1-有机合成反应理论

精细有机合成单元反应有机合成反应基础磺化、硫酸化反应氨基化反应酰化反应氧化反应卤化反应烃化反应水解反应还原反应硝化、亚硝化反应缩合反应环合反应NO2NH2[H]①Zn②Fe③NaxHySz④H2⑤肼、水合肼NO2Zn+H+Zn+H2OZn+OH-NH2NHOHNHNH羟胺氢化偶氮NO2NO2NH2NO2NaHSMgSO4，90℃酯的合成用羧酸的酯化法（可逆）用羧酸酐的酯化法（不可逆）用酰氯的酯化法（不可逆）用双乙烯酮的酯化法（不可逆）用腈、酰胺的酯化法（不可逆）酯交换法（可逆）RCOR'O羧酸的酯化CatRCOOH+R'OHRCOR'O+H2O打破反应平衡，常见的方法：①某种原料过量；②脱除产物，例蒸出酯和水分（依据沸点）；从酯化反应物中蒸出生成的酯从酯化反应物中直接蒸出水共沸精馏蒸水法羧酸的酯化CatRCOOH+R'OHRCOR'O+H2O加快反应速度，常见的方法：①催化剂（有机酸、无机酸、金属氧化物、强酸性阳离子交换树脂、盐、固体超强酸等）；②适当提高温度；③增加原料浓度；精细有机合成的理论基础•1.1芳香族亲电取代反应•1.2脂肪族亲核取代反应•1.3自由基反应参考书目：1唐培堃，《精细有机合成化学及工艺学》，天津大学出版社2张铸勇，《精细有机合成单元反应》，华东理工大学出版社1.1芳香族亲电取代反应1.1.1苯的一元亲电取代反应1.1.2苯的二元亲电取代反应1.1.3苯的多元亲电取代反应1.1.4稠环化合物的亲电取代反应1.1.5其它类型的亲电取代反应芳香族化合物一般可包括：1.1芳香族亲电取代反应①苯衍生的芳香化合物②稠环芳香化合物③稠环非苯芳香化合物④杂环芳香化合物芳香化合物的有机合成反应中，以取代反应最为重要，从而生成各种复杂的芳香化合物。最简单的芳香化合物是苯，苯环上的取代有1.1芳香族亲电取代反应①苯环上的氢可以通过取代成为其他原子或取代基；②苯环上除氢以外的其他原子或取代基也可以被置换。芳环上取代反应从历程上分为Cl2ClSO3HNaOH熔融ONa①亲电②亲核③自由基取代亲电反应：亲电试剂：①阳离子：NO2+、NO+、R+、ArN2+、R4N+等；由亲电试剂攻击带有负电荷的碳引起的反应叫亲电反应。是从作用物上取走一对电子而形成共价键的试剂。②含有可极化的共价键分子：Cl2、Br2、BF3已极化HF、HCl、SO3、RCOCl③羰基的双键：④氧化剂：Fe3+、O3、H2O2等；⑤酸类：⑥卤代烷中的烷基：R-X。如：亲电加成，亲电取代1.1.1苯的一元亲电取代反应+E+E+亲电试剂π络合物σ络合物EH+E+H+一元取代苯反应历程：+E+反应进程能量过渡态E+H+过渡态EH+σ络合物⑴π络合物R液+HCl气RHCl液HCl的π络合物上述π络合物的结构可依靠下列特征性质加以推测：Ⅰ反应在低温（-78℃）就能迅速达成平衡，表明π络合物的生成和分解只需很小的活化能，大大低于亲电取代反应的活化能，可认为亲电试剂并未与芳环上的任何碳原子形成真正的化学键。Ⅱ溶液的紫外吸收光谱表明与甲苯的光谱几乎没有差别，说明芳环上的π电子体系没有发生显著变化。Ⅲ溶液不具有导电性，表示HCl分子中的氢原子没有以H+的形式转移到芳环上去，也没有生成正离子和负离子。Ⅳ用DCl代替HCl进行试验，也没有发现DCl中的D和芳环上的H之间有交换作用。这表明在形成π络合物时，并未发生D从DCl中转移到芳环上并形成真正化学键的反应。⑵σ络合物当存在一个具有缺电子轨道的化合物时，π络合物就可与该化合物形成σ络合物。HCl(AlCl3)液δ+δ-+Rσ络合物（邻、对位）H+HRAlCl4-液HCl(AlCl3)液δ+δ-HCl液+AlCl3固⑵σ络合物σ络合物的结构可依靠下列特征性质加以推测：Ⅰσ络合物的生成和分解速度均不像π络合物那么快，表明需要的活化能较大，可能涉及σ键的断裂和生成。Ⅱ溶液颜色很深，且紫外吸收光谱与原来甲苯的光谱不同，表明生成σ络合物时芳环上的π电子体系发生了显著变化。