1、高等有機化學高等有機化學 32學時學時 * 有機化學是研究有機化合物的組成、結 構、性質、反應規律和應用的一門科學。* 在有機化學發展的基礎上，產生了高分子、生命、醫學、藥學等一系列現代學科。 * 與衣食住行休戚相關。 “博大精深博大精深” 其博無窮、其大無限、其精無盡、其深無極！ 有機化學以官能團性質為主線，側重各種官能團之間的相互轉化。即“What”的問題。 但是沒有告訴我們為什么會發生這樣的轉化？這種轉化是易是難？即“Why”的問題。 目的：目的： 高等有機化學告訴我們結構、取代基等對官能團或中間體性質的影響規影響規律律，幫我們正確判斷反應能否發生、朝哪個方向發生，并能以此解釋和指導自己

2、的實驗。 如果把有機化學看成主線，高等有機如果把有機化學看成主線，高等有機化學則是輔線，二者相輔相成、缺一不化學則是輔線，二者相輔相成、缺一不可。可。高等有機化學的研究內容：高等有機化學的研究內容：高等高等有機化學有機化學分子結構分子結構反應反應反應過程中的結構變化反應過程中的結構變化化合物及中間體的結構化合物及中間體的結構機理機理目的：目的： 揭示有機反應的本質和內在規律，揭示有機反應的本質和內在規律， 把各類反應有機地聯系起來。把各類反應有機地聯系起來。第一章第一章 取代基效應取代基效應 Substituent Effects誘導效應誘導效應場效應場效應共軛相應共軛相應超共軛效應超共軛效應

3、空間效應空間效應 CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH pKa 4.76 2.86 1.29 0.65取代基效應：分子中的原子或原子團對取代基效應：分子中的原子或原子團對所研究的官能團所產生的影響所研究的官能團所產生的影響取代基效應是貫穿有機化學始終的核心根取代基效應是貫穿有機化學始終的核心根本問題，是有機化學的筋脈之一。本問題，是有機化學的筋脈之一。官能團性質取代基效應活的有機化學官能團性質取代基效應活的有機化學取代基效應取代基效應電子效應電子效應場效應場效應空間傳遞電子效應空間傳遞電子效應空間效應（位阻效應）空間效應（位阻效應）誘導效應誘導效應共軛效應共

4、軛效應超共軛效應超共軛效應電子效應電子效應 (Electronic effect)：取代基通過對分子電子云取代基通過對分子電子云分布產生影響從而改變母分布產生影響從而改變母體分子的性質體分子的性質O2NCH2C OHOCH3C OHOAcidity：Inductive effects are those that occur through the sigma system due to electronegativity effects. These can be either electron donating (e.g. -Me) where sigma electrons are pu

5、shed toward the functional group or electron withdrawing (e.g. -CF3, +NR3) where sigma electrons are drawn away from the functional group. RGRG一、一、 誘導效應誘導效應 Inductive effectCCClCCClC CCl特征：特征： 沿分子鏈傳遞（沿分子鏈傳遞（-鍵）鍵） 由電負性差異引起由電負性差異引起強度：強度：取決于取代基的電負性取決于取代基的電負性與距離。與距離。電負性差電負性差值越大，強度越高；值越大，強度越高；距離越大，強度越弱。距

6、離越大，強度越弱。CZCHCZ-I標標準準+IH 2.1Li 1.0Be 1.5B 2.0C 2.5N 3.0O 3.5F 4.0Na 0.9Mg1.2Al 1.5Si 1.8P 2.1S 2.5Cl 3.0K 0.8Ca 1.0Br2.8I 2.5Electronegativity1. 同周期元素（同周期元素（-I）：）：F OH NH2 CH32. 同族元素（同族元素（-I） ： F Cl Br I 電負性：電負性： 4.0 3.0 2.8 2.5 3. 雜化狀態：雜化狀態： 不飽和度越大，不飽和度越大，-I 效應越強效應越強C CR CH CHR4. 相同原子：帶正電荷的取代基的相同原子

