有机反应机理第六章二
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有机化学第六章烯烃
CH3
CH2CH3
CC
H
H
顺-2-戊烯
H
CH2CH3
CC
CH3
H
反-2-戊烯
Z式：双键碳原子上两个较优基团或原子处于双键同侧。
E式：双键碳原子上两个较优基团或原子处于双键异侧。
(优)CH3 C
H
CH2CH3(优)
CH3
C
C
CH3
(优)CH3CH2
CH(CH3)2(优) C
CH2CH2CH3
(Z)- 3-甲基-2-戊烯 (E)- 3-甲基-4-异丙基-3-庚烯
68% 17%
Br + C6H5CH CHCH3
-Br 环正离子
C6H5CH=CHCH3 Cl2
+ Cl C6H5CH CHCH3 Cl-
*
碳正离子
Cl- Cl
+
C6H5CH CHCH3
离子对
一般情况，加溴通过环正离子中间体 进行。
加氯通过环正离子中间体、碳正离子 或离子对进行。
立体选择性反应（stereoselective reaction）
0.33 0 /10-30 c.m 4oC -138.9oC
反式异构体对称性较高，熔点高于顺式异构体。 顺式异构体极性较强，沸点高于反式异构体。
第五节 化学反应
（一）催化氢化 （二）亲电加成反应 （三）自由基加成反应 （四）硼氢化反应 （五）氧化反应 （六） -氢卤代反应 （七） 聚合反应
（一） 催化氢化
顺式烯烃
H
H
C C Br2
CH3
CH3
H
H
Br
CH3
a Br-
CH3 b
Br
有机反应机理第六章(二)
第6章 活性中间体的研究（续）
6.5 有机自由基 自由基是指有一个未成对电子的原子或分子 自由基是缺电子的中间体，但不带电荷，其性质与 正碳离子和卡宾等缺电子的中间体差别较大
有机反应机理
6.5.1 自由基的结构和稳定性 烷基自由基具有7电子结构，因而是缺电子的
烷基自由基的中心碳原子杂化态处于sp2与sp3之间， 近似于sp2杂化，具有扁平的角锥型结构
自由基夺取氢的反应则相反， Me3C－H的氢容易 被自由基夺取， RO－H的氢则难以被自由基夺取， 因为RO－H键的BDE高于Me3C－H键的BDE
有机反应机理
由于上述原因，自由基反应常选择甲醇，水和苯作 溶剂
如果用乙醚，THF，CH2Cl2，丙酮或氯仿作溶剂， 常会发生自由基夺取溶剂分子中的氢的副反应
有机反应机理
O O O O
O 2 O
CH3 C CH3 N N
CH3 C CH3
hv
CH3 N2 + 2 C CH3
有机反应机理
通过键离解能可以判断化学键均裂的难易
H H BDE/kj/mol 435
Br Br 192
不难看出，Br－Br键易断裂，H－H键不易断裂
有机反应机理
一些键在光照下可使电子激发到*轨道上，形成 双自由基
The formation of cyclic amines from N-halogenated amines via an intramolecular 1,5-hydrogen atom transfer to a nitrogen radical is known as the Hofmann-Loffler-Freytag reaction (HLF reaction)
有机反应机理
6.5 有机自由基 自由基是指有一个未成对电子的原子或分子 自由基是缺电子的中间体，但不带电荷，其性质与 正碳离子和卡宾等缺电子的中间体差别较大
有机反应机理
6.5.1 自由基的结构和稳定性 烷基自由基具有7电子结构，因而是缺电子的
烷基自由基的中心碳原子杂化态处于sp2与sp3之间， 近似于sp2杂化，具有扁平的角锥型结构
自由基夺取氢的反应则相反， Me3C－H的氢容易 被自由基夺取， RO－H的氢则难以被自由基夺取， 因为RO－H键的BDE高于Me3C－H键的BDE
有机反应机理
