《高等有机化学》研究生课程教学课件（教案讲义）第一章 取代基效应

性质的影响更为普遍。在反应速率、反应方向、化学反应平衡及反应历程等方面都有一定影响。（1）对酸碱性的影响当羧酸分子中存在电负性大的取代基时，吸电子诱导效应（-1I）使其酸性增强。反之，给电子诱导效应使酸性减弱。例如：FCH,COOH >CICH,COOH>BrCH2COOH>ICH2COOHpKa2.662.812.873.13CH,COOH>HCOOH>CICCOOH3.750.65pKa4.76相反，胺类化合物的碱性会因取代基的给电子效应（+I）而得到提高。例如：二甲胺、甲胺及氨在水溶液中的碱性顺序为：(CH3)2NH > CH,NH2 > NH33.223.384.76pKb（2）对反应速率的影响烯烃一般情况下容易进行亲电加成反应。当双键碳原子上连有给子基（+I效应）时，双键电子云密度增加，反应速度加快。当连有吸电子基（-I效应）时，双键电子云密度降低，反应速度减慢。例如，乙烯及其衍生物与HBr的加成速率如下：烯烃结构：CH2=CH22(CH3)2C=CH2(CH3)2C=C(CH3)2CH2=CHCOOH相对速率：1.005.5014.000.03当双键上连有四个吸电子基团如(CN)2C=C(CN)2时，则亲电加成反应不可能进行，反而容易进行亲核加成反应。醛酮的亲核加成反应中，当羰基上连有吸电子基（-I效应）时，使羰基碳的电子云密度减小，正电性增大，反应速度加快：当连有给电子基（+I效应）时，炭基碳的电子云密度增大，正电性减小，反应速度减慢。例如，下列取代乙醛发生亲核加成反应的活性顺序为：CI:CCHO>CI2CHCHO>CICH2CHO>CHCHO（3）对反应方向的影响

性质的影响更为普遍。在反应速率、反应方向、化学反应平衡及反应历程等方面都有一定影 响。 （1）对酸碱性的影响 当羧酸分子中存在电负性大的取代基时, 吸电子诱导效应（−I）使其酸性增强。反之， 给电子诱导效应使酸性减弱。例如： 相反, 胺类化合物的碱性会因取代基的给电子效应（+I）而得到提高。例如：二甲胺、 甲胺及氨在水溶液中的碱性顺序为： （2）对反应速率的影响 烯烃一般情况下容易进行亲电加成反应。当双键碳原子上连有给子基（+I 效应）时，双 键电子云密度增加，反应速度加快。当连有吸电子基（−I 效应）时, 双键电子云密度降低， 反应速度减慢。例如，乙烯及其衍生物与 HBr 的加成速率如下： 烯烃结构： CH2＝CH2 (CH3)2C＝CH2 (CH3)2C＝C(CH3)2 CH2＝CHCOOH 相对速率： 1.00 5.50 14.00 0.03 当双键上连有四个吸电子基团如(CN)2C=C(CN)2时，则亲电加成反应不可能进行，反 而容易进行亲核加成反应。 醛酮的亲核加成反应中，当羰基上连有吸电子基（−I 效应）时，使羰基碳的电子云密 度减小，正电性增大，反应速度加快；当连有给电子基（+I 效应）时，羰基碳的电子云密 度增大，正电性减小，反应速度减慢。例如，下列取代乙醛发生亲核加成反应的活性顺序 为： Cl3C—CHO > Cl2CHCHO > ClCH2CHO > CH3CHO （3）对反应方向的影响

