高等有机化学之饱和碳原子亲核取代反应

1、第五章第五章 饱和碳原子上亲核取代反饱和碳原子上亲核取代反应应一一. 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：+Nu+L-R NuR LCH3CH2IBu3P+I-Bu3P CH2CH3 1、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：2、亲核试剂带有负电荷：、亲核试剂带有负电荷：+R L Nu-R Nu+L-+PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+3、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+4、底物带有正电荷，亲核

2、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-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 +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：R+Nu-R Nu快第一步是决定第一步是决定反应速率的一步。反应速率的一步。第二步第二步 亲核试剂进攻正碳离子：亲核试剂进攻正碳离子：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+丙酮慢按按

3、SN 1 机理进行反应的体系：叔卤代烷及机理进行反应的体系：叔卤代烷及其衍生物和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物其衍生物。2. 双双分子亲核取代分子亲核取代 ( SN 2)反应机理反应机理l动力学研究表明：有一类亲核取代反应的动力学研究表明：有一类亲核取代反应的速率与底物的浓度和试剂的浓度同时相关：速率与底物的浓度和试剂的浓度同时相关：=kR LNu二级反应二级反应其反应机理为：其反应机理为：新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提裂时所需的能量，是由新键形成所放出的能量

4、提供的。供的。两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态态 T.L-Nu-RCH2 LRCH2 NuNuC LH HRTS N 2 反应机理：反应机理：LNuCCLNuCLNuCLNuCLNuLNuCCLNuCLNuCLNuCLNu3. 离子对机理离子对机理底物解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同底物解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同的离子对：的离子对：介于介于SN1 与与 SN2 之间的机理，建立在之间的机理，建立在SN1机机理基础之上。理基础之上。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

5、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，整个离子对解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对 被溶剂化。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，从而得到不同亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同的产物。的产物。三三. 反应的立体化学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由于试剂从离去基团的背后进攻中

6、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Walden转化。转化。Nu:L+ L-NuSN1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%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PhCCH3OHPhCCH3构型转化%27HCH3BrHCH3O+ 73% 消旋化产物HBr事实上，事实上，SN1反应往往伴随构型

7、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，故背后进攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多构型转化增多 。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

8、原因：烷基的空间效应烃基的空间效应的影响占主导地位，在烃基的空间效应的影响占主导地位，在碳或碳或碳上支链增加，阻碍了碳上支链增加，阻碍了Nu从从L的背面进攻，造的背面进攻，造成过渡态拥挤程度增加，降低了过渡态的稳定成过渡态拥挤程度增加，降低了过渡态的稳定性，从而使反应速度减慢。性，从而使反应速度减慢。R-Br中中Br-被被Cl-取代的反应相对速度取代的反应相对速度CH3CH3CH2CH3CHCH3CH3CCH3CH3反应速度1001.650.0220.0048R=CHXNu:CNuLHHH当底物中心碳原子连有较大基团当底物中心碳原子连有较大基团时，时，Nu:难于从背后接近底物。难于从背后接近底

9、物。转变过程中，中心碳原转变过程中，中心碳原子由底物同子由底物同4个基团相连个基团相连转变为由过渡态的同转变为由过渡态的同5个个基团相连，空间拥挤程基团相连，空间拥挤程度增大。度增大。新戊基卤代烷几乎不发生新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：反应：Cl桥环烃的桥头位置，发生桥环烃的桥头位置，发生SN1反应与反应与SN2反应都很困难反应都很困难某些化合物发生某些化合物发生SN2反应时，烯丙基或苄基中轨道的离反应时，烯丙基或苄基中轨道的离域作用能使亲核取代反应大大加速。因为在形成过渡态域作用能使亲核取代反应大大加速。因为在形成过渡态时，中心碳原子的时，中心碳原子的p轨道与双键或苯环上的轨道与双键或

10、苯环上的p轨道发生重轨道发生重叠，降低了过渡态的位能，使过渡态稳定，因而更易生叠，降低了过渡态的位能，使过渡态稳定，因而更易生成，故加速反应。成，故加速反应。CNuLCNuLCC思考：思考：SN1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：反应的反应速率增大：ROTs R+OTsEtOHROEtk1相对速率相对速率 (k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.698.610010 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效效应，应，SN 1

