机理描述和活性中间体.ppt

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1、第三章酸碱理论（自学）说明,1、有机物的酸性相对强弱(p46-48)概念扩展：被碱夺去质子的难易 2、复习酸碱电子理论：Lewis酸碱3、能分析各种因素对酸碱相对强弱的影响4、了解硬软酸碱理论：离子半径与基团变形性5、了解酸碱催化(p61)：一般酸(碱)催化，起催化作用的是所有酸(碱)，包括分子状态的和离子状态的；特殊酸(碱)催化，催化作用的是H+或溶剂化H+（溶剂共轭碱），主要指强酸(碱),学生问题答疑,第一，关于不饱和羰基化合物中说的，烷基重叠构象比氢重叠构象更稳定。氢重叠构象不是也可以得到氢键来稳定物质吗？而且说R基与羰基有作用，是不是指R基上C-H与O的超共轭作用呢？如果这个R基是叔丁

2、基的话，又会是什么作用呢？,R太大例外：体积太大，斥力升为主要因素,O与H间不存在氢键作用！O与R间为范德华力(斥力吸力),第二，开链不饱和羰基化合物构象RS及顺式，反式的判断。专门用于标识1,3-二烯型结构的2种特定构象。2双键在单键同侧为顺(cis),s-表示单键，参见基础有机化学（第二版，邢其毅等编）p231：,双键的顺反(cis/trans)是“俗”命名，一般对双键2碳上有相同取代基才用此命名。系统命名用E/Z。,第三，吡啶与吡珞相比，碱性要强，是不是吡啶的共轭效应比吡珞的弱，电荷分散程度也弱？(没有讨论数值，只是讨论了方向)(分子的电荷与局部的电子云密度)碱性：吡咯(pKb 13.6

3、)PhNH2(9.4)吡啶(pKb 8.8)R3N(4-5)piperidine(六氢吡啶),四氢吡咯Py中N比C电负性大，表现出-I和-C效应，使其有较大电子云密度，；吡咯中的N为表现出-I和+C效应，其电子云密度比Py中的N低。由于N的C效应差别，Py为缺电子芳环，吡咯为富电子芳环。,第四，桥环化合物难以形成碳正离子，这个原因是什么呢？比如说，对于 二环2，2，2辛烷，如果有一个氯原子取代在桥头碳上，这样发生消去反应时不是会生成叔碳正离子吗，为什么会不稳定呢？桥头碳可以成正，张力，不稳定，难！,第四章 有机反应机理的研究和描述,内容：讨论如何确定反应机理的一般过程问题：反应式只揭示原料和产

4、物，对过程（旧键断裂、新键形成的细节）只能推测思路：实验结果结合假设提出机理-验证-解释现有现象:能圆满解释现有实验现象并为人们广泛接受前提：虽为推测，但必须是以客观为依据，不能武断、随意推测，能尽可能包含现有实验结果。,第四章 有机反应机理的研究和描述,研究反应机理的目的:认识理解在反应过程中，旧键断裂和新键形成的位置、过程、次序、方式等一般性变化，通过概括归纳出一般性理论。反应进行的途径取决于：(1)反应分子自身的反应性能、进攻试剂的性能(内因)和(2)反应条件(外因),4.1有机反应分类,自由基(free radical,亦称游离基)反应：键均裂离子型反应：键异裂（反应种类最多）分子反应

5、：协同反应以上分类很宽泛，不是常见的分类方法，只是便于理解而分,4.2有机反应中的试剂分类,除自由基外，多数试剂属于离子型试剂：在反应中总是一对电子参与成键提供电子的离子型试剂为亲核试剂（富电子）接受电子的离子型试剂为亲电试剂（缺电子）有些试剂既能提供电子，又可接受电子，但一般它们的某一方面的能力更突出，所以它们习惯上被列为某一类试剂：HCl突出的亲电性，虽然Cl-也可亲核，如果需要Cl-亲核时，就改用NaCl等不能亲电的试剂。亲电试剂和亲核试剂分类见教材p69,4.3 反应速率理论反应的能学原理热力学,G=H-TS=-RTlnK：H为总能量差，S为总熵差，T为反应温度G1,平衡时产物浓度大于

