高等有機(jī)化學(xué)課件 04第四章 親核取代反應(yīng)

1、2一一. . 親核取代反應(yīng)概述親核取代反應(yīng)概述二二. . 單分子親核取代反應(yīng)單分子親核取代反應(yīng)三三. . 雙分子親核取代反應(yīng)雙分子親核取代反應(yīng)四四. . 分子內(nèi)的親核取代反應(yīng)分子內(nèi)的親核取代反應(yīng)五五. . 鄰基參與效應(yīng)鄰基參與效應(yīng) 34親核取代反應(yīng)的通式：親核取代反應(yīng)的通式：+Nu+L-R NuR L親核試劑親核試劑帶著一對電子進(jìn)攻中心碳原子帶著一對電子進(jìn)攻中心碳原子,離去基團(tuán)帶著一對電子離去基團(tuán)帶著一對電子離開。離開。51.1.脂肪族親核取代反應(yīng)的分類脂肪族親核取代反應(yīng)的分類CH3CH2IBu3P+I-Bu3P CH2CH3中中性底物性底物中中性親核試劑（帶著一對孤對電子）性親核試劑（帶著一

2、對孤對電子）+R L Nu-R Nu+L-中中性底物性底物負(fù)負(fù)離子親核試劑離子親核試劑 +PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+6正正離子底物離子底物中中性親核試劑（帶著一對孤對電子）性親核試劑（帶著一對孤對電子）+LR Nu+Nu+L+R(CH3)2S(CH3)4N+(CH3)3S (CH3)3N+ 正正離子底物離子底物負(fù)負(fù)離子親核試劑離子親核試劑 RL+Nu-+R NuLCH3Cl H2O+CH3OH2Cl-總結(jié)：總結(jié)： 底物中性、正離子底物中性、正離子 親核試劑中性、負(fù)離子親核試劑中性、負(fù)離子72.離子對機(jī)理離子對機(jī)理底物的解離成正碳離子是經(jīng)幾步完成的，底物的解離成正碳離子是經(jīng)幾步完

3、成的，形成不同的離子對。形成不同的離子對。8R L+-R+L-離子化溶劑介入R LNuNuNuSN2R+L-+溶劑介入離子對構(gòu)型翻轉(zhuǎn)緊密離子對翻轉(zhuǎn)（主要）轉(zhuǎn)化（消旋化）離解的離子NuS1N（消旋化產(chǎn)物） 解離的正負(fù)離子形成緊密的離子對，整個離子對解離的正負(fù)離子形成緊密的離子對，整個離子對 被溶劑化。被溶劑化。 溶劑介入離子對后，正負(fù)離子被溶劑隔開。溶劑介入離子對后，正負(fù)離子被溶劑隔開。 離解的離子為自由離子。離解的離子為自由離子。三個階段：三個階段：親核試劑可以進(jìn)攻四種狀態(tài)的底物，從而得到不同的產(chǎn)物。親核試劑可以進(jìn)攻四種狀態(tài)的底物，從而得到不同的產(chǎn)物。SN2SN2 SN19+R L Nu-R

4、Nu+L-=k1LRR LRLR+L-+慢第一步第一步 正碳離子的生成：正碳離子的生成：第二步第二步 親核試劑進(jìn)攻正碳離子：親核試劑進(jìn)攻正碳離子：R+Nu-R Nu快決速步?jīng)Q速步10v反應(yīng)的位能曲線：反應(yīng)的位能曲線： E反應(yīng)進(jìn)程反應(yīng)進(jìn)程(CH3)3C Br (CH3)3C Br+(CH3)3C + (CH3)3C OH+(CH3)3C OHE1HE211CRRR+ Nu:-NuCRRR + CRRRNu+ 50% 50% 外消旋產(chǎn)物外消旋產(chǎn)物 進(jìn)攻概率相等進(jìn)攻概率相等12 SN1反應(yīng)特征反應(yīng)特征A 為分步反應(yīng)，與親核試劑的濃度無關(guān)。為分步反應(yīng)，與親核試劑的濃度無關(guān)。B 中間體為碳正離子，易發(fā)生

