脂肪族取代反應(yīng)

關(guān)于脂肪族取代反應(yīng)親核取代反應(yīng)反應(yīng)通式：R-X＋Nu-R-Nu＋X-R-X＋Z-Y

R-Z＋X-Y脂肪族化合物的親核取代(1.1)芳香族化合物的親核置換(1.4.3)芳環(huán)上氫的親核取代(1.4.2)第2頁,共69頁,2024年2月25日，星期天3在親核取代反應(yīng)里，帶著一對(duì)電子的親核試劑(Nu：)從底物(R—X)中取代一個(gè)被置換的基團(tuán)(X)，X帶著其成鍵電子對(duì)離開。反應(yīng)通式為：最經(jīng)典的是鹵代烷與許多親核試劑發(fā)生親核取代反應(yīng)，生成相應(yīng)的醇、醚、腈、胺等化合物。具體見課本表1-1。第3頁,共69頁,2024年2月25日，星期天4一、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與歷程脂肪族親核取代反應(yīng)，依據(jù)底物、親核試劑、離去基團(tuán)和反應(yīng)條件可以按幾種不同的機(jī)理進(jìn)行。在飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)中，最常見的是SNl和SN2機(jī)理。第4頁,共69頁,2024年2月25日，星期天51.1雙分子SN2機(jī)理對(duì)鹵代烷的水解反應(yīng)研究較多，以此為例：第5頁,共69頁,2024年2月25日，星期天6XNuXNuXNuXNu第6頁,共69頁,2024年2月25日，星期天關(guān)鍵過渡態(tài)機(jī)理的證明：1）二級(jí)動(dòng)力學(xué)：2）光學(xué)活性（即旋光性）物質(zhì)會(huì)發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)變。X第7頁,共69頁,2024年2月25日，星期天8光學(xué)活性2-碘代辛烷和同位素標(biāo)記的碘負(fù)離子在丙酮中進(jìn)行交換反應(yīng)，形成含有標(biāo)記碘的對(duì)映體。第8頁,共69頁,2024年2月25日，星期天9第9頁,共69頁,2024年2月25日，星期天101.2單分子SN1機(jī)理第10頁,共69頁,2024年2月25日，星期天11叔丁基溴水解生成叔丁醇的反應(yīng)遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)速度僅僅取決于叔丁基溴的濃度，而不受OH-濃度的影響。第11頁,共69頁,2024年2月25日，星期天12由于控制反應(yīng)速度的一步是單分子，因此這種反應(yīng)稱單分子親核取代反應(yīng)。第12頁,共69頁,2024年2月25日，星期天事實(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X的屏蔽效應(yīng)，Nu:從X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 。第13頁,共69頁,2024年2月25日，星期天1.3混合SN1和SN2的機(jī)理(了解）在一組指定的反應(yīng)條件下，一個(gè)指定的底物的某些反應(yīng)表現(xiàn)SN2機(jī)理的特征，而另外一些反應(yīng)卻按SN1機(jī)理進(jìn)行，但是時(shí)常有些情況似乎是在邊緣區(qū)域，不容易分辨。對(duì)于這種情況曾經(jīng)有兩種解釋，一種理論認(rèn)為這種情況是由于反應(yīng)機(jī)理不是“純的”SN1，也不是“純的”SN2，而是“在二者之間”的一種機(jī)理；另一種理論認(rèn)為根本沒有中間機(jī)理，這種難以確定的情況是由于同時(shí)進(jìn)行的SNl和SN2兩種機(jī)理引起的，亦即在同一反應(yīng)混合物中，有的分子按SNl機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)，而另外一些分子按SN2機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)。第14頁,共69頁,2024年2月25日，星期天Sneen提出一個(gè)基本機(jī)理(離子對(duì)機(jī)理)可以把所有的SN1和SN2反應(yīng)都容納進(jìn)去。