親核取代堿性親核.ppt

1、第五章,取代反應(yīng),、脂肪族親核取代反應(yīng),連接在飽和碳原子上的一個原子或基團被另外一個帶負電或帶有孤對電子的中性的原子或基團取代的過程。,親核取代反應(yīng)的四種類型：,溶劑（分）解反應(yīng): 當親核試劑（Nu:）是溶劑時，所發(fā)生的親核取代反應(yīng)。,溶劑解反應(yīng) 屬于類型 1 的反應(yīng),親核試劑 (Nu)：帶負電荷的離子或帶未共用電子對的中性分子。 底物：反應(yīng)中接受試劑進攻的物質(zhì)。 離去基團：帶著一對電子離去的分子或負離子。,1 親核取代反應(yīng)機理,一、SN1 機理,反應(yīng)分兩步進行,第一步 正碳離子的生成：是決定反應(yīng)速率的一步。,第二步 親核試劑進攻正碳離子：,第一步：,反應(yīng)的第一步是鹵代烴電離生成活性中間體碳正

2、離子，碳正離子，再與堿進行第二步反應(yīng)生成產(chǎn)物。故SN1反應(yīng)中有活性中間體碳正離子生成。,溴代叔丁烷的水解,第二步：,SN1反應(yīng)的能量變化,A,B,C,D,E,第一步反應(yīng)的活化能E1，比第二步反應(yīng)的活化能E2大得多，因此第一步是決定反應(yīng)速率的慢步驟。在慢步驟中只有叔丁基溴參加，稱為單分子親核取代反應(yīng)，用SN1表示。,例如： 二苯基氯甲烷在丙酮中的水解反應(yīng)：,按SN 1 機理進行反應(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,SN1反應(yīng)的特征有重排產(chǎn)物生成,二、 SN 2 機理,溴甲烷在80%乙醇溶液中水解速度很慢，若在80%乙醇溶液中加入堿，水解速率隨OH-濃度的增加而加快

3、。,反應(yīng)速率=kCH3BRr OH-,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)-SN2,二級反應(yīng),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。 兩者達到平衡時，體系能量最高。其狀態(tài)為過渡態(tài)。,SN2反應(yīng)的能量變化,按 SN 2 機理進行的底物特征： 不被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烷及其衍生物，伯鹵代烷。,SN1反應(yīng)與SN2反應(yīng)的區(qū)別,三、 離子對機理,介于 SN1 與 SN2 機理之間，叫做處于“交界狀況”的反應(yīng)。,動力學(xué)： 一級反應(yīng) 立體化學(xué)產(chǎn)物：95% 外消旋化，屬SN1 ，5% 構(gòu)型轉(zhuǎn)化，屬SN2,加入CH3ONa，使反應(yīng)速度加快，應(yīng)是S

4、N2 動力學(xué)： 即不是SN1，也不是 SN2,提高親核試劑濃度, 解離的正負離子形成緊密的離子對，整個離子對被溶劑化。, 溶劑介入離子對后，正負離子被溶劑隔開。, 離解的離子為自由離子。,三個階段：,四、分子內(nèi)親核取代反應(yīng)機理 SNi,ROH + SOCl2 RCl 反應(yīng)的立體化學(xué)特征：構(gòu)型保持 說明：反應(yīng)不是 SN1 - 外消旋化 SN2 - 構(gòu)型翻轉(zhuǎn),是分子內(nèi)親核取代反應(yīng)機理 SNi,有些特殊結(jié)構(gòu)的分子，離去基團的其中一部分作為親核體能進攻作用物，同時該部分和離去基團的其余部分脫離，形成產(chǎn)物。,分子內(nèi)親核取代反應(yīng)定義 ：,氯代亞磺酸烷基酯的分解過程分兩步,離去基團的一部分從正面進攻C+，保

5、持構(gòu)型。,支持這一機理的依據(jù)：,乙醚,由于乙醚弱極性，在開始生成的HCl，大部分溢出，未以離子狀態(tài)存在；,取代一步：Cl 來自氯代亞磺酸烷基酯的分解在乙醚中，不利于電荷的分離，在離子對中， Cl 將帶著一對電 子從正面進攻R+的中心碳原子，從而保持構(gòu)型不變。,吡啶,開始生成的HCl，會與吡啶結(jié)合成鹽 ， 使Cl 游離出來成為有效的親核試劑；,取代一步： Cl 從離去基團的背面進攻中心碳原子，從而使構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。,2 常見的親核取代反應(yīng)體系,鹵代烷與氫氧化鈉、醇鈉或酚鈉、硫脲、硫醇鈉、羧酸鹽和氨或胺等發(fā)生親核取代反應(yīng)，生成醇、醚、硫醇、硫醚、羧酸酯和胺；,醇可與氫鹵酸、鹵化磷或氯化亞砜作用，生成鹵代

