亲核加成反应
化学反应中的亲核加成反应机理研究
化学反应中的亲核加成反应机理研究化学反应是研究原子之间发生的转化和变化的科学领域。
亲核加成反应是一类常见的化学反应，其机理研究对于解释反应细节和优化化学合成具有重要意义。
本文将重点讨论亲核加成反应的机理研究，探究其在化学领域中的应用和意义。
一、亲核加成反应概述亲核加成反应是指亲核试剂通过共用电子对的方式与亲电试剂发生反应，形成新的化学键。
亲核试剂通常是具有孤对电子的化合物，如氨、醇、胺、卤素等，而亲电试剂则是带有正电荷或部分正电荷的分子，如卤代烃、酰卤等。
在亲核加成反应中，亲核试剂攻击亲电试剂的部分正电荷中心，形成一个新的共价键。
二、亲核加成反应的机理亲核加成反应的机理可以分为以下几个步骤：亲核试剂的攻击、亲电试剂的离去、质子转移和生成产物。
1. 亲核试剂的攻击亲核试剂通过其孤对电子攻击亲电试剂。
亲电试剂中的部分正电荷可以吸引亲核试剂，使其接近并进行反应。
这一步骤是亲核加成反应的关键环节。
2. 亲电试剂的离去亲核试剂攻击亲电试剂后，形成一个新的化学键。
在这个过程中，亲电试剂原来的化学键发生了断裂，从而产生一个具有正电荷的离去基团。
离去基团离开后，反应的原子间距离会有所变化。
3. 质子转移在亲核加成反应中，质子转移是常见的步骤之一。
它可以帮助调整反应物的电荷和立体结构，使反应进行得更加顺利。
质子的转移通常涉及到酸碱中心的变化。
4. 生成产物经过亲核试剂的攻击、亲电试剂的离去和质子转移等步骤后，最终会形成一个新的化学键，并生成产物。
产物的结构和性质取决于反应物的选择和反应条件的控制。
三、亲核加成反应的应用和意义亲核加成反应在化学合成中具有广泛的应用和意义。
1. 合成有机化合物亲核加成反应可以用于合成各种有机化合物，例如醇、酮、醛、酸等。
通过选择不同的反应物和反应条件，可以实现不同的合成目标，并得到具有特定结构和性质的化合物。
2. 研究反应机理亲核加成反应的机理研究有助于揭示反应发生的细节和规律，深入理解化学反应的本质。
亲核加成
二 炔烃的亲核加成
定义：亲核试剂进攻炔烃的不饱和键而引起的加成 反应称为炔烃的亲核加成。
常用的亲核试剂有： ROH（RO-）、HCN（-CN）、RCOOH（RCOO-）
碱，150-180oC
1. CHCH + HOC2H5
聚合，催化剂
[ CH2-CH]n
CH2=CHOC2H5 粘合剂
OC2H5
炔烃亲核加成的区域选择性：优先生成稳定的碳负离子。
第七章 亲核加成
(nucleophilic Addition)
反应类型：
烯烃的亲核加成反应 炔烃的亲核加成 羰基的亲核加成 羧酸衍生物与亲核试剂的反应 金属氢化物与羰基加成反应 α，β-不饱和羰基化合物的加成反应 碳－氮的亲核加成反应
一.烯烃的亲核加成反应
当烯烃连有吸电子基团时易发生亲核加成反应
产物中基团拥挤程度增大。
R 越大，妨碍Nu进攻C原子。
角张力缓解：
OH C N
O H C NK = 1 0 0 0 0
sp2杂化，键角应为120°, 实际为60°, 角张力较大； 反应中，键角由60°转化为109°28 ′, 角张力得 到缓解。
O + H C N
C O N HK = 1 0 0 0
O
O H
ACB O H
ACB+HN u O H
N uH
N u
ACBA ACB+H A
O H
O H
羰基质子化，可以提高羰基的反应活性，
羰基质子化后，氧上带有正电荷，很不稳定， π电子发生转移，使碳原子带有正电荷。
决定反应速率的一步，是Nu -进攻中心碳原子的 一步。
酸除了活化羰基外，还能与羰基形成氢键：
亲核加成反应
+ HN
H H R3
H
H N R2 OH R3 H
- H2O
N R2 O R3
+
RHC R1
-H
RHC CH2 R3R2N R1 RHC CH2NR2R3 R1
如是碱催化，则由碱与活泼氢化合物作用生成碳负离子再和醛与胺形成的加成 产物作用。
O O
+ OH
R1 R1
+ H2O
可以采取其它几种方法制备烯胺。如把酮和仲胺混合后，加入四氯化钛作脱 水剂，很快就能生成烯胺，此方法对于普通的胺和有位阻的胺都适用。
O R1 NR1R2 R1
5
R2
NH + 2 RH2C R3
+ TiCl4
2 RHC
R3
+ 4
R2
NH2Cl
+ TiO2
或把仲胺转化成三甲基硅基衍生物，由于硅具有强烈的亲氧不亲氮的性质， 故能在较温和的条件下形成烯胺。
Z=R,Ar,OH,HZAr,HNCONH2.......