由于上述原因，自由基反应常选择甲醇，水和苯作 溶剂
如果用乙醚，THF，CH2Cl2，丙酮或氯仿作溶剂， 常会发生自由基夺取溶剂分子中的氢的副反应
有机反应机理
O O O O
O 2 O
CH3 C CH3 N N
CH3 C CH3
hv
CH3 N2 + 2 C CH3
有机反应机理
通过键离解能可以判断化学键均裂的难易
H H BDE/kj/mol 435
Br Br 192
不难看出，Br－Br键易断裂，H－H键不易断裂
有机反应机理
一些键在光照下可使电子激发到*轨道上，形成 双自由基
The formation of cyclic amines from N-halogenated amines via an intramolecular 1,5-hydrogen atom transfer to a nitrogen radical is known as the Hofmann-Loffler-Freytag reaction (HLF reaction)
有机反应机理
第六七章有机化学反应机理的案例
利用反应中焓变和自由能变化或热变化，可以计 算达到平衡时的温度。 如△G=△H-T△S；知道了自由能△G变化，还 可以计算平衡常数K的大小， △G＝-RTlnK。 通常△G为正值，得出K值很小，说明对反应不利， △G为负值，得到的K值较大，表明对反应有利。 熵值△S的研究，可以提供反应类型的信息。
研究有机反应机理的目的是认识参加反应化合物 的原子或基团的结合，在位置、次序和结合方式 在反应过程中所发生的变化，以及这些变化的动 力是出于哪些因素。 有机反应机理是有机化学理论的组成部分，它能 帮助我们把许多看来无关的反应联系在一起，找 出它们的共同规律，用以指导反应条件的选择， 达到提高产率的目的，并可作为新的合成反应的 依据。 反应按何种历程进行，取决于反应物和试剂的性 质，以及反应的条件，如温度、压力、催化剂和 溶剂等。
CH3
CH3
C + + OHCH3
快
CH3
CH3
CH3
C
CH3 (D)
OH
CH3
C
CH3 (E)
OH
(C)
活性中间体
过渡态 I I
SN1反应的能量变化过程：
Ü Á Ä ¿
(B) (D) (C) E1 (A) H E2
(E)
´ Ó · ¦ ½ ø ³ Ì
SN1的特点：
①分步进行；
②决速步骤为C－X解离，单分子反应，有v=k[RX]； ③有C＋中间体，构型保持与构型转化机率相同；产物 外消旋化.
（2）在紧密的离子对阶段，溶剂分子或其它亲 核试剂进攻R+，由于溶剂或其它亲核试剂尚未进 入R+和L-之间，且由于L-的屏蔽作用，溶剂分子 或其它亲核试剂只能从L-的背面进攻R+，故产生 产物构型的倒转，相当于SN2历程。 （3）溶剂分子或其它亲核试剂进攻R+，发生在 溶剂介入的离子对阶段，则溶剂或其它亲核试剂 很可能从前后两面进攻，导致外消旋化，但从正 面进攻R+时，或多或少受到L-的屏蔽作用，故仍 以背面进攻为主，产物除主要得到外消旋产物外， 尚有部分构型倒转产物。
机理习题及答案
第六章 有机反应机理和测定方法6-1 利用稳定态近似原理指导下列反应生成C 的速度公式：解：k 2× k 1k 2+k -16-2 从观察到的实验现象提出符合这些现象的反应历程。
1）下列两个反应有相等的反应速度并遵循相同的动力学方程：-O H2）hOHH-反应在重水中进行时若在反应完成前回收原料有氘代原料产生。
CH 2C H 2N H 2CH 2C H 2O H CH 2C H 2OH H 2SO 4***CD 2CH 2O HH O CDCH 2CD 2CH 2BrCDCH2CH 3O Na CH 3O H+5） HOCl 和CH 2=CHCH 2*Cl 得到三种产物1 ，2 ， 3 ，若用CH 2=C （CH 3）CH 2*Cl 反应，则标记*Cl 重排的产物比例要小得多。
