飽和C原子上親核取代

1、第三章第三章 飽和碳原子上親核取代反應飽和碳原子上親核取代反應(aliphatic nucleophilic substitution)一一. 反應類型反應類型 二二. 反應機理反應機理三三. 立體化學立體化學四四. 影響反應活性的因素影響反應活性的因素五五. 鄰基參與作用鄰基參與作用1. sn1機理機理 2. sn2機理機理 3. 離子對機理離子對機理1. 底物的烴基結構底物的烴基結構2. 離去基團離去基團 (l)3. 親核試劑親核試劑 (nu:)4. 溶劑溶劑一、一、親核取代的親核取代的反應類型反應類型+nu+l-r nur l親核試劑親核試劑帶著一對電子進攻中心碳原子，帶著一對電子進攻中

2、心碳原子，離去基團帶著一對電子離開離去基團帶著一對電子離開 中性底物，親核試劑帶孤對電子：中性底物，親核試劑帶孤對電子：r l + nu r nu + l 中性底物，帶負電親核試劑：中性底物，帶負電親核試劑：+r l nu-r nu+l- 帶正電底物，親核試劑帶孤對電子：帶正電底物，親核試劑帶孤對電子：+lr nu+nu+l+r帶正電底物，帶負電親核試劑：帶正電底物，帶負電親核試劑：rl+nu-+r nul+phch2clcn-phch2cncl-+(ch3)2s(ch3)4n+(ch3)3s (ch3)3n+ch3cl h2o+ch3oh2cl-ch3ch2ibu3p+i-bu3p ch2c

3、h3二、反應機理二、反應機理1. 單分子親核取代單分子親核取代 ( sn1) （substitution nucleophilic unimolecular)+r l nu-r nu+l-=k1lrr lrlr+l-+慢反應分兩步進行反應分兩步進行第一步第一步 正碳離子的生成：正碳離子的生成：第二步第二步 親核試劑進攻親核試劑進攻c+：r+nu-r nu快第一步是決速的一步。第一步是決速的一步。例如：例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應：ph2ch clph2ch + cl+丙酮慢ph2ch ohh2oph2ch +sn 1 機理反應的底物特征：機理反應的底物特征

4、：叔鹵代烷及其衍生物叔鹵代烷及其衍生物被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物2. 雙分子親核取代雙分子親核取代 ( sn2) （substitution nucleophilic bimolecular)=kr lnu二級反應二級反應機理：機理：親核試劑親核試劑從離去基團的背面接近中心從離去基團的背面接近中心c原子，原子，同時，離去基團也逐步地離開底物分子。同時，離去基團也逐步地離開底物分子。l-nu-rch2 lrch2 nunuc lh hr新鍵的形成與舊鍵的斷裂是同時發(fā)生的，舊鍵斷裂所需能量，新鍵的形成與舊鍵的斷裂是同時發(fā)生的，舊鍵斷裂所需能量，由新鍵形成所

5、放出的能量提供。由新鍵形成所放出的能量提供。兩者達平衡時，體系能量最高。其狀態(tài)為過渡態(tài)兩者達平衡時，體系能量最高。其狀態(tài)為過渡態(tài) t。s n 2 反應機理：反應機理：lnucclnuclnuclnuclnucnul過渡態(tài)中，親核試劑的孤對電子所占有的軌道與中心過渡態(tài)中，親核試劑的孤對電子所占有的軌道與中心c原子的原子的 p軌道交蓋的程度軌道交蓋的程度=離去基團與中心碳原子的離去基團與中心碳原子的 p軌道的交蓋程度軌道的交蓋程度按按 sn 2 機理進行的底物特征：機理進行的底物特征：rchrx不被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烷及其衍生物不被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烷及其衍生物3. 離子對機理離子對機理介于介

6、于sn1 與與 sn2 之間的機理，建立在之間的機理，建立在sn1機理基礎上。機理基礎上。 解離的正負離子形成緊密離子對，整個離子對被溶劑化。解離的正負離子形成緊密離子對，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。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。離解的離子為自由離子。三個階段：三個階段：親核試劑可以進攻三種狀態(tài)的底物，從而得到不同的產物。親核試劑可以進攻三種狀態(tài)的底物，從而得到不同的產物。nu+l-r+nunur lr+l-r l+-sn1+sn2sn2sn1緊密離子對緊密離子對 溶劑分割離子對溶劑分割離子對 離解的離子離解的離子構型翻轉構型翻轉

