飽和碳鍵上的親核取代反應(yīng)

第五章飽和碳原子上親核取代反應(yīng)

(AliphaticNucleophilicSubstitution)一.反應(yīng)類型二.反應(yīng)機(jī)理(ReactionMechanism) 1.SN1機(jī)理 2.SN2機(jī)理 3.離子對(duì)機(jī)理

三.立體化學(xué) 1.SN2反應(yīng)

2.SN1反應(yīng)四.影響反應(yīng)活性的因素 1.底物的烴基結(jié)構(gòu) 2. 離去基團(tuán)(L) 3.親核試劑(Nu:) 4.溶劑五.鄰基參與反應(yīng)六.親核取代反應(yīng)實(shí)例一.反應(yīng)類型親核取代反應(yīng)的通式：親核試劑帶著一對(duì)電子進(jìn)攻中心碳原子離去基團(tuán)帶著一對(duì)電子離開(kāi)取代反應(yīng)是指化合物的原子或原子團(tuán)被其它原子或原子團(tuán)所取代的反應(yīng)。(1)親核取代(2)親電取代(3)游離基取代⑶底物帶有正電荷，親核試劑帶有孤對(duì)電子：⑷底物帶有正電荷，親核試劑帶有負(fù)電荷：⑵親核試劑帶有負(fù)電荷：⑴底物為中性，親核試劑帶著一對(duì)孤對(duì)電子：二.反應(yīng)機(jī)理1.單分子親核取代(SubstitutionNucleophilic

Unimolecular)

(SN1)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。第一步為慢過(guò)程，發(fā)生取代反應(yīng)的分子異裂為離子;第二步是形成的碳正離子和取代試劑迅速反應(yīng)得到產(chǎn)物。第一步是反應(yīng)速度的決定步驟，并為單分子反應(yīng)，所以整個(gè)反應(yīng)為單分子反應(yīng)。例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應(yīng)：2.雙分子親核取代(SubstitutionNucleophilicBimolecular)(SN2)反應(yīng)機(jī)理動(dòng)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(shí)相關(guān)：二級(jí)反應(yīng)按SN1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親核試劑接近中心碳原子從離去基團(tuán)的背面與此同時(shí)離去基團(tuán)也正在逐步地離開(kāi)底物分子新鍵的形成與舊鍵的斷裂是同時(shí)發(fā)生的，舊鍵斷裂時(shí)所需的能量，是由新鍵形成所放出的能量提供的。兩者達(dá)到平衡時(shí)，體系能量最高。其狀態(tài)為過(guò)渡態(tài)T.其反應(yīng)機(jī)理為：TSN2反應(yīng)機(jī)理：LNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNu在過(guò)渡態(tài)中，親核試劑的孤對(duì)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軌道的交蓋程度相同按

