亲核取代反应及其影响因素

亲核取代反应及其影响因素航03班林三春2010011556摘要：本文分为四部分。第一部分论述了亲核取代反应的组成部分：亲核试剂、离去基团、反应底物，特地列出了常见的亲核试剂、常见的离去基团。第二部分论述了亲核取代反应机理，主要论述了四种：SN1、SN2、离子对机理和邻近基团参与机理，其中还包括各种机理的实验现象验证，以及对反应产物的影响，如对构型的影响。第三部分论述了亲核反应的影响因素，主要有烃基、离去基团、溶剂和亲核试剂四种，详细地说明了这四种因素如何影响反应。给出了判断离去基团的好坏，以及比较亲核试剂的亲核性的方法。最后一部分论述了亲和取代反应与消除反应的竞争关系，其中包括SN1与E1竞争，SN2与E2竞争。主要以卤代烃为例阐述的。在论述的同时，还附有适当的图示，以及实验数据，通过比较等手段，使得论述更加有说服力。全文通过这四个部分，详细、全面地介绍了亲核取代反应。正文：亲核取代反应，简称SN亲核取代反应，通常发生在带有正电或部分正电荷的碳上，碳原子被带有负电或部分负电的亲核试剂（Nu:-）进攻而取代。一、亲核取代反应的重要组成成分：亲核取代反应中涉及到的三个重要组成成分为：亲核试剂、离去基团、反应底物。例如：BrONaBrNaOCH3反应中，主要作用物Br称为反应底物。进攻反应底物的试剂CH30Na(或CH3O—)是带着电子对与碳原子结合成键的，它本身具有亲核性，称为亲核试剂，一般用Nu表示。这类反应之所以称为亲核取代也正是因为它是由亲核试剂进攻反应底物而引起的取代反应。反应底物上的溴原子带着电子对从碳原子上离去，所以Br-；称为离去基团，一般用L表示。该取代反应是在与溴相连的那个碳原子上进行的，常称该碳原子为中心原子，或反应中心。．一般的亲核取代反应可以用如下的通式表示：R—L+：NuR—Nu+L。其中R—L为反应底物，L—为离去基团，Nu—为亲核试剂，弯箭头表示电子转移的方向。1、亲核试剂：亲核性是指：带负电荷或孤对电子的试剂即亲核试剂对亲电子原子的进攻的能力。具有亲核性的物质叫做亲核试剂。凡是带有未共享电子对的物质(如Lewis碱)都具有一定的亲核性，它们都可能作为亲核试剂。亲核试剂可以是中性分子，也可以是带负电的阴离子。下表列出的是亲核取代反应中常见的一些亲核试剂：2、离去基团在进行亲核取代反应的中心碳原子上，必然连有一个能够带着电子离开的基团，即离去基团。离去基团可以是负离子，也可以是中性分子。常见的离去基团有等。3、反应底物一般来说，在脂肪碳原子上连有某种离去基团的化合物都有可能作为亲核取代的反应底物。二、亲核取代反应的反应机理：对于脂肪亲核取代反应，由于反应物结构和反应条件的差异，SN有两种机理，即单分子亲核取代反应SN1和双分子亲核取代反应SN2。（一）SN1机理：SN1反应分两步进行：第一步是反应底物发生离解，即离去基团带着电子离开中心原子，形成正碳离子中间体；第二步是正碳离子和亲核试剂结合成键，得到取代产物：依据：1、动力学研究：(1)一级动力学反应在SN1的两步反应中，第二步是活性很高的正碳离子与亲核试剂结合，这是易于进行的快步骤；而第一步要由中性反应底物解离成有高度活性的正碳离子，是控制反应的慢步骤。反应过程中能量变化曲线如图所示，由于控制反应速度的步骤中只涉及到一种反应物，其反应速度也仅决定这一种反应物的浓度，所以在动力学上应表现为一级反应。(2)同离子效应。在SN1反应中，反应底物的解离是一个平衡过程，如果外加一些与解离的离子相同的离子，则会抑制解离，减慢反应速度。这种作用叫做同离子效应。同离子效应是SN1反应的一个特征。(3)盐效应。在SN1反应中，往往是由中性物质生成带电荷的物种，外加其它离子，增大溶液的离子强度，可提高反应速度，这种作用叫做盐效应。由于盐效应的存在常常使动力学图象变得复杂，在研究SN1反应动力学时也要考虑这种因素。(4)桥头碳上的SN1反应。