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有機(jī)化學(xué)空間效應(yīng)精選(九篇)

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有機(jī)化學(xué)空間效應(yīng)

第1篇:有機(jī)化學(xué)空間效應(yīng)范文

關(guān)鍵詞:溶劑效應(yīng);有機(jī)反應(yīng);反應(yīng)歷程;速率

1.前言

溶劑效應(yīng)是指溶劑對于反應(yīng)速率、平衡甚至反應(yīng)機(jī)理的影響。 在物理有機(jī)化學(xué)中,把溶劑效應(yīng)的影響作為十分重要的一部分來進(jìn)行研究和討論,可見其對化學(xué)反應(yīng)的重要性。 有機(jī)物分子多是由多個(gè)原子形成的復(fù)雜分子,當(dāng)它與另一試劑發(fā)生反應(yīng)時(shí),分子中易受試劑影響的部位較多,往往不是局限于某個(gè)固定的部位,因此有機(jī)反應(yīng)一般比無機(jī)反應(yīng)復(fù)雜。主要的有機(jī)反應(yīng)按類型可以歸納為:取代反應(yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、加成反應(yīng)、聚合反應(yīng)、縮合反應(yīng)、消去反應(yīng)、酯化反應(yīng)、水解反應(yīng)、顯色反應(yīng)等。有機(jī)反應(yīng)大都要在溶劑存在下進(jìn)行。加入溶劑不僅是為了改善反應(yīng)物料的傳質(zhì)和傳熱;并且由于許多溶劑分子還能與反應(yīng)試劑的微粒相互作用,圍繞這些微粒形成溶劑膜,從而能夠改變微粒的自由能和電子結(jié)構(gòu)。 溶劑的后一種作用將對反應(yīng)速度產(chǎn)生一定影響,有時(shí)還會(huì)改變反應(yīng)歷程和方向。 故溶劑效應(yīng)在有機(jī)反應(yīng)中起著很重要的作用。選擇合適的溶劑不僅可以加快反應(yīng)速率, 而且可以提高反應(yīng)產(chǎn)率,因此溶劑效應(yīng)的研究受到了廣泛的關(guān)注。

2.溶劑化引起的空間位阻對反應(yīng)活性的影響

2.1溶劑化引起有機(jī)反應(yīng)區(qū)域選擇性的改變

所謂區(qū)域選擇性是指反應(yīng)物分子存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)部位(中心),但只在某一部位或主要在某一部位發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象.有機(jī)反應(yīng)中的區(qū)域選擇是很普通的,這種現(xiàn)象與電子效應(yīng)、空間效應(yīng)和溶劑效應(yīng)等因素有關(guān).有時(shí)溶劑的效應(yīng)起著主導(dǎo)作用,例如[1]酰氯的?;磻?yīng),在二氯乙烷溶劑中,主要得a-萘乙酮(98%),在硝基苯極性溶劑中,主要得到b-萘乙酮(90%).從電效應(yīng)的空間效應(yīng)看,雖然萘的a-位電子云密度高,但存在鄰位氫原子的空間障礙,當(dāng)進(jìn)攻試劑的體積較大時(shí),會(huì)受到影響.如在二氯乙烷溶劑中,溶劑化作用很微弱,乙?;x子基本上是的,有效體積較小,容易進(jìn)入萘的a-位,在硝基苯溶劑中,乙?;x子和溶劑,締結(jié)成體積較大的溶劑化物,再加上試劑的親電性被消弱,難以進(jìn)a-位,而只能進(jìn)人空間障礙小的b位。同理,蒽的乙酰基化反應(yīng),以CS2乓為溶劑主要得到9-位乙酰化產(chǎn)物;而以硝基苯為溶劑主要得到1-位乙?;a(chǎn)物。

2.2溶劑化引起取代基的構(gòu)象能增大

所謂取代基的構(gòu)象能是指在環(huán)已烷衍生物的椅式構(gòu)象中一個(gè)取代基在a鍵上和在e鍵上時(shí)的能量差。取代基的構(gòu)象能主要決定于取代基的有效體積大小。[2]例如存在下列兩種椅式構(gòu)象(l)和(2)

