《ART》章末总结3

《ART》第三章，酸性条件下的反应机理，读起来感觉相对轻松一些，但是还是花了很长时间就是了。

3.6 Summary

There are three methods for generating carbocations:

1. ionization of a C-X⁺ σ bond (usually preceded by protonation of the leaving group);
2. reaction of a long pair on the heteroatom in a C=X π bond with a Lewis acid (typically H⁺); and
3. reaction of a C=C π bond with a Lewis acid (typically H⁺ or a carbocation).

Carbocation undergo three typical reactions:

1. addition of a nucleophile (usually a lone-pair or π-bond nucleophile);
2. fragmentation to give a π bond and a new cation (often a carbocation or H⁺); and
3. rearrangement (typically a 1,2-hydride or -alkyl shift).

The addition of a protic nucleophile to a carbocation is always followed by deprotonation of the nucleophile. 带质子的亲核试剂对碳正离子加成后通常伴随着亲核试剂质子的解离。

Substitution at C(sp³) usually occurs by an S_N1 mechanism under acidic conditions; sp³杂化的碳在酸性条件下发生的取代通常以S_N1机理进行。

the S_N2 mechanism is operative at C(sp³) only when the C(sp³) is 1°, the nucleophile is very good, and the conditions are very strongly acidic. 只有在极强酸性和极强的亲核试剂作用下，sp³杂化的一级碳上的取代反应才可能以S_N2的机理进行。

(However, substitution at heteroatoms such as S and P usually occurs by an S_N2 mechanism under acidic condition.) 不过，酸性条件下，S和P等杂原子的取代以S_N2机理进行。

Substitution at C(sp²) normally occurs by an addition-elimination mechanism under acidic conditions. sp²杂化的碳在酸性条件下发生的取代反应一般通过加成-消除的机理进行。

Electrophiles add to nucleophilic C=C π bonds, including most arenes, and nucleophiles add to C=N, C=O, and electrophilic C=C π bonds. 亲电试剂会加成到具有亲核性的碳碳双键的π键上，如大多数的芳烃；亲核试剂则会加成到亚胺、羰基以及具有亲电性的碳碳双键π键上。

Arylamines can undergo substitution of the NH₂ group by a diazonium ion mechanism. 芳香胺可以通过生成重氮盐的方式发生取代。

Under both acidic and basic conditions, a carbonyl compound is electrophilic at the carbonyl carbon and nucleophilic at the α-carbon. 无论在酸性还是碱性条件，羰基化合物的羰基碳都是亲电性的，α碳是亲核性的。

Similarly, under both acidic and basic conditions, an α,β-unsaturated carbonyl compound is electrophilic at the carbonyl and β-carbons and nucleophilic at the α-carbon after a nucleophile has already added to the β-carbon. 类似的，无论在酸性还是碱性条件，一个α,β不饱和羰基化合物的羰基碳和β碳都是亲电性的，当β碳发生加成之后，α碳则显示出亲核性。

Carbonyl mechanisms differ under acidic and basic conditions only in the protonation and deprotonation steps: under acidic conditions, nucleophilic addition is always preceded by protonation of the electrophile and followed by deprotonation of the nucleophile. 羰基处的反应机理在酸/碱性不同的条件下只有质子化/去质子化步骤有所不同：酸性条件下，只有先发生质子化才能继续进行亲核试剂的加成，随后再发生去质子化。

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第三章是酸性条件下的反应机理，主要是取代和加成反应。这一章相对“高级”的知识点要少一些，文中讨论的亲电取代，亲核取代，亲电加成之类的反应已经老生常谈，所以读起来轻松不少。

这一章章末总结的文字量也比第二章少很多，但是可以看到有不少的篇幅都用来强调羰基化合物了，足见其反应的重要和常见。羰基氧的强电负性导致了羰基碳的电正性，即亲电性很强，因此易发生各种亲核加成反应。而α氢具一定酸性，易解离，所以α碳则显一定亲核性，许多的缩合反应便以此为基础。

课后题等开学之后做完就写…

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Chapter Ⅲ

1. Rank each set of compounds by the ease with which they ionize under acidic conditions.

Ans

第一个化合物的碳正离子有临近的N原子可以形成p-p共轭，所以最为稳定。第二个化合物看似和第一个一样，但由于立体构型限制，N上孤对电子不能与碳正离子共轭，只有诱导吸电子效应，所以反而更不稳定。如下图：

