一级反应速率常数水溶液中

ChemicalTransformationsI:HydrolysisAndReactionsInvolvingOtherNucleophilicSpices第13章化学转化Ι：

水解反响与亲核反响13.1引言

Introduction,Overview

不同电负性的两原子之间的共价键是具有极性的，即其中一个原子携带局部正电荷，而另外一个携带局部负电荷。在有机分子中，这种极化键有可能成为化学反响的作用位点，其中亲核物质被缺电子原子吸引，而亲电物质被带有局部负电荷的原子吸引。2环境中大局部与有机物发生化学反响的化学物种是无机亲核物质313.1引言

离去基团：亲核物质与具有极性键的有机分子相遇时，亲核物质中的给电子原子可能与有机分子中的缺电子原子成键，从而引起有机化合物的转变，在这一过程中形成了新的化学键，因而肯定有另外的键发生断裂，也就意味着有原子团或原子从有机化合物中分别，这种分别的原子或者原子团就是离去基团。有机化合物中的离去基团包括卤素元素，醇，以及一些简单的原子团如磷酸根等。分子中某一特定局部是否是好的离去基团，可以从离去基团是否能在水溶液中形成稳定物种的一个实体，共轭酸pKa低的基团是好的离去基团。水解反响：水分子〔或氢氧根离子〕取代有机分子中的原子或原子团的反响被称为水解反响。413.1引言

513.1引言

613.1引言

713.2.1饱和碳原子上卤素元素的亲核取代NucleophilicDisplacementofHalogensatSaturatedCarbonAtoms描述脂肪族亲核取代反响的两种不同反响机理：13.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

NucleophilicSubstitutionandEliminationatSaturatedCarbonAtomsSN1机理SN2机理8〔1〕SN2反响机理〔S-Substitution，N-Nuclear，2-Biomolecular〕在图〔13.1〕描述的状况下，亲核物质〔如Nu-〕从离去基团L-〔如卤素〕的另一侧“攻击”碳原子而发生反响。图13.1SN2反响中反响物、活化协作物与产物的相对自由能的二维示意913.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

反响的难易首先取决于亲核物质的相对亲核性。在SN2反响中，活化所需的标准自由能及由其打算的反响速率很大程度上取决于启动取代反响的亲核物质的性能与有机分子在反响过程中的自发性。的大小取决于：SN2反响遵循二级反响速率定律：(13.1)1013.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

式中，k——二级反响速率常数。亲核物质到达反响位点的力量〔即空间位阻的大小〕；反响中心的电荷分布；离去基团从分子中分裂出去的难易程度。〔2〕SN1反响机理〔S-Substitution，N-Nuclear，1-Monomolecular〕图13.2SN1反应中反应物、活化配合物与产物的相对自由能的二维示意反应程度（反应坐标）自由能1113.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

在SN1反响机理中，假定这种取代分两步进展：第一步是限速步骤〔rate-determining〕离去基团完全从有机分子中离去，离去基团离去的同时携带走局部电子，从而形成中间产物〔反响历程中能量最小时的临时产物〕碳阳离子〔carbocation〕；其次步，具有活性的碳阳离子与亲核物质结合形成产物。在这类反响中，反响速率取决于离去基团从分子中脱离的难易程度，在该反响历程中打算的重要因素是形成的碳阳离子的稳定性，因此这种机理更易在碳阳离子稳定的状况下〔如共振〕发生。1213.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

该反响中表观速率符合一级反响速率定律：k——一级反响速率常数水溶液中，SN1反响机理通常更易于在形成水解产物时〔如由-OH取代-L〕发生，由于亲核物质不参与限速步骤，且水分子很多，因而极其易与活性的碳阳离子发生碰撞。1313.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

（13.2）〔3〕亲核物质对取代离去基团的相对影响图13.3 25℃时甲基卤与不同亲核物质反响的二级反响速率常数二级反响速率常数k/〔L·mol-1·S-1〕离去基团L1413.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

