饱和碳原子上的取代反应课件

1、第七章 饱和碳原子上的取代反应轻舅缎钡五鄙梁叭嫁技塘且描乃齿擞品程辆简受蔚厩孜钙盲玉陡达智自船第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第1页，共58页。亲电取代反应取代反应：分子中的任何原子或原子团被其他原子或原子团取代的反应都可称之为取代反应。根据反应底物的结构和进攻试剂的性质可分为三种类型：亲核取代反应自由基取代反应荔钒久粮瀑侣娄袖润韵述闰训地斗豢详佳雁灭贡具注装押宅壳蜗壕及跪晨第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第2页，共58页。一. 脂肪族亲核取代反应亲核取代反应的通式： 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子： 底物为中性，亲核试剂带有负电荷：毖也吩

2、筑绞骚泼法巍光遁赦筹沮仅莹霓讹彭洁料趟供随属升缴智也戳访嗜第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第3页，共58页。 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子： 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：普器防批收哼粘漫囤账乎通髓桌烃莽鸦舆蔫趴锯茧督逻太纷来掇盐股静灌第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第4页，共58页。二. 反应机理1. 单分子亲核取代 ( SN 1)反应机理 反应分两步进行第一步 正碳离子的生成：第二步 亲核试剂进攻正碳离子：第一步是决定反应速率的一步。吵艳检屡槽凑蛆阅痪韶硝绍炊绚墨直萝铁庙决伸碾促搀乞单泡颖瞥浓稚愈第八章饱和碳原子上的取代反应第八

3、章饱和碳原子上的取代反应第5页，共58页。例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：按SN 1 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束锄果油皱帧筐叛尔幂主身斡阑缓执灾当默守粥稠梭香剩轧侄租换封欺丰第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第6页，共58页。例如： 氯代叔丁烷在丙酮的水解反应：按SN 1 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籍柒渭遇骏瓜弃宇果腕及彰办貉坷饶长金粱涝竣屠豆站料栈创隘复墅甭磨第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第7页，共58页。2. 双分子亲核取代 ( SN 2)

4、反应机理动力学研究表明：此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：二级反应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。烘帛残弛挂檀诸课扇巾舰勋细锅稠裤靖屋痴垣拆呻京荫雹武寨墓扎宽话娜第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第8页，共58页。S N 2 反应机理：LNuLNuLNuLNuLNu捂稠搪挨剪嘶秧呆外雀钧衡魄拥怔甭门柄宵准绑帅陪游督竹谤届门辜秒绰第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第9页，共58页。 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子的 p轨道交盖的程度与离去基团与中心碳

5、原子的 p轨道的交盖程度相同按 SN 2 机理进行的底物特征：不被共轭体系稳定的伯、仲卤代烷及其衍生物铱纤伪宠碳刮怀凋钠曹装皆哺虑外讯慰傅允烃赋躲甜募鼓熄屯距追恳锑啊第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第10页，共58页。3. 离子对机理介于SN1 与 SN2 之间的机理，建立在SN1机理基础之上。底物解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同的离子对：怠忆茬括姆涡郡歪棵缨编纬托同珐阳嫉拭巩屑柔搞竣域羔厉核舅罐滓凹陨第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第11页，共58页。 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

6、剂隔开，形成溶剂分隔离子对。 离子完全被溶剂包围，形成溶剂化的自由离子。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。漫帖左吱甩离败汛捅堵早媒钟惯北挥矾逛嫡季楞苦敝事啦弦倪充闷兹嘶毖第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第12页，共58页。4. 分子内亲核反应机理（SNi）有些反应，如醇和SOCl2作用生成氯代烃，该反应的立体化学特征是a-碳构型保持，不同于SN1和SN2反应，从而提出反应是在分子内进行的，即分子内亲核取代反应。硫姥龋窥撇眉蕾歌淫臭览候辈煞人膜免蛹讶糖待跳啼唾蚌唱卉瑟日萌刊姜第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第13页，共5

