有机合成反应机理课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,、共振论,1.1.形式电荷,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,1,、,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。吸引电子能力的大小确定的。,2,、,缺电子性,是指原子的价电子没有达到,8,电子结构时的性质。,3,、,亲电性,:,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,与化学反应性没有必然的关系！,例如：,CH,3,+,，,NH,4,+,（形式电荷都是,+1,价的，,C,是缺电子的而,N,不是）,.CH,3,，,BF,3,（都具有缺电子性，但都没有形式电荷）,B,具有电正性，,N,具有电负性，,BH,4,-,，,NH,4,+,都是富电子原子。,CH,3,+,，,CH,3,I,，,H,2,C=O,（,C,都具有亲电性，但只有,CH,3,+,中的,C,是缺电子原子）,MeO,+,=CH2,中的,O,原子具有形式正电荷，但,C,原子具有亲电性,1.2共振论,1 、共振论(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）,2.,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。,（1）共振式间用 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。,（3）所有共振式，都必须符合Lewis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）,3.,共振结构的稳定性规则,（2）所有原子都,具有完整价,电子层的共振结构比其中有原子,具有不完整,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（C，B）， 而不应该是电,负性原子（N，O，卤素）。,（1）第一周期元素（B，C，N，O）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 。,（4）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,的原子上更稳定,。,（以上规则的重要性依次降低）,请判断那个共振结构更稳定：,（规则2 规则4）,（规则4）,（规则2 ，规则3）,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？,请判断哪一个共振结构稳定？,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.自由能（G),反应式的自由能与焓和熵有关。G=,H,o,-T,S,o,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H代替G,）,热力学和动力学,反应物的G,生成物的G,（,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 量,也是使该反应进行所需的最低能量,叫,活化能,。,（,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。 每一个反应都有它特有的,活化能,数值。（,3,）通常活化能越小，反应越容易进行，反应速率也越快。,活化能（G,）,反应的快慢由活化能（,G *,）决定，与反应的,自由能（,G,）,无关,活化能,过渡态,活化能（G,）,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。,（2）达到平衡的反应是可逆反应。（K 10,3,则视为不可逆，,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,化合物的自由能决定的。,（,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,endo-,产物，另种为,exo-,产物。当温度比较低时，生成能量高的,endo-,产物；当温度高时，易生成能量比较低的,exo-,产物。,（,2,）,Endo-,产物是动力学产物，,exo-,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,Endo-产物,Exo-产物,中间体与过渡态,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，热力学不稳定）,（动力学不稳定，热力学稳定）,一个反应研究的故事,J. Am. Chem. Soc.,2004, 126, 6884-6885,J. Org. Chem.,2005,70, 5752-5755,Org. Lett.,2005,7, 673-675,J. Am. Chem. Soc.,2006, 128, 56-57,J. Am. Chem. Soc.,2006,128, 1798,Angew. Chem. Int. Ed.,2006, 45, 793 796,Angew. Chem. Int. Ed.,2006, 45, 2605-2609,J. Am. Chem. Soc.,2004, 126, 6884-6885,J. Org. Chem.,2005,70, 5752-5755,Org. Lett.,2005,7, 673-675,背景：,J. Am. Chem. Soc.,2006, 128, 56-57,J. Am. Chem. Soc.,2006,128, 1798,Angew. Chem. Int. Ed.,2006, 45, 793 796,Angew. Chem. Int. Ed.,2006, 45, 2605-2609,a 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.,a Reaction conditions: catalyst (0.004 mmol), 2a (1.5 mmol), 3a (1.0 mmol), 90,o,C, 8 h, 2.0 mL solvent was added if noted. b,Based on 3a used, determined by,1,H NMR using CH,3,NO,2,as the internal standard. c In reflux. d 1b contains trace of impurity (see experimental section),.,e Reaction temperature 80,o,C.,f Reaction conditions: catalyst (0.002 mmol), 2a (3.0 mmol), 3a (2.0 mmol), 100,o,C, 16 h.,配合物1d催化的- 二酮与烯烃的反应：,机理研究：,配合物7的晶体结构,配合物1d催化的- 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：,Ru(dcbp),2,(H,2,O),2,(ClO),4,: No Reaction Ocurred,No Catalyst: No reaction;,Ru(dcbp),2,(pentadione)(ClO,4,): No reaction;,配合物1d催化的- 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,),HClO,4,催化的,-,二酮对醇和烯烃化合物的加成反应及机理研究,Catalyst:,InCl,3,:,Angew. Chem. Int. Ed.,2006, 45, 793;,InBr,3,:,Eur. J. Org.,Chem.,2007, 2248;,FeCl,3,:,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;,I,2,:,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：,HClO,4,布鲁斯特酸对反应的催化,HClO,4,催化的-二酮化合物与烯烃的加成反应,HClO,4,-SiO,2,催化的 -二酮化合物与醇的反应,催化剂固载化的优点：,1. 催化剂与产物分离容易，后处理简单。,2. 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。,3. 使催化反应可能成为连续流动反应。,HClO,4,-SiO,2,催化的 1a 与2a 的反应,HClO,4,催化的- 二酮与醇反应的机理探讨,Terada, M. et al,J. Am. Chem. Soc.,2009,131, 34303431,Yu, Z. X. et al,Eur. J. Org. Chem.,2008, 42964303,a),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S,N,1向S,N,2的转变：,Figure 2. The energy profile of HClO4-catalyzed reaction of 1a and 2a via proposed SN2 mechanism.,S,N,1!,HClO,4,催化下1a 与2a 在1:1 和1:4 时生成3a 的速率,S,N,1!,反应的动力学比较,S,N,1!,HClO,4,催化下5:2a 为1:2 和1:8 时生成3a 的速率,反应的动力学比较,HClO,4,催化的,- 二酮与醇反应的催化机理：,HClO,4,催化的- 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,：,Liu, P. N.*,et al,J. Org. Chem.,2010,75, 50175030. (,IF: 4.2,),HOTf-SiO,2,催化,-,二酮对醇和烯烃化合物的加成反应,1、TfOH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。,2: TfOH固载化后变成固体酸，可以很好地解决上述问题。,3. TfOH固载化后易于与产物分离，操作简单，并且可以重复使用。,4. 硅胶作为载体具有廉价、热稳定性和机械稳定性都很好的优点。,为什么要将TfOH固载化：,Liu, P. N.*,et al,Green Chem., 2010,12, 10491055.,(IF:,5.836,),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有很大的帮助。,1.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：,(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,经常被省略,。,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,。,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,（一锅反应）。,有机反应式,J. Org. Chem.,1995,60,5143-5149,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,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。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。,化学键的断裂与形成,判断方法,：(1). 配平反应方程式,(2). 对反应物和产物的所有原子（H除外）,按顺序进行编号！,(3). 写出断裂和形成的,键。,注意：化学键的数目是指,键的数目，因为只有,键 参与化学键的断裂和形成，,键不参与。如：,练习,Tetrahedron Letters, 1995,36, 4539-4542.,练习,基本的有机反应种类,1.,加成反应,2. 消去反应,基本的有机反应的种类,3. 取代反应,4. 重排反应,有机反应机理的类型,1.,离子反应,2.,自由基反应,3.,周环反应,4.,金属催化反应,