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1、第二十二章 饱和碳原子上 的亲核取代,底物 substrate,亲核试剂 Nucleophilic,离去基团 Leaving Group,亲核取代反应（Nucleophilic Substitution Reaction）,四种类型：,1. 底物为中性分子，亲核试剂为负离子。,2. 底物与亲核试剂均为中性。,3. 底物为正离子，亲核试剂为负离子。,4. 底物为正，亲核试剂为中性。,第一节 SN2和SN1,一、双分子亲核取代反应（SN2反应）,1. 机理,旧键的解离与新键的形成同时进行（一步机理）,2. 特点 a. 双分子反应（二级反应），反应速率kRXNu- b. 一步反应 c. 手性底物反应
2、时发生构型转换瓦尔登转换 d. 卤代烷发生反应的难易程度：伯卤仲卤叔卤 e. 没有重排现象,3. 立体化学,构型转换型反应,二、单分子亲核取代反应（SN1反应）,CL 键先解离，再与亲核试剂成键（二步机理）,特点： a. 单分子反应（一级反应），反应速率 kRX b. 二步反应 c. 卤代烷发生反应的难易程度：叔卤仲卤伯卤 d. 有重排现象,3SN1反应的立体化学,1)外消旋化（构型翻转 + 构型保持）,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。,2)部分外消旋化（构型翻转 构型保持）,SN1反应在有些情况下，往
3、往不能完全外消旋化，而是其构型翻转 构型保持，因而其反应产物具有旋光性。,左旋2-溴辛烷在SN1条件下水解，得到67%构型翻转的右旋2-辛醇，33%构型保持的左旋2-辛醇，其中有33%构型翻转的右旋2-辛醇与左旋2-辛醇组成外消旋体，还剩下34%的右旋2-辛醇，所以，其水解产物有旋光性。,内返,离子对外返,离子外返,紧密离子对,溶剂分离子对,游离离子,此时进攻得构型转化产物,此时进攻产物构型转化占多数,此时进攻得消旋产物,温斯坦 (S.Winstein) 离子对机理,第二节 邻基参与,一、含杂原子取代基的参与,实际上是两次构型翻转,比较重要的邻基参与基团有：COO, COOR, COAr, O
4、R, OH, X等。,两种产物也是邻基参与的证据,二、苯基参与,三、C=C参与,速率要慢1011倍,所以， C=C双键邻基促进。,四、键参与（邻近C-C参与）,exo-,内型,endo-,外型,影响亲核取代反应的因素,（1）烷基结构的影响 （2）离去基团的影响 （3）溶剂对亲核取代反应的影响 （4）试剂亲核性对亲核取代反应的影响 （5）碘负离子和两位负离子,第三节 亲核取代反应的活性,（1）烷基结构的影响,烷基结构对SN2的影响, ,CH3X,1o RX,2o RX,3o RX,R-Br + I- RI + Br -,R: CH3 CH3CH2 (CH3)2 CH (CH3)3 C,V相对 1
5、50 1 0.01 0.001,卤代烷SN2反应的活性,对于同类型的卤代烷，-碳上的分支情况也影响反应,溴化物与I的相对反应速率,可见，除碳上的支链情况影响反应速度外，碳上的支链情况也影响反应速度。碳上连有的支链越多，SN2反应越不易发生。,伯卤代烷,叔卤代烷,碳上有分支的伯卤代烷,甲基, ,3o RX,2o RX,1o RX,CH3X,结论 CH3X RCH2X R2CHX R3CXSN2 SN2 SN1， SN2 SN1,R: CH3 CH3CH2 (CH3)2 CH (CH3)3 C,V相对 1 1.7 45 108,R-Br + H2O R-OH + HBr,甲酸,烷基结构对SN1的影
6、响,SN1反应速度,*1 溴代新戊烷的亲核取代,几种特殊结构的情况分析,解答：是SN1机理,主要产物,SN1：C+稳定 SN2：过渡态稳定,*3 苯型、乙烯型卤代烃较难发生SN反应。,SN1: C-X键不易断裂 SN2：不能发生瓦尔登转化,*2 烯丙型、苯甲型卤代烷是1oRX, 但其SN1和SN2反应都很易进行。,RX CH3CH2X CH2=CHCH2X,*4 桥头卤素，不利于SN反应（比苯型、乙稀型卤代烃更难）,SN2难: 无法翻转（刚性结构）位阻（叔碳）,SN1难: 碳正离子不是平面（CX难解离）,（CH3)3CBr,相对V 1 10-3 10-6 10-13,SN1,SN1,3o,苄基