SN2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(duì)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(duì)：⑴解離的正負(fù)離子形成緊密的離子對(duì)，整個(gè)離子對(duì)被溶劑化。⑵溶劑介入離子對(duì)后，正負(fù)離子被溶劑隔開(kāi)。⑶離解的離子為自由離子。三個(gè)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。三.反應(yīng)的立體化學(xué)反應(yīng)的立體化學(xué)與反應(yīng)機(jī)理相關(guān)SN2機(jī)理：由于試劑從離去基團(tuán)的背后進(jìn)攻中心碳原子，所以產(chǎn)物發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化－Walden轉(zhuǎn)化。Nu:L+L-Nu構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(R)-(-)-2-辛烷[α]25D=-34.25°對(duì)映體的純度=100%(S)-(-)-2-辛醇[α]25D=-9.90°對(duì)映體的純度=100%α=+33.0°α=+31.1°α=-19.9°α=+33.0°α=+31.1°α=-19.9°α=+23.5°SN1機(jī)理試劑從正碳離子的兩面進(jìn)攻中心碳原子，形成一對(duì)外消旋產(chǎn)物。A.正離子穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)物構(gòu)型的影響：如果形成的正離子不穩(wěn)定，它立即被第二個(gè)試劑進(jìn)攻，此時(shí)X—還來(lái)不及離開(kāi)正離子，它在一定程度上顯示了“遮蔽效應(yīng)”因而妨礙了試劑A從這方面的進(jìn)攻。所以除得到外消旋產(chǎn)物外，還得到相當(dāng)量的構(gòu)型反轉(zhuǎn)產(chǎn)物。如果形成的正離子比較穩(wěn)定，并能在較長(zhǎng)時(shí)間存在，則X—與它已有相當(dāng)距離，不再表現(xiàn)“遮蔽效應(yīng)”因此得到產(chǎn)物主要為外消旋體，同時(shí)有少量構(gòu)型發(fā)生反轉(zhuǎn)的光活性物質(zhì)。正碳離子越穩(wěn)定，消旋化程度越大消旋化(Racemization)碳正離子(I)比(II)穩(wěn)定，在碳正離子(I)中正電荷和苯核相互作用，使正電荷得到分散而不是定位在一個(gè)碳原子上，因此具有較小的能量，所以有較小的反應(yīng)性能，即有較大的穩(wěn)定性。B.試劑濃度對(duì)產(chǎn)物構(gòu)型的影響：如果進(jìn)攻試劑的濃度低，R+大多數(shù)都來(lái)得及成為平面構(gòu)型，并和后來(lái)連接的X離子分開(kāi)，然后才受另一試劑進(jìn)攻，主要生成外消旋產(chǎn)物。如濃度高，則增加了試劑對(duì)剛剛形成還被X離子遮蔽的R+離子進(jìn)攻機(jī)會(huì)，因而構(gòu)型反轉(zhuǎn)的產(chǎn)物的比例會(huì)增加。外消旋(%)反轉(zhuǎn)(%)80%丙酮水溶液98 260%丙酮水溶液955純水83

17SN1歷程中的離子對(duì)：在SN1取代反應(yīng)中，如果游離的碳原子為平面型，試劑從兩面進(jìn)攻的機(jī)會(huì)相同，產(chǎn)物應(yīng)完全外消旋化，但事實(shí)上總是伴有少量反轉(zhuǎn)，這就說(shuō)明有一些產(chǎn)物不是從游離的碳正離子形成的，而是由離子對(duì)形成的。SN1反應(yīng)按下列方式進(jìn)行：(I)為緊密離子對(duì)；(II)為溶劑分隔離子對(duì)，在碳正離子和離去原子團(tuán)之間插入一個(gè)或數(shù)個(gè)溶劑分子；(III)為離解的離子對(duì)，每個(gè)離子被溶劑的分子所包圍。在反應(yīng)中緊密離子對(duì)重新結(jié)合為原來(lái)的被作用物，稱為內(nèi)部反回。親核試劑在任何階段進(jìn)攻都能形成產(chǎn)物。在緊密離子對(duì)中的R+和X-之間還有一定的鍵連，因此能保持原來(lái)的構(gòu)型。

(a)SH直接進(jìn)攻RX得SR(完全反轉(zhuǎn))，即直接發(fā)生SN2過(guò)程。(b)如果形成緊密離子對(duì)，則溶劑在此階段進(jìn)攻，若反應(yīng)(A)不發(fā)生則導(dǎo)致完全的反轉(zhuǎn)，若反應(yīng)(A)與(B)競(jìng)爭(zhēng)，則反轉(zhuǎn)伴隨外消旋化作用。(c)如果形成溶劑分隔離子對(duì)，當(dāng)溶劑殼從前邊崩潰時(shí)，則反應(yīng)中構(gòu)型保持，如從后崩潰時(shí)則構(gòu)型反轉(zhuǎn)，總結(jié)果為部分反轉(zhuǎn)(δ)部分保持(1-δ)。(d)形成游離R+，為平面構(gòu)型，SH從兩面進(jìn)攻的機(jī)會(huì)相同，得外消旋化產(chǎn)物。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SN2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SN2反應(yīng)：轉(zhuǎn)變過(guò)程中，中心碳原子由底物同4個(gè)基團(tuán)相連轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛇^(guò)渡態(tài)的同5個(gè)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(shí)，Nu:難于從背后接近底物。SN1反應(yīng)：A.電子效應(yīng)a)所有能夠使正碳離子穩(wěn)定的因素，都能使SN1反應(yīng)的反應(yīng)速率增大：相對(duì)速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.86100~105~1010

