝化活性由强到弱顺序：1、苯、1,3,5-三甲基苯、甲苯、间二甲苯、对二甲苯2、苯、溴苯、硝基苯、甲苯3、2,4-二硝基氯苯、2,4-二硝基酚解：（a）1,3,5-三甲基苯、间二甲苯、对二甲苯、甲苯、苯（b）甲苯、苯、溴苯、硝基苯（c）2,4-二硝基酚、2,4-二硝基氯苯,Problem and discussion,2023/10/29,Substituent effect of di-substituted benzenes,若原有的两个取代基相互一致而增强，引入第三个取代基的定位不成问题。,当一个为邻、对位定位基而另一个为间位基时，由邻、对位基控制定位。,2023/10/29,当较强的活化基团与较弱的活化基团竞争时，由较强的活化基团控制定位。强度相同，得到差不多相等数量的异构体。,在两个相互处于间位的取代基之间，由于空间阻碍，很少会发生亲电取代反应。,Substituent effect of di-substituted benzenes,2023/10/29,Exercises：,DABC,Rank the reactivity of following compounds to nitration.,2023/10/29,Exercises：,Rank the reactivity of following compounds to nitration.,DACB,2023/10/29,Exercises：,Predict the main product of the following compounds in nitration,2023/10/29,Exercises：,Predict the main product of the following compounds in nitration,2023/10/29,解：(3),Exercises：,Prepare the following compounds from toluene:,2023/10/29,（二）Non-benzenoid aromatics,芳香性(aromaticity)：环稳定，易取代，难加成。Hckel rule：环多烯化合物中，具有共平面的离域体系，其电子数等于4n+2（n=0，1，2，3），此化合物具有芳香性。,2 4 4 6,6 8 8 10 10,2023/10/29,2023/10/29,2023/10/29,Problem and discussion,用化学方法区别下列化合物：(1)苯与甲苯(2)环戊二烯和环戊二烯负离子解：（1）分别取两物质于两个试管中，分别加入酸性高锰酸钾溶液，使高锰酸钾褪色的是甲苯，不褪色的是苯。（2）分别取两物质于两个试管中，分别加入金属钠，有气体产生的是环戊二烯，无气体产生的是环戊二烯负离子。,2023/10/29,2mol K与1mol 1,3,5,7-环辛四烯反应(不放出H2)生成的一个稳定化合物，该化合物不溶于非极性溶剂，而易溶于极性溶剂，说明理由。解：两个K原子提供两个电子给1,3,5,7-环辛四烯，生成1,3,5,7-环辛四烯二负离子的钾盐。因为是盐，所以，不溶于非极性溶剂，而易溶于极性溶剂。该反应方程式为：,1,3,5,7-环辛四烯二负离子是稳定的共轭体系，符合休克尔规则，具有芳香性，性质较稳定。,Problem and discussion,2023/10/29,Organic Reaction Mechanism,Nucleophilic Aromatic Substitution Reaction,2023/10/29,芳香族化合物的亲核取代反应历程有三种：,1、被取代的原子团的邻、对位有吸引电子的原子团使其活 化，形成中间体络合物历程（SNAr）2、SN1历程：在反应过程中重氮盐的氮原子被亲核试剂取代3、苯炔历程：反应在极强碱催化作用下经过苯炔中间体。,2023/10/29,1、中间体络合物历程2、SN1历程：,证明：a、反应速度和Y 的浓度无关b、当加入等浓度的卤素盐类，则产物为芳香卤代物，但反应速度和加入盐的浓度无关；c、环上取代基对反应速度的影响与单分子裂解时的反应速度相一致；d、第一步为可逆裂解反应；,2023/10/29,重氮盐的制法、性质和用途,重氮盐的制备,芳香族重氮盐虽然比脂肪族重氮盐稳定，但温度稍高也很易分解，所以此反应必须在低温下进行。重氮盐的性质重氮盐可溶于水，不溶于乙醚，在水中可电离，ArN2+X-ArN2+X-化学性质活泼，遇光、热、铜、铅等离子或氧化剂，均可被分解并放出氮气，生成芳基正离子或自由基。,2023/10/29,这里值得注意的是：,1.无机酸要大大过量。若酸量不足，生成的重氮盐可与未反应的苯胺作用生成复杂的化合物。,2.亚硝酸不能过量。因为亚硝酸过量会促使重氮盐本身的分解。其检查方法是：用KI-淀粉试纸。,若证明亚硝酸已过量，可用尿素使其分解。,重氮盐的制法、性质和用途,2023/10/29,重氮盐具有盐的典型性质，绝大多数重氮盐易溶于水而不溶于有机溶剂。