Ⅲ溶液具有导电性，可能生成了正、负离子。Ⅳ用DCl代替HCl，发现DCl中的D能和芳环上的H之间发生交换作用，可推测在生成σ络合物时，D转移到芳环上。π络合物和σ络合物确实存在，有些稳定的σ络合物可以制备，并能在低温条件下分离出来：CH3H3CCH3.BF4-C2H5FBF3,-80℃－15℃CH3H3CCH3C2H5+HF+BF3δ络合物，橙色固体熔点－15℃CH3H3CCH3HC2H5.........+⑶亲电取代反应历程第二步：Ar+HEArE+H+k2第一步：　　　Ar+E+Ar+HEk1k-1（控制步骤）第二步一般为不可逆反应（硝化、卤化）；也有少数反应是可逆反应（磺化、烷基化）。第一步为可逆反应，k2k1、k-1，即σ络合物的生成是整个反应的控制步骤；?⑷亲电取代反应的可逆性大多数亲电取代反应是不可逆的，而有些是可逆的。①当芳环上引入吸电子基，反应不可逆②当芳环上引入给电子基，反应可逆芳环上引入吸电子基后，芳环的电子云密度下降，尤其是与取代基所连接的碳原子上的电子云密度下降的更多，H+不易进攻这个位置（亲电）重新生成原来的中间体正离子。芳环上引入给电子基后，芳环的电子云密度增加，尤其是与取代基所连接的碳原子上的电子云密度增加的更多，H+容易进攻这个位置（亲电）重新生成原来的中间体正离子。⑷亲电取代反应的可逆性SO3-+H3O+-O3SH++H2Oδ络合物+H2SO4SO3-H+H2O③磺化反应是可逆反应磺基虽是吸电子基，但在磺化液中以-SO3-形式存在，当H3O+浓度较高和温度较高时，与-SO3-相近的H3O+可能转移到芳环中与磺基相连的C上，从而生成原来的σ络合物，进一步脱落磺基而回复为起始的反应物。⑸取代苯的偶极矩偶极长（d）：极性分子中正、负电荷重心的距离。偶极距（μ）：分子的偶极长d和偶极上一端电荷q的乘积（μ=q*d，单位为“德拜”（D）1D=3.33×10-30C·m）。偶极距可以用来判断极性分子的极性强弱，也常用来判断一个分子的空间结构。NH3和BCl3都是四原子分子，测得μ(NH3)=1.66D，μ(BCl3)=0D，从而说明NH3是极性分子，为三角锥形的构型；BCl3是非极性分子，为平面三角形的构型。⑸取代苯的偶极矩苯分子是对称的正六边形的平面结构，电荷均匀分布，偶极矩为零。⑸取代苯的偶极矩①碳氯键中碳、氯原子电子电负性不同而产生的电子云偏移（由苯环向氯原子）的偶极矩；②氯原子的p电子和苯环的π键共轭产生的电子云离域（由氯原子向苯环）的偶极矩。两种偶极矩方向相反，但前者比后者大，总和为5.8×10-30C·m，方向由苯环向氯原子。取代苯由于取代基对苯环电子效应，使得取代苯分子的电子云密度分布不再像苯分子那样均匀，因此取代苯有一定的偶极矩。以氯苯为例。偶极矩方向5.8×10-30C·m⑹苯环上取代基的电子效应①诱导效应②共轭效应③超共轭效应取代苯中实际表现出的是这些效应的综合结果，统称为取代基的“电子效应”。①诱导效应诱导效应:Ⅰ给电子诱导效应：凡取代基使电子云向苯环偏移，从而增加苯环电子云密度，增加碱性，增大苯环亲电能力的作用。Ⅱ吸电子诱导效应：凡取代基使苯环电子云向取代基偏移，从而降低苯环电子云密度，降低碱性，削弱苯环亲电能力的作用。给电子取代基：O-、COO-、CR3、CHR2、CH2R、CH3、D（取代基诱导效应强度的排列顺序大致是左强右弱。）吸电子取代基：NR3+、SR2+、NH3+、NO2、SO2R、CN、SO2Ar、COOH、F、Cl、Br、I、OAr、COOR、OR、COR、SH、SR、OH、C≡CR、Ar、CH＝CR2是由邻键的极化而引起某个键的极化。对邻键的影响最大，随着键的远离影响逐渐减弱。②共轭效应共轭效应：共轭体系内取代基引起的共轭体系的电子云密度变化，对分子的偶极矩产生影响。取代苯中的取代基的p轨道与苯环上碳原子的p轨道相互重叠，电子发生较大范围的离域，使整个分子的电子云密度分布发生变化，即可产生共轭效应。