高等有机化学——反应机理.pptx

1、共振论、共振论1.1.形式电荷形式电荷基本元素的形式电荷如图表基本元素的形式电荷如图表1:电正性、缺电子性、亲电性的区别电正性、缺电子性、亲电性的区别1、电正性或电负性电正性或电负性是元素本身的性质，与元素的成键方式没有关系。吸引电子能力的是元素本身的性质，与元素的成键方式没有关系。吸引电子能力的大小确定的。大小确定的。2、缺电子性缺电子性是指原子的价电子没有达到是指原子的价电子没有达到8电子结构时的性质。电子结构时的性质。3、亲电性亲电性:原子有空轨道并且能量低。（可以与亲核试剂反应）原子有空轨道并且能量低。（可以与亲核试剂反应）电正性、缺电子、亲电性、形式电荷等性质都是互相独立的电正性、缺电子、亲电性、形式电荷等性质都是互相独立的与化学反应性没有必然的关系！与化学反应性没有必然的关系！例如：例如：CH3+，NH4+（形式电荷都是（形式电荷都是+1价的，价的，C是缺电子的而是缺电子的而N不是）不是）.CH3，BF3 （都具有缺电子性，但都没有形式电荷）（都具有缺电子性，但都没有形式电荷）B具有电正性，具有电正性，N具有电负性，具有电负性，BH4-，NH4+都是富电子原子。都是富电子原子。CH3+，CH3I，H2C=O（C 都具有亲电性，但只有都具有亲电性，但只有CH3+中的中的C 是缺电子原子）是缺电子原子）MeO+=CH2 中的中的O 原子具有形式正电荷，但原子具有形式正电荷，但C原子具有亲电性原子具有亲电性 1.21.2共振论共振论 1 1、共振论、共振论(Resonance Structure)(Resonance Structure)：For each bonding pattern,there are often several ways in which and nonbonding electrons can be distributed.These different ways are called resonance structures.（不同的共振式像是字母，和在一起才是一个单词）（不同的共振式像是字母，和在一起才是一个单词）2.2.共振式的书写规则共振式的书写规则：（4）所有共振式都必须有相等的未成对电子数。）所有共振式都必须有相等的未成对电子数。（1）共振式间用）共振式间用 连接。连接。（2）书写共振式时，只允许电子移动，而原子核的位置不动。）书写共振式时，只允许电子移动，而原子核的位置不动。（3）所有共振式，都必须符合）所有共振式，都必须符合Lewis结构。结构。（不等价的共振结构对杂化体的贡献是不同的，越稳定的共振结构对杂化体的贡献越大）（不等价的共振结构对杂化体的贡献是不同的，越稳定的共振结构对杂化体的贡献越大）3.3.共振结构的稳定性规则共振结构的稳定性规则（2）所有原子都）所有原子都具有完整价具有完整价电子层的共振结构比其中有原子电子层的共振结构比其中有原子具有不完整具有不完整价电子层的共振结构稳定。如价电子层的共振结构稳定。如 果共振结构中具有缺电子原子，那这个缺电子原子应该是电正性原子（果共振结构中具有缺电子原子，那这个缺电子原子应该是电正性原子（C，B），），而不应该是电而不应该是电 负性原子（负性原子（N，O，卤素）。，卤素）。（1）第一周期元素（）第一周期元素（B，C，N，O）的价电子数绝不可以超过）的价电子数绝不可以超过8。（3）不带电荷的的共振结构比具有分离电荷的共振结构稳定）不带电荷的的共振结构比具有分离电荷的共振结构稳定。（4）对于带有电荷的共振结构来说，）对于带有电荷的共振结构来说，负电荷处在电负性强的原子上，正电荷处在电负性弱负电荷处在电负性强的原子上，正电荷处在电负性弱 的原子上更稳定的原子上更稳定。（以上规则的重要性依次降低）（以上规则的重要性依次降低）请判断那个共振结构更稳定：请判断那个共振结构更稳定：（规则（规则2 规则规则4）（规则（规则4）（规则（规则2，规则，规则3）4.4.如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？如何画共振结构？请判断哪一个共振结构稳定？请判断哪一个共振结构稳定？两个特例两个特例有机化合物的反应能量和速率对反应机理有重要的影响。一个化学反应是否自发的有机化合物的反应能量和速率对反应机理有重要的影响。一个化学反应是否自发的进行、反应速度的快慢、是否是可逆反应等都与反应式的能量及其反应速率有关。进行、反应速度的快慢、是否是可逆反应等都与反应式的能量及其反应速率有关。1.1.自由能（自由能（G)G)反应式的自由能与焓和熵有关。反应式的自由能与焓和熵有关。G=G=H Ho o-T-TS So o 从关系式可以看出自由能与反应所从关系式可以看出自由能与反应所处环境的温度有关的。（实际研究中常以处环境的温度有关的。（实际研究中常以H H代替代替G G）热力学和动力学热力学和动力学反应物的G生成物的生成物的G G（1 1）过渡态与反应物之间的能量差是形成过渡态所必须的最低能）过渡态与反应物之间的能量差是形成过渡态所必须的最低能 量量,也是使该反应进行所需的最低能量也是使该反应进行所需的最低能量,叫叫活化能活化能。（2 2）反应中能垒的高度即活化能的大小决定了一个反应的速度。）反应中能垒的高度即活化能的大小决定了一个反应的速度。每一个反应都有它特有的每一个反应都有它特有的活化能活化能数值。