芳香族重氮盐所以稳定，是因为其重氮盐正离子中的CNN键呈线型结构，轨道与芳环的 轨道构成共轭体系的结果。,按共振论的观点，重氮正离子是下列极限共振结构的共振杂化体：,当苯环上连有强吸电子时，重氮正离子的稳定性将。,2023/10/29,重氮盐的应用,1.被X或CN取代的反应（Sandmeyer）,用此反应制备的卤烃无副产物，产物较纯。,2023/10/29,重氮盐的应用,2.被OH取代的反应,为防止带入Cl，故不用HCl盐，而用硫酸盐，并在硫酸介质中反应。该法主要用来制备没有异构体的酚和用磺化碱融等其它方法难以得到的酚。,2023/10/29,值得注意的是该法不宜使用重氮苯盐酸盐。因为：重氮盐的水解反应是分步进行的：,2023/10/29,分析：该目标分子的合成若用磺化碱融法的问题在于有对碱敏感的基团X。而采用重氮盐法效果很好。,再如：,如：,2023/10/29,重氮盐的应用,3.被H取代的反应（次磷酸、乙醇）,重要用途：利用氨基定位后，去掉氨基。,这两种方法中，以次磷酸还原为好；而以乙醇还原产率则不高，因往往有副产物ArOC2H5生成。,2023/10/29,如：,分析：根据定位效应，解决这一问题的最好办法是首先在环上引入一个强的邻、对位定位基，待完成引入溴原子的任务后，再被H原子取代。,2023/10/29,分析：(1)先引入一个基团，但无论是先引入CH3(为邻、对位基)还是先引入NO2都不行(不能进行酰基化)。,(2)考虑苯环上有两个取代基，成功引入第三个取代基后再去掉一个基团。这里有两种情况：,再如：,2023/10/29,2023/10/29,例：以苯为原料合成均三氯苯,重氮盐的应用举例,2023/10/29,例：由苯合成连三溴苯,2023/10/29,Organic Reaction Mechanism,Electrophilic Addition Reaction of Alkenes,2023/10/29,3.1.5.2 Electrophilic addition,1、Hydrogen halide addition(Hydrohalogenation),（1）Mechanism,Activities：HI HBrHCl,2023/10/29,(2)Regioselective and reaction activities,Markovnikovs rule(马氏规则)：In the addition of HX to an alkene,the H attaches to the carbon with fewer alkyl substituents,and the X attaches to the carbon with more alkyl substituents.,2023/10/29,Explanations of Markovnikovs rule,1、Inductive effects：,2023/10/29,2、Carbocation stabilities:,碳正离子这样的稳定性次序是分子内原子间相互影响的结果。,2023/10/29,Relative activities of alkenes：,2023/10/29,（3）Rearrangement of carbocation,rearrangement,2023/10/29,2、Conc.Sulfuric acid addition,硫酸氢异丙基酯（溶于硫酸中）,问题：如何将己烷与1-己烯分离？解：加入浓硫酸，将油相与硫酸相分离。,2023/10/29,3、Halogen addition,activities：Cl2Br2,2023/10/29,Br2/NaCl solution,Br2/H2O solution,2023/10/29,4、Hypochlorous acid addition,2023/10/29,次卤酸对不对称烯烃的加成，卤素原子加到含氢较多的碳原子上！,2023/10/29,5、Hydroboration of alkenes,定义：硼烷(BH3)中的硼原子和氢原子分别加到碳碳双键的两个碳原子上的反应。,BH3,2023/10/29,BH3的制备：,硼氢化：硼原子加到含氢较多的碳原子上,2023/10/29,烷基硼氧化：,例题：由1-己烯合成1-己醇,2023/10/29,Organic Reaction Mechanism,Nucleophilic Addition Reaction of Aldehydes and Ketones,2023/10/29,（一）Nucleophilic addition,Nucleophile:Hydroxide ion(OH-),hydride ion(H-),carbon anions(carbanions,R3C-),water,ammonia,and alcohols etc.,2023/10/29,Activities:,2023/10/29,1、HCN,2023/10/29,例题：比较下列化合物与HCN反应的活性顺序A.CH3CHO B.C6H5COCH3 C.CH3COCH3 D.C6H5COC6H5答案：活性顺序由强到弱A-C-B-D例题：完成由乙醛到乳酸的转化。