6、烴；,鹵代烷被氫化鋁鋰還原為烷烴，是負氫離子對反應(yīng)物中鹵素的取代；,1. 水解反應(yīng),鹵代烴親核取代反應(yīng),2. 與氰化鈉作用,3. 與醇鈉作用,這是制備醚類化合物常用的方法，稱為williamson 合成法。反應(yīng)中所用的鹵代烷通常為伯鹵代烷。例如：,4. 與氨作用,5. 與硝酸銀作用,鹵素不同的鹵代烷發(fā)生親核取代反應(yīng)的活性順序為：RIRBrRCl。,當鹵原子相同，烴基結(jié)構(gòu)不同時，其活性順序為：321。,6. 鹵離子互換反應(yīng),鹵素相同、烴基結(jié)構(gòu)不同的鹵代烷，其活性順序為：123。,醇的親核取代反應(yīng),1.與氫鹵酸反應(yīng),由于醇羥基不是好的離去基團，其親核取代反應(yīng)一般要在酸性催化下進行，羥基質(zhì)子化后以水

7、的形式易于離去。,HX的反應(yīng)活性：HIHBrHCl,反應(yīng)速度與氫鹵酸的親反應(yīng)活性有關(guān),Lucas試劑（濃鹽酸和無水氯化鋅）可用于區(qū)別伯、仲、叔醇，但一般僅適用于36個碳原子的醇。,原因： 12個碳的產(chǎn)物（鹵代烷）的沸點低，易揮發(fā)。 大于6個碳的醇（芐醇除外）不溶于盧卡斯試劑，易混淆實驗現(xiàn)象。,醇的活性次序：,反應(yīng)速度與醇的結(jié)構(gòu)有關(guān),2、與鹵化磷和亞硫酰氯反應(yīng),醇與PX3作用生成鹵代烴的反應(yīng)，通常是按SN2歷程進行的。,反應(yīng)的立體化學(xué)特征：構(gòu)型反轉(zhuǎn)。,反應(yīng)的立體化學(xué)與反應(yīng)機理相關(guān) 當親核取代反應(yīng)發(fā)生在C*上時， 可能存在三種立體化學(xué)途徑： 構(gòu)型保持、構(gòu)型翻轉(zhuǎn)、外消旋化 但結(jié)果并不永遠是明確的，在

8、某些反應(yīng)中，可發(fā)生兩種立體化學(xué)途徑，但程度不等。,3 親核取代反應(yīng)的立體化學(xué),一、SN1 取代反應(yīng)的立體化學(xué),碳正離子，sp2雜化,平面結(jié)構(gòu),空p軌道，理論是產(chǎn)物外消旋化。,因：SN1反應(yīng)第一步生成的碳正離子為平面構(gòu)型（正電荷的碳原子為sp2雜化的）。,第二步親核試劑向平面任何一面進攻的幾率相等。,這種現(xiàn)象與下列因素有關(guān):,事實上，外消旋化的同時往往伴隨著構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物,正碳離子的穩(wěn)定性 正碳離子越穩(wěn)定，外消旋化比例越大。 當C+不是足夠穩(wěn)定時，由于L 的屏蔽效應(yīng)， Nu:從 L 背后進攻中心碳原子的機會增大，故構(gòu)型轉(zhuǎn)化增多。,溶劑（影響較為復(fù)雜） 一般，溶劑的親核能力越強，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的比例越大,

9、實驗結(jié)果表明： 1C 類化合物親核取代，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)率最高； 2C 類化合物親核取代（強親核試劑）構(gòu)型翻轉(zhuǎn)率很高； 3C 類化合物親核取代，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)率不高。,3、親核試劑的濃度 親核試劑濃度越大，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的比例越大,1） 異面進攻反應(yīng)（Nu-從離去基團L的背面進攻反應(yīng)中心）,2） 構(gòu)型翻轉(zhuǎn) （產(chǎn)物的構(gòu)型與底物的構(gòu)型相反瓦爾登Walden轉(zhuǎn)化）。,二、SN2 取代反應(yīng),三、分子內(nèi)親核取代反應(yīng),從立體化學(xué)角度看，分子內(nèi)親核取代反應(yīng)的立體化學(xué)特征是中心碳原子的構(gòu)型保持不變，即反應(yīng)物和產(chǎn)物的構(gòu)型相同。,4 影響親核取代反應(yīng)活性的因素,影響親核取代反應(yīng)活性的主要因素是： 烴基的結(jié)構(gòu) 親核試劑的濃度與反應(yīng)活性