7、：帶正電荷的取代基的 -I 強強-NR3 -NO2 -NR2-I:取代基誘導效應的影響結果：取代基誘導效應的影響結果：u對反應活性的影響對反應活性的影響CH3CH2O, HClZnCl2CF3CH2O, HClZnCl2u對反應區域選擇性的影響：對反應區域選擇性的影響：CH3COOHClCH2COOHO2NCH2COOHpKa:4.762.861.68u對化合物酸性的影響：對化合物酸性的影響：二、二、 場效應場效應 (Field effect)通過空間傳遞空間傳遞的電子效應 場效應。鄰氯代苯丙炔酸：鄰氯代苯丙炔酸：3-(2-chlorophenyl)propynoic acidpKa: 大大

8、小小酸性：酸性： 弱弱 強強場效應是依賴分子的幾何構型的。場效應是依賴分子的幾何構型的。CCCOOHClCCCOOHClCOOHClClHHCOOHHHClClCH2=CH-CH=NR CH2=CH-CH=CH2 同元素，帶正電荷的，同元素，帶正電荷的，-C效應較強效應較強CNR2CNR +C效應效應: p - 共軛體系共軛體系NR2CCOHCCCCCCCCFCC+C:同周期：電負性越大，同周期：電負性越大，+C 效應越小效應越小同族元素：半徑接近同族元素：半徑接近，C 顯著顯著。+C:FCCClCCBrCCICC靜態時：靜態時：（分子未參加反應）（分子未參加反應）-I +C動態時：動態時：（

9、分子處于反應中（分子處于反應中+C -ICCClE+CH2CHCOCH3CH2CHCl+ HCl+ HCl注意：靜態時電荷分布注意：靜態時電荷分布CCCl1.30.80.9 共軛效應與誘導效應在一個分子中往往是并存的，共軛效應與誘導效應在一個分子中往往是并存的，有時兩種作用的方向是相反的有時兩種作用的方向是相反的.4、共振論 （Resonance Theory） Pauling 1931年提出 Electrons in bonds have a fixed location and so they are said to be localized. In contrast, electrons

10、 that can be drawn in different locations are said to be delocalized. In certain cases, molecules can be represent by more than one reasonable Lewis structure that differ only in the location of electrons. Collectively these Lewis diagrams are then known as resonance structures. The real structure h

11、as characteristics of each of the resonance structures, and is often represented as the resonance hybrid. OC-OO-O-COO-O-C-OOLewis DiagramsOCOOResonance Hybrid2/3-2/3-2/3-真實分子的能量比任何一個極限結構的能量都低真實分子的能量比任何一個極限結構的能量都低能夠寫出的有意義的極限結構數量越多，而且結構能夠寫出的有意義的極限結構數量越多，而且結構等價，那么共振能越大（例如：苯）等價，那么共振能越大（例如：苯）書寫原則：書寫原則： 原

12、子排列順序不能改變原子排列順序不能改變 符合符合Lewis結構式書寫規則結構式書寫規則 未成對電子必須相同未成對電子必須相同共振結構穩定性規則共振結構穩定性規則 包含共價鍵多的穩定 帶有形式電荷的結構低于不帶電的結構 相鄰原子帶有相同電荷的結構尤其不穩定 負電荷位于電負性大的原子上的結構較穩定穩定性高的極限結構貢獻大穩定性高的極限結構貢獻大CHCO-HHCHHCOH-= 6.3D應用舉例：應用舉例：思考題：思考題：請寫出下列極限結構式，并注明哪個極限式比較穩定。請寫出下列極限結構式，并注明哪個極限式比較穩定。三三. 超共軛效應超共軛效應 (Hyperconjugation) +I: Me3CM

13、e2CHEtMeCCH3CH3H3CCCH3CH3HCCH3HHCHHH: 0.70D 0.65D 0.58D 0.38D軌道與軌道與軌道的重疊，軌道的重疊， 電子的離域電子的離域RBr2FeBr3RBr R: Me3C Me2CH Et Me H 110 180 290 340 1CCH3CH3H3CCCH3CH3HCCH3HHCHHH CH鍵上的鍵上的電子發生電子發生離域，形成離域，形成共軛。共軛。電子已經不再定域在原來的電子已經不再定域在原來的C、H 兩原子之間，而是離域兩原子之間，而是離域在在C3C2之間，使之間，使H原子容易原子容易作為質子離去作為質子離去，這種共軛強這種共軛強度遠弱

