高等第章-亲核取代

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1、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

2、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 （）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

3、,（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 （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：,2. 双分子亲核取代 （Substitution Nucleoph

4、ilic Bimolecular) ( 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

5、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，所以 产物发生构型转化Walden转化。,Nu:,+ L-,SN2的立体化学,过渡态,构型相反 瓦尔登转化,(R) - (-) - 2 - 辛烷 25D= -34.25 对映体的纯度=100%,(S) - (-) - 2 - 辛醇 25D= -9

6、.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),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,+,-,+

7、,+,+,+,*,*,*,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

8、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(R-ZCH2-L)， SN 1反应速率明显增大：,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。,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,

9、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,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,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。,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 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

10、时，试剂的亲核性强度 顺序与碱性有时不同：,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. 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- Cl- Br- I-,R - O - R - S - R - Se -,D. 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

11、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,1 硫酸根、硫酸酯的酸根、磺酸根为什么是好的离去基团？,CH3O-SO2-OH,CH3O-SO2-OCH3,R-SO2-OH

12、,硫酸,硫酸单甲酯,硫酸二甲酯,磺酸,苯磺酸,对甲苯磺酸,对甲苯磺酸甲酯,苯磺酰氯,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。,讨 论,R-OH R-OH2 R+ + H2O,H+,+, , -,+,2 怎样使羟基转变成一个好的离去基团？,3 离去基团离去能力差异的具体应用： 好的离去基团总是可以被不好的离去基团所取代。,R-X + AgNO3 RONO2 + AgX,好的离去基团,不好的离去基团,（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 隔离正负离子的能力， 即：溶剂稳定离子的 能力。,（ 0）, 偶极距,（ 0）

13、,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,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

14、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-

15、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 bond,CH3+ 的轨道结构,sp2 - sp3 bond,(CH3)3C + 的轨道结构,H,H,H,sp2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：,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