饱和碳原子的亲核取代反应.ppt

第四章 取代反应,,,,,,,1,2,3,饱和碳原子的亲核取代反应,芳香族的亲电取代反应,芳香族的亲核取代反应,,,,Ⅰ、饱和碳原子的亲核取代反应,,,,,,,,,1,2,3,4,反应类型,反应机理,,5,立体化学,邻基参与的作用,影响反应活性的因素,,,一、概述,1.1 亲核取代反应？,L = 离去基团：卤素, OH, OTs…等； Nu = 亲核试剂：OH，OR… 等分子中原子或基团被亲核试剂原子或基团取代的反应 亲核试剂带一对电子进攻中心碳原子，而离去基团带着一对电子离去中性分子底物:,带正电荷底物:,1.2 亲核取代反应的重要性,,有机化学中非常重要的一类反应; 在理论研究中和有机合成实际中都是极其有用的一类反应 以卤代烃为例，进行亲核取代反应可以得到那些类型化合物？,1.3 机理的研究,由于该反应涉及到底物的性质和亲核试剂的性质，基于两者，这类反应按其机理的不同分为两种极限情况讨论，如：SN1 和 SN2 离子对机理,,,二、亲核取代反应机理,1、反应类型,⑴ 底物为中性分子，亲核试剂带着一对孤对电子；,例如：,⑵ 底物为中性分子，亲核试剂带有负电荷；,例如：,⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子；,例如：,,⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：,例如：,（1） 单分子亲核取代 ( SN 1) 反应机理,反应机理：,第一步 碳正离子的生成；,第二步 亲核试剂进攻碳正离子。

一级反应,2、反应机理,例如：叔卤代烷的水解,反应的位能曲线：,,,E,反应进程,,,,,,,E1,,,ΔH,E2,,第一步为决速步骤,例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应,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2） 双分子亲核取代 ( SN2) 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,反应机理为一步反应：,,,反应的能量变化可用位能曲线表示：,E,,,,,Ea,,ΔH,反应进程,轨道重叠程度相同； 体系能量最高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 底物的解离成碳正离子是经几步完成的，形成不同的离子对3、取代反应的立体化学,反应的立体化学与反应机理相关,SN2 立体化学：,例如：,构型翻转产物,sp2,,(R) - (-) - 2 - 辛烷 [α]25D= -34.25°,(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90°,构型,翻转,α= +23.5°,SN1立体化学,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消旋化,构型保持,构型转化,SN1,+,+,实际上，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。

外消旋产物的比率与生成C+离子的稳定性有关,消旋化收率（%）,A B C,46 72 100,碳正离子稳定性：,C B A,,,三、影响反应活性的因素,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1）底物结构的影响（空间效应，电子效应）,A. SN 2反应的空间效应,卤代烷的反应活性顺序：甲基 伯 仲 叔,a. 反应底物的分子烃基中-C上的支链越多，SN2的反应越慢b. 对于-C上支链越多，也会使SN2速度减慢 例如：,相对速度: 1 410-1 310-2 110-5,R: CH3CH2 CH3CH2CH2 (CH3)2CH CH2 (CH3)3CCH2,新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应,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c. -C是不饱和碳，SN2很难发生p-  共轭效应, X 很难离去如:,很难水解, 要在强烈的条件进行。

B. SN 2反应的电子效应,R CH3CH2 CH2=CHCH2 C6H5CH2 相对速度 1 40 120,d. 若-C是不饱和碳，则SN2极易进行 例如：当R是烯丙基或苄基时，SN2反应的平均速度都比乙基大得多e. 若-C上连有C=O、CN等吸电子基团，SN2速度大大加快如：以Z代表这类基团，则ZCH2Cl与I 反应Z CH3CH2CH2 CH3CH2OCO NC CH3CO 相对速度 1 1.7  101 3  103 3.5  104,过渡态中-C的p轨道与羰基或氰基的p轨道重叠 而使过渡态能量降低的缘故f. -C是桥头碳，分子的立体结构使亲核试剂没有从背面进攻的可能，所以这样的化合物不能按SN2反应历程进行反应A. 空间效应,四面体,平面三角型,109o 28’ 120o,SN1反应：空间效应和电子效应,空间位阻加快SN1反应速率,例如：,RBr在水中的溶剂解相对速度:,RBr 50 oC水中 MeBr 1.00 EtBr 1.00 i-PrBr 11.6 t-BuBr 1.2×106,a. 底物-C上取代基多，空间位阻大，SN1反应速率快。

