高等有機(jī)化學(xué)第四章-親核取代課件

第四章：親核取代反應(yīng)

取代反應(yīng)是指化合物的原子或原子團(tuán)被其它原子或原子團(tuán)所取代的反應(yīng)。（1）親核取代（2）親電取代（3）游離基取代

親核取代反應(yīng)：（A）中性底物+中性親核體（B）中性底物+負(fù)離子親核體（C）正離子底物+中性親核體（D）正離子底物+負(fù)離子親核體1.SN1機(jī)理進(jìn)行的取代反應(yīng)

反應(yīng)物決定速度地異裂成一個(gè)之配位的碳正離子和離去基因的方式來(lái)進(jìn)行的，然后是碳正離子與介質(zhì)中的劉易堿（親核試劑）結(jié)合。

第一步為慢過(guò)程，發(fā)生取代反應(yīng)的分子異裂為離子;第二步是形成的碳正離子和取代試劑迅速反應(yīng)得到產(chǎn)物。第一步是反應(yīng)速度的決定步驟，并為單分子反應(yīng)，所以整個(gè)反應(yīng)為單分子反應(yīng)。A.正離子穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)物構(gòu)型的影響：

如果形成的正離子不穩(wěn)定，它立即被第二個(gè)試劑進(jìn)攻，此時(shí)X—還來(lái)不及離開(kāi)正離子，它在一定程度上顯示了“遮蔽效應(yīng)”因而妨礙了試劑A從這方面的進(jìn)攻。所以除得到外消旋產(chǎn)物外，還得到相當(dāng)量的構(gòu)型反轉(zhuǎn)產(chǎn)物。如果形成的正離子比較穩(wěn)定，并能在較長(zhǎng)時(shí)間存在，則X—與它已有相當(dāng)距離，不再表現(xiàn)“遮蔽效應(yīng)”因此得到產(chǎn)物主要為外消旋體，同時(shí)有少量構(gòu)型發(fā)生反轉(zhuǎn)的光活性物質(zhì)。碳正離子越不穩(wěn)定，構(gòu)型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的百分?jǐn)?shù)也越高。碳正離子（I）比（II）穩(wěn)定，在碳正離子（I） 中正電荷和苯核相互作用，使正電荷得到分散而不是定位在一個(gè)碳原子上，因此具有較小的能量，所以有較小的反應(yīng)性能，即有較大的穩(wěn)定性。SN1反應(yīng)按下列方式進(jìn)行：

（I）為緊密離子對(duì)；（II）為溶劑分隔離子對(duì)，在碳正離子和離去原子團(tuán)之間插入一個(gè)或數(shù)個(gè)溶劑分子；（III）為離解的離子對(duì)，每個(gè)離子被溶劑的分子所包圍。在反應(yīng)中緊密離子對(duì)重新結(jié)合為原來(lái)的被作用物，稱(chēng)為內(nèi)部反回。親核試劑在任何階段進(jìn)攻都能形成產(chǎn)物。在緊密離子對(duì)中的R+和X-之間還有一定的鍵連，因此能保持原來(lái)的構(gòu)型。

（a）SH直接進(jìn)攻RX得SR（完全反轉(zhuǎn)），即直接發(fā)生SN2過(guò)程。（b）如果形成緊密離子對(duì)，則溶劑在此階段進(jìn)攻，若反應(yīng)（A）不發(fā)生則導(dǎo)致完全的反轉(zhuǎn)，若反應(yīng)（A）與（B）競(jìng)爭(zhēng)，則反轉(zhuǎn)伴隨外消旋化作用。（c）如果形成溶劑分隔離子對(duì)，當(dāng)溶劑殼從前邊崩潰時(shí)，則反應(yīng)中構(gòu)型保持，如從后崩潰時(shí)則構(gòu)型反轉(zhuǎn)，總結(jié)果為部分反轉(zhuǎn)（δ）部分保持（1-δ）。（d）形成游離R+，為平面構(gòu)型，SH從兩面進(jìn)攻的機(jī)會(huì)相同，得外消旋化產(chǎn)物。2.SN2親核取代反應(yīng)