数值。（3 3）通常活化能越小，反应越容易进行，反应速率也越快。）通常活化能越小，反应越容易进行，反应速率也越快。活化能（活化能（G）反应的快慢由活化能（反应的快慢由活化能（G*）决定，与反应的）决定，与反应的自由能（自由能（G）无关无关活化能活化能过渡态过渡态活化能（活化能（G）可逆反应与反应平衡可逆反应与反应平衡（1）当正反应与逆反应的速度相等时，反应达到平衡。）当正反应与逆反应的速度相等时，反应达到平衡。（2）达到平衡的反应是可逆反应。（）达到平衡的反应是可逆反应。（K 103 则视为不可逆，则视为不可逆，某种产物脱离反应体系则反应不可逆）某种产物脱离反应体系则反应不可逆）（3）反应达到平衡时，反应物与产物、不同产物的比例是由不同）反应达到平衡时，反应物与产物、不同产物的比例是由不同 化合物的自由能决定的。化合物的自由能决定的。（1 1）下面是呋喃与丁烯二酸酐的反应，可生成两种产物。一种为）下面是呋喃与丁烯二酸酐的反应，可生成两种产物。一种为endo-endo-产物，另种产物，另种为为exo-exo-产物。当温度比较低时，生成能量高的产物。当温度比较低时，生成能量高的endo-endo-产物；当温度高时，易生成产物；当温度高时，易生成能量比较低的能量比较低的exo-exo-产物。产物。（2 2）Endo-Endo-产物是动力学产物，产物是动力学产物，exo-exo-产物为热力学产物。两种产物是同时存在的。产物为热力学产物。两种产物是同时存在的。动力学产物和热力学产物动力学产物和热力学产物Endo-产物产物Exo-产物产物中间体与过渡态中间体与过渡态动力学稳定与热力学稳定动力学稳定与热力学稳定（动力学稳定、热力学稳定）（动力学稳定、热力学稳定）（动力学稳定，热力学不稳定）（动力学稳定，热力学不稳定）（动力学不稳定，热力学稳定）（动力学不稳定，热力学稳定）一个反应研究的故事一个反应研究的故事J.Am.Chem.Soc.2004,126,6884-6885J.Org.Chem.2005,70,5752-5755Org.Lett.,2005,7,673-675J.Am.Chem.Soc.2006,128,56-57J.Am.Chem.Soc.2006,128,1798Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,793 796Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,2605-2609J.Am.Chem.Soc.2004,126,6884-6885J.Org.Chem.2005,70,5752-5755Org.Lett.,2005,7,673-675背景：背景：J.Am.Chem.Soc.2006,128,56-57J.Am.Chem.Soc.2006,128,1798Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,793 796Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,2605-2609EntryCataystSolventYield(%)b11aNeat7121bcNeat6631cNeat5941dNeat865d1dNeat6161dDCE7271dCHCl35281dDioxane09e1dNeat21a Reaction conditions:catalyst(0.004 mmol),2a(1.5 mmol),5a(1.0 mmol),80 oC,6 h,2.0 mL of solvent was added if noted.b Based on 3a used,determined by 1H NMR using CH3NO2 as the internal standard.c 1b contains trace of impurity(see experimental section).d Reaction temperature 70 oC.e Reaction conditions:catalyst(0.002 mmol),2a(3.0 mmol),5a(2.0 mmol),80 oC,17 h.EntryCataystSolventYield(%)b11aNeat472c1aDCE463c1aCHCl3474c 1aCH2Cl2345 1aDioxane061bdNeat4671cNeat3981dNeat499e1dNeat3710f1dNeat34a Reaction conditions:catalyst(0.004 mmol),2a(1.5 mmol),3a(1.0 mmol),90 oC,8 h,2.0 mL solvent was added if noted.b Based on 3a used,determined by 1H NMR using CH3NO2 as the internal standard.c In reflux.d 1b contains trace of impurity(see experimental section).e Reaction temperature 80 oC.f Reaction conditions:catalyst(0.002 mmol),2a(3.0 mmol),3a(2.0 mmol),100 oC,16 h.