第5章亲核取代反应

1、第5章亲核取代反应SN1机理进行的取代反应 反应物决定速度地异裂成一个之配位的碳正离子和离去基因的方式来进行的，然后是碳正离子与介质中的刘易碱（亲核试剂）结合。 第一步为慢过程，发生取代反应的分子异裂为离子;第二步是形成的碳正离子和取代试剂迅速反应得到产物。第一步是反应速度的决定步骤，并为单分子反应，所以整个反应为单分子反应。A. 正离子稳定性对产物构型的影响： 如果形成的正离子不稳定，它立即被第二个试剂进攻，此时X还来不及离开正离子，它在一定程度上显示了“遮蔽效应”因而妨碍了试剂A从这方面的进攻。所以除得到外消旋产物外，还得到相当量的构型反转产物。如果形成的正离子比较稳定，并能在较长时间存在

2、，则X与它已有相当距离，不再表现“遮蔽效应”因此得到产物主要为外消旋体，同时有少量构型发生反转的光活性物质。碳正离子越不稳定，构型转变产物的百分数也越高。碳正离子（I）比（II）稳定，在碳正离子（I）中正电荷和苯核相互作用，使正电荷得到分散而不是定位在一个碳原子上，因此具有较小的能量，所以有较小的反应性能，即有较大的稳定性。 B. 试剂浓度对产物构型的影响：如果进攻试剂的浓度低，R+大多数都来得及成为平面构型，并和后来连接的X离子分开，然后才受另一试剂进攻，主要生成处消旋产物。如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还被X离子遮蔽的R+离子进攻机会，因而构型反转的产物的比例会增加。 外消旋（%） 反转

3、（%）80%丙酮水溶液 98 260%丙酮水溶液 95 5纯 水 83 17SN1历程中的离子对： 在SN1取代反应中，如果游离的碳原子为平面型，试剂从两面进攻的机会相同，产物应完全外消旋化，但事实上总是伴有少量反转，这就说明有一些产物不是从游离的碳正离子形成的，而是由离子对形成的。 SN1反应按下列方式进行： （I）为紧密离子对；（II）为溶剂分隔离子对，在碳正离子和离去原子团之间插入一个或数个溶剂分子；（III）为离解的离子对，每个离子被溶剂的分子所包围。在反应中紧密离子对重新结合为原来的被作用物，称为内部反回。亲核试剂在任何阶段进攻都能形成产物。在紧密离子对中的R+和X-之间还有一定的键

4、连，因此能保持原来的构型。 （a）SH直接进攻RX得SR（完全反转），即直接发生SN2过程。（b）如果形成紧密离子对，则溶剂在此阶段进攻，若反应（A）不发生则导致完全的反转，若反应（A）与（B）竞争，则反转伴随外消旋化作用。（c）如果形成溶剂分隔离子对，当溶剂壳从前边崩溃时，则反应中构型保持，如从后崩溃时则构型反转，总结果为部分反转（）部分保持（1-）。（d）形成游离R+，为平面构型，SH从两面进攻的机会相同，得外消旋化产物。SN2亲核取代反应 在SN2历程中亲核试剂由背面进攻，构型反转，因过渡态（I）比保持原来构型的过渡态（II）的能量小得多。C-A键形成的同时C-X键发生破裂，反应为一步过

5、程，没有中间体，C-X破裂所需要的能量由形成的C-A键供给。在过渡态时中心原子由SP3杂化轨道转变为SP2杂化轨道，并以P轨道的一个叶与亲核试剂A重叠，而另一个叶与离去原子团重叠。 影响亲核取代反应历程的因素 某一化合物主要按哪一种历程进行反应，决定于RX分子中R和X的性质（电子效应和空间效应）及亲核试剂的性质以及反应条件（溶剂，催化剂等） R的电子效应 （a）排斥电子和吸引电子原子团的影响，如：Z为吸引电子的原子团时，SN1反应速度减慢，-卤代酮、酸、酯等与此类似；Z为排斥电子的原子团时，使SN1反应速度增加，Z排斥电子使碳正离子的正电荷分散，使碳正离子稳定。（b）位于位的双键、叁键及芳基的

6、影响无论SN1或SN2 都很慢或不反应。原因之一：是由于SP杂化碳原子和SP2杂化碳原子的电负性高，对电子有较大的引力，在亲核取代作用中离去原子团带着它的一对成键电子离去，因此SP3杂化碳原子相对来说比SP2杂化碳原子及SP杂化碳原子更容易失去离去原子团和电子对。原因之二：离去原子团具有未共享电子对，则分子中离去原子团的未共享电子对与键发生共轭作用，即离去原子团的电子云密度一部分转移到CX键，因而使CX键大大加强。其结果使CX键的键长变短。 (c) 位双键的影响, 当位有双键时,如烯丙基和苯甲基等使SN1和SN2反应速度均加快.使SN1加速是因为由于共轭使生成的碳正离子稳定.使SN2加速是因为

7、通过P型轨道(它展现在遭受进攻的碳原子上)与邻近体系的重叠使SN2过渡态变稳定的作用.R的空间效应 或碳有分支,使SN2的反应速度减慢,使SN1的反应速度增加. 因SN2的过渡态特别拥挤,所以空间阻碍对SN2的影想比SN1大.如 RBr中的溴被氢负离子取代R = CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9 K = 100 1.65 0.022 0.0048 对SN1反应,由于超共轭作用等引起碳正离子的稳定性改变而影响反应速度:三级碳正离子二级碳正离子一级碳正离子同时, 对某些三级作用物,碳正离子形成过程中张力消除,使反应加速. 位的分支对SN1历程的速度有较小的影响:某些三级卤代烷的相对离解