5、重排，消去等副反應(yīng)。中間體為碳正離子，易發(fā)生重排，消去等副反應(yīng)。C 構(gòu)型發(fā)生外消旋化。構(gòu)型發(fā)生外消旋化。 按按SN1 機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)的體系：機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)的體系：1. 叔鹵代烷及其衍生物叔鹵代烷及其衍生物2. 被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物131) The Substrate（底物）l 鹵代烴和磺酸酯的鹵代烴和磺酸酯的S SN N1 1反應(yīng)活性順序基本上反應(yīng)活性順序基本上與碳正離子的穩(wěn)定性與碳正離子的穩(wěn)定性順序相同順序相同: :2 2、SN1 反應(yīng)的影響因素反應(yīng)的影響因素注意：醇的注意：醇的SN1 反應(yīng)常在酸性條件下進(jìn)行，而中性的水分子是反應(yīng)常在酸性條件下進(jìn)行

6、，而中性的水分子是離去基團(tuán)。離去基團(tuán)。 這是醇的親核取代反應(yīng)與鹵代烴的不同之處這是醇的親核取代反應(yīng)與鹵代烴的不同之處2) The Leaving Group（離去基團(tuán)）離去基團(tuán)）l離去基團(tuán)離去傾向越大，則反應(yīng)活性越高；離去基團(tuán)離去傾向越大，則反應(yīng)活性越高；CH3 10 20 30H2O Cl - Br - 10 20 30262) The leaving Group（離去基團(tuán)團(tuán)）l 離去基團(tuán)的離去傾向越大，離去基團(tuán)的離去傾向越大，S SN N2 2 反應(yīng)活性越高。反應(yīng)活性越高。 l 離去基團(tuán)的堿性越弱，則離去傾向越大。離去基團(tuán)的堿性越弱，則離去傾向越大。 l Relative reactive

7、Relative reactive（反應(yīng)活性）反應(yīng)活性）: : OHOH- -, NH, NH2 2- -, OR, OR- -, F, F- - ClCl- - Br Br- - I I- - - -NHNH2 2 HO HO- - F F- -；帶負(fù)電荷基團(tuán)的親核性強(qiáng)于中性基團(tuán)帶負(fù)電荷基團(tuán)的親核性強(qiáng)于中性基團(tuán) HO HO- - H H2 2O O； CH CH3 3O O- - CH CH3 3OHOH； - -NHNH2 2 NH NH3 3；在在質(zhì)子性溶劑質(zhì)子性溶劑中，同一族元素的原中，同一族元素的原子隨周期數(shù)的增加親核性增加子隨周期數(shù)的增加親核性增加 ( (堿堿性降低）。性降低）。

8、原因原因：原子可極化性和溶劑化效應(yīng)原子可極化性和溶劑化效應(yīng)在在非質(zhì)子溶劑非質(zhì)子溶劑中順序剛好相反中順序剛好相反29原子半徑越大，可極化性越大，易成鍵。原子半徑越大，可極化性越大，易成鍵。304) The Solvent （溶劑劑）l Protic solvents (質(zhì)質(zhì)子性溶劑劑) 含有含有 -OH -OH 或或 - -NHNH 不利于不利于S SN N2 2 反應(yīng)反應(yīng)原因：質(zhì)子性溶劑使親核原因：質(zhì)子性溶劑使親核試劑陰離子溶劑化，即發(fā)試劑陰離子溶劑化，即發(fā)生離子偶極相互作用，生離子偶極相互作用，親核性降低。堿性越強(qiáng)，親核性降低。堿性越強(qiáng)，親核性降低越大。親核性降低越大。31l Aprotic