ClClCl O HClCl O HClCl O H *+***+H OCl6）铬酸氧化（CH 3）2CD(OH)的速度为（CH 3）2CH (O D)的六分之一。
7）化合物1进行S N 1反应比2快，3进行S N 2反应比4慢。
8）顺 1,2-环己二醇与HIO 4反应比反式异构体快。
9） 2R ,3S -3-氯-2-丁醇在NaOH/C 2H 5OH 溶液中反应得光活性的环氧化物，再用KOH/H 2O 处理得内消旋2,3-丁二醇。
10）CH 3O1 进行酸性水解生成无18O 的乙酸，CH 3O2在同样条件下生成带18O 的乙酸。
解： 1）两个反应决速步骤都是O HH-2）P hHP h-CH2CH2N H2CH2CH2O HCH2CH2O HCH2CH2N2CH2CH2****+*+CD2CH2O HCD CH2CD2CH2O H2CD2CH2++决速步骤为生成碳正离子，未牵涉C-D键断裂。
CD2CH2Br CDCH2CH3OCH3OD本反应是E1cb反应, 决速步骤为生成碳负离子，牵涉C-D键断裂。
5）次氯酸HOCl和同位素标记了的烯丙基氯H2C=CHCH2*Cl反应生成三种产物：ClCH2CH(OH)CH2*Cl、HOCH2CHClCH2*Cl和HOCH2CH*ClCH2Cl 。
第六章 有机反应活性中间体
RC
CR'
RX + R'2CuLi
R-R' + R'Cu + LiX
23
（3）羧基化和脱羧反应
羧化:
O O
RMgI+ O
C
O
H
OMgI
R
R
OH
O
O
CH3Li + O C O
物质量的比 1 : 1
H
OLi
H3C
R
OH
脱羧:
CH3COONa
-CO2 NaOH 400℃
CH3 + CO2 H+ CH4
当羧基的邻位 有拉电子基时, 可以在较低温 度下脱羧.
稳定的 自由基
O
( iii) 键的离解能 自由基是由共价键均裂产生的, 键 的离解能越大, 产生的自由基越不稳定,容易二聚生 成原来化合物。键的裂解能小的键如含有-O-O-, C-N=N-C 等弱键的化合物, 所产生的自由基比较 稳定。
30
常见自由基按稳定性排序:
(C6H5)3C > (C6H5)2CH > C6H5CH2 > CH2=C H CH2 > (CH3)3C > CH3 CHCH2CH3 >
- OH -
+ N2
（5）质子或其他带正电的原子团与不饱和键加成。
+ R+ (CH 3)3C=CH 2 + H+
CH 3
R (CH 3)3C+-CH 3 CH3CH-CH 2CH3
13
+ H+
6. 碳正离子的反应
1. 与带有电子的亲核体结合：取代反应（SN1） R+ + Nu- RNu
有机合成化学：第六章 缩合反应
颠茄酮 设计其它合成路线？
第六章 缩合反应
上例是由于选择不同的起始原料，而选择不同的合成路线，使 产品成本大大降低。如果没有很好的路线选择时，可以通过优化 反应条件，提高产物的收率，降低成本。从产品收率上讲，能提 高1-5%。我们可能认为没什么意义，可对企业讲，产品成本会降 低2-8%左右。如果一个产品产值上亿时，可估算一下其价值了。 所以，一个化工产品刚上市时价格较高，随着生产时间延长，价 格逐渐降低，很大可能是由于生产工艺和生产条件的改变所致。
-CO2
CH3CH CH2CO2H
H3C
O O O
60~76%
CH3NO2 + H3CCH
C H
CO2C2H5
NaOC2H5 CH3CH CH2CO2C2H5
55%
CH2NO2
第六章 缩合反应 CH3
CN
PhCH CO2C2H5 + H2C
C H
CN
KOH 83%
CN
PhC CH2CH2CN CO2C2H5
LDA
H3C
CH3
第六章 缩合反应
羰基化合物烷基化最大负反应是O-烷基化产物。如：
副产物
第六章 缩合反应
LDA CH3(CH2)3CO2CH3 BrCH2CH