6、反应物浓度，G负得越多，反应进行得越彻底，要使反应正向发生，产物的自由能必须低于反应物的自由能，即必须是G负值。TS H时，反应条件对反应方向和程度不起决定作用，反应正向进行趋势强烈HTS时，T对G符号有决定性作用，可以控制反应条件使反应向需要方向进行！,4.3.2 反应的动力学,研究参与反应的分子浓度与反应速度之间定量关系，由此推测反应经历的路径反应速度v=-d反应物/dt=k反应物反应速度是反应物消失的速度或产物生成的速度，反应速度随时间而改变，所以在讨论反应的真正速度时，通常用瞬间反应速度来表示。,假定反应一步进行或者第一步为决速步骤：如果反应速度仅与一种反应物的浓度成比例，则反应物A的

7、浓度随时间t的变化速度为：反应速度=-dA/dt=kA服从这个速度定律的反应称为一级反应。二级反应速度与两个反应物的浓度或一个反应物浓度的平方成比例：-dA/dt=kAB,若A=B，则-dA/dt=kA2三级反应速度和三个反应物的浓度成比例-dA/dt=kABC若A=B=C，则-dA/dt=kA3,当反应经历多步，且决速步骤不在第一步时情况就复杂得多(例见p71的推导“假一级”)动力学数据只提供关于决定速度步骤和在它以前各步的情况，当有机反应由两步或两步以上的基元反应组成时，则反应速度定律的确定一般比较复杂，通过平衡近似和定态近似法等简化方法可求得反应的表观速度常数。动力学研究反应机理的常规顺

8、序是：提出可能的机理，并把实验得出的速度律与根据不同可能性推导得到的速度律作比较。从而排除与观测到的动力学不相符的机理。,动力学研究反应机理的局限性,对于某一反应，有关的几个机理可以推论出同一种速率方程，这些机理是“动力学上相当的”，所以只根据动力学是不可能作出选择的（只能排除与动力学结果不相符合的假设，还需其他手段进一步验证、排除）。不能提供过渡态的结构信息。,4.3.3 过渡态理论,假设一个反应先达到一个过渡态，然后从过渡态以极快的速度变成产物:,一步反应：能量最高点是活化络合物（过渡态），在它的左边，所有络合物都被认为同反应物处于平衡中；在它右边，所有络合物则被认为是同产物处于平衡中。,

9、过渡态与中间体的区别：中间体位于两个过渡态之间的能量最低点，故有一定的存活期，实际的寿命依赖于凹陷的深度。下凹浅暗示下一步的活化能低，生存期短，下凹深中间体的生存期越长；过渡态只有一个转瞬即逝的生存期，并代表反应途径中的能量极大值。,两步反应：包含有两个过渡态，有两个活化能G1和G2，活化能高的步骤为决速步骤，反应物和产物之间包括具有一定寿命的中间体I,用三维位能表面图表示反应过程：对反应 XY+Z YZ+X，体系的位能总是原子相互间距离的函数，即体系的位能决定与它们间的相对位置及距离。,X-Y+Z XYZ X+Y-Z,三个原子在各种距离时的位能都可由立体模型来表示，模型中凹处表示位能低的地方

10、，凸处表示位能较高的地方，这个凹凸面称为能面。由反应物到产物有多种可能途径，其中反应将沿能量最低的曲线进行，反应跨越最低能障生成产物。过渡态理论中的“微观可逆原理”：一个反应正向进行所经历的途径，也是逆向进行所要经历的途径，因为这个途径为这两个过程都提供了最低的能障。简单了解Hammond假说：过渡态瞬间存在，其结构 只能靠推论来得到，过渡态与它内能更接近的结构（反应物或者产物）相似，在某些情况下，可以用反应物或产物的结构来讨论过渡态。,4.3.5 同位素技术:机理研究的重要方法,1、同位素效应当反应物中的一个原子被它的同位素取代后，对它的化学反应性能没有影响，但反应速度一般有显著的改变。最常

