高等有机化学亲核取代演示课件.ppt

第五章,取代反应,、脂肪族亲核取代反应,连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或带有孤对电子的中性的原子或基团取代的过程亲核取代反应的四种类型：,,,溶剂（分）解反应: 当亲核试剂（Nu:）是溶剂时，所发生的亲核取代反应溶剂解反应 属于类型 1 的反应,,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1 亲核取代反应机理,一、SN1 机理,反应分两步进行,第一步 正碳离子的生成：是决定反应速率的一步第二步 亲核试剂进攻正碳离子：,,,,第一步：,反应的第一步是卤代烃电离生成活性中间体碳正离子，碳正离子，再与碱进行第二步反应生成产物故SN1反应中有活性中间体碳正离子生成溴代叔丁烷的水解,第二步：,SN1反应的能量变化,A,B,C,D,E,第一步反应的活化能E1，比第二步反应的活化能E2大得多，因此第一步是决定反应速率的慢步骤在慢步骤中只有叔丁基溴参加，称为单分子亲核取代反应，用SN1表示例如： 二苯基氯甲烷在丙酮中的水解反应：,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,,SN1反应的特征有重排产物生成,,二、 SN 2 机理,溴甲烷在80%乙醇溶液中水解速度很慢，若在80%乙醇溶液中加入碱，水解速率随OH-浓度的增加而加快。

反应速率=kCH3BRr OH-,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-SN2,,,,二级反应,,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SN2反应的能量变化,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，伯卤代烷SN1反应与SN2反应的区别,,三、 离子对机理,,介于 SN1 与 SN2 机理之间，叫做处于“交界状况”的反应动力学： 一级反应 立体化学产物：95% 外消旋化，属SN1 ，5% 构型转化，属SN2,,加入CH3ONa，使反应速度加快，应是SN2 动力学： 即不是SN1，也不是 SN2,,提高亲核试剂浓度,, 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：,四、分子内亲核取代反应机理 SNi,,ROH + SOCl2 RCl 反应的立体化学特征：构型保持 说明：反应不是 SN1 ------ 外消旋化 SN2 ------ 构型翻转,,是分子内亲核取代反应机理 SNi,有些特殊结构的分子，离去基团的其中一部分作为亲核体能进攻作用物，同时该部分和离去基团的其余部分脱离，形成产物。

分子内亲核取代反应定义 ：,,氯代亚磺酸烷基酯的分解过程分两步,离去基团的一部分从正面进攻C+，保持构型支持这一机理的依据：,,乙醚,由于乙醚弱极性，在开始生成的HCl，大部分溢出，未以离子状态存在；,取代一步：Cl 来自氯代亚磺酸烷基酯的分解在乙醚中，不利于电荷的分离，在离子对中， Cl 将带着一对电 子从正面进攻R+的中心碳原子，从而保持构型不变吡啶,开始生成的HCl，会与吡啶结合成盐 ， 使Cl 游离出来成为有效的亲核试剂；,取代一步： Cl 从离去基团的背面进攻中心碳原子，从而使构型翻转2 常见的亲核取代反应体系,,卤代烷与氢氧化钠、醇钠或酚钠、硫脲、硫醇钠、羧酸盐和氨或胺等发生亲核取代反应，生成醇、醚、硫醇、硫醚、羧酸酯和胺；,醇可与氢卤酸、卤化磷或氯化亚砜作用，生成卤代烃；,卤代烷被氢化铝锂还原为烷烃，是负氢离子对反应物中卤素的取代；,1. 水解反应,,卤代烃亲核取代反应,2. 与氰化钠作用,,3. 与醇钠作用,这是制备醚类化合物常用的方法，称为williamson 合成法反应中所用的卤代烷通常为伯卤代烷例如：,4. 与氨作用,5. 与硝酸银作用,卤素不同的卤代烷发生亲核取代反应的活性顺序为：RIRBrRCl。

当卤原子相同，烃基结构不同时，其活性顺序为：3216. 卤离子互换反应,卤素相同、烃基结构不同的卤代烷，其活性顺序为：123醇的亲核取代反应,1.与氢卤酸反应,由于醇羟基不是好的离去基团，其亲核取代反应一般要在酸性催化下进行，羟基质子化后以水的形式易于离去HX的反应活性：HIHBrHCl,反应速度与氢卤酸的亲反应活性有关,,Lucas试剂（浓盐酸和无水氯化锌）可用于区别伯、仲、叔醇，但一般仅适用于36个碳原子的醇原因： 12个碳的产物（卤代烷）的沸点低，易挥发 大于6个碳的醇（苄醇除外）不溶于卢卡斯试剂，易混淆实验现象醇的活性次序：,反应速度与醇的结构有关,,2、与卤化磷和亚硫酰氯反应,醇与PX3作用生成卤代烃的反应，通常是按SN2历程进行的反应的立体化学特征：构型反转反应的立体化学与反应机理相关 当亲核取代反应发生在C*上时， 可能存在三种立体化学途径： 构型保持、构型翻转、外消旋化 但结果并不永远是明确的，在某些反应中，可发生两种立体化学途径，但程度不等3 亲核取代反应的立体化学,,一、SN1 取代反应的立体化学,,,碳正离子，sp2杂化,平面结构,空p轨道，理论是产物外消旋化。