10、 離去基團的性質(zhì) 溶劑效應(yīng),一、烴基結(jié)構(gòu)的影響,一般，電子效應(yīng)對SN1機理影響更大 空間效應(yīng)對SN2機理影響更顯著,1、對于 SN1 反應(yīng)：,影響反應(yīng)速率的重要因素： 反應(yīng)物解離的難易程度 生成的C+的穩(wěn)定性,3C+ 2C+ 1C+ CH3+,C+ 的穩(wěn)定性 C+越穩(wěn)定，對SN1 越有利。 所有使C+穩(wěn)定的因素，都能使 SN1 的反應(yīng)速率增大： 電子效應(yīng) -主要的,p - 超共軛效應(yīng),電子效應(yīng),當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：,當中心碳原子與苯基或乙烯基直接相連時， 生成的C+穩(wěn)定，-共軛 SN1反應(yīng)速率增大, 反應(yīng)活性增大。,正碳離子因共軛效應(yīng)而被

11、穩(wěn)定。,對于SN1反應(yīng)來說，在速度控制步驟的解離過程中，中心碳原子由原來的sp3雜化的四面體變?yōu)閟p2雜化的平面或近于平面的碳正離子，一定程度解除了擁擠狀態(tài),中心碳原子上取代基越多，取代基體積越大，過渡態(tài)中擁擠狀態(tài)減輕的相對程度就更大，速率的增加也就更顯著。, 空間效應(yīng),基團擁擠,擁擠程度減少,SN1反應(yīng)的速度是：,例如：實驗測得,按SN1歷程進行的反應(yīng)，碳原子的分支使反應(yīng)速率增加。主要原因是碳正離子的穩(wěn)定性，通常 3C+ 2C+ 1C+ CH3+ 位的分支對于SN1反應(yīng)速率的影響較小，通常是分支加大，SN1反應(yīng)速率僅略有增加。,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)

12、,2、對于SN 2反應(yīng)：, 空間效應(yīng),SN2反應(yīng)理想的過渡態(tài)，具有五配位中心碳原子上的三角雙錐幾何形狀，空間因素對反應(yīng)有顯著影響：,反應(yīng)中心碳原子上烷基數(shù)目越多，烷基體積越大，過渡態(tài)的中心碳原子周圍越擁擠，反應(yīng)速率降低。,對于SN2歷程的反應(yīng)，或碳上有分支、空間位阻愈大，都使反應(yīng)速率減慢。,碳上有分支,結(jié)論： - C上烴基， SN2反應(yīng)速率。,碳上有分支,結(jié)論：- C上烴基， SN2反應(yīng)速率。,當溴乙烷的位上有一個甲基時,由于碳碳鏈可以轉(zhuǎn)動, 因此甲基可以部分的避免空間位阻而進行反應(yīng),當位上有三個甲基時,相當擁擠,進入基團很難與碳原子接觸,反應(yīng)速率很小。,因此，新戊基鹵代烷幾乎不發(fā)生SN 2反

13、應(yīng)：,電子效應(yīng)不是影響 SN2 反應(yīng)速率的主要因素 但在某些情況下，其影響卻是明顯的,-C 上連有 、 、酰基時， SN2 反應(yīng)速度明顯加快。, 電子效應(yīng),實際：芐基型、烯丙基型化合物無論對 SN1、 SN2 都有利， 反應(yīng)視具體情況而定， 一般說來，更容易進行 SN1 反應(yīng) 較強的 Nu- 更有利于 SN2 反應(yīng) 較特殊的是-鹵代酮，只有利于 SN2 反應(yīng),歸納：普通鹵代烴的SN反應(yīng),2、對SN1反應(yīng)是3RX 2RX 1RX CH3X,1、對SN2反應(yīng)是CH3X 1RX 2RX 3RX,4、烯丙基型鹵代烴既易進行SN1反應(yīng)，也易進行SN2反應(yīng)。,5、 橋頭鹵代的橋環(huán)鹵代烴既難進行SN1反應(yīng)，

14、也難進行SN2反應(yīng)。,3、叔鹵代烷主要進行SN1反應(yīng)，伯鹵代烷SN2反應(yīng)，仲鹵代烷兩種歷程都可，由反應(yīng)條件而定。,對于橋環(huán)鹵代烷，當X位于橋頭碳上時， 無論是SN1反應(yīng)，還是SN2反應(yīng)，均難以發(fā)生。如：,二、親核試劑的影響,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。 對于SN2反應(yīng)，親核試劑親核性能的強弱將對SN2反應(yīng)的速率產(chǎn)生極大的影響。,Nu,1、對反應(yīng)速率的影響,一般，對于給定的反應(yīng)底物， Nu- 的親核能力越強， 反應(yīng)按 SN2 機理形成過渡態(tài)所需活化能越低， SN2 反應(yīng)越快。,2、影響Nu-親核能力大小的因素,規(guī)律：,帶有負電荷的試劑的親核性強于它的共軛酸： OH

