饱和碳键上的亲核取代反应.ppt

第四章 饱和碳原子上亲核取代反应(Aliphatic Nucleophilic Substitution),一. 反应类型 ( ) 二. 反应机理 (Reaction Mechanism) ( )1. SN1机理 ( )2. SN2机理 ( )3. 离子对机理 ( ) 三. 立体化学1. SN2反应 ( )2. SN1反应 ( ),四. 影响反应活性的因素 ( )1. 底物的烃基结构2. 离去基团 (L)3. 亲核试剂 (Nu:)4. 溶剂 五. 邻基参与反应 六. 亲核取代反应实例,一. 反应类型,亲核取代反应的通式：,亲核试剂,带着,一对电子,进攻,中心碳原子,离去基团,带着,一对电子,离开,⑴ 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：,⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：,⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：,⑵ 亲核试剂带有负电荷：,二. 反应机理,1. 单分子亲核取代 （Substitution NucleophilicUnimolecular) ( SN 1)反应机理,反应分两步进行,第一步 正碳离子的生成：,第二步 亲核试剂进攻正碳离子：,第一步是决定 反应速率的一步。

例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：,2. 双分子亲核取代 （Substitution NucleophilicBimolecular) ( SN 2)反应机理,动力学研究表明：有一类亲核取代反应的速率与底物的浓度和试剂的浓度同时相关：,二级反应,按SN 1 机理进行反应的 体系：叔卤代烷及其衍 生物和被共轭体系稳定 的仲卤代烃及其衍生物,其反应机理为：,亲核试剂,背后,接近,中心碳原子,－从离去基团的背面,与此同时,离去基团也正在逐步地离开底物分子,新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂 时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的两者达到平衡时，体系能量最高其状态为过渡态 T.,T,S N 2 反应机理：,在过渡态中，亲核试剂的孤 对电子所占有的轨道与中心碳原 子的 p轨道交盖的程度与离去基 团与中心碳原子的 p轨道的交盖 程度相同,按 SN 2 机理进行的底物特征：,不被共轭体系稳定的仲卤代烷 及其衍生物,3. 离子对机理,介于SN1 与 SN2 之间的机理，建立 在SN1机理基础之上底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同 的离子对：,⑴ 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。

⑵ 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开⑶ 离解的离子为自由离子三个阶段：,亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同 的产物三. 反应的立体化学,反应的立体化学与反应机理相关,SN2机理：,由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以 产物发生构型转化－Walden转化Nu:,+ L-,,(R) - (-) - 2 - 辛烷 [α]25D= -34.25° 对映体的纯度=100%,(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° 对映体的纯度=100%,α= +23.5°,SN1机理,试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对 外消旋产物正碳离子越稳定，消旋化程度越大,消旋化 (Racemization),事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：,当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应， Nu:从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构 型转化增多 请思考：,四. 影响反应活性的因素,影响亲核取代反应活性的主要因素是：底物的结构 亲核试剂的浓度与反应活性 离去基团的性质 溶剂效应,（一）底物结构的影响,SN 2反应：,卤代烷的反应活性顺序是：,甲基 > 伯 > 仲 > 叔,原因：烷基的空间效应,新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：,转变过程中，中心 碳原子由底物同4个 基团相连转变为由 过渡态的同5个碳原 子相连，空间拥挤程 度增大。

当底物中心碳原子连有较大基团时， Nu:难于从背后接近底物SN1反应：,A. 电子效应,所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN 1 反应的反应速率增大：,相对速率 (k1),0.26 0.69 0.86 100 ~10 5 ~10 10,当取代基具有＋I、 超共轭效应、＋C效应， SN 1反应速率增大, 反应 活性增大当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)， SN 1反应速率明显增大：,SN 1反应 速率,109 1.0 0.2,当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的 正碳离子，因共轭效应而被稳定B. 空间效应,与SN 2反应相反，底物上的取代基的 空间效应使SN1反应速率加快：,RBr在水中的溶剂解相对速度,RBr 在水中50°时 MeBr 1.00 EtBr 1.00 i-pBr 11.6 t-BuBr 1.2×106,四面体,平面三角型,键角增大， 取代基空间 效应越大， 基团的空间 拥挤程度减 小。

二）亲核试剂的强度,Nu:在 SN2反应中起着重要作用,Nu,规律：,1〕带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：－OH > H2O, CH3O- > CH3OH,2）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强；中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强A. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：,RO- > HO- >> RCO2- > ROH > H2O,CH3O- > PhO- > CH3CO2- > NO2-,碱性是试剂与 质子结合的能力； 亲核性是试剂与带 有部分正电荷的碳 原子结合的能力当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度 顺序与碱性有时不同：,B. 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，负电荷越分散，亲核性越弱：,H2N- > OH- > F-,C. 试剂中的进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大，试剂的亲核性越强：,,F- < Cl- < Br- < I-,R - O - < R - S - < R - Se -,D. 当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，则不利于试剂接近底物分子因此，对于试剂的亲核性，取代基的空间效应大于其电子效应：,碱性很强，负电荷也很集中，但由于烷基 具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。

亲核性依次减小,同理：,亲核性依次减弱，碱性依次增强三）离去基团 (Leaving groups),离去基团带着一对电子 离开中心碳原子，成为 负离子接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大1) 较好的离去基团是强酸的共轭碱：,共轭酸 1,共轭碱 2,共轭碱 1,共轭酸 2,强酸的共轭碱是 弱碱,重要的离去基团是 pKa < 5的酸的共轭碱，如： I- 是强酸 HI的共轭碱TsOH,MsO-,CF3SO3- 是最好的离去基团2) 成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去的溶剂解的相对速率为：,F Cl Br I,,可极 化度 依次 增大,（四）溶剂效应,溶剂的性质：,介电常数 ε越大， 溶剂的极性越大介电常数是衡量溶剂 隔离正负离子的能力， 即：溶剂稳定离子的 能力μ＝ 0）,μ－ 偶极距,（μ≠ 0）,非极性溶剂：CCl4,, CS2,,极性溶剂,,质子型：EtOH, H2O, CH3COOH,非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT,质子型溶剂,,通过氢键缔合,非质子型溶剂,,通过偶极与偶极相互作用,极性 溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子氢原子键合在电负性 较大的原子上。

SN 1反应：,一个中性化合物离解为两 个带电荷的离子，溶剂极性 的提高，将稳定正碳离子， 使反应速率加快SN 2反应：,在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散， 溶剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速稍有 降低在质子型溶剂中：亲核 试剂与溶剂形成氢键， 由此降低了试剂的亲核 性，不利于反应进行在质子型溶剂中：试剂的亲核性 强度顺序为：SH- > CN- > I- > OH- > N3- > Br- > CH3CO2- > Cl - > F- > H2O,SN 2反应常在极性非质子型溶剂中进行极性非质子型溶剂 (Polar Aprotic Solvents) 不能与 Nu:形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化， 使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反 应活性常见的极性非质子型溶剂有：,在极性非质子型溶剂中，X - 的反应活性顺序为：,F - > Cl - > Br - > I -,这与在质子型溶剂中的顺序相反质子型溶剂与非质子型溶剂对SN 2反应的影响：,溶剂 k2,DMF 3 × 103 CH3OH 3 × 10-2,问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是CH3OH? 为什么？,。