第22饱和碳键上亲核取代反应

1、第二十二章第二十二章 饱和碳原子上亲核取代反应饱和碳原子上亲核取代反应 一一. 反应类型反应类型 (P532)二二. 反应机理反应机理 1. SN1机理机理 2. SN2机理机理 3. 离子对机理离子对机理三三. 立体化学立体化学 1. SN2反应反应 2. SN1反应反应四四. 影响反应活性的因素影响反应活性的因素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. 溶剂溶剂五五. 邻基参与反应邻基参与反应P538一一. 反应类型反应类型亲核取代反应的通式：亲核取代反应的通式：+N u+L-RN uRL亲核试剂带着一对电子进攻中心碳原子亲核试

2、剂带着一对电子进攻中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 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：CH3CH2IBu3P+I-Bu3PCH2CH3+PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：+LR Nu+Nu+L+R(CH3)2S(CH3)4N+(CH3)3S(CH3)3N+ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：RL+Nu-+R NuLCH3Cl H2O+CH3OH2Cl-+R L Nu-R Nu+L- 亲核试剂带有负电荷：亲

3、核试剂带有负电荷：二二. 反应机理反应机理1. 单分子亲核取代单分子亲核取代 ( SN 1)反应机理反应机理 P +R L Nu-R Nu+L-=k1LRR LRLR+L-+慢反应分两步进行反应分两步进行生成正碳离子生成正碳离子亲核试剂进攻正碳离子：亲核试剂进攻正碳离子：R+Nu-R Nu快第一步是决定反应速率的一步。第一步是决定反应速率的一步。第一步第一步第二步第二步例如：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 +2. SN 2反应机理反应机理 =kR LNu二级反应二级反应(双分子双分

4、子)L-Nu-RCH2 LRCH2 NuNuC LH HR动力学研究表明：动力学研究表明：亲核取代的速率与底物的浓度和试剂的浓度相关亲核取代的速率与底物的浓度和试剂的浓度相关.立体化学立体化学: 构型翻转构型翻转 (Walden inversion) S N 2 反应机理：反应机理：LNuCCLNuCLNuCLNuCLNuLNuCCLNuCLNuCLNuCLNu2022-3-15SN2反应机理的能量变化可用反应进程 位能曲线图表示如下：3. 3. S SN N1 1机理与机理与离子对离子对 底物解离成正碳离子要经过几步形成不同的离子对：底物解离成正碳离子要经过几步形成不同的离子对：R L+-R

5、+L-离子化溶剂介入R LNuNuNuSN2R+L-+溶剂介入离子对构型翻转紧密离子对翻转（主要）转化（消旋化）离解的离子NuS1N（消旋化产物） 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。解离的正负离子形成紧密的离子对，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：亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同的产物。亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同的产物。R L+-R+L-离子化溶剂介入R LNuNuNuSN2R+L-+溶剂介入离子对构型翻转紧密离子对翻

6、转（主要）转化（消旋化）离解的离子NuS1N（消旋化产物）2022-3-15XRRNuNuR势势能能反反应应进进程程XRXRRX+NuRX+慢慢快快 三三. .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1、SN2机理：机理：Walden转化Nu-LCCNuLCNu 由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化产物发生构型转化WaldenWalden转化。转化。Nu:L+ L-Nu2022-3-15 瓦尔登生于瓦尔登生于1863年年7月月26日，是帝俄时代的拉脱维亚人。幼年丧日，是帝俄时代的拉脱维亚人。幼年丧父母成为孤儿。

7、在当地以优异的成绩小学毕业后，被公费保送到拉脱父母成为孤儿。在当地以优异的成绩小学毕业后，被公费保送到拉脱维亚的里加（维亚的里加（Riga）上中学，成绩优异。）上中学，成绩优异。1882年年19岁中学毕业，进入岁中学毕业，进入里加很有名的工业大学。里加很有名的工业大学。1887年他跟着他的老师，当时颇有名望的化年他跟着他的老师，当时颇有名望的化学教授威廉学教授威廉奥斯特瓦尔德去德国莱比锡大学，一面从事研究工作，奥斯特瓦尔德去德国莱比锡大学，一面从事研究工作，一面做私人教师来维持生活，所以他于一面做私人教师来维持生活，所以他于28岁时才获得博士学位。后来岁时才获得博士学位。后来他回到母校工作，从

