第四章 親核取代反應(yīng).ppt

1、第四章 親核取代反應(yīng),迄今為止，人們對親核取代反應(yīng)的了解是在各類有機反應(yīng)中最深入的?，F(xiàn)在利用以這些研究為基礎(chǔ)提出的機理，預(yù)測反應(yīng)的過程和制定最大限度轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的實驗條件。雖然到目前為止，還仍有一些重要的細節(jié)問題沒有弄清楚，但對于整個親核取代反應(yīng)，人們的認識已經(jīng)進入到了相當?shù)膶哟巍?反應(yīng)通式： 底物及親核試劑可以是各種質(zhì)體，包括中性的和帶電荷的，其中最常見的是中性底物與負離子親核試劑之間的反應(yīng)。 A)中性底物中性親核體(常見),B)中性底物負離子親核體(常見) C)正離子底物中性親核體 D)正離子底物負離子親核體,4.1 極限情況SN1 和SN2 歷程 4.1.1 極限情況SN1單分子解離歷程電

2、離機理 親核取代反應(yīng)的電離機理是以底物的異裂為一個三配位的碳正離子和離去基團為決定速度步驟的，歷程如下： 反應(yīng)是一級動力學(xué)的： 反應(yīng)速度與親核試劑濃度Y-無關(guān)，或Y-的性質(zhì)對反應(yīng)速度影響不大。,a，SN1反應(yīng)的特點：1）在動力學(xué)上表現(xiàn)為單分子的一級反應(yīng)；2）反應(yīng)過程中存在一個碳正離子中間體 b, 影響SN1反應(yīng)的因素可分為兩部分： 1）結(jié)構(gòu)因素； 2）介質(zhì)因素。 1）（底物）結(jié)構(gòu)因素： 電子因素： R 上有給電子取代基時， 有利于碳正離子的穩(wěn)定， 從而加速反應(yīng)； 同時X上有吸電子基時，有利于X的離去，對反應(yīng)有利。 立體因素：當R 上有大體積基團時，底物由SP3SP2碳正離子中間體時，張力有所松

3、弛，因此，促進離解對反應(yīng)有利。幾何上妨礙碳正離子平面，不利于反應(yīng)。,2）介質(zhì)因素：溶劑：對中性底物，極性溶劑有利于反應(yīng)； 同離子效應(yīng)：當體系中有外加的離去基團同離子時，逆反應(yīng)速度增加，不利于反應(yīng)； 鹽效應(yīng)：當體系中有加入與離去基團不同的離子時，反應(yīng)介質(zhì)的介電常數(shù)增大，促進電離，有利于反應(yīng)。 c，反應(yīng)的立體化學(xué)結(jié)果：產(chǎn)物最終為外消旋物，無論底物是否為光學(xué)活性。,412 極限情況SN2歷程（直接取代機理） 直接取代機理是一個雙分子協(xié)同機理，其歷程如下： 反應(yīng)速度與底物、 離去基團、親核試劑的 結(jié)構(gòu)與性質(zhì)均有關(guān),SN2歷程的特點： 在動力學(xué)上為二級，為雙分子反應(yīng)，對底物和親核試劑各為一級； 反應(yīng)中沒

4、有中間體，只有活化過渡態(tài)，親核試劑的進攻方向與離去基團離去方向相反，進攻離去同時進行的協(xié)同過程 影響SN2反應(yīng)的因素： 結(jié)構(gòu)因素：過渡態(tài)為五配位，因此，碳上取代基和親核試劑的體積影響較大，體積小，速度快，電子因素影響較復(fù)雜； 介質(zhì)因素：溶劑效應(yīng)較復(fù)雜，對于中性底物和負離子親核試劑，極性溶劑不利于反應(yīng)； 反應(yīng)受親核試劑的親核能力和離去基團離去能力影響較大。 立體化學(xué)結(jié)果：光學(xué)活性底物，100%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。 事實上，大部分親核取代反應(yīng)的實際過程是介于SN1和SN2 之間的。,42 離子對機理 SN1和SN2的判定依據(jù)是動力學(xué)和立體化學(xué)。若溶劑解反應(yīng)，部分立體翻轉(zhuǎn)則很難判斷。 大多數(shù)仲烷基、伯苯甲基和

