有机下chap22取代反应

1、第二十二章 饱和碳原子上亲核取代反应 Aliphatic Nucleophilic Substitution一. 反应类型亲核取代反应的通式：亲核试剂带着一对电子进攻中心碳原子离去基团带着一对电子离开 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子： 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： 亲核试剂带有负电荷：二. 反应机理1. 单分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( 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。例如： 二苯基氯甲烷在

2、丙酮的水解反应：2. 双分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理 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：二级反应按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其反应机理为：亲核试剂接近中心碳原子从离去基团的背面与此同时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，旧键断裂时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的。T 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原子的 p

3、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仲卤代烷及其衍生物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。底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同的离子对： 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开,但仍组成一个离子对。 带不同电荷的离子分别被溶剂包围，离解的离子为自由离子。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。+C寿命长+C寿命短三、邻基参与反应 位于邻近反应中心（通常为位）的具有亲核性的基团参与分子的亲核反应，叫邻基参与反应。邻基参与的作用：1）加速化学

4、反应；2）往往有环状中间产物生成 能参与的邻基：CO2、O、OH、 OR、NR2、X、etc.分子内亲核取代(SN2)(S)-2-溴丙酸与浓NaOH溶液反应，得到构型转化产物(SN2). （R）-2-溴丙酸与稀NaOH溶液、Ag2O反应生成光学活性的（R）-2-羟基丙酸钠，在反应过程中手性碳原子构型保持（两次SN2）。Wenstein和Lucas发现：赤型-3-溴-2-丁醇与浓HBr反应，转变为内消旋2,3-二溴丁烷；而苏型-3-溴-2-丁醇与浓HBr反应，转变为外消旋2,3-二溴丁烷。机理：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

5、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： 参与作用 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。 五配位的碳正离子P542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

6、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： (c)参与作用 (I)的速度比(IV)快350倍 exo-降冰片对溴苯磺酸酯endo-降冰片对溴苯磺酸酯四. 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（一）底物结构的影响SN 2反应：卤代烷的反应活性顺序是：甲基 伯 仲 叔原因：烷基的空间效应新戊基卤代烷几乎不发生SN

7、 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。SN1反应：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。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-CH2CH2

8、ClSN 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。B. 空间效应与SN 2反应相反，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 在水中50时MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 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。（二）亲核试剂的强度Nu:在 SN2反应中起着重要作用规律：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

9、电子云密度越集中，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：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。 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-B. 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：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 越大，试剂的亲核性越强：F- Cl- Br- I-R - O - R - S -

10、R - Se -D. 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：亲核性依次减弱，碱性依次增强。（三）离去基团 (Leaving groups)离去基团带着一对电子离开中心碳原子，成为负离子。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：共轭酸 1共轭碱 2共轭碱 1共轭酸 2强酸的共轭碱是弱碱重要的离去基团是 pKa CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- Cl - F- H2OSN 2反应常在极性非质子型溶剂中进行。 极性非质子型溶剂 (Polar Aprotic Solvents)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 (Hex