《高等有機(jī)化學(xué)》課程同步課件-第四章飽和碳鍵上的親核取代反應(yīng)

第四章飽和碳原子上親核取代反應(yīng)

(AliphaticNucleophilicSubstitution)一.反應(yīng)類型(

)二.反應(yīng)機(jī)理(ReactionMechanism)(

) 1.SN1機(jī)理(

) 2.SN2機(jī)理(

) 3.離子對機(jī)理(

)三.立體化學(xué) 1.SN2反應(yīng)(

)2.SN1反應(yīng)(

)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)六.親核取代反應(yīng)實(shí)例一.反應(yīng)類型親核取代反應(yīng)的通式：親核試劑中心碳原子離去基團(tuán)帶著一對電子離開帶著一對電子進(jìn)攻

按照底物及親核試劑的不同，親核取代反應(yīng)可以分為以下幾種情況：⑵底物為中性，親核試劑帶有負(fù)電荷：⑴底物為中性，親核試劑帶著一對孤對電子：反應(yīng)前后有電荷變化反應(yīng)前后無電荷變化⑷底物帶有正電荷，親核試劑帶有負(fù)電荷：⑶底物帶有正電荷，親核試劑帶有孤對電子：反應(yīng)前后無電荷變化反應(yīng)前后有電荷變化二.反應(yīng)機(jī)理1.單分子親核取代（SubstitutionNucleophilic

Unimolecular)(SN1)反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)分兩步進(jìn)行第一步正碳離子的生成：第二步親核試劑進(jìn)攻正碳離子：第一步是決定反應(yīng)速率的一步。例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應(yīng)：2.雙分子親核取代（SubstitutionNucleophilicBimolecular)(SN2)反應(yīng)機(jī)理動力學(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)：二級反應(yīng)按SN1機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)的體系：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其反應(yīng)機(jī)理為：親核試劑從背后－從離去基團(tuán)的背面接近中心碳原子與此同時離去基團(tuán)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，舊鍵斷裂時所需的能量，是由新鍵形成所放出的能量提供的。兩者達(dá)到平衡時，體系能量最高。其狀態(tài)為過渡態(tài)T.TSN2機(jī)理表現(xiàn)為二級動力學(xué)，

反應(yīng)速率=k[R-L][Nu-]，

對反應(yīng)物和親核試劑都是一級。

典型的SN2反應(yīng)是協(xié)同歷程，R－Ｌ鍵的斷裂和R－Ｎu鍵的形成協(xié)同進(jìn)行。

當(dāng)舊鍵斷裂與新鍵形成處于均勢時，體系能量最高，為反應(yīng)的過渡態(tài)。R－Ｌ鍵斷裂所需的能量，部分由R－Ｎu鍵形成時釋放的能量補(bǔ)償。如果親核試劑帶負(fù)電荷，則負(fù)電荷分散在過渡狀態(tài)中。SN2反應(yīng)機(jī)理：LNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNu

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子的p軌道交蓋的程度與離去基團(tuán)與中心碳原子的p軌道的交蓋程度相同按

SN2機(jī)理進(jìn)行的底物特征：不被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烷及其衍生物3.離子對機(jī)理介于SN1與SN2之間的機(jī)理，建立在SN1機(jī)理基礎(chǔ)之上。

底物的解離成正碳離子是經(jīng)幾步完成的，形成不同的離子對：⑴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。⑵溶劑介入離子對后，正負(fù)離子被溶劑隔開。⑶離解的離子為自由離子。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。三.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)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-Nu構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(R)-(-)-2-辛烷[α]25D=-34.25°對映體的純度=100%(S)-(-)-2-辛醇[α]25D=-9.90°對映體的純度=100%α=+33.0°α=+31.1°α=-19.9°α=+33.0°α=+31.1°α=-19.9°α=+23.5°SN1機(jī)理試劑從正碳離子的兩面進(jìn)攻中心碳原子，形成一對外消旋產(chǎn)物。正碳離子越穩(wěn)定，消旋化程度越大消旋化(Racemization)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，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)會增大，故構(gòu)型轉(zhuǎn)化增多 。請思考：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)新戊基鹵代烷幾乎不發(fā)生SN2反應(yīng)：轉(zhuǎn)變過程中，中心碳原子由底物同4個基團(tuán)相連轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛇^渡態(tài)的同5個碳原子相連，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，Nu:難于從背后接近底物。SN1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。當(dāng)中心碳原子與雜原子直接相連時(R-ZCH2-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，所形成的正碳離子，因共軛效應(yīng)而被穩(wěn)定。供電子和吸電子基團(tuán)的影響

芐基型化合物：能使碳正離子穩(wěn)定的取代基，使反應(yīng)速度增加。α位的雙鍵、三鍵及芳基的影響

反應(yīng)物R—X中R為乙烯基、乙炔基和芳基時，無論SN1或SN2反應(yīng)都很慢或完全不反應(yīng)。不活潑的原因有二：一、sp雜化和sp2雜化碳原子的電負(fù)性較sp3雜化碳原子高，對電子具有一定的吸引力，因此，sp雜化及sp2雜化碳原子較sp3雜化碳原子難于失去離去基團(tuán)和電子對；二、離去基團(tuán)具有未共用電子對時，能與π鍵發(fā)生共軛作用，使C-X鍵大大加強(qiáng)。

β位雙鍵的影響

當(dāng)β位有雙鍵時，SN1反應(yīng)速率有很大的增加，如當(dāng)作用物為烯丙基和芐基類化合物時，SN1反應(yīng)極迅速。這是由于形成的相應(yīng)碳正離子穩(wěn)定之故：