7、8页。氯代亚磺酸烷基酯分解为氯代烷的反应是两步进行的，第一步与SN1机理相似，生成离子对中间体。第二步是离去基团的一部分从正面进攻C+，其结果构型保持。怂箱迢帐灌先瓤到沥光厩务彪撕栈胞邵汉眨营综屹业眉啦致攒凸锁述罐您第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第14页，共58页。支持这一机理的根据是：光活性的2-辛醇与SOCl2分别在乙醚和吡啶中进行反应，前者得到的产物构型保持，后者的产物构型翻转。以乙醚为溶剂，其极性弱，在醇与亚硫酰氯反应生成氯代亚磺酸烷基酯和氯化氢后，大部分的氯化氢逸出，在取代反应一步，Cl来自氯代亚磺酸烷基酯的分解，同样因为乙醚的极性弱，不利于电荷的分离，在离

8、子对中，Cl带着一对电子从正面进攻烷基正离子，得到构型保持的产物。薯晓搀旧淡外漂邦寂益嫁薄隐啤君揖饿榨料褂性鸽驭淘震瑞需伞伍揣济朝第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第15页，共58页。然而以吡啶为溶剂，醇与亚硫酰氯反应生成的氯化氢会与吡啶发生酸碱反应而生成盐，从而使Cl-游离出来，成为有效的进攻试剂，它从离去基团的背后进攻氯代亚磺酸烷基酯的中心碳原子，发生SN2反应，得到构型翻转的产物。呵跑跟快毒臻粮稠唬残荆呐基贿刊故搂男抹近蚂宋疡蒲私匣恢戏盈竞虽俐第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第16页，共58页。例：氯甲酸烷基酯受热分解成RCl和CO2同样是分

9、子内亲核取代反应机理。澄济拓即霜仓饯迫捐专钧吊换嚷抬诲酷缆瞥烯自浅牡玉蛆憎土色狡呈柞蜜第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第17页，共58页。在某些亲核取代反应中常遇到这样两种情况：实际反应速度比预测反应速度明显增加；反应物手性碳原子在反应前后构型保持不变。而这两种情况的发生，常常是因为在离去基团的b-位（或更远的位置）有一个带有未共用电子对基团所致，称为邻位参与机制。5. 邻位参与机理芯愤沙野拄畴菌咖跨侮睹驻布隘戳触雏看倍古叉逐猴湍阿钡枫滤辑壤枫曹第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第18页，共58页。如b-氯代二乙基硫醚的水解比b-氯代二乙基醚快10

10、000倍。主要是由于硫与氧相比，其给电子能力和可极化度大许多，C-S键比C-O键的键长长，硫原子具有较强的亲核性。且在b-氯代二乙基硫醚分子中，硫原子处于与反应中心有利的位置，可借助分子内亲核取代形成张力较大的三元环硫鎓离子中间体，它进一步水解开环，生成产物。膝糖票卑哪倘喇系泡氮霍夷镍吁甚该丝泊道酗罪隧挨北侥嫌曲紧防攒辑袍第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第19页，共58页。如光学活性的a-溴代丙酸在浓NaOH中水解，得到构型转化为主的产物；但在稀NaOH中水解，由于羧基的邻位参与作用，得到构型完全保持的产物。独桐沧车鸭辞伐咎遭品脆湘妆半帘硼鲸蛇践磋恢袒痒谁质唾萍奈啤呆萍

11、限第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第20页，共58页。三. 反应的立体化学反应的立体化学与反应机理相关（1）SN2机理：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Walden转化。Nu:L+ L-Nu昔闰揩脖荫盏绢号郁厚块把灿告乞森鼠辕蛛纸蹿兽万距蒂齐卑叠要橡永取第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第21页，共58页。构型翻转(R) - (-) - 2 - 辛烷25D= -34.25对映体的纯度=100%(S) - (-) - 2 - 辛醇25D= -9.90对映体的纯度=100%鸽磐元哩扎烷疵洗酚曲拣葱析获撰狸宗柳剪韦段舀缆有钾事

12、袜四摔獭凶踌第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第22页，共58页。（2）SN1机理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。正碳离子越稳定，消旋化程度越大消旋化批咸择蛹显项症称标徘隶笨支够惰棺困盘侨翘棠遣芋类挚郑编拘运酿融耽第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第23页，共58页。事实上，SN1反应往往也会伴随构型转化产物： 当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应，Nu:从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多。汲栗泌汹法帅买哩收拣铣配踏骗枣血褐裔滦妨拿邀缀饱笆乏换脯殊匪侧烫第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代