不对称烯烃与卤化氢进行亲电加成反应时，大多符合马氏规则。但当双键上连有强吸电子基团如-CX，时，则按反马氏规则的方向加成。例如，3,3,3-三氯丙烯与HC1反应时，不仅反应速率慢，而且主要生成反马氏规则的产物。> CH,CH—CCl3 > CH;CHCICCl3HCI(1)(minor)CH2=CH—CCl,CH2 CH2-CCl3—→ CICH2—CH2-CCl;()(major)这是由于-CCI3强的吸电子诱导效应（-I）得使含氢较少的双键碳原子上的电子云密度比含氢较多的双键末端碳原子的大，故前者带有部分负电荷，后者带有部分正电荷。因此，H*更容易进攻含氢较少的双键碳原子。从反应过程中来说，由于-CCI3强的吸电子作用使得碳正离子中间体（I）的稳定性大于（I)，故反应所需活化能较小，反应容易向着反马氏方向进行。在反应过程中，静态诱导效应决定着反应的速率，而动态诱导效应决定着反应的方向。当静态诱导效应与动态的方向相反时，起决定作用的是动态诱导效应。1.1.2共轭效应1，共轭体系（conjugativesystem）在分子、离子或自由基中，含有三个或三个以上相邻且共平面的原子时，这些原子中相互平行的p轨道往往可互相交盖，形成一个电子离域的结构体系（离域大元键体系），这种体系称为共轭体系。相邻原子或基团的电子轨道发生重叠是共轭体系最根本的结构特征。共轭体系中，元电子云不是局限于某个碳原子上，而是离域到整个共轭体系中的。常见的共轭体系有以下两种类型：（1）元一元共轭体系单键和不饱和双键交替排列的共轭体系，称为元一元共轭体系。元一元共轭体系可以完全由碳原子组成，也可以由碳原子和其它原子组成。例如：CH2三CH—CH=CH2CH2三CHCHOCH2三CH-C三N其中，1,3-丁二烯是最简单的元-元共轭体系，分子中所有的碳原子和氢原子都处于同一平面四个垂直于平面且相互平行的p轨道形成了元44键的离域大元键。HOHHOOOHHOOH价键（valencebond，VB）理论和分子轨道（molecularorbital,MO）理论对于上述共轭

不对称烯烃与卤化氢进行亲电加成反应时，大多符合马氏规则。但当双键上连有强吸电 子基团如−CX3 时，则按反马氏规则的方向加成。例如，3,3,3−三氯丙烯与 HCl 反应时，不仅 反应速率慢，而且主要生成反马氏规则的产物。 这是由于−CCl3 强的吸电子诱导效应（−I）得使含氢较少的双键碳原子上的电子云密度 比含氢较多的双键末端碳原子的大，故前者带有部分负电荷，后者带有部分正电荷。因此， H +更容易进攻含氢较少的双键碳原子。从反应过程中来说，由于−CCl3强的吸电子作用使得 碳正离子中间体（II）的稳定性大于（I），故反应所需活化能较小，反应容易向着反马氏方 向进行。在反应过程中，静态诱导效应决定着反应的速率，而动态诱导效应决定着反应的方向。 当静态诱导效应与动态的方向相反时，起决定作用的是动态诱导效应。 1.1.2 共轭效应 1. 共轭体系（conjugative system） 在分子、离子或自由基中，含有三个或三个以上相邻且共平面的原子时，这些原子中相 互平行的 p 轨道往往可互相交盖，形成一个电子离域的结构体系（离域大 π 键体系），这种 体系称为共轭体系。相邻原子或基团的电子轨道发生重叠是共轭体系最根本的结构特征。共 轭体系中，π 电子云不是局限于某个碳原子上，而是离域到整个共轭体系中的。 常见的共轭体系有以下两种类型： （1）−共轭体系 单键和不饱和双键交替排列的共轭体系，称为−共轭体系。−共轭体系可以完全由 碳原子组成，也可以由碳原子和其它原子组成。例如： 其中，1,3−丁二烯是最简单的−共轭体系，分子中所有的碳原子和氢原子都处于同一平面 四个垂直于平面且相互平行的 p 轨道形成了4 4键的离域大 π 键。 价键（valence bond，VB）理论和分子轨道（molecular orbital, MO）理论对于上述共轭

