饱和C原子上亲核取代

1、第三章第三章 饱和碳原子上亲核取代反应饱和碳原子上亲核取代反应(aliphatic nucleophilic substitution)一一. 反应类型反应类型 二二. 反应机理反应机理三三. 立体化学立体化学四四. 影响反应活性的因素影响反应活性的因素五五. 邻基参与作用邻基参与作用1. sn1机理机理 2. sn2机理机理 3. 离子对机理离子对机理1. 底物的烃基结构底物的烃基结构2. 离去基团离去基团 (l)3. 亲核试剂亲核试剂 (nu:)4. 溶剂溶剂一、一、亲核取代的亲核取代的反应类型反应类型+nu+l-r nur l亲核试剂亲核试剂带着一对电子进攻中心碳原子，带着一对电子进攻中

2、心碳原子，离去基团带着一对电子离开离去基团带着一对电子离开 中性底物，亲核试剂带孤对电子：中性底物，亲核试剂带孤对电子：r l + nu r nu + l 中性底物，带负电亲核试剂：中性底物，带负电亲核试剂：+r l nu-r nu+l- 带正电底物，亲核试剂带孤对电子：带正电底物，亲核试剂带孤对电子：+lr nu+nu+l+r带正电底物，带负电亲核试剂：带正电底物，带负电亲核试剂：rl+nu-+r nul+phch2clcn-phch2cncl-+(ch3)2s(ch3)4n+(ch3)3s (ch3)3n+ch3cl h2o+ch3oh2cl-ch3ch2ibu3p+i-bu3p ch2c

3、h3二、反应机理二、反应机理1. 单分子亲核取代单分子亲核取代 ( sn1) （substitution nucleophilic unimolecular)+r l nu-r nu+l-=k1lrr lrlr+l-+慢反应分两步进行反应分两步进行第一步第一步 正碳离子的生成：正碳离子的生成：第二步第二步 亲核试剂进攻亲核试剂进攻c+：r+nu-r nu快第一步是决速的一步。第一步是决速的一步。例如：例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：ph2ch clph2ch + cl+丙酮慢ph2ch ohh2oph2ch +sn 1 机理反应的底物特征：机理反应的底物特征

4、：叔卤代烷及其衍生物叔卤代烷及其衍生物被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物2. 双分子亲核取代双分子亲核取代 ( sn2) （substitution nucleophilic bimolecular)=kr lnu二级反应二级反应机理：机理：亲核试剂亲核试剂从离去基团的背面接近中心从离去基团的背面接近中心c原子，原子，同时，离去基团也逐步地离开底物分子。同时，离去基团也逐步地离开底物分子。l-nu-rch2 lrch2 nunuc lh hr新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂所需能量，新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂所需能量，由新键形成所

5、放出的能量提供。由新键形成所放出的能量提供。两者达平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态两者达平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态 t。s n 2 反应机理：反应机理：lnucclnuclnuclnuclnucnul过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心c原子的原子的 p轨道交盖的程度轨道交盖的程度=离去基团与中心碳原子的离去基团与中心碳原子的 p轨道的交盖程度轨道的交盖程度按按 sn 2 机理进行的底物特征：机理进行的底物特征：rchrx不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物3. 离子对机理离子对机理介于介

6、于sn1 与与 sn2 之间的机理，建立在之间的机理，建立在sn1机理基础上。机理基础上。 解离的正负离子形成紧密离子对，整个离子对被溶剂化。解离的正负离子形成紧密离子对，整个离子对被溶剂化。 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。 离解的离子为自由离子。离解的离子为自由离子。三个阶段：三个阶段：亲核试剂可以进攻三种状态的底物，从而得到不同的产物。亲核试剂可以进攻三种状态的底物，从而得到不同的产物。nu+l-r+nunur lr+l-r l+-sn1+sn2sn2sn1紧密离子对紧密离子对 溶剂分割离子对溶剂分割离子对 离解的离子离解的离子构型翻转构型翻转

7、消旋化消旋化三、反应的立体化学三、反应的立体化学反应的立体化学与反应机理相关反应的立体化学与反应机理相关sn2机理：机理：walden转化nu-lccnulcnu试剂从离去基的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化试剂从离去基的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化walden转化。转化。nu:l+ l-nucc6h13hbrch3naohsn 2cc6h13hch3ho(r)-(-)-2-辛烷辛烷 25d= -34.25对映体纯度对映体纯度=100%(s)-(-)-2-辛醇辛醇 25d= -9.90对映体纯度对映体纯度=100%chch2phmeohtsclachch2phmeotset

8、ohk2co3bchch2phmeoet = +33.0 = +31.1 = -19.9 = +23.5oetmech2phchetbrckokmech2phchdsn1机理机理c+nu-cl+nucnuc50%50%nu-l-试剂从试剂从c+的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物c+hch3phoh-h2oclchch3phohcch3hphoh-cch3phhho49%51%c+越稳定，消旋化程度越大。越稳定，消旋化程度越大。消旋化消旋化 (racemization)phcch3ohphcch3构型转化%27hch3brhch3o+ 73% 消旋化

9、产物hbr事实上，事实上，sn1反应往往伴随构型转化产物：反应往往伴随构型转化产物：当当c+不是足够稳定时，由于不是足够稳定时，由于l 的屏蔽效应，的屏蔽效应，nu:从从 l 背后进背后进攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多。攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多。四四. 影响反应活性的因素影响反应活性的因素 底物的结构底物的结构 亲核试剂的浓度与反应活性亲核试剂的浓度与反应活性 离去基团的性质离去基团的性质 溶剂效应溶剂效应（一）底物结构的影响（一）底物结构的影响sn 2反应：反应： 卤代烷的反应活性顺序是：卤代烷的反应活性顺序是：甲基甲基 伯伯 仲仲 叔叔原因：烷基的空间效应原因：烷基的

