有机化学总结

2014-05-09 本文已影响4074人 Ksashi

第一章分子基础

阐述共价键的 2 种方法：

价键理论

内容
1. 形成共价键的两个电子须自旋相反；
- 共价键有饱和性
- 共价键有方向性（电子云重叠越多，共价键越强）
- 能量相近的轨道可杂化成能量相等、数量相等的新的原子轨道
杂化轨道：能量相近的原子轨道经能量均化的过程所形成的能量相等的简并轨道。
- 键长：成键两原子核间的距离（pm 或 nm）；与成键碳原子的杂化方式有关，sp 轨道的 s 轨道成分最多，键长最短。
- 键能：原子间的键能随键长缩短而增强。
局限性：只能表示两个原子、定域电子的成键，不能解释共轭体系的特性

分子轨道理论

与价键理论类似，但原子在相互结合形成共价键时，由原子轨道组成分子轨道，分子轨道属于整个分子，即电子离域。

分子中电子不属于某个特定的原子而是在分子范围内运动（多核体系）。
两个波函数符号相同（位相相同）组成的分子轨道，其能量低于两个原子轨道；否则能量更高。
电子都填充在能量较低的分子轨道（同位相叠加而成的轨道）上。但当有多余的一个电子处于反键轨道上是，也算是相对稳定。

电负性与极性

键的极性直接取决于成键原子的电负性高低。极性可用偶极矩（分子电荷与正负电荷中心间的距离的乘积）表示。不同杂化的碳原子电负性不一，sp > sp2 > sp3.

第二章饱和碳氢化合物

主要为命名法

系统命名法：构型+取代基+母体名

开链烷烃

选择主链时，如有复数最长碳链：取代基数目最多 -> 侧链位次最低 -> 最短侧链的碳原子数最多

复杂直链的命名：由连接处开始编号，最后复杂直链的命名写在括号中。也可用“异”、“新”、“仲”等命名。
直链最终在命名中的位置：中文命名中，以次序规则确定取代基顺序

环烷烃

若直链碳数超过环上的碳数，则将环作为取代基

仅有一个取代基时，“1-”可以省略；
多取代基时，“1-”编号给最靠近第2个取代基的位置（即前2个侧链位次最低）；然后，次序规则确定的“优先基团给大编号”！

非共价作用与物理性质

非共价作用对物理性质及构象有影响，如分子内氢键可造成较稳定的极限构象

氢键

形成氢键的条件是：氢原子与电负性大的杂原子相连（氢键给体）；具有孤对电子的电负性大的杂原子（氢键受体）。

烷烃的熔沸点变化规律

直链烷烃的沸点随碳原子增加而增加（相对分子质量增大 + 分子间相互作用面积增大）

同碳数时，支链烷烃比直链烷烃沸点低（形状不规则，分子间接触面积小，因而作用力小）
同碳数时，环烷烃比直链烷烃沸点高（环烷烃构象变化受环的制约，因而分子形状规则，分子间作用面积较大）

第三章不饱和碳氢化合物

系统命名法

单烯烃

选择含碳碳双键最长的主链
从近双键端开始编号（环烯烃可省略双键的“1-”）；若两端距离一致，则考虑取代基最小编号；
以 E（对）、Z（同）标识双键构型，如 (Z)-3,6-二甲基-3-辛烯

多烯烃

选取含最多双键的主链，给双键最小编号。

炔烃

选择含碳碳叁键最长的主链，给叁键最小编号

多烯多炔

选择含双、三键最多又最长的链作为母体主链；其次，双键要最多；
命名为“某几烯几炔”

苯环衍生物

侧链很长或很复杂时，以苯作取代基

稳定性

多取代双键更稳定；

芳香性

休克尔规则（特殊的稳定性）

平面型单环；（非平面结构则非芳香性）

共平面的环上原子均为sp2杂化；
参与共轭的π电子总数等于4n+2 (n=0, 1, 2...)；（4n 时则具有反芳香性；离子或自由基也可有芳香性）

共振

共振规律

pi 电子对转移形成另一个 pi 键；

pi 电子对转移到正电荷上；
孤对电子转移成为 pi 键；
单电子转移到 pi 键上；

稳定性分析（选摘）

共振杂化体比它的任何一个共振式都要稳定

全部原子的外层电子构型均达到八隅体稳定构型者比较稳定
结构中的共价键数目较多者比较稳定
共振式中没有电荷分离或电荷越分散就越稳定

第四章杂原子官能团及有机酸碱理论

系统命名

卤代烃

卤素总是作为取代基，命名为“卤某烃”等，如 1,6-二氯(-1-)环己烯；

醚

取较简单的羟基部分连同氧原子作取代基，名为烃氧基，如 3-甲基-1-乙氧基-2-戊烯；或普通命名两个烃基加醚词尾，如乙基丙基醚；

醇、醛、酮、羧酸及其衍生物、胺

以官能团为母体名；多个官能团时，按照主官能团次序选择母体，其余官能团为取代基；

最长主链上官能团尽可能多，主官能团位次尽可能小；若有碳碳双键或叁键，则选择包含其中的最长碳链；
胺和酰胺的氮原子取代基以“N-”标明，如 N,N-二甲基-2-苯基乙胺；
命名时，主碳链碳数词干加后缀；主官能团的位次为“1-”时可省略
多个相同官能团，可表示为二醇、二酸等。
仅“羧酸”的碳不含于主链中，而“酸”的碳则含于主链，如丁酸，环己烷羧酸；特例：1,2,3-丙“烷”三酰胺；

-COOH     羧基         酸
-COOR     烃氧甲酰基    酯
-COX      卤甲酰基      酰卤 
-CONH2    氨基甲酰基    酰胺
-CN       氰基         腈
-CHO      甲酰基       醛
=O        氧代         酮
-OH       羟基         醇(酚)
-NH2      氨基         胺
-OR       烃氧基       醚

