《第三章亲核取代反应课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章亲核取代反应课件（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、离子型反应机理是有机化学中最早研究的一类，近年来研究的主要特点是对象与范围的扩大以及对离子型与自由基反应或协同反应竞争机理的研究。例如近来受到重视的一个新反应亲卤反应，亲核试剂可能从正面进攻卤原子（亲卤反应）。国内研究的亲卤反应，受体主要是全卤型氟卤烷及多卤代烷烃，包括尚未见文献报道的CCl的亲氯反应；氧亲核试剂对CBr、CCl键以及中性与负离子型氮亲核试剂对CBr的亲卤反应、磷叶立德和羰基叶立德的亲卤反应等。第三章_亲核取代反应内容提要 3-13-1亲核取代反应的类型亲核取代反应的类型 3-23-2亲核取代反应的机理亲核取代反应的机理 3-33-3亲核取代反应的影响因素亲核取代反应的影响因素
2、一、一、底物的结构底物的结构二、亲核试剂二、亲核试剂三、离去基团三、离去基团四、溶剂四、溶剂 3-43-4邻基参与效应邻基参与效应 3-53-5亲核取代反应实例亲核取代反应实例第三章亲核取代反应(NucleophilicSubstitutionReaction)第三章_亲核取代反应第三章亲核取代反应(NucleophilicSubstitutionReaction)3-1亲核取代反应的类型1.中性底物与带孤电子对的中性亲核试剂第三章_亲核取代反应3. 3.带正电荷底物与带孤电子对的亲核试剂带正电荷底物与带孤电子对的亲核试剂2.2.中性底物与带中性底物与带负电荷亲核试剂负电荷亲核试剂第三章_亲核
3、取代反应4. 4.带正电荷底物与带负电荷的亲核试剂带正电荷底物与带负电荷的亲核试剂3-2亲核取代反应的机理基本内容一级反应和二级反应构型保持和构型翻转反应机理：SN2，SN1，离子对溶剂解反应第三章_亲核取代反应一、一级反应和二级反应反应速率只取决于一种反应物浓度的反应，在动力学上称为一级反应。v=kA反应速率取决于两种反应物浓度的反应，在动力学上称为二级反应。v=kAB二、构型保持和构型翻转 (R)-2-溴辛烷D=-34.6o(S)-2-辛醇D=+9.9o构型保持构型翻转HO-(R)-2-辛醇D=-9.9o第三章_亲核取代反应三、双分子亲核取代反应三、双分子亲核取代反应S SNN2 2+ -
4、慢- -过渡态快sp3sp2第三章_亲核取代反应SN2的特点之一动力学之二过渡态结构之三产物构型第三章_亲核取代反应用碘原子直接与手性碳原子相连的2-碘辛烷为底物，在溶液中加入128I-，进行同位素交换反应，发现溶液的旋光度逐渐降低外消旋化。根据溶液旋光度随时间的变化，测定出外消旋化的速率常数k k2 2 。用同位素示踪仪测定碘代烷的放射性，根据放射性随时间的变化测定出同位素交换反应的速率常数k k2 2。同位素标记法对S SNN2 2机理的研究第三章_亲核取代反应其结果为：k k2 2 =2=2k k2 2。由此证实在SN2反应中，只有亲核试剂从离去基团的背面进攻碳原子，才能引起具有手性的碳
5、原子的构型发生改变。一个反应的反应物构型与生成物的构型完全相反，这个过程称为“构型翻转”WaldenWalden转化转化。(S S)-2-碘辛烷(R R)-2-碘(128I)辛烷第三章_亲核取代反应四、单分子亲核取代反应四、单分子亲核取代反应S SN N1 1-Br-:Nu反应物反应物过渡态过渡态1 1慢第三章_亲核取代反应产物中间体中间体-Br-过渡态过渡态2-12-1Nu-快过渡态过渡态2-22-2第三章_亲核取代反应SN1的特点之一动力学；之二中间体结构之三产物构型外消旋产物；反之，构型翻转产物碳正离子稳定性离去基团离去倾向亲核试剂亲核能力亲核试剂浓度溶剂极性例1第三章_亲核取代反应例2