在酸性条件下，质子加到羰基的氧原子上，增加了羰基碳原子上的正电荷，有 利于亲核加成，所以这些反应能被酸所催化。
O
+ H
C
OH
但质子又可以结合反应物H2N-Z，使之失去活性。所以此类反应有一最合适的 PH值，从而使相当一部分羰基化合物质子化，又能使游离的含氮化合物保持一 定的浓度。在这一最合适的PH值下，反应速率最大。
O OH
O
R3
+
H H H
H N R2 R2 N
H
R1
R2R3NCH2CH2COR1
- OH
R3
亲核加成反应
1. 重要的亲核加成反应(1） 加氰化氰 醛、脂肪族甲基酮和含8个碳以下的脂环酮都可以加氰化氢，生成氰醇（α-羟基腈）。
CO CHCNα-羟基腈实验证明碱对这个反应的影响颇大。
例如，丙酮和氰化氢作用，不加任何催化剂,3至4小时内只有50%的丙酮起反应;当加入一滴氢氧化钠溶液，反应在两分钟内完成。
若加入酸，反应速度减慢；加入较多的酸，放置几个星期也不反应；因为氢氰酸是弱酸,酸或碱的存在将直接影响它的电离平衡。
+H+--C O H HHNCN+加入碱，平衡向右移动，CN -的浓度增加；加入酸，平衡向左移动，CN -的浓度降低。
这些事实说明在丙酮与氰化氢的反应中起决定作用的是CN -本身的性质和浓度。
醛、酮加氰化氢的反应是可逆的，亲核试剂是CN -，其历程可以表示如下：反应分两步进行，第一步是CN -进攻羰基碳，生成氧负离子中间体。
这是个慢步骤，也是决定速度的步骤。
第二步是氧负离子中间体和质子结合，形成氰醇，这是个快步骤。
醛、酮和氰化氢直接加成反应的产率较好，但是氰化氧有剧毒，且挥发性大(沸点26.5℃)。
使用起来不安全。
为了避免反应中直接使用氰化氢，一般采用醛或酮与氰化钾(钠)的水溶液混合，然后加入无机酸，使氰化氢一旦生成立即和醛或酮作用。
.但在加酸时应控制溶液的pH 值，使之始终偏于碱性(pH ≌8)，以利于反应的进行。
醛、酮加氰化氢在有机合成中很有实用价值。
它是增长碳链的一种方法;此外加成物含有双官能团，是一类较活泼的化合物，可进一步转化为多种其它化合物。
例如：CH 3CH 3CH 2CH 3CH 3CH3CH 333)2CCH 2NH 2CH 33CO H O H O+C H C O O HNCNCO CCHO C H +O，Δα-甲基丙烯酸甲酯（90%） α-甲基丙烯酸甲酯是合成有机玻璃——聚α-甲基丙烯酸甲酯的单体。
C R R R`δ+O H ()+--慢快C H H NCN +R`)H (-C R O CN R`)H ((2)加亚硫酸氢钠 大多数醛、脂肪族甲基酮和8个碳以下的脂环酮与亚硫酸氢钠饱和溶液（40%）加成，生成白色的α-羟基磺酸钠晶体。
亲核加成
NO2
_ + CH3
H H H C C NO2 CH3 NO2
2
碳-碳双键的亲核加成反应
• 亲核试剂对碳-碳双键加成的反应历程： • 反应的第一步是亲核试剂带着一对电子进攻双键 上的一个碳原子，而电子则被集中到另一个双键 碳原子上形成碳负离子，这是慢的一步。第二步 是碳负离子与质子或带正电荷的物质结合形成产 物。
+ E+ C C Nu E C C Nu
3
C C
+ E Nu
