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1、sp3杂化碳原子的亲核取代反应Nucleophilic Substitutions at sp3 Hybridized Carbon,第七章,本章重点内容,1、 Mechanism 、 Stereochemistry SN1 和 SN2 反应的机理、影响因素和立体化学 2 Factors Affecting the Rate of SN1 Reactions and SN2 reactions 2、SN1 与 SN2 反应的竞争问题 3、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用 （1）官能团的相互转化；（2）C - C 键的形成,亲核取代反应Nucleophilic Substitution R
2、eaction,实验事实,预示两种不同的机理,两种不同的亲核取代反应机理 SN1 和 SN2,双分子亲核取代反应（SN2） 单分子亲核取代反应（SN1）,SN1 和 SN2 反应的影响因素,底物 RX（以卤代烃和磺酸酯为代表) 离去基团 X- 亲核试剂 :Nu or :Nu- 溶剂,SN2 反应的机理,一步反应，动力学表现为二级反应 亲核试剂是从离去基团的背面进攻 因此发生构型的转化,SN2反应中过渡态结构： sp2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： 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,SN2 反应的机理,1) Substrate（底物） Ster
3、ic Effects,SN2 反应的影响因素,1) Substrate（底物） Steric Effects,SN2 反应的影响因素,SN2反应活性: methyl 10 20 30,2) The leaving Group（离去基团） 离去基团的离去倾向越大，SN2 反应活性越高。 离去基团的碱性越弱，则离去倾向越大。 Relative reactive（反应活性）: OH-, NH2-, OR-, F- Cl- Br- I- TsO-,SN2 反应的影响因素,3) Nucleophile (亲核试剂 ) The nucleophile can be neutral or negativel
4、y charged as long as it has an unshared pair of electrons. So it is also a Lewis base（路易斯碱）. Basicity (碱性) how well the base shares electrons with a proton. Nucleophilicity (亲核性) how readily the nucleophile is able to attack an atom (e. g. carbon) other than a proton.,SN2 反应的影响因素,3) Nucleophile (亲核试
5、剂 ) 亲核试剂的亲核性越强，反应活性越高。 亲核性强弱常受到底物、溶剂甚至是浓度的影响。 因此，比较亲核试剂的强弱应该确定一个标准，最好在相同的底物和相同的反应条件下比较：,SN2 反应的影响因素,3) Nucleophile (亲核试剂 ) 关于亲核试剂的亲核性强弱顺序尚无完善的解释，不过一般有如下的规律: 亲核性强弱顺序与碱性基本相同 同一周期元素原子随原子序数增加亲核性减弱 -CH3 -NH2 HO- F-； 带负电荷基团的亲核性强于中性基团 HO- H2O； CH3O- CH3OH； -NH2 NH3；,SN2 反应的影响因素,3) Nucleophile (亲核试剂 ) 在质子性溶
6、剂中，同一族元素的原子随周期数的增加亲核性增加 (碱性降低）。 原因：原子可极化性 和溶剂化效应 在非质子溶剂中顺序刚好相反,SN2 反应的影响因素,原子半径越大，可极化性越大，易成键。,4) The Solvent （溶剂） Protic solvents (质子性溶剂) 含有 -OH 或 -NH 不利于SN2 反应,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。,SN2 反应的影响因素,In protic solvents, the weaker the basicity of nucleophile, the stronger th
7、e nucleophilicity.,4) The Solvent （溶剂） Aprotic polar solvents（非质子极性溶剂） 极性很强，但不含有-OH 或 -NH acetonitrile(CH3CN), dimethylformamideHCON(CH3)2, DMF dimethyl sulfoxide (CH3)2SO, DMSO, hexamethylphosphoramide (CH3)2N3PO, HMPA 有利于SN2 反应 原因：非质子极性溶剂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。,SN2 反应的影响因素,DMSO,The SN2 rea
8、ction 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、和质子性溶剂不利于SN2反应,Summary about SN2,Summary about SN2,For each of the following pairs of SN2 reactions, indicate which occurs with the larger rate const
9、ant? CH3CH2Br + H2O or CH3CH2Br + HO- (CH3)2CHCH2Br + HO- or CH3CH2CH(CH3)Br + HO- CH3CH2Cl + CH3O- or CH3CH2Cl + CH3S- CH3CH2Cl + I- or CH3Br + I-,Exercise refer to SN2,Whats going on here? an alternative substitution mechanism,SN1 反应, 一级反应, v = k RX 两步反应, 限速步骤是碳正离子的形成,SN1 反应的机理,SN1 反应的机理,1) The Su
10、bstrate（底物） 卤代烃和磺酸酯的SN1反应活性顺序基本上与碳正离子的稳定性顺序相同: CH3 10 Allyl Benzyl 20 30,SN1 反应的影响因素,注意：醇的SN1 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： H2O Cl - Br - I - TsO ,3) The Nucleophile（亲核试剂） 由于在 SN1 反应中，亲核试剂是在限速步骤发生后才进入反应，因此，不影响反应速率 进而
11、，可以预计中性亲核试剂与负离子的亲核试剂一样有效，所以，SN1 反应常在中性或酸性条件下进行。,SN1 反应的影响因素,4) The Solvent（溶剂）,SN1 reactions take place much more rapidly in polar solvents than in nonpolar solvents.,SN1 反应的影响因素,4) The Solvent（溶剂） 要强调的是：SN1 和 SN2 反应均受溶剂的很大影响，但是它们的作用机制不同 SN2 在质子性溶剂中是不利的，因为亲核试剂被溶剂化作用降低了反应活性 SN1 反应却是在质子性溶剂中有利的，因为反应中产生
12、活泼中间体碳正离子的过渡态能被溶剂化作用稳定，生成的阳离子和阴离子均可被溶剂化作用稳定。,SN1 反应的影响因素,不同的溶剂化作用,SN1 反应的立体化学,得到构型保持和构型翻转两种产物。,SN1 反应的立体化学,SN1 反应的立体化学,离子对机制,在SN1反应中形成的碳正离子中间体有重排成更稳定的碳正离子的趋势。,SN1 反应的碳正离子重排反应,1. 为下列的SN1反应活性排序： a. 2-bromopentane b. 2-chloropentane, c. 1-chloropentane d. 3-bromo-3-methylpentane,2. 判断下列各卤代烃形成的SN1 和 SN2
13、 反应产物是否相同？,Exercise refer to SN1,d a b c,除D外均可能不同,SN2 和 SN1 的竞争问题,SN1 和 SN2 反应的比较,SN2 和 SN1 的竞争问题,SN2 SN1 R in Substrate 1. methyl and 10 2. 20 3. 10 & 20 benzylic, allylic 4. 30 5. Vinylic and aryl Nucleophile good poor high conc. Low conc. Solvent DMSO H2O or acetone or ROH,作业：8-3 8-13，预习合成应用和第九章,SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,实现官能团的相互转化 C C 键的形成,SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,