,2023/10/29,Racemate,2023/10/29,与饱和亚硫酸氢钠反应适用于醛、脂肪族甲基酮和少于8个碳的环酮，可用于分离和提纯醛、酮。例题：如何将1-苯基-1-丙酮与丙酮分离。,2、NaHSO3,2023/10/29,例题：完成由乙醛到乳酸的转化。,例题：下列化合物中，哪些能与亚硫酸氢钠反应，若能反应，哪一个最快？A、苯乙酮 B、二苯酮 C、环己酮 D、丙醛 E、乙醛,2023/10/29,3、H2O,2023/10/29,Hemiacetal,Acetal,4、Alcohols,2023/10/29,酮与醇反应较困难，但易与二元醇作用，生成缩酮(Ketal)。,2023/10/29,Acetals or ketal can serve as protecting groups for aldehydes and ketones.,Example 1.,2023/10/29,1.Show the structures of the alcohols and aldehydes or ketones you would use to make the following compounds,Question,2023/10/29,2.Complete the following reaction,2023/10/29,亚胺（imine,Schiff base),5、Amines:imine formation,2023/10/29,肼 腙,2,4-二硝基苯肼 2,4-二硝基苯腙,羟胺 肟,氨基脲 缩胺脲,2023/10/29,6、Organometallic compounds,2023/10/29,2023/10/29,lithium borohydride(LiAlH4);sodium borohydride(NaBH4),7、With a hydride ion,Reductants:,2023/10/29,(S)-2-Butanol(R)-2-Butanol,2023/10/29,2023/10/29,Reactions of-H,酮式,Keto-99.9%烯醇式,Enol0.1%,2023/10/29,Condensation of Aldehydes and Ketones_ Aldol reaction,(1)-hydroxyl aldehyde condensation,-Hydroxy aldehyde(ketone),Conjugated enone,2023/10/29,低温下得到-羟基醛，加热可得到、-不饱和醛,2023/10/29,Starting from acetaldehyde,prepare 2-ethyl-1-hexanal.,2023/10/29,以羰基与苯基处于反式产物为主。,2023/10/29,带羰基的基团总是与另一大基团处于反式,(2)-hydroxyl acetone condensation,2023/10/29,（3）Intramolecular,Seeing Page 366,2023/10/29,Reduction to alkanes,Clemmensen reduction：,Wolff-Kishner-黄鸣龙还原法：,Reduction via a cyclic thioketal：,2023/10/29,(3)Cannizzaro反应歧化反应（不含-H的醛）,两种醛反应时，甲醛具有较强的还原性，甲醛被氧化。,Cannizzaro反应,2023/10/29,Organic Reaction Mechanism,Nucleophilic Acyl Substitution Reactions of Carboxylic Acids and Derivatives,2023/10/29,Nucleophilic Acyl substitution reactions,L的碱性越弱，越易离去。R-(H-)是强碱，不易离去。故醛酮不会发生亲核取代反应。,2023/10/29,反应生成四面体中间体的步骤是关键，酰基碳的正电性越大，立体障碍越小，越有利于加成；离去基团（:L）的碱性越弱，离去能力越强，越有利于消除，总的来讲，羧酸衍生物的亲核取代反应的相对活性为：酰氯 酸酐 酯 酰胺,羧酸的亲核取代反应实际上是按这种加成消去机理进行的。反应先对酰基进行亲核加成，然后再脱去一基团完成反应。,2023/10/29,起始：1mol 1mol平衡：mol mol mol平衡常数K,Methods to improving the yield:a.raise the concentration of RCOOH&ROHb.remove H2O formed in esterification,Example:Formation of Esters,(Excess)84(b.p.:82oC),2023/10/29,18,18,18,18,18,2023/10/29,空间位阻影响：无论是酸或醇-侧链越大、越多，立体障碍越大，速率越慢。