有机化学课件 第八章

sp3杂化碳原子的亲核取代反应NucleophilicSubstitutionsat

sp3HybridizedCarbon第八章本章内容线索1、SN1

和SN2

反应的机理、影响因素和立体化学2、SN1

与SN2

反应的竞争问题3、SN1和SN2反应在合成上的应用（1）官能团的相互转化；（2）C-C键的形成溶剂分类：1、非极性与极性（nonpolarandpolar）极性的两个特性参数：偶极矩和介电常数偶极矩表示的分子静态的电荷分布情况，而介电常数则体现了在外电场作用下分子内电子云分布发生极化的能力。2、质子型和非质子型

（ProticandAprotic

）

是否含有活泼氢是它们结构特征上的区别

有机溶剂的分类以及溶剂化效应

在亲核取代反应中，共价键以异裂方式进行。溶剂化作用（solvation）：溶剂分子通过分子间作用分散包围溶质分子的一种作用。质子型溶剂含有-OH或-NH

，能使阴离子和阳离子均溶剂化。有机溶剂的分类以及溶剂化效应非质子型极性溶剂的正电中心往往在分子内部，难以使阴离子溶剂化有机溶剂的分类以及溶剂化效应R-CNDMSO丙酮DMF强碱可以置换弱碱，强酸可以置换弱酸

亲核取代反应能否进行的酸碱性判断依据卤素负离子和磺酸根负离子是弱碱，因此，卤代烃或磺酸酯常用作亲核取代反应的底物与各种亲核试剂反应。而氢氧根负离子和烷氧基负离子的碱性比卤素负离子强很多，因此醇、醚只能在一定的条件下进行亲核取代反应。酸性条件：强酸置换弱酸H2O亲核试剂氨基负离子（或N-烷基氨基负离子）是很强的碱，因此胺一般难以作为底物发生亲核取代反应，但是可以作为亲核试剂参与亲核取代反应两种不同的亲核取代反应机理动力学二级反应双分子反应反应过渡态能量高低影响活性动力学一级反应单分子反应活性中间体能量高低影响活性立体化学特征：反应过渡态结构决定立体化学特征：C+

决定双分子亲核取代反应（SN2）单分子亲核取代反应（SN1）

SN2反应的立体化学亲核试剂是从离去基团的背面进攻

——因此发生构型的转化SN1

反应的立体化学得到构型保持和构型翻转两种产物。SN1反应的立体化学SN1反应的立体化学离子对机制两种不同的亲核取代反应机理动力学二级反应双分子反应反应过渡态能量高低影响活性动力学一级反应单分子反应活性中间体能量高低影响活性立体化学特征：构型转化立体化学特征：外消旋产物（或转化略多，离子对）双分子亲核取代反应（SN2）单分子亲核取代反应（SN1）影响反应活性等的因素分析底物RX（以卤代烃和磺酸酯为代表)离去基团X-亲核试剂:Nuor:Nu-反应活性中间体（SN1）过渡态（SN2）溶剂SN1或SN2影响反应活性等的因素分析SN2反应与SN1反应的机理不同，影响因素也有所不同。相同的影响因素是底物中的离去基团，离去基团越容易离去，反应越容易进行。

不同的因素有两个方面：（1）亲核试剂结构与性质只影响SN2反应；

（2）SN2反应取决于过渡态结构与能量，而

SN1反应则取决于活性中间体的结构与能量。SN1或

SN2离去基团的影响不同类型化合物进行亲核取代反应的活性顺序如下：磺酸酯，碘代烷

>溴代烷

>氯代烷>氟代烷>>醇>醚反应活性：碘代烷>溴代烷>氯代烷>氟代烷

因为不同的卤素负离子碱性强弱不同。底物中烃基结构的影响表8-4SN1活性中间体和SN2反应过渡态结构特点对比SN2反应过渡态SN1活性中间体电荷离域电荷定域中心碳原子空间较拥挤中心碳原子空间不拥挤Substrate（底物）——StericEffects

SN2反应SN2反应活性:methyl>10>20>30Substrate（底物）——StericEffects

SN2反应卤代烃和磺酸酯的SN1反应活性顺序基本上与碳正离子的稳定性顺序相同:CH3<10<Allyl~Benzyl~20<30

SN1反应由于在SN1反应中，亲核试剂是在限速步骤发生后才进入反应，因此，不影响反应速率。SN2反应中：亲核试剂亲核性越强，则反应活性越高。

亲核试剂（Nucleophiles）的影响亲核试剂的亲核性越强，反应活性越高。亲核性强弱常受到底物、溶剂甚至是浓度的影响。因此，比较亲核试剂的强弱应该确定一个标准，最好在相同的底物和相同的反应条件下比较：

SN2反应中亲核试剂的影响

关于亲核试剂的亲核性强弱顺序尚无完善的解释，不过一般有如下的规律:——亲核性强弱顺序与碱性基本相同——同一周期元素原子随原子序数增加亲核性减弱-CH3>-NH2>HO->F-；——带负电荷基团的亲核性强于中性基团