体系的形成具有不同的解释[6。从价键（valencebond，VB）理论来看，元-元共轭体系是由相邻的两个元成键电子轨道重叠所形成的能量降低的结构体系。从分子轨道（molecularorbital，MO）理论来看，元一元共轭体系是由含一对电子的元成键分子轨道（作为电子供体轨道）与相邻的空的元*反键轨道（作为电子受体轨道）相互作用，形成能量更低的成键分子轨道和能量更高的反键分子轨道，一对电子进入能量比较低的成键分子轨道，从而使能量降低的结构体系。按照MO理论，1,3-丁二烯中的元一元共轭是两个元键的相互作用（元-元*共轭作用），其元和元*分子轨道相互作用以及MO能级示意图表示的元元*共轭作用如下：HOHHO-O元*c-C能量OOH1（2）P-元共轭体系与元键直接相连的原子上有p轨道时，当p轨道与元键的p轨道平行时，可形成p-元共轭体系。P-元共轭体系中，p轨道可以不含电子（正离子）、含一个电子（自由基）或含一对电子（负离子或未共用电子对）。下列烯丙基正离子、烯丙基自由基、烯丙基负离子及氯乙烯分别存在p（空）一元、P（单）一元和p（满）一元共轭。CH2=CH—CH2CH2=CH—CH2 CH2=CH—CH2CH2=CH—CI：+EHOOH HOOHOHO-0OHOOQH880HOO%LH当参与共轭的元电子数少于原子数时，其形成的离域键称为缺电子离域元键，如烯丙基正离子中形成了元32键：当参与共轭的元电子数等于原子数时，其形成的离域键则称为等电子离域元键，如烯丙基自由基中形成了元33键。当参与共轭的元电子数多于原子数时，其形成的离域键则称为多电子离域元键，如氯乙烯中形成了元34键。在P-元共轭体系中，其所带的正电荷、单电子或孤对电子不是平均分布在三个碳原子上，而是主要分布在共轭体系两端的碳原子上。例如：CH2=CH—CH2→CH2—CH=CH22.共轭效应（conjugative effect）由于形成共轭离域元键使电子云密度分布发生变化，进而引起分子理化性质改变的电子效应，称为共轭效应（conjugativeeffect，简称C效应）。共轭效应只存在于共轭体系中

体系的形成具有不同的解释[6]。从价键（valence bond，VB）理论来看，−共轭体系是由相 邻的两个 π 成键电子轨道重叠所形成的能量降低的结构体系。从分子轨道（molecular orbital, MO）理论来看，−共轭体系是由含一对电子的 π 成键分子轨道（作为电子供体轨道）与 相邻的空的 π*反键轨道（作为电子受体轨道）相互作用，形成能量更低的成键分子轨道和 能量更高的反键分子轨道，一对电子进入能量比较低的成键分子轨道，从而使能量降低的结 构体系。按照 MO 理论，1,3-丁二烯中的−共轭是两个键的相互作用（π-π*共轭作用），其 π 和 π*分子轨道相互作用以及 MO 能级示意图表示的 π-π*共轭作用如下： （2）p−共轭体系 与键直接相连的原子上有 p 轨道时，当 p 轨道与键的 p 轨道平行时，可形成 p−π 共 轭体系。p−π 共轭体系中，p 轨道可以不含电子（正离子）、含一个电子（自由基）或含一对 电子（负离子或未共用电子对）。下列烯丙基正离子、烯丙基自由基、烯丙基负离子及氯乙 烯分别存在 p（空）−π、p（单）−π 和 p（满）−π 共轭。 当参与共轭的 π 电子数少于原子数时，其形成的离域键称为缺电子离域键，如烯丙基 正离子中形成了3 2 键；当参与共轭的 π 电子数等于原子数时，其形成的离域键则称为等电 子离域键，如烯丙基自由基中形成了3 3 键。当参与共轭的 π 电子数多于原子数时，其形成 的离域键则称为多电子离域键，如氯乙烯中形成了3 4 键。 在 p−π 共轭体系中，其所带的正电荷、单电子或孤对电子不是平均分布在三个碳原子 上，而是主要分布在共轭体系两端的碳原子上。例如： 2. 共轭效应（conjugative effect） 由于形成共轭离域 π 键使电子云密度分布发生变化，进而引起分子理化性质改变的电 子效应，称为共轭效应（conjugative effect，简称 C 效应）。共轭效应只存在于共轭体系中