在SN2歷程中親核試劑由背面進(jìn)攻，構(gòu)型反轉(zhuǎn)，因過(guò)渡態(tài)（I）比保持原來(lái)構(gòu)型的過(guò)渡態(tài)（II）的能量小得多。C-A鍵形成的同時(shí)C-X鍵發(fā)生破裂，反應(yīng)為一步過(guò)程，沒(méi)有中間體，C-X破裂所需要的能量由形成的C-A鍵供給。在過(guò)渡態(tài)時(shí)中心原子由SP3雜化軌道轉(zhuǎn)變?yōu)镾P2雜化軌道，并以P軌道的一個(gè)葉與親核試劑A重疊，而另一個(gè)葉與離去原子團(tuán)重疊。3.影響親核取代反應(yīng)歷程的因素

某一化合物主要按哪一種歷程進(jìn)行反應(yīng)，決定于R—X分子中R和X的性質(zhì)（電子效應(yīng)和空間效應(yīng)）及親核試劑的性質(zhì)以及反應(yīng)條件（溶劑，催化劑等）R的電子效應(yīng)

（a）排斥電子和吸引電子原子團(tuán)的影響，如：Z為吸引電子的原子團(tuán)時(shí)，SN1反應(yīng)速度減慢，α-鹵代酮、酸、酯等與此類(lèi)似；Z為排斥電子的原子團(tuán)時(shí)，使SN1反應(yīng)速度增加，Z排斥電子使碳正離子的正電荷分散，使碳正離子穩(wěn)定。（b）位于α位的雙鍵、叁鍵及芳基的影響無(wú)論SN1或SN2都很慢或不反應(yīng)。原因之一：是由于SP雜化碳原子和SP2雜化碳原子的電負(fù)性高，對(duì)電子有較大的引力，在親核取代作用中離去原子團(tuán)帶著它的一對(duì)成鍵電子離去，因此SP3雜化碳原子相對(duì)來(lái)說(shuō)比SP2雜化碳原子及SP雜化碳原子更容易失去離去原子團(tuán)和電子對(duì)。原因之二：離去原子團(tuán)具有未共享電子對(duì)，則分子中離去原子團(tuán)的未共享電子對(duì)與л鍵發(fā)生共軛作用，即離去原子團(tuán)的電子云密度一部分轉(zhuǎn)移到C—X鍵，因而使C—X鍵大大加強(qiáng)。其結(jié)果使C—X鍵的鍵長(zhǎng)變短。(c)β位雙鍵的影響,

當(dāng)β位有雙鍵時(shí),如烯丙基和苯甲基等使SN1和SN2反應(yīng)速度均加快.使SN1加速是因?yàn)橛捎诠曹検股傻奶颊x子穩(wěn)定.使SN2加速是因?yàn)橥ㄟ^(guò)P型軌道(它展現(xiàn)在遭受進(jìn)攻的碳原子上)與鄰近π體系的重疊使SN2過(guò)渡態(tài)變穩(wěn)定的作用.R的空間效應(yīng)

α或β碳有分支,使SN2的反應(yīng)速度減慢,使SN1的反應(yīng)速度增加.因SN2的過(guò)渡態(tài)特別擁擠,所以空間阻礙對(duì)SN2的影想比SN1大.如RBr中的溴被氫負(fù)離子取代R=CH3C2H5i-C3H7t-C4H9K=1001.650.0220.0048對(duì)SN1反應(yīng),由于超共軛作用等引起碳正離子的穩(wěn)定性改變而影響反應(yīng)速度:三級(jí)碳正離子>二級(jí)碳正離子>一級(jí)碳正離子同時(shí),對(duì)某些三級(jí)作用物,碳正離子形成過(guò)程中張力消除,使反應(yīng)加速.β位的分支對(duì)SN1歷程的速度有較小的影響:某些三級(jí)鹵代烷的相對(duì)離解速度:橋頭化合物