通过对甲基卤在水溶液中的亲核取代反响的争论说明：某一确定的甲基卤与不同亲核物质反响时，有着与其它甲基卤一样的相对反响活性；以水溶液中甲基溴被亲核物质亲核取代的反响为参照反响得到：1513.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响kNu—由亲核物质引起的亲核取代的二级反响速率常数；kH2O—由水〔标准亲核物质〕引起的亲核反响二级反响速率常数；n—攻击倾向或亲核物质的亲核性的量度；s—反映有机分子对亲核物质攻击的敏感程度。表

一些重要环境亲核物质的nNa,CH3Br目前在药理学、毒理学以及根底化学应用中，无机及有机亲核物质的亲核性有另外一个参照反响即在甲醇中的甲基碘的取代反响量化：图13.4一些亲和物质的nNa,CH3Br与nNa,CH3I关系1613.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

〔13.4〕某些构成自然有机物的典型有机亲核物质〔嘧啶，PhNH2，PhO-，(C2H5)2NH)的nNa,CH3Br介于3.5-5之间，是水分子的105倍。Gan等推断甲基溴与这种NOM成分的SN2反响对于土壤中广泛使用的烟熏剂是重要的反响沉淀池。叠氮化物是与Br-具有类似强度的亲核物质,因此在大量使用这种生物抑制剂的时候，肯定要留神避开在给定样品或体系中引起不必要的SN2反响。复原性无机及有机硫化物是环境中存在的最重要的亲核物质。1713.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

表13.4一些重要环境亲核物质的nNa,CH3I影响化学物质亲核性的主要因素有：亲核物质离开溶液到达反响中心的难易程度；成键原子奉献出电子以形成过渡态的力量。因此亲核物质的亲核性随其溶剂化能削减而增加，由于较大原子〔如S，I〕的价电子更加简洁极化，并且较大“软”物质通常具有较低的溶剂化能，它们与较小的硬物质相比是更好的亲核物质。F-到Cl-、Br-、I-亲核性依次增加HS-比HO-是更好的亲核试剂1813.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

【详注13.1】软硬Lewis酸碱理论Lewis酸：电子受体，亲电物质Lewis碱：给电子，亲核物质硬酸和硬碱相对较小，具有较高的电负性和较低的极化率软的酸和碱相对较大，具有较低电负性和较高的极化率规章1－平衡规章。硬酸倾向于与硬碱相联系，软酸倾向于与软碱相联系规章2－动力学规章。硬酸易于与硬碱反响，软酸易于与软碱反响硬物质边界物质软物质1913.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

表13.5与卤代烷烃发生SN2反响时，亲核物质为了与水竞争所必需具有的浓度计数值在淡水环境，亲核物质的浓度都很低，缺乏以与水竞争。但是在海水中，Cl-足以与水分子竞争；在地下水硫酸盐环境，HS-成为很好的亲核试剂。2013.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响〔13.5〕2113.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响【例题13.2】某些包含甲基溴的反响问题在含有100mmol·L-1Cl-，2mmol·L-1NO3-，1mmol·L-1HCO3-，以及0.1mmol·L-1CN-1的水溶液〔pH值=7.0，T=25℃〕中，试估量以低浓度〔<1mmol·L-1〕存在的甲基溴的半衰期。在pH值7.0，25℃的纯水中，CH3Br的半衰期约为20d。解答由于所有的亲核物质的浓度都过量（远大于[CH3Br]0）,CH3Br发生的反应可以描述为假一级反应，其一级反应速率kobs为(1)

2213.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响通过表13.5可以看出它与NO3-和OH-的反响可被无视。为了估量与其他亲核物质反响的速率常数，将s=1代入重排过的式〔13.3〕得〔2〕将表13.3中的nNu,CH3Br值代入式〔2〕，各亲核物质j的kNu代入式〔1〕，得〔3〕将不同亲核物质的浓度代入式〔3〕，得这一计算说明甲基溴与氯的反响的重要性约是其中性水解的2倍，而与另两个亲核物质反响仅占CH3Br总变化速率10%。留意，在某些状况下，一个小反响可能因生成更加长久的有毒产物〔本例中是乙腈，CH3CN〕而变得相当重要。2313.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响故用的水解半衰期〔20d〕计算kH2O为所以，CH3Br在水溶液中的半衰期为在纯水中亲核物质越弱，就可能是越好的离去基团。因此，可以推想甲基卤的反响活性按以下挨次降低：CH3F>CH3Cl>CH3Br>CH3I.然而，试验得到的信息确几乎相反。

