亲核取代与加成反应

2023/12/11第一节饱和碳原子上的亲核取代反应

(AliphaticNucleophilicSubstitution)2023/12/12一.定义及反应类型亲核试剂底物中心碳原子

离去基团亲核取代反应的通式：亲核取代反应的定义：亲核试剂Nu进攻底物分子R-L中带正电荷的碳原子而发生的取代反应。2023/12/13⑴

底物为中性，中性亲核试剂带着一对孤对电子：亲核取代反应的反应类型：⑵底物为中性，亲核试剂带有负电荷：2023/12/14⑶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：2023/12/151.双分子亲核取代(SN2)反应机理

【动力学研究】该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：二级反应其反应机理为：亲核试剂从离去基团的背面接近中心碳原子，新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，与此同时，离去基团也正在逐步地离开底物分子二.亲核取代反应机理●反应的立体化学与反应机理相关:由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以产物发生完全构型转化－Walden转化。

反应特征：

双分子、一步反应；

存在过渡态状态；

立体化学是瓦尔登转化（构型翻转）2023/12/172.单分子亲核取代(SN1)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：第一步是决定反应速率的一步。动力学:一级反应2023/12/18试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成外消旋产物。●SN1反应的立体化学过程：

反应特征：

单分子、两步历程

碳正离子活性中间体、存在重排现象

产物外消旋化或外消旋化加构型转化。2023/12/19SN2反应事例：SN1反应事例：2023/12/110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。2023/12/111⑴分子解离为正负离子，两个离子相互靠近，形成紧密的离子对。⑵溶剂介入离子对后正负离子被溶剂隔开，称为溶剂分割离子对。⑶两个离子完全分离被溶剂包围形成溶剂化的正离子和溶剂化的负离子。

分三个阶段：3.离子对机理2023/12/1124.SNi机理（分子内亲核取代）紧密离子对氯代亚硫酸酯特点：构型保持醇与亚硫酰氯反应制备卤代烃，其机理不能用SN1和SN2解释，是分子内亲核取代反应。2023/12/113三.碳正离子与非经典碳正离子重排1.Wagner--Meerwei重排（W—M重排）●一个负氢离子或烃基负离子从相邻的碳原子经1,2-迁移重排到C+

中心的反应称为W--M重排。其中R=H,芳基，烷基等，迁移顺序为H>

芳基>烷基。2023/12/114如：2-莰醇与硫酸作用生成莰烯的反应机理2023/12/1152023/12/1162.非经典碳正离子：由于π键或σ键的邻基参与而形成的碳正离子活性中间体，称为非经典碳正离子。σ键参与的非经典的碳正离子是两电子三中心键，而经典的碳正离子可看成是W-M重排。非经典的碳正离子2023/12/117

旋光的exo-降冰片对溴苯磺酸酯(exo-bornylbrosylate)在乙酸中溶剂解，生成消旋的exo-降冰片乙酸酯；endo-降冰片对溴苯磺酸酯的乙酸解也生成exo-降冰片乙酸酯，但exo-异构体的速率为endo-异构体的350倍：1)σ键参与的非经典碳正离子Winstein据此认为是C1-C6σ键的邻基参与，因而形成了非经典的碳正离子而加速其反应。2023/12/118【解释】CH2CH2CH2环丙甲基正离子的结构：空的

p轨道与弯曲轨道的交盖环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：中心碳原子上的空的

p轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。随着环丙基的数目增多，正碳离子稳定性提高。碳正离子稳定性为：烯丙基型>3°>2°>1°>CH3+。2023/12/120例1：下面是双环化合物进行亲核取代反应，其反应速率常数如下。π键的邻基参与作用使反应速率成倍数增加：2)π键参与的非经典正碳离子2023/12/121例2：3-苯基-2-丁醇的对甲苯磺酸酯的醋酸解反应SRSRSR2023/12/122SSSSSS相同2023/12/1233)

n电子参与历程

化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的β位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。以3-溴-2-丁醇与HBr的取代反应为例：产物都是（S,R)-2,3-二溴丁烷，是内消旋体产物为(S,S)-和(R,R)-2,3-二溴丁烷，为外消旋体2023/12/126例2：β-氯代二乙硫醚的水解速率比相应的β-氯代二乙基醚快104倍。例3：旋光的α-溴代丙酸盐的水解反应2023/12/1272023/12/128环丙基位于外型时（A)，三元环阻碍C-Cσ电子的邻基参与；位于内型时（B)有利于环丙基香蕉键的邻基参与。内型的环丙基有时甚至比双键更有效。化合物（B)的溶剂解速率比化合物（C)快5倍；而化合物（A)溶剂解速率比（C)慢3倍。4)环丙基的参与作用

环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。2023/12/129四.