構(gòu)象(l)中羥構(gòu)象(2)中羥基在a鍵上.構(gòu)象(1)比構(gòu)象(2)的能量高,兩者的能量差與溶劑有關(guān).在質(zhì)子溶劑中E(1)-E(2)=3.7 kJ/mol .在非質(zhì)子溶劑中E(1)-E(2)=2.2 kJ/mol, 此現(xiàn)象的合理解釋是在質(zhì)子溶劑中羥基通過氫鍵作用有效地被溶劑化,因而有效體積增大,構(gòu)象能增大;而在非質(zhì)子溶劑中,沒有上述作用,因此溶劑化程度較小,構(gòu)象能較小。

3.溶劑化引起平衡反應(yīng)平衡位置的偏移效應(yīng)

3.1溶劑化引起酸堿離解平衡常數(shù)(酸度)順序的改變

酸堿離解平衡常數(shù)除依賴于自身的結(jié)構(gòu)外,還依賴于溶劑的性質(zhì)。如在水中,乙酸的酸度大約是吡啶金離子的三倍,而在甲醇中,乙酸的酸度大約是吡啶離子的萬分之一。為什么在不同溶劑中,兩者的酸度會(huì)有如此大的差別呢?這是因?yàn)橐宜岷瓦拎るx子的電離平衡反應(yīng)如下:

由于HOAc電離后都變?yōu)殡x子,有利于溶劑化。特別是具有高介電常數(shù)的水比介電常數(shù)相對較小的甲醇能更好地溶劑化H+和OAc-因此乙酸在水中比在甲醇中的離解常數(shù)大的多。對于吡啶離子,由于電離前后的電荷形式相同,因此,由用水當(dāng)溶劑變?yōu)橛眉状籍?dāng)溶劑對離解常數(shù)的影響很小。

同理,氣相中脂肪胺堿性強(qiáng)弱次序?yàn)椋–H)3N>.(CH3) NH>CH3 NH2>NH3在水中,堿性強(qiáng)弱次序?yàn)椋–H)3NH>CH3NH2>(CH3)3N>NH3,這也能用溶劑化效應(yīng)很好地解釋[3]。

3.2溶劑化引起互變異構(gòu)平衡的改變

2一吡啶酮和2一吡啶酚存在互變異構(gòu)平衡:

在氣態(tài)時(shí)酮型和酚型的穩(wěn)定性基本相等。但在極性溶劑中卻是酮型穩(wěn)定。Karelso等用半經(jīng)驗(yàn)AML-MO-ScRF方法和Wiberg等,用量子化學(xué)從頭計(jì)算abiniti一MO-SCRF方法研究了2一吡啶酮的互變異構(gòu)現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果表明,由于溶質(zhì)分子(吡啶的二種互變異構(gòu)體)本身固有的極性不同,酮型的偶極矩大于酚型的,因此在氣態(tài)時(shí)酚型穩(wěn)定;但在極性溶劑中,由于溶劑分子對于溶質(zhì)的極化作用,使得極性分子產(chǎn)生一額外的穩(wěn)定能。溶質(zhì)的偶極矩越大,產(chǎn)生的額外穩(wěn)定能也就越大;而且在極性溶劑中分子趨向于正負(fù)電荷分離的構(gòu)型,這也可以使得其偶極矩增加,因此在溶液中酮型較為穩(wěn)定。溶劑化對互變異構(gòu)平衡的影響,也存在于五員雜環(huán)化合物及乙酰乙酸乙醋中。