24〔4〕离去基团图13.3 25℃时甲基卤与不同亲核物质反应的二级反应速率常数离去基团L二级反应速率常数k/（L·mol-1·S-1）13.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

键本身的强弱也是打算反响速率的一个主要因素，如甲基卤的反响活性挨次就是由碳-卤键的强弱打算。在很多状况下不行能也没有必要对某一亲核取代反响严格的界定其属于SN1反响还是SN2反响，假设在亲核取代反响中亲核物质起到它所能够起的最重要的作用，则认为是一个SN2反响。在另一种极端的状况下，即SN1反响中，亲核物质完全与反响速率无关。如比较卤代烷烃的水解半衰期，我们留意到当碳-卤键的碳从伯碳、仲碳变化到叔碳时，反响速率急剧增加。在这个变化过程中，给电子的甲基使碳阳离子稳定性增加，从而降低了形成碳阳离子所需要的活化能，使得反响向SN1反响机理移动。2513.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

2613.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

表13.625℃时中性pH值下一些单卤代烃的水解半衰期与推想的反响机理小结在SN1和SN2这两种极端状况之间，亲核物质的相对重要性取决于几个因素：亲核物质本身、不同的空间排列〔空间位阻〕以及静电场〔组合的稳定性〕等因素。至于产物形成的可能性，我们已经了解只有当其他亲核物质以较可观的浓度存在，并且以类似SN2机理发生反响时它才能与水竞争。27图13.5烷基溴与硫化物的反响历程环境条件下多卤代甲烷的水解很慢，这主要是由于体积较大且富含电子的卤元素产生的空间位阻和反响键，因此这类化合物在碳原子上的亲核取代反响的环境显著性较小。但多卤代甲烷与其它多卤代化合物在肯定的环境条件下，可能通过其他途径如脱卤化氢复原作用而发生反响。13.2.2多卤代烷烃的消退反响机理

〔PolyhalogenatedAlkanes-EliminationMechanisms〕β-消退反响。假设L为卤素，则这类反响成为脱卤化氢反响2813.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响反响程度自由能消退反响是以一种“协同“的方式发生的，多卤代化合物与碱相互作用并且生成一种过渡状态。该反响听从二级动力学规律E2机理29图13.161，1，2，2-四氯乙烷通过E2机理发生β-消退反响时反响物、活性协作物以及产物的相对自由能13.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响

亲核取代反响与-消退反响的相对重要性

通常，假设分子中亲核取代反响存在空间位阻，且/或者在携带离去基团的碳原子邻位碳上存在相对酸性的质子时，β-消退反响是重要的。酸性越强，反响发生越快。越是多卤代越符合这种特征。一般E2反响要求反平面构造。3013.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响林丹的构造图：E1CB机理和E2反响它们都是由碱攻击不稳定的氢开头反响。不同在于，E1CB是通过一般的酸碱反响开头其降解过程的，而不是通过协同反响〔E2机理〕开头的。这种反响主要在烷基底物的化合物中发生，它们具有高酸性的氢，并且具有供给稳定碳阴离子的力量。DDT1,1-二氯-2,2,2-三氯乙烷

