高等有機化學第四章親核取代

高等有機化學第四章親核取代第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.SN1機理進行的取代反應

反應物決定速度地異裂成一個之配位的碳正離子和離去基因的方式來進行的，然后是碳正離子與介質中的劉易堿（親核試劑）結合。

第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日第一步為慢過程，發(fā)生取代反應的分子異裂為離子;第二步是形成的碳正離子和取代試劑迅速反應得到產(chǎn)物。第一步是反應速度的決定步驟，并為單分子反應，所以整個反應為單分子反應。第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日A.正離子穩(wěn)定性對產(chǎn)物構型的影響：

如果形成的正離子不穩(wěn)定，它立即被第二個試劑進攻，此時X—還來不及離開正離子，它在一定程度上顯示了“遮蔽效應”因而妨礙了試劑A從這方面的進攻。所以除得到外消旋產(chǎn)物外，還得到相當量的構型反轉產(chǎn)物。如果形成的正離子比較穩(wěn)定，并能在較長時間存在，則X—與它已有相當距離，不再表現(xiàn)“遮蔽效應”因此得到產(chǎn)物主要為外消旋體，同時有少量構型發(fā)生反轉的光活性物質。第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日碳正離子越不穩(wěn)定，構型轉變產(chǎn)物的百分數(shù)也越高。第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日碳正離子（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碳原子上，因此具有較小的能量，所以有較小的反應性能，即有較大的穩(wěn)定性。第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日B.試劑濃度對產(chǎn)物構型的影響：如果進攻試劑的濃度低，R+大多數(shù)都來得及成為平面構型，并和后來連接的X離子分開，然后才受另一試劑進攻，主要生成處消旋產(chǎn)物。如濃度高，則增加了試劑對剛剛形成還被X離子遮蔽的R+離子進攻機會，因而構型反轉的產(chǎn)物的比例會增加。第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日

外消旋（%）反轉（%）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：在SN1取代反應中，如果游離的碳原子為平面型，試劑從兩面進攻的機會相同，產(chǎn)物應完全外消旋化，但事實上總是伴有少量反轉，這就說明有一些產(chǎn)物不是從游離的碳正離子形成的，而是由離子對形成的。第八頁，共四十一頁，2022年，8月28日SN1反應按下列方式進行：

（I）為緊密離子對；（II）為溶劑分隔離子對，在碳正離子和離去原子團之間插入一個或數(shù)個溶劑分子；（III）為離解的離子對，每個離子被溶劑的分子所包圍。在反應中緊密離子對重新結合為原來的被作用物，稱為內(nèi)部反回。親核試劑在任何階段進攻都能形成產(chǎn)物。在緊密離子對中的R+和X-之間還有一定的鍵連，因此能保持原來的構型。

第九頁，共四十一頁，2022年，8月28日第十頁，共四十一頁，2022年，8月28日（a）SH直接進攻RX得SR（完全反轉），即直接發(fā)生SN2過程。（b）如果形成緊密離子對，則溶劑在此階段進攻，若反應（A）不發(fā)生則導致完全的反轉，若反應（A）與（B）競爭，則反轉伴隨外消旋化作用。（c）如果形成溶劑分隔離子對，當溶劑殼從前邊崩潰時，則反應中構型保持，如從后崩潰時則構型反轉，總結果為部分反轉（δ）部分保持（1-δ）。（d）形成游離R+，為平面構型，SH從兩面進攻的機會相同，得外消旋化產(chǎn)物。第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日2.SN2親核取代反應

在SN2歷程中親核試劑由背面進攻，構型反轉，因過渡態(tài)（I）比保持原來構型的過渡態(tài)（II）的能量小得多。第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日C-A鍵形成的同時C-X鍵發(fā)生破裂，反應為一步過程，沒有中間體，C-X破裂所需要的能量由形成的C-A鍵供給。在過渡態(tài)時中心原子由SP3雜化軌道轉變?yōu)镾P2雜化軌道，并以P軌道的一個葉與親核試劑A重疊，而另一個葉與離去原子團重疊。第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日3.影響親核取代反應歷程的因素

某一化合物主要按哪一種歷程進行反應，決定于R—X分子中R和X的性質（電子效應和空間效應）及親核試劑的性質以及反應條件（溶劑，催化劑等）第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日R的電子效應

（a）排斥電子和吸引電子原子團的影響，如：Z為吸引電子的原子團時，SN1反應速度減慢，α-鹵代酮、酸、酯等與此類似；Z為排斥電子的原子團時，使SN1反應速度增加，Z排斥電子使碳正離子的正電荷分散，使碳正離子穩(wěn)定。（b）位于α位的雙鍵、叁鍵及芳基的影響無論SN1或SN2都很慢或不反應。第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日原因之一：是由于SP雜化碳原子和SP2雜化碳原子的電負性高，對電子有較大的引力，在親核取代作用中離去原子團帶著它的一對成鍵電子離去，因此SP3雜化碳原子相對來說比SP2雜化碳原子及SP雜化碳原子更容易失去離去原子團和電子對。原因之二：離去原子團具有未共享電子對，則分子中離去原子團的未共享電子對與л鍵發(fā)生共軛作用，即離去原子團的電子云密度一部分轉移到C—X鍵，因而使C—X鍵大大加強。其結果使C—X鍵的鍵長變短。第十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日(c)β位雙鍵的影響,