• 一些常见得促进亲核加成反应的取代基有： CHO、 COR、COOR、 CN、NO2、 CONH2、SO2R等。 它们通过降低碳-碳双键碳原子上的p电子云密度 来促进亲核试剂的进攻，但更重要的是，这样的 取代基能使生成的碳负离子中间体的负电荷分散 而得到稳定。
C2H5O
-
H O C C C CH3
1)水解 2)加热
O
7
碳-碳三键的亲核加成反应
• 碳-碳三键通常比双键更容易被亲核试剂进攻，而较难被 亲电试剂进攻。这是因为碳-碳三键之间的距离较短，三 键中的电子被束缚的比双键中的紧，所以进攻的亲电试剂 夺取三键中的一个电子较困难。从杂化角度来考虑，三键 碳原子(sp杂化)比双键碳原子(sp2杂化)具有较多的s成分， 因此它与电子的结合力较强，表现出较强的亲电性。
O
NH2NH2
NNH2
NH2NHCONH2
NNCONH2
RSH
• 羰基化合物与醇的反应
• 醛(酮)能与一分子醇加成生成半缩醛(酮)。半缩醛(酮)不稳 定，容易分解成醛(酮)和醇或与另一分子醇进一步缩合， 生成缩醛(酮)。 • 由于缩醛(酮)生成后又可水解成原来的化合物，故可利用 缩醛(酮)生成还保护醛(酮)基。 • 环状缩醛(酮)：最常见的是利用羰基化合物和乙二醇反应， 生成二氧戊环化合物，该化合物比烷基缩醛(酮)更加稳定， 可耐大多数碱性及中性的反应条件。
亲核加成反应机理
亲核加成反应机理一、介绍亲核加成反应是有机化学中一种重要的反应类型。
它通过亲核试剂攻击电荷不饱和的碳原子，形成新的碳-亲核键，并伴随有官能团的转换。
本文将对亲核加成反应的机理进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、亲核加成反应概述亲核加成反应是一类重要的有机化学反应，其主要特点是用亲核试剂攻击双键或三键上的电子，形成新的化学键。
亲核试剂可以是阴离子、中性分子或阳离子。
在亲核加成反应中，亲核试剂通常经历亲核进攻、负离子重排和质子化等阶段。
1. 亲核进攻亲核试剂在亲核加成反应中起到亲核进攻的作用。
通常情况下，亲核试剂具有可用的自由电子对，能与电子不足的碳原子形成新的化学键。
亲核进攻的速率和选择性受到亲核试剂的性质、反应条件和底物的结构等因素的影响。
2. 负离子重排在某些亲核加成反应中，亲核试剂的亲核进攻会导致反应过渡态产生负电荷，形成负离子。
负离子重排是亲核加成反应中的一个重要步骤，可以通过改变碳原子的排列顺序来稳定负离子。
3. 质子化质子化是亲核加成反应中的最后一个阶段，通过给亲核试剂或负离子成员质子化，使反应产物获得更稳定的结构。
质子化通常发生在负离子重排之后。
三、亲核加成反应的分类亲核加成反应可根据亲核试剂和底物的不同进行分类。
下面将对几种常见的亲核加成反应进行介绍。
1. 碱性条件下的亲核加成反应在碱性条件下，亲核试剂通常是醇、酚、胺等带有孤对电子的化合物。
这类亲核试剂能够与电荷不饱和的碳原子形成新的化学键。
碱性条件下的亲核加成反应常用于合成醇、酚、胺等化合物。
2. 酸性条件下的亲核加成反应在酸性条件下，亲核试剂通常是具有孤对电子的阴离子，如卤素离子、亚硫酸根离子等。
酸性条件下的亲核加成反应可以用于合成卤代烷、磺酸酯等化合物。
3. 中性条件下的亲核加成反应在中性条件下，亲核试剂通常是中性分子，如水、醛、酮等。