HO-

>H2OCH3O->CH3OH

-NH2>NH3；SN2反应中亲核试剂的影响—在质子性溶剂中，同一族元素的原子随周期数的增加亲核性增加。原因：原子可极化性和溶剂化效应—在非质子溶剂中，同一族元素的原子随周期数的增加亲核性降低。SN2反应中亲核试剂的影响SN2反应中亲核试剂的影响可极化率越大，越容易发生亲核进攻：溶剂影响SN2反应，本质是影响亲核试剂的亲核性强弱Proticsolvents(质子性溶剂)——不利于SN2反应原因：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。

SN2反应中溶剂的影响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，而难以使阴离子溶剂化，从而使亲核试剂负离子“裸露”，亲核性增大。

SN2反应中溶剂的影响

SN2反应中溶剂的影响要强调的是：SN1和

SN2

反应均受溶剂很大的影响，但是它们的作用机制不同SN2在质子性溶剂中是不利的，因为亲核试剂被溶剂化作用降低了反应活性SN1反应则主要受溶剂极性的影响，极性越强，则反应速率越块。因为反应中产生活泼中间体碳正离子能被溶剂化作用稳定。因此，SN1反应在质子性溶剂中是有利的，生成的阳离子和阴离子均可被溶剂化作用稳定。

SN1反应中溶剂的影响SN2和SN1的竞争问题SN2SN1RinSubstrate

1.methyland10√

×2.20

√

√

3.10&

20benzylic,allylic√

√4.

30×

√5.

Vinylicandaryl

××Solvent

DMSOH2OoracetoneorROH在SN1反应中形成的碳正离子中间体有重排成更稳定的碳正离子的趋势。

SN1反应的碳正离子重排反应判断下列各卤代烃形成的SN1和SN2反应产物是否相同？除D外均可能不同均不同？SN1

和SN2反应在合成上的应用实现官能团的相互转化C－C键的形成SN1

和SN2

反应在合成上的应用——从卤代烃转化为醇的反应SN1

和SN2

反应在合成上的应用——从醇转化为卤代烃的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的离去基团。多数为SN1反应。SN1

和SN2

反应在合成上的应用从醇转化为卤代烃的反应-磺酸酯从醇转化为卤代烃的反应-SOCl2构型保持构型反转从醇转化为卤代烃的反应-PCl3

或PBr3亚磷酸三脂亚磷酸从醇转化为卤代烃的反应——小结——Williamson醚合成Question:Howtosynthesizethefollowingether?SN1

和SN2反应在合成上的应用Theansweris——pathaisbetterSN1和SN2

反应在合成上的应用——Williamson

醚合成——因为醇钠是一个强碱，30卤代烃容易发生消去反应Why?SN1

和SN2

反应在合成上的应用——Williamson醚合成Sulfonateesters（磺酸酯）canbeusedintheWilliamsonethersynthesisSN1

和SN2

反应在合成上的应用——Williamson醚合成：经磺酸酯——胺的制备：N-烷基化反应问题在于难以控制反应停留在适当阶段，得到混合胺SN1

和SN2反应在合成上的应用伯胺比氨具有更好的亲核性仲胺比伯胺具有更好的亲核性SN1和SN2

反应在合成上的应用——胺的制备：N-烷基化反应Gabriel合成法——这是一个制备伯胺的好方法——胺的制备：通过醇的磺酸酯SN1

和

SN2反应在合成上的应用SN2从卤代烃出发制备膦类似于胺的制备注意：膦的亲核性还强于相应的胺SN1

和SN2反应在合成上的应用——膦的制备(简单了解）含碳亲核试剂的制备及应用碳亲核试剂主要有以下几种：1)sp-杂化碳试剂：RC≡C-，

-

CNRC≡C-主要是通过酸碱反应获得炔基负离子与卤代烃或磺酸酯反应是合成炔烃的良好方法。-CN作亲核试剂——腈和羧酸的制备一级卤代烷与氰化钠反应得腈后水解是制备增长一个碳的羧酸的好方法三级卤代烷易发生消去反应，二级卤代烷的氰基化反应产率不高(由于消去反应）腈的控制水解是一种制备增长一个碳的酰胺的方法.含碳亲核试剂的制备及应用有机金属化合物与亲核取代反应苯基锂WithEpoxides——SN2reactionItisagoodpathwaytoobtainprimaryalcoholwithincreasingtwocarbonatoms.有机金属化合物与亲核取代反应——醚与HI，HBr的亲核取代反应SN1机理的实例：

醚的亲核取代反应烷氧键的断裂顺序是：3°>2°>1°烷基>芳基。

——醚与HI，HBr的亲核取代反应SN2机理的实例：醚的亲核取代反应由于：2°和3°烃基的醚更多倾向SN1反应，而且SN1反应相对于SN2反应速度较快，因此：多数不对称醚在发生烷氧键断裂时，优先顺序与SN1反应中顺序相同，即3°>2°>1°烷基>芳基。——1，2-环氧化合物的开环反应1，2-环氧化合物可以在