3113.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响E1与E2反响E1〔E代表消退反响，1代表单分子〕，假设存在携带一个或几个H的邻接碳原子，它通常会与SN1反响发生竞争。消退反响的机理也可能是介于E1与E2之间的中间状况〔与亲核取代反响的陈述类似〕。13.113213.2饱和碳原子上的亲核取代与消退反响小结具有饱和碳卤键的环境物质的亲核取代与β-消退反响卤素从有机分子的饱和碳上移去的反响〔SN或E机理〕的活化能介于80–120kJ·mol-1之间。因此这些反响对温度特别敏感，10℃的温差就意味着反响速率相差3-5倍。化合物可以通过几种相互竞争的机理发生反响。这种状况下，总的反响速率将由各独立的反响速率组合得到。即3313.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响HydrolyticReactionsofCarboxylicandCarbonicAcidDerivatives13.3.1酯的水解反响〔CarboxylicAcidEsters〕P339从13.14-图13.7X脂类官能团的键被定义为-Z-O-R，其中Z=C,P,S;X=O,S;R是碳核取代基。其中X可能是O、S或者NR。羧酸衍生物和碳酸衍生物的例子34图中反响速率的变化是三个独立反响的同时发生的结果：被H+催化的反响OH-催化的水解由H2O的攻击而发生。图13.825℃时一些羧酸酯的水解半衰期随pH值的变化简化为表观水解〔假一级反响〕速率常数kh水解半衰期：3513.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响酸、碱及中性催化反响对总水解反响的相对重要性中性反响速率在某些pH范围内有显著奉献中性反响的奉献可无视酸、碱及中性催化反应是三种差异很大的反应，它们各自有不同的反应机理，因此有不同的动力学参数。由于反应活化能不同，各反应的相对重要性（由I表示）取决于反应温度。此外，取代基团对三种催化反应也有不同的影响。Lg(kN/kA)Lg(kN/kBkW)3613.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响3713.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响【例题13.4】由试验数据导出水解反响的动力学参数考虑2,4-二硝基苯基乙酸酯〔DNPA〕水解的状况，它在pH值>2时的酸催化反响是不重要的〔见图13.8〕。在一个试验课上，用HPLC法测得均匀水溶液中DNPA的浓度在不同pH值与温度条件下随时间变化的状况〔详见Klausen等，1997〕。问题试确定22.5℃，pH值分别为5.0和8.5时这一反响的〔假〕一级反响速率常数kh，所需数据见表1.3813.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响表1解答假定一个〔假〕一级反响速率常数kh可以通过ln([DNPA]t/[DNPA]o)对时间的最小二乘拟合得到〔参见图1〕，即3913.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响得到kh值为留意这里kh随pH值增加而增加，这说明至少在较高pH值下碱催化反响其重要作用。(1)图1ln([DNPA]t/[DNPA]o)对时间的最小二乘拟合4013.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响问题用上述给出的数据导出22.5℃时DNPA在中性和碱性催化水解时的速率常数〔kN与kB〕。在什么样的pH值条件下，两种反响同样重要？解答设在考察的pH值范围内酸催化反响不重要，则式〔3.17〕可简化为(2)觉察当pH值为4.0和5.0时，kh的值特别接近，这说明直到pH值为5.0时碱催化反响都可以无视，因此4113.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响由这个kN值，重新整理式〔2〕，可以确定kB为氢氧根离子的浓度由下式计算[见式〔8.18〕]留意温度会猛烈影响水的电离常数Kw。在22.5℃时Kw=10-14.08〔见附录D表D2〕。所以，当pH值=8.5〔即[H+]=10-8.5〕时，[OH-]=10-5.58 ，以及4213.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响留意温度会猛烈影响水的电离常数Kw。在22.5℃时Kw=10-14.08〔见附录D表D2〕。所以，当pH值=8.5〔即[H+]=10-8.5〕时，[OH-]=10-5.58，以及中性和碱催化反响同样重要时的pH值即INB可以通过下式计算〔见图13.9〕。因此，在pH值为8.5时，通过碱催化的DNPA水解占优势。4313.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响问题