Ans

第二个化合物由于sp³杂化的桥头碳，所以苯环无法与碳正离子共轭，很不稳定。第一个化合物相对比第三个化合物更稳定的原因有二：第一个化合物的两个苯环有烷基取代，苯环更富电子；第一个化合物由于环的刚性结构，始终有两个苯环与正离子在同一平面，可以形成共轭。而第三个化合物由于碳碳键可以自由旋转，同时三个苯环之间的位阻较大，导致互相排斥较大，因此形成的共轭较差。

Ans

本题答案很长，不过前面的转化过程较容易，我就没截图。主要截图了化合物10，11，12的生成过程。

化合物10，11，12都发生较复杂的重排反应，导致环结构发生变化。不过10和11还算相对较容易分析出环结构的变化，因而酸性条件下发生碳正离子重排的机理也比较好写。

化合物12则很棘手，结构变化很大，在编号时就会遇到问题。如答案中给出的两种编号需要做出选择，如果编号错误则整体思路都会偏离，几乎没法写机理。

分析两种编号的断键和成键，发现第一种方案的键变化都可通过1,2-迁移完成，因此第一种方案更加合理。

对于像这种复杂结构重排的反应，从产物倒推也是一种思路，但是倒推仍然是建立在正确标号的基础上，只有这样才能得到正确的键迁移顺序。

Ans

本题是缩酮的α-溴代机理，其实该反应机理更常见于醛的溴代反应，因为醛如果直接与溴反应会被氧化，所以往往制备为缩醛后再溴代。当然另一个方法是制备亚胺再溴代。

缩酮无法直接溴代，所以需先开环生成烯醇结构后溴代，然后再把乙二醇的保护加上。

Ans

NBS是常见的溴取代试剂，在光照/引发剂作用下以自由基机理上溴。但本题无明显提示，所以是提供溴正离子。

溴正离子被烯烃亲电加成形成溴鎓盐，然后上方羧酸亲核取代开环。第二步加入甲氧基发生酯交换，离去的醇负离子再进攻溴形成环氧。

Ans

本题的结构还算容易分析，但是两个底物的反应位点都很多，需要考虑反应活性和反应顺序的问题。C11作为醛基碳的亲电性是最强的，C2由于旁边酯的羰基影响，亲核性强于C3，所以第一步应当是C2-C11成键。

然后根据成断键关系可以较容易的把反应完成。

Ans

乍一看有点莫名其妙的题，不过看了答案后就豁然开朗。表观上是一个甲醇的消除，但是由于甲氧基旁边没有氢所以并非简单的E1消除。

羰基在酸性条件下互变为烯醇式，然后通过共轭体系传递电子就能够完成消除。所以本题是一个插烯参与的消除反应。

Ans

本题是胆固醇生物合成中的关键一步，主要是很多关环和迁移步骤。注意其中包括一个甲基的迁移，需要通过1,2-迁移一步步排过去。

正因为该反应中涉及到许多的迁移步骤，所以需要通过酶来确保反应定向发生，减少副反应。

Ans

S具有较大半径，其亲核性和自由基稳定性都较好，不过本题中产物具有立体构型，所以据此判断出应该不是自由基机理。

首先是溴的双键加成，形成溴鎓后再被硫进攻开环。然后经历两步S_N2成六元环，同时溴完成位移。

Ans

又是一道重排问题，本题的标号过程依然是重点和难点所在。C7，C3，C4由于有取代基所以可以定位，其他的碳在其基础上确定位置。

已知成断键关系后就可以按图索骥写机理了，不过其实蛮考验空间想象力的XD。

Ans

又又是一道重排问题，老规矩先标号，同样可以通过甲基辅助定位，本题标号比上一道题好标一点。

本题的一个难点是考虑C7-C9的成键，如果标号正确的话那么这一步迁移就更容易想到。

Ans

反应物中的三个N的成键不稳定，易于断裂，右侧的N可以先进攻碘甲烷生成四级胺盐，增加离去性，经历Hofmann消除后，左侧两个N可以形成重氮盐结构。

接着重氮盐与碘负离子反应，通过S_RN1机理完成芳环碘代。

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这篇post写了很久很久，全文完成于五月一号，不过你可以看到文章创建时间是一月三十一号，几乎隔了三个月才弄完。

因为上学期间确实比较忙，很难抽出大段时间做题和整理，毕竟我课内有机还写不完哪有时间看别的书呢（笑

不过终于还是逮着五一假期把第三章写完了，做题，改错，整理也是花了不少时间的。

总结一下以上的题：酸性条件下很多碳正离子重排，好好标号才能有正确思路；谨慎写偏门的机理，如果不能连自己都不能说服那么多半是有问题。

第三章结束。