8、助教、讲师、教授、教务长一直到校长。主要从他回到母校工作，从助教、讲师、教授、教务长一直到校长。主要从事有机化学教学，并从事物理化学研究。事有机化学教学，并从事物理化学研究。18971899年这三年间，他年这三年间，他从事有机立体化学研究，发现了著名的瓦尔登转化现象。由此引起英、从事有机立体化学研究，发现了著名的瓦尔登转化现象。由此引起英、美、德、意等国许多化学家进行类似的研究，使他成为国际上知名的美、德、意等国许多化学家进行类似的研究，使他成为国际上知名的化学家。化学家。瓦尔登（瓦尔登（Paul Walden,1863-1957）2022-3-15 瓦尔登在瓦尔登在1906年被选为俄罗斯科学

9、院院士。从年被选为俄罗斯科学院院士。从1919年起被德国年起被德国的罗斯托克大学聘任为教授。从此他成为国际化学界很活跃的一位的罗斯托克大学聘任为教授。从此他成为国际化学界很活跃的一位化学家。化学家。1929年受聘为美国康乃克大学的客座教授。年受聘为美国康乃克大学的客座教授。1934年他曾担年他曾担任第九届国际任第九届国际“纯粹和应用化学联合会纯粹和应用化学联合会”的会长，历时四年。的会长，历时四年。1942年第二次世界大战期间，他在罗斯托克的家被毁，他不得不逃到德年第二次世界大战期间，他在罗斯托克的家被毁，他不得不逃到德国土宾根，成了土宾根大学的客座教授。国土宾根，成了土宾根大学的客座教授。

10、瓦尔登一生的著作很多，发表论文将近二百篇。他写的书有瓦尔登一生的著作很多，发表论文将近二百篇。他写的书有瓦尔登转化瓦尔登转化(1919)，非水溶液非水溶液(1924)，作为化学家的歌德作为化学家的歌德(1932)，化学简史化学简史(1947)等。他一生名誉很多，得过许多国外大等。他一生名誉很多，得过许多国外大学授予的荣誉学位，得过很多国外学术机构赠的奖章。他之所以取学授予的荣誉学位，得过很多国外学术机构赠的奖章。他之所以取得惊人的成就是勤奋努力的结果，他自己说，曾经有些年每天只睡得惊人的成就是勤奋努力的结果，他自己说，曾经有些年每天只睡上上3-4小时，而大部分时间用来读书和做实验研究。小时，而

11、大部分时间用来读书和做实验研究。 瓦尔登于瓦尔登于1957年年1月月22日在土宾根因病逝世，享年日在土宾根因病逝世，享年94岁。岁。CC6H13HBrCH3NaOHSN 2CC6H13HCH3HO(R) - (-) - 2 - 辛烷辛烷(S) - (-) - 2 - 辛醇辛醇构型翻转构型翻转R1R3CR2AX(I)R2CR1R3XA(II)2 、 SN1 、 SN2 混合机理：混合机理：CH3(CH2)5CHCH3OBsH2ONa N3OO75%H2OOHCH3(CH2)5CHCH3CH3(CH2)5CHCH3N3+OBs=BrS-OOOCH3(CH2)5CHCH3OHOOOBsH2O75%H

12、2OCH3(CH2)5CHCH377%构型反转构型反转100%构型反转构型反转产率产率22%产率产率78%2-辛醇对溴苯磺酸酯辛醇对溴苯磺酸酯3、SN1机理机理C+Nu-CL+NuCNuC50%50%Nu-L-试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物。外消旋产物。C+HCH3PhOH-H2OClCHCH3PhOHCCH3HPhOH-CCH3PhHHO49%51%消旋化消旋化正碳离子越稳定，消旋化程度越大正碳离子越稳定，消旋化程度越大2022-3-15PhCCH3OHPhCCH3构型转化%27HCH3BrHCH3O+ 73% 消旋化产物H

13、Br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 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构背后进攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多型转化增多。2022-3-15SN1SN2 SN1 SN2单分子反应单分子反应 双分子反应双分子反应V = K R-X V = K R-X Nu：两步反应两步反应 一步反应一步反应有中间体碳正离子生成有中间体碳正离子生成 形成过渡态形成过渡态 构型翻转构型翻转 + 构型保持构型保持 构型翻转（瓦尔登转化）构型翻转（瓦尔登转化）有重排产物有重排产物

14、无重排产物无重排产物2022-3-15CH3HBrCH3HOHorCH3HBrCH3HHOHBrCH3HBrCH3HBrCH3HBrCH3HHOorCH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3HBrCH3HBrCH3HBrROHBrHRBr2022-3-15CH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3HOH2HH3COH2HCH3BrHH3CHCH3BrBrababHH3CHCH3BrBrHH3CHCH3BrBrCH3HBrCH3HBr2022-3-15ClSClH2OClSOH快快水解速度比一般水解速度比一般1oRX快快动力学为一级动力学为一级ClSClClSH2OClSOHk1k2

