飽和碳原子上親核取代反應(yīng)

1、第四章第四章 飽和碳原子上親核取代反應(yīng)飽和碳原子上親核取代反應(yīng) (Aliphatic Nucleophilic Substitution)一一. 反應(yīng)類型反應(yīng)類型 ( )二二. 反應(yīng)機理反應(yīng)機理 (Reaction Mechanism) ( )1. SN1機理機理 ( )2. SN2機理機理 ( )3. 離子對機理離子對機理 ( )三三. 立體化學(xué)立體化學(xué)1. SN2反應(yīng)反應(yīng) ( ) 2. SN1反應(yīng)反應(yīng) ( )四四. 影響反應(yīng)活性的因素影響反應(yīng)活性的因素 ( )1. 底物的烴基結(jié)構(gòu)底物的烴基結(jié)構(gòu)2. 離去基團離去基團 (L)3. 親核試劑親核試劑 (Nu:)4. 溶劑溶劑五五. 鄰基參與反應(yīng)

2、鄰基參與反應(yīng)六六. 親核取代反應(yīng)實例親核取代反應(yīng)實例一一. 反應(yīng)類型反應(yīng)類型親核取代反應(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帶著一對電子一對電子進攻進攻中心碳原子中心碳原子離去基團離去基團帶著帶著一對電子一對電子離開離開CH3CH2IBu3P+I-Bu3P CH2CH3 底物為中性，親核試劑帶著一對孤對電子：底物為中性，親核試劑帶著一對孤對電子：+PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+ 底物帶有正電荷，親核試劑帶有孤對電子：底物帶有正電荷，親核試劑帶有孤對電子：+LR Nu+Nu+L+R(CH3)2S(CH3)4N+(CH3)3S (CH3)3N+ 底

3、物帶有正電荷，親核試劑帶有負電荷：底物帶有正電荷，親核試劑帶有負電荷：RL+Nu-+R NuLCH3Cl H2O+CH3OH2Cl-+R L Nu-R Nu+L- 親核試劑帶有負電荷：親核試劑帶有負電荷：二二. 反應(yīng)機理反應(yīng)機理1. 單分子親核取代單分子親核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( SN 1)反應(yīng)機理反應(yīng)機理 +R L Nu-R Nu+L-=k1LRR LRLR+L-+慢反應(yīng)分兩步進行反應(yīng)分兩步進行第一步第一步 正碳離子的生成：正碳離子的生成：第二步第二步 親核試劑進攻正碳離子：親核試劑進攻正碳離子：R+Nu-R Nu快第一步是

4、決定第一步是決定反應(yīng)速率的一步。反應(yīng)速率的一步。例如：例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應(yīng)：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應(yīng)：Ph2CH ClPh2CH + Cl+丙酮慢Ph2CH OHH2OPh2CH +2. 雙分子親核取代雙分子親核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反應(yīng)機理反應(yīng)機理 動力學(xué)研究表明：有一類親核取代反應(yīng)的速率與動力學(xué)研究表明：有一類親核取代反應(yīng)的速率與 底物的濃度和試劑的濃度同時相關(guān)：底物的濃度和試劑的濃度同時相關(guān)：=kR LNu二級反應(yīng)二級反應(yīng)按按SN 1 機理進行反應(yīng)的機理進行反應(yīng)的體系：叔鹵代烷及其衍體系：叔

5、鹵代烷及其衍生物和被共軛體系穩(wěn)定生物和被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物的仲鹵代烴及其衍生物其反應(yīng)機理為：其反應(yīng)機理為：親核試劑親核試劑背后背后接近接近中心碳原子中心碳原子從離去基團的背面從離去基團的背面與此同時與此同時離去基團也正在逐步地離開底物分子離去基團也正在逐步地離開底物分子新鍵的形成與舊鍵的斷裂是同時發(fā)生的，舊鍵斷裂新鍵的形成與舊鍵的斷裂是同時發(fā)生的，舊鍵斷裂時所需的能量，是由新鍵形成所放出的能量提供的。時所需的能量，是由新鍵形成所放出的能量提供的。兩者達到平衡時，體系能量最高。其狀態(tài)為過渡態(tài)兩者達到平衡時，體系能量最高。其狀態(tài)為過渡態(tài) T.L-Nu-RCH2 LRCH2 NuNuC

