sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座

sp3杂化碳原子亲核取代反应NucleophilicSubstitutionsat

sp3HybridizedCarbon第八章sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第1页本章重点内容SN1和SN2反应机理SN1和SN2反应影响原因SN1和SN2反应立体化学SN1与SN2反应竞争问题SN1和SN2反应在合成上应用

1.实现官能团相互转化

2.C－C键形成sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第2页亲核取代反应

NucleophilicSubstitutionReaction试验事实结论：两种不一样机理sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第3页两种不一样亲核取代反应机理

—SN1和SN2双分子亲核取代反应（SN2）单分子亲核取代反应（SN1）sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第4页SN1和SN2反应影响原因底物RX（以卤代烃和磺酸酯为代表)离去基团X-亲核试剂:Nuor:Nu-溶剂sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第5页1.SN2反应机理一步反应，动力学表现为二级反应亲核试剂是从离去基团后面进攻——所以发生构型转化一、SN2反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第6页SN2反应中过渡态结构：sp2杂化新键已部分形成，旧键已部分断裂1.SN2反应机理一、SN2反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第7页1.SN2反应机理一、SN2反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第8页2.SN2反应影响原因1)Substrate（底物）----StericEffectsSN2反应活性:methyl>10>20>30一、SN2反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第9页2.SN2反应影响原因1)Substrate（底物）----StericEffectssp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第10页2)TheleavingGroup（离去基团）离去基团离去倾向越大，SN2反应活性越高。

碱性越弱，离去基团离去倾向越大。

Relativereactive（反应活性）:

OH-,NH2-,OR-,<F-<Cl-<Br-<I-<TsO-一、SN2反应2.SN2反应影响原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第11页3)Nucleophile(亲核试剂)Thenucleophilecanbeneutralornegativelychargedaslongasithasanunsharedpairofelectrons.SoitisalsoaLewisbase（路易斯碱）.Basicity(碱性)---howwellthebaseshareselectronswithaproton.Nucleophilicity(亲核性)---howreadilythenucleophileisabletoattackanatom(e.g.carbon)otherthanaproton.一、SN2反应2.SN2反应影响原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第12页3)Nucleophile(亲核试剂)亲核试剂亲核性越强，反应活性越高。亲核性强弱常受到底物、溶剂甚至是浓度影响。所以，比较亲核试剂强弱应该确定一个标准，最好在相同底物和相同反应条件下比较：一、SN2反应2.SN2反应影响原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第13页3)Nucleophile(亲核试剂)关于亲核试剂亲核性强弱次序尚无完善解释，不过普通有以下规律:①当亲核试剂进攻原子大小相同或相近时，亲核性强弱次序与碱性基本相同；

如：

-CH3>-NH2>HO->F-；

HO->H2O；CH3O->CH3OH；

-NH2>NH3；一、SN2反应2.SN2反应影响原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第14页3)Nucleophile(亲核试剂)②在质子性溶剂中，同一族元素原子随周期数增加亲核性增加(碱性降低）。

原因：原子可极化性

溶剂化效应一、SN2反应2.SN2反应影响原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第15页原子半径越大，可极化性越大，易成键。sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第16页4)

TheSolvent对亲核性影响（溶剂）Proticsolvents(质子性溶剂)—含有-OH或-NH—不利于SN2反应一、SN2反应2.SN2反应影响原因原因：质子性溶剂使亲核试剂阴离子溶剂化，即发生离子－偶极相互作用，亲核性降低。碱性越强，亲核性降低越大。sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第17页Inproticsolvents,theweakerthebasicityofnucleophile,thestrongerthenucleophilicity.sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第18页4)

TheSolvent（溶剂）

Aproticpolarsolvents（非质子极性溶剂）—极性很强，但不含有-OH或-NH

acetonitrile(CH3CN),dimethylformamide[HCON(CH3)2,DMF]dimethylsulfoxide[(CH3)2SO,DMSO],hexamethylphosphoramide{[(CH3)2N]3PO,HMPA}

—有利于SN2反应

原因：非质子极性溶剂只能让阳离子溶剂化，从而使亲核试剂负离子“裸露”，亲核性增大。一、SN2反应2.SN2反应影响原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第19页DMSOsp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第20页SummaryTheSN2reactionisworstwhencarriedoutwithahinderedsubstrate,aneutralnucleophile,andaproticsolvent.

