第三章碳正离子

第三章亲核取代反应及碳正离子

(NucleophilicSubstitutionandCarbocations)一、碳正离子的产生、结构和稳定性1、产生及类型：有机反应中产生的活性中间体的一种。 是Intermediate,而不是Transitionstate

碳正离子能在一定条件下存在且被分离出

ChinaPharmaceuticalUniversity1922年，Meerwein发现萜类化合物重排与C+有关

1962年，Olah在超酸中检测到C+G.A.Olah,Nobel1994产生碳正离子的反应举例：

1）脂肪族化合物的亲核取代反应H3CCl

CH32)烯烃的亲电加成反应H3CCH3H3COHCH3CH3CCH3C+OH-CH3CCH2CHCH

H3CH3CCH3CHH3CH3CCH3CH2CH3H3C+HCl+ CH

H3C+ CH3C H3C重排

- ClCClCH2HSO4ChinaPharmaceuticalUniversity3)芳香化合物的亲电取代反应

O2NHNO2+

+NO2+-+H2SO4ChinaPharmaceuticalUniversity经典碳正离子(Carbeniumion):中心碳原子sp2杂化与其他三个基团或原子以σ键相连形成具平面的构型2、结构ChinaPharmaceuticalUniversityHC+>120

H3C。

。一些情形下，键角不是120，或者不是平面结构。如：HHCH3C

+＝KR+=ChinaPharmaceuticalUniversity3、稳定性及研究方法

碳正离子的相对稳定性可由其pKR+来定量表示：

pKR+=log[R+]/[ROH]+HR当反应达到平衡、[R+]=[ROH]时，pKR+=HR（酸度函数）;

pKR+愈大，碳正离子愈稳定。R++H2O

[ROH][H+] [R+]

[R+][ROH]+p[H+]ROH+H+

，pKR+=logChinaPharmaceuticalUniversity一些碳正离子的pKR+值

碳正离子三苯基甲基4-甲氧基三苯基甲基4-硝基三苯基甲基二苯基甲基三环丙基甲基环庚三烯正离子三苯基环丙烯基pKR+-6.63 -3.40 -9.15-13.3-2.3+4.7+3.1C+C+HC+C+++[(CH3)2N]3C+[CH3O]3C+4,4’,4’’-三(二甲氨基)-三苯基甲基正离子pKR+=+9.36

[O2N

4,4’,4’’-三甲氧基三 苯基甲基正离子

pKR+=+0.82]3C+4,4’,4’’-三硝基三苯基甲基正离子pKR+=-16.27 给电子取代基促进碳正离子的稳定：ChinaPharmaceuticalUniversity影响碳正离子稳定性的因素：1）诱导效应(Inductiveeffect)：离域或分散C+正电荷将有利于碳正离子的稳定连有诱导推电子的基团时的稳定性(+I)：连有诱导吸电子的基团时的稳定性(-I)：+2)共轭效应(Conjugativeeffect)：a)p-σ共轭效应稳定性次序：叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳正离子(CH3)3C+

+>CH3CH2CHCH3>CH3CH2CH2CH2如：甲基推电子基通过C-Hσ键与C+的空轨道共轭。 ChinaPharmaceuticalUniversityσ共轭效应的研究在超酸催化下进行超酸：强的质子给予体，强度用哈米特酸度H°表示超酸特点：1)给质子能力强，亲核性低；2)凝固点低；3)粘度小。在超酸介质中可得到热力学最稳定的碳正离子举例：CH3CH2CH2CHOH

OHH

OHCH3CH2CHCH3(CH3)3COHFSO3H-SbF5-SO2

。

-60C[CH3CH2CH2CH2]++

裂解，重排FSO3H-SbF5-SO2

。

-60C

裂解，重排

+(CH3)3C HOH [CH3CH2CHCH3] + (CH3)3CFSO3H-SbF5-SO2

。

-60C(CH3)3C+(c)具有未共用电子对的化合物，如醇、醚、醛、酮、酯等ChinaPharmaceuticalUniversity超酸可将质子给予：(a)具有σ–电子对的化合物，使得烷烃中的C-H及C-Cσ–键对超酸表现出σ–碱性。在超酸的作用下，C-H或C-C键的σ-电子对与质子的空 轨道作用形成缺电性的三中心两电子键，用虚线表示。(b)具有π-电子对的化合物，如烯、炔、芳香化合物等ChinaPharmaceuticalUniversityb)p-π共轭效应碳正离子中心碳原子p空轨道与π电子共轭，分散正电荷，稳定碳正离子。PhPh