3.3溶劑化引起異頭效應(yīng)減弱

所謂異頭效應(yīng)是指:雜原子取代的六元環(huán)椅式構(gòu)象中,成環(huán)的雜原子(如氧原子)與Cl位極性基團(tuán)的偶極―偶極作用而引起的極性取代基位于豎位構(gòu)象較穩(wěn)定的現(xiàn)象。異頭效應(yīng)除與偶極一偶極作用、場效應(yīng)等因素有關(guān)外,還與溶劑的極性有關(guān),如葡萄糖在甲醇溶劑中a-異頭物占50%,在水溶液中占37%,按照偶極一偶極相互作用和分子軌道微擾理論分析,a-異頭物的構(gòu)象本應(yīng)b-異頭物的構(gòu)象穩(wěn)定。但實(shí)際在水溶液中b-構(gòu)象占優(yōu)勢。這種反?,F(xiàn)象可歸結(jié)于極性溶劑作用的緣故。在極性溶劑中,橫位異構(gòu)體(b-異頭物)偶極矩大,溶劑化作用相應(yīng)增大,掩蓋偶極間的作用力,因而穩(wěn)定性增加。由此可見,溶劑極性增大,橫位異構(gòu)體在構(gòu)象平衡混和中的含量減少。即異頭效應(yīng)減弱。

4.溶劑化引起反應(yīng)速度的改變

溶劑對有機(jī)反應(yīng)速度影響的典型例子是SN反應(yīng)。如叔丁基氯的溶劑解反應(yīng),隨著溶劑極性的增大,反應(yīng)速度明顯加快。對于上述現(xiàn)象合理的解釋是:反應(yīng)物與過渡態(tài)相比,過渡態(tài)的電荷大于反應(yīng)物的電荷,當(dāng)溶劑極性增加時(shí),過渡態(tài)比反應(yīng)物更易溶劑化,結(jié)果使反應(yīng)的活化自由焓(G≠)減少,反應(yīng)速度加快,需特別強(qiáng)調(diào)的是在水中溶劑解在活化熵增加,因而水解時(shí)活化自由焓更小,反應(yīng)速度異???。溶劑化對反應(yīng)速度的影響也存在于SN2、加成反應(yīng)、消除反應(yīng)中。

5.溶劑化引起雙位負(fù)離子親核中心活性次序顛倒

雙位負(fù)離子的特征是具有兩種(或多種)共振結(jié)構(gòu),它們有兩個(gè)(或多個(gè))活性中心,它們與親電試劑作用時(shí)究竟生成哪種主要產(chǎn)物,取決于供電原子的親核活性,而它們的活性為溶劑所影響,例如b-萘酚的烷基化反應(yīng),在非質(zhì)子溶劑二甲亞礬中生成95%的O-烷基化產(chǎn)物,而在質(zhì)子溶劑三氟乙醇中生成85%C-烷基化產(chǎn)物,這是因?yàn)樵谌掖嫉荣|(zhì)子溶劑中,通過氫鍵專屬溶劑化使雙位負(fù)離子b-萘酚鈉中電負(fù)性較大的氧原子的親核活性降低,有利于碳上烷基化。在非質(zhì)子二甲亞礬溶劑中,沒有這種專屬溶劑化作用,溶劑的負(fù)端與鈉離子作用而使負(fù)離子。所以,電負(fù)性較大的氧原子較易烷基化,O-烷基化成為主要產(chǎn)物。溶劑其它雙位負(fù)離子的烷基化反應(yīng)也有類似影響。

6.溶劑化引起反應(yīng)立體選擇性的必變

溶劑對反應(yīng)立體選擇性影響的典型例子是順式二苯乙烯與溴的加成反應(yīng)。該反應(yīng)在不同的溶劑中順式加成與反式加成產(chǎn)物的比例不同。

從上述反應(yīng)可以看出,在弱極溶劑四氯化碳(介電常數(shù)2.2)中,反式加成產(chǎn)物為主,在強(qiáng)極性溶劑硝基甲烷(介電常數(shù)35)中,順式加成產(chǎn)物為主。加成產(chǎn)物取決反應(yīng)活性中間體的穩(wěn)定性,而反應(yīng)活性中間體的穩(wěn)定性又與溶劑有關(guān)。在強(qiáng)極溶劑中,非環(huán)狀正碳離子由于較強(qiáng)溶劑化作用而比溴離子穩(wěn)定,因而順式加成產(chǎn)物為主,在弱極性試劑中,由于溶劑化作用較弱,所以溴離子比非環(huán)狀正碳離子穩(wěn)定,于是得到反式加成為主的產(chǎn)物