在SN2和SN1反應(yīng)條件下都極不活潑，在SN2條件下，進(jìn)攻親核試劑不可能從背后進(jìn)攻而使構(gòu)型發(fā)生反轉(zhuǎn)．而在SN1反應(yīng)條件下，平面構(gòu)型碳正離子的形成引起較大的張力．

（３）離去原子團(tuán)的效應(yīng)

(a)

離去原子團(tuán)的親電子性能（接受負(fù)電荷的能力）愈大，則R—X分子愈易離子化,從而按SN1歷程進(jìn)行反應(yīng),并且反應(yīng)進(jìn)行得更迅速．也同樣使SN2反應(yīng)速度增加．表:1-苯基乙酯和鹵化物溶劑解反應(yīng)的相對(duì)速率離去基團(tuán)k相對(duì)離去基團(tuán)k相對(duì)CF3SO3－1.4×108CF3CO2－2.1p-硝基苯磺酸根離子4.4×105Cl－1.0p-甲苯磺酸根離子3.7×104F－9×10-6CH3SO3－3.0×104p-硝基苯甲酸根離子5.5×10-6I－91CH3CO2－1.4×10-6Br－14

(b)鹵素離去基團(tuán)的反應(yīng)活性順序?yàn)镮->Br->Cl->F-這與Ｃ－Ｘ鍵的鍵能和可極化性有關(guān)，因?yàn)橐粋€(gè)較易極化的離去基團(tuán)將使它與碳所成的鍵斷裂時(shí)的過(guò)渡態(tài)變得穩(wěn)定。(c)

空間因素對(duì)于離去原子團(tuán)離去能力有一定的影響,如巨大的離去原子團(tuán)和烴基間的非鍵連相互作用,有利于SN1歷程.表:RX在80%乙醇中的溶劑解時(shí)對(duì)甲苯磺酸酯/溴化物的速度比R甲基乙基異丙基叔丁基1-金剛烷基kOTs/kBr11104040009750(4)親核試劑對(duì)反應(yīng)的影響

(a)

電負(fù)性對(duì)反應(yīng)的影響親核試劑的電負(fù)性改變對(duì)SN1反應(yīng)速度影響不明顯,因?yàn)镾N1反應(yīng)速度取決于慢的離子化過(guò)程,而此過(guò)程親核試劑不參加．但親核試劑對(duì)SN2取代反應(yīng)速度有影響，親核試劑的電負(fù)性減小，則SN2反應(yīng)速度加大.（b)親核試劑分子的立體結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)的影響

親核試劑分子加大,使SN2取代反應(yīng)速度降低(5)溶劑的影響

(a)

溶劑極性的影響易使RX離子化的溶劑有利于SN1反應(yīng):如C6H5CH2-Cl的水解作用,在水中反應(yīng)按SN1歷程進(jìn)行,在丙酮中按SN2進(jìn)行.(b)

利用冠醚提高負(fù)離子的活性4.親核取代反應(yīng)的立體化學(xué)

瓦爾登反轉(zhuǎn)(Walden)具有旋光性化合物的不對(duì)稱(chēng)碳原子直接相連的原子或原子團(tuán)取代時(shí),常常得到外消旋產(chǎn)物5.鄰基參與

當(dāng)一個(gè)進(jìn)行親核取代反應(yīng)的底物分子上還帶有一個(gè)能作為親核體的基團(tuán),并位于分子的適當(dāng)位置時(shí)，能夠和反應(yīng)中心部分地或完全地成鍵形成過(guò)渡態(tài)或中間體，從而影響反應(yīng)的進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱(chēng)為鄰基參與作用（Neighboringgroupparticipation）。通常把由于鄰基參與作用而使反應(yīng)加速的現(xiàn)象稱(chēng)為鄰基協(xié)助或鄰基促進(jìn)。鄰基參與若鄰基參與作用發(fā)生在決速步驟之后只有鄰基參與作用而無(wú)鄰基促進(jìn)。能發(fā)生鄰基參與作用的原子團(tuán):具有未共用電子對(duì)的原子或原子團(tuán);含有碳-碳雙鍵等的不飽和基團(tuán)、具有π鍵的芳基以及C-C和C-Hσ鍵。分別稱(chēng)為n電子參與、π電子參與和σ電子參與.(a)n參與作用