5、一些仲苯甲基體系等呈交界類型 Winstein提出了離子對的概念，認為在反應(yīng)中存在兩種可區(qū)分的離子對中間體。 電離 離解 緊密離子對 溶劑隔離離子對 離解的離子 親核反應(yīng)可以發(fā)生在任一階段，從而產(chǎn)生不同的立體化學(xué)結(jié)果： 緊密離子對構(gòu)型翻轉(zhuǎn)； 溶劑隔離離子對部分外消旋化； 溶劑化離子完全消旋化。,例： 80%丙酮/水，100時， / =2.3。離子對逆轉(zhuǎn)時構(gòu)型保留的過程占優(yōu)勢。 總的離子對逆轉(zhuǎn)過程的度量； 這個逆轉(zhuǎn)過程的外消旋化程度的度量。 外加NaN3 0.14M時 不變， =0。高度親核活性的疊氮離子，截留了發(fā)生外消旋化的中間體。,在親核取代反應(yīng)中，離子對的概念現(xiàn)已普遍被接受： 粗略地認為三

6、種形式勢能接近，而且相互間的能壘較小 Sneen 提出一元化離子對機理：,43 親核性和溶劑效應(yīng) 親核性是衡量一個路易斯堿對親核取代反應(yīng)速率影響的效應(yīng)。堿性是指對平衡的影響。 親核性大小，對于SN2反應(yīng)來講，決定反應(yīng)速率；對于SN1反應(yīng)，影響產(chǎn)物的分配。 431 影響親核性的因素 親核試劑的溶劑化能越高，親核性越低； Y-C鍵越強，親核能力越強； 親核試劑的有效體積越大，親核能力越低不利于進攻 親核試劑中，直接進攻的原子的電負性越強，親核能力越弱（不易給出電子）： 例如：同一周期中，左右，親核性降低（電負性增強） 親核試劑中，直接進攻的原子的可極化度越大，親核能力越強。 例如：同一族中，上下，

7、親核性增加,432 親核性與堿性 親核性與堿性都是描述給出電子對與親電性質(zhì)體形成新鍵的過程。但堿性只用于平衡（熱力學(xué)）現(xiàn)象；而親核性只用于速率（動力學(xué)）現(xiàn)象。 Swain&Scott 用CH3I 在25時甲醇解作為標準反應(yīng)定義了親核性常數(shù)n, 用來描述親核性的大小。 nMeI=log( k親核體/kMeOH),表： 親核試劑 nCH3I pKa 堿性、親核性并不成正比；如：PhO-堿性比PhS-強，但親核性較弱。 在某些情況下，如親核質(zhì)體不同，但進攻的原子相同時，親核性與堿性是一致的： 如：,433 溶劑效應(yīng) 溶劑化程度對于負離子的親核性影響很大 在有氫鍵極性質(zhì)子溶劑中，硬親核試劑如RO-,

8、Cl-, RNH2比軟親核試劑如RS-,I-,CN-的親核性低 親核取代反應(yīng)在極性非質(zhì)子溶劑中比極性質(zhì)子溶劑中容易發(fā)生。如DMF, DMSO, HMPA,等 在質(zhì)子和非質(zhì)子極性溶劑中，負離子的相對親核性發(fā)生變化： 如： 甲醇中： DMSO:,44 離去基團效應(yīng) 無論是SN1還是SN2歷程，它們的反應(yīng)速度均受離去基團的影響。,與碳相連的原子相同時，則離去基團的離去能力與這個離子的共軛酸的酸性成正比。如： 鹵素負離子的離去能力IBrClF, 而電負性 FClBrI. 離去基團的離去能力對SN1歷程的影響更大于SN2歷程,45 空間因素和其他取代基效應(yīng) 451 空間因素對類SN2 反應(yīng)的影響 （在不