作用物首先離解成為中間離子對(duì)，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品：SN1和SN2機(jī)理之間的區(qū)別在于：在SNl機(jī)理中離子對(duì)的形成(k1)是速度決定步驟，而在SN2機(jī)理中離子對(duì)的“消失”(k2)是速度決定步驟。離子對(duì)的形成速度和消失速度在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，則出現(xiàn)邊緣表現(xiàn)。第15頁,共69頁,2024年2月25日，星期天16第16頁,共69頁,2024年2月25日，星期天例：光學(xué)活性甲烷磺酸-2-辛酯在25%1,4—二氧六環(huán)水溶液中溶劑解，形成2-辛醇，大約95％構(gòu)型轉(zhuǎn)化。加入0.0462M疊氮離子，得到產(chǎn)品的31%是2-辛基疊氮化合物(其他69%是構(gòu)型轉(zhuǎn)化了的2-辛醇)，但是對(duì)溶劑解速度(原料磺酸酯消失的速度)也沒影響。第17頁,共69頁,2024年2月25日，星期天18可行的機(jī)理SN1第18頁,共69頁,2024年2月25日，星期天1.4鄰位基團(tuán)機(jī)理(非經(jīng)典碳正離子機(jī)理)在某些作用物的親核取代反應(yīng)里：(1)反應(yīng)速度比預(yù)期的大；(2)在手性碳原子上，構(gòu)型保持不變，既不轉(zhuǎn)化也不消旋。在這些情況里，時(shí)常是在離去基團(tuán)的β-位置(有時(shí)更遠(yuǎn)一些)有一個(gè)帶有未共用電子對(duì)的基團(tuán)。在這種反應(yīng)里，運(yùn)行的機(jī)理叫作鄰位基團(tuán)機(jī)理。自學(xué)第19頁,共69頁,2024年2月25日，星期天第20頁,共69頁,2024年2月25日，星期天溶劑解產(chǎn)物構(gòu)型不變第21頁,共69頁,2024年2月25日，星期天第22頁,共69頁,2024年2月25日，星期天23二、脂肪族親核取代反應(yīng)的影響因素1.底物結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)的影響SN1和SN2之間沒有明顯的界限，常放在一起討論。（1）電子效應(yīng)SN1機(jī)理取決于碳正離子的穩(wěn)定性。分子的離解能低和離去基團(tuán)的電子親和力大有利于單分子機(jī)理。第23頁,共69頁,2024年2月25日，星期天第24頁,共69頁,2024年2月25日，星期天誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)越強(qiáng)，分子的離解能越低。有利于SN1反應(yīng)。芐基,烯丙基離子>叔丁基離子>仲丙基離子>伯正離子第25頁,共69頁,2024年2月25日，星期天（2）空間效應(yīng)第26頁,共69頁,2024年2月25日，星期天對(duì)SN2反應(yīng)來說，2-溴異丁烷反應(yīng)性能比溴甲烷的小約2×104倍，而溴代新戊烷的則小約2.5×106倍。橋頭化合物，如雙環(huán)[2.2.1]衍生物無論在SN2條件(強(qiáng)親核試劑和高濃度)下，或是在SN1條件(銀離子親電催化)下，都是非常不活潑的。第27頁,共69頁,2024年2月25日，星期天綜合電子效應(yīng)和空間效應(yīng)各類型結(jié)構(gòu)SN活性第28頁,共69頁,2024年2月25日，星期天（3）離去基團(tuán)效應(yīng)離去基團(tuán)接受負(fù)電荷能力越強(qiáng)，越有利于SN1機(jī)理。2-取代異丁烷在80%乙醇中，取代基的相對(duì)離去能力第29頁,共69頁,2024年2月25日，星期天影響離去基團(tuán)離去能力的因素在SN2中的作用和在SN1中的作用相似。離去基團(tuán)對(duì)SNl和SN2反應(yīng)的影響第30頁,共69頁,2024年2月25日，星期天2.親核試劑對(duì)反應(yīng)的影響一個(gè)分子或負(fù)離子從碳原子取代離去基團(tuán)的能力叫作親核性。親核性是給電子能力的函數(shù)，也是使親核試劑脫離溶劑化需要的能量的函數(shù)。1）堿性強(qiáng)度與親核性大小可能不一致。例如，乙氧離子的堿性比碘離子的強(qiáng)，而碘離子的親核性比乙氧離子的大。一般情況下，親核試劑的堿性越強(qiáng)，親核能力越強(qiáng)。第31頁,共69頁,2024年2月25日，星期天2）容易極化的親核試劑的親核性比較大。3）親核試劑的體積加大，親核性差。4）親核性與溶劑有關(guān)。甲醇中:I->Br->Cl-DMF中:Cl->Br->I-第32頁,共69頁,2024年2月25日，星期天3.溶劑效應(yīng)對(duì)反應(yīng)的影響對(duì)SN1反應(yīng):提高溶劑極性有利于SN1反應(yīng)進(jìn)行。