10、空间效应r x nu-x-nursn2r ch3ch3ch2(ch3)3c(ch3)2chk23010.030新戊基卤代烷几乎不发生新戊基卤代烷几乎不发生sn2反应：反应：chxnu:cnulhhh转变过程中，中心碳原子由底物同转变过程中，中心碳原子由底物同4个基团相连转变为个基团相连转变为过渡态的同过渡态的同5个碳原子相连，空间拥挤程度增大。个碳原子相连，空间拥挤程度增大。当底物中心碳原子连有较大基团时，当底物中心碳原子连有较大基团时，nu:难于从背后接近底物。难于从背后接近底物。sn1反应：反应： a. 电子效应电子效应所有能使碳正离子稳定的因素，都能使所有能使碳正离子稳定的因素，都能使s

11、n1反应的速率增大：反应的速率增大：rots r+otsetohroetk1当取代基具有当取代基具有i、超共轭效、超共轭效应、应、c效应，效应，sn1反应速率反应速率增大，反应活性增大。增大，反应活性增大。r相对速率相对速率 (k1)et0.26i-pr0.69ch2=ch-ch2-0.86phch2100ph2ch105ph3c1010当中心碳原子与杂原子直接相连时，当中心碳原子与杂原子直接相连时，sn1反应速率明显增大：反应速率明显增大：c2h5och2clc-c-c-c-clc2h5o-ch2ch2clsn 1反应速率反应速率109 1.0 0.2所形成的碳正离子，因共轭效应而被稳定。所

12、形成的碳正离子，因共轭效应而被稳定。b. 空间效应空间效应底物取代基的空间效应使底物取代基的空间效应使sn1反应速率加快，与反应速率加快，与sn 2反应相反。反应相反。rbr在水中的溶剂解相对速度在水中的溶剂解相对速度rbr 在水中在水中50时时mebr 1.00etbr 1.00i-pbr 11.6t-bubr 1.2106crrrxcrr rx-四面体四面体平面三角型平面三角型键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度越减小。键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度越减小。（二）亲核试剂（二）亲核试剂nu:在在 sn2反应中起着重要作用反应中起着重要作用规律：规律：1、带负电

13、荷的试剂、带负电荷的试剂 它的共轭酸：它的共轭酸：oh- h2o, ch3o- ch3oh2、带负电：负电荷越集中，亲核性越强；、带负电：负电荷越集中，亲核性越强； 中性：进攻原子的电子云密度越集中，亲核性越强。中性：进攻原子的电子云密度越集中，亲核性越强。a. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：ro- ho- rcoo- roh h2och3o- pho- ch3coo- no2-碱性是试剂与质子结合的能力；碱性是试剂与质子结合的能力；亲核性是试剂与亲核性是试剂与c+或或c +结合的能力。结合的能力。ch3ooclono2o试剂中进攻

14、的原子不同时，亲核性强度顺序与碱性有时不同：试剂中进攻的原子不同时，亲核性强度顺序与碱性有时不同：碱性：碱性： c2h5o- i-亲核性：亲核性： i- c2h5o-b. 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱， 负电荷越分散，亲核性越弱：负电荷越分散，亲核性越弱：h2n- oh- f-c. 进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大，进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大， 试剂的亲核性越强：试剂的亲核性越强：f- cl- br- i-r-o - r-s - 其电子效应：其电子效应：co碱性很强，负电荷也很集中，但烷基具有较碱性很强，负电荷也很

15、集中，但烷基具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。大的空间效应，故其亲核性很弱。ch3o c2h5o ch3ch3cho (ch3)3co亲核性依次减小亲核性依次减小c2h5nh2(c2h5)2nh (c2h5)3n亲核性依次减弱，亲核性依次减弱，碱性依次增强。碱性依次增强。（三）离去基团（三）离去基团 (leaving groups)nu:sn2+ ll-lcsn1c+nu c离去基团带着一对电子离开离去基团带着一对电子离开中心中心c，成为负离子。，成为负离子。接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。1、 较好的离去基团是强酸的共轭碱：较好的离去

16、基团是强酸的共轭碱：pka r br r clr ff cl br i可极化度依次增大可极化度依次增大（四）溶剂效应（四）溶剂效应溶剂的性质：溶剂的性质：介电常数介电常数 越大，溶剂的极性越大。越大，溶剂的极性越大。 是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即溶剂稳定离子的能力。是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即溶剂稳定离子的能力。 偶极距偶极距非极性溶剂非极性溶剂（ 0） ：ccl4，cs2，c6h6极性溶剂（极性溶剂（ 0）质子型：质子型：etoh, h2o, h3cooh非质子型：非质子型：thf, et2o, dmf, dmso质子型溶剂质子型溶剂通过氢键缔合通过氢键缔合非质子型溶剂通过偶极与偶极

17、相互作用非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用r o hnu极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。sn 1反应：反应：rlr l慢慢r+l-nu中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定碳正离子，使反应速率加快。将稳定碳正离子，使反应速率加快。sn 2反应：反应：nu-l-r lnulnu rc在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶剂极性的提高，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。溶剂极性的提高，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。ro hn

18、uhorhor在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。在质子型溶剂中，试剂的亲核顺序为：在质子型溶剂中，试剂的亲核顺序为：sh- cn- i- oh- n3- br- ch3coo- cl - f- h2osn 2反应常在极性非质子型溶剂中进行。反应常在极性非质子型溶剂中进行。极性非质子型溶剂不与极性非质子型溶剂不与 nu:形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。常见的极性非质子型溶剂有：常见的极性非质子型溶剂有：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)二甲亚砜二甲亚砜dmso(