9、Aprotic polar solvents polar solvents（非質(zhì)子極性溶劑）非質(zhì)子極性溶劑） 極性很強(qiáng)，但不含有極性很強(qiáng)，但不含有-OH -OH 或或 - -NH NH 有利于有利于S SN N2 2 反應(yīng)反應(yīng) 原因：非質(zhì)子極性溶劑原因：非質(zhì)子極性溶劑只能讓陽離子溶劑化，只能讓陽離子溶劑化，從而使親核試劑負(fù)離子從而使親核試劑負(fù)離子“裸露裸露”，親核性增大。，親核性增大。acetonitrile(acetonitrile(CHCH3 3CNCN), ), d di im methylethylf formamideHCON(CHormamideHCON(CH3 3) )2 2,

10、, DMFDMF d di im methylethyl s sulfulfo oxidexide (CH (CH3 3) )2 2SO, SO, DMSODMSO, , h hexaexam methylethylp phosphorhosphora amidemide (CH (CH3 3) )2 2NN3 3PO,PO, HMPA HMPA N3 -N3 - CH2CH2CH2CH 3 + Br -+ CH 3CH2CH2CH2 - BrSolvent CH3OH H2O DMSO DMF CH3CN HMPArelativereactivity 1 7 1,300 2,800 5,00

11、0 200,000 More reactiveLessreactive32（SNi）歷程）歷程CRRHOHClSOCl+HClCRRHOSOClCRRHClSO2 發(fā)生親核進(jìn)攻的氯原子與即將離去的發(fā)生親核進(jìn)攻的氯原子與即將離去的SO2位于同側(cè)，在反應(yīng)過位于同側(cè)，在反應(yīng)過程中，醇的程中，醇的- 碳原子碳原子構(gòu)型保持構(gòu)型保持不變。不變。 （1）二氯亞砜與醇的反應(yīng)）二氯亞砜與醇的反應(yīng)氯化亞磺酸烷基酯氯化亞磺酸烷基酯乙醚乙醚33思考：當(dāng)溶劑是吡啶時，產(chǎn)物的立體構(gòu)型是思考：當(dāng)溶劑是吡啶時，產(chǎn)物的立體構(gòu)型是 保持還是翻轉(zhuǎn)？保持還是翻轉(zhuǎn)？COHRRR+ SOCl2NCORRRSClONHCl+CClRRR構(gòu)

12、型翻轉(zhuǎn)（構(gòu)型翻轉(zhuǎn)（SN2）34分子中離去基團(tuán)的分子中離去基團(tuán)的合適位置合適位置有有適當(dāng)基團(tuán)適當(dāng)基團(tuán)時，時，可以作為進(jìn)攻基團(tuán)參與反應(yīng)?？梢宰鳛檫M(jìn)攻基團(tuán)參與反應(yīng)。、位位未共用電子對、雙未共用電子對、雙鍵、苯環(huán)、三員環(huán)鍵、苯環(huán)、三員環(huán)35 n電子參與歷程電子參與歷程COO-, OH, OR, NH2, NR2, SR, S-, O-等基團(tuán)等基團(tuán)的負(fù)電荷或未共用電子對。的負(fù)電荷或未共用電子對。(S)-2-溴丙酸的水解反應(yīng)溴丙酸的水解反應(yīng)BrHH3C-OOC稀稀NaOHAg2OCOHHH3C-OOC(S)-2-溴丙酸溴丙酸(鹽鹽)(S)-乳酸乳酸(鹽鹽)構(gòu)型保持構(gòu)型保持36反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理BrHH3CC