一個(gè)中性化合物離解為兩個(gè)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。第33頁,共69頁,2024年2月25日，星期天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)速度稍有降低。XXX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。第34頁,共69頁,2024年2月25日，星期天35在質(zhì)子型溶劑中，試劑的親核性強(qiáng)度順序?yàn)椋篟S->ArS->I->CN->OH->N3->Br->ArO->Cl->吡啶>ArO->H2O第35頁,共69頁,2024年2月25日，星期天SN2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)第36頁,共69頁,2024年2月25日，星期天37三、氧親核試劑的反應(yīng)1.酯的水解酯水解、羧酸的酯化、酯交換、酰胺的水解等OR’是一個(gè)較難的離去基團(tuán)，所以單用水不能使多數(shù)酯水解。用堿催化時(shí)，進(jìn)攻試劑是OH-，反應(yīng)生成鹽，稱皂化反應(yīng)。第37頁,共69頁,2024年2月25日，星期天382.羧酸的酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，使反應(yīng)向右進(jìn)行的方法：？？催化劑？？第38頁,共69頁,2024年2月25日，星期天393.酯的醇解(酯交換反應(yīng))應(yīng)用：聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯的合成第39頁,共69頁,2024年2月25日，星期天404.酰鹵的醇解是制取酯的較好的方法。R和R’可以是伯、仲、叔烷基或芳基，當(dāng)位阻效應(yīng)大時(shí)，可用烷氧化物代替醇。反應(yīng)過程中常用堿水來中和HX，也常用吡啶、三乙胺等作為“縛酸劑”來捕獲HX。第40頁,共69頁,2024年2月25日，星期天41農(nóng)藥多菌靈的中間體氯甲酸甲酯的合成通過光氣和甲醇反應(yīng)第41頁,共69頁,2024年2月25日，星期天42四、硫親核試劑的反應(yīng)硫親核試劑比氧親核試劑更為快速和平穩(wěn)。氯代烷與亞硫酸鹽反應(yīng)，可生產(chǎn)相應(yīng)的烷基磺酸鹽（陰離子表面活性劑）第42頁,共69頁,2024年2月25日，星期天43環(huán)氧化合物與亞硫酸氫鹽發(fā)生開環(huán)，得到β-羥基磺酸。例：羥乙基磺酸鈉第43頁,共69頁,2024年2月25日，星期天44五、氮親核試劑的反應(yīng)1.氨或胺的烷基化（N-烷基化反應(yīng)）由于生成的伯胺及仲胺的堿性均比氨更強(qiáng)，所以反應(yīng)一般不會(huì)停留在伯胺或仲胺階段。但不是完全不可能，例如采用大量過量的氨進(jìn)行反應(yīng)時(shí)。另外別的效應(yīng)也可能使伯胺成為一種比氨更弱的堿的時(shí)候。第44頁,共69頁,2024年2月25日，星期天452.環(huán)氧化合物的胺化第45頁,共69頁,2024年2月25日，星期天46六、鹵素親核試劑的反應(yīng)醇與鹵素親核試劑反應(yīng)是合成鹵代烷最適用的方法，常用的試劑是HX，無機(jī)酰鹵等。第46頁,共69頁,2024年2月25日，星期天47七、在磺酰基硫上的親核取代反應(yīng)磺酰氯、磺酸酯及磺酰胺的水解。