-R        烷基
-X        卤代X
-NO2      硝基
-NO       亚硝基

杂环化合物

以杂环的俗名为母体名，从杂原子开始编号，如 2-呋喃甲醛。

不饱和五元环：吡咯（N）、呋喃（O)、噻吩（S)，
饱和五元环：四氢呋喃、四氢吡咯/吡咯烷，
不饱和六元环：吡啶（N)，
饱和六元环：1,4-二氧六环，哌啶（N)

物理性质

卤代烃

C-X 键有极性，沸点一般比同碳数的烷烃高；F -> I，分子间作用面积增大，电子可极化率大因而诱导偶极作用力大，最终沸点增加。

其他

主要是氢键，其中由于电负性 N < O，胺的氢键比醇弱。

醇：分子量越大，烃基阻碍氢键形成；

酚：与水形成氢键；可形成分子间氢键，升高熔沸点；若形成分子内氢键，可降低熔沸点；
醚：分子间不形成氢键，某些醚可与水形成氢键；
羧酸：可形成分子间氢键，也可与水成氢键，因而熔沸点高，水溶性好；
酰胺：可形成分子间氢键，且因电荷不均分子间有强的离子-离子作用，沸点最高；
胺：一、二和三级胺均能与水形成氢键，而一、二级胺能形成分子间氢键；
一般沸点顺序：酰胺 > 羧酸 > 腈、醇 > 醛、酮 > 羧酸酯、酰氯 > 醚

有机酸键理论

Lewis 电子酸键理论

凡能接受电子对的任何分子、离子或原子团统称为酸——电子接受体
凡是含有可供电子对的分子、离子或原子团统称为碱——电子供体

酸性的影响

电负性：C-H < N-H < O-H < F-H，烷烃 < 烯烃 < 炔烃

原子半径：半径大则易极化断键！，HO-H < HS-H， F-H < Cl-H < Br-H < I-H
共轭：共轭吸电子，醇 < 酚 < 羧酸（醇 < 水 < 酚 < 碳酸 < 羧酸，可用于分离醇、酚、羧酸）
诱导效应：键的极性沿 σ- 键的方向传递。
- 吸电子效应：同族减低，同周期增加，sp > sp2 > sp3，
- 吸电子总：NO2 > C=O > CN > F > Cl > Br > I > > OCH3 > OH > C6H5 > > H；
- 给电子总：(CH3)3C > (CH3)2CH > CH3CH2 > CH3 > H；
- 正电荷吸、负电荷给；
烷基的给电子效应：碳链越长，给电子效应越强；

碱性的影响

典型为胺，氮原子的孤对电子可接受质子。接羰基还是碱。

苯胺的碱性大大弱于脂肪胺，因为氮原子的孤对电子与大pi键有作用；

脂肪胺的碱性强于氨，因为烷基给电子；
仲胺碱性最强，因为有烷基给电子的同时空间位阻小；

金属有机化合物

金属与碳直接相连，十分活泼，需在无水、无氧条件下制备并立即使用。

有机锂试剂：C-Li 键接近离子键，活性高
有机镁试剂（格氏试剂）：C-Mg键的 C 有强亲核性与碱性，在无水乙醚中制备，可与醚配位而稳定；
有机铜(锂)试剂：C-CuLi，活性相对低，可得到与有机锂试剂不同的选择性；

第五章分子的手性与旋光异构

手性判断

不存在对称面、对称中心和 4 次象转轴的分子具有手性。

对称中心：分子以该点反演后，分子外形不变；
n 次象转轴：以轴旋转 2 pi/n 后再以垂直该轴的平面反映后，分子外形不变；

投影式

Fischer 投影式：一般将碳链的链头至于 Fischer 投影式上方，碳链末端至于下方，氢原子常至于横线方向。

第六章色谱与波谱/核磁共振氢谱

化学位移

化学位移是样品的质子信号与屏蔽效应较大的标准物质的质子信号的差，与仪器工作频率的比值。

影响

诱导效应：F > O > Cl > Br > I 降低C核外电子云密度，导致氢受到的屏蔽效应小；羰基的吸电子作用不如氧原子。
pi 体系抗磁各向异性：烯烃、苯环、醛的氢处于电子环流外侧，氢受到顺外加磁场方向的感应磁力线，因而发生去屏蔽效应；炔烃的氢处于环流内侧，发生屏蔽；碳碳单键发生去屏蔽，而且 CH > CH2 > CH3，即取代越多越去屏蔽。芳氢>烯氢>炔烃>烷烃（sp碳的电负性大）
氢键：降低氢核外的电子云密度，减弱屏蔽。

# 质子化学位移区域
---------最强
13  ~ 10   RCOOH
10  ~ 9.0  RCHO
---------电子环流
8.5 ~ 6.5  ArH
7.0 ~ 4.5  R2C=CHR
---------吸电子诱导
5.0 ~ 3.0  -CH2-X, -CH2-O-, -CH2-NO2
---------间接
3.0 ~ 1.5  O=C-CH2-, C≡C-CH2-, C=C-CH2-, Ar-CH2-
1.5 ~ 0.8  R3CH

自旋裂分（重峰）

临近质子间的相互作用（自旋偶合）导致谱线增多（自旋裂分）现象

n+1 规律：当一组等价质子被另一组数目为n的等价质子临近时，其质子信号峰裂分为 n+1 重峰。如 CH3CH2CH3 中间的质子信号被 6 个等价质子裂分为 6+1=7 重。
多组等价质子则分别乘以 (n1 + 1)，(n2 + 1)
偶合常数：多重峰中每两条相邻谱线间的（相等的）距离。

积分曲线和峰面积

用积分曲线表示峰面积，曲线高度即表示等价质子的数目。

活泼氢与氢氘交换

直接与氧原子或氮原子相连的质子为活泼质子，易发生交换，交换速度快时不会发生偶合，因而可产生单峰。加入氘代水D2O，不产生核磁共振信号的氘可与活泼氢交换而消去一个单峰，确认分子中存在活泼氢。

