有機(jī)下chap22取代反應(yīng)

1、第二十二章 飽和碳原子上親核取代反應(yīng) Aliphatic Nucleophilic Substitution一. 反應(yīng)類型親核取代反應(yīng)的通式：親核試劑帶著一對電子進(jìn)攻中心碳原子離去基團(tuán)帶著一對電子離開 底物為中性，親核試劑帶著一對孤對電子： 底物帶有正電荷，親核試劑帶有孤對電子： 底物帶有正電荷，親核試劑帶有負(fù)電荷： 親核試劑帶有負(fù)電荷：二. 反應(yīng)機(jī)理1. 單分子親核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( SN 1)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

2、丙酮的水解反應(yīng)：2. 雙分子親核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)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SN 1 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：親核試劑接近中心碳原子從離去基團(tuán)的背面與此同時離去基團(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。T 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

3、軌道的交蓋程度相同按 SN 2 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： 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。 溶劑介入離子對后，正負(fù)離子被溶劑隔開,但仍組成一個離子對。 帶不同電荷的離子分別被溶劑包圍，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。+C壽命長+C壽命短三、鄰基參與反應(yīng) 位于鄰近反應(yīng)中心（通常為位）的具有親核性的基團(tuán)參與分子的親核反應(yīng)，叫鄰基參與反應(yīng)。鄰基參與的作用：1）加速化學(xué)

4、反應(yīng)；2）往往有環(huán)狀中間產(chǎn)物生成 能參與的鄰基：CO2、O、OH、 OR、NR2、X、etc.分子內(nèi)親核取代(SN2)(S)-2-溴丙酸與濃NaOH溶液反應(yīng)，得到構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物(SN2). （R）-2-溴丙酸與稀NaOH溶液、Ag2O反應(yīng)生成光學(xué)活性的（R）-2-羥基丙酸鈉，在反應(yīng)過程中手性碳原子構(gòu)型保持（兩次SN2）。Wenstein和Lucas發(fā)現(xiàn)：赤型-3-溴-2-丁醇與濃HBr反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)消旋2,3-二溴丁烷；而蘇型-3-溴-2-丁醇與濃HBr反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橥庀?,3-二溴丁烷。機(jī)理：鹵素作為鄰基參與的能力大小次序一般為I Br Cl，這與原子的親核性和可極化性大小順序是一致的。F電負(fù)

5、性太強(qiáng)，不易給出電子，親核性和可極化性太小，一般不發(fā)生鄰基參與作用。若鄰基參與作用形成的中間體是穩(wěn)定的或由于其它方式而穩(wěn)定，親核試劑Nu親核進(jìn)攻能力不足，只能形成環(huán)狀產(chǎn)物。這是簡單的分子內(nèi)SN2反應(yīng)。氮原子也起鄰基參與作用。例如，氨與1，4-二氯丁烷作用形成氫化吡咯： 參與作用 C=C鍵、C=O 鍵也有鄰基參與作用，如反-7-降冰片烯基對甲苯磺酸酯的乙酸解，由于參與，反應(yīng)速率比相應(yīng)的飽和酯快1011倍，且產(chǎn)物構(gòu)型保持。 五配位的碳正離子P542芳基參與作用 位的芳基能發(fā)生鄰基參與作用具有旋光性的蘇型對甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反應(yīng)，似乎應(yīng)該生成相應(yīng)的具有旋光性的乙酸酯，但事實(shí)上卻生成

6、了外消旋混合物。原因是帶著電子的苯基促進(jìn)對甲苯磺酸根離去，同時生成苯橋正離子（phenonium ion）中間體，其中與苯橋正離子直接相連的兩個碳原子完全相同，整個分子有一個對稱面，是一個非手性分子，親核試劑乙酸可以機(jī)會均等地進(jìn)攻兩個碳原子，得到一對對映體： (c)參與作用 (I)的速度比(IV)快350倍 exo-降冰片對溴苯磺酸酯endo-降冰片對溴苯磺酸酯四. 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SN 2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SN

7、 2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SN 1反應(yīng)的反應(yīng)速率增大：相對速率 (k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.8610010 510 10 當(dāng)取代基具有I、超共軛效應(yīng)、C效應(yīng)，SN 1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)，SN 1反應(yīng)速率明顯增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2

8、ClSN 1反應(yīng)速率109 1.0 0.2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。B. 空間效應(yīng)與SN 2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MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106四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

9、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 -

10、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)。（三）離去基團(tuán) (Leaving groups)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 CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- Cl - F- H2OSN 2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 (Polar Aprotic Solvents)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 (Hex