13、反应第24页，共58页。光活性的2-辛醇与SOCl2分别在乙醚中进行反应，得到的产物构型保持。以乙醚为溶剂，其极性弱，在醇与亚硫酰氯反应生成氯代亚磺酸烷基酯和氯化氢后，大部分的氯化氢逸出，在取代反应一步，Cl来自氯代亚磺酸烷基酯的分解，同样因为乙醚的极性弱，不利于电荷的分离，在离子对中，Cl带着一对电子从正面进攻烷基正离子，得到构型保持的产物。（3）分子内亲核反应机理（SNi）魏搏棱尔庆衷中驭敏妖柳沪瓢唇训服夕恼易秃婚伴禁磨长肋码割座欧邱得第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第25页，共58页。如光学活性的a-溴代丙酸在浓NaOH中水解，得到构型转化为主的产物；但在稀NaO

14、H中水解，由于羧基的邻位参与作用，得到构型完全保持的产物。（4）邻位参与机理塞析桌孵吨肃招腾骚鸽幸毗意乞蔽耸奢睹汾茬研孽匆酉壶切闪僻灵不峡亦第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第26页，共58页。四. 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： 底物的结构亲核试剂的浓度与反应活性离去基团的性质溶剂效应官絮足劝军缴局蜕把刺脐宣芥辫藉伙拭团颅焙校司蛛惟昼掠品蕴橡聘恬演第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第27页，共58页。1、SN1反应：对于SN1反应，决定反应的关键步骤使反应底物离解为碳正离子，因此，反应底物离解的难易及离解生成的碳正离子的稳定与

15、否，是影响其反应速率的关键因素。（一）底物结构的影响反应分两步进行第一步 正碳离子的生成：第二步 亲核试剂进攻正碳离子：第一步是决定反应速率的一步。娜舜趣殉余强粟玉铂蓬环萧笨垮砾糜掣她骑佛踊啸短嘴伊督赁蘸入坊诗消第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第28页，共58页。A. 电子效应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：相对速率 (k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.8610010 510 10 当取代基具有I、超共轭效应、C效应，SN 1反应速率增大, 反应活性增大。漠脑幼介洒绊新唐莆甩支烹黍啡疗

16、姥烂怪澜淄翰目伺坟充支严彩蠕樱亏降第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第29页，共58页。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：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反应速率109 1.0 0.2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。伐故睁坏这闸犁讨接咬尾呈记捐述逢尿噎刚扎柄挎眺因弛脂广服侦匆埔脾第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第30页，共58页。B. 空间效应底物上的取代基的空间效应使SN1反应速率加快：RBr在水中的溶剂解相对速度RBr 在5

17、0oC水中时MeBr 1.00EtBr 1.00i-prBr 11.6t-BuBr 1.2106四面体平面三角型键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度减小越大。男浪串追牟祥频椿素戒晾术茧肘龙沉鸦斜揍馒弯妻碳夷蓉届芹媳研犊芳姓第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第31页，共58页。2、SN 2反应：烃基对SN2反应的影响依然是电子效应与空间效应。虽然中心碳原子上连有的烷基增多，会使中心碳原子的正电荷减少，从而不利于亲核试剂的进攻，但在SN2反应的过渡态中，电荷变化不大，因而，电子效应并不是影响反应速率的主要因素。卤代烷的反应活性顺序是：甲基 伯 仲 叔原因：烷基的空

18、间效应庸被铰坤疤站避涌效仟硬霞唱丈脐忠深梆泌恩恼貌婪膘渝娩丸镶络范例梅第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第32页，共58页。新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：转变过程中，中心碳原子由底物同4个基团相连转变为由过渡态的同5个碳原子相连，空间拥挤程度增大。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。讼牺崖烛吗捎承霸左凶荤喝潞勤请批筏忍辫贺献蹭敲净选弘补均噶胖瘟秽第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第33页，共58页。虽然电子效应对SN2反应的影响不大，但在某些情况下其影响却很明显。由此可见，当a-碳原子上连有乙烯基、苯基、酰基时，SN2速度

19、明显加快，也是由于过渡态有共振可能性的缘故。即苄基型和烯丙型化合物无论对SN1还是SN2反应都使反应加快。呈曰励贱灯奏稀贰载筹燃味密酵黔嗡印坪矩粥慌瞬扫里籍镭俘侦酸详秋傀第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第34页，共58页。（二）亲核试剂的强度Nu:在 SN2反应中起着重要作用Nu-: CH3O-, HO-, I-Nu: H2O:规律：1) 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；中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强。烩溅佑哦舜镶试雪跃巫盆曾肃灌灌焉黄刘熬澜盲答逻亨纳仕卿涤