# 质子化学位移区域
12  ~ 10  COOH
5.5 ~ 2.0 OH
4.0 ~ 1.5 RNH2

第七章有机化学反应的基本问题

活化能与过渡态

过渡态理论认为从反应物转变成产物需要经过一个高能过渡态，即反应分子形成的活化络合，该活化分子的能量即为反应的活化能。过渡态无法分离捕获。

Hammond 假说

在基元反应中，该步过渡态的结构、能量与反应物或生成物两者中能量较高的一边类似。由此，中间体通过影响过渡态的能量而影响反应进行的速率，因而中间体的结构和稳定性对反应有研究意义。

烷烃的自由基卤代

加热或甚至光照即可发生，常用卤素原子或 NBS（N-溴代丁二酰亚胺，环状）

机理：Cl2 均裂成 Cl· 自由基（链引发），夺取烷烃上的氢成 HCl 产生烷烃自由基，该自由基进攻 Cl2，形成氯代烃和 Cl· 自由基（链增长），链式反应。
活性与选择性：活性 Cl > Br，但选择性 Br > Cl；是因为链增长中烷烃与卤素自由基反应时，Cl 的为放热反应，反应物能量高，较早达到过渡态，因而不同结构的过渡态活化能相差小，选择性小；Br 的为吸热，刚好相反。

活性中间体

碳正离子和自由基

特点：sp2 杂化，三个σ键，区别在于 p 轨道上有无电子；
稳定性：
1. 3° > 2° > 1° > 0° (即 +CH3 或 CH3·），因为相连的烷基的 C-H 键可与中间体的 p 轨道发生超共轭。
- 共轭效应：在烯丙型和苄基型中，对于碳自由基，3°苄基型 > 3°烯丙型 > 2°苄基型 > 2°烯丙型 > 1°苄基型~1°烯丙型> 3° > 2° > 1°> +CH3，但对于碳正离子，超共轭作用足够稳定，因而有 3° > 2° ~ 1°苄基型 ~ 1°烯丙型> 1°

碳负离子

特点：sp3 杂化，但与 pi 体系相连时容易转为 sp2 杂化以共轭
稳定性：1°碳负离子 > 2°碳负离子 > 3°碳负离子（给电子作用）

卡宾（碳烯）

特点；中性的活性中间体，2 个 σ 键，仅具 6 电子（高度缺电）
- 单线卡宾：sp2 杂化，1 对孤电子、1 个空 p 轨道，因而既亲电(空轨道）又亲核（孤对电子）；
- 三线态卡宾：sp2 或 sp 杂化，两个孤电子分占两轨道，即 sp2 + p 或 p + p

第八章 sp3 杂化碳原子的亲核取代反应

由于稳定性 X- > HO-, RO- > NH2-，即X-的稳定性高（弱碱），因而卤代烃常作为底物，X-被取代而离去。

亲核取代的酸碱性判断依据

弱碱X-和磺酸根离子-OTs常做底物被取代；
在强酸下 X- 也可置换 OH- 和 RO-，实际上离去的是 H2O 和 ROH；
N-烷基氨基负离子是强碱，因此一般难以被取代；
底物反应活性：磺酸酯，碘代烷 > 溴代烷> 氯代烷 > 氟代烷 >> 醇 > 醚

SN2 和 SN1 取代

SN2为双分子一步反应，过渡态影响；SN1为单分子两步反应，活性中间体影响；

SN2

机理：亲核试剂从离去基团的背面进攻，因而发生构型转化；
活性影响因素：
1. 亲核试剂结构
- 空间位阻：过渡态电子离域（进攻和离去基团同时存在），中心碳原子空间拥挤，因此 -CH3 > 1° > 2° > 3°；甲基、一级、二级卤代烃或磺酸酯一般以SN2反应为主；
- 亲核试剂活性：需要较强的亲核试剂，
  - 非质子型溶剂中：亲核性强弱顺序与碱性基本相同（同周期递减，同族递增，卤素同族递，含氧试剂 RO- > HO-> ArO- > RCOO-> ROH > H2O）；极性强的非质子型溶剂利于SN2反应，如 CH3CN，二甲基酰胺DMF，二甲基亚砜DMSO，六甲基磷三酰胺HMPA；
  - 质子型溶剂中：卤素同族递增，因为碱性弱反而容易脱溶剂化；在质子型溶剂中，强碱被溶剂化，对SN2反应不利。质子型溶剂包括甲醇、乙醇和氨！；

SN1

机理：产生碳正离子，得到两种构型的产物。
离子对机理：离去基团离去后因静电而滞留近，阻碍一方的进攻，导致构型转化的产物的比例更多。
活性影响因素：
1. 碳正离子：活性中间体为碳正离子，因此活性与碳正离子稳定性相关，3° > 2° ~ 1°苄基型 ~ 1°烯丙型> 1° > +CH3；三级卤代烃一般以SN2反应为主；
- 亲核试剂活性：反应限速步骤为碳正离子的形成，亲核试剂的强弱无影响；
- 溶剂：溶剂极性越强，碳正离子和阴离子越被溶剂化而稳定；质子型溶剂对SN1有利；

SN2 与 SN1 的竞争

SN2：3° 碳可视为不反应；亲核试剂强；溶剂是非质子溶剂如 DMSO和丙酮等。
SN1：甲基和1°碳均可视为不发生；亲核试剂弱；溶剂是H2O或ROH。

SN1 的碳正离子重排

中间体重排成更稳定的碳正离子。一般发生1,2-迁移，常见有甲基、氢原子、苯基和溴原子等。

亲核取代的应用

含碳亲核试剂的亲核取代

实现碳碳键的形成；主要的含碳亲核试剂有氰基、炔基负离子和有机金属试剂；

sp杂化试剂：RC≡C- 和 -CN；前者通过酸碱反应获得（NaNH2），后者取代后常水解成得增长一个碳的羧酸，且只在一级碳上有较高产率；
有机金属化合物：RLi, RMgX, R2CuLi。
- 制备：RLi 和 RMgX 用金属与卤代烃在醚中反应；R2CuLi 由R2Li与碘化亚铜转化得；
- 反应：
  - RLi 与 RMgX：容易发生消去，一般不用于开链取代烃中，而只用于与环氧化合物反应；
    - 其他用途：卤代烃的还原，卤代烃制成有机金属化合物后与H2o或RNH或RCOOH反应，卤原子被氢原子取代；重水中可实现同位素标记；
  - R2CuLi：活性较低，较常用，常用与卤代烃或磺酸酯亲核取代以增长碳链，包括芳香卤代烃和乙烯型卤代烃（构型保持）；

