第22飽和碳鍵上親核取代反應(yīng)

第二十二章飽和碳原子上親核取代反應(yīng)一.反應(yīng)類型(P532)二.反應(yīng)機(jī)理1.SN1機(jī)理2.SN2機(jī)理3.離子對(duì)機(jī)理三.立體化學(xué)1.SN2反應(yīng)2.SN1反應(yīng)9/12/2023四.影響反應(yīng)活性的因素 1.底物的烴基結(jié)構(gòu) 2. 離去基團(tuán)(L) 3.親核試劑(Nu:) 4.溶劑五.鄰基參與反應(yīng)P5389/12/2023一.反應(yīng)類型親核取代反應(yīng)的通式：親核試劑帶著一對(duì)電子進(jìn)攻中心碳原子離去基團(tuán)帶著一對(duì)電子離開(kāi)⑴底物為中性，親核試劑帶著一對(duì)孤對(duì)電子：+9/12/2023⑶底物帶有正電荷，親核試劑帶有孤對(duì)電子：⑷底物帶有正電荷，親核試劑帶有負(fù)電荷：⑵親核試劑帶有負(fù)電荷：9/12/2023二.反應(yīng)機(jī)理1.單分子親核取代(SN1)反應(yīng)機(jī)理P

535反應(yīng)分兩步進(jìn)行生成正碳離子親核試劑進(jìn)攻正碳離子：第一步是決定反應(yīng)速率的一步。第一步第二步9/12/2023例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應(yīng)：SN1機(jī)理反應(yīng)體系：叔鹵代烷及其衍生物和被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物9/12/20232.SN2反應(yīng)機(jī)理二級(jí)反應(yīng)(雙分子)動(dòng)力學(xué)研究表明：親核取代的速率與底物的濃度和試劑的濃度相關(guān).立體化學(xué):構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(Waldeninversion)P

5339/12/2023SN2反應(yīng)機(jī)理：LNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNu9/12/20232．SN2反應(yīng)的能量變化SN2反應(yīng)機(jī)理的能量變化可用反應(yīng)進(jìn)程—位能曲線圖表示如下：9/12/20233.SN1機(jī)理與離子對(duì)底物解離成正碳離子要經(jīng)過(guò)幾步形成不同的離子對(duì)：9/12/2023⑴解離的正負(fù)離子形成緊密的離子對(duì)，整個(gè)離子對(duì)被溶劑化。⑵溶劑介入離子對(duì)后，正負(fù)離子被溶劑隔開(kāi)。⑶離解的離子為自由離子。三個(gè)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。9/12/20239/12/2023三.親核取代反應(yīng)的立體化學(xué)反應(yīng)的立體化學(xué)與反應(yīng)機(jī)理相關(guān)1、SN2機(jī)理：由于試劑從離去基團(tuán)的背后進(jìn)攻中心碳原子，所以產(chǎn)物發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化－Walden轉(zhuǎn)化。Nu:L+L-Nu9/12/2023瓦爾登生于1863年7月26日，是帝俄時(shí)代的拉脫維亞人。幼年喪父母成為孤兒。在當(dāng)?shù)匾詢?yōu)異的成績(jī)小學(xué)畢業(yè)后，被公費(fèi)保送到拉脫維亞的里加（Riga）上中學(xué)，成績(jī)優(yōu)異。1882年19歲中學(xué)畢業(yè)，進(jìn)入里加很有名的工業(yè)大學(xué)。1887年他跟著他的老師，當(dāng)時(shí)頗有名望的化學(xué)教授威廉·奧斯特瓦爾德去德國(guó)萊比錫大學(xué)，一面從事研究工作，一面做私人教師來(lái)維持生活，所以他于28歲時(shí)才獲得博士學(xué)位。后來(lái)他回到母校工作，從助教、講師、教授、教務(wù)長(zhǎng)一直到校長(zhǎng)。主要從事有機(jī)化學(xué)教學(xué)，并從事物理化學(xué)研究。1897–1899年這三年間，他從事有機(jī)立體化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了著名的瓦爾登轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。由此引起英、美、德、意等國(guó)許多化學(xué)家進(jìn)行類似的研究，使他成為國(guó)際上知名的化學(xué)家。瓦爾登（PaulWalden,1863--1957）9/12/2023瓦爾登在1906年被選為俄羅斯科學(xué)院院士。從1919年起被德國(guó)的羅斯托克大學(xué)聘任為教授。從此他成為國(guó)際化學(xué)界很活躍的一位化學(xué)家。1929年受聘為美國(guó)康乃克大學(xué)的客座教授。1934年他曾擔(dān)任第九屆國(guó)際“純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)”的會(huì)長(zhǎng)，歷時(shí)四年。1942年第二次世界大戰(zhàn)期間，他在羅斯托克的家被毀，他不得不逃到德國(guó)土賓根，成了土賓根大學(xué)的客座教授。