8、速度:桥头化合物 在SN2和SN1反应条件下都极不活泼，在SN2条件下，进攻亲核试剂不可能从背后进攻而使构型发生反转而在SN1反应条件下，平面构型碳正离子的形成引起较大的张力 （）离去原子团的效应 (a) 离去原子团的亲电子性能（接受负电荷的能力）愈大，则RX分子愈易离子化, 从而按SN1历程进行反应, 并且反应进行得更迅速也同样使SN2反应速度增加表:1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率离 去 基 团 k相对 离 去 基 团 k相对CF3SO3 1.4108 CF3CO2 2.1p-硝基苯磺酸根离子 4.4105 Cl 1.0p-甲苯磺酸根离子 3.7104 F 910-6CH3SO3

9、3.0104 p-硝基苯甲酸根离子 5.510-6I 91 CH3CO2 1.410-6Br 14(b) 卤素离去基团的反应活性顺序为I-Br- Cl- F-这与键的键能和可极化性有关，因为一个较易极化的离去基团将使它与碳所成的键断裂时的过渡态变得稳定。(c) 空间因素对于离去原子团离去能力有一定的影响,如巨大的离去原子团和烃基间的非键连相互作用, 有利于SN1历程.表: RX在80%乙醇中的溶剂解时对甲苯磺酸酯/溴化物的速度比 R 甲基 乙基 异丙基 叔丁基 1-金刚烷基kOTs/kBr 11 10 40 4000 9750(4) 亲核试剂对反应的影响 (a) 电负性对反应的影响亲核试剂的电

10、负性改变对SN1反应速度影响不明显, 因为SN1反应速度取决于慢的离子化过程, 而此过程亲核试剂不参加但亲核试剂对SN2取代反应速度有影响，亲核试剂的电负性减小，则SN2反应速度加大. （b) 亲核试剂分子的立体结构对反应的影响 亲核试剂分子加大, 使SN2取代反应速度降低 (5) 溶剂的影响 (a)溶剂极性的影响易使RX离子化的溶剂有利于SN1反应: 如C6H5-Cl的水解作用, 在水中反应按SN1历程进行, 在丙酮中按SN2进行.(b) 利用冠醚提高负离子的活性4.亲核取代反应的立体化学 瓦尔登反转(Walden)具有旋光性化合物的不对称碳原子直接相连的原子或原子团取代时,常常得到外消旋产

11、物 5. 邻基参与 当一个进行亲核取代反应的底物分子上还带有一个能作为亲核体的基团,并位于分子的适当位置时，能够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体，从而影响反应的进行，这种现象称为邻基参与作用（Neighboring group participation）。通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为邻基协助或邻基促进。邻基参与若邻基参与作用发生在决速步骤之后，只有邻基参与作用而无邻基促进。能发生邻基参与作用的原子团: 具有未共用电子对的原子或原子团; 含有碳-碳双键等的不饱和基团、具有键的芳基以及C-C和C-H键。分别称为n电子参与、电子参与和电子参与. (a) n参与作用 化

12、合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl (IBrCl) 经过两次SN2反应, 总结果是构型保持 第一步第二步邻基原子更易，更近, 外加的Nu必须和作用物碰撞才能发生反应，而邻基Z由于所处的位置有利，即刻就能进攻中心碳原子；再者邻基参与作用的熵变更为有利，反应中心与Z反应和与Nu反应相比，前者S降低得较少。例如：当3-溴-2-丁醇的苏型（Threo）外消旋体（）用HBr处理时，得到外消旋体（）-2

13、,3-二溴丁烷卤素作为邻基参与的能力大小次序一般为I Br Cl，这与原子的亲核性和可极化性大小顺序是一致的。F电负性太强，不易给出电子，亲核性和可极化性太小，一般不发生邻基参与作用。若邻基参与作用形成的中间体是稳定的或由于其它方式而稳定，亲核试剂Nu亲核进攻能力不足，只能形成环状产物。这是简单的分子内SN2反应。氮原子也起邻基参与作用。例如，氨与1，4-二氯丁烷作用形成氢化吡咯： (b)参与作用 (1) C=C双键作为邻近基团C=C键、C=O 键也有邻基参与作用，如反-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于参与，反应速率比相应的饱和酯快1011倍，且产物构型保持。 (2) 环丙基的参与作用

14、 环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。 （）的溶剂解速率比化合物（）的溶剂解速率快1014倍。又如：化合物（）的溶剂解速率比化合物（）大约快5倍，而化合物（）的溶剂解速率比化合物（）慢3倍。由此可以看出：只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效。 (3) 芳基参与作用 位的芳基能发生邻基参与作用具有旋光性的苏型对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（phenonium ion）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体： 而且D和L两种异构体的数量大致相等. (c)参与作用 (I)的速度比(IV)快350倍 （6）在合成上的应用 6. 碳正离子的重排 碳正离子的重排是通过烷基、芳基或氢带着它们的电子对转移而进行的，这就在基团转移离去的碳原子上产生一个新的碳正离子中