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:
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
有机硼化合物作
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。