當(dāng)取代基具有＋I(xiàn)、超共軛效應(yīng)、＋C效應(yīng)，SN1反應(yīng)速率增大,反應(yīng)活性增大。

c)位于α位的雙鍵、叁鍵及芳基的影響b)排斥電子和吸引電子原子團(tuán)的影響，如：Z為吸引電子的原子團(tuán)時(shí)，SN1反應(yīng)速度減慢，α-鹵代酮、酸、酯等與此類似；Z為排斥電子的原子團(tuán)時(shí)，使SN1反應(yīng)速度增加，Z排斥電子使碳正離子的正電荷分散，使碳正離子穩(wěn)定。無(wú)論SN1或SN2都很慢或不反應(yīng)。原因之一：是由于SP雜化碳原子和SP2雜化碳原子的電負(fù)性高，對(duì)電子有較大的引力，在親核取代作用中離去原子團(tuán)帶著它的一對(duì)成鍵電子離去，因此SP3雜化碳原子相對(duì)來(lái)說(shuō)比SP2雜化碳原子及SP雜化碳原子更容易失去離去原子團(tuán)和電子對(duì)。原因之二：離去原子團(tuán)具有未共享電子對(duì)，則分子中離去原子團(tuán)的未共享電子對(duì)與л鍵發(fā)生共軛作用，即離去原子團(tuán)的電子云密度一部分轉(zhuǎn)移到C—X鍵，因而使C—X鍵大大加強(qiáng)。其結(jié)果使C—X鍵的鍵長(zhǎng)變短。d)β位雙鍵的影響,當(dāng)β位有雙鍵時(shí),如烯丙基和苯甲基等使SN1和SN2反應(yīng)速度均加快.使SN1加速是因?yàn)橛捎诠曹検股傻奶颊x子穩(wěn)定.使SN2加速是因?yàn)橥ㄟ^(guò)P型軌道(它展現(xiàn)在遭受進(jìn)攻的碳原子上)與鄰近π體系的重疊使SN2過(guò)渡態(tài)變穩(wěn)定的作用.e)當(dāng)中心碳原子與雜原子直接相連時(shí)(R-ZCH2-L)，SN1反應(yīng)速率明顯增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN1反應(yīng)速率1091.00.2當(dāng)雜原子與中心碳原子相連時(shí)，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SN2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(duì)速度RBr在水中50o時(shí)MeBr1.00EtBr1.00i-pBr11.6t-BuBr1.2×106四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。同時(shí),對(duì)某些三級(jí)作用物,碳正離子形成過(guò)程中張力消除,使反應(yīng)加速.橋頭化合物在SN2和SN1反應(yīng)條件下都極不活潑，在SN2條件下，進(jìn)攻親核試劑不可能從背后進(jìn)攻而使構(gòu)型發(fā)生反轉(zhuǎn)．而在SN1反應(yīng)條件下，平面構(gòu)型碳正離子的形成引起較大的張力．

(二)親核試劑的強(qiáng)度Nu:在SN2反應(yīng)中起著重要作用(a)

電負(fù)性對(duì)反應(yīng)的影響親核試劑的電負(fù)性改變對(duì)SN1反應(yīng)速度影響不明顯,因?yàn)镾N1反應(yīng)速度取決于慢的離子化過(guò)程,而此過(guò)程親核試劑不參加．但親核試劑對(duì)SN2取代反應(yīng)速度有影響，親核試劑的電負(fù)性減小，則SN2反應(yīng)速度加大.(b)親核試劑分子的立體結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)的影響

