第三章-親核取代反應(yīng)

離子型反應(yīng)機理離子型反應(yīng)機理是有機化學中最早研究的一類，近年來研究的主要特點是對象與范圍的擴大以及對離子型與自由基反應(yīng)或協(xié)同反應(yīng)競爭機理的研究。例如近來受到重視的一個新反應(yīng)——親鹵反應(yīng)，親核試劑可能從正面進攻鹵原子（親鹵反應(yīng)）。國內(nèi)研究的親鹵反應(yīng)，受體主要是全鹵型氟鹵烷及多鹵代烷烴，包括尚未見文獻報道的C－Cl的親氯反應(yīng)；氧親核試劑對C－Br、C－Cl鍵以及中性與負離子型氮親核試劑對C－Br的親鹵反應(yīng)、磷葉立德和羰基葉立德的親鹵反應(yīng)等。內(nèi)容提要§3-1親核取代反應(yīng)的類型§3-2親核取代反應(yīng)的機理§3-3親核取代反應(yīng)的影響因素

一、底物的結(jié)構(gòu)

二、親核試劑

三、離去基團

四、溶劑§3-4鄰基參與效應(yīng)§3-5親核取代反應(yīng)實例第三章親核取代反應(yīng)

(NucleophilicSubstitutionReaction)第三章親核取代反應(yīng)

(NucleophilicSubstitutionReaction)§3-1親核取代反應(yīng)的類型

1.中性底物與帶孤電子對的中性親核試劑3.帶正電荷底物與帶孤電子對的親核試劑2.中性底物與帶負電荷親核試劑4.帶正電荷底物與帶負電荷的親核試劑§3-2親核取代反應(yīng)的機理基本內(nèi)容一級反應(yīng)和二級反應(yīng)構(gòu)型保持和構(gòu)型翻轉(zhuǎn)反應(yīng)機理：SN2，SN1，離子對溶劑解反應(yīng)

一、一級反應(yīng)和二級反應(yīng)反應(yīng)速率只取決于一種反應(yīng)物濃度的反應(yīng)，在動力學上稱為一級反應(yīng)。v=k[A]反應(yīng)速率取決于兩種反應(yīng)物濃度的反應(yīng)，在動力學上稱為二級反應(yīng)。v=k[A][B]

二、構(gòu)型保持和構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(R)-2-溴辛烷[]D=-34.6o(S)-2-辛醇[]D=+9.9o構(gòu)型保持構(gòu)型翻轉(zhuǎn)HO-(R)-2-辛醇[]D=-9.9o三、雙分子親核取代反應(yīng)

SN2δ+δ-慢δ-δ-過渡態(tài)快sp3sp2

SN2的特點之一動力學之二過渡態(tài)結(jié)構(gòu)之三產(chǎn)物構(gòu)型用碘原子直接與手性碳原子相連的2-碘辛烷為底物，在溶液中加入128I-，進行同位素交換反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)溶液的旋光度逐漸降低——外消旋化。根據(jù)溶液旋光度隨時間的變化，測定出外消旋化的速率常數(shù)k2

。用同位素示蹤儀測定碘代烷的放射性，根據(jù)放射性隨時間的變化測定出同位素交換反應(yīng)的速率常數(shù)k2。同位素標記法對SN2機理的研究其結(jié)果為：k2

=2k2。由此證實在SN2反應(yīng)中，只有親核試劑從離去基團的背面進攻碳原子，才能引起具有手性的碳原子的構(gòu)型發(fā)生改變。一個反應(yīng)的反應(yīng)物構(gòu)型與生成物的構(gòu)型完全相反，這個過程稱為“構(gòu)型翻轉(zhuǎn)”——Walden轉(zhuǎn)化。(S)-2-碘辛烷(R)-2-碘(128I)辛烷

四、單分子親核取代反應(yīng)

SN1-Br-:Nu反應(yīng)物過渡態(tài)1慢產(chǎn)物中間體-Br-過渡態(tài)2-1Nu-快過渡態(tài)2-2

SN1的特點之一動力學；之二中間體結(jié)構(gòu)之三產(chǎn)物構(gòu)型外消旋產(chǎn)物↑；反之，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物↑碳正離子穩(wěn)定性↑離去基團離去傾向↑親核試劑親核能力↓親核試劑濃度↓溶劑極性↑例1例2五