11、反应速率增反应速率增大大, 反应活性增大。反应活性增大。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-ZCH2-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，所形成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。的正碳离子，因共轭效应而被稳定。B. 空间效应空间效应l与与 SN2反应相反，底物上的取代基的空间反应相反，底物上的取代基的空间效应使效应使SN1反应速率加快：反应速率加快：思考：思考：RBr在水中的溶剂

12、解相对速度在水中的溶剂解相对速度：MeBr，EtBr，i-pBr，t-BuBrCRRRXCRR 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小。拥挤程度减小。（二）亲核试剂的影响（二）亲核试剂的影响亲核试剂亲核试剂在在 SN2反应中起着重要作用反应中起着重要作用,对对SN1影响不大。影响不大。碱性和亲核性：碱性和亲核性：碱性代表试剂结合质子的能力，碱性代表试剂结合质子的能力，亲核性代表试剂与碳原子结合的能力；亲核性代表试剂与碳原子结合的能力；碱性很少受到空间因素影响，碱性很少受到空间因素影响，亲核性对空间效应的

13、影响很敏感。亲核性对空间效应的影响很敏感。亲核性涉及的范围要比碱性广，不仅与碱性大小有亲核性涉及的范围要比碱性广，不仅与碱性大小有关，而且与试剂中亲核原子的极化性、试剂的空间关，而且与试剂中亲核原子的极化性、试剂的空间位阻、溶剂的极性有关。位阻、溶剂的极性有关。1、试剂的亲核性与碱性一致、试剂的亲核性与碱性一致A. 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- CH3OH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； 中性的中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强。试剂，进攻的原子电子

14、云密度越集中，亲核性越强。B. 试剂中亲核原子相同时试剂中亲核原子相同时RO- HO- ArO- RCO2- ROH H2O思考：比较亲核性强弱思考：比较亲核性强弱 CH3O- PhO- CH3CO2- NO2-思考：比较思考：比较亲核亲核性强性强弱：弱：C.同一周期的元素所产生的同类型亲核试剂同一周期的元素所产生的同类型亲核试剂NH2- OH- F-R3C- R2N- RO- F-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。思考：思考： 比较C2H5O- ，I-的碱性与亲核性2、试剂的亲核性与碱性

15、不一致、试剂的亲核性与碱性不一致A. 试剂中的试剂中的亲核亲核原子为同族原子时，原子的可极原子为同族原子时，原子的可极化度化度 越大，试剂的亲核性越强：越大，试剂的亲核性越强：F- Cl- Br- I-RO - RS - C2H5O CH3CH3CHO (CH3)3CO当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，则不利于当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，则不利于 试剂接近底物分子。因此，对于试剂的亲核性，取试剂接近底物分子。因此，对于试剂的亲核性，取 代基的空间效应大于其电子效应：代基的空间效应大于其电子效应：C O同理：同理：C2H5NH2(C2H5)2NH (C2H5)3N碱性很强，负电荷也很集

16、中，但由碱性很强，负电荷也很集中，但由于烷基具有较大的空间效应，故其于烷基具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。亲核性很弱。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。NR+ CH3INRCH3I反应物NNCH3NCH3NC(CH3)3相对速度 0.50.040.0002H3C 实例：取代基的空间效应实例：取代基的空间效应（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去基团带着一对电子离开中心碳原子，成为离开中心碳原子，成为负离子。负离子。离去基团的离去倾向越大，对离去基团的离去倾向越大，对SN1和

17、和SN2均有利均有利离去倾向：离去基团越容易接受电子，碱性越弱，则越容易离离去倾向：离去基团越容易接受电子，碱性越弱，则越容易离去去 I- Br- Cl- F-R OHBrR BrTsClR OTsBrCH3SOOHOTsOHCH3SOOOMsO-A. 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：重要的离去基团是重要的离去基团是 pKa R Br R ClR FFClBrI可极可极化度化度依次依次增大增大+ H2OC2H5OH(CH3)3CX+ HX(CH3)3COHX相对速度F10-5Cl1.0Br39I99OTs 107（CH3)3C-X在乙醇水溶液中水解反应的相对速度在乙