配合物配合物1d催化的催化的-二酮与烯烃的反应：二酮与烯烃的反应：机理研究：机理研究：配合物配合物7的晶体结构的晶体结构配合物配合物1d催化的催化的-二酮与醇的反应的催化机理：二酮与醇的反应的催化机理：金属配合物催化与酸催化的动力学比较：金属配合物催化与酸催化的动力学比较：Ru(dcbp)2(H2O)2(ClO)4:No Reaction OcurredNo Catalyst:No reaction;Ru(dcbp)2(pentadione)(ClO4):No reaction;配合物配合物1d催化的催化的-二酮与烯烃的反应的催化机理：二酮与烯烃的反应的催化机理：Pei Nian Liu,Zhou Yuan Zhou,Chak Po Lau*Chem.Eur.J.2007,13,86108619(IF:5.4)HClO4催化的催化的-二酮对醇和烯烃化合物二酮对醇和烯烃化合物的加成反应及机理研究的加成反应及机理研究Catalyst:InCl3:Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,793;InBr3:Eur.J.Org.Chem.2007,2248;FeCl3:Adv.Synth.Catal.2007,349,865;Appl.Organomet.Chem.2007,21,958;Bi(OTf)3:Org.Lett.2007,9,825;Ln(OTf)3(Ln=La,Yb,Sc,Hf):Tetrahedron Lett.2007,48,3969;J.Org.Chem.2007,72,5161;I2:Tetrahedron Lett.2008,49,122;H-montmorillonite:Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,2605;p-Toluenesulfonic acid:Org.Lett.2007,9,311;Triflic acid:Adv.Synth.Catal.2006,348,1841;Org.Lett.2007,9,727;Dodecylbenzenesulfonic acid:Org.Lett.2007,9,2027;12-Phosphotungstic acid:Eur.J.Org.Chem.2008,4999-5004.背景：背景：HClO4布鲁斯特酸对反应的催化布鲁斯特酸对反应的催化Entry Acid Solvent Temp.(oC)Yield(%)b 1HClToluene7002HBF4Toluene7003HNO3Toluene7004CF3CO2HToluene7005CH3CO2HToluene7006H2SO4Toluene7097TfOHToluene70748HClO4Toluene70839HClO4DCE707310HClO4CHCl3707011HClO41,4-Dioxane70012HClO4Solvent-Free707613HClO4Solvent-Free605714HClO4Solvent-Free806815cHClO4Toluene706316dHClO4Toluene7088HClO4 催化的催化的-二酮化合物与烯烃的加成反应二酮化合物与烯烃的加成反应HClO4-SiO2 催化的催化的-二酮化合物与醇的反应二酮化合物与醇的反应 催化剂固载化的优点：催化剂固载化的优点：1.1.催化剂与产物分离容易，后处理简单。催化剂与产物分离容易，后处理简单。2.2.催化剂可重复使用，使反应的成本包括催化剂后处理催化剂可重复使用，使反应的成本包括催化剂后处理的成本降低。的成本降低。3.3.使催化反应可能成为连续流动反应。使催化反应可能成为连续流动反应。HClO4-SiO2催化的催化的 1a 与与2a 的反应的反应EntryHClO4-SiO2Solvent1a:2aRunYield(%)b 1AToluene1:21932CToluene1:21923BToluene1:21944BNeat1:2196 5BNeat1:2292 6BNeat1:2379 7BNeat1:2470 8BNeat2:11929BNeat2:129110BNeat2:137311BNeat2:140HClO4催化的催化的-二酮与醇反应的机理探讨二酮与醇反应的机理探讨Terada,M.et al,J.Am.Chem.Soc.2009,131,34303431Yu,Z.X.et al,Eur.J.Org.Chem.2008,42964303a)J.Am.Chem.Soc.1982,104,4689-4691;b)J.Am.Chem.Soc.1982,104,4691-4692;c)J.Am.Chem.Soc.1984,106,1361-1372;d)J.Am.Chem.Soc.1984,106,1373-1383;e)J.Am.Chem.Soc.1984,106,1383-1396;苯乙醇的反应机理从苯乙醇的反应机理从SN1向向SN2的转变：的转变：Figure 2.The energy profile of HClO4-catalyzed reaction of 1a and 2a via proposed SN2 mechanism.SN1!HClO4 催化下催化下1a 与与2a 在在1:1 和和1:4 时生成时生成3a 的速率的速率SN1!