7、,烯丙基,2o,1o,BEST,WORST,(fastest),(slowest),桥头型,BEST,(fastest),WORST,总结：R结构对取代机理的影响,(slowest),2.离去基团的性质,无论SN1反应，还是SN2反应，在决定反应的关键步骤中，都包含CX键的断裂，因此，离去基团X的性质对SN1反应和SN2反应将产生相似的影响，即卤代烷的活性次序是：,这一活性次序可从CX键的离解能、离去基团的碱性等方面来说明。,由此可见，I既是一个好的离去基团，又是一个好的亲核试剂。因此，这一特性在合成中有着重要的用途。,*1 硫酸根、硫酸酯的酸根、磺酸根为什么是好的离去基团？,离去基团,因为：
8、,是强酸,其共轭碱：,是一个极弱的碱,一个好的离去基团,讨 论,CH3O-SO2-OH,CH3O-SO2-OCH3,R-SO2-OH,硫酸,硫酸单甲酯,硫酸二甲酯,磺酸,苯磺酸,对甲苯磺酸,氧上的负电荷可以通过硫离域到整个酸根上，从而使负离子稳定，所以负离子易离去。,R-OH R-OH2 R+ + H2O,H+,+, , -,+,*2 怎样使羟基转变成一个好的离去基团？,碱性很强的基团（如 R3C -、R2N -、RO-、HO-等）不能作为离去基团进行亲核取代反应，象R-OH、ROR等，就不能直接进行亲核取代反应，只有在H+ 性条件下形成RO+H2和RO+R后才能离去。,3.亲核试剂的性能,由
9、于在SN1反应中，决定反应速率的关键步骤只与卤代烷的浓度有关，故亲核试剂对SN1反应的影响不大。,但对于SN2反应，由于反应速率既与卤代烷的浓度有关，又与亲核试剂的浓度有关，因此，亲核试剂的影响是至关重要的。,显然，亲核试剂的亲核能力，浓度，反应。,试剂亲核能力的强弱取决于两个因素：a. 试剂的碱性 (即给电子性)；b.试剂的可极化性(即极化度或变形性)。,(1) 试剂的碱性：,试剂的碱性与亲核性是两个不同的概念，二者的关系可能一致，也可能不一致。,A. 亲核性与碱性一致：,a. 同周期元素所形成的亲核试剂,b. 同周期中的同种原子形成的不同亲核试剂,B.亲核性与碱性不一致(亲核试剂体积大小的
10、影响)：,(2) 试剂的可极化性,可极化性系指分子中周围电子云在外电场的影响下发生形变的难易程度。易形变者，可极化性大。,在亲核取代反应中，可极化大的原子或基团，因形变而易于接近反应中心，从而降低了达到过渡状态所须的活化能，故亲核能力增强。,显然，同族元素，随原子序数的增大，核对核外电子的束缚力，可极化性，亲核能力。,值得注意的是：亲核性,是指在质子,性溶剂(如：H2O、ROH)中的次序。若在非质子性溶剂 中如：(CH3)2SO、HCON(CH3)2，其亲核能力刚好相反。,综上所述，判断一个试剂亲核能力的大小：,对于同周期元素或同种原子形成的亲核试剂，可用其碱性的强弱来判断；,对于同族元素形成
11、的亲核试剂，可用可极化性的大小来判断。,亲核试剂亲核性的强弱，不仅影响SN2反应速率，而且对亲核取代反应的机理也有影响。,强的 亲核试剂,主动进攻,卤代烷,SN2反应,弱的 亲核试剂,卤代烷,进攻乏力,正碳 离子,只好等待,溶剂作用,SN1反应,非极性和 低极性溶剂,烷烃，苯，醚类， 酯类 （亲核试剂较难溶解，较少使用）,非质子性溶剂 （偶极溶剂）,质子性溶剂,极性溶剂,溶剂分类,具有可解离活泼氢,（非质子性溶剂）,溶剂对亲核取代反应的影响,质子性极性溶剂中同族元素的亲核性与碱性,亲核性,碱性,强,强,强,弱,弱,弱,强,弱,强,弱,溶剂化作用(课本P17页),极化作用(课本P11页),体积小
12、，负电荷集中，溶剂化作用大，亲核性减弱。,大体积原子对外层电子束缚能力弱，可极化性强（易变形）,强,弱,非质子性极性溶剂中同族元素的亲核性与碱性,正离子被溶剂化了，负离子完全释放出来。负电荷密度大者亲核性较强（与碱性顺序一致）。,如： MX 在 DMSO 中,free,溶剂极性对反应机理的影响,极性大：对极性大（电荷密度集中）体系有利。 极性小：对极性小（电荷密度分散）体系有利。,SN2 机理,SN1 机理,电荷密度集中 （极性大）,电荷密度分散 （极性减小）,极性较小,极性增加,低极性溶剂对稳定过渡态有利,极性溶剂对稳定过渡态有利,影响亲核取代反应机理和反应速率的因素,绝对的按 SN2 或
13、SN1 机理的例子不多，一般情况下两种机理并存，并依反应条件而改变。,R的结构CX键强度体积浓度,亲核能力 浓度,对亲核试剂的影响对反应的影响,稳定性,各种影响亲核取代机理的因素总结,第四节 其他的一些反应机理,?,一、SNi机理：,机理：,构型保持,由于发生亲核进攻的氯原子与即将离去的SO2位于同侧，故在反应过程中，醇的- 碳原子的构型始终保持不变。该机理称为分子内亲核取代反应，并以“SNi” 表示之。(Substitution nucleophilic internal)。,优点：,收率高，产物容易分离。,缺点：,若对生成的酸性气体处理不利会造成环境污染。,只适合制备氯代烷。,立体化学特征：构型保持。,反应历程：,总结：SNi历程,机理如下：,