瓦爾登一生的著作很多，發(fā)表論文將近二百篇。他寫(xiě)的書(shū)有《瓦爾登轉(zhuǎn)化》(1919)，《非水溶液》(1924)，《作為化學(xué)家的歌德》(1932)，《化學(xué)簡(jiǎn)史》(1947)等。他一生名譽(yù)很多，得過(guò)許多國(guó)外大學(xué)授予的榮譽(yù)學(xué)位，得過(guò)很多國(guó)外學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)贈(zèng)的獎(jiǎng)?wù)?。他之所以取得驚人的成就是勤奮努力的結(jié)果，他自己說(shuō)，曾經(jīng)有些年每天只睡上3-4小時(shí)，而大部分時(shí)間用來(lái)讀書(shū)和做實(shí)驗(yàn)研究。

瓦爾登于1957年1月22日在土賓根因病逝世，享年94歲。返回9/12/2023(R)-(-)-2-辛烷(S)-(-)-2-辛醇構(gòu)型翻轉(zhuǎn)9/12/20232、SN1、SN2混合機(jī)理：77%構(gòu)型反轉(zhuǎn)100%構(gòu)型反轉(zhuǎn)產(chǎn)率22%產(chǎn)率78%2-辛醇對(duì)溴苯磺酸酯9/12/20233、SN1機(jī)理試劑從正碳離子的兩面進(jìn)攻中心碳原子，形成一對(duì)外消旋產(chǎn)物。消旋化正碳離子越穩(wěn)定，消旋化程度越大9/12/20239/12/2023事實(shí)上，SN1反應(yīng)往往伴隨構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物：

當(dāng)C+不是足夠穩(wěn)定時(shí)，由于L的屏蔽效應(yīng)，Nu:從L背后進(jìn)攻中心碳原子的機(jī)會(huì)增大，故構(gòu)型轉(zhuǎn)化增多 。9/12/2023總結(jié):

SN1反應(yīng)與SN2反應(yīng)的區(qū)別

SN1SN2單分子反應(yīng)雙分子反應(yīng)V=K[R-X]V=K[R-X][Nu：]兩步反應(yīng)一步反應(yīng)有中間體碳正離子生成形成過(guò)渡態(tài)

構(gòu)型翻轉(zhuǎn)+構(gòu)型保持構(gòu)型翻轉(zhuǎn)（瓦爾登轉(zhuǎn)化）有重排產(chǎn)物無(wú)重排產(chǎn)物9/12/2023鄰基參與效應(yīng)

復(fù)習(xí)：b-溴代醇與HBr反應(yīng)的立體化學(xué)meso外消旋體立體專一反應(yīng)通常：SN2orSN1非立體專一9/12/2023

鄰基參與機(jī)理的解釋分子內(nèi)SN2（鄰基參與）mesoBr作為親核試劑環(huán)正離子（溴鎓離子）9/12/2023鄰基參與效應(yīng)：鄰位親核性基團(tuán)促進(jìn)了離去基團(tuán)的離去例1水解速度比一般1oRX快動(dòng)力學(xué)為一級(jí)芥子氣2,2'－二氯二乙硫醚機(jī)理（鄰基參與）9/12/2023例2構(gòu)型保持SN2SN2鄰基參與機(jī)理9/12/2023四.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：底物的結(jié)構(gòu)親核試劑的濃度與反應(yīng)活性離去基團(tuán)的性質(zhì)溶劑效應(yīng)（一）底物結(jié)構(gòu)的影響SN2反應(yīng)：鹵代烷的反應(yīng)活性順序是：甲基>伯>仲>叔原因：烷基的空間效應(yīng)9/12/2023新戊基鹵代烷幾乎不發(fā)生SN2反應(yīng)：轉(zhuǎn)變過(guò)程中，中心碳原子由底物同4個(gè)基團(tuán)相連轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛇^(guò)渡態(tài)的同5個(gè)碳原子相連，空間擁擠程度增大。當(dāng)?shù)孜镏行奶荚舆B有較大基團(tuán)時(shí)，Nu:難于從背后接近底物。9/12/2023SN1反應(yīng)：A.電子效應(yīng)所有能夠使正碳離子穩(wěn)定的因素，都能使SN1反應(yīng)的反應(yīng)速率增大：相對(duì)速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.86100~105~1010