親核試劑分子加大,使SN2取代反應(yīng)速度降低規(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(shí)，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(shí)，試劑的親核性強(qiáng)度順序與堿性有時(shí)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(shí)，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-<R-Se-D.當(dāng)親核試劑中取代基的空間效應(yīng)較大時(shí)，則不利于試劑接近底物分子。因此，對(duì)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)(Leavinggroups)離去基團(tuán)帶著一對(duì)電子離開(kāi)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<5的酸的共軛堿，如：I-是強(qiáng)酸HI的共軛堿。CF3SO3-是最好的離去基團(tuán)。2)成鍵原子的可極化度越大，離去基團(tuán)越易離去。(四)溶劑效應(yīng)溶劑的性質(zhì)：介電常數(shù)ε越大，溶劑的極性越大。介電常數(shù)是衡量溶劑隔離正負(fù)離子的能力，即：溶劑穩(wěn)定離子的能力。(μ＝0)μ－偶極距非極性溶劑：CCl4,,CS2,極性溶劑可以穩(wěn)定正離子，也可穩(wěn)定負(fù)離子。SN1反應(yīng)：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。SN2反應(yīng)：在過(guò)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)速稍有降低。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。在質(zhì)子型溶劑中：試劑的親核性強(qiáng)度順序?yàn)椋篠H->CN->I->OH->N3->Br->CH3CO2->Cl->F->H2OSN2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(PolarAproticSolvents)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(jiàn)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)在極性非質(zhì)子型溶劑中，X-的反應(yīng)活性順序?yàn)椋篎->Cl->Br->I-這與在質(zhì)子型溶劑中的順序相反。質(zhì)子型溶劑與非質(zhì)子型溶劑對(duì)SN2反應(yīng)的影響：溶劑k2DMF3×103CH3OH3×10-2問(wèn)題：下列反應(yīng)在哪種溶劑中易于進(jìn)行，是DMF還是CH3OH?為什么？五、鄰基參與

當(dāng)一個(gè)進(jìn)行親核取代反應(yīng)的底物分子上還帶有一個(gè)能作為親核體的基團(tuán),并位于分子的適當(dāng)位置時(shí)，能夠和反應(yīng)中心部分地或完全地成鍵形成過(guò)渡態(tài)或中間體，從而影響反應(yīng)的進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱為鄰基參與作用(Neighboringgroupparticipation)。鄰基參與作用是一種分子內(nèi)的SN2過(guò)程，兩個(gè)基因(參與基團(tuán)與離去基因)在分于內(nèi)處于反式共平面的構(gòu)象才能發(fā)生參與作用。鄰基參與一般形成三元環(huán)或五元環(huán)，取代產(chǎn)物構(gòu)型保持，且反應(yīng)加速。若鄰基參與作用發(fā)生在決速步驟之后，只有鄰基參與作用而無(wú)鄰基促進(jìn)。能發(fā)生鄰基參與作用的原子團(tuán):具有未共用電子對(duì)的原子或原子團(tuán);含有碳-碳雙鍵等的不飽和基團(tuán)、具有π鍵的芳基以及C-C和C-Hσ鍵。分別稱為n電子參與、π電子參與和σ電子參與.通常把由于鄰基參與作用而使反應(yīng)加速的現(xiàn)象稱為鄰基協(xié)助或鄰基促進(jìn)。(a)n參與作用

化合物的分子中具有未共用電子對(duì)的基團(tuán)位于離去基團(tuán)的β位置或更遠(yuǎn)時(shí)，此化合物在取代反應(yīng)過(guò)程中構(gòu)型保持。COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl(I>Br>Cl)經(jīng)過(guò)兩次SN2反應(yīng),總結(jié)果是構(gòu)型保持

第一步鄰基原子更易，更近,外加的Nu必須和作用物碰撞才能發(fā)生反應(yīng)，而鄰基Z由于所處的位置有利，即刻就能進(jìn)攻中心碳原子；再者鄰基參與作用的熵變更為有利，反應(yīng)中心與Z反應(yīng)和與Nu反應(yīng)相比，前者ΔS降低得較少。第二步例如：當(dāng)3-溴-2-丁醇的蘇型(Threo)外消旋體(±)用HBr處理時(shí)，得到外消旋體(±)-2,3-二溴丁烷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)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(jiǎn)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：

(b)π參與作用

(1)C=C雙鍵作為鄰近基團(tuán)C=Cπ鍵、C=Oπ鍵也有鄰基參與作用，如反-7-降冰片烯基對(duì)甲苯磺酸酯的乙酸解，由于π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。(2)環(huán)丙基的參與作用

環(huán)丙烷環(huán)的某些性質(zhì)與雙鍵類似，因此處于適當(dāng)位置時(shí)也可能發(fā)生鄰基參與作用。(I)的溶劑解速率比化合物(II)的溶劑解速率快1014倍。又如：化合物(III)的溶劑解速率比化合物(Ⅴ)大約快5倍