对桥头碳上带有潜离去基团的化合物进行动力学研究，也能为支持aNl机理提供证据（中间体碳正离子为平面型，所以桥头碳原子很难发生SN1反应）。2、立体化学如果具有旋光活性的反应底物(中心原子为手性原子)进行SN1反应，由于生成的碳正离子具有平面构型，亲核试剂可以从平面两侧与其结合，取代产物应为几乎等量的一对对映体，消失了光学活性，即反应是外消旋的。3、重排由于在SN1反应中有正碳离子中间体生成，可以预料，它将显示正碳离子的特征：重排。碳正离子的稳定性：3°2°1°CH3+。例如：新戊基溴和C2H5OH反应，几乎完全得到重排产物：（二）SN2机理：SN2代表双分子亲核取代，其反应过程可用下式表示：由上式可见，在SN2反应中，首先是亲核试剂从离去基团背面进攻中心原子，与此同时，离去基团携带电子逐渐离开中心原子，中心原子上的三个氢原子由于受Nu进攻的影响而往L一边偏转，当它们同处于一个平面，且Nu，L和中心原子成为垂直该平面的一条直线时，即达到所谓的过渡状态。接着亲核试剂与中心原子的结合逐渐加强，而离去基团继续远离中心原子，三个氢原子偏转到离去基团所处的一边，最后得到取代产物，在该过程中，旧键的断裂和新键的生成是协同进行的。新键的逐渐形成可为旧仪断裂提供部分能量。在过渡态时，其势能达到最高点，反应过程中的能量变化如图所示：依据：1，动力学研究：(1)二级反应。SN2是一步反应，显然它的反应速度与反应底物及亲核试剂浓度都有关系，在动力学上应为二级。以溴甲烷和氢氧化钠反应为例，其动力学研究结果丧明，该反应的速度与[CH3Br]以及[—OH]都成正比关系：。SN2反应一般都遵循二级动力学。(2)假一级。在SN2反应中，当亲核试剂为溶剂时，动力学测定结果不是二级，而是一级的。这是因为溶剂亲核试剂是大量的，其浓度为一常数，所以反应速度只与反应底物有关：。这种反应动力学叫做假一级，反应仍然是双分子的。(3)桥碳上的SN2。化合物在SN2条件下进行反应。例如化合物3用乙氧离子处理，化合物4用碘化钠加丙酮处理。实验结果表明，在两种条件下都未得到相应的取代产物。在化合物3，4中，由于桥坏的屏蔽，亲核试剂很难从离去基团背面进攻中心桥碳原子，所以不发生SN2反应。而在这些条件下，开链类似物则可以发生SN2反应。2．立体化学（瓦尔登构型转换）：构型转换是由于SN2反应中的背面进攻。以(一)—2—溴辛烷和氢氧化钠反应为例，亲核试剂—OH按前面进攻的方式反应时，则必然受到携带电子离开的离去基团Br—的排斥，而背面进攻则可避免这种排斥。进一步分析我们还可以更清楚地看到，背面进攻能形成较稳定的过渡态，从而降低反应的活化能。因此在SN2反应中，通过亲核试制的背面进攻而形成线型过渡态是必要的。而这种背面进攻在立体化学上必然导致瓦尔登构型转化。如图：（三）离子对机理:离子对机理最早是在解释SN1的部分外消旋化现象时被人们注意的，现在不仅可用它来解释SN1反应的部分外消旋化，而且用这种机理可以把SN1和SN2两种机理统一起来，说明很多有关亲核取代反应机理的现象，因此它越来越受到重视。亲核取代的反应底物在溶剂的作用下可按如下的方式形成离子对：形成离子对的各步反应都是可逆的，各步的速度常数大小取决于溶剂的性质和反应底物的结构。实际的反应体系是这些不同离子对及其游离的离子的平衡混合物。如果亲核试剂与分子或紧密离子对作用，则必然是从背面进攻中心碳原子，发生构型转化，外到瓦尔登转化产物。如果亲核试剂与溶剂分割离子对作用，那么亲核试剂既可从背面进攻得到构型转化产物，也可代替溶剂的位置得到构型保持产物。—般来说，前者多于后者，在这一阶段的取代结果是部分消旋化。当亲核试剂和正碳离子作用时，则它们以相等的几率从正碳离子平面的两侧进攻，在这里发生的取代应该是完全消旋化的：取代反应的宏观结果是各个不同阶段受亲核试剂与各种离子对(包括分子和离子)反应的总和，上述过程可用下列图式表达：（四）邻近基团参与从许多实验中发现，当能提供电子的基团处于中心碳原子的邻近位置时，通过某种环状中间体参与亲核取代反应，共结果不仅加快了亲核取代反应的速度，而且往往使产物具有一定的立体化学特征。