高等有机化学课件 04第四章 亲核取代反应

1、2一一. . 亲核取代反应概述亲核取代反应概述二二. . 单分子亲核取代反应单分子亲核取代反应三三. . 双分子亲核取代反应双分子亲核取代反应四四. . 分子内的亲核取代反应分子内的亲核取代反应五五. . 邻基参与效应邻基参与效应 34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一对电子进攻中心碳原子带着一对电子进攻中心碳原子,离去基团带着一对电子离去基团带着一对电子离开。离开。51.1.脂肪族亲核取代反应的分类脂肪族亲核取代反应的分类CH3CH2IBu3P+I-Bu3P CH2CH3中中性底物性底物中中性亲核试剂（带着一对孤对电子）性亲核试剂（带着一

2、对孤对电子）+R L Nu-R Nu+L-中中性底物性底物负负离子亲核试剂离子亲核试剂 +PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+6正正离子底物离子底物中中性亲核试剂（带着一对孤对电子）性亲核试剂（带着一对孤对电子）+LR Nu+Nu+L+R(CH3)2S(CH3)4N+(CH3)3S (CH3)3N+ 正正离子底物离子底物负负离子亲核试剂离子亲核试剂 RL+Nu-+R NuLCH3Cl H2O+CH3OH2Cl-总结：总结： 底物中性、正离子底物中性、正离子 亲核试剂中性、负离子亲核试剂中性、负离子72.离子对机理离子对机理底物的解离成正碳离子是经几步完成的，底物的解离成正碳离子是经几步完

3、成的，形成不同的离子对。形成不同的离子对。8R 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。SN2SN2 SN19+R L Nu-R

4、Nu+L-=k1LRR LRLR+L-+慢第一步第一步 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快决速步决速步10v反应的位能曲线：反应的位能曲线： E反应进程反应进程(CH3)3C Br (CH3)3C Br+(CH3)3C + (CH3)3C OH+(CH3)3C OHE1HE211CRRR+ Nu:-NuCRRR + CRRRNu+ 50% 50% 外消旋产物外消旋产物 进攻概率相等进攻概率相等12 SN1反应特征反应特征A 为分步反应，与亲核试剂的浓度无关。为分步反应，与亲核试剂的浓度无关。B 中间体为碳正离子，易发生

5、重排，消去等副反应。中间体为碳正离子，易发生重排，消去等副反应。C 构型发生外消旋化。构型发生外消旋化。 按按SN1 机理进行反应的体系：机理进行反应的体系：1. 叔卤代烷及其衍生物叔卤代烷及其衍生物2. 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131) The Substrate（底物）l 卤代烃和磺酸酯的卤代烃和磺酸酯的S SN N1 1反应活性顺序基本上反应活性顺序基本上与碳正离子的稳定性与碳正离子的稳定性顺序相同顺序相同: :2 2、SN1 反应的影响因素反应的影响因素注意：醇的注意：醇的SN1 反应常在酸性条件下进行，而中性的水分子是反应常在酸性条件下进行

6、，而中性的水分子是离去基团。离去基团。 这是醇的亲核取代反应与卤代烃的不同之处这是醇的亲核取代反应与卤代烃的不同之处2) The Leaving Group（离去基团）离去基团）l离去基团离去倾向越大，则反应活性越高；离去基团离去倾向越大，则反应活性越高；CH3 10 20 30H2O Cl - Br - 10 20 30262) The leaving Group（离去基团团）l 离去基团的离去倾向越大，离去基团的离去倾向越大，S SN N2 2 反应活性越高。反应活性越高。 l 离去基团的碱性越弱，则离去倾向越大。离去基团的碱性越弱，则离去倾向越大。 l Relative reactive

7、Relative reactive（反应活性）反应活性）: : OHOH- -, NH, NH2 2- -, OR, OR- -, F, F- - ClCl- - Br Br- - I I- - - -NHNH2 2 HO HO- - F F- -；带负电荷基团的亲核性强于中性基团带负电荷基团的亲核性强于中性基团 HO HO- - H H2 2O O； CH CH3 3O O- - CH CH3 3OHOH； - -NHNH2 2 NH NH3 3；在在质子性溶剂质子性溶剂中，同一族元素的原中，同一族元素的原子随周期数的增加亲核性增加子随周期数的增加亲核性增加 ( (碱碱性降低）。性降低）。

8、原因原因：原子可极化性和溶剂化效应原子可极化性和溶剂化效应在在非质子溶剂非质子溶剂中顺序刚好相反中顺序刚好相反29原子半径越大，可极化性越大，易成键。原子半径越大，可极化性越大，易成键。304) The Solvent （溶剂剂）l Protic solvents (质质子性溶剂剂) 含有含有 -OH -OH 或或 - -NHNH 不利于不利于S SN N2 2 反应反应原因：质子性溶剂使亲核原因：质子性溶剂使亲核试剂阴离子溶剂化，即发试剂阴离子溶剂化，即发生离子偶极相互作用，生离子偶极相互作用，亲核性降低。碱性越强，亲核性降低。碱性越强，亲核性降低越大。亲核性降低越大。31l Aprotic

9、Aprotic polar solvents polar solvents（非质子极性溶剂）非质子极性溶剂） 极性很强，但不含有极性很强，但不含有-OH -OH 或或 - -NH NH 有利于有利于S SN N2 2 反应反应 原因：非质子极性溶剂原因：非质子极性溶剂只能让阳离子溶剂化，只能让阳离子溶剂化，从而使亲核试剂负离子从而使亲核试剂负离子“裸露裸露”，亲核性增大。，亲核性增大。acetonitrile(acetonitrile(CHCH3 3CNCN), ), d di im methylethylf formamideHCON(CHormamideHCON(CH3 3) )2 2,