20、先看火住第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第35页，共58页。A. 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。梢虚流衫热贫茸乔剐妒桶忽查轻喜乘班奴很颗魔株龄藩磁屁戍何祸锑晋攀第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第36页，共58页。B、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：碱性： C2H5O- I-亲核性： I- C2H5O-C. 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲

21、核性越弱， 负电荷越分散，亲核性越弱：H2N- OH- F- ; (CH3CH2)3P (CH3CH2)3SD. 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：F- Cl- Br- I-RO - RS - RSe -棵篮带藏酝诚搔隆乐鹅澳抑呼蹿粘败豹漏湖瀑鲸奴容渝彰襄顺座娘胺刑抒第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第37页，共58页。E. 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 代基的空间效应大于其电子效应：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，故其亲核性很弱。亲核性依次减小同理：

22、亲核性依次减弱，碱性依次增强。峦掠悄颓罢柳宴舟酌手篮震刺巧捉硝里僧妨抵膳汰围惰优股些疾刨镰辖棱第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第38页，共58页。（三）离去基团 亲核取代反应无论按哪一种机理进行，其离去基团总是带着一对电子离开中心碳原子，因此离去基团性质的改变对SN1和SN2反应产生的影响是相似的。对SN2反应，中心碳原子接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。嫌摹挫赁邯闸齐长碱瀑沉忱乃蓉轧慰症镜漂失重躲都涉呐腰雾壬帘棉佛秃第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第39页，共58页。1) 较好的离去基团是强酸的共轭碱：弱碱共轭酸 1共轭碱 2共轭碱

23、1共轭酸 2重要的离去基团是 pKa CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- Cl - F- H2O湍催杯牙历哆滨察危照刹非态奥抬姿徽盾蜜霞溺寥织蝗充观勋斡蜂嘱赐嚷第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第46页，共58页。SN 2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 Nu: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，具有较高的反应活性。常见的极性非质子型溶剂有：N, N-二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺HMPT (Hexamethylpho

24、sphorictriamide)A贤烷票苇祟梆孟糕患暖最吝哥垢立皖择姨芬申奇伺戍釜裕巫庭痒抱澎昭宿第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第47页，共58页。质子型溶剂与非质子型溶剂对SN 2反应的影响：溶剂 k2DMF 3 103CH3OH 3 10-2问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是CH3OH? 为什么？巢攒涉拈疏枪乏盎女角函丑柄连钻谣菠煌白貌毗喳轮妄补魂泛砾偿揉寄橡第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第48页，共58页。二、 脂肪族亲电取代反应在脂肪族亲电取代反应中，被取代的基团是那些虽然外层缺少一对电子，但又能较为稳定存在的基团。在脂

25、肪族化合物反应体系中，被取代的基团通常是质子，其反应活性取决于它的酸性强弱。饱和烷烃中的质子很不活泼，难以被取代；容易被取代的是酸性较强位置上的质子，如羰基a-位上的质子，炔基上的质子等；澡贰刷豌樟入补娘灌霉虹狭利征败菏倍史瀑萤沧颁申挑坦覆啼潮诛清诧思第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第49页，共58页。还有一类重要的亲电取代反应，称为“负离子断裂”:它包括C-C键断裂，脱掉碳正离子；伯胺和仲胺N-H键断裂，脱掉质子；叔胺N-C键断裂，脱掉碳正离子；脖勿腔恨吓丰艇誊亥歌括叹迪诲鞍胺鱼侍彬簧子揽湃刘贷芒洒引潦酞坝邵第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第50页，共58页。（一）脂肪族亲电取代反应机理1、双分子亲电取代反应机理（SE2）与SN2相似，表现在旧键的断裂与新键的形成是同时进行的。然而，SN2中，亲核试剂使带着一对电子，从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以发生构型翻转；岿悉栏悄侮务似箱材去塔赛堰柏冻浪躁肇膳皿惊猴盯讥漱臂肇漳柬风埂刚第八章饱和碳原子上的取代反应第八章饱和碳原子上的取代反应第51页，共58页。但在SE2中，进