醚（与环醚）的亲核取代

与HI、HBr：在酸性条件下（离去醇），烷氧基断裂顺序 3° > 2° > 1° > 芳基（共轭），多为SN1反应（较快），在 1° 时为SN2。
1,2-环氧化合物开环：（三元环）酸碱均可催化反应，由于环张力，活性较大，可与弱如水、醇反应。酸可质子化环醚，开环成羟基和碳正离子，但类似SN2；碱性条件下受空间位阻影响大，为SN2机理；

第九章消去反应

可发生消去的化合物：
1. 卤代烃：碱性条件下消去HX成烯
- 醇：酸性条件下消去水成烯
- 季铵碱：加热情况下消去成烯
- 氧化胺：加热情况下消去成烯（分子内反应，Cope消去）
- 邻二卤代物：脱卤成烯（锌或锡下先形成有机金属，碘负离子下则I-带走卤）
- 乙烯型卤代烃：强碱（NaNH2、BuLi、C6H5Li）作用下消去HX成炔（低温下避免三键转移到末端）
- 芳香卤代物：强碱作用下消去HX成苯炔

E2 反应

C-LG 与 C-H 的断裂同时进行，特征是反式共平面消去；

活性：
- 离去基团越容易离去，进攻试剂碱性越强，反应活性越高；
- 烃基活性：3º ＞ 2º ＞ 1º，因为多取代烯烃更稳定；
- Zaitsev 规则：消去反应得到较多的多取代烯
区域选择性：（反 Zaitsev）
- 碱的结构：碱的体积越大，多取代产物越少；
- 离去基团：离去基团的碱性越大（难离去），少取代产物越多；（似 E1cB 反应，过渡态似负离子）
- 底物结构：趋向于形成共轭烯烃；
- 环状化合物的E2消去：由于趋向反式共平面消去（a - a 基团），可能反 Zaitsev 规则；

E1 反应

LG- 离去形成碳正离子，然后 H+ 被带走。

活性：
- 形成碳正离子，如SN1；
- 卤代烃时，与卤离子的碱性有关；
- 醇时，常在酸性条件下发生，于是羟基质子化后容易发生 E1 反应；
- 符合 Zaitsev 规则；
区域选择性：
- 主产物为反式；（空间位阻）
- 环状化合物：不需要反式共平面消去，符合 Zaitsev 规则；

E2/E1，SN/E 竞争

E2/E1

E2 有利：高浓度的强碱，非质子型极性溶剂；
E1 有利：弱碱，质子型极性溶剂
取代数：1º 不发生 E1；2º 和 3º 可发生 E1 和 E2；

SN2/E2

在高浓度强碱下，卤代烃 SN2：1º > 2º > 3º （空间位阻），E2：3º > 2º > 1º （多取代稳定）

1º：以取代为主，但若位阻较大时（进攻试剂、β碳的取代基），则消去为主；
2º：两种反应均易发生，但若进攻试剂碱性越强、体积越大，温度越高，越容易消去；
3º：以消去为主；

SN1/E1竞争

在弱碱下，SN1和E1反应卤代烃的活性顺序相同 3º > 2º > 1º ，1º 一般不发生SN1/E1反应

温度越高，越容易消去；
亲核试剂碱性越弱，亲核性越强时，越容易取代；

E1cB 反应和似 E1cB 反应

β−氢酸性强（容易离去），且离去基团难离去时，发生 E1cB 或似 E1cB，过渡态似碳负离子；代表有醇、氟代烃、季铵碱（Hofmann 消去）

反 Zaitsev 规则/Hofmann 取向：碳负离子稳定性是 1º > 2º > 3º ；
季铵碱的Hofmann消去反应：以过量 CH3I 形成季铵盐，再以 Ag2O（进攻）断裂C-N键，反复可把氮杂环分子的氮除去；

第十章不饱和碳碳键的加成反应

在酸性条件下进行，经过碳正离子或自由基活性中间体；

烯烃的亲电加成

HX、H2O和醇

加H+形成碳正离子（速度慢），碳正离子再亲电，常用酸催化；可能发生重排；

活性：
- 碳正离子：多取代烯烃反应活性较高；羟基的氧原子共轭也可稳定碳正离子；
- 亲核试剂的电负性：HI > HBr > HCl > H2O
- 溶剂化作用：溶剂可稳定碳正离子，所以液相中的反应快；
区域选择性：
- 马氏规则：H+加在含氢较多的碳原子上（碳正离子稳定性）
- 反马氏规则：但烯烃上有强吸电子基团时，碳正离子不稳定，H+反而趋向于有此吸电子基团的碳；
立体选择性：一般得到外消旋产物；如有手性中心，可能生成不等量的非对映异构体；

X2和XOH

经过环卤鎓离子，全为反式加成；但若是氯，由于其电负性大，原子半径小，环不稳定，会出现顺式加成；

立体选择性：
- 环烯烃：若环有取代基，其a、e位置可能影响亲核试剂的进攻；
- XOH；由于X与OH不对称，带正电荷较多的X加在含氢较多的碳上，符合马氏规则；

其他亲电试剂

羟汞化-脱汞反应：Hg(OAc)2的+Hg(OAc)进攻双键形成环鎓离子，再由-OH进攻，最后在NaBH4下还原，即脱去Hg(OAc)得氢；是得到醇的另外一种方法；

