高等第4章 亲核取代

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1、 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

2、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 一.亲核取代反应反应类型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中性的原子或基 团取代的化学过程。亲核取代反应可以分为以下四种类型：（）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。 如： （）作用物与亲核试剂都是中性分子。 如：(CH3)3 RN+(CH3)3

3、（）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。 如：RN+(CH3) (CH3) （）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。 如：RN+(CH3)32S RS+H2(CH3) 类型（1）和（4）反应前后无电荷变化，类型（2）和（）反应前后有电荷 变化，但两者相反。 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 （Substitu

4、tion NucleophilicUnimolecular) ( 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 NucleophilicBimolecular) ( 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

5、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

6、，所以 产物发生构型转化Walden转化。Nu:L+ L-NuSN2的立体化学过渡态构型相反 瓦尔登转化构型翻转(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%= +33.0= +31.1= -19.9= +33.0= +31.1= -19.9= +23.5SN1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

7、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

8、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)REt i-pr CH2=CH-CH2 PhCH2 Ph2CH Ph3C0.26 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：C2H5OCH2C

9、lC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 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NuNu-: CH3O-, HO-, I-Nu: H2O:规律：1带有负电荷的试剂的亲核

10、性强于它的共轭酸：OH H2O, CH3O- CH3OH2）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 H2OCH3O- 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：碱性： C2H5O- I-亲核性： I- C2H5O-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.

11、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- CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- Cl - F- H2OSN 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：N, N-二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺HMPT(Hexamethyl phosphorictriamide)在极性非质子型溶

12、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 k2DMF 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 bondCH3+ 的轨道结构sp2 - sp3 bond(CH3)3C + 的轨道结构HHHsp2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

13、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：CH2CH2CH2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

14、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） 103倍 HFSbF5 1016倍叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸 介质中进行的。叔丁基正碳离子的NMR谱:非经典正碳离子1) 键参与的非经典正碳离子实验表明：反7原冰片烯基对甲苯磺酸酯 在乙酸中的溶剂解的速度相应的饱和化合物大 1011倍+2电子3中心体系123 4572)键参与的非经典正碳离子外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯溶剂解速度相应的内型化合物大350倍-OBs六. 邻基参与作用 分子中的亲核取代基参与了在同一分子中另 一部分上的取代反应。这类取代基往往带有未共用电子对或电子在中心碳原子的邻位上有O, OH, OR, NR2, X, Ph, COO等基团时, 都有构型 保持的现象。 认为这是邻基参与的结