中性条件下的亲核加成反应常用于合成醇、酮等化合物。
四、亲核加成反应的机理解析1. 碱性条件下的亲核加成反应机理以醇作为亲核试剂为例，碱性条件下的亲核加成反应机理如下：1.酸性条件下，氧上的醇质子化生成质子化醇。
亲核加成反应
O + HCN
OH CN
K=1000
这里，角张力得到缓解，但程度不大。
水
亲核加成反应活性
a）决定于羰基碳上的正电性 δ + ，则 反应
b）决定于空间效应 空间位阻 ，反应
如： H C=O
H
>
R C=O
H
>
R δ+ δ C=O
R
R C=O
H
>
Cl
C=O H
> Cl C C=O
CH3 -C=O
Cl H
思考题：烯烃有无亲核加成？乙烯能否与CH3OK反应？
PhC CH
PhSH KOH PhCH CHSPH
PhC
CH
CH3O CH3OH
Ph C
H
C OCH3 H
库切洛夫反应
如果使用弱的亲核试剂则需要加入催化剂，常用的 催化剂是Hg2+离子，因为它能与叁键配位，从叁键吸 引电子，有利于弱亲核试剂的进攻。例如炔烃的水合 反应：
R'
M
S
ZO
R
L
交叉式(主要产物)
L
R'
R
M ②
SOZ
RL
R'
M
S
R
OZ
L
(次)
与格氏试剂加成的手性诱导效应：
CHO
H
Ph + CH3MgI Et2O
② 试剂的可极化度越大，则利于亲核加成 反应的进行。
CH3CHO + H2O CH3CHO + HCN
CH3CH(OH)2 CH3CHOH
CN
K≈ 1 K≈ 104
HCN的可极化度大，HCN是比水更强的亲核试 剂
《亲核加成反应》课件
许多药物都是通过亲核加成反 应合成的，例如格列卫等，这 些药物对癌症等疾病的治疗具 有重要作用。
亲核加成反应还可以合成各种 农药，如杀虫剂、杀菌剂等， 这些农药对农业生产和植物保 护具有重要作用。
亲核加成反应与其他反应的串联
与氧化反应的串联
在亲核加成反应之后，往往需要进一步进行氧化反应以得到所需的产物。例 如，在合成己二酸二乙酯时，需要先进行亲核加成反应生成半酯，然后再进 行氧化反应得到己二酸二乙酯。
亲核加成反应的立体化学
区域选择性
在亲核加成反应中，进攻试剂首先与底物形成过渡态，然后 发生电子转移形成产物。由于过渡态的形状和能量与进攻试 剂和底物的立体结构有关，因此不同立体结构的进攻试剂和 底物在反应中具有不同的区域选择性。
对称性和立体化学
在双分子亲核加成反应中，进攻试剂和底物可以以两种不同 的方式相互结合，形成两种不同的过渡态。这两种过渡态具 有不同的能量和稳定性。因此，反应的立体化学性质取决于 进攻试剂和底物的对称性和立体结构。
如威尔金森催化剂、查尔酮催化 剂等，可以活化亲电试剂和亲核 试剂，促进亲核加成反应。
亲核加成反应的影响因素
电子效应
亲核试剂的电子云密度越高，越有利于亲核 加成反应。
空间效应
亲核试剂和亲电试剂的空间位阻会影响反应速率。
溶剂效应
溶剂的极性和介电常数会影响亲核加成反应 速率。
亲核加成反应的动力学模型
双分子亲核加成反应
亲核试剂和亲电试剂相互接近，形成过渡态，然后发生电子 转移，最后形成产物。
单分子亲核加成反应
亲核试剂首先与自身形成过渡态，然后发生电子转移，最后 形成产物。