6、 LH HRTS N 2 反應(yīng)機理：反應(yīng)機理：LNuCCLNuCLNuCLNuCLNuLNuCCLNuCLNuCLNuCLNuCNuL 在過渡態(tài)中，親核試劑的孤在過渡態(tài)中，親核試劑的孤對電子所占有的軌道與中心碳原對電子所占有的軌道與中心碳原子的子的 p軌道交蓋的程度與離去基軌道交蓋的程度與離去基團與中心碳原子的團與中心碳原子的 p軌道的交蓋軌道的交蓋程度相同程度相同按按 SN 2 機理進行的底物特征：機理進行的底物特征：RCHRX不被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烷不被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烷及其衍生物及其衍生物3. 離子對機理離子對機理介于介于SN1 與與 SN2 之間的機理，建立之間的機理，建立在在S

7、N1機理基礎(chǔ)之上。機理基礎(chǔ)之上。底物的解離成正碳離子是經(jīng)幾步完成的，形成不同底物的解離成正碳離子是經(jīng)幾步完成的，形成不同的離子對：的離子對：R 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） 解離的正負離子形成緊密的離子對，整個離子對解離的正負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，正負離子被溶劑隔開。溶劑介入離子對后，正負離子被溶劑隔開。 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：親核試劑可以進攻四種狀態(tài)的底物，從而得到不同親核試

8、劑可以進攻四種狀態(tài)的底物，從而得到不同的產(chǎn)物。的產(chǎn)物。三三. 反應(yīng)的立體化學(xué)反應(yīng)的立體化學(xué)反應(yīng)的立體化學(xué)與反應(yīng)機理相關(guān)反應(yīng)的立體化學(xué)與反應(yīng)機理相關(guān)SN2機理：機理：Walden轉(zhuǎn)化Nu-LCCNuLCNu由于試劑從離去基團的背后進攻中心碳原子，所以由于試劑從離去基團的背后進攻中心碳原子，所以產(chǎn)物發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化Walden轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化。Nu:L+ L-NuCC6H13HBrCH3NaOHSN 2CC6H13HCH3HO構(gòu)型構(gòu)型翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)(R) - (-) - 2 - 辛烷辛烷25D= -34.25對映體的純度對映體的純度=100%(S) - (-) - 2 - 辛醇辛醇25D= -9.

9、90對映體的純度對映體的純度=100%CHCH2PhMeOHTsClACHCH2PhMeOTsEtOHK2CO3BCHCH2PhMeOEtCHCH2PhMeOKKCEtBrCHCH2PhMeOEt= +33.0= +31.1= -19.9= +33.0= +31.1= -19.9= +23.5SN1機理機理C+Nu-CL+NuCNuC50%50%Nu-L-試劑從正碳離子的兩面進攻中心碳原子，形成一對試劑從正碳離子的兩面進攻中心碳原子，形成一對外消旋產(chǎn)物。外消旋產(chǎn)物。C+HCH3PhOH-H2OClCHCH3PhOHCCH3HPhOH-CCH3PhHHO49%51%正碳離子越穩(wěn)定，消旋化程度越大

10、正碳離子越穩(wěn)定，消旋化程度越大消旋化消旋化 (Racemization)PhCCH3OHPhCCH3構(gòu)型轉(zhuǎn)化%27HCH3BrHCH3O+ 73% 消旋化產(chǎn)物HBr事實上，事實上，SN1反應(yīng)往往伴隨構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物：反應(yīng)往往伴隨構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物： 當(dāng)當(dāng)C+不是足夠穩(wěn)定時，由于不是足夠穩(wěn)定時，由于L 的屏蔽效應(yīng)，的屏蔽效應(yīng)，Nu:從從 L 背后進攻中心碳原子的機會增大，故構(gòu)背后進攻中心碳原子的機會增大，故構(gòu)型轉(zhuǎn)化增多型轉(zhuǎn)化增多。請思考：請思考：H3CHCH3BrH2OSN 1?四四. 影響反應(yīng)活性的因素影響反應(yīng)活性的因素影響親核取代反應(yīng)活性的主要因素是：影響親核取代反應(yīng)活性的主要因素是： 底物的結(jié)構(gòu)底物

