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1、第五章 饱和碳原子上亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution),一. 反应类型 ( ) 二. 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. 邻基参与反应 六. 亲核取代反应实例,第一节 反应类型,亲核取代反应的通式：,亲核试剂,带着,一对电子,进攻,中心碳原子，,离去
2、基团,带着,一对电子,离开。, 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：, 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：, 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：, 亲核试剂带有负电荷：,第二节 反应机理,一. 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：,二. 双分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理,动力学
3、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,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,其反应机理为：,亲核试剂,接近,中心碳原子,从离去基团的背面,与此同时,离去基团也正在逐步地离开底物分子。,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，可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 T.,T,S N 2 反应机理：,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
4、 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。,证明：,反应究竟发生在哪个阶段，主要取决于： （1）反应物结构，特别是碳正离子的稳定性。 （2）溶剂，特别是溶剂作为亲核试剂的亲核能力。,总之，难离子化的底物与强亲核试剂反应时，反应发 生于离子化的前
5、期阶段,三、邻基参与历程 在亲核取代反应中，在离去基团的-位（或更远） 有一带未共用电子对或带负电荷的原子团参与了反应，对亲核取代反应速度、立体化学等产生很大影响，称作邻基参与反应。邻基参与有n-参与，-参与，和-参与。即邻基参与是分子中一个潜在的亲核性基团从背面取代分子中另一个碳原子上的离去基团。,1、n-参与,例2,例3,2、-参与反应,3、苯基参与反应,第三节 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-,(R) - (-) - 2 溴 辛烷 25D= -34.25 对映体的
6、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),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：,第四节 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,1. SN 2反应：,卤代烷的反
7、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。,2. SN1反应：,1）. 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(RZCH-L)， SN 1反应速率明显
8、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。,2）. 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-PrBr 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,其规律：,1. 带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： OH H2O, CH3O- CH3OH
9、,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。,1）. 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：,2）. 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-,3）. 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-
10、Cl- Br- I-,R - O - R - S - R - Se -,4）. 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
11、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,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 隔离正负离子的力， 即：溶剂稳定离子的 能力。,（ 0）, 偶极矩,（ 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
12、,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？,