6、第三章_亲核取代反应五重排和消除产物第三章_亲核取代反应当化学键的断裂和形成发生在同一分子中时，引起组成分子的原子的连接方式发生改变，从而形成组成相同，结构不同的新分子，这种反应称为重排反应重排反应。(1)(1)反应机理反应机理伯碳正离子重排在碳正离子中氢原子、烷基或芳基基团的迁移称为Wagner-Meerwein重排第三章_亲核取代反应叔碳正离子重排产物重排产物消除产物消除产物第三章_亲核取代反应(2)特点Wagner-Meerwein重排为同面、迁移基团构型保持的1,2-迁移。例如：98%98%构型保持构型保持第三章_亲核取代反应六、溶剂解反应六、溶剂解反应溶剂作为试剂与底物发生反应溶剂作
7、为试剂与底物发生反应溶剂解反应溶剂解反应。 - - + + + + + +(CH3)3COC2H5+HBr(CH3)3CBr+C2H5OH第三章_亲核取代反应溶剂解反应的特点溶剂解反应的特点溶剂解反应速度慢，主要用于研究反应机理；在低亲核性溶剂中碳正离子发生重排的趋势增加，光学活性作用物外消旋化程度增加.第三章_亲核取代反应 3-3亲核取代反应的影响因素影响亲核取代反应的主要因素包括：底物的结构、亲核试剂、离去基团和溶剂。 一、底物的结构一、底物的结构1. 1.电电子效子效应应电子效应主要影响SN1反应2.2.空空间间效效应应空间效应主要影响SN2反应二、亲核试剂二、亲核试剂试剂的亲核能力主要
8、影响SN2反应1.1.试剂试剂的的亲亲核性核性 (1)(1)试剂的亲核性试剂的亲核性在有机反应中，试剂的亲核性和碱性两个概念有一定的联系，亲核性侧重于速率即动力亲核性侧重于速率即动力学现象，而碱性则侧重于平衡即热力学现象。学现象，而碱性则侧重于平衡即热力学现象。第三章_亲核取代反应亲核性碱性代表与质子的结合能力或提供电子对的能力代表热力学平衡状况很少受空间因素影响代表试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能力，包括：给电子能力和可极化性代表动力学过渡态状况易受空间因素影响第三章_亲核取代反应(2)影响试剂亲核性的主要因素试剂进攻原子的电负性进攻原子的电负性与其电子结合程度给电子能力亲核活性试剂进攻原
9、子的可极化度进攻原子的可极化度亲核活性试剂与碳原子2p轨道结合的键强度键强度过渡态稳定性反应活性 Lewis碱的溶剂化能量溶剂化能量基态能量v 试剂有效体积的大小有效体积亲核活性第三章_亲核取代反应 2.试剂亲核性的判断(1)在偶极溶剂中亲核性的变化规律H3C-H2N-HO-F-Cl-Br-I-2.53.13.54.12.82.72.2可极化性减弱碱性逐渐减弱亲核性逐渐减弱溶剂对可极化性很高、但碱性弱的试剂的亲核性影响不大（例如I-）。第三章_亲核取代反应(2)在质子溶剂中亲核性的变化规律H3C-H2N-HO-F-Cl-Br-I-2.53.13.54.12.82.72.2可极化性减弱亲核性逐渐
10、减弱碱性逐渐减弱溶剂对可极化性小，但碱性强的试剂的亲核性影响大（例如F-、Cl-、Br-）第三章_亲核取代反应(3)(3)质子溶剂中常用亲核试剂的排列顺序质子溶剂中常用亲核试剂的排列顺序与溶剂形成氢键的能力与溶剂形成氢键的能力亲核性亲核性RS-ArS-CN-I-NH3(RNH2)RO-HO-Br-PhO-Cl-H2OF-中心原子相同：碱性中心原子相同：碱性亲核性亲核性RO-HO-PhO-RCOO-ROHH2O空间效应：体积空间效应：体积亲核性亲核性CH3O-CH3CH2O-(CH3)2CHO-(CH3)3CO-第三章_亲核取代反应三、离去基团离去基团的离去能力有利于SN1和SN2反应，且离去能
11、力在这两类反应中顺序相同，但对SN1反应的影响比SN2反应更明显。键能离去倾向；离去基团碱性形成的负离子稳定性离去倾向。例如：基团键能(CX)1-苯基-1-卤乙烷溶剂解相对速率F485.3910-6Cl339.01.0Br284.514I217.091碱性：F-Cl-Br-I-离去倾向：I-Br-Cl-F-第三章_亲核取代反应水溶液中进行亲核取代反应时，离去基团的离去能力顺序：HO-CH3O-NH2-CH3-CF3CO2-H2PO4-NO3-F-RCO2-CN-NH3PhO-R3N,RNH2RS-N2RSO3-ROSO3-I-Br-H2OMe2SCl-最好的最好的好的好的中等的中等的次等的次等