7、消旋化消旋化三、反應的立體化學三、反應的立體化學反應的立體化學與反應機理相關反應的立體化學與反應機理相關sn2機理：機理：walden轉化nu-lccnulcnu試劑從離去基的背后進攻中心碳原子，所以產物發(fā)生構型轉化試劑從離去基的背后進攻中心碳原子，所以產物發(fā)生構型轉化walden轉化。轉化。nu:l+ l-nucc6h13hbrch3naohsn 2cc6h13hch3ho(r)-(-)-2-辛烷辛烷 25d= -34.25對映體純度對映體純度=100%(s)-(-)-2-辛醇辛醇 25d= -9.90對映體純度對映體純度=100%chch2phmeohtsclachch2phmeotset

8、ohk2co3bchch2phmeoet = +33.0 = +31.1 = -19.9 = +23.5oetmech2phchetbrckokmech2phchdsn1機理機理c+nu-cl+nucnuc50%50%nu-l-試劑從試劑從c+的兩面進攻中心碳原子，形成一對外消旋產物的兩面進攻中心碳原子，形成一對外消旋產物c+hch3phoh-h2oclchch3phohcch3hphoh-cch3phhho49%51%c+越穩(wěn)定，消旋化程度越大。越穩(wěn)定，消旋化程度越大。消旋化消旋化 (racemization)phcch3ohphcch3構型轉化%27hch3brhch3o+ 73% 消旋化

9、產物hbr事實上，事實上，sn1反應往往伴隨構型轉化產物：反應往往伴隨構型轉化產物：當當c+不是足夠穩(wěn)定時，由于不是足夠穩(wěn)定時，由于l 的屏蔽效應，的屏蔽效應，nu:從從 l 背后進背后進攻中心碳原子的機會增大，故構型轉化增多。攻中心碳原子的機會增大，故構型轉化增多。四四. 影響反應活性的因素影響反應活性的因素 底物的結構底物的結構 親核試劑的濃度與反應活性親核試劑的濃度與反應活性 離去基團的性質離去基團的性質 溶劑效應溶劑效應（一）底物結構的影響（一）底物結構的影響sn 2反應：反應： 鹵代烷的反應活性順序是：鹵代烷的反應活性順序是：甲基甲基 伯伯 仲仲 叔叔原因：烷基的空間效應原因：烷基的

10、空間效應r x nu-x-nursn2r ch3ch3ch2(ch3)3c(ch3)2chk23010.030新戊基鹵代烷幾乎不發(fā)生新戊基鹵代烷幾乎不發(fā)生sn2反應：反應：chxnu:cnulhhh轉變過程中，中心碳原子由底物同轉變過程中，中心碳原子由底物同4個基團相連轉變?yōu)閭€基團相連轉變?yōu)檫^渡態(tài)的同過渡態(tài)的同5個碳原子相連，空間擁擠程度增大。個碳原子相連，空間擁擠程度增大。當底物中心碳原子連有較大基團時，當底物中心碳原子連有較大基團時，nu:難于從背后接近底物。難于從背后接近底物。sn1反應：反應： a. 電子效應電子效應所有能使碳正離子穩(wěn)定的因素，都能使所有能使碳正離子穩(wěn)定的因素，都能使s

11、n1反應的速率增大：反應的速率增大：rots r+otsetohroetk1當取代基具有當取代基具有i、超共軛效、超共軛效應、應、c效應，效應，sn1反應速率反應速率增大，反應活性增大。增大，反應活性增大。r相對速率相對速率 (k1)et0.26i-pr0.69ch2=ch-ch2-0.86phch2100ph2ch105ph3c1010當中心碳原子與雜原子直接相連時，當中心碳原子與雜原子直接相連時，sn1反應速率明顯增大：反應速率明顯增大：c2h5och2clc-c-c-c-clc2h5o-ch2ch2clsn 1反應速率反應速率109 1.0 0.2所形成的碳正離子，因共軛效應而被穩(wěn)定。所

12、形成的碳正離子，因共軛效應而被穩(wěn)定。b. 空間效應空間效應底物取代基的空間效應使底物取代基的空間效應使sn1反應速率加快，與反應速率加快，與sn 2反應相反。反應相反。rbr在水中的溶劑解相對速度在水中的溶劑解相對速度rbr 在水中在水中50時時mebr 1.00etbr 1.00i-pbr 11.6t-bubr 1.2106crrrxcrr rx-四面體四面體平面三角型平面三角型鍵角增大，取代基空間效應越大，基團的空間擁擠程度越減小。鍵角增大，取代基空間效應越大，基團的空間擁擠程度越減小。（二）親核試劑（二）親核試劑nu:在在 sn2反應中起著重要作用反應中起著重要作用規(guī)律：規(guī)律：1、帶負電