化合物的分子中具有未共用電子對(duì)的基團(tuán)位于離去基團(tuán)的β位置或更遠(yuǎn)時(shí)，此化合物在取代反應(yīng)過(guò)程中構(gòu)型保持。COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl(I>Br>Cl)經(jīng)過(guò)兩次SN2反應(yīng),總結(jié)果是構(gòu)型保持

第一步第二步鄰基原子更易，更近,外加的Nu必須和作用物碰撞才能發(fā)生反應(yīng)，而鄰基Z由于所處的位置有利，即刻就能進(jìn)攻中心碳原子；再者鄰基參與作用的熵變更為有利，反應(yīng)中心與Z反應(yīng)和與Nu反應(yīng)相比，前者ΔS降低得較少。例如：當(dāng)3-溴-2-丁醇的蘇型（Threo）外消旋體（±）用HBr處理時(shí)，得到外消旋體（±）-2,3-二溴丁烷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(fù)性太強(qiáng)，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。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(jìn)攻能力不足，只能形成環(huán)狀產(chǎn)物。這是簡(jiǎn)單的分子內(nèi)SN2反應(yīng)。氮原子也起鄰基參與作用。例如，氨與1，4-二氯丁烷作用形成氫化吡咯：

(b)π參與作用

(1)C=C雙鍵作為鄰近基團(tuán)C=Cπ鍵、C=Oπ鍵也有鄰基參與作用，如反-7-降冰片烯基對(duì)甲苯磺酸酯的乙酸解，由于π參與，反應(yīng)速率比相應(yīng)的飽和酯快1011倍，且產(chǎn)物構(gòu)型保持。

(2)環(huán)丙基的參與作用

環(huán)丙烷環(huán)的某些性質(zhì)與雙鍵類(lèi)似，因此處于適當(dāng)位置時(shí)也可能發(fā)生鄰基參與作用。

（Ⅰ）的溶劑解速率比化合物（Ⅱ）的溶劑解速率快1014倍。又如：化合物（Ⅳ）的溶劑解速率比化合物（Ⅴ）大約快5倍，而化合物（Ⅲ）的溶劑解速率比化合物（Ⅴ）慢3倍。由此可以看出：只有當(dāng)環(huán)丙基位于適當(dāng)位置時(shí)才起鄰基參與作用，有時(shí)甚至比雙鍵更有效。(3)芳基參與作用

β位的芳基能發(fā)生鄰基參與作用具有旋光性的蘇型對(duì)甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反應(yīng)，似乎應(yīng)該生成相應(yīng)的具有旋光性的乙酸酯，但事實(shí)上卻生成了外消旋混合物。原因是帶著π電子的苯基促進(jìn)對(duì)甲苯磺酸根離去，同時(shí)生成苯橋正離子（phenoniumion）中間體，其中與苯橋正離子直接相連的兩個(gè)碳原子完全相同，整個(gè)分子有一個(gè)對(duì)稱(chēng)面，是一個(gè)非手性分子，親核試劑乙酸可以機(jī)會(huì)均等地進(jìn)攻兩個(gè)碳原子，得到一對(duì)對(duì)映體：

而且D和L兩種異構(gòu)體的數(shù)量大致相等.

(c)σ參與作用

(I)的速度比(IV)快350倍（6）在合成上的應(yīng)用

6.碳正離子的重排

碳正離子的重排是通過(guò)烷基、芳基或氫帶著它們的電子對(duì)轉(zhuǎn)移而進(jìn)行的，