12、的差的差的最差的最差的第三章_亲核取代反应磺酸酯具有高度的反应活性，在亲核取代反应中是极为有用的反应物，。最常用的有对甲苯磺酸酯（ROTs），对溴苯磺酸酯（ROBs），对硝基苯磺酸酯（RONs）和甲磺酸酯(ROMs)。其磺酸根氧原子上的负电荷能通过硫离域到整个酸根上，因而是比卤离子更好的离去基团。醇羟基是较差的离去基团，亲核取代反应较为困难，在有机合成上常采用以下方法：方法一Lewis酸催化，促使OH离去。 - - + +第三章_亲核取代反应方法二方法二得到的磺酸酯可以保持醇R原有的结构完整和立体化学特征，同时可以醇为原料，利用离去能力强的磺酸根制备其它化合物。四、溶剂溶剂效应主要是通过影响过
13、渡态的稳定性从而影响反应活化能，最终影响反应速率。SN1RXRXR+X- - - + +第三章_亲核取代反应SN2Nu-+RXNuRXNuR+X- - - - -质子溶剂对质子溶剂对S SNN1 1反应有利，对反应有利，对S SNN2 2的影响要作具体分析的影响要作具体分析 ；偶极溶剂对偶极溶剂对S SNN2 2反应有利反应有利( (相对于相对于S SNN1 1、质子溶剂而言质子溶剂而言) )，可能使可能使S SNN11机理机理S SNN2 2机理机理；极性溶剂对极性溶剂对S SNN1 1反应有利，对反应有利，对S SNN2 2反应多数情况不利反应多数情况不利( (因为因为S SNN1 1反应
14、过渡态极性增大，反应过渡态极性增大，S SNN2 2反应过渡态极性减小反应过渡态极性减小) )，可能使，可能使S SNN2 2机理机理S SNN1 1机理；机理；非极性溶剂对非极性溶剂对S SNN1 1、SSNN2 2反应都不利反应都不利( (RXRX不溶于非极性溶剂）。不溶于非极性溶剂）。第三章_亲核取代反应3-4邻基参与效应一、邻基参与效应邻基参与效应（neighboringassistance）指在分子中的亲核取代基参与了同一分子中另一部位上的取代反应，使反应的动力学和立体化学受到强烈的影响。二、邻基参与效应的条件取代基在分子中位于适当的位置，能够与反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或
15、中间体。第三章_亲核取代反应三、邻基参与效应的特点(1)反应速率明显加快邻基参与的反应中由于取代基处于有利位置使反应熵变很小，从而明显降低活化能。但只有发生在反应决速步骤的邻基参与作用，才能使反应加速，此现象称为邻基促进或邻基协助，否则只有邻基参与而无邻基促进。例1，-氯代二乙基硫醚的溶剂解反应比相应的氧醚快104倍以上。硫鎓离子第三章_亲核取代反应例2，芥子气：ClCH2CH2SCH2CH2Cl鎓离子稳定性开链正离子和相应的氧鎓离子v(2)反应中心的立体化学得到保留例1光学活性-溴代丙酸在浓NaOH溶液中主要得到构型转化水解产物，但在稀NaOH溶液/Ag2O中得到构型完全保持的水解产物。S
16、S-R R-S S-* * * *第三章_亲核取代反应例(3)生成分子重排产物第三章_亲核取代反应四、邻基参与效应的种类能发生邻基参与效应的基团包括：具有未共享电子对的原子或基团；含有CC双键等不饱和基团、具有键的芳基以及CC和CH键，分别称为n-参与、-电子参与和-参与。(1)n-参与化合物分子中具有孤电子对的基团位于离去基团的位或更远时，此化合物在取代反应过程中得到构型保持产物。这些基团包括：COO-、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl。第三章_亲核取代反应HBr+邻基Z由于所处的位置有利，比Nu-更易进攻中
17、心碳原子；邻基参与作用的熵变更为有利实例实例：第三章_亲核取代反应卤素作为邻基参与的能力大小次序一般为IBrCl，这与原子的亲核性和可极化性大小顺序是一致的。F电负性太强，不易给出电子，亲核性和可极化性太小，一般不发生邻基参与作用。Cl的亲核性较弱，其邻基参与只有在溶剂不发生干扰时才显示出来。若邻基参与作用形成的中间体是稳定的或由于其它方式而稳定，亲核试剂Nu亲核进攻能力不足，只能形成环状产物。这是简单的分子内SN2反应。第三章_亲核取代反应例例1 1对溴苯磺酸-4-甲氧基戊酯和对溴苯磺酸-5-甲氧基-2-戊酯的乙酸解，给出同样比率产物的混合物第三章_亲核取代反应例例2 2-卤代醇在NaOH溶