硼氢化-氧化反应：BH3的B原子和H原子分别与双键上的两个碳桥接，直接顺式加成，重复至BH3的H用完（B原子仅与碳链接），以H2O2氧化，去B得醇；由于主要影响为空间位阻，得反马氏规则产物；
卡宾：成环丙烷类化合物
- 单线卡宾：HCCl3用NaOH去HCl后制得，与烯烃直接顺式加成，得立体专一的产物；
- 三线卡宾：一个自由电子进攻后，双键变成单键加自由电子，另一个卡宾电子再与该电子成键，期间单键可能旋转，因而产物外消旋；
类卡宾：CH2I2与锌反应成有机金属，再加成；同三线卡宾，得外消旋产物；

烯烃的自由基加成

在醚中进行，常为乙醚，乙醚容易氧化成过氧化物ROOR，在光照或加热下均裂成 RO· 自由基，然后 RO· 自由基夺去 HBr 的氢，产生 Br· 自由基，此为链引发；后 Br· 加成双键得溴代烃自由基，卤代烃自由基再夺去 HBr 的氢，又产生 Br· ，此为链增长。Cl-H键太强，不发生这类反应。

反马氏规则：自由基的稳定性为 3º > 2º > 1º，溴原子优先加成到多氢（少取代）的碳上。

共轭二烯的加成反应

Diels-Alder 反应

常用于获得环状化合物，反应的立体专一性是特点。

机理：双烯体与亲双烯体的一步协同反应
活性：
- 亲双烯体：含吸电子基团，活性高；
- 双烯体：必须是顺式共轭；含给电子基团，活性高；
区域选择性：实验表明主要是邻对位；（有时候可用电荷分布解释）
立体化学：
- 立体专一性：Z型和E型亲双烯体分别得到顺式和反式产物。
- 环状共轭二烯：当亲双烯体连接具pi键的吸电子基团时，优先得到内型产物（取代基与二碳桥即共轭二烯所在的桥同侧）
  - 动力学控制：亲双烯体的吸电子基团与双烯体的 p 轨道有次级作用，导致产生过渡态较稳定的内型产物；主要在25摄氏度时；
  - 热力学控制：外型产物取代基远离长碳桥，更稳定；主要在90摄氏度时；

与 HX 反应

动力学控制：主产物为1,2加成（反应温度低时，反应不可逆，产物为形成速度快者）
热力学控制：主产物为1,4加成（反应温度高时，反应可逆，产物为较稳定者）

炔烃的水合反应

得到醛或酮

马氏规则：Hg(OAc)2、H2SO4 和 H2O，H+加在端位碳原子上；
反马规则：B2H6 和 H2O2、-OH。

第十一章氧化还原反应

还原反应

催化氢还原

常用催化剂 Pt > Pd > Ni，并将金属粉末吸附在活性炭上，另外实验室常直接用 PtO2、PdO2，由氢气还原为极细的金属粉末，还有常用的 Raney 镍（由镍铝合金除铝后制得）。常用溶剂有乙醇、甲醇、乙酸、乙酸乙酯。催化氢化反应可逆，因而温度、压力不能太高。

催化机理：氢吸附在金属表面，H-H 键与 C-C pi 键被削弱而发生加成；
立体化学：由机理知一般发生顺式加成，由位阻较小的一面进攻；
反应活性：
1. 不饱和烃：
  1. 与空间位阻相符，乙烯 > 单取代烯烃 > 双取代烯烃 > 三取代烯烃> 四取代烯烃；
  - 支链的长度与分支情况影响小，但苯环取代比一般取代有更高活性；
  - 芳香烃很难氢化，而苯环上取代基越多活性越低；
  - 炔烃的氢化用 Lindlar 试剂可使反应停留在烯烃上，Pt/C 和 Pd/C 则会完全氢化；
  - 小环化合物可因张力而发生氢化开环反应；
- 羰基、亚胺基（C=N）、氰基（C≡N）：得到醇与胺
  1. 羧酸及其衍生物中，酰氯最容易被氢化，活性高于碳-碳键，先被还原为醛（去氯），再为伯醇，而Rosenmund 还原（低活性 Pb 催化剂）可使反应停留在醛这一步；
  - 羧酸、酯、和酰胺活性极低，实际应用少；
- 其他管能团：
  1. 苄基醚：还原后得到醇（脱去苄基），是羟基保护后脱保护的方法；
  - 硝基化合物：经过亚硝基（RN=O）、羟胺（RNHOH）阶段，最终得到伯胺（RNH2），是合成胺（特别是芳香胺）的主要方法之一；
  - 缩硫酮：羰基被两 EtSH 加成后，再氢化脱去 EtS 硫酮，是羰基的温和还原方法；
  - 卤代烃：氢化脱卤，活性依据 C-X 键有 RI > RBr > RCl > RF，只有前两者 RI 和 RBr 容易氢化（在 Raney 镍的作用下以较高产率进行）。卤代烃氢化活性 1°RX < 2°RX < 3°RX < 芳香烃 ArX < 乙烯型 RX < 丙烯型 RX < 苄基型 RX 。
活性比较：R-COCl > RC≡CR > R-CHO > RCH=CHR > RCOR > RC≡N > RCH=NR

负氢还原

金属氢化物还原极性化合物，不能还原碳-碳不饱和键，因而有选择性；常用氢化铝锂LiAlH4（或LAH）、硼氢化钠NaBH4、硼氢化锂LiBH4、硼氢化钾KBH4，其中LAH活性最高。

还原机理：
1. 极性不饱和键：AlH4¯（负氢）亲核进攻羰基中的缺电子碳、接受烷氧基，反复进行直至形成四烷氧基铝负离子，水解即得到四个还原产物醇。
2. 极性饱和键：负氢进行亲核取代，循Sn2一步反应机理，受空间位阻影响；
反应活性：不饱和碳缺电子程度越高越容易被负氢还原
1. 顺序依缺电子程度：RCOCl > RCHO > RCOR > RCH=NR > RCOOR > RCOOH > RCONHR > RC≡H；
- NaBH4：不能还原羧酸、羧酸酯和酰胺，因而有选择性；
- LiAlH4：可还原羧酸、羧酸酯和酰胺；酰胺羰基转化为亚甲基，酯的烷氧键断裂为两个醇；
- 烷基氢化铝或烷氧基氢化铝锂：体积大、活性低，在低温条件下可将酰卤或羧酸酯的还原控制在醛的阶段
环己酮类化合物还原的立体化学：若环上没有直立键，则还原后羟基平伏（稳定）；若有直立键位阻，则进攻位阻小的一面，因而还原后羟基直立；