6.溶劑化引起反應(yīng)機(jī)理的改變

大量實(shí)驗(yàn)證明:親核取代反應(yīng)的歷程不僅與反應(yīng)物和親核劑有關(guān),而且與溶劑也有關(guān)系。例如:在非質(zhì)子極性溶劑(如CH3SOCH3)中膽甾醇的對甲苯磺酸醋在反應(yīng)過程中發(fā)生構(gòu)型反轉(zhuǎn),生成3b-衍生物,即反應(yīng)按SN2進(jìn)行。而在質(zhì)子溶劑(如CH3OH)中,通過氫鍵使反應(yīng)物較易離解,生成3b-及3.5-環(huán)-6b衍生物,即反應(yīng)按SN1進(jìn)行。

7.結(jié)束語

綜上所述,溶劑效應(yīng)在解釋化合物性質(zhì)和反應(yīng)現(xiàn)象是不可忽略的因素,在許多情況下,溶劑效應(yīng)成為影響反應(yīng)活性的主要因素,只有正確運(yùn)用電性效應(yīng)、空間效應(yīng)和溶劑效應(yīng)三大理論分析問題,才會(huì)得出比較滿意的結(jié)果。(作者單位:沈陽師范大學(xué))

參考文獻(xiàn)

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第2篇:有機(jī)化學(xué)空間效應(yīng)范文

關(guān)鍵詞:鄰基參與;親核取代反應(yīng);反應(yīng)歷程

在親核取代反應(yīng)中,反應(yīng)物分子中的取代基對反應(yīng)中心的影響,除了通過誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)和空間效應(yīng)等影響外,還能夠部分或完全地與反應(yīng)中心成鍵,形成中間體或過渡態(tài),從而影響整個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率、產(chǎn)物的構(gòu)型和結(jié)構(gòu)等。例如(S)-2-溴丙酸鹽在堿性條件下水解,可以得到100%的構(gòu)型不變的產(chǎn)物,即(S)-2-羥基丙酸鹽[1],其反應(yīng)機(jī)理可表示如下:

象這種在親核取代反應(yīng)中,反應(yīng)物離去基團(tuán)的鄰位(或更遠(yuǎn)處)上有一帶有未共用電子對或負(fù)電荷的原子或原子團(tuán)參與了反應(yīng),從而對該反應(yīng)的反應(yīng)速率和立體化學(xué)等產(chǎn)生很大影響的作用,叫做有鄰近基團(tuán)參與的親核取代反應(yīng),簡稱為鄰基參與反應(yīng)(或鄰基效應(yīng))。

常見的鄰近基團(tuán)有三類:(1)帶有未共用電子對的基團(tuán):-COOR、-0H、-SH、-NH2、-NHR、-NR 、NHC0R、-CI、-Br、-I;

(2)帶負(fù)電荷的基團(tuán):-C00-、-0-、-S-;(3)含有兀鍵的基團(tuán):、>C=CC=O和苯基等。

鄰基參與反應(yīng)的歷程分為二步:第一步是反應(yīng)物的鄰基Z從反面進(jìn)攻α-碳原子,將離去基團(tuán)L推出,形成中間體,構(gòu)型轉(zhuǎn)化一次,為分子內(nèi)的SN2反應(yīng);第二步是外部的親核試劑Nu-從Z的反面進(jìn)攻中間體,將Z推回,構(gòu)型又轉(zhuǎn)化一次,再發(fā)生一次分子內(nèi)SN2反應(yīng)。其結(jié)果是:該類反應(yīng)總的來說屬于SN1反應(yīng),產(chǎn)物的構(gòu)型保持不變,鄰基參與反應(yīng)的歷程可用下面通式表示:

1 鄰基參與反應(yīng)的主要類型

1.1 含雜原子鄰近基團(tuán)參與反應(yīng)