重排和消除產(chǎn)物

當化學鍵的斷裂和形成發(fā)生在同一分子中時，引起組成分子的原子的連接方式發(fā)生改變，從而形成組成相同，結(jié)構(gòu)不同的新分子，這種反應(yīng)稱為重排反應(yīng)。

(1)反應(yīng)機理

伯碳正離子重排在碳正離子中氫原子、烷基或芳基基團的遷移稱為Wagner-Meerwein重排叔碳正離子重排產(chǎn)物消除產(chǎn)物

(2)特點

Wagner-Meerwein重排為同面、遷移基團構(gòu)型保持的[1,2]-遷移。例如：

98%構(gòu)型保持

六、溶劑解反應(yīng)溶劑作為試劑與底物發(fā)生反應(yīng)——溶劑解反應(yīng)。-+++(CH3)3C－OC2H5+HBr(CH3)3C－Br+C2H5OH溶劑解反應(yīng)的特點

溶劑解反應(yīng)速度慢，主要用于研究反應(yīng)機理；在低親核性溶劑中碳正離子發(fā)生重排的趨勢增加，光學活性作用物外消旋化程度增加.

§3-3親核取代反應(yīng)的影響因素影響親核取代反應(yīng)的主要因素包括：底物的結(jié)構(gòu)、親核試劑、離去基團和溶劑。

一、底物的結(jié)構(gòu)

1.電子效應(yīng)電子效應(yīng)主要影響SN1反應(yīng)2.空間效應(yīng)空間效應(yīng)主要影響SN2反應(yīng)

二、親核試劑試劑的親核能力主要影響SN2反應(yīng)1.試劑的親核性

(1)試劑的親核性

在有機反應(yīng)中，試劑的親核性和堿性兩個概念有一定的聯(lián)系，親核性側(cè)重于速率即動力學現(xiàn)象，而堿性則側(cè)重于平衡即熱力學現(xiàn)象。親核性堿性代表與質(zhì)子的結(jié)合能力或提供電子對的能力代表熱力學平衡狀況很少受空間因素影響代表試劑在形成過渡態(tài)時對碳原子的親合能力，包括：給電子能力和可極化性代表動力學過渡態(tài)狀況易受空間因素影響

(2)影響試劑親核性的主要因素

①試劑進攻原子的電負性

進攻原子的電負性↑→與其電子結(jié)合程度↑→給電子能力↓→親核活性↓②試劑進攻原子的可極化度

進攻原子的可極化度↑→親核活性↑

③試劑與碳原子2p軌道結(jié)合的鍵強度

鍵強度↑→過渡態(tài)穩(wěn)定性↑→反應(yīng)活性↑

④Lewis堿的溶劑化能量

溶劑化能量↑→基態(tài)能量↓→v↓⑤試劑有效體積的大小

有效體積↑→親核活性↓

2.試劑親核性的判斷

(1)在偶極溶劑中親核性的變化規(guī)律H3C-H2N-HO-F-Cl-Br-I-2.53.13.54.12.82.72.2可極化性減弱堿性逐漸減弱親核性逐漸減弱溶劑對可極化性很高、但堿性弱的試劑的親核性影響不大（例如I-）。

(2)在質(zhì)子溶劑中親核性的變化規(guī)律H3C-H2N-HO-F-Cl-Br-I-2.53.13.54.12.82.72.2可極化性減弱親核性逐漸減弱堿性逐漸減弱溶劑對可極化性小，但堿性強的試劑的親核性影響大（例如F-、Cl-、Br-）

(3)質(zhì)子溶劑中常用親核試劑的排列順序與溶劑形成氫鍵的能力↑→親核性↓RS-ArS->CN->I->NH3

(RNH2)>RO-HO->Br->PhO->Cl->>H2O>F-中心原子相同：堿性↑→親核性↑RO->HO->PhO->RCOO->ROH>H2O空間效應(yīng)：體積↓→親核性↑CH3O-＞CH3CH2O-＞(CH3)2CHO-＞(CH3)3CO-