CH2
CH3CH2CH2CH CO2CH3 CH2CH CH2
LDA
CH2CH3
C2H5Br CH3CH2Байду номын сангаас CO2CH3
可以分步引入
90%
5. Knoevenagel反应:
这类反应的特点是一个亚甲基上连接两个吸电子基团，使
得其氢活性明显提高，反应较易进行。一般使用弱碱 (有机胺)
第六章 缩合反应
上例是由于选择不同的起始原料，而选择不同的合成路线，使 产品成本大大降低。如果没有很好的路线选择时，可以通过优化 反应条件，提高产物的收率，降低成本。从产品收率上讲，能提 高1-5%。我们可能认为没什么意义，可对企业讲，产品成本会降 低2-8%左右。如果一个产品产值上亿时，可估算一下其价值了。 所以，一个化工产品刚上市时价格较高，随着生产时间延长，价 格逐渐降低，很大可能是由于生产工艺和生产条件的改变所致。
-CO2
CH3CH CH2CO2H
H3C
O O O
60~76%
CH3NO2 + H3CCH
C H
CO2C2H5
NaOC2H5 CH3CH CH2CO2C2H5
55%
CH2NO2
第六章 缩合反应 CH3
CN
PhCH CO2C2H5 + H2C
C H
CN
KOH 83%
CN
PhC CH2CH2CN CO2C2H5
LDA
H3C
CH3
第六章 缩合反应
羰基化合物烷基化最大负反应是O-烷基化产物。如：
副产物
第六章 缩合反应
LDA CH3(CH2)3CO2CH3 BrCH2CH
CH2
CH3CH2CH2CH CO2CH3 CH2CH CH2
LDA
CH2CH3
C2H5Br CH3CH2Байду номын сангаас CO2CH3
可以分步引入
90%
5. Knoevenagel反应:
这类反应的特点是一个亚甲基上连接两个吸电子基团，使
得其氢活性明显提高，反应较易进行。一般使用弱碱 (有机胺)
有机化学 06第六章 卤代烃2
离去基团的影响：
R-Cl
R-Br
R-I
反应速度增大
6.3.2 消除反应 E （Elimination reaction）
βα
醇
R CH CH 2 + NaOH △
HX
RCH=CH 2 + NaX + H 2O
从分子中脱去一个简单小分子，如HX、H2O等，同时 产生不饱和键的反应称为消除反应。
反应中除α碳脱去X外，在β碳上脱去H，故称为β-消 除反应。
C2H5O- + CH3
CH3 C CH3
Br
[C2H5O-
进攻-H
] H
CH3
CH2 C CH3
Br
CH 3 CH3 C =CH2 + C2H5OH + Br-
SN2反应机理
HO- + CH3Br
[ ] H H HO C Br
进攻-C H
CH3OH + Br-
试剂碱性强，升高温度有利于E2反应。
四、亲核取代反应与消除反应的关系
醇溶液
胺RNH2 + HX
RONO2 + Ag X
硝酸酯
亲核取代反应通式：
RCδ+H2 Xδ- + Nu -
RCH2Nu + X -
反应底物
亲核试剂
产物
离去基团
卤代烷
HO- 、CN- 、 OR-、NH3 ONO-2等
醇、腈、 醚、胺 硝酸酯等
卤素离子
由试剂的负离子部分或未共用电子对去进攻而引
发反应，进攻试剂都有较大的电子云密度，能提供一
写出下列反应的主要产物
CH3
Br NaOH ,C2H5OH
高等有机 第六章 羰基化合物的反应
子效应。 子效应。如： (3) 应用： 应用：
O 2N
CHO ＞
CHO ＞ CH3
CHO
羰基与HCN加成，不仅是增加一个碳原子的增长碳 羰基与 加成， 加成 链方法，而且其加成产物 羟基腈又是一类较为活泼的 链方法，而且其加成产物α-羟基腈又是一类较为活泼的 化合物，在有机合成上有着重要的用处。 化合物，在有机合成上有着重要的用处。如：
R (R)H C =O R + HCN (R)H C CN OH
