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亲电加成

教学目标:反应机理的形成和烯烃亲电加成反应机理。

教学重点:溴的反式加成和马尔科夫尼科夫规律的解释。

教学安排:F
—>F4;40min
1,F3
反应机理的建立:对反应进行研究,积累了一些实验现象和事实,根据化学知识进行理论假设,提出可能的反应的一些基元反应步骤,能圆满地解释现有的实验现象,并能予测可能发生的现象,这种理论假设称为反应机理。

实践中发现新的现象不能被反应机理解释,要对原有的机理进行补充,修改、甚至重新进行理论假设,提出新的机理。

反应机理是相对的,是在发展的。

一、烯与溴的加成反应机理——分步、反式的亲电加成机理。

1.烯烃与溴反应,积累了下列实验事实:
1)干燥乙烯通入无水的溴的四氯化碳溶液中,红色不褪去,当加入几滴水后,溴的颜色迅速褪去。

2)在玻璃瓶中反应很顺利,放在内壁涂了石腊的玻璃容器中,反应不易进行。

3)乙烯分别通入含有NaCl、NaI和NaNO3的溴的水溶液中,不仅得到1,2-二溴乙烷,还分得到了1-氯-2-溴已烷,1-氯-2-碘乙烷和硝酸-2-溴乙酯:
4)乙烯与溴反应分别在甲醇和水溶液中反应,还得了1-甲氧基-2-溴乙烷和2-溴乙醇:
5)环烯烃与溴在四氯化碳等非极性溶液中加成反应得到反式-1,2-二溴环烷烃。

2.分析现有实验现象:
实验事实(1)和(2)说明在无光照射条件下,烯与溴反应需要极性条件,说明反应不是自由基型反应,而是离子型的反应。

实验事实(3)和(4)可假设反应分步进行。

先加成上一个Br+,然后亲核性基团竞争加到双键的另一个碳原子上。

实验事实(5)能假定第一步从双键的一侧加上一个Br+,而双键两个碳原子的相对位置没有变化,某种程度上保持双键的性质,亲核性基团从溴的对面(或双键的另一侧)进攻双键的另一个碳原子,完成了反应。

这种假设符合烯烃π键电子密度高,易流动的特征。

由此提出烯烃加溴反应经过环状溴正离子(缺字离子)的分步机理。

以乙烯为例说明:溴分子接近乙烯时,在双键电子密度高的电场作用下,使溴分子产生的σ健极化加大。

靠近π
电子一端的溴原子带有部分正电荷,别一溴原子带等量负电荷,烯溴越接近,互相极化程度越大,近到一定程度形成π络合物,然后溴的σ键断裂形成三元环溴缺字离子:
形成溴缺字离子是合理的,Br原子半径大,有孤对电子,在π电子偏到一个碳原子上与Br成键的同时,孤对电子与双键的另一碳原子成键,能量比BrCH2-CH2+的能量低,较稳定;三元环缺字离子的键很弱(三元环是弯曲键)第二步,Br-只能从空间位阻小的缺字离子Br 的对面进攻缺字离子的两个碳中的一个,最后得到反式加成产物:
在第二步Br-进攻时,若Cl-、I-、-ONO2等在在,会与Br-竞争与缺字离子反应,形成实验事实(3)中的产物:
若在水、醇溶液中反应,则有溶剂竞争反应:
若与次氯酸反应则形成下列中间体,并转化成产物:
在第二步反式进攻时,亲核的电负性基团进攻两个碳的机会相等.如环烯烃加溴反应,形成等量的(S,S)-二溴环烷烃和(R,R)-二溴环烷烃:
二、烯烃与质子酸的反应机理——对马尔科夫尼科夫规则的解释
烯烃与质子酸反应,两反应产物接近也形质子与烯的π络合物,质子体积小又无孤电子对,不能形成三元环氢离子,只能形成碳正离子中间体,质子与双键哪个碳结合,取决于那个碳原子上负电荷,确切地说取决于形成烃基碳正离子的稳定性,稳定性大的烃基碳正离子容易形成。

第二步亲核性负离子与烃基碳正离子结合完成反应:
按着静电学原理,带电体的稳定性随着电荷的分散而增大。

烷基是给电子基,碳正离子上连结的烷基越多,越稳定:
在烯烃加成反应中,第一步形成烷基碳正离子是反应控制步骤,整个加成反应速度取决于
烷基碳正离子的形成速度。

因此加成反应表现出符合马尔科夫尼科夫规律,而且烯烃不对称性越大,马尔科夫尼科夫规律越明显。

由此推导得到烯烃与质子酸加成反应的相对活性顺序为:
这与前面(F3节)中不同结构的C4烯烃与硫酸反应生成硫酸氢酯,需要的硫酸浓度不同是一致的。

可以这样来理解马氏加成规则:
不对称烯烃与质子酸的亲电加成,作为中间体是稳定的烷基碳正离子。

可以把马氏加成规则进一步扩展成普遍规律:
不对称烯烃与亲电试剂加成反应,试剂带部分正电荷的部分加到双键带部分负电荷碳上,而试剂带部分负电荷的部分加到双键带部分正电荷的碳上。

写成通式:
三、烯烃与质子酸反应的立体化学——碳原子的构型
在前面讨论了烯烃与溴的加成反应中,讨论了C原子的构型,在烯烃与质子酸加成反应中,C原子的构型如何?
形成烃基碳正离子中间体,其构型为平面结构,碳正离子的烃基还可以绕C-C+σ键旋转,因此可以得到两种构型的产物,为外消旋体。

四、关键词
亲电加成,反应机理,反式加成,马尔科夫尼科夫规律,溴缺字离子,竞争反应,碳原子构型,π-络合物,碳正离子的稳定性,反应控制步骤,烯烃与H+反应活泼性,碳原子的构型,外消旋体。

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