三、離去基團離去基團的離去能力↑→有利于SN1和SN2反應(yīng)，且離去能力在這兩類反應(yīng)中順序相同，但對SN1反應(yīng)的影響比SN2反應(yīng)更明顯。鍵能↓→離去傾向↑；離去基團堿性↓→形成的負離子穩(wěn)定性↑→離去傾向↑。例如：基團鍵能(C－X)1-苯基-1-鹵乙烷溶劑解相對速率F485.3910-6Cl339.01.0Br284.514I217.091堿性：F->Cl->Br->I-離去傾向：I->Br->Cl->F-水溶液中進行親核取代反應(yīng)時，離去基團的離去能力順序：>HO->

CH3O->>NH2->CH3-

>

CF3CO2->

H2PO4->

NO3->

F->

RCO2->

CN->

NH3>PhO->R3N,RNH2>

RS-N2>>RSO3->

ROSO3->

I->Br->

H2O>Me2S>Cl-最好的好的中等的次等的差的最差的磺酸酯具有高度的反應(yīng)活性，在親核取代反應(yīng)中是極為有用的反應(yīng)物，。最常用的有對甲苯磺酸酯（ROTs），對溴苯磺酸酯（ROBs），對硝基苯磺酸酯（RONs）和甲磺酸酯(ROMs)。其磺酸根氧原子上的負電荷能通過硫離域到整個酸根上，因而是比鹵離子更好的離去基團。

醇羥基是較差的離去基團，親核取代反應(yīng)較為困難，在有機合成上常采用以下方法：方法一Lewis酸催化，促使OH－離去。-+方法二

得到的磺酸酯可以保持醇R—原有的結(jié)構(gòu)完整和立體化學特征，同時可以醇為原料，利用離去能力強的磺酸根制備其它化合物。四、溶劑溶劑效應(yīng)主要是通過影響過渡態(tài)的穩(wěn)定性從而影響反應(yīng)活化能，最終影響反應(yīng)速率。SN1RX—[R·······X]R++X--+SN2Nu-+RX—[Nu······R······X]NuR+X-

--質(zhì)子溶劑對SN1反應(yīng)有利，對SN2的影響要作具體分析；偶極溶劑對SN2反應(yīng)有利(相對于SN1、質(zhì)子溶劑而言)，可能使SN1機理→SN2機理；極性溶劑對SN1反應(yīng)有利，對SN2反應(yīng)多數(shù)情況不利(因為SN1反應(yīng)過渡態(tài)極性增大，SN2反應(yīng)過渡態(tài)極性減小)，可能使SN2機理→SN1機理；非極性溶劑對SN1、SN2反應(yīng)都不利(RX不溶于非極性溶劑）。

§3-4鄰基參與效應(yīng)

一、鄰基參與效應(yīng)

鄰基參與效應(yīng)（neighboringassistance）指在分子中的親核取代基參與了同一分子中另一部位上的取代反應(yīng)，使反應(yīng)的動力學和立體化學受到強烈的影響。

二、鄰基參與效應(yīng)的條件

取代基在分子中位于適當?shù)奈恢茫軌蚺c反應(yīng)中心部分地或完全地成鍵形成過渡態(tài)或中間體。

三、鄰基參與效應(yīng)的特點

(1)反應(yīng)速率明顯加快鄰基參與的反應(yīng)中由于取代基處于有利位置使反應(yīng)熵變很小，從而明顯降低活化能。但只有發(fā)生在反應(yīng)決速步驟的鄰基參與作用，才能使反應(yīng)加速，此現(xiàn)象稱為鄰基促進或鄰基協(xié)助，否則只有鄰基參與而無鄰基促進。例1，-氯代二乙基硫醚的溶劑解反應(yīng)比相應(yīng)的氧醚快104倍以上。硫鎓離子例2，芥子氣：ClCH2CH2SCH2CH2Cl鎓離子穩(wěn)定性開鏈正離子和相應(yīng)的氧鎓離子→v↑