邻基参与作用总结

分子中亲核的取代基参与了在同一分子中另一部位上的取代反应称为邻基参与作用。●邻基参与作用是分子内的SN2过程。两个基团在分子内处于反式共平面状态。●邻基参与作用一般形成三元环或五元环，四元环不易形成。●邻基参与作用主要包括杂原子参与作用、π键参与作用、三元环参与作用等。●邻基参与的结果使得最后的取代产物构型保持，且反应加速。2023/12/130具有杂原子参与作用的基团有：COO-、

OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、I、Br、Cl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－亲核进攻能力不足时，只能形成环状产物。这是简单的分子内SN2反应。2023/12/131五、亲核试剂的类型和反应1.含氧亲核试剂H2O,ROH,OH-,RO-.2.含硫亲核试剂H2S,RS-,RSO2-,S2O32-等。3.含氮亲核试剂NH3,RNH2,R2NH,R3N,Li3N,NO2-,NaN3,NCO-,NCS-等。4.卤素亲核试剂HX,X-,LiI,SOCl2,ClCOSCl等。5.负氢离子LiAlH4,AlH3,NaBH4,等6.碳亲核试剂RMgX,R2CuLi,RLi,R3B,叶立德试剂和各种活泼亚甲基产生的负碳离子。1.排列下列碳正离子的稳定性2.下面双环化合物进行亲核取代反应，请排列它们的反应速率顺序

【思考题】3.下列化合物在KI/丙酮溶液中反应，按反应速率递减顺序排列下列化合物C>B>A4.从反应机理角度分析下列亲核取代反应产物含量的不同5.完成下列反应6.用反应机理解释下列反应7.解释β-氯代二乙硫醚的水解速率比相应的β-氯代二乙基醚快104倍。8.苏式及赤式的对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯在醋酸中进行溶剂分，前者得消旋化的苏式醋酸酯，后者得光学纯赤式醋酸酯，试用反应历程解释。2023/12/135赤式-2-对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯（SR)(SR)(SR)前者是取代产物，后者是重排产物。两者是外消旋产物。2023/12/136苏式-2-对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯（SR)2023/12/137第二节亲核加成反应

碳杂键常发生亲核加成反应（如C=N\C=O\C≡N等）除此之外,碳碳键也可以发生亲核反应（如C=C\C≡C）常见的亲核试剂有:N、O、S、X、P等杂原子中心，负碳离子，氢负离子。一、碳碳不饱和键的亲核加成反应（一）碳碳双键的亲核加成

碳碳双键含π键，是富电子的，容易发生亲电反应，难被亲核试剂进攻。因此要想进行亲核反应需活化，降低双键电子云密度，需增加吸电子基团。2023/12/138

双键碳上连有吸电子基有利于亲核加成反应。它们可以降低双键碳上的电子云密度，来促进亲核试剂的进攻。更重要的是，这样的取代基能使生成的负碳离子中间体的负电荷分散而得到稳定。2023/12/1391、氰乙基化反应

丙烯腈分子中的碳碳双键，因受到氰基的影响能发生亲核反应。

因此，由亲核试剂进攻双键碳原子，生成的中间体再从溶液中获得质子，所得产物相当于在亲核试剂分子中引入一个氰乙基，故称为氰乙基化反应。是维生素B1的中间体可合成3-丙氨酸2023/12/140氰乙基化反应特点:当亲核试剂具有一个活泼的亚甲基或甲基时，丙烯腈可以发生二或三次氰乙基化反应。通过控制条件也可以得到单氰乙基化产物。2023/12/141

碳负离子与α,β-不饱和羰基化合物发生的1,4-加成反应称为麦克尔加成反应。

一般情况下，具有α-活泼氢的化合物，在碱的作用下形成碳负离子。此碳负离子可以与缺电子C=C双键发生亲核加成。2、Michael加成反应(麦克尔加成)2023/12/142双甲基酮的合成2023/12/143甾醇的合成：2023/12/144（二）碳碳叁键的亲核加成反应