11、用的是用氘来代替氕：,R：反应物P：产物,原因：同位素具有不同的质量，因此具有不同的零点振动能（零点振动能与质量的平方根成反比），质量越大，零点振动能越低，对于一个涉及到与同位素相连的键断裂的反应来说，与质量大的同位素相连的键由于零点能低而就需要较高的活化能，从而表现为较低的反应速度（kH kD）。,反应位置越接近同位素，效应越显著！效应越不显著，则同位素对过渡态的贡献越小，越远离反应位点。,同位素效应分一级同位素效应和二级同位素效应。kH/kD2:一级同位素效应,在过渡态中涉及R-H键的断裂kH/kD：二级同位素效应，在过渡态中不涉及R-H键的断裂，而是分子中其它化学键变化所观察到的效应通过

12、同位素效应可以间接反应过渡态的变化！,2、同位素标记：示踪（直接“跟踪”变化）常用于标记的元素有H、O、N、C、I等，可用测试手段包括NMR、MS、IR、放射计数例：酯的水解反应，证明发生了酰氧键断裂，非R-O键,溶剂效应,由于溶剂的影响使化学平衡、化学反应速度以及其它化学性发生改变的一种效应。（溶剂影响反应）溶剂的介电常数影响它对试剂电荷分离的能力，介电常数由分子偶极矩和可极化性决定，随偶极矩和可极化性的增加而变大。,如果过渡态比其母体分子的电荷分散程度大，则极性溶剂有利于反应的进行（溶剂极性有助于稳定更分散的电荷）溶剂极性对不同电荷类型反应的影响：,如果一个反应的过渡态出现一定程度的电荷分

13、离或电荷消失，溶剂效应对反应速度就有较大的影响，它不但改变反应的能量，同时也改变过渡态的能量。例,其他情况可进行类似分析,4.4有机反应中的活性中间体,4.4.1 碳正离子(carbocation or carbenium ion)：具有正电荷的三价碳原子(三个单键+正电荷)sp2杂化轨道，一般为平面构型(通过拉曼光谱证实)三苯甲基正离子利用核磁共振谱证明为螺旋浆结构C7H7+为碳鎓离子,非经典碳正离子（了解）,在研究原菠基正离子重排的研究中提出，只有经历所谓“非经典正离子”机理才能合理解释重排产物，“非经典正离子”要求C有五配位！,影响碳正离子稳定性的因素,有助于分散正电荷的一切因素皆增加稳

14、定性溶剂效应：溶剂极性增加可促进碳正离子形成电子效应：有+C、+I效应的取代基与C+相连，增加其稳定性空间效应：拥挤程度高的分子更易生成正离子（后张力）芳香性：满足休克尔规则的碳正离子比较稳定,碳正离子的形成,中性分子解离：R-X R+X-(Ag+、Lewis 酸等可以促进)不饱和键的加成：其他方法：,碳正离子的反应(p77),与亲核试剂结合：R+Nu-R-Nu X-、OH-、Y-等重排：生成更稳定的正离子，然后与亲核试剂结合消除：-消除生成卡宾，-消除成烯加成：加成到双键生成新的正离子继续反应，实则是与亲核试剂（双键有富余电子）作用,4.4.2 碳负离子(carbanion),结构：一般为不

