有机合成的理论基础

消除反应
重排反应
自由基取代反应
每种反应又可分为若干类。如取代反应，根据反应试剂性 质和反应物分子中碳－氢键断裂方式不同，分为上三类。 加成反应：根据加成的基本途径不同，分为：亲电加成、 亲核加成、自由基加成和环加成反应。 消除反应: 根据被消除原子或原子团位置不同，分为β-消除 和α-消除等。
2.1 反应试剂的分类
-COOH、-CHO、-COOCH3、-COCH3、-CONH2、-N+H3、
-CCl3。
Z
E 间位
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2.2 亲电取代反应→ 2.2.3 芳香族亲电取代定位规律→（3）苯环的定位规律
（3）苯环的定位规律
■
已有取代基的极性效应（苯环的定位规律六之一）
对不可逆亲电取代反应，苯环上已有取代基Z的极性效
应不同，所生成的各异构σ配合物的稳定性不同，由此解释
其定位作用。 用共振结构来解释：已有取代基Z的苯与取代物E发生亲 电取代可以生成邻、对和间位三种 σ配合物，每一种配合物 都可以看作是三种共振结构杂化的结果。
2.2.2 芳香族亲电取代反应历程
大多数亲电取代反应是按照经过σ配合物中间产物的两步历程
进行的。其通式如下：
第一步
Ar－H + E
+
k1 k -1
Ar+
H E
σ配合物
第二步
Ar+
H E
k2
ArE + H+
两步历程主要是通过“动力学同位素效应”和σ配合物中 间体的分离及其相对稳定性证明。
2.2 亲电取代反应→ 2.2.2 芳香族亲电取代反应历程→（1）动力学同位素效应
上述溶液（HF和ArH）中通三氟化硼，也会使π配合物更 多转变为σ配合物： ArH· HF π配合物 K2 Ar+H2· Fσ配合物 ＋BF3 ，K3 Ar+H2· BF4σ配合物
通常以K1、K2、或K3 估计各种芳烃两类配合物的稳定性，如表
2－2所示。表2－2说明：
■实验数据表明，大多数亲电取代经过 σ 配合物，且是控制步骤。
π配合物的相对 氯化速度k氯化 硝化速度k硝化 稳定性（K1） （乙酸中， （环丁砜中 Cl2） NO2+BF-）
0.61 0.92 1.00 1.13 1.26 1.36 1.46 1.63 1.67
甲基取代 度的变化 对π配合 物（稳定 性）影响 小
苯 甲苯 对二甲苯 邻二甲苯 间二甲苯 1,2,4-三甲苯 1,2,3-三甲苯 1,2,3,4,-四甲苯 1,2,3,5-四甲苯 五甲苯
测的环状π电子云发生松散结合，未形成真正的化学键）。稳定
性差。
CF3 . BF NO
+ 2 4
π配合物
芳烃和亲电能力强的试剂形成σ配合物（试剂夺取芳环上的 一对电子，与环上的某一C原子形成σ键），或称芳正离子。较
为稳定，有时能分离得到。
CF3 + H BF4 NO2
.
σ配合物
2.2 亲电取代反应→ 2.2.1 芳香族π配合物与σ配合物
π配合物与σ配合物之间存在平衡。
CF3 +
苯三氟甲烷
CF3 H NO2F
+
-
+
BF3
三氟化硼
+ NO2 BF4
π配合物
.
硝基氟
Hale Waihona Puke CF3 -100º C +
C - -50º H BF4
CF3
.
+ HF + BF3 NO2
三氟化硼
NO2
σ配合物
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2.2 亲电取代反应→ 2.2.2 芳香族亲电取代反应历程
制步骤。
σ配合物的相对稳定性还可以用来解释亲电取代的定位
规律。
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2.2 亲电取代反应→ 2.2.3 芳香族亲电取代定位规律→（1）影响定位的主要因素
2.2.3 芳香族亲电取代定位规律 （1） 影响定位的主要因素 ■ 已有取代基的性质 极性效应 空间效应 极性效应 空间效应
■ 亲电试剂的性质——也包括：
（1）动力学同位素效应 “动力学同位素效应”：如果将反应物分子中的某一原子用 它的同位素代替时，其反应速度发生变化，这种反应速度的差 异，称为动力学同位素效应。 例如：氢的三种同位素H、D（氘）、T（氚）的质量数不同， 三种氢构成的碳氢键（C－H、C－D、C－T）断裂速度是有差 别的，即质量大的断裂较慢。实验数据表明，相对断裂速度 kH/kD≈7；kH/kT≈20。
0.005 0.157 1.00 2.1 200 340 400 2000 240000 360000
0.51 0.85 1.00 0.89 0.84
氯化过程 σ配合物 的生成是 控制步骤