α - 羟基腈(又称氰醇) 又
实 验 事实 ： 2 min 完成反应
一滴 OH
HCN
H
+
H
+
+ CN
3~4 h 原料的50%起反应 起
加 H+，反应 υ↓， 大量 加 H+ 则难反应 ， 12
实验事实证明：该加成反应起决定性作用的是 实验事实证明：该加成反应起决定性作用的是CN ， CN ↑，有利于反应的进行。 ，有利于反应的进行。 (1) 反应机理： 反应机理：
CH3 C CX3 OH
CH3 C O 缩合反应: 1. 自身缩合: R RCH2CH =O + H CHCH=O
dil. OH
=
CH3 C OH + CX3 O + CHX3 卤仿
OH R RCH2CH CHCH=O R
△ H2O
=
O
O
O
β -羟基醛 羟
RCH2CH =CCH =O
α,β-不饱和醛 不
① NaBH4 或 LiAlH4 ② H3O +
RCH=CH (R')H
OH C H
B. Al[OCH(CH3)2]3 / (CH3)2CHOH还原法 还 RCH=CH (R')H (3) 金属还原法:
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有机反应机理
三-(五氯苯基)甲基自由基在溶液中可保存数天， 固态时可稳定存在，并能耐热至300℃
Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl C Cl Cl Cl Cl ClCl Cl Cl
有机反应机理
这是由于与自由基中心碳原子相连的芳基可以通过 共轭作用很好地稳定自由基
同时，体积较大的芳基自由基通过位阻作用使得 自由基之间较难反应，进一步稳定了自由基
相邻原子上的未共用电子对，键，键都能稳定 自由基，稳定性顺序： 叔碳自由基 > 仲碳自由基 > 伯碳自由基
有机反应机理
自由基与碳正离子稳定性的差别 自由基中心碳原子价壳层电子数为7，缺电子性不 如碳正离子严重，较相应碳正离子稳定
例如，伯碳正离子很难形成，而伯碳自由基则通常 可作为反应中间体
有机反应机理
深蓝色的二苯甲酮羰游基在用钠干燥溶剂时用作脱 氧剂
有机反应机理
6.5.3 自由基的反应
有关自由基的反应包括
与键的加成，裂解，夺取氢，复合，重排等
有机反应机理
与键的加成
例如溴自由基对双键的加成和自由基环化
有机反应机理
硝酮(nitrone)与自由基加成生成稳定的氮氧自由基， 常用作自由基捕集剂
有机反应机理
对于杂原子自由基，由于自由基是缺电子的，自由 电子所在原子电负性越大，相应自由基越不稳定 稳定性：
CR3
I
>
> Br
NR2
>
Cl
OR
F
>
>
HO· 和H· 极不稳定，通常不能作为反应中间体存在
有机反应机理
氮氧自由基是非常稳定的自由基，例如TEMPO
O H3C N CH3 CH3 H3C H3C
自由基夺取氢的反应则相反， Me3C－H的氢容易 被自由基夺取， RO－H的氢则难以被自由基夺取， 因为RO－H键的BDE高于Me3C－H键的BDE
有机反应机理
由于上述原因，自由基反应常选择甲醇，水和苯作 溶剂
如果用乙醚，THF，CH2Cl2，丙酮或氯仿作溶剂， 常会发生自由基夺取溶剂分子中的氢的副反应
自由基与碳正离子稳定性的差别（续） 相邻原子上的未共用电子对，键和键对自由基 的稳定化作用不如对碳正离子的稳定化作用强 这是因为自由基 的这些共轭作用 是占有轨道与占 有轨道间的作用， 有一个电子进入 反键轨道
有机反应机理
而碳正离子的这些共轭作用是占有轨道与空轨道间 的作用，电子都进入成键轨道
反式亚胺被转运到肝脏，在酶和ATP(腺苷三磷酸) 的作用下转变成顺式再送回视网膜
有机反应机理
氧化还原反应也是产生自由基的简便方法 单电子转移过程先生成阳离子自由基(氧化)或阴离 子自由基(还原)，再分解成自由基和离子，例如：
人，称作羰 游基(ketyl)。