13、荷的試劑、帶負電荷的試劑 它的共軛酸：它的共軛酸：oh- h2o, ch3o- ch3oh2、帶負電：負電荷越集中，親核性越強；、帶負電：負電荷越集中，親核性越強； 中性：進攻原子的電子云密度越集中，親核性越強。中性：進攻原子的電子云密度越集中，親核性越強。a. 當進攻原子為同一原子時，親核性強度與堿性一致：當進攻原子為同一原子時，親核性強度與堿性一致：ro- ho- rcoo- roh h2och3o- pho- ch3coo- no2-堿性是試劑與質子結合的能力；堿性是試劑與質子結合的能力；親核性是試劑與親核性是試劑與c+或或c +結合的能力。結合的能力。ch3ooclono2o試劑中進攻

14、的原子不同時，親核性強度順序與堿性有時不同：試劑中進攻的原子不同時，親核性強度順序與堿性有時不同：堿性：堿性： c2h5o- i-親核性：親核性： i- c2h5o-b. 同周期的元素，電負性越大，試劑的親核性越弱，同周期的元素，電負性越大，試劑的親核性越弱， 負電荷越分散，親核性越弱：負電荷越分散，親核性越弱：h2n- oh- f-c. 進攻原子為同族原子時，原子的可極化度越大，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：試劑的親核性越強：f- cl- br- i-r-o - r-s - 其電子效應：其電子效應：co堿性很強，負電荷也很集中，但烷基具有較堿性很強，負電荷也很

15、集中，但烷基具有較大的空間效應，故其親核性很弱。大的空間效應，故其親核性很弱。ch3o c2h5o ch3ch3cho (ch3)3co親核性依次減小親核性依次減小c2h5nh2(c2h5)2nh (c2h5)3n親核性依次減弱，親核性依次減弱，堿性依次增強。堿性依次增強。（三）離去基團（三）離去基團 (leaving groups)nu:sn2+ ll-lcsn1c+nu c離去基團帶著一對電子離開離去基團帶著一對電子離開中心中心c，成為負離子。，成為負離子。接受負電荷的能力越強，親核取代反應速率越大。接受負電荷的能力越強，親核取代反應速率越大。1、 較好的離去基團是強酸的共軛堿：較好的離去

16、基團是強酸的共軛堿：pka r br r clr ff cl br i可極化度依次增大可極化度依次增大（四）溶劑效應（四）溶劑效應溶劑的性質：溶劑的性質：介電常數介電常數 越大，溶劑的極性越大。越大，溶劑的極性越大。 是衡量溶劑隔離正負離子的能力，即溶劑穩(wěn)定離子的能力。是衡量溶劑隔離正負離子的能力，即溶劑穩(wěn)定離子的能力。 偶極距偶極距非極性溶劑非極性溶劑（ 0） ：ccl4，cs2，c6h6極性溶劑（極性溶劑（ 0）質子型：質子型：etoh, h2o, h3cooh非質子型：非質子型：thf, et2o, dmf, dmso質子型溶劑質子型溶劑通過氫鍵締合通過氫鍵締合非質子型溶劑通過偶極與偶極

17、相互作用非質子型溶劑通過偶極與偶極相互作用r o hnu極性溶劑可以穩(wěn)定正離子，也可穩(wěn)定負離子。極性溶劑可以穩(wěn)定正離子，也可穩(wěn)定負離子。sn 1反應：反應：rlr l慢慢r+l-nu中性化合物離解為兩個帶電荷的離子，溶劑極性的提高，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)定碳正離子，使反應速率加快。將穩(wěn)定碳正離子，使反應速率加快。sn 2反應：反應：nu-l-r lnulnu rc在過渡態(tài)中不產生新的電荷，而且還使電荷分散，在過渡態(tài)中不產生新的電荷，而且還使電荷分散，溶劑極性的提高，不利于電荷的分散，使反應速稍有降低。溶劑極性的提高，不利于電荷的分散，使反應速稍有降低。ro hn

18、uhorhor在質子型溶劑中：親核試劑與溶劑形成氫鍵，在質子型溶劑中：親核試劑與溶劑形成氫鍵，由此降低了試劑的親核性，不利于反應進行。由此降低了試劑的親核性，不利于反應進行。在質子型溶劑中，試劑的親核順序為：在質子型溶劑中，試劑的親核順序為：sh- cn- i- oh- n3- br- ch3coo- cl - f- h2osn 2反應常在極性非質子型溶劑中進行。反應常在極性非質子型溶劑中進行。極性非質子型溶劑不與極性非質子型溶劑不與 nu:形成氫鍵，不能使親核試劑溶劑化，形成氫鍵，不能使親核試劑溶劑化，使裸露的負離子作為親核試劑，具有較高的反應活性。使裸露的負離子作為親核試劑，具有較高的反應活性。常見的極性非質子型溶劑有：常見的極性非質子型溶劑有：p po on nn nn nh h c cn nc c h h3 3c c h h3 3o oc c h h3 3s so oc c h h3 3n, n-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺dmf(dimethylformamide)二甲亞砜二甲亞砜dmso(