+CPh

+CH

+PhCH2Ph>Ph>CH2CHCH2+c)p-p共轭效应碳正离子中心碳原子p空轨道与邻位杂原子的未共用电子对的p电子共轭，稳定碳正离子。CH2+CH2+如：

CH3OCH3OCH2

+CH2CH3O

+ CH3O3）芳香性（Aromaticity）具有芳香性的平面环状正离子稳定如：环丙烯基 卓正离子4n+2=2,n=04n+2=6,n=1++

⊕

⊕4)不同价键状态 举例：CH3-C+H2>CH2=C+Hsp2sp

S特性增加，吸电性增强，不利于C+稳定。5）溶剂效应 举例：

在气相中，电离活化能为836.8kJ/mol;

在水溶液中，电离活化能为83.7kJ/mol。因此，极性溶剂有助于碳正离子的形成和稳定BrBrBr(CH3)3CBr

6）空间效应（Stericeffect）

对于桥头碳正离子，张力大，稳定性差。形成碳正离子的相对反应速度：K=110-310-610-13ChinaPharmaceuticalUniversity二、经典碳正离子与非经典碳正离子(CarbeniumionsandCarboniumions)三价碳正离子(Carbeniumion)碳正离子(Carbocation)碳鎓离子(Carboniumion)(五价or更高)1、区别经典碳正离子：中心碳原子价电子层6个电子，形成三根σ键。 此时中心C为3价。非经典碳正离子：价电子层8个电子，除形成三根σ键外，余下的一对电子形成一个二电子三中心键，中心C是5价

ChinaPharmaceuticalUniversity

2、形成

1)σ电子参与 在超酸催化下，形成环丙基甲基碳正离子。碳原子 空轨道与σ键共轭形成离域键。上世纪50年代，Roberts认为：

+CH2应为CH2+环丙基甲基碳正离子三环丁鎓离子ChinaPharmaceuticalUniversityWinstein研究原菠基体系(Norbornylsystem)的溶剂解行为，说明由邻近基团参与形成了原菠基非经典碳正离子。OAcAcOHOBsKexoAcOHKendo

OBsKexoKendo=350结论：外向(exo)结构底物对溴苯磺酸-2-原菠酯醋酸解速度比内向(endo)快，产物为外消旋，内向结构底物的产物有93%外消旋，7%有旋光。有旋光外消旋OBsOAcOBsOAcOAc+AcOH+

-OAc-1234OAc

56123654773475

OAc

6211234567+375

624

1+51535322267OTs44+ChinaPharmaceuticalUniversity2)π电子参与 例：对向-7-取代原菠烯形成非经典碳正离子：TsOAcOHOAcOAcHOAc+35764

13574

13574

1562627627623

+

6同向-7-取代原菠烯形成经典碳正离子：

7

+

434

11 13)一种碳鎓离子的形成可通过几种途径 例：原菠基正离子的形成H

X375

624

1+375

624

1σ途径

SbF5

π途径SbF5X

三、亲核取代反应定义： 亲核试剂提供一对电子与碳原子形成新的共价键， 碳原子与离去基团之间原有的共价键断裂， 离去基带着一对电子离开分子。通式：R-X+Y：R-Y+X：ChinaPharmaceuticalUniversity四种反应实例

四种SN反应类型(A)neutralsubstrate+neutralnucleophile(B)neutralsubstrate+anionicnucleophile(C)cationicsubstrate+neutralnucleophile(D)cationicsubstrate+anionicnucleophileChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversity

1.TheSN1Reaction1)KineticsoftheSN1Reaction first-orderreaction

v=k[RX]2)MechanismoftheSN1Reaction generallytwosteps

therate-limitingstepisthereactantgiveacarbocationintermediateC+Br举例：H3CCBrCH3CH3H3CCH3 +CH3H3CCH3COCH3H HRate-limitingstepFaststep

-OH2OH2H3CCOHCH3CH3SN1反应势能图：G#R++:X-

Carbocation intermediateRX+:Nu-

RNu+:X-

ReactionCoordinate(progress)

ChinaPharmaceuticalUniversitySincecarbocationsareplanerand sp2-hybridized,theyareachiral.ThusifwecarryoutanSN1reactionononeenantiomerofachiralreactant,theproduct(aracemicmixture)mustbeopticallyinactive.3)StereochemistryoftheSN1ReactionR1R2BrR3R1R2R3R2R3OHHOR3R2CC+Nu:

