物理有机化学第4章亲核取代讲义教材.ppt

第4章 亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution),一.亲核取代反应反应类型 二.亲核取代反应反应机理 (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. 正碳离子 (Carbocations)非经典正碳离子 六. 邻基参与作用,,1、掌握亲核取代反应类型和反应机理 （SN1机理 ； SN2机理； 离子对机理） 2、了解亲核取代反应中的立体化学 3、掌握影响亲核取代反应活性的因素 4、掌握邻基参与反应的基本概念 5、了解邻基参与反应的立体化学,一、教学目的和要求,,二、教学重点和难点,重点：反应类型和反应机理；邻基参与反应的基本概念；影响亲核取代反应活性的因素 难点：亲核取代反应中的立体化学；邻基参与反应的立体化学 三、教学课时2课时,RCH2A + Nu： RCH2Nu + A：,,中心碳原子,,底物,（进入基团） 亲核试剂,产物,离去基团,受进攻的对象,,一般是负离子或带未分电子对的中性分子,,亲核试剂 (Nu)：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。

底物：反应中接受试剂进攻的物质 离去基团：带着一对电子离去的分子或负离子二. 亲核取代反应机理,1. 单分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( 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 Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理,典型的SN2反应是协同历程，R键的断裂和Ru键的形成协同进行 动力学研究表明：这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,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：, 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对 被溶剂化 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开 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-,,Paul Walden (18631957) 拉脱维亚化学家,SN2的立体化学,过渡态,构型相反 瓦尔登转化,(R) - (-) - 2 - 辛烷 25D= -34.25 对映体的纯度=100%,(S) - (-) - 2 - 辛醇 25D= -9.90 对映体的纯度=100%,= +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),SN1的立体化学,构型转化,构型保持,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：,定义： 如果反应体系中没有另加试剂，底物就将与溶剂发生反应，这时，溶剂就成了试剂，这样的反应称为溶剂解反应CH3)3C-Br + C2H5OH （CH3)3C-OC2H5 + HBr,,反应机理,+,-,,,+,+,+,+,,*,*,*,溶剂解反应速度慢，主要用于研究反应机理溶剂解反应,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 1.2106,四面体,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,1 硫酸根、硫酸酯的酸根、磺酸根为什么是好的离去基团？,CH3O-SO2-OH,CH3O-SO2-OCH3,R-SO2-OH,硫酸,硫酸单甲酯,硫酸二甲酯,磺酸,苯磺酸,对甲苯磺酸,对甲苯磺酸甲酯,苯磺酰氯,氧上的负电荷可以通过硫离域到整个酸根上，从而使负离子稳定，所以负离子易离去讨 论,R-OH R-OH2 R+ + H2O,,,H+,+, , -,+,2 怎样使羟基转变成一个好的离去基团？,3 离去基团离去能力差异的具体应用： 好的离去基团总是可以被不好的离去基团所取代。

R-X + AgNO3 RONO2 + AgX,,,,,好的离去基团,不好的离去基团,,,（四）溶剂效应,溶剂的性质：,介电常数 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 0）, 偶极距,（ 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？,五. 正碳离子 (Carbocations)与非经典正碳离子,含有带正电荷的三价碳原子的原子团1. 正碳离子的结构,,,,,,,+,C,,,,sp2 - s bond,CH3+ 的轨道结构,,sp2 - sp3 bond,(CH3)3C + 的轨道结构,H,,H,,H,,,,,sp2杂环,平面三角构型,空的P轨道,正碳离子的稳定性：,- p超共轭效应：,,H,,,,轨道交盖在这里,,空的 p 轨道,烯丙型正碳离子：,p-共轭,电子离域,正电荷分散程度大,共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：,共轭效应,当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子 稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：,,,,环丙甲基正离子的结构：,,空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖,环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：,中心碳原子上的空的 p 轨道与环丙基中的弯曲 轨道进行侧面交盖，其 结果是使正电荷分散。

随着环丙基的数目增多， 正碳离子稳定性提高直接与杂原子相连的正碳离子结构：,,,,氧上未共有电子对所 占 p 轨道 与中心碳原子上的空的 p轨道 侧面交盖，未共有电子对离域， 正电荷分散类似地，羰基正离子：,正碳离子的生成：,1) 直接离子化,通过化学键的异裂 而产生2) 对不饱和键的加成,3) 由其它正离子转化而生成,4) 在超酸中制备C正离子溶液,比100的H2SO4的酸性更强的酸超酸 (Super acid),常见的超酸 与100H2SO4的酸性比较,HSO3F （氟硫酸） 1000倍 HSO3F SbF5 （魔酸）。