2.2 亲电取代反应→ 2.2.2 芳香族亲电取代反应历程→（2）σ配合物的分离和其相对稳定性
实验数据表明，大多数亲电取代经过σ配合物，且是控
苯在无水氟化氢中的溶液是无色的，而且导电能力很低，这 表示溶液中的苯主要形成π配合物, 而σ配合物的浓度则非常低。 如果苯环上有了一个或几个甲基，则它们的HF溶液就会呈 现很深的颜色，而且导电能力也增加。表示平衡向右移动，K2增 大了。
2.2 亲电取代反应→ 2.2.2 芳香族亲电取代反应历程→（2）σ配合物的分离和其相对稳定性
2.2 亲电取代反应→ 2.2.2 芳香族亲电取代反应历程→（2）σ配合物的分离和其相对稳定性
（2）σ配合物的分离和其相对稳定性
σ配合物的生成是控制步骤时，它一经生成就快速地脱质子 而转变为产物，一般不易分离出来（σ配合物）。某些特殊情
况下可以分离出σ配合物。
从反应历程看，芳香亲电取代反应最初步骤是亲电试剂进
2
■ 烯烃双键和芳环：CH2＝CH2，C6H6等 。
■ 还原剂：Fe+2、金属等。 ■ 碱类。 ■ 有机金属化合物中的烷基：RMgX、RC=CM 等。
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2.1 反应试剂的分类 → 2.1.2 自由基试剂
2.1.2 自由基试剂 （上一部分：极性试剂）
含有未成对单电子的自由基或是在一定条件下可产生自由基
2.2 亲电取代反应→ 2.2.2 芳香族亲电取代反应历程→（2）σ配合物的分离和其相对稳定性
表2-2 σ配合物和π配合物的相对稳定性
氯化和硝化的相对速度（对二甲苯的为1.00）
芳 烃
σ配合物的 相对稳定性 （K2）
0.09 0.63 甲基取 1.00 代度对 σ配合 1.1 物影响 26 大 63 69 400 16000 29000
的化合物称自由基试剂。如Cl2可产生自由基Cl·
再比如：有机过氧化试剂 RCOOOH , 加热可产生自由基O·
2.2 亲电取代反应
2.2 亲电取代反应 （下一部分：亲核取代反应）
亲电取代反应也称为正离子型取代反应。反应通式： R:—H ＋ Z+ R—Z ＋ H+ 或
R:—H ＋ Z— :Y
R—Z ＋ H—Y （R：芳基或烷基）
-NHCOCH3、-OCOCH3、-F、-Cl、-Br、-I、 -CH3、-CH2Cl、
-CH2COOH、-CH2F等。
Z E
Z
邻 位
E
对位
2.2 亲电取代反应→ 2.2.3 芳香族亲电取代定位规律→（2）两类定位基
■第二类定位基
间位定位基：-N+(CH3)3、-CF3、 -NO2、-C≡N、-SO3H、
■ 反应条件：主要－温度、催化剂和溶剂。 上述因素中，最重要的是已有取代基的极性效应。 芳香取代反应中，苯系亲电取代反应研究的最多，也最重要。
2.2 亲电取代反应→ 2.2.3 芳香族亲电取代定位规律→（2）两类定位基
（2）两类定位基
已有取代基 Z 对新取代基 E 的定位作用有两种： ■第一类定位基 邻、对位定位基：-O-、-N(CH3)3、-NH2、-OH、-OCH3、
2.2 亲电取代反应→ 2.2.2 芳香族亲电取代反应历程→（1）动力学同位素效应
第一步
Ar－H + E
+
k1 k -1
H
Ar +
σ配合物
E
第二步
H
Ar +
k2
E
ArE + H
+
按照上述的两步历程，如果第一步是控制步骤，将没有同位 素效应，即kH/kD和 kH/kT都将接近于 1 。如果第二步是控制步骤 ,
■ 正离子：NO2+、NO+、R+、R-C+=O、ArN2+、R4N+等。
■含有可极化或已极化共价键的分子：Cl2、Br2、HF、HCl、 SO2、RCOCl、CO2等。
2.1 反应试剂的分类 → 2.1.1 极性试剂→（1）亲电试剂
■含有可接受共用电子对的分子（未饱和价电子层原子的分 子）：AlCl3、FeCl3、BF3等。 ■羰基的双键。 ■氧化剂：Fe+3、O3、H2O2等。
虽然包括脂肪族和芳香族亲电取代，但应用较多的是芳
香族取代反应。
芳香环是一个环状共轭体系，环上的π电子云高度离域， 电子云密度较高，容易发生亲电取代反应。
2.2 亲电取代反应→ 2.2.1 芳香族π配合物与σ配合物
2.2.1 芳香族π配合物与σ配合物 芳烃能和一系列亲电试剂形成配合物： 芳烃和亲电能力弱的试剂形成π配合物（试剂与芳环平面两
偶合
2.2 亲电取代反应→ 2.2.2 芳香族亲电取代反应历程→（1）动力学同位素效应
某些亲电取代反应的动力学同位素效应分析 表2－1表明：硝化时一般没有同位素效应，k2>>k1、k-1 ,控制
步骤为第一步σ配合物的生成。空间障碍较小的卤化和偶合反