亲电加成

更新时间:2024-06-24 08:24

亲电加成反应(EA),简称亲电加成,是亲电试剂(带正电的基团)进攻不饱和键引起的加成反应。反应中,不饱和键(双键或三键)打开,并与另一个底物形成两个新的σ键。亲电加成中最常见的不饱和化合物是烯烃和炔烃。

基本性质

有机化学中的概念,对进攻试剂而言,如果是获取电子倾向强烈的,如卤素、氯化氢中的H+等,与烯、炔加成反应时,先是由亲电的部分(H+、X+)进攻多电子的烯、炔的重键,称亲电加成。不饱和烃受亲电试剂进攻后,π键断裂,试剂的两部分分别加到重键两端的碳原子上。反应的决速步由亲电试剂进攻而引起的加成反应,故称为亲电加成反应,亲电加成中最常见的不饱和化合物是烯烃和炔烃。

亲电试剂(Electrophile)在进攻反应中心时,试剂的正电部分较活泼,总是先加在反应中心电子云密度大的原子上,即电子云密度较大的双键碳上。常见的亲电试剂有卤素(Cl2、Br2),无机酸(H2SO4、HCl、HBr、Hl、HOCl、HOBr),有机酸(F3C—COOH、CI3C—COOH)等。

化学反应

亲电加成反应是亲电试剂(带正电的基团)进攻不饱和键引起的加成反应。反应中,不饱和键(双键或三键)打开,并与另一个底物形成两个新的σ键。反应分两步进行:

1、亲电试剂对双键进攻形成碳正离子

2、亲核试剂与碳正离子中间体结合,形成加成产物。

反应机理

亲电加成有多种机理,包括:碳正离子机理、离子对机理、环鎓离子机理以及三中心过渡态机理。

反应采取哪种机理进行与亲电试剂和不饱和化合物的性质、溶剂的极性和过渡态的稳定性等都有很大关系,一般来说,在卤素加成反应中,溴与烯烃的加成反应主要按照环鎓离子中间体机理进行,而氯与烯烃的加成反应主要按照前两种机理进行(有时也经过环状氯正原子)。这主要是因为两种卤素原子电负性和原子半径不同,溴的孤电子对容易和碳正离子p轨道重叠,发生电子云的离域,而氯则不然。

不同的机理也会产生立体选择性不同的产物。碳正离子机理得到顺式加成和反式加成产物的混合物,离子对机理得到的是顺式加成产物,而环鎓离子机理得到反式加成产物。

对于不对称的亲电加成反应来讲,反应一般符合马氏规则,产物具有区域选择性。但双键碳上连有吸电子基团或以有机硼化合物亲电试剂时,产物是反马氏规则的,例如烯烃与乙硼烷生成烷基硼的反应。

主要的亲电加成反应类型,对于烯烃,主要有:卤素加成反应、加卤化氢反应、水合反应、氢化反应、羟汞化反应、硼氢化-氧化反应、Prins反应,以及与硫酸、次卤酸、有机酸、醇和酚的加成反应;对于炔烃,主要有:卤素加成反应、加卤化氢反应和水合反应。由于sp碳原子的电负性比sp2碳原子电负性强,与电子结合得更为紧密,故炔烃的亲电加成反应一般比烯烃要慢。

亲电试剂进攻芳香环时,主要发生的不是亲电加成反应,而是亲电芳香取代反应。其他的加成反应主要机理还有亲核加成反应自由基加成反应和环加成反应

举例分析

以烯烃为例:

烯烃分子中的π键电子云分布于双键的上方和下方,电子云暴露在外,属于富电子体系,具有亲核性,容易受到缺电子试剂(即亲电试剂,electrophilicreagent)的进攻。由亲电试剂进攻所引发的加成反应称为亲电加成反应(electrophilicaddition)。

下面讨论具有亲核作用的π键与不同亲电试剂之间的反应。常见的可与烯烃发生亲电加成反应的亲电试剂有卤素、卤化氢、水、硫酸等。

与卤素的加成

烯烃易与卤素发生加成反应,生成相应的邻二卤化物。烯烃与溴的四氯化碳溶液混合后,发生反应,可使溴的红棕色褪去,现象明显。实验室可用此反应来鉴别烯烃。

与卤素的加成反应中,氟与烯烃的加成反应过于剧烈,会导致碳链的断裂。碘与烯烃很难反应,所以烯烃与卤素的反应通常指的是与氯或溴的加成。卤素与烯烃加成活性顺序为F2>Cl2>Br2>I2。当乙烯与溴在氯化钠水溶液中发生反应时,除了生成主要产物1,2-二溴乙烷外,还有1-氯-2-溴乙烷及2-溴乙醇

由于氯化钠或水在该实验条件下不与烯烃加成,该结果表明:烯烃和溴的加成是分步进行的,且在反应过程中首先生成的是正离子的中间体。当溴分子与烯烃分子接近时,烯烃中的π电子诱导溴分子的电子云发生极化,其中一个溴原子带部分正电荷(δ+),另一个溴原子带部分负电荷(δ-)。极化后的溴分子以Brδ+进攻烯烃,与碳碳双键结合,形成环状溴鎓离子(bromoniumion)及溴负离子。在这个过程中,烯烃分子π键的断裂以及溴分子的σ键的断裂都需要能量,速率较慢,是整个反应的速率决定步骤。

与水的加成

一般情况下,水不能直接和烯烃发生加成反应,但在酸(如磷酸)催化下,烯烃可与水发生反应生成醇。

第一步同样是质子进攻双键碳生成碳正离子,然后与水结合生成盐,最后脱去质子生成醇,产物遵循马氏规则。整个反应过程相当于加一分子水到双键上,亦称为亲电水合反应。

在工业上称此为烯烃的直接水合反应,这是工业上制备乙醇、异丙醇最重要的方法之一。

例如乙烯、水在磷酸催化下,在300℃,7MPa 水合生成乙醇:

由于石油工业的发展,乙烯、丙烯等来源充足,此法又比较简单,乙醇及异丙醇可用此法大规模生产。

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