第三章-親核取代反應(yīng)課件

離子型反應(yīng)機(jī)理離子型反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)中最早研究的一類，近年來(lái)研究的主要特點(diǎn)是對(duì)象與范圍的擴(kuò)大以及對(duì)離子型與自由基反應(yīng)或協(xié)同反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理的研究。例如近來(lái)受到重視的一個(gè)新反應(yīng)——親鹵反應(yīng)，親核試劑可能從正面進(jìn)攻鹵原子（親鹵反應(yīng)）。國(guó)內(nèi)研究的親鹵反應(yīng)，受體主要是全鹵型氟鹵烷及多鹵代烷烴，包括尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道的C－Cl的親氯反應(yīng)；氧親核試劑對(duì)C－Br、C－Cl鍵以及中性與負(fù)離子型氮親核試劑對(duì)C－Br的親鹵反應(yīng)、磷葉立德和羰基葉立德的親鹵反應(yīng)等。離子型反應(yīng)機(jī)理離子型反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)中最早1內(nèi)容提要§3-1親核取代反應(yīng)的類型§3-2親核取代反應(yīng)的機(jī)理§3-3親核取代反應(yīng)的影響因素

一、底物的結(jié)構(gòu)

二、親核試劑

三、離去基團(tuán)

四、溶劑§3-4鄰基參與效應(yīng)§3-5親核取代反應(yīng)實(shí)例第三章親核取代反應(yīng)

(NucleophilicSubstitutionReaction)內(nèi)容提要§3-1親核取代反應(yīng)的類型第三章親核取代2第三章親核取代反應(yīng)

(NucleophilicSubstitutionReaction)§3-1親核取代反應(yīng)的類型

1.中性底物與帶孤電子對(duì)的中性親核試劑第三章親核取代反應(yīng)

(NucleophilicS33.帶正電荷底物與帶孤電子對(duì)的親核試劑2.中性底物與帶負(fù)電荷親核試劑3.帶正電荷底物與帶孤電子對(duì)的親核試劑2.44.帶正電荷底物與帶負(fù)電荷的親核試劑§3-2親核取代反應(yīng)的機(jī)理基本內(nèi)容一級(jí)反應(yīng)和二級(jí)反應(yīng)構(gòu)型保持和構(gòu)型翻轉(zhuǎn)反應(yīng)機(jī)理：SN2，SN1，離子對(duì)溶劑解反應(yīng)4.帶正電荷底物與帶負(fù)電荷的親核試劑§3-2親核取代反5

一、一級(jí)反應(yīng)和二級(jí)反應(yīng)反應(yīng)速率只取決于一種反應(yīng)物濃度的反應(yīng)，在動(dòng)力學(xué)上稱為一級(jí)反應(yīng)。v=k[A]反應(yīng)速率取決于兩種反應(yīng)物濃度的反應(yīng)，在動(dòng)力學(xué)上稱為二級(jí)反應(yīng)。v=k[A][B]

二、構(gòu)型保持和構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(R)-2-溴辛烷[]D=-34.6o(S)-2-辛醇[]D=+9.9o構(gòu)型保持構(gòu)型翻轉(zhuǎn)HO-(R)-2-辛醇[]D=-9.9o一、一級(jí)反應(yīng)和二級(jí)反應(yīng)(R)-2-溴辛烷(S6三、雙分子親核取代反應(yīng)

SN2δ+δ-慢δ-δ-過(guò)渡態(tài)快sp3sp2三、雙分子親核取代反應(yīng)SN2δ+δ-慢δ-7

SN2的特點(diǎn)之一動(dòng)力學(xué)之二過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)之三產(chǎn)物構(gòu)型SN2的特點(diǎn)8用碘原子直接與手性碳原子相連的2-碘辛烷為底物，在溶液中加入128I-，進(jìn)行同位素交換反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)溶液的旋光度逐漸降低——外消旋化。根據(jù)溶液旋光度隨時(shí)間的變化，測(cè)定出外消旋化的速率常數(shù)k2

。用同位素示蹤儀測(cè)定碘代烷的放射性，根據(jù)放射性隨時(shí)間的變化測(cè)定出同位素交換反應(yīng)的速率常數(shù)k2。同位素標(biāo)記法對(duì)SN2機(jī)理的研究用碘原子直接與手性碳原子相連的2-碘辛烷為底9其結(jié)果為：k2