而且只沿共轭链传递，且不因传递距离的增加而减弱。无论共轭体系有多大，C效应都能贯穿于整个共轭体系中。由于离域的元电子可以在整个共轭体系中流动，故当体系中一端的电子云密度受到影响时，整个共轭体系中每个原子的电子云密度都将受到影响。例如，下列不饱和醛，由于氧原子的吸电子作用使得元电子的分布发生了变化，向电负性大的一端离域，最终在共轭链上出现了-、+交替的现象。CH2=CH—CH=CH—CH=0共轭效应也有方向，即正负之分。根据电子的流动方向（用弯箭头表示电子离域的方向），能够提供电子给碳碳双键，使得双键电子云密度增加的基团，具有正的共轭效应，用十C表示。如-X、-OH、-OR、-NH2(R)等均有给电子的十C效应。十C效应一般存在于p-元共轭体系中。相反，使得双键电子云密度降低的吸电子基团具有负的共轭效应，用-C表示。如CHO、-CN、-NO2、-COR等均具有吸电子的-C效应。-C效应一般存在于元-元共轭体系中。CDCH2=CH—ciCH2=CH—C三N(+ C)(- C)取代基共轭效应的强弱取决于组成该体系原子的性质、共价状态、键的性质、空间排布等因素有关。在同一体系中，相同位置上引入不同取代基时，取代基共轭效应的强弱主要取决于两个因素，即取代基中心原子的电负性及其主量子数的相对大小。在p-元共轭体系中，同周期元素中，电负性越大，给电子能力越弱，+C效应越小。-NR2>-OR >-F同族元素中，主量子数越大，原子半径越大，P轨道与双键中的元轨道重叠越困难，电子离域程度小，故+C越小。-F >-CI >-Br >-II-OR>-SR另外，一般带有负电荷的原子或基团比同类不带电荷或带正电荷的原子或基团具有相对更强的+C效应：-0->-OR>-0+R2在元一元共轭体系中，同周期元素中，原子序数越大，电负性越强，一C效应越强。C=0>C=NH>C=CH2对于同主族元素，随着原子序数的增加，原子半径变大，使元键与元键的重叠程度变

而且只沿共轭链传递，且不因传递距离的增加而减弱。无论共轭体系有多大，C 效应都能贯 穿于整个共轭体系中。 由于离域的 π 电子可以在整个共轭体系中流动，故当体系中一端的电子云密度受到影 响时，整个共轭体系中每个原子的电子云密度都将受到影响。例如，下列不饱和醛，由于氧 原子的吸电子作用使得 π 电子的分布发生了变化，向电负性大的一端离域，最终在共轭链上 出现了 δ-、δ+交替的现象。 共轭效应也有方向，即正负之分。根据电子的流动方向（用弯箭头表示电子离域的方向）， 能够提供电子给碳碳双键，使得双键电子云密度增加的基团，具有正的共轭效应，用＋C 表 示。如−X、−OH、−OR、−NH2(R)等均有给电子的＋C 效应。＋C 效应一般存在于 p−π 共轭 体系中。相反，使得双键电子云密度降低的吸电子基团具有负的共轭效应，用−C 表示。如 −CHO、−CN、−NO2、−COR 等均具有吸电子的−C 效应。−C 效应一般存在于 π−π 共轭体系 中。 取代基共轭效应的强弱取决于组成该体系原子的性质、共价状态、键的性质、空间排 布等因素有关。在同一体系中，相同位置上引入不同取代基时，取代基共轭效应的强弱主 要取决于两个因素，即取代基中心原子的电负性及其主量子数的相对大小。 在 p−π 共轭体系中，同周期元素中，电负性越大，给电子能力越弱，+C 效应越小。 −NR2 > −OR > −F 同族元素中，主量子数越大，原子半径越大，p 轨道与双键中的 π 轨道重叠越困难， 电子离域程度小，故+C 越小。 −F > −Cl > −Br > −I −OR > −SR 另外，一般带有负电荷的原子或基团比同类不带电荷或带正电荷的原子或基团具有相对更 强的+C 效应： −O− > −OR > −O +R2 在 π−π 共轭体系中，同周期元素中，原子序数越大，电负性越强，−C 效应越强。 C＝O > C＝NH > C＝CH2 对于同主族元素，随着原子序数的增加，原子半径变大，使 π 键与 π 键的重叠程度变