,2023/10/29,克服酯化的可逆性，可用酰卤与醇作用。,Special mechanism:3ROH,产物有可能外消旋化,Step a:Formation of 3C+b:Formation of alkyloxonium ionc:Deprotonation to form ester,2023/10/29,2023/10/29,Organic Reaction Mechanism,Free-radical Reaction,2023/10/29,1 烷烃卤代反应,（i）甲烷的氯代,反应机理,链引发,链增长,链终止,H=7.5KJ/mol Ea=16.7 KJ/mol,H=-112.9 KJ/mol Ea=8.3 KJ/mol,2023/10/29,过渡态理论,过渡态的特点:（1）能量高。（2）极不稳定，不能分离得到。（3）旧键未完全断开，新键未完全形成。,任何一个化学反应都要经过一个过渡态才能完成。,2023/10/29,2023/10/29,X+CH3-H,CH3+H-X,FCl BrI,439.3,568.2431.8366.1298.3,-128.9+7.5+73.2+141,H(KJ/mol),Ea(KJ/mol),+4.2+16.7+75.3+141,总反应热(KJ/moL)：F(-426.8)Cl(-104.6)Br(-30.96)I(53.97),1.氟代反应难以控制。2.碘代反应一般不用，碘自由基是不活泼的自由基。3.氯代和溴代反应常用，氯代比溴化反应快5万倍。,（ii）甲烷卤代反应活性的比较,2023/10/29,（iii）烷烃氯代反应的选择性,V:V=28/6:72/4=1:4,1oH,2oH,1oH,V:V=63/9:37/1=1:5.3,3oH,2023/10/29,3oH,2oH,1oH,V:V:V=1:82:1600,（iv）烷烃溴代反应的选择性,氯代反应和溴化反应都有选择性，但溴代反应的选择性比氯代反应高得多。,溴化,2023/10/29,（2）自由基反应,一级碳自由基,带有孤电子的原子或原子团称为自由基。含有孤电子碳的体系称为碳自由基。,三级碳自由基,二级碳自由基,自由基的结构特点三种可能的结构：（1）刚性角锥体，（2）迅速翻转的角锥体，（3）平面型。,自由基的定义,2023/10/29,自由基的产生,热均裂产生,辐射均裂产生,单电子转移的氧化还原反应产生,光,H2O2+Fe2+HO+HO-+Fe3+RCOO-RCOO,-e-,电解,2023/10/29,自由基的稳定性,H=359.8kJ/mol(88kcal/mol),苯甲基自由基 稀丙基自由基 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,共价键均裂时所需的能量称为键解离能。键解离能越小，形成的自由基越稳定。,均裂,2023/10/29,2、Chlorination of substituted benzene,2023/10/29,Mechanism,2023/10/29,Stabilities of free-radical groups：,p-conjugation,2023/10/29,2023/10/29,3 The peroxide effect of alkene(烯烃过氧化物效应),一般情况下，烯烃与卤化氢的加成符合马氏规则，但也有例外。在溴化氢与烯烃的加成反应中，若在过氧化物或光照的条件下反应，其加成结果与马氏规则预期的加成结果正好相反，这种加成叫反马氏加成。由于过氧化物的存在产生的这种效应就称为过氧化物效应，也称(Kharasch,1933)卡拉施效应。,2023/10/29,Explanation of peroxide effect,产生如此结果原因是由于反应机理的改变。原来的离子型加成反应机理变成了自由基加成反应机理。反应时，HBr首先与过氧化物作用生成 Br，Br与丙烯反应时，同样趋向生较稳定的自由基中间体（自由基的稳定性次序与正碳离子的稳定性次序相同）。而,这就导致加成结果变为反马氏加成。,2023/10/29,Mechanism of peroxide effect,烷氧基自由基,反应产物正与马氏规则预期的结果相反。反应的开始源于共价键的均裂，而一些能量较高的键无法发生这样的反应。如HCl、HI就不存在过氧化物效应。,2023/10/29,Question?,How to realize the following conversion with good yield?(no containing 1-chlorobutane)?,2023/10/29,4.Reaciton of-H,2023/10/29,Mechanism：,离解能：364 410 453KJ/molStabilities：,