即位阻大底物、中性（弱）亲核试剂、和质子性溶剂不利于SN2反应一、SN2反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第21页ExerciseForeachofthefollowingpairsofSN2reactions,indicatewhichoccurswiththelargerrateconstant?CH3CH2Br+H2OorCH3CH2Br+HO-(CH3)2CHCH2Br+HO-orCH3CH2CH(CH3)Br+HO-CH3CH2Cl+CH3O-orCH3CH2Cl+CH3S-CH3CH2Cl+I-orCH3Br+I-一、SN2反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第22页What’sgoingonhere?----analternativesubstitutionmechanism二、SN1反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第23页1.SN1反应机理—一级反应,v=k[RX]—两步反应,限速步骤是碳正离子形成二、SN1反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第24页二、SN1反应1.SN1反应机理sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第25页2.影响SN1反应原因1)TheSubstrate（底物）卤代烃和磺酸酯SN1反应活性次序基本上与碳正离子稳定性次序相同:+CH3<10<Allyl~Benzyl~20<30

二、SN1反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第26页2)TheLeavingGroup（离去基团）离去基团在SN1反应中离去倾向：H2O<Cl-<Br-<I-~TsO–

注意：醇SN1反应常在酸性条件下进行，而中性水分子是离去基团。这是醇亲核取代反应与卤代烃不一样之处二、SN1反应2.影响SN1反应原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第27页3)TheNucleophile（亲核试剂）因为在SN1反应中，亲核试剂是在限速步骤发生后才进入反应，所以，不影响反应速率进而，能够预计中性亲核试剂与负离子亲核试剂一样有效，所以，SN1反应常在中性或酸性条件下进行。二、SN1反应2.影响SN1反应原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第28页4)TheSolvent（溶剂）二、SN1反应2.影响SN1反应原因SN1reactionstakeplacemuchmorerapidly

inpolarsolventsthaninnonpolarsolvents.sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第29页4)TheSolvent（溶剂）

要强调是：SN1和SN2反应均受溶剂很大影响，不过它们作用机制不一样SN2在质子性溶剂中是不利，因为亲核试剂被溶剂化作用降低了反应活性SN1反应却是在质子性溶剂中有利，因为反应中产生活泼中间体碳正离子过渡态能被溶剂化作用稳定二、SN1反应2.影响SN1反应原因sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第30页不一样溶剂化作用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第31页二、SN1反应3.

SN1反应中碳正离子重排反应在SN1反应中形成碳正离子中间体有重排成更稳定碳正离子趋势。sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第32页二、SN1反应3.

SN1反应中碳正离子重排反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第33页Exercise1.为以下SN1反应活性排序：

a.2-bromopentaneb.2-chloropentane,c.1-chloropentanec.3-bromo-3-methylpentane二、SN1反应2.判断以下各卤代烃形成SN1和SN2反应产物是否相同？sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第34页SN2反应立体化学

得到构型翻转产物。三、SN1和SN2反应立体化学sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第35页SN1反应立体化学

得到构型保持和构型翻转两种产物。三、SN1和SN2反应立体化学sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第36页三、SN1和SN2反应立体化学SN1反应立体化学sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第37页2.SN1反应立体化学三、SN1和SN2反应立体化学Completeracemization（完全外消旋化）Partialracemization（部分外消旋化）sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第38页四、SN2和SN1竞争问题SN1和SN2反应比较sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第39页四、SN2和SN1竞争问题SN2SN1RinSubstrate1.methyland10√

×2.20

√

√

3.10&

20benzylic,allylic√

√4.

30×

√5.