14、于度遠弱于-和和p-共軛。共軛。CH2CH3Br2hCHCH3BrCHHHCHCH2+ ND3CHHDCHCH2+ ND2H超共軛效應的作用：超共軛效應的作用：CCCHHHHHHCHHHCHCH2當當CH鍵與雙鍵直接相連時，鍵與雙鍵直接相連時，CH鍵的強度減弱，鍵的強度減弱，H原子的原子的活性增加。活性增加。CHHHCHO 羰基化合物的羰基化合物的-H原子原子酸性較強酸性較強使分子的偶極距增加：使分子的偶極距增加：COHHCHCH3HCHO : 2.27 2.73使正碳離子和自由基穩定性增加：使正碳離子和自由基穩定性增加：CCHHHCHHHCHCHHHCHHCHH CCHHHCHHHCHHCH

15、H HCCHHHCHHH HHCHHH 在叔碳正離子中在叔碳正離子中 CH鍵與空的鍵與空的p軌軌道具有道具有9個超共軛個超共軛 效應的可能，其結果：效應的可能，其結果：正電荷分散在正電荷分散在3個碳原子上。個碳原子上。O-NR2NH2OHORNHCORRPhCH=CR2HOCORActivatingEDGStrongly ActivatingModerately ActivitingWeakly ActivatingReferenceortho/para directingXCHOCORCOORCOOHCOClCF3CNSO3HN+R3NO2DeactivatingEWGStrongly De

16、activatingModerately DeactivitingWeakly Deactivatingmeta directingThese effects are a combination of Resonance and Inductive effects 各各種種效效應應在在芳芳烴烴親親電電取取代代反反應應中中的的表表現現五五. 空間效應空間效應 (Steric effect) 也稱為也稱為位阻效應位阻效應，由取代基引起的一種空，由取代基引起的一種空間張力或阻力的效應。間張力或阻力的效應。1. 空間效應對構象的影響空間效應對構象的影響HHCH3HHCH3與與3，5-位直立氫發生相互作

17、用位直立氫發生相互作用環狀化合物的穩定構象環狀化合物的穩定構象CH3H3COOCH3OOH3C比較下列兩組化合物構象的穩定性比較下列兩組化合物構象的穩定性HHHHHHHHH HHHHHCH3HCH3HHHCH3CH3HH12.6 kJ/mol higher20.9 kJ/mol higher開鏈分子的穩定構象開鏈分子的穩定構象CH3BrHBrCH3HCH3HBrBrCH3HCH3HOHOHCH3HCH3HOHOHCH3H MeNH2 Me3N NH3與體積較大的與體積較大的Lewis 酸酸,如如B(CMe3)3反應時，堿反應時，堿性強度順序為：性強度順序為：MeNH2 NH3 Me2NH Me

18、3N NRRRBRR R兩者在相互接近過程中，基團位阻導致相兩者在相互接近過程中，基團位阻導致相互排斥作用互排斥作用F張力張力(Face - Strain)NCH3CH32, 6-二甲基吡啶幾乎二甲基吡啶幾乎不與不與R3B作用作用3. 空間效應對反應的影響空間效應對反應的影響 SN2 伯鹵代烷的乙醇解的相對速度是與伯鹵代烷的乙醇解的相對速度是與中心碳原子連接的烷基大小相關的：中心碳原子連接的烷基大小相關的：EtOH +CRHHBrCEtORHH+ HBrR相相對對速速度度H3C-CH3CH2-(CH3)2CH-(Isopropyl)(CH3)3C-(t-Butyl)4.2 10-51.00.2

19、80.03SN2 反應反應乙氧基從背后進攻乙氧基從背后進攻R越大，位阻越大越大，位阻越大對反應活性的影響對反應活性的影響A steric effect on a rate process may resultin a rate increase (steric acceleration) or a decrease (steric retardation).CRBrRRCRRR+ Br-RCH3 Rrel=1.0RC2H5 Rrel=3.0 SN1 CRRRXCRRR12010928+ X形成碳正離子是形成碳正離子是SN1反應反應的一步（速控步）的一步（速控步）鍵角的擴張緩解了基團的擁擠程度鍵角的擴張緩解了基團的擁擠程度sp3四面體四面體 sp2平面三角型平面三角型 B-張力張力 (Back Strain)60 109.560 120 隨著反應的進行，環的鍵角與軌道夾角的矛盾加劇隨著反應的進行，環的鍵角與軌道夾角的矛盾加劇內部張力內部張力(Internal strain