9、利于電離的溶劑中，與強親核試劑反應(yīng)，接近于SN2 歷程） 碳上取代基體積增大，將增加過渡態(tài)的擁擠程度，從而減速反應(yīng)。 例：,452空間因素對類SN1 反應(yīng)的影響 （在介電常數(shù)高而親核性弱的溶劑中反應(yīng)，接近SN1歷程，解離將成為決定因素） 碳上取代基體積越大，在起始物中擁擠程度越大，電離后形成C+離子對時，對擁擠的緩解程度越大，有利于反應(yīng)。 例,張力效應(yīng)：高度支鏈的底物的空間效應(yīng)的影響。但大張力底物往往伴隨著重排或消除反應(yīng)。 46 -取代基效應(yīng)（芳甲基、烯丙基體系） 461 當-位有烯基、苯基時，對SN1, SN2均有利； 462 當反應(yīng)中心的鄰位有吸電子的體系存在時，對SN1, SN2有不同的

10、影響。 對于SN1反應(yīng)，-位有吸電子的體系存在時，不利于碳正離子的穩(wěn)定。因此，-位有氰基、羧基、羰基等取代基時，幾乎不發(fā)生SN1反應(yīng)。但-位有可能提供電子對的雜原子時，將對SN1有利。,對于SN2反應(yīng)，-位有吸電子的體系存在時，反應(yīng)速率是增加的：空間效應(yīng)，羰基對親核試劑進攻的阻礙作用小于烷基；電子效應(yīng)，體系可以與SN2的過渡態(tài)共軛而使之穩(wěn)定。 例：,47 立體化學(xué) 對于極限情況,SN1歷程100%外消旋； SN2是100%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。更多的反應(yīng)是比較復(fù)雜的。甚至相同的底物在不同的介質(zhì)與不同的親核試劑反應(yīng)，也將體現(xiàn)出不同的立體化學(xué)結(jié)果。 例1： 對溴苯磺酸2-辛酯的水解反應(yīng)的立體化學(xué)結(jié)果：,速控步

11、是形成緊密離子對，因此不同的條件下形成不同的產(chǎn)物。隨著碳正離子穩(wěn)定性的增加，外消旋的比例也增加。 例2：在不同的條件下，呈現(xiàn)不同的立體化學(xué)結(jié)果。 與例1相比外消旋的比例增加了，這是由于苯基對碳正離子的穩(wěn)定化作用，使解離能夠進行到溶劑隔離的離子對，然后與親核試劑反應(yīng)而得到產(chǎn)物。,例3：一般認為，叔碳體系的親核取代反應(yīng)為100%外消旋(SN1)的說法并不嚴格，條件不同時，將產(chǎn)生不同的立體化學(xué)結(jié)果。 如：對硝基苯甲酸2-苯基-2-丁酯的水解反應(yīng)： 在弱親核介質(zhì)中，完全解離，形成外消旋產(chǎn)物； 在強親核介質(zhì)中，不到完全解離時， 即發(fā)生反應(yīng)，在緊密離子對即溶劑隔離離子對階段即發(fā)生反應(yīng)，形成構(gòu)型轉(zhuǎn)化及外消旋

12、混合物； 在水中，溶劑隔離離子對階段，由于水與對硝基苯甲酸根之間的氫鍵作用，使水分子在隔離離子對中處于前部，而有利于得到構(gòu)型保持的產(chǎn)物：,例4：在胺經(jīng)重氮化去氨基的反應(yīng)中，取代反應(yīng)與前面的反應(yīng)比較， 立體化學(xué)有很大的不同：,產(chǎn)生結(jié)果的原因： 由于離去基團是氮分子，因此， 立體化學(xué)主要取決于碳正離子的穩(wěn)定性。 伯類化合物中，親核試劑（溶劑化）在候補進攻，因此，凈結(jié)果是構(gòu)型轉(zhuǎn)化占優(yōu)勢；在苯穩(wěn)定的化合物中，雖然生成了碳正離子，但存在時間短，沒有完全對稱溶劑化，產(chǎn)物取決于溶劑的崩潰，因此，在前部崩潰占優(yōu)勢，得到構(gòu)型保留的凈結(jié)果,還有少數(shù)反應(yīng)表現(xiàn)出高度的構(gòu)型保留產(chǎn)物： 例5：二氯亞砜與醇在二氧六環(huán)中的反