=2k2。由此證實(shí)在SN2反應(yīng)中，只有親核試劑從離去基團(tuán)的背面進(jìn)攻碳原子，才能引起具有手性的碳原子的構(gòu)型發(fā)生改變。一個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)物構(gòu)型與生成物的構(gòu)型完全相反，這個(gè)過(guò)程稱為“構(gòu)型翻轉(zhuǎn)”——Walden轉(zhuǎn)化。(S)-2-碘辛烷(R)-2-碘(128I)辛烷其結(jié)果為：k2=2k2。由此證實(shí)在S10

四、單分子親核取代反應(yīng)

SN1-Br-:Nu反應(yīng)物過(guò)渡態(tài)1慢四、單分子親核取代反應(yīng)SN1-Br11產(chǎn)物中間體-Br-過(guò)渡態(tài)2-1Nu-快過(guò)渡態(tài)2-2產(chǎn)物中間體-Br-過(guò)渡態(tài)2-1Nu-快過(guò)渡態(tài)2-212

SN1的特點(diǎn)之一動(dòng)力學(xué)；之二中間體結(jié)構(gòu)之三產(chǎn)物構(gòu)型外消旋產(chǎn)物↑；反之，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物↑碳正離子穩(wěn)定性↑離去基團(tuán)離去傾向↑親核試劑親核能力↓親核試劑濃度↓溶劑極性↑例1SN1的特點(diǎn)外消旋產(chǎn)物↑；碳正離子穩(wěn)定性↑13例2例214五

重排和消除產(chǎn)物五重排和消除產(chǎn)物15

當(dāng)化學(xué)鍵的斷裂和形成發(fā)生在同一分子中時(shí)，引起組成分子的原子的連接方式發(fā)生改變，從而形成組成相同，結(jié)構(gòu)不同的新分子，這種反應(yīng)稱為重排反應(yīng)。

(1)反應(yīng)機(jī)理

伯碳正離子重排在碳正離子中氫原子、烷基或芳基基團(tuán)的遷移稱為Wagner-Meerwein重排當(dāng)化學(xué)鍵的斷裂和形成發(fā)生在同一分子中時(shí)，引起16叔碳正離子重排產(chǎn)物消除產(chǎn)物叔碳正離子重排產(chǎn)物消除產(chǎn)物17

(2)特點(diǎn)

Wagner-Meerwein重排為同面、遷移基團(tuán)構(gòu)型保持的[1,2]-遷移。例如：

98%構(gòu)型保持(2)特點(diǎn)Wagner-Meerwein18

六、溶劑解反應(yīng)溶劑作為試劑與底物發(fā)生反應(yīng)——溶劑解反應(yīng)。-+++(CH3)3C－OC2H5+HBr(CH3)3C－Br+C2H5OH六、溶劑解反應(yīng)-+++(CH3)19溶劑解反應(yīng)的特點(diǎn)

溶劑解反應(yīng)速度慢，主要用于研究反應(yīng)機(jī)理；在低親核性溶劑中碳正離子發(fā)生重排的趨勢(shì)增加，光學(xué)活性作用物外消旋化程度增加.溶劑解反應(yīng)的特點(diǎn)溶劑解反應(yīng)速度慢，主要用于研究反應(yīng)機(jī)20

§3-3親核取代反應(yīng)的影響因素影響親核取代反應(yīng)的主要因素包括：底物的結(jié)構(gòu)、親核試劑、離去基團(tuán)和溶劑。

一、底物的結(jié)構(gòu)

1.電子效應(yīng)電子效應(yīng)主要影響SN1反應(yīng)2.空間效應(yīng)空間效應(yīng)主要影響SN2反應(yīng)

二、親核試劑試劑的親核能力主要影響SN2反應(yīng)1.試劑的親核性

(1)試劑的親核性

在有機(jī)反應(yīng)中，試劑的親核性和堿性兩個(gè)概念有一定的聯(lián)系，親核性側(cè)重于速率即動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，而堿性則側(cè)重于平衡即熱力學(xué)現(xiàn)象?！?-3親核取代反應(yīng)的影響因素21親核性堿性代表與質(zhì)子的結(jié)合能力或提供電子對(duì)的能力代表熱力學(xué)平衡狀況很少受空間因素影響代表試劑在形成過(guò)渡態(tài)時(shí)對(duì)碳原子的親合能力，包括：給電子能力和可極化性代表動(dòng)力學(xué)過(guò)渡態(tài)狀況易受空間因素影響親核性堿性代表與質(zhì)子的結(jié)合能力或提供電子對(duì)的能力代表試劑在形22