因：SN1反应第一步生成的碳正离子为平面构型（正电荷的碳原子为sp2杂化的）第二步亲核试剂向平面任何一面进攻的几率相等这种现象与下列因素有关:,事实上，外消旋化的同时往往伴随着构型转化产物,正碳离子的稳定性 正碳离子越稳定，外消旋化比例越大 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，故构型转化增多溶剂（影响较为复杂） 一般，溶剂的亲核能力越强，构型翻转的比例越大,实验结果表明： 1C 类化合物亲核取代，构型翻转率最高； 2C 类化合物亲核取代（强亲核试剂）构型翻转率很高； 3C 类化合物亲核取代，构型翻转率不高3、亲核试剂的浓度 亲核试剂浓度越大，构型翻转的比例越大,,1） 异面进攻反应（Nu-从离去基团L的背面进攻反应中心）,,2） 构型翻转 （产物的构型与底物的构型相反瓦尔登Walden转化）二、SN2 取代反应,,三、分子内亲核取代反应,,从立体化学角度看，分子内亲核取代反应的立体化学特征是中心碳原子的构型保持不变，即反应物和产物的构型相同4 影响亲核取代反应活性的因素,影响亲核取代反应活性的主要因素是： 烃基的结构 亲核试剂的浓度与反应活性 离去基团的性质 溶剂效应,,一、烃基结构的影响,一般，电子效应对SN1机理影响更大 空间效应对SN2机理影响更显著,,1、对于 SN1 反应：,影响反应速率的重要因素： 反应物解离的难易程度 生成的C+的稳定性,3C+ 2C+ 1C+ CH3+,C+ 的稳定性 C+越稳定，对SN1 越有利。

所有使C+稳定的因素，都能使 SN1 的反应速率增大： 电子效应 ------主要的,,p - 超共轭效应,,电子效应,当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)，SN1反应速率明显增大：,当中心碳原子与苯基或乙烯基直接相连时， 生成的C+稳定，------共轭 SN1反应速率增大, 反应活性增大正碳离子因共轭效应而被稳定对于SN1反应来说，在速度控制步骤的解离过程中，中心碳原子由原来的sp3杂化的四面体变为sp2杂化的平面或近于平面的碳正离子，一定程度解除了拥挤状态,中心碳原子上取代基越多，取代基体积越大，过渡态中拥挤状态减轻的相对程度就更大，速率的增加也就更显著 空间效应,基团拥挤,拥挤程度减少,SN1反应的速度是：,,例如：实验测得,按SN1历程进行的反应，碳原子的分支使反应速率增加主要原因是碳正离子的稳定性，通常 3C+ 2C+ 1C+ CH3+ 位的分支对于SN1反应速率的影响较小，通常是分支加大，SN1反应速率仅略有增加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,2、对于SN 2反应：, 空间效应,,SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三角双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：,,反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积越大，过渡态的中心碳原子周围越拥挤，反应速率降低。

对于SN2历程的反应，或碳上有分支、空间位阻愈大，都使反应速率减慢碳上有分支,结论： - C上烃基， SN2反应速率碳上有分支,结论：- C上烃基， SN2反应速率当溴乙烷的位上有一个甲基时,由于碳碳链可以转动, 因此甲基可以部分的避免空间位阻而进行反应,当位上有三个甲基时,相当拥挤,进入基团很难与碳原子接触,反应速率很小因此，新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：,,电子效应不是影响 SN2 反应速率的主要因素 但在某些情况下，其影响却是明显的,-C 上连有 、 、酰基时， SN2 反应速度明显加快 电子效应,实际：苄基型、烯丙基型化合物无论对 SN1、 SN2 都有利， 反应视具体情况而定， 一般说来，更容易进行 SN1 反应 较强的 Nu- 更有利于 SN2 反应 较特殊的是-卤代酮，只有利于 SN2 反应,归纳：普通卤代烃的SN反应,2、对SN1反应是3RX 2RX 1RX CH3X,1、对SN2反应是CH3X 1RX 2RX 3RX,4、烯丙基型卤代烃既易进行SN1反应，也易进行SN2反应5、 桥头卤代的桥环卤代烃既难进行SN1反应，也难进行SN2反应3、叔卤代烷主要进行SN1反应，伯卤代烷SN2反应，仲卤代烷两种历程都可，由反应条件而定。

对于桥环卤代烷，当X位于桥头碳上时， 无论是SN1反应，还是SN2反应，均难以发生如：,二、亲核试剂的影响,对于SN1反应，亲核试剂不参与速率控制步骤，因此影响较小 对于SN2反应，亲核试剂亲核性能的强弱将对SN2反应的速率产生极大的影响Nu,,1、对反应速率的影响,一般，对于给定的反应底物， Nu- 的亲核能力越强， 反应按 SN2 机理形成过渡态所需活化能越低， SN2 反应越快2、影响Nu-亲核能力大小的因素,规律：,带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： OH H2O, CH3O- CH3OH,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 碱性 亲核试剂都有未共用电子对，是路易斯碱 一般说来，试剂的碱性强，亲核能力也强， 、但碱性与亲核性不完全等同： 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 碱性是指热力学平衡的影响 亲核性是与动力学过渡态情况有关，直接影响反应速率； 碱性很少受到空间因素的影响 亲核性对空间效应的影响很敏感,、试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况：,a、试剂中亲核原子相同时（如）， 其亲核性与碱性顺序都是： RO HO ArO RCOO ROH H2O 带负电荷试剂的亲核性比其共轭酸大，碱性也强。

HO ArO ， 是因为芳环与氧共轭， 电子云平均化使负电荷分散的结果 ArO RCOO ，是因为 C=O 吸电子的缘故 b、周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂， 电负性大，亲核性小，碱性也小如： NH2 HO R3C R2N RO F,、试剂的亲核性与碱性强弱不一致的有以下三种情况：,a、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 亲核性： RS RO ， RSH ROH ， R3P R3N I- Br- Cl- F- 原因：可极化度大的原子外层电子易变形，更容易进攻 缺电子的碳，形成过渡态所需的活化能较低，显 示出较强的。