15、H2O, CH3O- CH3OH,帶負電荷的試劑，負電荷越集中，親核性越強； 中性的試劑，進攻的原子電子云密度越集中，親核性越強。, 堿性 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，親核能力也強， 、但堿性與親核性不完全等同： 堿性：試劑與質(zhì)子結(jié)合的能力； 親核性：試劑與帶有部分正電荷的碳原子結(jié)合的能力。 堿性是指熱力學(xué)平衡的影響 親核性是與動力學(xué)過渡態(tài)情況有關(guān)，直接影響反應(yīng)速率； 堿性很少受到空間因素的影響 親核性對空間效應(yīng)的影響很敏感,、試劑的親核性與堿性大小一致的有下列情況：,a、試劑中親核原子相同時（如）， 其親核性與堿性順序都是： RO HO ArO RCOO

16、ROH H2O 帶負電荷試劑的親核性比其共軛酸大，堿性也強。 HO ArO ， 是因為芳環(huán)與氧共軛， 電子云平均化使負電荷分散的結(jié)果。 ArO RCOO ，是因為 C=O 吸電子的緣故。 b、周期表中同一周期的元素所產(chǎn)生的同類型試劑， 電負性大，親核性小，堿性也小。如： NH2 HO R3C R2N RO F,、試劑的親核性與堿性強弱不一致的有以下三種情況：,a、試劑中的進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。 親核性： RS RO ， RSH ROH ， R3P R3N I- Br- Cl- F- 原因：可極化度大的原子外層電子易變形，更容易進攻 缺電子的碳，形成過渡

17、態(tài)所需的活化能較低，顯 示出較強的親核性，SN2 反應(yīng)易于進行。,b 、溶劑對親核性的影響 溶劑化作用強的試劑，其親核性小。 如：鹵離子 在質(zhì)子性溶劑中，H2O， ROH 親核性：I- Br- Cl- F- 堿性： I- Br- Cl- F- 相反 在非質(zhì)子溶劑中，二甲亞砜、N、N-二甲基甲酰胺 親核性：I- Br- Cl- F- 堿性： I- Br- Cl- F- 一致,原因：在質(zhì)子性溶劑中（水、醇）， 負離子與溶劑分子生成氫鍵而締合， F-、Cl-，體積小、電荷集中，生成的氫鍵牢固， 與溶劑締合的程度大，溶劑化作用大； 而 I- 體積大，電荷分散， 與溶劑締合的程度小，溶劑化作用小。 Nu

18、- 在進攻碳原子前， 必須擺脫包圍在外面的“溶劑殼”， 締合程度小，Nu-脫掉外層溶劑容易，親核性強。,在非質(zhì)子溶劑中 ，二甲基甲酰胺（DMF）、二甲亞砜 (DMSO) 分子內(nèi)有明顯的偶極， 分子正電荷一端被烷基等包圍，空間阻礙大， 負電荷一端裸露在外，因此只締合正離子， 裸露的負離子作為Nu不被溶劑分子包圍， 所以在偶極非質(zhì)子溶劑中，鹵離子親核性次序與堿性一致 實驗表明：在偶極非質(zhì)子溶劑中裸露的負離子親核性 比溶劑化的負離子大得多。 如在 DMF 中，Cl取代的速率比甲醇中快1.2106 倍。,為了加速親核取代反應(yīng)，減少親核試劑的溶劑化作用，常常使反應(yīng)在非質(zhì)子溶劑中進行。 加入冠醚(crow

19、n ether)可明顯地提高負離子的活性，大大促進SN2反應(yīng)。冠醚是最近幾十年發(fā)展起來的具有特殊絡(luò)合性能的化合物。不同結(jié)構(gòu)的冠醚，其空穴尺寸也不同，因而決定它們對金屬離子有較高的絡(luò)合選擇性。例如18-冠-6是有機合成上很有用的冠醚之一，其空穴半徑為2.63.2，和鉀離子半徑(2.66 )相近，與適當大小的金屬離子能形成共平面1:1的大絡(luò)離子，金屬離子被絡(luò)合后，剩下未被溶劑化活性很高的“裸負離子”（naked anion），提高了反應(yīng)活性。,c、試劑的空間因素：,空間位阻大的親核試劑，親核性小。 此時取代基的空間效應(yīng)大于其電子效應(yīng)。 如烷氧負離子親核性大小次序為： CH3O CH3CH2O (CH3)2CHO (CH3)3C