重叠越多，共轭效应越强。Ⅰ给电子共轭效应：凡取代基通过共轭效应供给苯环电子的，如NH2、Cl、OH、OR、OCOR等Ⅱ吸电子共轭效应：凡取代基通过共轭效应移走苯环电子的，如NO2、CN、COOH、CHO、COR等给电子取代基：O-、S-、NR2、NHR、NH2、NHCOR、OR、OH、OCOR、SR、SH、Br、I、Cl、F、R、Ar吸电子取代基：NO2、CN、COOH、COOR、CONH2、CONHR、CONR、CHO、COR、SO2R、SO2OR、NO、ArAr具有两种效应。（取代基共轭效应强度的顺序是左强右弱。）③超共轭效应当取代苯中的取代基为烷基时，烷基的C与H结合，对电子云屏蔽的作用很小，所以这些电子容易与相连接的苯环上C的π电子共轭，发生电子向苯环离域的现象，使体系变得稳定，这种σ键与π键的共轭称为超共轭效应。超共轭效应的特点：超共轭效应：1超共轭效应一般是给电子效应。2烷基内C－H愈多，超共轭效应愈大：CH3CH2RCHR2CR33超共轭效应的影响远小于共轭效应。1.1.2苯的二元亲电取代反应⑴苯环上另一个H被取代，成为二元取代苯（主要）⑵苯环上第一个取代基被取代，“自位（ipso）取代”第二取代基的取代位置主要取决于：包括：①已有取代基的性质（最主要）②亲电试剂的性质③反应的可逆性④反应的条件（温度、催化剂、溶剂）等决定。1.1.2苯的二元亲电取代反应⑴定位规律⑵影响苯的二元产物异构体比例的因素⑴定位规律一元取代苯中已有取代基的作用主要表现在是使苯环活化了还是钝化了。具有活化取代基的苯反应比苯快；具有钝化取代基的苯反应比苯慢。苯的第一个取代基具有为第二个取代基指示位置的作用，这种作用称为取代基的“定位效应”。取代苯中已有取代基对苯环的二元亲电取代有重要影响。①活化基通常是邻、对位定位基②钝化基通常是间位定位基③卤素（钝化基）是邻、对位定位基+HNO3NO2+HNO3NO2CH3CH3CH3NO2++HNO3NO2NO2NO2+HNO3NO2ClClClNO2+实验结果表明：⑴定位规律定位效应强度取代基电子效应综合性质邻、对位定位最强O-给电子诱导效应、给电子共轭效应活化基（给电子）强NR2、NHR、NH2、OH、OR给电子共轭效应大于吸电子诱导效应*给电子诱导效应，给电子超共轭效应中OCOR、NHCOR弱NHCHO、C6H5、CH3*、CR3*弱F、Cl、Br、I、CH2Cl、CH＝CHCOOH、CH＝CHNO2吸电子诱导效应大于给电子共轭效应钝化基（吸电子）间位定位强COR、CHO、COOR、CONH2、COOH、SO3H、CN、NO2、CF3**、CCl3**吸电子诱导效应，吸电子共轭效应**只有吸电子诱导效应最强NH3+、NR3+吸电子诱导效应邻、对位定位基和间位定位基取代基的定位规律实质是反应速度问题。如反应中邻、对位取代速度大，而间位取代速度小，结果就显现出邻、对位定位。苯的亲电取代反应分两步进行，而形成中间体正离子是控制反应速度的一步，所以反应速度与中间体正离子的稳定性有关。亲电取代反应速度的不同，实质上是正碳离子中间体稳定性相对大小的不同。结论：正碳离子中间体的稳定性决定了定位规律。定位规律的根本OHClH+OHClH+12+OHClH-H+OHClOHClH+4（较稳定）3OHClH+OHHCl+-H+OHCl++OHHCl+OHHClOHHCl+OHHCl5678（较稳定）邻位进攻：共振式对位进攻：共振式例，苯酚的氯化3、7中带正电荷的碳原子直接与羟基相连，由于羟基的氧与苯环发生给电子共轭效应使之稳定（共轭＞诱导）。4、8中每个原子都有完整电子的八隅体，所以较稳定。OHHCl-H++-H+OHClOHHCl+91011OHHCl++OHHCl间位进攻：共振式实验结果表明：邻、对位氯苯酚产率各占50%，没有间位产物，与下图解释一致。反应进程能量OHCl+m+OHHClo,p+OHClH+OHHCl△Eo,p△Em1特别不稳定2-H+3N