饱和碳原子上的亲核取代反应PPT

1、第四章第四章 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 (Reaction Mechanism) ( )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

2、邻基参与反应六六. 亲核取代反应实例亲核取代反应实例一一. 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 L亲核试剂亲核试剂带着带着一对电子一对电子进攻进攻中心碳原子中心碳原子离去基团离去基团带着带着一对电子一对电子离开离开CH3CH2IBu3P+I-Bu3P CH2CH3 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：+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

3、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 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( 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：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：R+Nu-R Nu快第一步是

4、决定第一步是决定反应速率的一步。反应速率的一步。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 +2. 双分子亲核取代双分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理反应机理 动力学研究表明：有一类亲核取代反应的速率与动力学研究表明：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：底物的浓度和试剂的浓度同时相关：=kR LNu二级反应二级反应按按SN 1 机理进行反应的机理进行反应的体系：叔卤代烷及其衍体系：叔

5、卤代烷及其衍生物和被共轭体系稳定生物和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物的仲卤代烃及其衍生物其反应机理为：其反应机理为：亲核试剂亲核试剂背后背后接近接近中心碳原子中心碳原子从离去基团的背面从离去基团的背面与此同时与此同时离去基团也正在逐步地离开底物分子离去基团也正在逐步地离开底物分子新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂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供的。时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的。两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态 T.L-Nu-RCH2 LRCH2 NuNuC

6、 LH HRTS N 2 反应机理：反应机理：LNuCCLNuCLNuCLNuCLNuLNuCCLNuCLNuCLNuCLNuCNuL 在过渡态中，亲核试剂的孤在过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心碳原对电子所占有的轨道与中心碳原子的子的 p轨道交盖的程度与离去基轨道交盖的程度与离去基团与中心碳原子的团与中心碳原子的 p轨道的交盖轨道的交盖程度相同程度相同按按 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不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物及其衍生物3. 离子对机理离子对机理介于介于SN1 与与 SN2 之间的机理，建立之间的机理，建立在在S

7、N1机理基础之上。机理基础之上。底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同底物的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：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

8、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-NuCC6H13HBrCH3NaOHSN 2CC6H13HCH3HO构型构型翻转翻转(R) - (-) - 2 - 辛烷辛烷25D= -34.25对映体的纯度对映体的纯度=100%(S) - (-) - 2 - 辛醇辛醇25D= -9.

9、90对映体的纯度对映体的纯度=100%CHCH2PhMeOHTsClACHCH2PhMeOTsEtOHK2CO3BCHCH2PhMeOEtCHCH2PhMeOKKCEtBrCHCH2PhMeOEt= +33.0= +31.1= -19.9= +33.0= +31.1= -19.9= +23.5SN1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

10、正碳离子越稳定，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。请思考：请思考：H3CHCH3BrH2OSN 1?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

11、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不发生SN 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

12、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：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,

13、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-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

14、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NuNu-: CH3O-, HO-, I-Nu: 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

15、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- RCO2- ROH H2OCH3O- PhO- CH3CO2- NO2- 碱性是试剂与碱性是试剂与质子结合的能力；质子结合的能力；亲核性是试剂与带亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳有部分正电荷的碳原子结合的能力。原子结合的能力。CH3OOClONO2O 当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度顺

16、序与碱性有时不同：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. 试剂中的进攻原子为同族原子时，原子的可极化度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：越大，试剂的亲核性越强：F- Cl- Br- I-R - O - R - S - C2H5O CH3CH3CHO (CH3)3CO亲核性依次减小亲核性依次减小同理：同理：C2H5NH2(C2H5)2NH

17、(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。（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。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

18、 R Br R ClR FFClBrI可极可极化度化度依次依次增大增大（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，越大，溶剂的极性越大。溶剂的极性越大。介电常数是衡量溶剂介电常数是衡量溶剂隔离正负离子的能力，隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的即：溶剂稳定离子的能力。能力。（ 0） 偶极距偶极距（ 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

19、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。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。SN 1反应：反应：RLR L慢慢R+L-Nu 一个中性化合物离解为两一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定正碳离子，的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。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。在质子型溶剂中：亲核在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，试剂与溶剂形成氢键，由此降低了试剂的亲核由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。性，不利于反应进行。RO HNuHORHOR在质子型溶剂中：试剂的亲核性在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：强度顺序为：SH- CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- Cl - F- H2OSN 2反应常在极性