18、醇水溶液中水解反应的相对速度一些碱性强的基团如一些碱性强的基团如-OH、-OR、-NH2、-NHR、-NR2则是很差的离去基团，不能作为离去基团离去。由于这则是很差的离去基团，不能作为离去基团离去。由于这些基团的共轭酸碱性比其自身弱，因而质子化变成相应些基团的共轭酸碱性比其自身弱，因而质子化变成相应共轭酸能大大增强离去能力共轭酸能大大增强离去能力.CH3CH2CHCH3 NaBr+无反应CH3CH2CHCH3 HBrCH3CH2CHCH3 -H2OCH3CH2CH2CH3BrCH3CH2CHCH3Br（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。

19、越大，溶剂的极性越大。（ 0）（ 0）非极性溶剂：非极性溶剂：CCl4, CS2, 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(六甲基磷酰三胺) 偶极距偶极距介电常数是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶介电常数是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力剂稳定离子的能力氢原子键合在电负性氢原子键合在电负性较大的原子上。较大的原子上。质子型溶剂质子型溶剂通过氢键缔合通过氢键缔合ROH N u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

20、稳定负离子。溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。溶剂主要是通过影响过渡态的稳定性，从而影响溶剂主要是通过影响过渡态的稳定性，从而影响反应活化能，以达到影响反应速度反应活化能，以达到影响反应速度SN 1反应：反应：一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。性的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。RL R +L -R+L-过渡态电荷增加，溶剂极性增加，更能稳定过渡态过渡态电荷增加，溶剂极性增加，更能稳定过渡态(CH3)3CBr+ SolOHSN1(CH3)3COSol + HBrSol-OH相对速度EtOH2

21、0% H2O80% EtOH50% H2O50% EtOHH2O110201450SN 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，溶剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速稍有溶剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。降低。RO HNuHORHOR在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：SH- CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- Cl - F- H2O在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，由此在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，

22、由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。在水、醇等质子溶剂中在水、醇等质子溶剂中I- Br- Cl- F- 亲核性与碱性相反亲核性与碱性相反在在DMF、DMSO中中F- Cl- Br- I- 亲核性与碱性一致亲核性与碱性一致SN 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能与极性非质子型溶剂不能与 Nu:形成氢键，不能使亲形成氢键，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。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

23、 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(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰六甲基磷酰三胺胺HMPT (Hexamethylphosphorictriamide)实例：质子型溶剂与非质子型溶剂对实例：质子型溶剂与非质子型溶剂对SN 2反应的影响反应的影响CH3I + NaN3k2CH3N3 + NaI溶剂溶剂 k2DMF 3 103CH3OH 3 10-2问题：下列反应在哪种溶

24、剂中易于进行，是问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是还是 CH3OH? 为什么？为什么？CH3CH2CH2Br + NaCNCH3CH2CH2CN + NaBrPhCH2CH(CN)CH3CH3O-CH3ODPhCH2C(CN)CH3-PhCH2CD(CN)CH3Ke: H/D交换的速率常数Ka:外消旋化的速率常数Ke/ Ka=1 消旋化Ke/ Ka=1/2 构型转化Ke/ Ka= 构型保持五五. 邻基参与历程邻基参与历程 在亲核取代反应中，在离去基团的-位（或更远）上有一带有未共用电子对或带负电荷的原子或原子团参与反应，对亲核取代的反应速度、立体化学等产生很大影响，这种作用称为邻

25、基参与。常见的邻基参与基团有：常见的邻基参与基团有：COO-, O-, S-, OCOR, COOR, COAr,OH, OR, SH, SR, NH2, NHR, NR2, NHCOR, Cl, Br, I和和C6H5等BrHCH3OHHCH3HBrBrHCH3BrHCH3BrHCH3HHOCH3HBrBrHCH3HBrCH3HBrCH3BrHCH3+( i )赤型( ii )内消旋( iii )( iv )( v )苏型外消旋邻基参与常伴随着下列现象：l导致环状化合物的生成l使反应速度明显加快l 限制产物的构型限制产物的构型邻基以未共用电子对参与亲核取代反应邻基以未共用电子对参与亲核取代反应CH3BrHHOHCH3HBrH3CH3COHHHBrCH3BrHHBrCH3HBrH3CH3CBrHCH3BrHH3COHHHBrH3CHOHCH3HBrHBrH3CHBrCH3苏式DL对赤式DL对外消旋体内消旋体卤素参与反应卤素参与反应参与能力大小：参与能力大小：I Br Cl1. n-参与参与CH3CH2NHCH2CHCH2ClNHCHCH2C2H5ClOHOH-HClNCHCH2C2H5OHClClNH3-HClNH2Cl-HClNHHO