饱和碳原子亲核取代反应

会计学1饱和碳原子亲核取代反应3、底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：4、底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：第1页/共50页二.反应机理1.单分子亲核取代(SN1)反应机理

反应分两步进行第一步正碳离子的生成：第一步是决定反应速率的一步。第二步亲核试剂进攻正碳离子：第2页/共50页例如：二苯基氯甲烷在丙酮中的水解反应：按SN1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。第3页/共50页2.双分子亲核取代(SN2)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：二级反应第4页/共50页其反应机理为：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。两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态T.T第5页/共50页SN2反应机理：LNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNu第6页/共50页3.离子对机理底物解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同的离子对：介于SN1与SN2之间的机理，建立在SN1机理基础之上。第7页/共50页⑴解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。⑵溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。⑶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。第8页/共50页三.反应的立体化学反应的立体化学与反应机理相关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第9页/共50页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，消旋化程度越大第10页/共50页事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：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 。第11页/共50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（一）底物结构的影响SN2反应：卤代烷的反应活性顺序是：甲基>伯>仲>叔原因：烷基的空间效应第12页/共50页烃基的空间效应的影响占主导地位，在α碳或β碳上支链增加，阻碍了Nu从L的背面进攻，造成过渡态拥挤程度增加，降低了过渡态的稳定性，从而使反应速度减慢。R-Br中Br-被Cl-取代的反应相对速度第13页/共50页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。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个基团相连，空间拥挤程度增大。新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应：第14页/共50页桥环烃的桥头位置，发生SN1反应与SN2反应都很困难某些化合物发生SN2反应时，烯丙基或苄基中轨道的离域作用能使亲核取代反应大大加速。因为在形成过渡态时，中心碳原子的p轨道与双键或苯环上的p轨道发生重叠，降低了过渡态的位能，使过渡态稳定，因而更易生成，故加速反应。思考：第15页/共50页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SN1反应的反应速率增大：相对速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.698.6100~105~1010当取代基具有＋I、超共轭效应、＋C效应，SN1反应速率增大,反应活性增大。第16页/共50页当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)，SN1反应速率明显增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN1反应速率1091.00.2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。第17页/共50页B.空间效应与SN2反应相反，底物上的取代基的空间效应使SN1反应速率加快：思考：RBr在水中的溶剂解相对速度：MeBr，EtBr，i-pBr，t-BuBr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。第18页/共50页（二）亲核试剂的影响亲核试剂在SN2反应中起着重要作用,对SN1影响不大。碱性和亲核性：碱性代表试剂结合质子的能力，亲核性代表试剂与碳原子结合的能力；碱性很少受到空间因素影响，亲核性对空间效应的影响很敏感。亲核性涉及的范围要比碱性广，不仅与碱性大小有关，而且与试剂中亲核原子的极化性、试剂的空间位阻、溶剂的极性有关。第19页/共50页1、试剂的亲核性与碱性一致A.带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：

－OH>H2OCH3O->CH3OH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。B.试剂中亲核原子相同时RO->HO->ArO-

>RCO2->ROH>H2O思考：比较亲核性强弱CH3O-PhO-CH3CO2-NO2-思考：比较亲核性强弱：第20页/共50页C.同一周期的元素所产生的同类型亲核试剂NH2->OH->F-R3C->R2N->RO->F-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。第21页/共50页思考：比较C2H5O-

，I-的碱性与亲核性2、试剂的亲核性与碱性不一致A.试剂中的亲核原子为同族原子时，原子的可极化度越大，试剂的亲核性越强：F-<Cl-<Br-<I-RO-<RS-<RSe-B.空间因素的影响：空间位阻大的亲核性减小第22页/共50页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：同理：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。亲核性依次减弱，碱性依次增强。第23页/共50页

实例：取代基的空间效应第24页/共50页（三）离去基团(Leavinggroups)离去基团带着一对电子离开中心碳原子，成为负离子。离去基团的离去倾向越大，对SN1和SN2均有利离去倾向：离去基团越容易接受电子，碱性越弱，则越容易离去

I->Br->Cl->>F-第25页/共50页TsOHMsO-A.较好的离去基团是强酸的共轭碱：重要的离去基团是pKa<5的酸的共轭碱，如：I-是强酸HI的共轭碱。第26页/共50页B.成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去。的溶剂解的相对速率为：FClBrI可极化度依次增大（CH3)3C-X在乙醇水溶液中水解反应的相对速度第27页/共50页一些碱性强的基团如-OH、-OR、-NH2、-NHR、-NR2则是很差的离去基团，不能作为离去基团离去。由于这些基团的共轭酸碱性比其自身弱，因而质子化变成相应共轭酸能大大增强离去能力.第28页/共50页（四）溶剂效应溶剂的性质：介电常数ε越大，溶剂的极性越大。（μ＝0）（μ≠0）非极性溶剂：CCl4,,CS2,C6H6极性溶剂质子型：EtOH,H2O,CH3COOH非质子型：THF,Et2O,DMF,DMSO,HMPT(六甲基磷酰三胺)μ－偶极距介电常数是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力氢原子键合在电负性较大的原子上。第29页/共50页质子型溶剂通过氢键缔合非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。溶剂主要是通过影响过渡态的稳定性，从而影响反应活化能，以达到影响反应速度第30页/共50页SN1反应：一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。过渡态电荷增加，溶剂极性增加，更能稳定过渡态第31页/共50页SN2反应：

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，使反应速稍有降低。在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：SH->CN->I->OH->N3->Br->CH3CO2->Cl->F->H2O在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。第32页/共50页在水、醇等质子溶剂中I->Br->Cl->F-

亲核性与碱性相反在DMF、DMSO中F->Cl->Br->I-亲核性与碱性一致第33页/共50页SN2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)六甲基磷酰三胺HMPT

(Hexamethylphosphorictriamide)第34页/共50页实例：质子型溶剂与非质子型溶剂对SN2反应的影响溶剂k2DMF3×103CH3OH3×10-2问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是CH3OH?为什么？第35页/共50页第36页/共50页第37页/共50页介绍一个研究反应历程的一个方法Ke:H/D交换的速率常数Ka:外消旋化的速率常数Ke/Ka=1消旋化Ke/Ka=1/2构型转化Ke/Ka=∞构型保持第38页/共50页五.邻基参与历程在亲核取代反应中，在离去基团的β-位（或更远）上有一带有未共用电子对或带负电荷的原子或原子团参与反应，对亲核取代的反应速度、立体化学等产生很大影响，这种作用称为邻基参与。常见的邻基参与基团有：COO-,O-,S-,OCOR,COOR,COAr,OH,OR,SH,SR,NH2,NHR,NR2,NHCOR,Cl,Br,I和C6H5等第39页/共50页实例第40页/共50页邻基参与常伴随着下列现象：导致环状化合物的生成使反应速度明显加快限制产物的构型第41页/共50页邻基以未共用电子对参与亲核取代反应卤素参与反应参与能力大小：I>Br>Cl1.n-参与第42页/共50页O、N参与反应分子内的SN2反应第43页/共50页例1：β,β’-二氯代乙硫醚(俗名芥子气)比一般氯化物水解速率快1011倍例2：下列反应的K1:K2=1