當β位有雙鍵時,如烯丙基和苯甲基等使SN1和SN2反應速度均加快.使SN1加速是因為由于共軛使生成的碳正離子穩(wěn)定.使SN2加速是因為通過P型軌道(它展現(xiàn)在遭受進攻的碳原子上)與鄰近π體系的重疊使SN2過渡態(tài)變穩(wěn)定的作用.第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日R的空間效應

α或β碳有分支,使SN2的反應速度減慢,使SN1的反應速度增加.因SN2的過渡態(tài)特別擁擠,所以空間阻礙對SN2的影想比SN1大.如RBr中的溴被氫負離子取代R=CH3C2H5i-C3H7t-C4H9K=1001.650.0220.0048第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日對SN1反應,由于超共軛作用等引起碳正離子的穩(wěn)定性改變而影響反應速度:三級碳正離子>二級碳正離子>一級碳正離子同時,對某些三級作用物,碳正離子形成過程中張力消除,使反應加速.β位的分支對SN1歷程的速度有較小的影響:某些三級鹵代烷的相對離解速度:第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日橋頭化合物

在SN2和SN1反應條件下都極不活潑，在SN2條件下，進攻親核試劑不可能從背后進攻而使構型發(fā)生反轉．而在SN1反應條件下，平面構型碳正離子的形成引起較大的張力．

第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日（３）離去原子團的效應

(a)

離去原子團的親電子性能（接受負電荷的能力）愈大，則R—X分子愈易離子化,從而按SN1歷程進行反應,并且反應進行得更迅速．也同樣使SN2反應速度增加．表:1-苯基乙酯和鹵化物溶劑解反應的相對速率離去基團k相對離去基團k相對CF3SO3－1.4×108CF3CO2－2.1p-硝基苯磺酸根離子4.4×105Cl－1.0p-甲苯磺酸根離子3.7×104F－9×10-6CH3SO3－3.0×104p-硝基苯甲酸根離子5.5×10-6I－91CH3CO2－1.4×10-6Br－14

第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日(b)鹵素離去基團的反應活性順序為I->Br->Cl->F-這與Ｃ－Ｘ鍵的鍵能和可極化性有關，因為一個較易極化的離去基團將使它與碳所成的鍵斷裂時的過渡態(tài)變得穩(wěn)定。(c)

空間因素對于離去原子團離去能力有一定的影響,如巨大的離去原子團和烴基間的非鍵連相互作用,有利于SN1歷程.表:RX在80%乙醇中的溶劑解時對甲苯磺酸酯/溴化物的速度比

R甲基乙基異丙基叔丁基1-金剛烷基kOTs/kBr11104040009750第二十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日(4)親核試劑對反應的影響

(a)

電負性對反應的影響親核試劑的電負性改變對SN1反應速度影響不明顯,因為SN1反應速度取決于慢的離子化過程,而此過程親核試劑不參加．但親核試劑對SN2取代反應速度有影響，親核試劑的電負性減小，則SN2反應速度加大.第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日（b)親核試劑分子的立體結構對反應的影響

親核試劑分子加大,使SN2取代反應速度降低第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日(5)溶劑的影響

(a)

溶劑極性的影響易使RX離子化的溶劑有利于SN1反應:如C6H5CH2-Cl的水解作用,在水中反應按SN1歷程進行,在丙酮中按SN2進行.(b)

利用冠醚提高負離子的活性第二十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日4.親核取代反應的立體化學

瓦爾登反轉(Walden)具有旋光性化合物的不對稱碳原子直接相連的原子或原子團取代時,常常得到外消旋產(chǎn)物第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日5.鄰基參與

當一個進行親核取代反應的底物分子上還帶有一個能作為親核體的基團,并位于分子的適當位置時，能夠和反應中心部分地或完全地成鍵形成過渡態(tài)或中間體，從而影響反應的進行，這種現(xiàn)象稱為鄰基參與作用（Neighboringgroupparticipation）。通常把由于鄰基參與作用而使反應加速的現(xiàn)象稱為鄰基協(xié)助或鄰基促進。第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日鄰基參與若鄰基參與作用發(fā)生在決速步驟之后只有鄰基參與作用而無鄰基促進。能發(fā)生鄰基參與作用的原子團:具有未共用電子對的原子或原子團;含有碳-碳雙鍵等的不飽和基團、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.第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日(a)n參與作用

化合物的分子中具有未共用電子對的基團位于離去基團的β位置或更遠時，此化合物在取代反應過程中構型保持。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)第二十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日經(jīng)過兩次SN2反應,總結果是構型保持

第一步第二步鄰基原子更易，更近,外加的Nu必須和作用物碰撞才能發(fā)生反應，而鄰基Z由于所處的位置有利，即刻就能進攻中心碳原子；再者鄰基參與作用的熵變更為有利，反應中心與Z反應和與Nu反應相比，前者ΔS降低得較少。第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日例如：當3-溴-2-丁醇的蘇型（Threo）外消旋體（±）用HBr處理時，得到外消旋體（±）-2,3-二溴丁烷第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日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電負性太強，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。第三十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日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：

第三十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日(b)π參與作用

(1)C=C雙鍵作為鄰近基團C=Cπ鍵、C=Oπ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π參與，反應速率比相應的飽和酯快1011倍，且產(chǎn)物構型保持。

第三十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日(2)環(huán)丙基的參與作用

環(huán)丙烷環(huán)的某些性質與雙鍵類似，因此處于適當位置時也可能發(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。第三十五頁，共四十一頁，2022年，