不饱和烃的电子、质子还原

溶解在液氨中的碱金属，又称溶解金属还原；金属提供电子，氨提供质子（加起来就是一个原子态的氢）。

不饱和烃：只还原炔烃，得电子（自由基负离子） - 加质子（自由基） - 得电子（负离子） - 加质子，最终得到反式烯烃（较稳定）。
苯及其同系物：Brich 还原，不完全地还原为环己二烯、环己烯、环己烷。连接给电子取代基的碳最难还原，连接吸电子取代基的碳优先被还原。若有双键与苯环共轭，则先还原双键，但不共轭的双键不被还原。

羰基还原为亚甲基的方法

醛、酮的羰基除了缩硫醛（酮）法外，还有如下互补的两个方法。

Clemmensen 还原法（酸）：在锌汞齐-盐酸作用下回流得到亚甲基，只适用于对酸稳定的化合物；
Wolff - Kishner - 黄鸣龙还原法（碱）：碱性下用肼试剂（H2NNH2），常在高温下（以一缩二已二醇为溶剂），只适用与对碱稳定的化合物；

氧化反应

醇的氧化

仲醇氧化为酮；伯醇先为醛，再为酸；叔醇在酸性氧化剂和加热条件下可脱水成烯，再氧化断裂双键。

铬酸氧化剂：铬酸钠或铬酸酐溶于硫酸，后者称 Jones 试剂。伯醇先形成铬酸酯后发生 E2 消去成醛，水合后成羧酸，因而在无水条件下可使反应停留在醛这一步（PCC、Sarrett 试剂）。反应不影响碳碳键，只要反应条件不过度激烈。

高锰酸钾或二氧化锰：在酸性或碱性但加热的高锰酸钾中，醇发生类似的反应，但容易氧化碳碳不饱和键。二氧化锰不影响碳碳双键，反而选择性氧化烯丙位的羟基。
其他氧化剂：
1. 硝酸：稀硝酸可将伯醇氧化成羧酸；浓硝酸更会氧化仲醇和叔醇成断裂的小分子羧酸，一般用于对称环状仲醇的氧化。
- Swern 氧化：用二甲基亚砜（DMSO）、草酸二酰氯（ClCOCOCl）和三乙胺。在非酸性条件下进行，因而可选择性地将伯醇氧化成醛、仲醇成酮。
- Oppenauer 氧化：在叔丁醇铝或异丙醇铝下，仲醇与丙酮（或甲乙酮、环已酮）发生氢交换，仲醇变酮，而丙酮变醇。不影响其他官能团，可选择性地氧化醇，适用于含碳碳不饱和键或其他对酸不稳定的仲醇。
- 高碘酸：使邻二醇氧化成醛和酮，而甲醛可进一步被高碘酸氧化成甲酸。构型/构象的限制：高碘酸与两个羟基形成环状中间体，因而需要两个邻位羟基靠近。

不饱和烃的氧化

主要是断裂不饱和碳碳双键形成小分子醛、酮或羧酸；芳香环一般难氧化，但侧链容易。

高锰酸钾：
- 酸性或中、碱性但加热的高锰酸钾将断裂双键形成酮或羧酸（甲酸更会进一步氧化为二氧化碳），羟基取代苯则会将 α 位碳氧化为羧基，若是季碳则把苯环整个氧化为羧基。
- 中、碱性而冷的高锰酸钾将烯烃氧化为顺式邻二醇（环状中间体）。四氧化锇（OsO4）发生同样反应，但一般使用催化剂量并混合二氧化氢，合成应用多！。
- 只要高锰酸钾存在，三键即氧化断键成小分子羧酸（用于分析炔烃中三键的数量结构）。

臭氧：
- 与双键形成有环状结构的臭氧化物，在锌粉或二甲硫醚（(CH3)2S）下水解得醛、酮，或在弱氧化剂如过氧化氢下水解得到酮和羧酸，甚至二氧化碳。
- 与三键生成两个羧酸。
- 与苯环不反应。
过氧酸：（RCOO-OH）过氧酸上羟基的氧原子单独裂出来与双键形成环氧化物，酸本身还原为羧酸（RCOOH）。氧原子亲电加成成环，因而电子云密度越高速度越快，较高处有优先权，有立体专一性。合成应用多！

醛、酮的氧化

醛特别容易氧化，酮却只在强氧化剂和剧烈的氧化条件下才能氧化断裂成小分子羧酸，且无应用。重要的是过氧酸将醛变羧酸、酮变酯，统称 Baeyer-Villiger 氧化。

机理：过氧酸对碳氧双键亲核加成（过氧酸羟基氧接到碳上），然后碳上的一个烷基迁移到新增的氧上，导致氧原子插入碳链中。烷基迁移活性：H > 3º碳 > 2º碳 ≈ 苯基 > 1º碳 > 甲基。
醛变羧酸的各种试剂：铬酸，重铬酸钠 + 硫酸，Tollens 试剂 = Ag2O/NH3（银镜反应），Fehling 试剂 = 硫酸铜 + OH- + 酒石酸钾钠，Benedict 试剂 = 硫酸铜 + 碳酸钠 + 柠檬酸。