B. 电子效应,使中间体的碳正离子稳定的因素，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，SN1反应速率增大, 反应活性增大b. -C含有-OH，-SH，-NR2 时，碳正离子稳定，反应速度快SN 1反应速率,109 1.0 0.2,d. 若-C为不饱和的苄型式或烯丙基型化合物的SN1反应速度 快，与SN2一致 例如： R-OTs 在乙醇中醇解相对速度R CH3CH2- CH2=CH-CH2- PhCH2-,相对反应速度 1 33 385,c. -C 为不饱和的卤代烷很难发生SN1反应，与SN2一致f. 若-C 为桥头C，SN1反应难以发生但有些相当大的环可 使桥头能够形成结构近似于平面的碳正离子 例如：溴代烷在25C，80%乙醇中溶剂解的相对速度相对速度,e. 当-C上有-C=O， -CN 时，由于吸电子基，不利于C-L键的离解SN1反应速度慢。

2）亲核试剂的强度,亲核试剂的亲核性愈强, 浓度愈高, SN2反应速度愈快规律：,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RO- HO- RCO2- ROH H2O,CH3O- PhO- CH3CO2- NO2-,碱性：试剂与质子结合的能力； 亲核性：试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力B. 亲核原子是同一周期元素，其亲核性大小与碱性强弱次序大致相同，即同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱；,当试剂中进攻的原子不同族且不同周期时，试剂的亲核性强度顺序与碱性有时不同碱性,亲核性,可极化性,可极化性,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（较远即可形成过渡态）；,F- Cl- Br- I-,RO- RS- RSe- RTe-,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，碱性依次增强亲核试剂不影响SN1的反应速度,（3）离去基团,离去基团越稳定，亲核取代反应速率越大A. 较好的离去基团是强酸的共轭碱（越稳定）；,共轭酸 1,共轭碱 2,共轭碱 1,共轭酸 2,重要的离去基团是 pKa 5的酸的共轭碱，如：I- 是强酸 HI的共轭碱通常，L 碱性愈弱、愈稳定，愈容易离去在极性质子溶剂中，常见基团离去的倾向顺序：,,H,由此可知：OH、OR、NH2 不是好的离去基团ROH, ROR’亲核取代需酸催化L:,TsOH,MsO-,CF3SO3- 是最好的离去基团TsO-,B. 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,离去基团L k相对 N3- + CH3L(CH3OH)(SN2) (CH3)3C-L + H2O/C2H5OH(SN1) Cl- 1 1 Br- 63 39 I- 100 99 TsO- 630 150000,离去基团对SN1，SN2反应的速率的影响有差别。

4）溶剂效应,（μ＝ 0）,（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,,,,,氢键,偶极-偶极作用力,极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子常见的极性非质子型溶剂有：,1、SN1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，将稳定碳正离子，使反应速率加快NuR,快,溶剂化效应,溶剂化：溶质和溶剂相互作用叫溶剂化它是指溶液中 溶质被周围溶剂分子包围起来的现象R+ L- 和溶剂水的作用：,2．SN2反应,,溶剂的极性易稳定过渡态,溶剂的极性易稳定反应物,3．极性质子性溶剂使亲核试剂溶剂化，增加亲核试剂的稳定性，降低其亲核活性不利于SN2,4．极性非质子溶剂如DMF, DMSO, HMPT等，亲核试剂完全暴露，未溶剂化，对SN2有利的在水、醇等质子溶剂中， I- Br- Cl- F- 亲核性与碱性相反 在DMF、DMSO中， F- Cl- Br- I- 亲核性与碱性一致举例：质子型溶剂与非质子型溶剂对SN 2反应的影响：,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？,杂原子（孤对电子）的邻基参与； π电子的邻基参与； σ－参与作用。

四、邻基参与作用,分子内的亲核取代反应,例如：,在以上两个反应中，Cl-离去是由O-或N的帮助完成的，这种作用通常称为: 邻基协助或邻基参与或邻基效应分子内SN2,分子间SN2,分子内SN2：Cl- 离去，S：从背面进攻分子间的SN2：S-C键断裂，电子转向S+，OH 从反面进攻亲核试剂与反应中心的距离适当,条件： ① 邻近基团具有未共用电子对； ② 参与基团与离去基团在分子中处于反式共平面的构象； ③ 形成三元环或五元环 结果： ① 生成环状化合物或环状中间体； ② 产物构型保持； ③ 反应速度异常增大邻基参与的条件及影响结果,1、具有未共用电子对的邻基参与,（1） 氧参与,生成五或六元环时，比分子间的取代反应快104～106倍 生成三元环。