有机反应机理
自由基的复合和歧化 两分子自由基利用各自的自由电子所在轨道形成新 的键的反应称为自由基复合
有机反应机理
自由基夺取另一自由基分子中的氢，形成两分子八 隅体结构产物的反应称作自由基歧化，例如
有机反应机理
自由基重排
与碳正离子不同，自由基的同面协同的1,2-迁移 重排是对称性不允许的反应，但某些自由基可以 通过加成-裂解的途径发生1,2-迁移重排，例如
有机反应机理
O O O O
O 2 O
CH3 C CH3 N N
CH3 C CH3
hv
CH3 N2 + 2 C CH3
有机反应机理
通过键离解能可以判断化学键均裂的难易
H H BDE/kj/mol 435
Br Br 192
不难看出，Br－Br键易断裂，H－H键不易断裂
有机反应机理
一些键在光照下可使电子激发到*轨道上，形成 双自由基
O N CH3 CH3 H3C H3C
O N CH3 CH3
H3C
TEMPO, a stable nitroxyl
有机反应机理
6.5.2 自由基的产生
键的均裂 键的激发
单电子还原或氧化
有机反应机理
有机过氧化物和偶氮化合物分子中的氧－氧键和 碳－氮键的键能很低，很容易均裂为自由基， 常用来作为自由基反应的引发剂
有机反应机理
夺取氢
夺取氢也是自由基的基本反应，例如
有机反应机理
夺取卤素
自由基也可夺取反应物分子中的卤素，与夺取氢 是同一类反应
有机反应机理
自由基通常不能夺取反应物分子中的烷基，氰基等 基团，例如
有机反应机理
注意：自由基夺取氢的难易与离子型反应中脱质 子的难易是完全不同的
例如，碱性条件下RO－H很容易异裂成RO－和H+， 但Me3C－H键很难断裂
6.5.1 自由基的结构和稳定性 烷基自由基具有7电子结构，因而是缺电子的
烷基自由基的中心碳原子杂化态处于sp2与sp3之间， 近似于sp2杂化，具有扁平的角锥型结构
有机反应机理
自由基的扁平角锥结构很容易翻转
自由基翻转的能垒很低，只有2.5kJ/mol
自由基的快速翻转使得一些具有光学活性的 反应物经自由基机理反应后得到的是外消旋产物
有机反应机理
解释以下自由基重排的机理
有机反应机理
链反应和非链反应 自由基引发剂作用下的反应通常为链反应
使用化学计算量的氧化剂或还原剂所进行的反应不 是链反应 光化学反应中，单分子重排或消除通常不是链反 应，而加成，取代反应通常为链反应
有机反应机理
6.5.4 自由基反应实例
Hofmann-Loffler-Freytag反应（远程官能化反应）
The formation of cyclic amines from N-halogenated amines via an intramolecular 1,5-hydrogen atom transfer to a nitrogen radical is known as the Hofmann-Loffler-Freytag reaction (HLF reaction)
O R R
O R R
hv
双自由基可以发生自由基的各种反应
有机反应机理
某些顺式烯烃的双键在光照下异构成反式，可 能经过双自由基机理
H Ph Ph H hv Ph
H H Ph H Ph H Ph Ph
H Ph H
有机反应机理
动物的视网膜中存在具有顺式双键的亚胺11-cisretinal（视黄醛）imine，当光线照到眼睛时，异构 成反式，产生电脉冲，通过视神经传递给大脑
有机反应机理
例如光学活性的1-氯-2-甲基丁烷的氯化反应， 得到的产物是外消旋体
H ClH2C C C2H5
ClH2C C CH3 C2H5
ClH2C C
CH3 C2H5
CH3
Cl
Cl2
ClH2C
C
CH3 C2H5
+
ClH2C
CH3 C Cl C2H5
有机反应机理
自由基的稳定性 自由基与碳正离子一样，是缺电子的，任何稳定 碳正离子的因素也能稳定自由基