15、HH2OClSOHk2 k12022-3-15CH3BrHCO2NaNaOHH2OCH3HOHCO2NaH3CBrHCOOBrH3CHCOOHOH3CHOHCOO四四. 影响反应活性的因素影响反应活性的因素影响亲核取代反应活性的主要因素是：影响亲核取代反应活性的主要因素是： 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：烷基的空间效应新戊基卤代烷几乎不发生新戊基卤代烷几乎

16、不发生S SN N2 2反应：反应：CHXNu:CNuLHHH转变过程中，中心转变过程中，中心碳原子由底物同碳原子由底物同4个个基团相连转变为由基团相连转变为由过渡态的同过渡态的同5个碳原个碳原子相连，空间拥挤程子相连，空间拥挤程度增大。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。R X Nu-X-NuRSN2R CH3CH3CH2(CH3)3C(CH3)2CHk23010.030SN1反应：反应：A. 电子效应电子效应 所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN 1反应的反应速率增大：

17、反应的反应速率增大：ROTs R+OTsEtOHROEtk1相对速率相对速率 (k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.8610010 510 10 当取代基具有当取代基具有I、超共轭效应、超共轭效应、C效应，效应，SN 1反应速率增大反应速率增大, 反应反应活性增大。活性增大。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(R-Z-CH2-L)，SN 1反应速率明显增大：反应速率明显增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反应反应速率速率109 1.0 0.2当杂原子与中心碳原子相连时，所

18、形成的当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的正碳离子，因共轭效应而被稳定。正碳离子，因共轭效应而被稳定。B. 空间效应空间效应与与SN 2反应相反，底物上的取代基的反应相反，底物上的取代基的空间效应使空间效应使SN1反应速率加快：反应速率加快：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，键角增大，取代基空间取代基空间效应越大，效应越大，基团的空间基团的空间拥挤程度减拥挤程度减小。小。（二）亲核试剂的强度（二）亲核试剂

19、的强度Nu:在在 SN2反应中起着重要作用反应中起着重要作用NuCH3O-, HO-, I-H2O:规律：规律：1)带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： OH H2O, CH3O- CH3OH2）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强；）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强； 中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中， 亲核性越强。亲核性越强。A. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：性一致：RO- HO- RCO2- ROH H2OCH3O- PhO- CH

20、3CO2- 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；亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力。亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力。CH3OOClONO2O 当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度顺序与碱性有时不同：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：弱，负电荷越分散，亲核性越弱：H2N- OH- F-C. 试剂中的进攻原子为同族原子时，原子

21、的试剂中的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：可极化度越大，试剂的亲核性越强：F- Cl- Br- I-RO - RS - 电子效应：电子效应：CO 负电荷也很集中，碱性很强，但由于烷基具有较负电荷也很集中，碱性很强，但由于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，碱性依次增强。亲核性依次减弱，碱性依次增强。同理：同理：（三）离去基团（三）离去基团Nu:SN2+ LL-LCSN1C+Nu C离

22、去基团离去基团: 带着一对电子离开中心碳原子，成为负离子。带着一对电子离开中心碳原子，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：较好的离去基团是强酸的共轭碱：A H + BA + B H共轭酸共轭酸 1共轭碱共轭碱 2 共轭碱共轭碱 1 共轭酸共轭酸 2强酸的共轭碱是强酸的共轭碱是弱碱弱碱重要的离去基团是重要的离去基团是 pKa R Br R ClR FFClBrI可可极极化化度度RLR L慢慢R+L-Nu（四）溶剂效应（四）溶剂效应溶剂的性质：介电常数溶剂的性质：介电常数 () ()越大，溶剂的极性

23、越大。越大，溶剂的极性越大。:是衡量溶剂稳定离子的能力。是衡量溶剂稳定离子的能力。(溶剂隔离正负离子的能力溶剂隔离正负离子的能力)（ 0）偶极距偶极距（ 0）非极性溶剂非极性溶剂：CClCCl4 4, , , CSCS2 2, , 极性溶剂极性溶剂质子型质子型：EtOH, H2O, CH3COOH 非质子型：非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT质子型溶剂质子型溶剂通过氢键缔合通过氢键缔合R O HNu非质子型溶剂非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用通过偶极与偶极相互作用极性极性 溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。溶剂效应将一个中性化合物离解为两个带电荷的离溶剂效应将一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性提高，将稳定正碳离子，使反应速率子，溶剂极性提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。加快。R LRLR+L-+慢SN 1：SN 2反应：反应：Nu-L-R LNuLNu RC 在过渡态中不产生新的电荷，而且还使在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶剂的极性增加，不利于电荷电荷分散，溶剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。的分散，使反应速稍有降低。RO HNuHORHOR亲核试剂与溶剂形成氢键，由此降低