13、稀稀NaOHAg2OO-OBrHH3CCO-OAg+-AgBrHCH3COOH2O-H+OHHH3CCO-OSN2SN2構(gòu)型翻轉(zhuǎn)構(gòu)型翻轉(zhuǎn)構(gòu)型翻轉(zhuǎn)構(gòu)型翻轉(zhuǎn)決速步?jīng)Q速步37鄰基參與歷程的特點(diǎn)鄰基參與歷程的特點(diǎn)u立體化學(xué)立體化學(xué)：兩次：兩次SN2，結(jié)果，結(jié)果構(gòu)型保持構(gòu)型保持u動力學(xué)動力學(xué)：一級反應(yīng)（第一步為決速步）：一級反應(yīng)（第一步為決速步） 反應(yīng)速率反應(yīng)速率比沒有鄰基參與的比沒有鄰基參與的快快當(dāng)分子內(nèi)的親核基團(tuán)在當(dāng)分子內(nèi)的親核基團(tuán)在、位時，形成環(huán)狀過位時，形成環(huán)狀過渡態(tài)，其中形成渡態(tài)，其中形成三、五、六三、五、六元環(huán)反應(yīng)較快。元環(huán)反應(yīng)較快。38 鍵鍵參與歷程參與歷程雙鍵，芳基雙鍵，芳基C6H5HC

14、CHH2CCH2H2CCl-Cl-C6H5HCOH-C6H5HCOHC6H5CH=CHCH2CH2CH2Cl反反-7-原冰片烯基對甲原冰片烯基對甲苯磺酸酯在乙酸中的溶苯磺酸酯在乙酸中的溶劑解的速度比相應(yīng)的飽劑解的速度比相應(yīng)的飽和化合物大和化合物大 1011倍。倍。TsO-TsOHAcOHAcOHTs = CH3SO2非經(jīng)典碳正離子非經(jīng)典碳正離子39-Y-YHHH3CCH3HHH3CCH3CNHHH3CCH3CNHHH3CCH3CN-40鍵參與加快反應(yīng)速率鍵參與加快反應(yīng)速率XXXX速率常數(shù)速率常數(shù) k1.0 104 1011 1014 XXX 108 1011 1014XXX 109 1011

15、1014鄰位環(huán)越小鄰位環(huán)越小k越大越大速率常數(shù)速率常數(shù) k速率常數(shù)速率常數(shù) k41 小環(huán)參與歷程小環(huán)參與歷程HBsOHOBsHBsO三、四元環(huán)三、四元環(huán)速率常數(shù)速率常數(shù) k1.0 3 15 （內(nèi)型）（內(nèi)型）HOTsHOTsHTsO= (a)(c)（）(a)(d)(b)(c)（）(a)(c)(b)(a)(c)(a)(a)(b)(b)(b)(c)(c)(d)492、比較、比較下列各組化合物與下列各組化合物與AgNO3-乙醇溶液的反應(yīng)速度乙醇溶液的反應(yīng)速度 dbabdac503、完成下列反應(yīng)式，寫出其主要產(chǎn)物。、完成下列反應(yīng)式，寫出其主要產(chǎn)物。511、比較下列化合物、比較下列化合物SN2取代反應(yīng)的活

16、性次序。取代反應(yīng)的活性次序。 a. 2甲基甲基2溴丁烷溴丁烷 b. 3甲基甲基2溴丁烷溴丁烷 c. 1-溴戊烷溴戊烷 d. 1碘戊烷碘戊烷2、試寫出、試寫出2-苯基苯基-2-氯丙烷在丙酮水溶液中水解反氯丙烷在丙酮水溶液中水解反 應(yīng)的機(jī)理。并比較當(dāng)苯基對位上的應(yīng)的機(jī)理。并比較當(dāng)苯基對位上的H被被CH3O，NO2取代對反應(yīng)速度的影響。取代對反應(yīng)速度的影響。 523、完成下列反應(yīng)式，寫出其主要產(chǎn)物。、完成下列反應(yīng)式，寫出其主要產(chǎn)物。531、比較下列化合物、比較下列化合物SN2取代反應(yīng)的活性次序。取代反應(yīng)的活性次序。 a. 2甲基甲基2溴丁烷溴丁烷 b. 3甲基甲基2溴丁烷溴丁烷 c. 1-溴戊烷溴戊烷 d. 1碘戊烷碘戊烷 dcba54反應(yīng)按反應(yīng)按SN1機(jī)理進(jìn)行，速度決定步驟是生成碳正機(jī)理進(jìn)行，速