《第8章 sp3杂化碳原子的亲核取代反应》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8章 sp3杂化碳原子的亲核取代反应（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章第八章 sp3杂化碳原子的亲核取代反应杂化碳原子的亲核取代反应 Nucleophilic Substitutions at sp3Hybridized Carbon 本章重点内容本章重点内容 1 SN1 和和 SN2 反应的反应的机理机理 影响因素影响因素和和立体化学立体化学 2 SN1 与与 SN2 反应的反应的竞争问题竞争问题 3 SN1 和和 SN2 反应在反应在合成上的应用合成上的应用 1 官能团的相互转化 官能团的相互转化 2 C C 键的形成键的形成 亲核取代反应亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reaction R X H2OR OH HX
2、CH3 3C X 80 EtOH kinetic 1010 2nd order1st order k 10 5s 1 CH3 2CH X reaction orderreaction order k 10 5mol 1 L s 1 CH3 X0 35 0 14 0 24 80 EtOH HO 2140 170 4 75 CH3CH2 X two stereoisomerssteriochemistryinversion of configuration 实验事实实验事实 预示两种不同的机理预示两种不同的机理 亲核取代反应亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reac
3、tion 实验事实实验事实 OH OO HOCCH2CHCOH PCl3 Ether Cl OO HOCCH2CHCOH Malic acid a D 2 30 Chlorosuccinic acid OH OO HOCCH2CHCOH Malic acid a D 2 30 Cl OO HOCCH2CHCOH Chlorosuccinic acid Ag2O H2OAg2O H2O PCl3 Ether The Walden Inversion 1920s Joseph Kenyon 和和 Henry Phillips 开始了一系列 的研究 结果发现 开始了一系列 的研究 结果发现10 和和
4、 20 卤代烃或磺酸酯 在发生取代反应中 均发生构型的转化 卤代烃或磺酸酯 在发生取代反应中 均发生构型的转化 亲核取代反应亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reaction 实验事实实验事实 HO H TsCl Pyridine H OTs a 33 0 0 a 31 1 0 AcO H a 7 06 0 HOAc a 7 06 0 H O H a 33 0 0 CH 3COO H2O OH TsO H a 33 0 0 Pyridine TsCl CH 3COO H2O OH 两种不同的亲核取代反应机理两种不同的亲核取代反应机理 SN1 和和 SN2 双分子
5、亲核取代反应 双分子亲核取代反应 SN2 单分子亲核取代反应 单分子亲核取代反应 SN1 Nu CX CNu X CX C X C Nu CNu SN1 和和 SN2 反应的影响因素反应的影响因素 Nu CXCNu X 底物底物 RX 以卤代烃和磺酸酯为代表 以卤代烃和磺酸酯为代表 离去基团离去基团 X 亲核试剂亲核试剂 Nu or Nu 溶剂溶剂 SN2 反应的机理反应的机理 一步反应一步反应 动力学表现为 动力学表现为二级反应二级反应 亲核试剂是从离去基团的背面进攻亲核试剂是从离去基团的背面进攻 因此发生因此发生构型的转化构型的转化 SN2 反应的机理反应的机理 SN2反应中过渡态结构 反
6、应中过渡态结构 sp2杂化 新键已部分形成 旧键已部分断裂 杂化 新键已部分形成 旧键已部分断裂 反应势能变化图如右 反应势能变化图如右 凡能影响过渡态稳定性 的因素都将影响反应的 活性和选择性 凡能影响过渡态稳定性 的因素都将影响反应的 活性和选择性 progress of the reaction Free energy CH3Br HO CH3OH Br CH3 H H BrHO Ea SN2 反应的影响因素反应的影响因素 1 Substrate 底物 底物 Steric Effects SN2 反应的影响因素反应的影响因素 1 Substrate 底物 底物 Steric Effect
7、s H CBr H H H3C CBr H H H3C CBr H3C H H3C CBr H3C H3C SN2反应活性反应活性 methyl 10 20 30 SN2 反应的影响因素反应的影响因素 2 The leaving Group 离去基团 离去基团 离去基团的离去倾向越大 离去基团的离去倾向越大 SN2 反应活性越高 反应活性越高 离去基团的碱性越弱 则离去倾向越大 离去基团的碱性越弱 则离去倾向越大 Relative reactive 反应活性 反应活性 OH NH2 OR F Cl Br I NH2 HO F 带负电荷基团的亲核性强于中性基团带负电荷基团的亲核性强于中性基团 H
8、O H2O CH3O CH3OH NH2 NH3 SN2 反应的影响因素反应的影响因素 3 Nucleophile 亲核试剂亲核试剂 在在质子性溶剂质子性溶剂 中 同一族元素的 原子随周期数的增 加亲核性增加 中 同一族元素的 原子随周期数的增 加亲核性增加 碱 性降低 碱 性降低 原因 原因 原子可极化性 和溶剂化效应 原子可极化性 和溶剂化效应 在在非质子溶剂非质子溶剂中 顺序刚好相反 中 顺序刚好相反 原子半径越大 可极化性越大 易成键 原子半径越大 可极化性越大 易成键 SN2 反应的影响因素反应的影响因素 4 The Solvent 溶剂 溶剂 Protic solvents 质子性