(2)影響試劑親核性的主要因素

①試劑進(jìn)攻原子的電負(fù)性

進(jìn)攻原子的電負(fù)性↑→與其電子結(jié)合程度↑→給電子能力↓→親核活性↓②試劑進(jìn)攻原子的可極化度

進(jìn)攻原子的可極化度↑→親核活性↑

③試劑與碳原子2p軌道結(jié)合的鍵強(qiáng)度

鍵強(qiáng)度↑→過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定性↑→反應(yīng)活性↑

④Lewis堿的溶劑化能量

溶劑化能量↑→基態(tài)能量↓→v↓⑤試劑有效體積的大小

有效體積↑→親核活性↓(2)影響試劑親核性的主要因素23

2.試劑親核性的判斷

(1)在偶極溶劑中親核性的變化規(guī)律H3C-H2N-HO-F-Cl-Br-I-2.53.13.54.12.82.72.2可極化性減弱堿性逐漸減弱親核性逐漸減弱溶劑對(duì)可極化性很高、但堿性弱的試劑的親核性影響不大（例如I-）。2.試劑親核性的判斷H3C-24

(2)在質(zhì)子溶劑中親核性的變化規(guī)律H3C-H2N-HO-F-Cl-Br-I-2.53.13.54.12.82.72.2可極化性減弱親核性逐漸減弱堿性逐漸減弱溶劑對(duì)可極化性小，但堿性強(qiáng)的試劑的親核性影響大（例如F-、Cl-、Br-）(2)在質(zhì)子溶劑中親核性的變化規(guī)律H3C-25

(3)質(zhì)子溶劑中常用親核試劑的排列順序與溶劑形成氫鍵的能力↑→親核性↓RS-ArS->CN->I->NH3

(RNH2)>RO-HO->Br->PhO->Cl->>H2O>F-中心原子相同：堿性↑→親核性↑RO->HO->PhO->RCOO->ROH>H2O空間效應(yīng)：體積↓→親核性↑CH3O-＞CH3CH2O-＞(CH3)2CHO-＞(CH3)3CO-(3)質(zhì)子溶劑中常用親核試劑的排列順序26

三、離去基團(tuán)離去基團(tuán)的離去能力↑→有利于SN1和SN2反應(yīng)，且離去能力在這兩類反應(yīng)中順序相同，但對(duì)SN1反應(yīng)的影響比SN2反應(yīng)更明顯。鍵能↓→離去傾向↑；離去基團(tuán)堿性↓→形成的負(fù)離子穩(wěn)定性↑→離去傾向↑。例如：基團(tuán)鍵能(C－X)1-苯基-1-鹵乙烷溶劑解相對(duì)速率F485.3910-6Cl339.01.0Br284.514I217.091堿性：F->Cl->Br->I-離去傾向：I->Br->Cl->F-三、離去基團(tuán)F485.327水溶液中進(jìn)行親核取代反應(yīng)時(shí)，離去基團(tuán)的離去能力順序：>HO->

CH3O->>NH2->CH3-

>

CF3CO2->

H2PO4->

NO3->

F->

RCO2->

CN->

NH3>PhO->R3N,RNH2>

RS-N2>>RSO3->

ROSO3->

I->Br->

H2O>Me2S>Cl-最好的好的中等的次等的差的最差的水溶液中進(jìn)行親核取代反應(yīng)時(shí)，離去基團(tuán)的離去28磺酸酯具有高度的反應(yīng)活性，在親核取代反應(yīng)中是極為有用的反應(yīng)物，。最常用的有對(duì)甲苯磺酸酯（ROTs），對(duì)溴苯磺酸酯（ROBs），對(duì)硝基苯磺酸酯（RONs）和甲磺酸酯(ROMs)。其磺酸根氧原子上的負(fù)電荷能通過(guò)硫離域到整個(gè)酸根上，因而是比鹵離子更好的離去基團(tuán)。

醇羥基是較差的離去基團(tuán)，親核取代反應(yīng)較為困難，在有機(jī)合成上常采用以下方法：方法一Lewis酸催化，促使OH－離去。-+磺酸酯具有高度的反應(yīng)活性，在親核取代反應(yīng)中29方法二