含雜原子基團(tuán)如:-COOR、-0H、-SH、- NH2、-NHR、-NR 、NHC0R、-CI、-Br、-I等,作為鄰基可借助于雜原子上的負(fù)電荷或未共用電子對同中心碳原子作用而參與親核取代反應(yīng)。有于該類型反應(yīng)是具有未共用電子對(即非鍵電子,用n表示)或帶負(fù)電荷的原子或原子團(tuán)的鄰基參與親核取代反應(yīng)的歷程,故又稱為n-參與歷程[2]。前面所述的(S)-2-溴代丙酸鹽在堿性條件下水解反應(yīng)就是這種歷程。

例如:HBr與蘇式 3-溴-2-戊醇或L-3-溴-2-丁醇反應(yīng)都能形成蘇式D和L的2,3-二溴丁烷的外消旋體。

該反應(yīng)的反應(yīng)物與產(chǎn)物的構(gòu)型保持不變。首先,鄰基-Br參與了反應(yīng),形成了一個(gè)對稱的溴離子中間體;然后,親核試劑Br-對三元環(huán)中兩個(gè)碳原子進(jìn)攻的機(jī)會(huì)是相同的,即得到一對等量的對映體組成的外消旋體。其反應(yīng)歷程如下:

1.2 鄰近雙鍵和芳基參與反應(yīng)

含π鍵的C=C、C=O和含共軛π鍵的芳環(huán)也可作為鄰近基團(tuán)參與親核反應(yīng),該類反應(yīng)歷程叫π-參與歷程[3]。反-7- 原冰片烯基對甲苯磺酸酯進(jìn)行乙酸解時(shí),碳碳雙鍵作為鄰基參與反應(yīng),生成了非經(jīng)典碳正離子中間體就是這種歷程。

在對甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的醋酸解反應(yīng)中,如果用L-蘇式異構(gòu)體作反應(yīng)物,則所得產(chǎn)物為一對等量的L-蘇式醋酸脂對映體組成的外消旋體;如果用L-赤式異構(gòu)體作反應(yīng)物,則所得產(chǎn)物為具有光學(xué)活性的L-赤式醋酸脂,顯然是芳環(huán)上的π鍵作為鄰基參與了反應(yīng)的結(jié)果:

1.3 鄰近鍵參與反應(yīng)

σ鍵參與反應(yīng)的典型例子是典型例子是環(huán)丙基的參與作用。脂環(huán)烴的化學(xué)性質(zhì)類似于烯烴,烯烴中的碳一碳雙鍵能夠發(fā)生鄰基參與反應(yīng),脂環(huán)烴中的環(huán)丙

也可作為鄰近基團(tuán)參與親核取代反映。例如:Hart等人發(fā)現(xiàn)β-三環(huán)丙基氯乙烷在堿性條件下的水解反應(yīng)就是該歷程。

這是因?yàn)榄h(huán)丙基的彎曲鍵作為鄰基進(jìn)攻碳正離子,與碳正離子的空的P軌道發(fā)生共軛效應(yīng)而使碳正離子趨于穩(wěn)定,接著,-OH 進(jìn)攻碳正離子,發(fā)生水解反應(yīng)。

2 鄰基參與反應(yīng)的特點(diǎn)

2.1 反應(yīng)速率加快

大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明,有鄰基參與的取代反應(yīng)速度比相應(yīng)的沒有參與的類似反應(yīng)速度快。由于鄰近基團(tuán)的參與,使鄰基參與的親核取代反應(yīng)比由外來親核試劑Nu-進(jìn)攻的親核取代反應(yīng)要快。雖然有些鄰近基團(tuán)的親核能力沒有外來親核試劑Nu-,的親核能力強(qiáng),但是外來親核試劑Nu-必須與反應(yīng)物進(jìn)行有效碰撞才能發(fā)生反應(yīng),而鄰近基團(tuán)與被進(jìn)攻的反應(yīng)中心碳原子在同一分子中,并處于適當(dāng)?shù)倪M(jìn)攻位置,因此,其“有效濃度”極高,易發(fā)生有效碰撞,致使反應(yīng)速率加快。