胺的氧化

会得到多种氧化物的混合物（胺、亚胺、羟胺、氧化胺、亚硝基化合物、硝基化合物），没有实际应用价值。

第十二章芳环的亲电取代、亲和取代反应及芳环取代基的反应

亲电取代

苯环上具 pi 键被亲电试剂加成后又脱去质子。1 需要活化的亲电试剂（以破坏芳性） 2 加成后又马上脱去质子恢复芳香性，因而是取代。

卤代：氯代、溴代、碘代，前两者需要 Lewis 酸如三卤代铁的催化（络合卤素分子以削弱 X-X 键），后者以硝酸氧化得到 I+ 去进攻。

硝化：硫酸使硝酸质子化后脱水，得 +NO2 去进攻。
磺化：磺基正离子 +SO3H 或三氧化硫 SO3 进攻，前者和又硫酸分子间相互作用形成或三氧化硫与水产生。
- 反应可逆，如苯磺酸水解重新生成苯，可用于苯环上某些位置的保护；
- 而用浓硫酸或发烟硫酸减少水含量、提高亲电试剂浓度可抑制水解。
Friedel - Crafts 烷基化：苯与卤代烃反应，Lewis 酸如三氯化铝催化破坏 R-X 键生成烷基碳正离子以进攻。
- 乙烯型和苯基型卤代烃不能用：碳正离子不稳定；
- 苯要大大过量：苯取代烷基后取代活性更高，一个苯可能取代多个烷基；
- 有碳正离子就有重排。
Friedel - Crafts 酰基化：苯与酰卤、酸酐等试剂反应，Lewis 酸催化，类似上述 F-C 烷基化。但酰基正离子不会重排，且不会多取代。
- 注意：Lewis 酸会跟羰基（Lewis 碱）络合而无法催化，需要加量大于 1：1。酸酐由于有两个羰基，比例要大于 2：1。
- F - C 酰基化配合羰基的还原可避免 F - C 烷基化中的重排缺陷。

取代基对苯环亲电取代的影响

有关活性的致活基团、致钝集团，有关定位的邻对位定位基、间位定位基，通过改变电子云密度或反应中间体的稳定性。

改变电子云密度：
1. 致活、邻对位：-NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR，给电子共轭和吸电子诱导，而给电子的共轭为主，于是苯环电子云密度增加，特别在邻对位；
- 致钝、间位：-CONHR、-COOR、-COR、-CHO、-SO3H、-NO2，吸电子共轭和吸电子诱导，纯粹降低苯环电子云密度，而邻对位降低更多。
- 致钝、邻对位：-X 是特例，吸电子诱导和给电子共轭，总体表现为吸电子，但给电子共轭使邻对位电子云密度降低较少。
改变反应中间体的稳定性：
- 弱致活、邻对位：-R，考虑碳正离子的稳定性，取代基在其邻对位上时，正电荷共振到 -R 取代碳（叔碳）上，更稳定。
- 强致活、邻对位：-NH2、-NHR、-NR2、-OH、-OR，取代基在其邻对位上时，正电荷可因致活基的给电子共轭而转移到致活基上，更稳定。
- 中等致活、邻对位：-OCOR、-NHCOR，同上可共轭，但羰基的加入使氧或氮与苯环的共轭减弱，只有中等的稳定性。
- 弱致钝、邻对位：特例 -X，吸电子诱导和给电子共轭的结合，吸电子更强，但给电子共轭和造成邻对位产生的碳正离子相对稳定。
- 中、强致钝、间位：-CONHR、-COOR、-COR、-CHO、-SO3H、-CN、-CF3、-NO2、-+NR3，吸电子诱导和吸电子共轭（除了-CF3 -+NR3 没有共轭），碳正离子不稳定。
  - 强致钝基和中等致钝基会导致难以发生 F - C 烷基化和酰基化，因为两反应活性本来就低。
其他活性与定位特性：
- 空间位阻会影响邻对位取代中，邻位与对位的比例，取代基体积太大会倾向于对位取代。
多种取代基的共同影响
- 定位效应不一时，以较强致活基团或较弱致钝集团的定位为主（活性高的为主）；活性相当时就得混合物；
- 空间位阻会降低取代概率。

五元芳香杂环

反应活性：吡咯（N) > 呋喃（O) > 噻吩（S) > 苯，因为杂原子有给电子共轭作用，环上电子云密度变高。
定位：以 a- 取代为主，因为 a- 取代中间体的碳正离子因与杂原子的共轭而更稳定。

六元芳香杂环 - 吡啶（N）

亲电取代活性较低，因为氮原子参与了大 pi 键，孤对电子无法再共轭，而只剩下氮的吸电子诱导作用。

在强烈条件下发生亲电取代，优先为 3- 位，因为 N 吸电子，碳正离子中间体转移到 N 上时不稳定。
不能发生 F-C 反应，而 N-酰基吡啶却是很好的酰基化试剂。

芳环的亲核取代

这种反应通常不发生：pi-电子云排斥亲核试剂，且氢负离子碱性强于进攻试剂、难以离去。
若要发生，要有：
1. 一个或多个强的吸电子基团；
2. 较好的离去基团。
3. 电子基团该在离去基团的邻对位，稳定中间体。

芳香杂环的亲核取代

比苯的容易发生，因为 N 的吸电子诱导。

离去基团在 2-位或 4-位上，容易发生亲核取代（N 稳定负离子中间体）；
离去基团在 3-位上时，N 的作用弱，反应如苯，要在强烈的条件并在铜盐催化下进行。

芳环取代基的反应

a-卤代：苄基自由基十分稳定，其卤代反应以很高的选择性发生在 a-碳上。

侧链氧化：a-碳上含氢原子时，强氧化剂把侧链氧化断裂位苯甲酸。
芳香重氮盐：芳香伯胺在低温下与亚硝酸反应生成重氮盐（+N=O 的亲电取代、转化、脱水）。芳香重氮盐（N2Ar-Cl）易脱去氮气而留下芳基正离子或形成芳基自由基，从而发生各种反应。
- 取代：溴、氯、氰化亚铜可取代成溴、氯苯和苯甲腈；碘化钾/钠得碘代苯；氟硼酸盐（NaBF4）得氟代苯；水取代得酚（水解）；
- 还原：除去重氮基用次磷酸（H3PO2）或硼氢化钠（NaBH4）；还原成肼用硫代硫酸钠（Na2S2O3）、亚硫酸钠（Na2SO3）、亚硫酸氢钠（NaHSO3）、氯化亚铜+盐酸等（CuCl + HCl）。
- 偶联反应：重氮盐作为亲电试剂发生芳香亲电取代，一般只有活泼的芳香酚或胺类才能在室温反应。邻对位反应，且优先发生在对位。
  - 酚：在碱性 pH 8~10 条件下进行，因为除掉质子可提高芳环上的电子云密度；
  - 芳胺：在弱酸性下进行，易溶解芳香胺而又不可质子化。
- 重氮盐在合成上的应用：苯环上引入羟基、氟和氰基；合成违反定位规则的取代苯衍生物；合成偶氮化合物。