13、應(yīng)： 兩次構(gòu)型轉(zhuǎn)化結(jié)果，導(dǎo)致了構(gòu)型保留的立體化學(xué)結(jié)果,48 鄰基參與 分子中親核性的取代基參與了在同一分子中另一部位的取代反應(yīng)稱為鄰基參與。 當一個傾向于進行親核取代反應(yīng)的底物中含有一個能作為親核體的基團時，往往能夠觀察到該反應(yīng)的動力學(xué)和立體化學(xué)所受到的強烈影響。 例1：對甲苯磺酸-2-乙酰氧基環(huán)己酯的順、反異構(gòu)體的溶劑解反應(yīng)。,其原因即為鄰基參與： 51% 說明只有在空間幾何允許的情況下，才能發(fā)生參與作用。,例2： OH 鄰基參與 n=2時，熵值的減少 n=3 時熵值的減少， n=4 時，形成五元環(huán)最有利。,例3：電子參與 anti比syn 快107倍。,例4：苯基處于中心碳的位時，也能進行

14、參與：,赤式和蘇式：,49 碳正離子重排 491 碳正離子的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性 碳正離子在氣相中產(chǎn)生需要吸收大量的熱， 但在溶液中形成時，被所產(chǎn)生的離子的溶劑化所促進，在能量上是允許的。 通過測定氣相中，碳正離子氫化物的親合能，得出碳正離子的穩(wěn)定性次序為： 叔碳 仲碳 伯碳 甲基 -H 230 247 274 314 任何能夠降低碳正離子中心上正電荷的因素都將對碳正離子起穩(wěn)定作用。烯丙基、芐基碳正離子由于電子的離域作用而穩(wěn)定。,芐基碳正離子穩(wěn)定性受苯環(huán)上取代基的電子效應(yīng)影響較大。當對位有給電子的烷氧基或氨基取代基時，起穩(wěn)定化作用；而當對位有吸電子的硝基或氰基取代基時，起去穩(wěn)定化作用。,環(huán)丙基甲基類碳

15、正離子有很好的穩(wěn)定性： 環(huán)丙烷鍵為彎鍵，其鍵具有更多的鍵特征；較小的鍵角使軌道的能量較正常的鍵要高，能更有效地與空p軌道作用： 二等分構(gòu)象能有效重疊。,二甲基環(huán)丙烷正離子的nmr 譜圖出現(xiàn)了兩個不等分的甲基信號，這明確支持了二等分構(gòu)象。 上述穩(wěn)定的碳正離子都是SP2 雜化的平面性結(jié)構(gòu)，當平面性不能滿足時，碳正離子的能量高，穩(wěn)定性下降。 環(huán)的剛性無法滿足平面結(jié)構(gòu)。,另外，烯基，苯基碳正離子都是極不穩(wěn)定的。 碳正離子可用1HNMR 來檢測，由于碳正離子的去屏蔽作用，使碳正離子的化學(xué)位移比相應(yīng)的烷烴在更低場出現(xiàn)吸收峰： 492 碳正離子的重排 由底物離解形成的碳正離子一般有以下結(jié)果：,當介質(zhì)能夠穩(wěn)定

16、碳正離子，如在強極性弱親核性溶劑中，往往發(fā)生重排，重排的傾向是形成更穩(wěn)定的碳正離子。 重排反應(yīng)可以通過烷基、芳基或氫的遷移而發(fā)生，最常見的是1，2-遷移重排。 碳正離子骨架遷移的能壘并不是很高的。 一般遷移能力 H Ar R，但并不是絕對的，往往空間因素和電子因素決定了碳正離子的重排。,在非親核性的介質(zhì)中，碳正離子存活期長，往往可重排到最穩(wěn)定的碳正離子。 在親核性的介質(zhì)中，碳正離子可為親核體所截獲，只有快速的重排反應(yīng)才能發(fā)生， 因此，親核體親核性的大小將決定重排程度。,例1：對甲苯磺酸2-丁酯的溶劑解反應(yīng)： 親核性 CH3CO2H CF3CO2H。重排9%50%,例2：環(huán)己基正離子的重排： 實際上是