碳碳叁键通常比双键更容易被亲核试剂进攻。因碳碳叁键之间的键长较短，叁键中电子被束缚的比双键中的要紧；再者，三键碳比双键碳的s成分多，与电子的结合能力较强。所以表现出较强的亲核性。双键比叁键具有更强的亲电加成活性，但亲核加成恰相反。如乙炔和醇的反应，可生成乙烯基醚。弱亲核试剂则需要加入催化剂，如乙炔和水反应需要Hg2+做催化剂。2023/12/1452023/12/146反应机理为：2023/12/147二、羰基的亲核加成反应（一）羰基的亲核加成反应两种不同条件下的加成历程：1、酸催化下：2、碱催化下：2023/12/148基础有机化学所讲内容：2023/12/1491、杂原子亲核试剂的加成多数亲核试剂与醛酮的加成反应,在平衡建立后,其平衡常数往往小于1。只有当强的吸电子试剂与羰基相连时，才能得到较稳定的加成产物。2023/12/150苯甲醛与季戊四醇在稀盐酸溶液中反应：2023/12/151Wittig试剂是一种磷的内翁盐，也叫磷叶立德。它是相邻的原子带有不同的电荷，磷带正电荷而碳带负电荷，由于碳和磷之间的轨道重叠而使碳的负电荷分散。2、碳原子亲核试剂的加成（1）Wittig反应（维蒂希反应）Wittig反应可用通式表示：2023/12/152●简单的wittig试剂（R=H,烷基）很活泼，与氧、水、氢卤酸、醇等能起反应。●当带负电荷的碳原子上连接COR、CN、COOR、CHO等吸电子基团时，Wittig比较稳定，但活性降低，与酮作用较慢。●改进的方法是用磷酸三乙酯代替三苯基磷。2023/12/153反应机理：极性的甜菜碱氧磷环丁烷2023/12/154●经Wittig反应生成的烯烃，通常是顺式和反式异构体的混合物。VA

的乙酸酯2023/12/155（2）羟醛缩合反应在酸或碱催化下含有α-氢的醛酮相互作用生成羟基醛或羟基酮。●碱催化下的反应历程（酮难于缩合）●酸催化下的反应历程（利于酮的缩合）2023/12/156（3）Benzoin(安息香)缩合两分子芳醛在KCN的水-乙醇溶液中短时间温热则发生双分子缩合生成芳香族a-羟基酮类的反应2023/12/1572023/12/158（4）Perkin反应（柏金反应）

由于酸酐的α-氢比较活泼，在羧酸盐的催化下，与芳醛作用。（5）Darzen反应（α，β-环氧酯合成）

醛酮在碱作用下与α-卤代酸酯反应生成α，β-环氧酯。2023/12/159如从苯乙酮为原料合成2-苯基丙醛：2023/12/160三、羧酸衍生物与亲核试剂的反应1、反应历程（加成-消除历程）2023/12/1612、结构与活性的关系羧酸衍生物与亲核试剂的加成-消除反应难易程度，与烃基的电子效应和空间效应以及亲核试剂的特性都有关。在特定的反应中，羧酸衍生物的相对活性主要取决于：●与羰基直接相连的离去基团的电子效应●离去基团离去的能力●已知羧酸衍生物的亲核活性为酰卤>酸酐>酯>酰胺离去基团离去的易到难顺序为：

-X>-OCOR>-OR>-NH22023/12/1623、酯化、水解反应历程及影响因素在羧酸衍生物中，酯化和水解反应研究的最为详细。以酯类水解为例，包括酰氧键断裂和烷氧键断裂。在不同条件下，反应历程有所不同。（1）酸催化酰-氧键断裂双分子历程（AAC2）Acidcatalysis,dimolecularacyl-oxygencleavage2023/12/1632023/12/164对AAC2而言，主要影响因素是四面体中间体的空间张力作用。2023/12/165（2）酸催化烷-氧键断裂单分子历程（AAl1）Acidcatalysis,unimolecularalkyl-oxygencleavage▲关键在于碳正离子的稳定性2023/12/166（3）酸催化酰-氧键断裂单分子历程（AAC1）▲2,6-位两个甲基的位阻作用，不能生成正常的四面体加成产物。2023/12/167（3）碱催化酰-氧键断裂双分子历程（BAC2）(Basecatalysis,bimolecularacyl-oxygencleavage)▲氢氧根的亲核性高于水分子。2023/12/168四、碳-氮重键的亲核加成反应常见的碳-氮重键是C=N和C≡N，既亚胺和腈。1、亚胺的亲核加成反应亚胺是醛酮的含氮衍生物，俗称Schiff碱。其性质与醛酮相似，能发生亲核加成及缩合反应。心血管药物“恢压敏”的合成：2023/12/1692、醛（通常是甲醛）与氨或胺（以盐的形式）和含有活泼氢的化合物所发生的缩合反应，称Mannich反应。2023/12/170反应机理：2023/12/1712023/12/1723、腈的亲核加成反应●腈与亲核试剂H2O加成的最初产物是酰胺2023/12/173●在碱的存在下，腈首先与强亲核试剂OH-作用，其历程如下：2023/12/174Thorpe反