这种反应过程叫做邻基参与。可用下图表示：邻基参与反应的特点是：构型保持、有时得到一定构型的重排产物、反应速度较快。反应类型有:(1)含杂原子邻近基团参与的反应.(2)邻近双键参与。(3)邻近芳基参与。例如：环氧化合物的合成属于第一种。三、影响因素可分为四种：烃基和离去基团、溶剂、亲核试剂。1、烃基的影响：对于SN1反应，决定反应速度的步骤是碳正离子的形成，也就是主要决定于碳正离子的稳定性。其稳定性主要受电子效应和空间效应影响：电子效应主要是σ—P超共轭作用，分散正电荷，使碳正离子更加稳定。从空间效应分析，四面体构型的sp3碳变为平面三角构型的sp2碳，可以松弛分子内的张力，一般称这种张力为B张力(B代丧背面的意思)。这种解除B张力的作用叫做空助效应(不是空间障碍，而是空间帮助)。带正电荷的中心碳原子上的基团越多，共体积越大，所解除的B张力就越大，由此而赋予碳正离子的稳定性就越高。显然，叔碳正离子的空助作用是最强的。在不同结构的碳正离子中，电子效应和空间效应对其稳定性的影响是一致的，两种因素都使叔碳正离子稳定性最高，甲基碳正离子的稳定性最低，它们的相对稳定性顺序为：叔碳正离子仲碳正离子伯碳正离子甲基正离子。对于SN2反应，其速度主要决定于过渡态的稳定性。从反应物到过渡态，中心碳原子由四价过渡到五价，空间排布变得更加拥挤，所以底物结构的空间因素对反应活性有重要影响：反应物(四价态)过渡态产物(五价态)由上式还可以看到，从反应物到过渡态，中心碳原子的电荷分布并没有明显的变化，所以底物分子中α—或β—位上所连基团的电子效应对共反应速度的影响不大。因此在SN2反应中，影响反应活性的主要因素是空间因素。显然，基团的空间障碍会降低SN2反应的活性，不同烷基底物的SN2活性大小顺序为：甲基底物伯碳底物仲碳底物叔碳底物。2、离去基团的影响：在亲核取代反应中，离去基团L总是带着电子离开中心碳原子，使C—L发生断裂，离去基团的好差无论对SN1，还是SN2都有影响。有时改变离去基团还可改变亲核取代反应的机理。在SN1反应中，决定反应速度的关键步骤是离去基团离开中心碳原子，所以离去基团的好差对反应活性有着重要的影响。在SN2反应中，离去基团离开中心碳原子和亲核试剂进攻中心碳原子是协同进行的，离去基团的好差对反应活性的影响不十分明显。在反应机理的选择上，离去基团也起一定的作用。一般来说，好的离去基团倾向于SN1机理；较差的离去基团倾向于SN2机理。好的离去基团指的是它有较强的承受电子的能力，容易带着电子从中心碳原子上离开；而差的离去基团往往是承受电子能力较小，不易带着电子从中心碳原子上离开。在一般情况下，我们可以根据离去基团的碱性强弱来判断它的好差。碱性弱的基团承受负电荷的能力强，容易带着电子离开中心碳原子，即为好的离去基团；碱性强的基团则是差的离去基团。各种负离子基团或中性分子的碱性强弱往往不易直接辨认，而通过比较它们的共轭酸强弱来判断是比较方便的。因此判断离去基团的好差最终要看该基团(作为碱)的共轭酸的酸性如何。除X—外，硫酸酯、甲磺酸酯，苯磺酸酯、对甲苯磺酸酯中的酸根均为好的离去基团，因为硫酸，磺酸都属强酸，所以相应的酸根(共轭碱)都是弱碱，它们容易带着电子从中心碳原子上离开，而形成较稳定的负离子。3、溶剂的影响：溶剂化效应：溶剂与溶质分子或离子通过静电力结合的作用。溶剂的分类：溶剂的影响：质子溶剂：与负离子形成强氢键的溶剂。如水、低级醇、醋酸等极性非质子溶剂：偶极溶剂，介电常数大于15，不易给出质子。如二甲亚砜、乙腈、丙酮等非极性非质子溶剂：不给出质子，与溶质结合力较弱。如二氯甲烷、THF、乙酸乙酯、氯仿、环己烷等。溶剂对SN1反应的影响：在SN1反应过程中，决速步骤是经过极性增大的过渡态形成碳正离子。因此，溶剂极性越大，越有利于过渡态的形成，利于SN1反应的进行。溶剂对SN2反应的影响：增加溶剂的极性对SN2反应不利