R1 C-Br-慢OH-快+R1 C以有光学活性的底物为例：4)CharacteristicsoftheSN1Reaction (1)TheSubstrate

形成的碳正离子愈稳定，底物的活性就愈大

TheSN1reactivityorderforreactants:

CH3<10

<Allyl~Benzyl~20

<30CH3BrC2H5Br(CH3)2CHBr(CH3)3CBr反应速度0.581.00261108

CH3-CH3CH2- (CH3)3C-CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C-R相对水解速度

(80%丙酮溶液)2.015.420.0 67.0 4.5*105R OPNB

的水解

B

张力 效 应 增 大底物的空间张力大，形成张力小的产物的倾向强，反应活性大－－B张力效应ChinaPharmaceuticalUniversityCH3

OHC(CH3)3CH3CH2

CH2+CCH3

OPNB 80%丙酮

H2O

82%(消除产物)

18%(取代产物)OPNB 80%丙酮

H2OCCH383%(重排产物)举例：1.2.有张力的底物，倾向于生成张力最小的产物ChinaPharmaceuticalUniversity(2)TheLeavingGroup愈容易离去，反应速度愈快I>Br>Cl>F离去能力：可极化度减小，离去能力降低a.b.C.CF3COOCH3COO-->106倍d.e.N-

+ N

-RO、OH

离去能力强离去能力差，需催化SO3O2NSO3H3C-->10倍ChinaPharmaceuticalUniversity(3)TheSolventA.对SN1反应的影响：

溶剂的极性↑，有利于SN1反应的进行。这是因为该反应在过渡状态已出现了部分正负电荷的高度极化状态，而极性溶剂的存在，有利于过渡状态的形成和进一步的离解。

B.对SN2反应的影响：溶剂对SN2反应的影响较为复杂，通常情况下是增强溶剂的极性对反应不利。反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷，只是电荷有所分散，因此溶剂对反应的影响不大。但溶剂极性↓，还是有利于反应的进行；溶剂极性↑，反而会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所减慢。R//LWinstein的离子对－溶剂化学说R-L

+RL-+-R++L-离子化解离紧密离子对溶剂隔离离子对溶剂效应会影响SN1反应产物构型比例，举例：α-氯代乙苯的水解反应ChinaPharmaceuticalUniversityPhCl

H3CPhPhHOCH3PhHOCH3PhPhCH3OHCH3CHC H+Cl-[]H2OCH3

+C H+Cl-CCC+

H2%

H49%

H 49%

H2OH2O80%丙酮R//LH证明离子对-溶剂化学说中离子对的存在ClPhNO2

OOCClNO2ClPh

Ph HOCNO2HC1880%丙酮

OC＋-C18C

O O18R-L

+RL-+-R++L-R//L+N3证明离子对-溶剂化学说中离子对的存在R-L

+RL-+-R++L-强亲核试剂，亲核反应速度快。亲核反应发生在紧密离子对阶段，产物为构型转化产物。说明很强的亲核试剂堵住了离子逆转的消旋化道路。

ClPhNO2ClHC

18

OOC-N3PhHCR//L证明离子对-溶剂化学说中离子对的存在R-L

+RL-+-R++L-ClNO2ClPhNO2ClHOCNO2OClHOCNO2OHC

18

OOCHC

O18

OC衡k平C＊

Ph标记反应物

Ph光学活性反应物k消旋C

Ph消旋化产物＊平衡速度大于消旋化速度意味着反应发生在解离的离子步骤之前。外消旋速度大于平衡速度意味着反应发生在解离的离子步骤之后。2.TheSN2Reaction1)KineticsoftheSN2Reaction Thereactionsshowsecond-order kinetics:

v=k[RX][Nu-]HO-+CH3-BrHO-CH3+Br-

20%NaOH80%MeOHChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversity2)MechanismoftheSN2ReactionDirectdisplacement.Involveasinglerate-determiningtransitionstatewithoutanintermediate.ChinaPharmaceuticalUniversity势能图：

3)StereochemistryoftheSN2ReactionSN2reactionoccurswithinversionofstereochemistryatthecarbonatombecausethenucleophilicreagentattacksthebackside.NuX#

R1R2XNu:CR3慢-

+R2Nu

R1CR3+-快XChinaPharmaceuticalUniversity(CH3)(CH2)5SN2反应构型反转的实验证明：HH3COHTsCl(CH3)(CH2)5HH3COTs(CH3)(CH2)5

H3C

HOAcAcO H3CH (CH2)5CH3CC(+)-2-辛醇AcCl/PyC(+)-乙酸-2-辛酯

+［CH3CH2]4NOAc-C(-)-乙酸-2-辛酯[α]D+0.84[α]D-0.85ChinaPharmaceuticalUniversity4)CharacteristicsoftheSN2Reaction空间效应取代基愈小，位阻愈小，反应速度愈快。在SN2反应中，底物的反应活性与SN1的相反。+CH3>10>Allyl~Benzyl>20>30b)电性效应(a)具有烯丙基或苄基结构的底物

SN2反应速度加快，中心碳原子的P轨道与π体系 共轭使过渡态更稳定。(b)若底物上连有吸电子基，可使SN2反应速度加快XCH2Cl+I-XCH2I如：亲核试剂的影响是至关重要的:

显然，亲核试剂的亲核能力↑，浓度↑，反应υ↑。

试剂亲核能力的强弱取决于两个因素：a.

试剂的碱性(即给电子性)；b.试剂的可极化性(即极化度或变形性)。

(1)

试剂的碱性：

试剂的碱性与亲核性是两个不同的概念，二者的关系可能一致，也可能不一致。A.亲核性与碱性一致：

a.

同周期元素所形成的亲核试剂

b.同周期中的同种原子形成的不同亲核试剂B.亲核性与碱性不一致(亲核试剂体积大小的影响)：

(2)

试剂的可极化性

可极化性系指分子中周围电子云在外电场的影响下发生形变的难易程度。易形变者，可极化性大。

在亲核取代反应中，可极化大的原子或基团，因形变而易于接近反应中心，从而降低了达到过渡状态所须的活化能，故亲核能力增强。

显然，同族元素，随原子序数的增大，核对核外电子的束缚力↓，可极化性↑，亲核能力↑。

综上所述，判断一个试剂亲核能力的大小：

对于同周期元素或同种原子形成的亲核试剂，可用其碱性的强弱来判断；

对于同族元素形成的亲核试剂，可用可极化性的大小来判断。

3.离去基团的影响

无论SN1反应，还是SN2反应，在决定反应的关键步骤中，都包含C―X键的断裂，因此，离去基团X―的性质对SN1反应和SN2反应将产生相似的影响，即卤代烷的活性次序是：

这一活性次序可从C―X键的离解能、可极化性、离去基团的碱性等方面来说明。

由此可见，I－既是一个好的离去基团，又是一个好的亲核试剂。因此，这一特性在合成中有着重要的用途。

4.溶剂的影响

溶剂对SN2反应的影响较为复杂，通常情况下是增强溶剂的极性对反应不利。反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷，只是电荷有所分散，因此溶剂对反应的影响不大。但溶剂极性↓，还是有利于反应的进行；溶剂极性↑，反而会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所减慢。CH3CH3

OHCδ+

NNMe2

NMe2NMe2δ-Oδ+

P有一定极性的非质子性溶剂，正极埋在溶剂分子内部，负极与亲核试剂的正离子形成离子-偶极键，将亲核试剂正负离子隔开，使亲核负离子裸露，故中等极性非质子性溶剂适合SN2反应。

极性非质子性溶剂适于SN2反应δ-SH3CH3CO为何在非质子性溶剂中加入少量冠醚做催化剂，能加快SN2反应速度？

以亲核试剂KOAc为例，

OOOOOK

O+

-OAc冠醚络合金属阳离子，将负离子亲核试剂裸露在外，促进反应进行。同时，形成的络阳离子与阴离子的离子对在有机相中溶解度更好，构成相间催化剂。ChinaPharmaceuticalUniversity常用亲核试剂：ChinaPharmaceuticalUniversity(3)TheleavingGroupTheweakestbasesareindeedthebestleavinggroups.Relativereactive:OH-,NH2-,OR-,<F-<Cl-<Br-<I-<TsO-由于亲核试剂的参与作用帮助了SN2反应中离去基团的离去，因此，离去基团对反应速度的影响不如SN1那样显著。一个反应往往不是绝对的SN1或SN2举例：PhClPhOMeCH3PhClCH3PhOHCH3CHCH3ONaCH3OHCH3CH61%构型转化39%消旋CHH2OCH3COCH3CH95%消旋5%构型转化 ChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversity底物所带的亲核取代基参与了同一分子中另一部位的取代反应。邻基、迁移起点碳原子、迁移终点的碳原子形成“桥型”离子中间体，最终促进离去基团离去，或同时发生重排反应。环状溴正离子芳基正离子碳鎓离子由于邻基参与亲核作用，离去基团的离去变得更容易，反应速率加快，产物构型保持。邻基参与(Neighboringgroupassistance)如：发生了二次SN2取代，各引起一次构型改变，净结果是构型保持。第一步：邻位基团充当亲核试剂，推出离去基团；第二步：更强的亲核试剂进攻中心碳，推出邻基。亲核试剂与底物发生分子碰撞才能反应，邻基有天然优势，形成的桥型离子中间体活性增强，亲核试剂最终进攻变得容易。