(2)反應(yīng)中心的立體化學得到保留例1光學活性-溴代丙酸在濃NaOH溶液中主要得到構(gòu)型轉(zhuǎn)化水解產(chǎn)物，但在稀NaOH溶液/Ag2O中得到構(gòu)型完全保持的水解產(chǎn)物。S-R-S-***

例

(3)生成分子重排產(chǎn)物

四、鄰基參與效應(yīng)的種類

能發(fā)生鄰基參與效應(yīng)的基團包括：具有未共享電子對的原子或基團；含有C－C雙鍵等不飽和基團、具有π鍵的芳基以及C－C和C－Hσ鍵，分別稱為n-參與、π-電子參與和σ-參與。

(1)n-參與化合物分子中具有孤電子對的基團位于離去基團的β位或更遠時，此化合物在取代反應(yīng)過程中得到構(gòu)型保持產(chǎn)物。這些基團包括：COO-、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl。HBr+鄰基Z由于所處的位置有利，比Nu-更易進攻中心碳原子；鄰基參與作用的熵變更為有利實例：

鹵素作為鄰基參與的能力大小次序一般為I>Br>Cl，這與原子的親核性和可極化性大小順序是一致的。F電負性太強，不易給出電子，親核性和可極化性太小，一般不發(fā)生鄰基參與作用。Cl的親核性較弱，其鄰基參與只有在溶劑不發(fā)生干擾時才顯示出來。若鄰基參與作用形成的中間體是穩(wěn)定的或由于其它方式而穩(wěn)定，親核試劑Nu－親核進攻能力不足，只能形成環(huán)狀產(chǎn)物。這是簡單的分子內(nèi)SN2反應(yīng)。例1

對溴苯磺酸-4-甲氧基戊酯和對溴苯磺酸-5-甲氧基-2-戊酯的乙酸解，給出同樣比率產(chǎn)物的混合物例2

-鹵代醇在NaOH溶液中的分子內(nèi)SN2反應(yīng)(2)π參與

①C=Cπ鍵、C=Oπ鍵鄰基參與作用例1反-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯的乙酸解反-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯在乙酸中的溶劑解速率比相應(yīng)的飽和化合物大1011倍，得到反式乙酸酯，比順式異構(gòu)體（得到反式乙酸酯）速度快107倍。其原因是雙鍵的π電子向7位碳原子的空2p軌道作用(軸向重疊，部分π性質(zhì)，部分性質(zhì))形成同烯丙基非經(jīng)典碳正離子。+同烯丙基非經(jīng)典碳正離子軌道示意圖例2外向和內(nèi)向-原冰片烯基鹵化物在水醇溶液中進行溶劑解得到同樣產(chǎn)物(III)。外向化合物(I)比內(nèi)向化合物(II)的溶劑解速度大約快10倍。研究表明在化合物(I)的離解作用中能發(fā)生背后的鄰基參與作用，經(jīng)過渡態(tài)生成中間體(Ⅳ)；而在化合物(II)中則不能發(fā)生這種鄰基參與作用，先生成碳正離子，再重排得中間體(Ⅳ)。(a)

外向-5-降冰片烯基鹵代物的溶劑解的過渡態(tài)的軌道(b)

內(nèi)向-5-降冰片烯基鹵代物的溶劑解的過渡態(tài)的軌道

②芳基參與作用

β位的芳基能發(fā)生鄰基參與作用。例1：對甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反應(yīng)如果用(2R,3S)-或(2S,3R)-蘇型異構(gòu)體為反應(yīng)物，生成外消旋混合物；如果用(2S,3S)-或(2R,3R)-赤型異構(gòu)體進行反應(yīng)，則生成構(gòu)型保持產(chǎn)物。這說明反應(yīng)物的兩個手性中心之間的單鍵相對旋轉(zhuǎn)在反應(yīng)過程中受到限制，因而產(chǎn)生各自的立體化學產(chǎn)物。其原因是：帶著π電子的苯基按照SN2反應(yīng)機理參與反應(yīng)，促進對甲苯磺酸根離去，同時生成苯鎓離子（phenoniumion）中間體。其中蘇式異構(gòu)體與苯鎓離子直接相連的兩個碳原子完全相同，整個中間體有一個對稱面，沒有手性，親核試劑乙