Vinylicandaryl

××Nucleophilegoodpoorhighconc.Lowconc.SolventDMSOH2OoracetoneorROHsp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第40页五、SN1和SN2反应在合成上应用实现官能团相互转化C－C键形成

sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第41页1.经过SN1和SN2反应实现官能团相互转化五、SN1和SN2反应在合成上应用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第42页1.1卤代烃与醇转化反应五、SN1和SN2反应在合成上应用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第43页1.1卤代烃与醇转化反应醇转化为卤代烃常在酸性条件下进行，因为羟基不是一个好离去基团。多数为SN1反应。sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第44页邻基参加效应（自学）1.1卤代烃与醇转化反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第45页1.1卤代烃与醇转化反应邻基参加效应（自学）sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第46页醇能够经过磺酸酯转化为卤代烃1.1卤代烃与醇转化反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第47页1.2Williamson醚合成Question:Howtosynthesizethefollowingether?五、SN1和SN2反应在合成上应用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第48页Theansweris----pathaiscorrectWhy?五、SN1和SN2反应在合成上应用1.2Williamson醚合成sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第49页五、SN1和SN2反应在合成上应用1.2Williamson醚合成sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第50页1.3胺制备—烷基化反应混合胺，问题在于怎样控制反应停留在适当阶段。五、SN1和SN2反应在合成上应用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第51页这是一个制备伯胺好方法五、SN1和SN2反应在合成上应用1.4胺制备—烷基化反应sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第52页1.4胺制备—经过醇磺酸酯五、SN1和SN2反应在合成上应用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第53页2.应用含碳亲核试剂实现C-C键形成2.1含碳亲核试剂与杂原子亲核试剂区分因为碳亲核试剂强碱性，使得它们轻易进攻连碳氢而引发消去反应，所以它们更多地用于对sp2-杂化碳加成，而较少用于对sp3-杂化碳取代。这一部分包括碳亲核试剂很活泼，在空气中和水存在下难以稳定存在，所以对反应条件提出了更高要求。五、SN1和SN2反应在合成上应用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第54页2.2含碳亲核试剂制备及应用碳亲核试剂主要有以下几个：1)sp-杂化碳试剂：RC≡C-，

-

CNRC≡C-主要是经过酸碱反应取得炔基负离子与卤代烃或磺酸酯反应是合成炔烃良好方法sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第55页-CN作亲核试剂——腈和羧酸制备一级卤代烷与氰化钠反应得腈后水解是制备增加一个碳羧酸好方法三级卤代烷易发生消去反应，二级卤代烷产率不高腈控制水解是一个制备增加一个碳酰胺方法.2.2含碳亲核试剂制备及应用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第56页2)有机金属化合物

(OrganometallicCompounds)有机金属化合物在有机合成中应用越来越广，尤其是在不对称合成中应用。它们一个特点是对反应条件要求高(因为活泼性高)。它们也广泛地用于亲核加成反应（以后讲）2.2含碳亲核试剂制备及应用五、SN1和SN2反应在合成上应用sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第57页2)OrganometallicCompoundsFormationofOrganolithiumandOrganomagnesiumCompoundsOrganometalliccompoundisacompoundthatcontainsacarbon-metalbond.Theyareformedbytreatmentofanalkylhalideorarylhalidewithazero-valentmetal,usuallylithiumormagnesium.sp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第58页3)OrganometallicCompoundssp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第59页Themetalatomsinbothorganolithiumandorganomagnesiumcompoundscoordinateparticularlywellwiththeoxygenatomsofethers.Therefore,ethersuchasTHForethyletherarecommonlyusedassolventsforboththeformationoforganometallicreagentsandtheirsubsequentreactions.3)OrganometallicCompoundssp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第60页OrganomagnesiumcompoundsarecommonlycalledGrignardReagents（格氏试剂）

inrecognitionoftheFrenchchemistFrancoisVictorGrignard,whowashonoredin1912withtheNobelprizeforhisdiscoveryofthisclassofcompounds.3)OrganometallicCompoundssp杂化碳原子的亲核取代专家讲座第61页ReactionsofOrganolithiumandOrganomagnesiumCompounds

theyareverystrongbasesandpromoteeliminationreaction.WithEpoxides----SN2reactionItisagoodpathwaytoobtainprimaryalcoholwithincreasingtwocarbonatoms.TheC-O