11、的結(jié)構(gòu)親核試劑的濃度與反應(yīng)活性親核試劑的濃度與反應(yīng)活性離去基團的性質(zhì)離去基團的性質(zhì)溶劑效應(yīng)溶劑效應(yīng)（一）底物結(jié)構(gòu)的影響（一）底物結(jié)構(gòu)的影響SN 2反應(yīng)：反應(yīng)：鹵代烷的反應(yīng)活性順序是：鹵代烷的反應(yīng)活性順序是：甲基甲基 伯伯 仲仲 叔叔原因：烷基的空間效應(yīng)原因：烷基的空間效應(yīng)新戊基鹵代烷幾乎不發(fā)生新戊基鹵代烷幾乎不發(fā)生SN 2反應(yīng)：反應(yīng)：CHXNu:CNuLHHH轉(zhuǎn)變過程中，中心轉(zhuǎn)變過程中，中心碳原子由底物同碳原子由底物同4個個基團相連轉(zhuǎn)變?yōu)橛苫鶊F相連轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛇^渡態(tài)的同過渡態(tài)的同5個碳原個碳原子相連，空間擁擠程子相連，空間擁擠程度增大。度增大。當(dāng)?shù)孜镏行奶荚舆B有較大基團時，當(dāng)?shù)孜镏行奶荚舆B有較

12、大基團時，Nu:難于從背后接近底物。難于從背后接近底物。R X Nu-X-NuRSN2R CH3CH3CH2(CH3)3C(CH3)2CHk23010.030SN1反應(yīng)：反應(yīng)：A. 電子效應(yīng)電子效應(yīng) 所有能夠使正碳離子穩(wěn)定的因素，都能使所有能夠使正碳離子穩(wěn)定的因素，都能使SN 1反應(yīng)的反應(yīng)速率增大：反應(yīng)的反應(yīng)速率增大：ROTs R+OTsEtOHROEtk1相對速率相對速率 (k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.8610010 510 10 當(dāng)取代基具有當(dāng)取代基具有I、超共軛效應(yīng)、超共軛效應(yīng)、C效應(yīng)，效應(yīng)，SN 1反應(yīng)速率增大反應(yīng)速率增大,

13、反應(yīng)反應(yīng)活性增大?；钚栽龃蟆．?dāng)中心碳原子與雜原子直接相連時當(dāng)中心碳原子與雜原子直接相連時(R-ZCH2-L)，SN 1反應(yīng)速率明顯增大：反應(yīng)速率明顯增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反應(yīng)反應(yīng)速率速率109 1.0 0.2當(dāng)雜原子與中心碳原子相連時，所形成的當(dāng)雜原子與中心碳原子相連時，所形成的正碳離子，因共軛效應(yīng)而被穩(wěn)定。正碳離子，因共軛效應(yīng)而被穩(wěn)定。B. 空間效應(yīng)空間效應(yīng)與與SN 2反應(yīng)相反，底物上的取代基的反應(yīng)相反，底物上的取代基的空間效應(yīng)使空間效應(yīng)使SN1反應(yīng)速率加快：反應(yīng)速率加快：RBr在水中的溶劑解相對速度在水中的溶劑解相對速度RBr 在

14、水中在水中50時時MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106CRRRXCRR RX-四面體四面體平面三角型平面三角型鍵角增大，鍵角增大，取代基空間取代基空間效應(yīng)越大，效應(yīng)越大，基團的空間基團的空間擁擠程度減擁擠程度減小。小。（二）親核試劑的強度（二）親核試劑的強度Nu:在在 SN2反應(yīng)中起著重要作用反應(yīng)中起著重要作用NuNu-: CH3O-, HO-, I-Nu: H2O:規(guī)律：規(guī)律：1帶有負電荷的試劑的親核性強于它的共軛酸：帶有負電荷的試劑的親核性強于它的共軛酸： OH H2O, CH3O- CH3OH2）帶負電荷的試劑，負電荷越集中，親核性越強；）帶

15、負電荷的試劑，負電荷越集中，親核性越強； 中性的試劑，進攻的原子電子云密度越集中，中性的試劑，進攻的原子電子云密度越集中， 親核性越強。親核性越強。A. 當(dāng)進攻原子為同一原子時，親核性強度與堿性一致：當(dāng)進攻原子為同一原子時，親核性強度與堿性一致：RO- HO- RCO2- ROH H2OCH3O- PhO- CH3CO2- NO2- 堿性是試劑與堿性是試劑與質(zhì)子結(jié)合的能力；質(zhì)子結(jié)合的能力；親核性是試劑與帶親核性是試劑與帶有部分正電荷的碳有部分正電荷的碳原子結(jié)合的能力。原子結(jié)合的能力。CH3OOClONO2O 當(dāng)試劑中進攻的原子不同時，試劑的親核性強度當(dāng)試劑中進攻的原子不同時，試劑的親核性強度順