04
亲核加成反应的应用与拓展
亲核加成反应在有机合成中的应用
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HCN
OH-
H+
H+
+
-
CN
加入碱，平衡向右移动，CN-的浓度增加；加入酸，平衡向左移动，CN-的浓度降低。这些 事实说明在丙酮与氰化氢的反应中起决定作用的是 CN-本身的性质和浓度。
醛、酮加氰化氢的反应是可逆的，亲核试剂是 CN-，其历程可以表示如下：
-
O¦Ä
O-
OH
R
C¦Ä+ R`(H) +CN- Âý R
O-
O R C CH3(H)
SO3H
OH
+
OH
Na
R C CH3(H)
R C CH3(H)
SO
-
3
SO3Na
这种加成反应是可逆的，最初形成的中间体分子内含一个强酸性基团(—SO3H)和一个强碱
C O-
基团（
），分子内的酸碱反应生成 α-羟基磺酸钠。
大多数醛都可以发生这种反应，但对酮的结构要求比较严格。因为亚硫酸氢根的体积
1. 重要的亲核加成反应 (1） 加氰化氰 醛、脂肪族甲基酮和含 8 个碳以下的脂环酮都可以加氰化氢，生成氰 醇（α-羟基腈）。
OH
C O +HCN
C CN
α-羟基腈
实验证明碱对这个反应的影响颇大。例如，丙酮和氰化氢作用，不加任何催化剂,3 至 4 小 时内只有 50%的丙酮起反应;当加入一滴氢氧化钠溶液，反应在两分钟内完成。若加入酸， 反应速度减慢；加入较多的酸，放置几个星期也不反应；因为氢氰酸是弱酸,酸或碱的存在 将直接影响它的电离平衡。
溶液的 pH 值，使之始终偏于碱性(pH≌8)，以利于反应的进行。
醛、酮加氰化氢在有机合成中很有实用价值。它是增长碳链的一种方法;此外加成物含
有双官能团，是一类较活泼的化合物，可进一步转化为多种其它化合物。例如：
H3+O
OH CH3C COOH
O CH3 CCH3 + HCN
OH CH3C CN
CH3
C
H+ R`(H) R
C R`(H)
¿ì
CN
CN
反应分两步进行，第一步是 CN-进攻羰基碳，生成氧负离子中间体。这是个慢步骤，也是
决定速度的步骤。第二步是氧负离子中间体和质子结合，形成氰醇，这是个快步骤。
醛、酮和氰化氢直接加成反应的产率较好，但是氰化氧有剧毒，且挥发性大(沸点
26.5℃)。使用起来不安全。为了避免反应中直接使用氰化氢，一般采用醛或酮与氰化钾(钠)的 水溶液混合，然后加入无机酸，使氰化氢一旦生成立即和醛或酮作用。.但在加酸时应控制
比较大，羰基碳上所连烃基体积太大时，加成反应将受到空间阻碍，所以，除甲基酮和低
分子量的脂环酮外，其他的酮较难和亚硫酸氢钠发生加成反应。
α-羟基磺酸钠和等当量的氰化钠作用，磺酸基可以被氰基取代，生成 α-羟基腈，这 是制备 α-羟基腈的好方法。它的优点是避免使用剧毒的氰化氢，而且产率也较高。例如：
OH CH3CH
C N Y ë¿
NH2 ëÂ
ëê
££®®
+
C
OH
H2N - Y
OH
C
+ NH2Y
- H+
OH C NHY
+
C NHY
NH ±½ë ±½ëê
+
- H+
C NHY
C NY
NO2
NH
NO2
2£4¬-¶þÏõ »ù±½ëÂ
O NHCNH2 °± »ùëå