小，故-C效应变弱。C=0>C=S同样，带正电荷的基团比同类不带电荷的基团具有更强的-C效应。=NR2 > =NR与诱导效应相似，共轭效应也有静态和动态之分。静态共轭效应（Cs）是共轭体系分子固有的一种永久效应。它主要表现为使分子的键长平均化、体系能量降低、氢化热减小、体系更加稳定。例如，在1,3一丁二烯分子中，由于元一元共轭效应的存在使得电子云的分布趋向均匀化，具体表现为键长趋于平均化。实验测得在CH2=CH-CH=CH2分子中，Ci-C2、C-C4的双键键长为0.134nm比典型双键的0.133nm增长；C2-C单键键长为0.148nm比典型单键的0.154nm缩短。此外，共轭二烯烃1,3-戊二烯的氢化热比1,4-戊二烯的氢化热低28kJmol。这个能值是由于元电子离域而产生的，也是共轭效应的结果，故被称为离域能或共轭能。离域能越大，化合物越稳定。在苯环分子中，由于形成了元6°的闭合大元键，使得分子中所有的C-C的键长均等，为0.140nm，介于单键和双键之间。，由于具有较高的离域能，苯环很稳定，不易加成和氧化，具有一定的芳香性。动态共轭效应（Ca）是共轭体系在反应过程中，由于进攻试剂或其他外界条件的影响使元电子云重新分布的瞬间、暂时的效应。动态共轭效应只有在分子进行化学反应时才能表现出来，实际上往往是静态共轭效应的扩大，并使原来参加静态共轭的元电子云向有利于反应的方向流动。例如，1,3-丁二烯与HBr进行加成时，由于外电场的影响，电子云沿共轭链发生转移，出现正负交替分布的极化现象，这是动态共轭效应的结果。这一结果有利于H向双键碳原子发动进攻。CH=GH-H-CH + H" → CH, cH-H-CH,-此外，在反应过程中产生的正碳离子活性中间体由于可形成p-元共轭离域，最终得到了1,2-加成与1,4-加成两种产物。1,4-加成也称为共轭加成，可以看做是共轭体系作为一个整体参与了反应。12-加成 CH,=CH-CHBr-CH3CH,=cH-cH-CH,—→CH;=CH=CH-CH, BCH2Br-CH=CH-CH;1,4-加成动态共轭效应虽然是一种暂时的效应，但对化学反应都有促进作用，在反应过程中往往起主导作用。例如：氯乙烯与HBr进行亲电加成时，产物符合马氏规则，但反应速度很慢

小，故−C 效应变弱。 C＝O > C＝S 同样，带正电荷的基团比同类不带电荷的基团具有更强的−C 效应。 ＝N +R2 > ＝NR 与诱导效应相似，共轭效应也有静态和动态之分。静态共轭效应（Cs）是共轭体系分子 固有的一种永久效应。它主要表现为使分子的键长平均化、体系能量降低、氢化热减小、体 系更加稳定。例如，在 1,3−丁二烯分子中，由于−共轭效应的存在使得电子云的分布趋向 均匀化，具体表现为键长趋于平均化。实验测得在 CH2＝CH−CH＝CH2 分子中，C1−C2、C3−C4 的双键键长为 0.134 nm 比典型双键的 0.133 nm 增长；C2−C3单键键长为 0.148 nm 比典型单 键的 0.154 nm 缩短。此外，共轭二烯烃 1,3−戊二烯的氢化热比 1,4−戊二烯的氢化热低 28 kJ.mol-1。这个能值是由于 π 电子离域而产生的，也是共轭效应的结果，故被称为离域能或共 轭能。离域能越大，化合物越稳定。在苯环分子中，由于形成了6 6 的闭合大键，使得分子 中所有的 C−C 的键长均等，为 0.140 nm，介于单键和双键之间。，由于具有较高的离域能， 苯环很稳定，不易加成和氧化，具有一定的芳香性。 动态共轭效应（Cd）是共轭体系在反应过程中，由于进攻试剂或其他外界条件的影响使 π 电子云重新分布的瞬间、暂时的效应。动态共轭效应只有在分子进行化学反应时才能表现 出来, 实际上往往是静态共轭效应的扩大，并使原来参加静态共轭的 π 电子云向有利于反应 的方向流动。例如，1,3−丁二烯与 HBr 进行加成时，由于外电场的影响，电子云沿共轭链发 生转移，出现正负交替分布的极化现象，这是动态共轭效应的结果。这一结果有利于 H +向 双键碳原子发动进攻。 此外，在反应过程中产生的正碳离子活性中间体由于可形成 p-π 共轭离域，最终得到了 1,2−加成与 1,4−加成两种产物。1,4−加成也称为共轭加成，可以看做是共轭体系作为一个整 体参与了反应。 动态共轭效应虽然是一种暂时的效应，但对化学反应都有促进作用，在反应过程中往往 起主导作用。例如：氯乙烯与 HBr 进行亲电加成时，产物符合马氏规则，但反应速度很慢