例如:前面所述的反-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯的乙酸解速率要比順-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯的乙酸解快10倍,而且反式乙酸解產(chǎn)物構(gòu)型保持不變,順式產(chǎn)物則發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn).這是因?yàn)轫?7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯無鄰基參與作用,不能生成非經(jīng)典碳正離子,而反-7- 原冰片烯基對甲苯磺酸酯進(jìn)行乙酸解時(shí),碳碳雙鍵作為鄰基參與反應(yīng),生成了非經(jīng)典碳正離子中間體,所以大大提高了反應(yīng)的速率。而β,β''-二氯代硫醚(俗名芥子氣)比一般氯代物水解速度快1011倍,在該反應(yīng)中,官能團(tuán)-CI的鄰基中的硫原子帶著其孤對電子進(jìn)攻它鄰近的a-碳碳原子,推出氯負(fù)離子,形成三元環(huán)硫離子中間體。然后水進(jìn)攻三元環(huán)硫離子中間體,脫去H+后得到水解產(chǎn)物。

2.1 產(chǎn)物構(gòu)型保持不變

在鄰基參與反應(yīng)(前述的HBr與蘇式 3-溴-2-戊醇或L-3-溴-2-丁醇反應(yīng)都能形成蘇式D和L的2,3-二溴丁烷的外消旋體),產(chǎn)物構(gòu)型和反應(yīng)物構(gòu)型保持不變,其原因是該反應(yīng)的反應(yīng)歷程不同于單純的SN1和SN2歷程。而是反應(yīng)物分子發(fā)生了兩次分子內(nèi)的SN2反應(yīng)。而SN2反應(yīng)的立體化學(xué)特征是產(chǎn)物構(gòu)型完全翻轉(zhuǎn),兩次翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)的結(jié)果正好是構(gòu)型不變。

2.3 導(dǎo)致重排現(xiàn)象

從前面鄰基參與反應(yīng)歷程的第二步可以看出,親核試劑Nu-可以進(jìn)攻與離去基團(tuán)L相連的中心碳原子,也可以進(jìn)攻與鄰近基團(tuán)Z相連的碳原子,且向兩個(gè)方向進(jìn)攻機(jī)會(huì)幾乎是相等的。所以,在反應(yīng)過程中除了得到正常的取代物外,還常常得到重排產(chǎn)物。

例如:(CH3)2NCH2CH2Cl在堿性條件下水解,可以得到(CH3)2NCH2CH2OH 和重排產(chǎn)物(CH3)2NCH(OH)CH3,其反應(yīng)歷程為:

2.4 導(dǎo)致環(huán)狀化合物的生成

在鄰基參與反應(yīng)所形成的環(huán)狀過渡態(tài)或中問體中,不同的鄰基參與反應(yīng)可得到不同的環(huán)狀化合物,如環(huán)醚、碳環(huán)化合物、硫代環(huán)醚、內(nèi)酯、環(huán)狀酸酐酰胺和雜環(huán)化合物等,在有機(jī)合成中得到了廣泛應(yīng)用。

例如:BrCH2CH2OH在堿性條件下反應(yīng)分別生成環(huán)氧乙烷[6]。

綜上所述,鄰基參與反應(yīng)有:n-參與、π-參與和σ-參與三種基本類型。其主要特點(diǎn)是:使反應(yīng)速率加快、產(chǎn)物的構(gòu)型保持不變、導(dǎo)致重排現(xiàn)象和環(huán)狀化合物的生成。通過以上對鄰基參與反應(yīng)類型和特點(diǎn)的分析,對于研究和推測有些親核取代反應(yīng)的反應(yīng)速率、反應(yīng)歷程(SN2或SN1)、產(chǎn)物的構(gòu)造和構(gòu)型以及指導(dǎo)有機(jī)合成等都具有重要意義,同時(shí),鄰基參與反應(yīng)的特點(diǎn)也是判斷某一個(gè)反應(yīng)是否是鄰基參與反應(yīng)的顯著標(biāo)志。

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