2£4¬-¶þÏõ »ù±½ëê
Ëõ°±ëå
反应分两步完成，首先氮原子上的孤电子对作为亲核试剂与羰基进行亲核加成，生成加成
NH2
Y
+
+
H
+ NH3 Y
铵离子因缺乏未共用电子对而丧失了亲核能力，因此，常常需要把反应介质调节到一个适 当的 pH 值，即在这个 pH 值时，既能保证羰基达到足够的质子化，又能保证游离碱(未质 子化的氨衍生物)的足够浓度。
许多醛、酮与氨的衍生物的加成缩合产物，如肟、腙、苯腙、缩氨脲等，都是很好的 结晶，收率高，易于提纯，具有固定的熔点，由熔点的测定可以与已知物的熔点核对比较， 推断它们是由何种醛或酮所生成，用来鉴定醛和酮。肟、腙、苯腙、缩氨脲与稀酸共热可 水解生成原来的醛和酮，因此这一反应也常用来从混合物中分离和精制醛或酮。通常分子 量高的醛和酮采用生成肟的方法；一般醛和酮采用生成苯腙的方法；低分子水溶性的醛和 酮采用生成 2,4 一二硝基苯腙的方法。这主要是根据它们的溶解度和熔点来抉择。
CN
中间产物。而后，加成产物失去一分子水，形成含有
结构的化合物。
在这些反应中所用的氨的衍生物又叫羰基化试剂，它们的亲核能力比 CN-弱，反应常
常需要酸催化。酸的作用是使羰基质子化，增加了羰基碳的亲电能力，使其有利于亲核试
剂的攻击。
+
C O+ H
+
C OH
但是，反应不能用强酸催化，因为在强酸性介质中氨的衍生物也要质子化，生成铵离子。
H (CH3)2C CH2NH2
CH3
OH
O
ŨH2SO4 CH2 CH3OH £¬¦¤
CC CH3
O CH3
α-甲基丙烯酸甲酯（90%）
α-甲基丙烯酸甲酯是合成有机玻璃——聚 α-甲基丙烯酸甲酯的单体。 (2)加亚硫酸氢钠 大多数醛、脂肪族甲基酮和 8 个碳以下的脂环酮与亚硫酸氢钠饱和溶液
（40%）加成，生成白色的 α-羟基磺酸钠晶体。
CH3 R (H)
HCl
NaCl +SO2+H2O
C O+ NaHSO3 NaCO3 Na2SO3+CO2+H2O
所以，利用该反应还可以分离或提纯某些醛、酮。
醛、酮加亚硫酸氢钠与加氰化氢的反应历程类似，亲核试剂是亚硫酸氢根离子中带有孤电
子对的硫，其历程可以表示如下：
O
R C CH3(H)+¡ÃS OH
O
OH
CH3 C
R+
(H)
NaHSO3
CH3 C SO3Na R(H)
α-羟基磺酸钠
α-羟基磺酸钠易溶于水，不溶于醚或饱和亚硫酸氢钠溶液，所以常用该反应定性地鉴别某 些醛、酮，因为反应是可逆的，若向羟基磺酸钠溶液中加入酸或碱，共热后又可以得到原
来的醛、酮。 OH
CH3 C SO3Na R(H)
醛、酮与氨的反应一般比较困难，只有甲醛容易，但生成的亚胺类似物(H2C==NH)不 稳定，能很快聚合生成六亚甲基四胺，俗称乌洛托品，可被用作有机合成中的氨化试剂， 也可用作酚醛树脂的固化剂及消毒剂等。
OH SO3Na NaCN CH3CH
CN \
4 与氨的衍生物加成缩合 醛、酮也能和氨的衍生物，如羟氨、肼、苯肼、2,4-二硝 基苯肼以及氨基脲等反应，分别生成肟、腙、苯腙、2,4-二硝基苯腙以及缩氨脲等。其反 应可用通式表示如下：
+
H
CO
+
C OH
H+
+OH2
- H2O
C NHY
Y H2NY
OH ôÇÇâ