18、液中的分子内SN2反应第三章_亲核取代反应(2)(2) 参与参与C=CC=C键、键、C=OC=O键邻基参与作用键邻基参与作用例例11反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解第三章_亲核取代反应反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解速率比相应的饱和化合物大1011倍，得到反式乙酸酯，比顺式异构体（得到反式乙酸酯）速度快107倍。其原因是双键的电子向7位碳原子的空2p轨道作用(轴轴向向重重叠叠，部部分分 性性质质，部部分分 性性质质)形成同烯丙基非经典碳正离子。+同烯丙基非经典碳正离子轨道示意图第三章_亲核取代反应例2外向和内向-原冰片烯基卤化物在水醇溶液中进行溶剂解得到同样产物(III)。
19、外向化合物(I)比内向化合物(II)的溶剂解速度大约快10倍。研究表明在化合物(I)的离解作用中能发生背后的邻基参与作用，经过渡态生成中间体()；而在化合物(II)中则不能发生这种邻基参与作用，先生成碳正离子，再重排得中间体()。第三章_亲核取代反应(a)外向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道(b)内向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道第三章_亲核取代反应芳基参与作用芳基参与作用位的芳基能发生邻基参与作用。例例1 1：对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反应如果用(2R,3S)-或(2S,3R)-苏型异构体为反应物，生成外消旋混合物；如果用(2S,3S)-或(2R,3R)
20、-赤型异构体进行反应，则生成构型保持产物。这说明反应物的两个手性中心之间的单键相对旋转在反应过程中受到限制，因而产生各自的立体化学产物。第三章_亲核取代反应其原因是：带着电子的苯基按照SN2反应机理参与反应，促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯苯鎓鎓离离子子（phenoniumphenoniumionion）中中间间体体。其中苏式异构体与苯鎓离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个中间体有一个对称面，没有手性，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体；而赤式异构体形成的苯鎓离子有手性，因此生成构型保持的一种产物。第三章_亲核取代反应苏式：(2R,3S)外消旋体第三章_亲核取代反应构型
21、保持产物：(2S,3S)赤式：(2S,3S)第三章_亲核取代反应苯鎓离子特别是苯环上有斥电子基的苯鎓离子在超强酸溶液中一般是稳定的。NMR谱证实其结构与苯环亲电取代反应中间体相似。有些苯鎓离子也可以成盐而分离出来。例如：乙酸解反应速率第三章_亲核取代反应例例22对甲苯磺酸-9-蒽酯的水解第三章_亲核取代反应(3)(3) 参与参与C(1)C(1)C(6)C(6)键参与作用键参与作用实例环丙基参与作用环丙基参与作用环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。第三章_亲核取代反应例例11乙酸解反应相对速率endo-transenxo-cisendo-cisv相对101210410enxo-transv相对1109第三章_亲核取代反应例例22同位素标记的乙酸解反应34%66%第三章_亲核取代反应例例33对甲基苯磺酸环丙甲基酯水解反应水解反应速率比对甲基苯磺酸乙酯快500倍3-2第三章_亲核取代反应 3-53-5亲核取代反应实例亲核取代反应实例例例112000年中科院考研试题第三章_亲核取代反应例例222000年中科院考研试题第三章_亲核取代反应例例332003年中科院考研试题第三章_亲核取代反应