當(dāng)取代基具有＋I(xiàn)、超共軛效應(yīng)、＋C效應(yīng)，SN1反應(yīng)速率增大,反應(yīng)活性增大。9/12/2023當(dāng)中心碳原子與雜原子直接相連時(shí)(R-Z-CH2-L)，SN1反應(yīng)速率明顯增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN1反應(yīng)速率1091.00.2當(dāng)雜原子與中心碳原子相連時(shí)，所形成的正碳離子，因共軛效應(yīng)而被穩(wěn)定。B.空間效應(yīng)與SN2反應(yīng)相反，底物上的取代基的空間效應(yīng)使SN1反應(yīng)速率加快：RBr在水中的溶劑解相對(duì)速度RBr在水中50°時(shí)MeBr1.00EtBr1.00i-pBr11.6t-BuBr1.2×106四面體平面三角型鍵角增大，取代基空間效應(yīng)越大，基團(tuán)的空間擁擠程度減小。9/12/2023（二）親核試劑的強(qiáng)度Nu:在SN2反應(yīng)中起著重要作用NuCH3O-,HO-,I-H2O:規(guī)律：1)帶有負(fù)電荷的試劑的親核性強(qiáng)于它的共軛酸：

－OH>H2O,CH3O->CH3OH2）帶負(fù)電荷的試劑，負(fù)電荷越集中，親核性越強(qiáng)；中性的試劑，進(jìn)攻的原子電子云密度越集中，親核性越強(qiáng)。9/12/2023A.當(dāng)進(jìn)攻原子為同一原子時(shí)，親核性強(qiáng)度與堿性一致：RO->HO->>RCO2->ROH>H2OCH3O->PhO->CH3CO2->NO2-

堿性是試劑與質(zhì)子結(jié)合的能力；親核性是試劑與帶有部分正電荷的碳原子結(jié)合的能力。9/12/2023當(dāng)試劑中進(jìn)攻的原子不同時(shí)，試劑的親核性強(qiáng)度順序與堿性有時(shí)不同：堿性：C2H5O->I-親核性：I->C2H5O-B.同周期的元素，電負(fù)性越大，試劑的親核性越弱，負(fù)電荷越分散，親核性越弱：H2N->OH->F-C.試劑中的進(jìn)攻原子為同族原子時(shí)，原子的可極化度越大，試劑的親核性越強(qiáng)：F-<Cl-<Br-<I-RO-<RS-<RSe-9/12/2023D.當(dāng)親核試劑中取代基的空間效應(yīng)較大時(shí)，則不利于試劑接近底物分子。試劑的親核性：空間效應(yīng)>電子效應(yīng)：負(fù)電荷也很集中，堿性很強(qiáng)，但由于烷基具有較大的空間效應(yīng)，故其親核性很弱。9/12/2023親核性依次減小親核性依次減弱，堿性依次增強(qiáng)。同理：9/12/2023（三）離去基團(tuán)離去基團(tuán):帶著一對(duì)電子離開(kāi)中心碳原子，成為負(fù)離子。接受負(fù)電荷的能力越強(qiáng)，親核取代反應(yīng)速率越大。9/12/20231)較好的離去基團(tuán)是強(qiáng)酸的共軛堿：共軛酸1共軛堿2共軛堿1共軛酸2強(qiáng)酸的共軛堿是弱堿重要的離去基團(tuán)是pKa<5的酸的共軛堿，如：I-是強(qiáng)酸HI的共軛堿。9/12/2023TsOHMsO-CF3SO3-是最好的離去基團(tuán)。三氟甲磺酸基,-OTf9/12/20232)成鍵原子的可極化度越大，離去基團(tuán)越易離去。的溶劑解的相對(duì)速率為：FClBrI可極化度9/12/2023（四）溶劑效應(yīng)溶劑的性質(zhì)：介電常數(shù)(ε)越大，溶劑的極性越大。ε:是衡量溶劑穩(wěn)定離子的能力。(溶劑隔離正負(fù)離子的能力)（μ＝0）偶極距（μ≠0）非極性溶劑：CCl4,,CS2,

極性溶劑質(zhì)子型：EtOH,H2O,CH3COOH非質(zhì)子型：THF,Et2O,DMF,DMSO,HMPT9/12/2023質(zhì)子型溶劑通過(guò)氫鍵締合非質(zhì)子型溶劑通過(guò)偶極與偶極相互作用極性溶劑可以穩(wěn)定正離子，也可穩(wěn)定負(fù)離子。溶劑效應(yīng)將一個(gè)中性化合物離解為兩個(gè)帶電荷的離子，溶劑極性提高，將穩(wěn)定正碳離子，使反應(yīng)速率加快。SN1：9/12/2023SN2反應(yīng)：在過(guò)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)速稍有降低。9/12/2023親核試劑與溶劑形成氫鍵，由此降低了試劑的親核性，不利于反應(yīng)進(jìn)行。在質(zhì)子型溶劑中：試劑的親核性強(qiáng)度順序?yàn)椋篠H->CN->I->OH->N3->Br->CH3CO2->Cl->F->H2O在質(zhì)子型溶劑中：9/12/2023SN2常選極性非質(zhì)子型溶劑

它不能與Nu:形成氫鍵，不能使親核試劑溶劑化，使裸露的負(fù)離子作為親核試劑，具有較高的反應(yīng)活性。常見(jiàn)的極性非質(zhì)子型溶劑有：N,N-二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亞砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺HMPT