饱和碳原子的亲核取代反应课件

第四章取代反应123饱和碳原子的亲核取代反应芳香族的亲电取代反应芳香族的亲核取代反应Ⅰ、饱和碳原子的亲核取代反应1234反应类型反应机理5立体化学邻基参与的作用影响反应活性的因素一、概述1.1亲核取代反应？L=离去基团：卤素,OH,OTs…..等；Nu=亲核试剂：OH，OR…..等。分子中原子或基团被亲核试剂原子或基团取代的反应。

亲核试剂带一对电子进攻中心碳原子，而离去基团带着一对电子离去。1.2亲核取代反应的重要性有机化学中非常重要的一类反应;

在理论研究中和有机合成实际中都是极其有用的一类反应。以卤代烃为例，进行亲核取代反应可以得到那些类型化合物？1.3机理的研究由于该反应涉及到底物的性质和亲核试剂的性质，基于两者，这类反应按其机理的不同分为两种极限情况讨论，如：SN1和SN2。离子对机理二、亲核取代反应机理1、反应类型⑴底物为中性分子，亲核试剂带着一对孤对电子；例如：例如：⑶底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子；⑷底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：例如：（1）单分子亲核取代(SN1)反应机理反应机理：第一步碳正离子的生成；第二步亲核试剂进攻碳正离子。一级反应2、反应机理反应的位能曲线：

E反应进程E1ΔHE2第一步为决速步骤例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应按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。反应的能量变化可用位能曲线表示：

EEaΔH反应进程轨道重叠程度相同；体系能量最高。（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。

底物的解离成碳正离子是经几步完成的，形成不同的离子对。例如：构型翻转产物sp2(R)-(-)-2-辛烷[α]25D=-34.25°(S)-(-)-2-辛醇[α]25D=-9.90°构型翻转构型保持构型转化SN1++实际上，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。外消旋产物的比率与生成C+离子的稳定性有关A

ClC消旋化收率（%）ABC4672100碳正离子稳定性：CBA三、影响反应活性的因素

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。（1）底物结构的影响（空间效应，电子效应）A.SN2反应的空间效应卤代烷的反应活性顺序：甲基>伯>仲>叔a.反应底物的分子烃基中-C上的支链越多，SN2的反应越慢。

b.对于-C上支链越多，也会使SN2速度减慢。例如：相对速度:1410-1

310-2110-5R: CH3CH2CH3CH2CH2(CH3)2CHCH2(CH3)3CCH2新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应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。c.-C是不饱和碳，SN2很难发生。p-共轭效应,X很难离去。如:很难水解,要在强烈的条件进行。B.SN2反应的电子效应R CH3CH2 CH2=CHCH2C6H5CH2

相对速度140120

d.若-C是不饱和碳，则SN2极易进行。例如：当R是烯丙基或苄基时，SN2反应的平均速度都比乙基大得多。e.若-C上连有C=O、CN等吸电子基团，SN2速度大大加快。如：以Z代表这类基团，则ZCH2Cl与I

反应。ZCH3CH2CH2 CH3CH2OCONCCH3CO相对速度

11.710131033.5104

过渡态中-C的p轨道与羰基或氰基的p轨道重叠而使过渡态能量降低的缘故。f.-C是桥头碳，分子的立体结构使亲核试剂没有从背面进攻的可能，所以这样的化合物不能按SN2反应历程进行反应。

A.空间效应四面体平面三角型109o28’120oSN1反应：空间效应和电子效应空间位阻加快SN1反应速率例如：RBr在水中的溶剂解相对速度:RBr50oC水中MeBr1.00EtBr1.00i-PrBr11.6t-BuBr1.2×106a.底物-C上取代基多，空间位阻大，SN1反应速率快。B.电子效应使中间体的碳正离子稳定的因素，都能使SN1反应的反应速率增大。相对速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.86100~105~1010

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。b.-C含有-OH，-SH，-NR2

时，碳正离子稳定，反应速度快。C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN1反应速率1091.00.2d.若-C为不饱和的苄型式或烯丙基型化合物的SN1反应速度快，与SN2一致。

例如：R-OTs在乙醇中醇解相对速度。RCH3CH2-CH2=CH-CH2-PhCH2-相对反应速度133385c.-C为不饱和的卤代烷很难发生SN1反应，与SN2一致。f.若-C为桥头C，SN1反应难以发生。但有些相当大的环可使桥头能够形成结构近似于平面的碳正离子。例如：溴代烷在25C，80%乙醇中溶剂解的相对速度。

相对速度e.当-C上有-C=O，-CN时，由于吸电子基，不利于C-L键的离解。SN1反应速度慢。（2）亲核试剂的强度亲核试剂的亲核性愈强,浓度愈高,SN2反应速度愈快。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。RO->HO->>RCO2->ROH>H2OCH3O->PhO->CH3CO2->NO2-碱性：试剂与质子结合的能力；亲核性：试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力。A.当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致；电子云密度半径，电负性B.亲核原子是同一周期元素，其亲核性大小与碱性强弱次序大致相同，即同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱；

当试剂中进攻的原子不同族且不同周期时，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-碱性亲核性可极化性可极化性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（较远即可形成过渡态）；F-<Cl-<Br-<I-RO-<RS-<RSe-<RTe-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。亲核试剂不影响SN1的反应速度（3）离去基团离去基团越稳定，亲核取代反应速率越大。A.较好的离去基团是强酸的共轭碱（越稳定）；共轭酸1共轭碱2共轭碱1共轭酸2

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。通常，L碱性愈弱、愈稳定，愈容易离去。在极性质子溶剂中，常见基团离去的倾向顺序：H由此可知：OH、OR、NH2不是好的离去基团。ROH,ROR’亲核取代需酸催化。L:TsOHMsO-CF3SO3-是最好的离去基团。TsO-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可极化度依次增大离去基团Lk相对

N3-

+CH3L(CH3OH)(SN2)(CH3)3C-L+H2O/C2H5OH(SN1)Cl-11Br-6339I-10099TsO-630150000离去基团对SN1，SN2反应的速率的影响有差别。（4）溶剂效应（μ＝0）（μ≠0）非极性溶剂：CCl4,,CS2,极性溶剂质子型：EtOH,H2O,CH3COOH非质子型：THF,Et2O,DMF,DMSO氢键偶极-偶极作用力极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。常见的极性非质子型溶剂有：N,N-二甲基甲酰胺DMF二甲亚砜DMSO六甲基磷酰胺HMPT

DMA1、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，将稳定碳正离子，使反应速率加快。NuR快溶剂化效应溶剂化：溶质和溶剂相互作用叫溶剂化。它是指溶液中溶质被周围溶剂分子包围起来的现象。R+L-和溶剂水的作用：2．SN2反应电荷增加电荷分散+++电荷分散电荷分散---溶剂的极性易稳定过渡态溶剂的极性易稳定反应物3．极性质子性溶剂使亲核试剂溶剂化，增加亲核试剂的稳定性，降低其亲核活性。不利于SN24．极性非质子溶剂如DMF,DMSO,HMPT等，亲核试剂完全暴露，未溶剂化，对SN2有利的。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。举例：质子型溶剂与非质子型溶剂对SN2反应的影响：DMF3×103CH3OH3×10-2问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是CH3OH?为什么？杂原子（孤对电子）的邻基参与；

π电子的邻基参与；

σ－参与作用。四、邻基参与作用分子内的亲核取代反应例如：

在以上两个反应中，Cl-离去是由O-或N的帮助完成的，这种作用通常称为:邻基协助或