得到的磺酸酯可以保持醇R—原有的結(jié)構(gòu)完整和立體化學(xué)特征，同時(shí)可以醇為原料，利用離去能力強(qiáng)的磺酸根制備其它化合物。四、溶劑溶劑效應(yīng)主要是通過(guò)影響過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定性從而影響反應(yīng)活化能，最終影響反應(yīng)速率。SN1RX—[R·······X]R++X--+方法二得到的磺酸酯可以保持醇R—原有的結(jié)構(gòu)完30SN2Nu-+RX—[Nu······R······X]NuR+X-

--質(zhì)子溶劑對(duì)SN1反應(yīng)有利，對(duì)SN2的影響要作具體分析；偶極溶劑對(duì)SN2反應(yīng)有利(相對(duì)于SN1、質(zhì)子溶劑而言)，可能使SN1機(jī)理→SN2機(jī)理；極性溶劑對(duì)SN1反應(yīng)有利，對(duì)SN2反應(yīng)多數(shù)情況不利(因?yàn)镾N1反應(yīng)過(guò)渡態(tài)極性增大，SN2反應(yīng)過(guò)渡態(tài)極性減小)，可能使SN2機(jī)理→SN1機(jī)理；非極性溶劑對(duì)SN1、SN2反應(yīng)都不利(RX不溶于非極性溶劑）。SN2Nu-+RX—[Nu····31

§3-4鄰基參與效應(yīng)

一、鄰基參與效應(yīng)

鄰基參與效應(yīng)（neighboringassistance）指在分子中的親核取代基參與了同一分子中另一部位上的取代反應(yīng)，使反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和立體化學(xué)受到強(qiáng)烈的影響。

二、鄰基參與效應(yīng)的條件

取代基在分子中位于適當(dāng)?shù)奈恢?，能夠與反應(yīng)中心部分地或完全地成鍵形成過(guò)渡態(tài)或中間體?！?-4鄰基參與效應(yīng)32

三、鄰基參與效應(yīng)的特點(diǎn)

(1)反應(yīng)速率明顯加快鄰基參與的反應(yīng)中由于取代基處于有利位置使反應(yīng)熵變很小，從而明顯降低活化能。但只有發(fā)生在反應(yīng)決速步驟的鄰基參與作用，才能使反應(yīng)加速，此現(xiàn)象稱為鄰基促進(jìn)或鄰基協(xié)助，否則只有鄰基參與而無(wú)鄰基促進(jìn)。例1，-氯代二乙基硫醚的溶劑解反應(yīng)比相應(yīng)的氧醚快104倍以上。硫鎓離子三、鄰基參與效應(yīng)的特點(diǎn)硫鎓離子33例2，芥子氣：ClCH2CH2SCH2CH2Cl鎓離子穩(wěn)定性開鏈正離子和相應(yīng)的氧鎓離子→v↑

(2)反應(yīng)中心的立體化學(xué)得到保留例1光學(xué)活性-溴代丙酸在濃NaOH溶液中主要得到構(gòu)型轉(zhuǎn)化水解產(chǎn)物，但在稀NaOH溶液/Ag2O中得到構(gòu)型完全保持的水解產(chǎn)物。S-R-S-***例2，芥子氣：ClCH2CH2SCH2CH2Cl34

例

(3)生成分子重排產(chǎn)物例(3)生成分子重排產(chǎn)物35

四、鄰基參與效應(yīng)的種類

能發(fā)生鄰基參與效應(yīng)的基團(tuán)包括：具有未共享電子對(duì)的原子或基團(tuán)；含有C－C雙鍵等不飽和基團(tuán)、具有π鍵的芳基以及C－C和C－Hσ鍵，分別稱為n-參與、π-電子參與和σ-參與。

(1)n-參與化合物分子中具有孤電子對(duì)的基團(tuán)位于離去基團(tuán)的β位或更遠(yuǎn)時(shí)，此化合物在取代反應(yīng)過(guò)程中得到構(gòu)型保持產(chǎn)物。這些基團(tuán)包括：COO-、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl。四、鄰基參與效應(yīng)的種類36HBr+鄰基Z由于所處的位置有利，比Nu-更易進(jìn)攻中心碳原子；鄰基參與作用的熵變更為有利實(shí)例：HBr+鄰基Z由于所處的位置有利，比Nu-更37第三章-親核取代反應(yīng)ppt課件38