反应的动力学比较反应的动力学比较SN1!HClO4 催化下催化下5:2a 为为1:2 和和1:8 时生成时生成3a 的速率的速率反应的动力学比较反应的动力学比较HClO4催化的催化的-二酮与醇反应的催化机理：二酮与醇反应的催化机理：HClO4催化的催化的-二酮与烯烃反应的催化机理：二酮与烯烃反应的催化机理：不同的酸的催化活性差异的研究不同的酸的催化活性差异的研究：Liu,P.N.*et al,J.Org.Chem.2010,75,50175030.(IF:4.2)HOTf-SiO2催化催化-二酮对醇和烯烃化合二酮对醇和烯烃化合物的加成反应物的加成反应1、TfOH具有很强的腐蚀性，发烟性，给储存、运输、具有很强的腐蚀性，发烟性，给储存、运输、使用、后处理都带来很多的困难。使用、后处理都带来很多的困难。2:TfOH固载化后变成固体酸，可以很好地解决上述问固载化后变成固体酸，可以很好地解决上述问题。题。3.TfOH固载化后易于与产物分离，操作简单，并且可固载化后易于与产物分离，操作简单，并且可以重复使用。以重复使用。4.硅胶作为载体具有廉价、热稳定性和机械稳定性都很硅胶作为载体具有廉价、热稳定性和机械稳定性都很好的优点。好的优点。为什么要将为什么要将TfOH固载化：固载化：Entry CatalystLoading of TfOHRunTemp.(C)Time(h)Yield(%)b1cTfOH-neutral Al2O30.5 mmol/g17017132cTfOH-alkaline Al2O30.5 mmol/g17017553cTfOH-SiO20.5 mmol/g1705804TfOH-SiO20.5 mmol/g1705905TfOH-SiO20.5 mmol/g2705896TfOH-SiO20.5 mmol/g3705907TfOH-SiO20.5 mmol/g4705868TfOH-SiO20.5 mmol/g5705859TfOH-SiO20.5 mmol/g67055110TfOH-17058411TfOH-SiO20.5 mmol/g19038312TfOH-SiO20.5 mmol/g150105113dTfOH-SiO20.5 mmol/g170177614TfOH-SiO20.25 mmol/g17057015TfOH-SiO20.25 mmol/g27056916TfOH-SiO21.0 mmol/g17058517TfOH-SiO21.0 mmol/g270581Liu,P.N.*et al,Green Chem.,2010,12,10491055.(IF:5.836)有机反应式有机反应式 正确了解有机化学反应式的书写规范，对了解反应式的反应机理正确了解有机化学反应式的书写规范，对了解反应式的反应机理有很大的帮助。有很大的帮助。1.1.有机反应式书写的几个特点（常造成混淆）：有机反应式书写的几个特点（常造成混淆）：(1)、箭头上面有时是剂量的试剂，有时是催化剂，有时是溶剂。如：、箭头上面有时是剂量的试剂，有时是催化剂，有时是溶剂。如：(2).有机反应常常是不平衡的。一些次要产物如盐、水、气体产物等有机反应常常是不平衡的。一些次要产物如盐、水、气体产物等 经常被省略经常被省略。有机反应式有机反应式(3).写在反应式右边的产物通常是经过水处理之后的产物写在反应式右边的产物通常是经过水处理之后的产物。有机反应式有机反应式(4).反应式箭头上的试剂用分号隔开时，表示反应是分步骤进行反应式箭头上的试剂用分号隔开时，表示反应是分步骤进行 （一锅反应）。（一锅反应）。有机反应式有机反应式J.Org.Chem.1995,60,5143-5149有机反应式有机反应式(5).反应式箭头上的试剂被编号时，可以表示反应是分步骤进行的反应式箭头上的试剂被编号时，可以表示反应是分步骤进行的 一锅反应，也可以是分步反应的缩写。一锅反应，也可以是分步反应的缩写。有机反应的进行就是化学键的断裂和再重新形成的过程。有机反应的进行就是化学键的断裂和再重新形成的过程。因此，写反应机理时，首先要确定是那个化学键断裂了，因此，写反应机理时，首先要确定是那个化学键断裂了，是那个化学键形成了。是那个化学键形成了。化学键的断裂与形成化学键的断裂与形成判断方法判断方法：(1).配平反应方程式配平反应方程式 (2).对反应物和产物的所有原子（对反应物和产物的所有原子（H除外）除外）按顺序进行编号！按顺序进行编号！(3).写出断裂和形成的写出断裂和形成的 键。键。注意：化学键的数目是指注意：化学键的数目是指键的数目，因为只有键的数目，因为只有键键 参与化学键的断裂参与化学键的断裂和形成，和形成，键不参与。如：键不参与。如：练习练习Tetrahedron Letters,1995,36,4539-4542.练习练习基本的有机反应种类基本的有机反应种类1.加成反应加成反应2.消去反应消去反应基本的有机反应的种类基本的有机反应的种类3.取代反应取代反应4.重排反应重排反应有机反应机理的类型有机反应机理的类型1.离子反应离子反应2.自由基反应自由基反应3.周环反应周环反应4.金属催化反应金属催化反应