第十三章羰基化合物的亲核加成和亲核取代反应

C=O有极性，其中的C可接受亲核试剂的进攻；醛和酮主要发生亲核加成；羧酸及其衍生物主要发生亲核取代；

活性：
- 烷基的给电子作用和空间位阻，均会降低活性；
- 基团的电子效应：酰卤 > 酸酐 > 醛 > 酮 > 羧酸 ~ 酯 > 酰胺，仅前两个受吸电子效应。

亲核加成

碱性条件下亲核试剂直接进攻碳原子，酸性条件下质子先进攻氧原子。非手性条件下得外消旋体，手性条件下Cram-Felkin-Anh模型：羰基上的非手性R基团处于手性碳的最小基团与最大基团中间，然后试剂从小基团方向进攻；

含 O，S 亲核试剂

H2O：需要羰基连有吸电子基团；

ROH：用固体酸（TsOH对甲苯磺酸）或无水酸（干燥HCl气体）催化反应；遇水会逆反应为醛、酮，此特性可用于保护醛酮的羰基；
RSH：酸催化，2 mol RSH 完全加成羰基；HSCH2CH2CH2SH 取代成环状结构后以 Raney 镍还原，可将羰基还原为亚甲基；
NaHSO3：加成后得 α-羟基磺酸钠盐，可溶于水，然后用酸或碱还原，用于分离醛酮；受位阻影响大，只发生于脂肪甲基酮和8碳一下的环酮；

含 N 亲核试剂

RNH2 和 YNH2：加成后脱水，结果羰基被氮取代，得亚胺；可逆，酸水解返回醛酮；

R2NH：加成后α - C脱水，得烯胺；可逆，酸水解返回醛酮；

含 C 亲核试剂

-CN：弱酸性条件，得α-羟基腈；酸加热水解得α-羟基酸；Pt催化氢化得β-氨基醇；

-C≡CR：末端炔烃强碱作用下成为炔基负离子，加成并水解后得炔丙基醇；炔丙基醇用 Lindlar 催化选择性加氢后，再以 Al2O3 脱水，可得共轭二烯；
有机金属试剂：加成后水解，羰基变醇，氰基变羟基， 1,2-环氧化合物变醇；
- 加长碳链方法：有机金属如 RMgBr 与羧酸衍生物反应，可脱去羟基而代以 R 得酮，继续反应并水解则得叔醇；用低温、空间位阻大、不活泼的有机金属（有机镉、有机铜锂）可抑制继续反应而控制在酮的阶段。另外，与CO2（酸酐）反应还可得羧酸；
Ylide 试剂：含有与碳负离子紧邻的正电荷中心原子的结构的化合物
- 磷叶立德：Ph3P+ -C-R2 或 (EtO)3P+ -C-R2，专一地将 C=O 转化成 C=C，（经过氧膦环丁烷中间体），主要得反式烯烃；
- 硫叶立德：(CH3)2S+ -CH2，与非共轭的醛酮得1,2-环氧类化合物，与共轭醛酮得环丙烷类化合物（碳碳双键成环丙烷）；

α,β-不饱和羰基化合物的亲核加成

亲核试剂进攻羰基碳原子是直接加成（1,2-加成），进攻β碳原子为共轭加成（1,4-加成）

选择性：
- 亲核试剂：强碱性的亲核试剂倾向于直接加成（动力学控制），弱碱倾向于共轭加成（热力学控制）；
- 空间位阻：底物的位阻和亲核试剂的位阻；
- 有机金属的特殊选择性：有机锂一般直接加成产物，二烷基铜试剂一般共轭加成；

羧酸及其衍生物的亲核取代

强碱性亲核试剂取代连接在羰基碳上的弱碱性离去基团；

活性：
- 羰基碳的缺电子程度
- 离去基团的碱性：碱性强的基团可取代碱性弱的基团，X¯ < RCOO¯ < RO ¯ ~ HO ¯ < R2N ¯
高活性羧酸衍生物的制备：
- 酰卤：羧酸与二氯亚砜RCOOH、三氯化磷或五氯化磷反应；
- 酸酐：
  1. 酰卤与羧酸钠盐反应；常用于制混合酸酐；
  - 羧酸失水：俩羧酸在P2O5催化下结合；常用于制备同种酸，甚至二元酸成环；

第十四章羰基化合物的α-取代反应

羰基化和物的α-氢具酸性，在碱性下易离去，可发生构型互变而产生烯醇，其中的碳碳双键可发生亲电取代。

烯醇及烯醇负离子的形成

条件：在碱的催化下，构型互变平衡向烯醇移动，主要生成烯醇负离子；用强碱 LDA 可定量转化为烯醇负离子；
- 酸性条件下，不改变平衡常数；
区域选择性：
- 热力学控制产物：在酸催化下，构型见有可逆平衡，产生多取代的烯醇；
- 动力学控制产物：在体积较大的强碱（如 LDA、三苯基甲基锂）作用下，反应不可逆，产生少取代烯醇；还需强碱过量且低温（-78℃）；
- 弱碱：影响因素太多，选择性不高；

α– 卤代反应

醛、酮

酸催化：先有羰基氧质子化；取代得卤素后，羰基氧电子云密度降低，不易再质子化，最终主要得一卤代物；
碱催化：直接有α–氢离去，取代得卤素后，α–碳的氢酸性增强，容易得多卤代物，甲基酮甚至会断键成卤仿；黄色沉淀碘仿可用于鉴别甲基酮；