第47頁,共69頁,2024年2月25日，星期天48第一章有機(jī)合成反應(yīng)理論精細(xì)化工單元反應(yīng)的分類有機(jī)反應(yīng)的基本過程脂肪族親核取代反應(yīng)理論脂肪族親電取代反應(yīng)理論芳香族親電取代反應(yīng)理論芳香族親核取代反應(yīng)理論自由基反應(yīng)第48頁,共69頁,2024年2月25日，星期天49脂肪族親電取代反應(yīng)是指符合以下反應(yīng)通式的反應(yīng)：其中：R為脂肪族；離去基團(tuán)X為外層電子層雖然缺少一對(duì)電子但是比較穩(wěn)定的原子或原子團(tuán)，常見的為質(zhì)子和金屬離子。E為親電試劑。酸性比較強(qiáng)的物質(zhì)上的質(zhì)子體系、金屬有機(jī)化合物以及一些能夠脫掉質(zhì)子或碳正離子的烴類或胺類是典型脂肪族親電取代反應(yīng)的體系。第49頁,共69頁,2024年2月25日，星期天50一、脂肪族親電取代反應(yīng)的反應(yīng)歷程目前對(duì)脂肪族親電取代反應(yīng)機(jī)理的了解是比較少的。但是確認(rèn)了四種可能的主要機(jī)理，SE1，SE2(前邊)，SE2(背后)和SEi。SE1是按單分子機(jī)理進(jìn)行的親電取代反應(yīng)，其他都是按雙分子機(jī)理進(jìn)行的。1.雙分子SE2和SEi機(jī)理第50頁,共69頁,2024年2月25日，星期天雙分子SE2機(jī)理第51頁,共69頁,2024年2月25日，星期天雙分子SEi機(jī)理這三種機(jī)理是很難區(qū)分的。它們都表現(xiàn)為二級(jí)動(dòng)力學(xué)，其中兩個(gè)機(jī)理SE2(前邊)和SEi保持構(gòu)型不變，立體化學(xué)研究可以區(qū)分它們與SE2(后邊)反應(yīng)。許多報(bào)導(dǎo)都表明這種二級(jí)親電取代反應(yīng)中的絕大多數(shù)都保持構(gòu)型不變，或者反映其他從前邊進(jìn)攻的跡象，因而這些反應(yīng)是按SE2(前邊)或SEi機(jī)理進(jìn)行的。第52頁,共69頁,2024年2月25日，星期天溴-鋰交換反應(yīng)就是這種情況。光學(xué)活性2-甲基-1-溴代環(huán)丙烷與丁基鋰作用形成的2-甲基環(huán)丙基鋰保持構(gòu)型不變。第53頁,共69頁,2024年2月25日，星期天542.單分子SE1機(jī)理

例1有羰基的碳?xì)浠衔锏膲A催化的反應(yīng)：第54頁,共69頁,2024年2月25日，星期天例2在堿催化的互變異構(gòu)中的氫—重氫交換反應(yīng)：在這個(gè)反應(yīng)里重氫交換速度和消旋速度一樣，并且有同位素效應(yīng)。第55頁,共69頁,2024年2月25日，星期天563.親電取代伴隨雙鍵移動(dòng)當(dāng)親電取代發(fā)生在烯丙式底物上時(shí)，產(chǎn)物可能重排。重排的兩種途徑：1.第一是離去基團(tuán)先消除，生成共振穩(wěn)定的烯丙基負(fù)離子，然后再發(fā)生親電進(jìn)攻。2.第二條是Y基團(tuán)先進(jìn)攻，產(chǎn)生正碳離子，然后再失去X。P13第56頁,共69頁,2024年2月25日，星期天57二、氫作離去基團(tuán)的反應(yīng)1.雙鍵及三鍵的遷移許多不飽和的雙鍵或三鍵化合物用強(qiáng)堿處理后，分子中的雙鍵或三鍵往往發(fā)生遷移。常得到平衡混合物，大多數(shù)以熱力學(xué)穩(wěn)定的異構(gòu)體為主。一般規(guī)律：末端烯有異構(gòu)化為內(nèi)烯；非共軛成為共軛等第57頁,共69頁,2024年2月25日，星期天582.醛、酮的鹵化醛和酮的α位可用溴、氯或碘取代鹵化對(duì)于不對(duì)稱酮，氯化的順序首先是CH，其次是CH2，然后是CH3，通常得到的是混合物。第58頁,共69頁,2024年2月25日，星期天59反應(yīng)歷程是烯醇或烯醇式離子，以酸催化為例：第59頁,共69頁,2024年2月25日，星期天603.碳作離去基團(tuán)的反應(yīng)一些反應(yīng)中發(fā)生C—C鍵的分裂，把保留電子對(duì)的部分看作底物，因此可以認(rèn)為是親電取代。脂肪酸的脫羧：第60頁,共69頁,2024年2月25日，星期天61第61頁,共69頁,2024年2月25日，星期天624.在氮上親電取代的反應(yīng)親電試劑與氮原子的未共用電子對(duì)結(jié)合。(1)重氮化當(dāng)芳伯胺與亞硝酸反應(yīng)時(shí)，生成重氮鹽。第62頁,共69頁,2024年2月25日，星期天63酸催化下重氮化的歷程：第63頁,共69頁,2024年2月25日，星期天6