16、序與堿性有時不同：順序與堿性有時不同：堿性：堿性： C2H5O- I-親核性：親核性： I- C2H5O-B. 同周期的元素，電負性越大，試劑的親核性越弱，同周期的元素，電負性越大，試劑的親核性越弱， 負電荷越分散，親核性越弱：負電荷越分散，親核性越弱：H2N- OH- F-C. 試劑中的進攻原子為同族原子時，原子的可極化度試劑中的進攻原子為同族原子時，原子的可極化度 越大，試劑的親核性越強：越大，試劑的親核性越強：F- Cl- Br- I-R - O - R - S - C2H5O CH3CH3CHO (CH3)3CO親核性依次減小親核性依次減小同理：同理：C2H5NH2(C2H5)2NH

17、(C2H5)3N親核性依次減弱，堿性依次增強。親核性依次減弱，堿性依次增強。（三）離去基團（三）離去基團 (Leaving groups)Nu:SN2+ LL-LCSN1C+Nu C離去基團帶著一對電子離去基團帶著一對電子離開中心碳原子，成為離開中心碳原子，成為負離子。負離子。接受負電荷的能力越強，親核取代反應(yīng)速率越大。接受負電荷的能力越強，親核取代反應(yīng)速率越大。1) 較好的離去基團是強酸的共軛堿：較好的離去基團是強酸的共軛堿：A H + BA + B H共軛酸共軛酸 1共軛堿共軛堿 2共軛堿共軛堿 1共軛酸共軛酸 2強酸的共軛堿是強酸的共軛堿是弱堿弱堿重要的離去基團是重要的離去基團是 pKa

18、 R Br R ClR FFClBrI可極可極化度化度依次依次增大增大（四）溶劑效應(yīng)（四）溶劑效應(yīng)溶劑的性質(zhì)：溶劑的性質(zhì)： 介電常數(shù)介電常數(shù) 越大，越大，溶劑的極性越大。溶劑的極性越大。介電常數(shù)是衡量溶劑介電常數(shù)是衡量溶劑隔離正負離子的能力，隔離正負離子的能力，即：溶劑穩(wěn)定離子的即：溶劑穩(wěn)定離子的能力。能力。（ 0） 偶極距偶極距（ 0）非極性溶劑：非極性溶劑：CCl4, CS2, 極性溶劑極性溶劑質(zhì)子型：質(zhì)子型：EtOH, H2O, CH3COOH非質(zhì)子型：非質(zhì)子型：THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT質(zhì)子型溶劑質(zhì)子型溶劑通過氫鍵締合通過氫鍵締合R O HNu非質(zhì)子型溶劑非質(zhì)

19、子型溶劑通過偶極與偶極相互作用通過偶極與偶極相互作用極性極性 溶劑可以穩(wěn)定正離子，也可穩(wěn)定負離子。溶劑可以穩(wěn)定正離子，也可穩(wěn)定負離子。氫原子鍵合在電負性氫原子鍵合在電負性較大的原子上。較大的原子上。SN 1反應(yīng)：反應(yīng)：RLR L慢慢R+L-Nu 一個中性化合物離解為兩一個中性化合物離解為兩個帶電荷的離子，溶劑極性個帶電荷的離子，溶劑極性的提高，將穩(wěn)定正碳離子，的提高，將穩(wěn)定正碳離子，使反應(yīng)速率加快。使反應(yīng)速率加快。SN 2反應(yīng)：反應(yīng)：Nu-L-R LNuLNu RC 在過渡態(tài)中不產(chǎn)生新的電荷，而且還使電荷分散，在過渡態(tài)中不產(chǎn)生新的電荷，而且還使電荷分散，溶劑的極性增加，不利于電荷的分散，使反應(yīng)速稍有溶劑的極性增加，不利于電荷的分散，使反應(yīng)速稍有降低。降低。在質(zhì)子型溶劑中：親核在質(zhì)子型溶劑中：親核試劑與溶劑形成氫鍵，試劑與溶劑形成氫鍵，由此降低了試劑的親核由此降低了試劑的親核性，不利于反應(yīng)進行。性，不利于反應(yīng)進行。RO HNuHORHOR在質(zhì)子型溶劑中：試劑的親核性在質(zhì)子型溶劑中：試劑的親核性強度順序為：強度順序為：SH- CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- Cl - F- H2OSN 2反應(yīng)常在極性