使用表2给出的数据导出DNPA中性水解的Arrhenius活化能Ea。T(℃)kN/s-11/T/K-1lnkN/s-117.73.1×10-50.00344-10.3822.54.4×10-50.00338-10.0325.05.2×10-50.00335-9.8630.07.5×10-50.00330-9.50解答依据式〔12.29〕，速率常数随温度变化可以描述为4413.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响留意，在我们考虑的温度范围内，假定Ea为常数。将摄氏温度〔℃〕转化为开氏温度〔K〕,并且计算1/T的值，并对kN取自然对数〔见表2〕。将lnkN对1/T作最小二乘拟合，其斜率为因此有测得碱催化反响中的Ea值为60.0kJ·mol-1〔数据没有列出〕。4513.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响【例题13.5】计算水解反响时间温度与pH值的变化问题分别计算以下条件下DNPA通过水解削减到其初始浓度的50%〔半衰期〕与5%时所需的时间：〔1〕处于湖的变温层内〔T=22.5℃，pH值=8.5〕；〔2〕处于同一个湖的均温层中〔T=5℃，pH值=7.5〕。解答水解半衰期可以通过下式计算。(12.13)4613.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响用类推的方法，浓度削减到5%〔[DNPA]t/[DNPA]o=0.05〕时所需的时间为[见【例题13.4】中的式〔1〕]用前面导出的kN与kB的值以及[OH-]=10-5.58mol·L-1计算22.5℃、pH值8.5时的kh。留意在pH值8.5、22.5℃时，碱催化水解占优势。将kh代入式〔12.13〕与式〔1〕，得(1)4713.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响②用上面导出的22.5℃〔295.7K〕时相应的速率常数计算5℃时〔278.2K〕的kN和kB值[见式〔12.30〕]。其中T2=295.7K，T1=278.2K，且Ea是【例题13.4】中给出的活化能，得到如下结果。与变温层相反，DNPA在均温层中的水解是中性催化反响占优势，相应的反响时间为4813.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响

因此，在题设条件下，DNPA在湖中变温层的水解比在均温层的水解快约40倍。图13.10羧酸酯酸催化水解的假想反响路线质子进攻速控步电荷转移离去基团离去氢释放中间四周体4913.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响5013.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响酯因酸催化水解而削减的速率为那么我们可以把质子化酯分子的浓度表示成〔1〕酸催化水解5113.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响或者，将式〔13.20〕代入式〔13.20〕得因此，二级反响速率常数可以从其他速率常数的组合得到，即为什么酸催化酯水解对电子取代效应相对不那么敏感呢？吸电子力量强，削减了速率限制步骤的，从而使kA’增加。吸电子取代使酯基团更加酸化，引起质子化酯的Ka增加。从而造成kA的变化不明显。5213.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响图13.11羧酸酯的碱催化水解反响路线〔2〕碱催化水解5313.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响5413.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响图13.12羧酸酯的中性水解反响路线〔3〕中性水解特别类似假定的碱催化反响，离去基团的解离〔用INB表示〕可能打算反响速率。但这种条件下，这种状况变得更为简单。5513.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响离去基团的转变，以及在某种程度上考虑羧基局部的取代，对kN比对kB有更大的影响。由于水分子与OH-比是弱的亲核基团。5613.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响表13.925℃时一些羧酸酯kN与kB值的比较以及离去基团与极性取代基团对kN与kB的影响13.3.2酰胺〔CarboxylicAcidAmides〕与脂官能团相比，酰胺官能团具有更小的反响活性，由于-NR2R3基团的负电荷比OR2基团的少。更重要的是-NR2R3基团是弱的离去基团。由于这些因素以及酰胺基团的强碱性，与酸或碱催化反响相比，中性水解通常就不重要了。5713.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响13.3.3氨基甲酸酯Carbarnates图13.13机理中包含四周中间体时氨基甲酸酯的碱催化水解反响路线氨基甲酸酯有两个可能的离去基团，碱催化水解扮演重要角色，酸催化反响通常可以无视。由于吸电子基团太多，质子化不能显著地加强亲核攻击的敏感性。5813.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响59图13.14当机理包含一个消退步骤时，氨基甲酸酯的减催化水解反响路线6013.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响13.3.4定量构造－反响性思考

QuantitativeStructure-ReactivityConsiderations13.3.5

Hammett相关HammettRelationship吸电子基团，是好的离去基团，具有较大的水解速率常数。反响介质不同，不同。6113.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响立体效应的定量比电子效应的定量困难的多6213.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响图13.15乙醇/水介质〔体积比85:15，25℃〕中，取代基对苯甲酸乙酯酸碱催化水解的影响6313.3羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反响【例题13.6】用Hammett相关估量水解速率常数考虑3,4,5-三氯苯基-N-苯基氨基甲酸酯的碱催化水解过程。问题请利用报道的其他取代苯基-N-苯基氨基甲酸酯的kB值〔见表1〕估量25℃时的反响〔1〕