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。Cl的親核性較弱，其鄰基參與只有在溶劑不發(fā)生干擾時(shí)才顯示出來(lái)。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)。鹵素作為鄰基參與的能力大小次序一般為I>39例1

對(duì)溴苯磺酸-4-甲氧基戊酯和對(duì)溴苯磺酸-5-甲氧基-2-戊酯的乙酸解，給出同樣比率產(chǎn)物的混合物例1對(duì)溴苯磺酸-4-甲氧基戊酯和對(duì)溴苯磺酸-5-甲氧40例2

-鹵代醇在NaOH溶液中的分子內(nèi)SN2反應(yīng)例2-鹵代醇在NaOH溶液中的分子內(nèi)SN2反應(yīng)41(2)π參與

①C=Cπ鍵、C=Oπ鍵鄰基參與作用例1反-7-原冰片烯基對(duì)甲苯磺酸酯的乙酸解(2)π參與例1反-7-原42反-7-原冰片烯基對(duì)甲苯磺酸酯在乙酸中的溶劑解速率比相應(yīng)的飽和化合物大1011倍，得到反式乙酸酯，比順式異構(gòu)體（得到反式乙酸酯）速度快107倍。其原因是雙鍵的π電子向7位碳原子的空2p軌道作用(軸向重疊，部分π性質(zhì)，部分性質(zhì))形成同烯丙基非經(jīng)典碳正離子。+同烯丙基非經(jīng)典碳正離子軌道示意圖反-7-原冰片烯基對(duì)甲苯磺酸酯在乙酸中的溶劑解速率比相應(yīng)的飽43例2外向和內(nèi)向-原冰片烯基鹵化物在水醇溶液中進(jìn)行溶劑解得到同樣產(chǎn)物(III)。外向化合物(I)比內(nèi)向化合物(II)的溶劑解速度大約快10倍。研究表明在化合物(I)的離解作用中能發(fā)生背后的鄰基參與作用，經(jīng)過(guò)渡態(tài)生成中間體(Ⅳ)；而在化合物(II)中則不能發(fā)生這種鄰基參與作用，先生成碳正離子，再重排得中間體(Ⅳ)。例2外向和內(nèi)向-原冰片烯基鹵化物在水醇溶44(a)

外向-5-降冰片烯基鹵代物的溶劑解的過(guò)渡態(tài)的軌道(b)

內(nèi)向-5-降冰片烯基鹵代物的溶劑解的過(guò)渡態(tài)的軌道(a)

外向-5-降冰片烯基鹵代物的溶劑解的45

②芳基參與作用

β位的芳基能發(fā)生鄰基參與作用。例1：對(duì)甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反應(yīng)如果用(2R,3S)-或(2S,3R)-蘇型異構(gòu)體為反應(yīng)物，生成外消旋混合物；如果用(2S,3S)-或(2R,3R)-赤型異構(gòu)體進(jìn)行反應(yīng)，則生成構(gòu)型保持產(chǎn)物。這說(shuō)明反應(yīng)物的兩個(gè)手性中心之間的單鍵相對(duì)旋轉(zhuǎn)在反應(yīng)過(guò)程中受到限制，因而產(chǎn)生各自的立體化學(xué)產(chǎn)物。②芳基參與作用β位的芳基能發(fā)生鄰基46其原因是：帶著π電子的苯基按照SN2反應(yīng)機(jī)理參與反應(yīng)，促進(jìn)對(duì)甲苯磺酸根離去，同時(shí)生成苯鎓離子（phenoniumion）中間體。其中蘇式異構(gòu)體與苯鎓離子直接相連的兩個(gè)碳原子完全相同，整個(gè)中間體有一個(gè)對(duì)稱面，沒(méi)有手性，親核試劑乙酸可以機(jī)會(huì)均等地進(jìn)攻兩個(gè)碳原子，得到一對(duì)對(duì)映體；而赤式異構(gòu)體形成的苯鎓離子有手性，因此生成構(gòu)型保持的一種產(chǎn)物。其原因是：帶著π電子的苯基按照SN2反應(yīng)機(jī)理參47蘇式：(2R,3S)外消旋體蘇式：(2R,3S)外消旋體48構(gòu)型保持產(chǎn)物：(2S,3S)赤式：(2S,3