R1CR2R3C R4..ZX

R1CR2C R3R4.Nu.+Z

R1CR2R3C R4..ZNu反应过程：-..OCH3-COO-、-OCOR、-COOR、-COAr、-OR、-OH、

-NH2、-NHR、-NHCOR、-SH、-SR、-S、-I、

-Br、-Cl

邻位基团参与的几种情况：1.含未共用电子对的基团参与OOH-

OCCOH CH3..O H-例1.羧基氧负离子参与：

O C慢C O HCBrC H CH3ChinaPharmaceuticalUniversity

例2.乙酰氧基参与：对甲苯磺酸－2－乙酰氧基环己酯的溶剂解反应

OTs O OCCH3反式k=1.9X10-4(100ºC)

OTs OCOCH3

顺式k=2.9X10-7(100ºC)

OCOCH3+OTsOCOCH3OCOCH3CH3COO-CH3COOHCH3

O +CO+C-OTs O O +-CH3COO-CH3

OCOCH3

O OCCH3

O CCH3O O OCCH3

OCOCH3顺式反式

CH3COO

OTs O OCCH3反式反式反式CH3

OO

CH3OC2H5

O +COC2H5OHCOTs OOCCH3-OTs非手征乙酰氧鎓中间体的证明：ChinaPharmaceuticalUniversity例3.烷氧基参与HAcOHOAcCH3O HOBsCH3HCH3O+H

HBsO

CH3

OCH3

H12

3CH3

45

H2314H5

H. - AcO

HAcO-H

CH3

OCH3

H2

314H5CH3O H

H12

3CH3

45对溴苯磺酸-4-甲氧基-1-戊酯对溴苯磺酸-5-甲氧基-2-戊酯底物不同，但经邻位烷氧基参与得到相同氧鎓中间体，溶剂解生成相同产物。ChinaPharmaceuticalUniversity例4.环醚中氧原子的邻位效应XOXOXOX10.00140.144.85x104+O

不稳定+O

不稳定+O

稳定溶剂解相对速度：例5.氮原子参与NEtClH2O OH-NEtOHNH2(CH2)nBr(CH2)n

+NH2Br-(1)(2)(3)n=2、4、5、6，产物稳定NHCOCH2CH2CH2BrONOBr OH-+H2O+Br--NH2、π电子参与OTsHHTsOOTsHABC乙酸解速度

A>B,107倍

A>C,1011倍 举例：δ解释：OTsHHδ+

-OTsH +OAc-HOAcΠ键与取代基为对向，参与碳鎓离子形成，OAc从背面进攻，得到构型保留溶剂解产物。双键π电子参与碳鎓离子形成，对正电荷的离域有帮助，可促进碳鎓离子的稳定。

TsO

HOAc-+++

AcOΠ键与取代基为同向，由于位阻，不能邻位参与，生成经典碳正离子，重排成更稳定的烯丙基正离子，生成重排后的溶剂解产物。 OTsH3CCH3HH3CCH3HH

CH3OAcHH3C

HH3C AcOC

HCCH3COOH-OTsCC

3、苯基参与形成“苯桥正离子”，正电荷离域到芳香环中。举例：对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯乙酸解反应

+AcO-AcO-C

HCCC H CH3+苏式OTsH3CHHH3CHHCH3

HH3CCH3

HH3C AcOCCH3CCH3COOH-OTsCC+AcO-AcO-CCH3

H C OAcCC H+赤式ChinaPharmaceuticalUniversity苯基的邻位参与受溶剂效应影响，也受苯基上的取代基的影响。1、溶剂亲核性强，发生正常取代可能性大；溶剂亲核性弱，桥碳正离子易形成，重排发生。2、苯环上有吸电子基，碳正离子离域受影响，正常取代；苯环上有推电子基，稳定桥碳正离子，重排发生。ChinaPharmaceuticalUniversity六、碳正离子的重排反应烷基、芳基或氢带着电子从一个碳原子转移至另一个碳原子上碳正离子中心的P轨道与发生转移的轨道基本共平面。举例：负氢转移：1,2-