烯丙基和芐基類化合物的SN2反應(yīng)速率也加快，也是由于過渡態(tài)中共軛效應(yīng)的原因。炔丙基型化合物中β位叁鍵具有和芐基類化合物的類似活潑性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速度RBr

在水中50°時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。（二）親核試劑的強(qiáng)度Nu:在SN2反應(yīng)中起著重要作用NuNu-:CH3O-,HO-,I-Nu: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)。A.當(dāng)進(jìn)攻原子為同一原子時，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。

當(dāng)試劑中進(jìn)攻的原子不同時，試劑的親核性強(qiáng)度順序與堿性有時不同：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，原子的可極化度越大，試劑的親核性越強(qiáng)：F-<Cl-<Br-<I-R-O-<R-S-<R-Se-D.當(dāng)親核試劑中取代基的空間效應(yīng)較大時，則不利于試劑接近底物分子。因此，對于試劑的親核性，取代基的空間效應(yīng)大于其電子效應(yīng)：堿性很強(qiáng)，負(fù)電荷也很集中，但由于烷基具有較大的空間效應(yīng)，故其親核性很弱。親核性依次減小同理：親核性依次減弱，堿性依次增強(qiáng)。

對于SN1反應(yīng)，親核試劑不參與速率控制步驟，因此影響較小。但對于SN2反應(yīng)，親核試劑親核性能的強(qiáng)弱將對SN2反應(yīng)的速率產(chǎn)生極大的影響。親核試劑都有未共用電子對，是路易斯堿。一般說來，試劑的堿性強(qiáng)，親核能力也強(qiáng)，但堿性與親核性不完全等同。第一，堿性是指試劑對質(zhì)子的親合能力，而親核性則是指試劑在形成過渡態(tài)時對碳原子的親合能力；第二，堿性是指對熱力學(xué)平衡的影響，與平衡常數(shù)有關(guān)；而親核性則意味著對動力學(xué)過渡態(tài)情況，直接影響反應(yīng)速率；第三，堿性很少受到空間因素影響，而親核性對空間效應(yīng)的影響很敏感。（三）離去基團(tuán)(Leavinggroups)離去基團(tuán)帶著一對電子離開中心碳原子，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。1)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。TsOHMsO-CF3SO3-是最好的離去基團(tuán)。2)成鍵原子的可極化度越大，離去基團(tuán)越易離去。的溶劑解的相對速率為：FClBrI可極化度依次增大（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。介電常數(shù)是衡量溶劑隔離正負(fù)離子的能力，即：溶劑穩(wěn)定離子的能力。（μ＝0）μ－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,HMPT質(zhì)子型溶劑通過氫鍵締合非質(zhì)子型溶劑通過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。氫原子鍵合在電負(fù)性較大的原子上。SN1反應(yīng)：

一個中性化合物離解為兩個帶電荷的離子，溶劑極性的提高，將穩(wěn)定正碳離子，使反應(yīng)速率加快。SN2反應(yīng)：

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)速稍有降低。在質(zhì)子型溶劑中：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->H2OSN2反應(yīng)常在極性非質(zhì)子型溶劑中進(jìn)行。

極性非質(zhì)子型溶劑(PolarAproticSolvents)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

(Hexamethylphosphorictriamide)在極性非質(zhì)子型溶劑中，X-的反應(yīng)活性順序?yàn)椋篎->Cl->Br->I-這與在質(zhì)子型溶劑中的順序相反。質(zhì)子型溶劑與非質(zhì)子型溶劑對SN2反應(yīng)的影響：溶劑k2DMF3×103CH3OH3×10-2問題：下列反應(yīng)在哪種溶劑中易于進(jìn)行，是DMF還是

CH3OH?為什么？五、鄰基參與

在親核取代反應(yīng)中，某些取代基當(dāng)其位于分子的適當(dāng)位置，能夠和反應(yīng)中心部分地或完全地成鍵形成過渡態(tài)或中間體，從而影響反應(yīng)的進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱為鄰基參與（Neighboringgroupparticipation）?！ǔ０延捎卩徎鶇⑴c作用而使反應(yīng)加速的現(xiàn)象稱為鄰基協(xié)助或鄰基促進(jìn)?！羿徎鶇⑴c作用發(fā)生在決速步驟之后，此時只有鄰基參與作用而無鄰基促進(jìn)?！徎鶇⑴c的結(jié)果，或?qū)е颅h(huán)狀化合物的生成，或限制產(chǎn)物的構(gòu)型，或促進(jìn)反應(yīng)速率異常增大，或幾種情況同時存在?！馨l(fā)生鄰基參與作用的基團(tuán)通常為具有未共用電子對的基團(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。鄰基參與的類型有：

n電子參與、π電子參與和σ電子參與等。這些基團(tuán)包括COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl。

（一）n參與

當(dāng)分子中存在具有未共用電子對的基團(tuán)，并且位于離去基團(tuán)的β位置或更遠(yuǎn)時，這種化合物在取代反應(yīng)過程中保持原來的構(gòu)型。這就是n參與的結(jié)果。

上述這些鄰基參與歷程是由兩個連續(xù)的SN2反應(yīng)進(jìn)行的，每次反應(yīng)都引起構(gòu)型轉(zhuǎn)化，總結(jié)果是構(gòu)型保持。第一步，鄰基作為親核試劑進(jìn)行分子內(nèi)的親核進(jìn)攻，促進(jìn)離去基團(tuán)L離去；第二步為外部的親核試劑Nu-再取代鄰基Z而得到產(chǎn)物。

鄰基Z比外部