15、等性sp3杂化的角锥形构型，未共享电子对占据正四面体的一个顶点；如果孤对电子与不饱和基团发生共轭，则为sp2杂化的平面构型。sp3杂化的角锥形构型容易发生反转:得到消旋产物！但桥头碳不能翻转，构型保持。,碳负离子的稳定因素,共轭可使负电荷有效分散相邻基团的-C和/或-I相对稳定性（共轭酸酸性强弱）：满足Hckel 规则的碳负特别稳定桥头碳可以形成碳负（难于形成碳正），但只能采用sp3杂化：,碳负离子的形成,强碱生成弱碱（不稳碳负稳碳负）脱羧负离子对连有吸电子基的双键的加成：Mickael加成,碳负离子的反应:C-C键形成,加成：Mickael加成：连有吸电子基的双键的加成炔化物与醛酮：宜不含-

16、H,得双官能团，增长碳链金属有机试剂(格氏试剂、烷基锂制醇)亲核取代：作为亲核进攻试剂发生SN2的反应消除：E1cb(E1 via carbanion),4.4.3 鎓内盐(ylid),鎓内盐是碳负离子与带正电荷的杂原子连接组成的化合物，这些杂原子可为P、N、S、As、Sb、Se等，磷鎓内盐的X-晶体结构研究表明，碳为sp2杂化的平面结构,鎓内盐较为稳定，与碳负离子相邻的带正电荷的杂原子基团，使碳负离子稳定性明显增大，这主要是由于碳原子的2p轨道与磷和硫杂原子的3d（或砷、锑的4d、5d）空轨道相互重叠，碳原子2p轨道的未共用电子对与3d空轨道共轭域，从而使碳负离子稳定。因此许多内鎓盐可以结晶

17、离析，并广泛用于有机合成中。而普通的碳负离子对水和氧都极其敏感，只能存在于干燥绝氧的有机溶剂中，不能离析出来。鎓内盐在有机合成中应用最广的是磷、硫叶立德，磷叶立德与羰基化合物反应合成烯就是著名的Wittig反应,4.4.4 自由基(free radical),名称：自由基也叫游离基，任何具有未配对电子的中性物质称为游离基。结构：sp2与sp3杂化都可以，二者转化能垒低，具体杂化与骨架有关：桥头碳和叔碳自由基为sp3杂化，简单烷基自由基为sp2杂化性质：顺磁性（可通过物理技术手段检测到）构型不易保留，一般得消选产物,性质：稳定性：单电子的离域作用：中心C缺电子，推电子有利空间效应：阻碍与其它自由

18、基结合的因素增加怎定杂原子有助于稳定自由基生成：光解(hv)热解()自由基引发剂辅以光或热单电子氧化还原(过渡金属),离子游离基,当金属钠和二苯甲酮在二甲氧基乙烷中反应时，得到兰色物质，为二苯甲酮负离子游离基的钠盐，常用于非质子溶剂无水处理的指示剂 离子游离基具有顺磁性和导电性主要反应：醛酮和羧酸衍生物的单电子还原（金属还原）芳香烃的金属还原（柏齐还原）,4.4.5 碳烯(Carbene),也叫卡宾，是具有两个共价键和两个非键电子的两价碳化合物活泼中间体，比自由基还活泼。是缺电子中间体：推电子基有利常见类型(p83)：:CH2、:CHR,:CR2(R=烃基：芳、脂、烯、炔):CHX,:CXR,

19、:CXX(X=halo):CHY,:XYR,CYY(Y=-OR,-SR,-CN,CO2R,-COR)R2C=C:,R2C=C=C:,碳烯的结构,中心碳原子有四个价电子，2个为成键电子，占用两个键，余下2个电子有两种可能排布方式：（1）2个电子成对占据一个轨道，余下一个空轨道，称为单线态(Singlet state)碳烯；（2）2个电子分别处于两个轨道，为2个单电子，称为三线态(Triplet state)碳烯。,电子光谱和电子顺磁共振谱研究表明：三线态亚甲基碳烯是弯分子，键角约为136，单线态亚甲基碳烯也是弯的，H-C-H键角为103。三线态结构中，未成键电子排斥作用小，能量比单线态低，说明三

20、线态碳烯比单线态稳定，是基态。在惰性气体中，单线态碰撞可变成三线态（二者可以转化，稳定性不同，反应性也不同）。,碳烯的形成,(1)-消去反应以碱处理卤仿，是制备二卤碳烯的一个方便的方法。(2)分解反应某些重键化合物如烯酮和重氮甲烷通过光解或热解即可生成碳烯。,烷基重氮化合物不稳定，易于爆炸，如果为羰基取代的重氮化合物则比较稳定，并且可以分离。,由醛或酮生成的腙通过氧化，再分解；或通过醛、酮的对甲苯磺酰腙的钠盐分解，可制备烷基取代的碳烯，而不用容易爆炸的重氮化合物作反应物。,(3)三元环化合物的消去反应,可以看作是碳烯与双键加成的逆反应。取代环丙烷、环氧化物、偶氮环丙烷等。(4)Simmon-S

21、mith反应 Simmons-Smith反应是形成环丙烷衍生物的好方法,碳烯的反应,碳烯是典型的缺电子化合物，它们的反应以亲电性为特征，是非常活泼、寿命极短的中间体。其反应活性的顺序：CH2 CR2 CAr2 CX2碳烯的典型反应主要有两类：键的加成反应和键的插入反应。其反应的历程和结果很大程度上依赖于碳烯未成键电子的自旋状态的不同，即是单线态还是三线态。,(1)加成反应:,单线态协同（1步），立体专一三线态分步，立体选择,取代的烯烃与碳烯进行加成反应时，如果为单线态则服从亲电加成规律，烯烃双键电子密度越高，反应活性越大。如:CCl2与下列烯烃加成的相对反应活性：Me2C=CMe2Me2C=C

22、HMeMe2C=CH2ClCH=CH2。碳烯也可以与炔烃、环烯烃、甚至与芳环上的C=C键以及C=N、CN键进行加成反应。,(2)插入反应,可以在CH、CBr、CCl和CO单键上进行插入反应，但不能在C-C键上进行插入反应。插入C-H间的活性是321，分子间插入反应往往得一混合物，在有机合成上价值不大。CH2N2插入羧基：尾气吸收和有效甲酯化方法：碳烯分子内插入，制备大张力的环状化合物(p86)。,(3)重排反应,碳烯可以发生分子内重排反应，实质是分子内插入。其迁移顺序是H芳基烷基(C-H比C-C易插入）。如：沃尔夫（Wolff）重排：通过CH2N2延长1C羧酸,(4)取代反应：芳香环甲酰化,4

23、.4.6 氮烯(Nitrenes),别称：乃春(氮宾？)，是缺电子的一价氮活性中间体。氮烯的N原子具有六个价电子，只有一个键与其它原子或基团相连，也有单线态和三线态两种结构，与碳烯类似，三线态更稳定。,A.氮烯的生成,生成氮烯的方法与碳烯类似：（1）热和光分解：叠氮化合物、异氰酸酯等进行热解或光解，是形成单线态氮烯的最普通方法(另例见教材p87)。(2)-消去反应：如Loseen重排是以碱处理N-衍生化羟胺的芳香磺酸酯生成氮烯：,Hofmann重排(降解)与Lossen重排反应机理类似：(3)氧化反应肼的衍生物以HgO或乙酸铅氧化可以形成氨基氮烯：,（4）脱氧还原反应硝基或亚硝基化合物用三苯基

24、膦或亚膦酸酯等脱氧还原，可生成氮烯并进一步反应，如C-H插入可关环：另例见教材p87,B.氮烯的反应,重键的加成和CH键的插入是氮烯的典型反应。(1)插入C-H键氮烯可插入脂肪族化合物的C-H键，是氮烯的典型反应，反应前后C原子的构型不变。特别是羰基氮烯和磺酰基氮烯易插入脂肪族化合物的C-H键。氮烯插入C-H间的活性也是321，且氮烯也可以发生分子内插入。,烷基氮烯容易发生-插入生成Schiff碱，并可水解得醛：,(2)与烯烃加成：得氮杂环丙烷与碳烯加成反应的立体化学特性类似：单线态立体专一，三线态立体选择。,(3)二聚反应:得偶氮化合物,4.4.7 芳炔,特征：环内含碳碳三键的芳香环由于芳炔

25、的高度活泼性，未能分离出来，但用光谱证明了苯炔的存在，也可以通过活性中间体捕获的方法证实：发现过程（了解、理解）：当用氨基钠或氨基钾等强碱处理芳香卤代物时，不仅生成正常的亲核取代产物，同时得到异构体。卤苯中的邻位如果没有氢时，因不能消除卤化氢生成苯炔，氨解反应不能发生(p89)。,结构：芳炔的高度活泼性是由于含有三键的六员环的张力所致，苯炔的叁键碳原子仍为sp2杂化状态，叁键的形成基本上不影响苯炔中离域的体系，苯环的芳香性保持不变，新的“键”在环平面上与苯环的轨道垂直，由两个sp2杂化轨道在侧面重叠形成很弱的键，因此苯炔很活泼，不稳定。,芳炔的生成(p89-90),芳炔由芳烃中电负性原子团与其

26、邻基团的消除制备：(1)脱卤化氢 卤素不同，生成苯炔的难易程度不同，一般氟化物较易生成苯炔，因为氟的电负性大，邻位碳原子上氢的酸性增强，有利于作为质子离去。碱消除质子是反应速度的控制步骤，卤原子的离去不起决定作用：Ar-F Ar-Cl Ar-Br Ar-I,(2)由邻二卤代芳烃与锂/镁作用，也可制备苯炔:(3)中性原子的消除(4)环状化合物的分解,(5)光解/热解,芳炔的反应(p90-91),芳炔的反应为“三键”加成恢复芳香体系的产物。它与亲核试剂和亲电试剂都能反应：(1)与亲核试剂(Nu-)加成反应醇类、烷氧基、胺类、烃基锂、羧酸盐、卤离子和氰化物等亲核试剂，可与苯炔反应。当亲核试剂与取代芳

27、炔进行加成时，取代基的定位效应只考虑其诱导效应：加成中间体的轨道与共轭轨道垂直。,(2)与亲电试剂(E+)加成反应:如卤素、卤化汞等(3)环加成:作为亲双烯体,4.5 有机反应机理的测定方法,产物鉴定：产物的结构、构型及其比例，初步推测可能机理中间体存在依据：直接分离(isolation)中间体：低温分离出纯物质X-ray 中间体鉴定(characterization)：IR、MS、顺磁共振or NMR鉴定溶液态中间体捕获(trapping)：推测可能的I，加入合适试剂与之反应,分离新产物反推I同位素标记：示踪立体化学：反应物与产物的立体信息对比推测中间体信息,4.5 有机反应机理的测定方法,

28、动力学研究：实际中非常重要速度方程：决速步骤与试剂的关系，由实验测得溶剂极性与速度关系：推测过渡态与反应物关系速度常数与温度关系：计算活化能，与假定过渡态的理论计算值比较，确定假定之正确性同位素效应：分析过渡态信息所有信息必须相互印证、相互解释，如果有矛盾并不能合理解释，则需怀疑假定机理的正确性通过机理指导实际：热力学控制与动力学控制,动力学控制和热力学控制：A=C:反应容易(快)，产物较不稳定，温和条件(低温)有利，动力学控制A=B:反应难(难)，产物稳定，剧烈条件(高温)有利，热力学控制,动力学控制和热力学控制：实例,第四章作业问题(p93),第3题答案有误：只有（4）第7题和第12题不作要求。,