9、溶剂质子性溶剂 含有含有 OH 或或 NH 不利于不利于SN2 反应反应 原因 原因 质子性溶剂使亲核 试剂阴离子溶剂化 即发 生离子 偶极相互作用 亲核性降低 碱性越强 亲核性降低越大 质子性溶剂使亲核 试剂阴离子溶剂化 即发 生离子 偶极相互作用 亲核性降低 碱性越强 亲核性降低越大 In protic solvents the weaker the basicity of nucleophile the stronger the nucleophilicity SN2 反应的影响因素反应的影响因素 4 The Solvent 溶剂 溶剂 Aprotic polar solvents 非质
10、子极性溶剂 非质子极性溶剂 极性很强 但不含有极性很强 但不含有 OH 或或 NH acetonitrile CH3CN dimethylformamide HCON CH3 2 DMF dimethyl sulfoxide CH3 2SO DMSO hexamethylphosphoramide CH3 2N 3PO HMPA 有利于有利于SN2 反应反应 原因 原因 非质子极性溶剂非质子极性溶剂只能让阳离子溶剂化只能让阳离子溶剂化 从而 使亲核试剂负离子 裸露 亲核性增大 从而 使亲核试剂负离子 裸露 亲核性增大 DMSO N3 N3 CH2CH2CH2CH 3 Br CH 3CH2CH2
11、CH2 Br Solvent CH3OH H2O DMSO DMF CH3CN HMPA relative reactivity 1 7 1 300 2 800 5 000 200 000 More reactive Less reactive Summary about SN2 The SN2 reaction is worst when carried out with a hindered substrate a poor leaving group a neutral nucleophile and a protic solvent 即位阻大的底物 难离去基团 中性 弱 的 亲核试剂
12、和质子性溶剂不利于 即位阻大的底物 难离去基团 中性 弱 的 亲核试剂 和质子性溶剂不利于SN2反 应 反 应 Summary about SN2 Hindered substrate Unhindered substrate Poor leaving group Good leaving group Poor nucleophile Good nucleophile Protic solvent polar aprotic solvent Exercise refer to SN2 For each of the following pairs of SN2 reactions indica
13、te which occurs with the larger rate constant CH3CH2Br H2O or CH3CH2Br HO CH3 2CHCH2Br HO or CH3CH2CH CH3 Br HO CH3CH2Cl CH3O or CH3CH2Cl CH3S CH3CH2Cl I or CH3Br I SN1 反应反应 H CBr H H H3C CBr H H H3C CBr H3C H H3C CBr H3C H3C R Br H2OR OH HBr Relative reactivity 1 1 121200 000 Less reactive More rea
14、ctive What s going on here an alternative substitution mechanism SN1 反应的机理反应的机理 一级反应一级反应 v k RX 两步反应两步反应 限速步骤是碳正离子的形成限速步骤是碳正离子的形成 SN1 反应的机理反应的机理 SN1 反应的影响因素反应的影响因素 1 The Substrate 底物 底物 卤代烃和磺酸酯的卤代烃和磺酸酯的SN1反应活性顺序基本上与反应活性顺序基本上与碳正 离子的稳定性 碳正 离子的稳定性顺序相同顺序相同 CH3 10 Allyl Benzyl 20 30 注意 注意 醇的醇的SN1 反应常在酸性条
15、件下进行 而中性的水分子 是离去基团 这是醇的亲核取代反应与卤代烃的不同之处 反应常在酸性条件下进行 而中性的水分子 是离去基团 这是醇的亲核取代反应与卤代烃的不同之处 2 The Leaving Group 离去基团 离去基团 离去基团离去倾向越大 则反应活性越高 常见离去基团在 离去基团离去倾向越大 则反应活性越高 常见离去基团在SN1 反应中的离去倾向 反应中的离去倾向 H2O Cl Br a b c CH3CHCHCHCH3 CH3 CH3 Br CH3CH2C CH3 CH3 CHCH3 Br CH3 Cl CH3CHCH2CCH3 Cl CH3 CH3 A B C D 除除D外均可
16、能不同外均可能不同 2 判断下列各 卤代烃形成的 判断下列各 卤代烃形成的 SN1 和和 SN2 反 应产物是否相 同 反 应产物是否相 同 SN2 和和 SN1 的竞争问题的竞争问题 SN1 和和 SN2 反应的比较反应的比较 SN2 和和 SN1 的竞争问题的竞争问题 SN2 SN1 R in Substrate 1 methyl and 10 2 20 3 10 SN2 for most 10 RX SN1是是两步两步反应 以动力学反应 以动力学一级一级反应 反应 外消旋化和重排外消旋化和重排反应为 特征 未完全外消旋化的反应可以用离子对机理加以解释 反应为 特征 未完全外消旋化的反应可以用离子对机理加以解释 SN2是是一步一步反应 以动力学反应 以动力学二级二级反应 反应 构型转化构型转化为特征 为特征 从醇转化为卤代烃的反应从醇转化为卤代烃的反应 邻基参与效应邻基参与效应 CH3 HBr CH3 HOH CH3 HBr CH3 HBr meso CH3 HBr CH3 HOH CH3 HBr CH3 BrH CH3 BrH CH3 HBr racemic mixture th