10、, DMFDMF d di im methylethyl s sulfulfo oxidexide (CH (CH3 3) )2 2SO, SO, DMSODMSO, , h hexaexam methylethylp phosphorhosphora amidemide (CH (CH3 3) )2 2NN3 3PO,PO, HMPA HMPA N3 -N3 - CH2CH2CH2CH 3 + Br -+ CH 3CH2CH2CH2 - BrSolvent CH3OH H2O DMSO DMF CH3CN HMPArelativereactivity 1 7 1,300 2,800 5,00

11、0 200,000 More reactiveLessreactive32（SNi）历程）历程CRRHOHClSOCl+HClCRRHOSOClCRRHClSO2 发生亲核进攻的氯原子与即将离去的发生亲核进攻的氯原子与即将离去的SO2位于同侧，在反应过位于同侧，在反应过程中，醇的程中，醇的- 碳原子碳原子构型保持构型保持不变。不变。 （1）二氯亚砜与醇的反应）二氯亚砜与醇的反应氯化亚磺酸烷基酯氯化亚磺酸烷基酯乙醚乙醚33思考：当溶剂是吡啶时，产物的立体构型是思考：当溶剂是吡啶时，产物的立体构型是 保持还是翻转？保持还是翻转？COHRRR+ SOCl2NCORRRSClONHCl+CClRRR构

12、型翻转（构型翻转（SN2）34分子中离去基团的分子中离去基团的合适位置合适位置有有适当基团适当基团时，时，可以作为进攻基团参与反应。可以作为进攻基团参与反应。、位位未共用电子对、双未共用电子对、双键、苯环、三员环键、苯环、三员环35 n电子参与历程电子参与历程COO-, OH, OR, NH2, NR2, SR, S-, O-等基团等基团的负电荷或未共用电子对。的负电荷或未共用电子对。(S)-2-溴丙酸的水解反应溴丙酸的水解反应BrHH3C-OOC稀稀NaOHAg2OCOHHH3C-OOC(S)-2-溴丙酸溴丙酸(盐盐)(S)-乳酸乳酸(盐盐)构型保持构型保持36反应机理反应机理BrHH3CC

13、稀稀NaOHAg2OO-OBrHH3CCO-OAg+-AgBrHCH3COOH2O-H+OHHH3CCO-OSN2SN2构型翻转构型翻转构型翻转构型翻转决速步决速步37邻基参与历程的特点邻基参与历程的特点u立体化学立体化学：两次：两次SN2，结果，结果构型保持构型保持u动力学动力学：一级反应（第一步为决速步）：一级反应（第一步为决速步） 反应速率反应速率比没有邻基参与的比没有邻基参与的快快当分子内的亲核基团在当分子内的亲核基团在、位时，形成环状过位时，形成环状过渡态，其中形成渡态，其中形成三、五、六三、五、六元环反应较快。元环反应较快。38 键键参与历程参与历程双键，芳基双键，芳基C6H5HC

14、CHH2CCH2H2CCl-Cl-C6H5HCOH-C6H5HCOHC6H5CH=CHCH2CH2CH2Cl反反-7-原冰片烯基对甲原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度比相应的饱剂解的速度比相应的饱和化合物大和化合物大 1011倍。倍。TsO-TsOHAcOHAcOHTs = CH3SO2非经典碳正离子非经典碳正离子39-Y-YHHH3CCH3HHH3CCH3CNHHH3CCH3CNHHH3CCH3CN-40键参与加快反应速率键参与加快反应速率XXXX速率常数速率常数 k1.0 104 1011 1014 XXX 108 1011 1014XXX 109 1011

15、1014邻位环越小邻位环越小k越大越大速率常数速率常数 k速率常数速率常数 k41 小环参与历程小环参与历程HBsOHOBsHBsO三、四元环三、四元环速率常数速率常数 k1.0 3 15 （内型）（内型）HOTsHOTsHTsO= (a)(c)（）(a)(d)(b)(c)（）(a)(c)(b)(a)(c)(a)(a)(b)(b)(b)(c)(c)(d)492、比较、比较下列各组化合物与下列各组化合物与AgNO3-乙醇溶液的反应速度乙醇溶液的反应速度 dbabdac503、完成下列反应式，写出其主要产物。、完成下列反应式，写出其主要产物。511、比较下列化合物、比较下列化合物SN2取代反应的活

16、性次序。取代反应的活性次序。 a. 2甲基甲基2溴丁烷溴丁烷 b. 3甲基甲基2溴丁烷溴丁烷 c. 1-溴戊烷溴戊烷 d. 1碘戊烷碘戊烷2、试写出、试写出2-苯基苯基-2-氯丙烷在丙酮水溶液中水解反氯丙烷在丙酮水溶液中水解反 应的机理。并比较当苯基对位上的应的机理。并比较当苯基对位上的H被被CH3O，NO2取代对反应速度的影响。取代对反应速度的影响。 523、完成下列反应式，写出其主要产物。、完成下列反应式，写出其主要产物。531、比较下列化合物、比较下列化合物SN2取代反应的活性次序。取代反应的活性次序。 a. 2甲基甲基2溴丁烷溴丁烷 b. 3甲基甲基2溴丁烷溴丁烷 c. 1-溴戊烷溴戊烷 d. 1碘戊烷碘戊烷 dcba54反应按反应按SN1机理进行，速度决定步骤是生成碳正机理进行，速