高等有机化学 第4章_亲核取代反应

第4章亲核取代反应⑴底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：+PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-++RLNu-RNu+L-⑵亲核试剂带有负电荷：4.1亲核取代反应类型+RLNu-RNu+L-++CH3CH2IBu3P++I-Bu3PCH2CH3⑶底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：+LRNu+Nu+L+R(CH3)2S(CH3)4N+++(CH3)3S(CH3)3N+⑷底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：RL++Nu-+RNuL4.2亲核取代反应的机理一、SN1二、SN2三、离子对历程四、分子内亲核取代历程特征：单分子、两步历程；正碳离子活性中间体、存在重排现象（当β位连有多个烷基时，能从10或20重排到20或30时）产物外消旋化或外消旋化加构型转化。X+Nu-+NuNu慢一、SN1：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）XCNuX--Nu+X-二、SN2历程RL+-R+L-离子化溶剂介入RLNuNuNuSN2R+L-+溶剂介入离子对构型翻转紧密离子对翻转（主要）转化（消旋化）离解的离子NuS1N（消旋化产物）⑴解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。⑵溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。⑶离解的离子为自由离子。三个阶段：亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同的产物。三、离子对理论SN2SN1+SN2四、分子内亲核取代R-OH+SOCl2ROSOCl+HClR-Cl+SO2从正面进攻构型保持SOORClRCl+SO24.3碳正离子和非经典碳正离子一、碳正离子1、碳正离子存在的证明：1HNMR谱确定2、碳正离子结构：SP2杂化、平面构型3、碳正离子稳定性的分析：看正电荷能否得到高度的分散：p-、p-、p-p共轭。有芳香性的正碳离子稳定；共轭体系多的正碳离子稳定；有推电子诱导效应的正碳离子稳定；有吸电子诱导效应的正碳离子不稳定；有角张力的正碳离不稳定。共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：3CCH2CH2CHCH2CHCH2CH2CH当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：O2NCH2CH3CH2CH2例：A.(CH3)3C+B.C.D.比较下列碳正离子的稳定性比较下列碳正离子的稳定性CCH3HCCCH3A.B.C.H3CHCCHCH2CH3CHCH2CH3ABCD比较下列碳正离子的稳定性HH从下面的实验可以看出是有的，因为有双键的反应速度是无双键的1011倍，而且构型也保持：非经典正碳离子1)π键参与的非经典正碳离子HAcOOTsHAcOHHOAcHOTsHAcOHOTsHδ-δ+AcOH非经典正碳离子H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：2)σ键参与的非经典正碳离子AcOHOBsOAcAcOHOBsOAc12356exoendoAcOHOBs126WinsteinS(1949)提出，endo-异构体的乙酸解是正常的取代反应，因为其反应速率与环己醇的对溴苯磺酸酯相近，exo-异构体的速率快是由于C(1)和C(6)之间的σ-键的参与，中间产物为非经典碳正离子：HOAcHOAcOBsHHOAcOAcHAcOAcOH-H+（II）（III）[phone]-H+4.4邻基参与底物分子中离去基邻位有亲核性的基团时，常常观察到亲核取代反应的动力学和立体化学都受到强烈影响，原因是邻位的亲核基团介入了反应，这种现象称为邻基参与。1.含杂原子取代基顺-和反-2-乙酰氧基环己醇对甲苯磺酸酯在乙酸中溶剂解都得到反-1,2-环己二醇的二乙酸酯，但反式异构体溶剂解的速率为顺式的670倍：OCOCH3OTsOCOCH3CH3CO2HOCOCH3k=2.9x10-7s-1(100C)oOCOCH3OTsOCOCH3CH3CO2HOCOCH3k=1.9x10-4s-1(100C)o由此推测：在反式异构体的取代反应中，2位上的乙酰氧基参与了取代过程，即从背面进攻1-位碳，取代对甲苯磺酸基，生成环状中间体（相当于分子内的SN2），然后迅速与乙酸进行第二次SN2反应，生成构型保持的环己二醇二乙酸酯：OOTsOCCH3OOCH3OOCH3OCOCH3OCOCH3OOCH3CH3CO2HOCOCH3OCOCH3+而顺式异构体中的乙酸氧基由于在对甲苯磺酸基的同一边，不能参与取代过程，因此为正常的分子间的取代反应，生成1-位碳构型反转产物。邻基参与是分子内反应，因此反式异构体的溶剂解速率比顺式快，这种现象称为邻助作用（anchimericassistance）。伯醇的磺酸酯与乙酸的反应为SN2，取代基的电子效应对反应速率影响不大。但比较以下一系列化合物的反应速率，可以发现4-甲氧基丁醇对溴苯磺酸酯的反应速率特别快由此可见，4-位上的甲氧基对反应起了促进作用，合理的推论是4-位上的甲氧基参与了反应。为了证明4-位上的甲氧基参与了反应，人们用4-甲氧基-1-戊醇对溴苯磺酸酯和5-甲氧基-2-戊醇对溴苯磺酸酯与乙酸反应，两个原料生成同样两种产物的混合物，说明两种原料是通过同一种环状过渡态：CH3CO2HROBsROAcRCH3(CH2)3CH3OCH2CH2CH3O(CH2)3CH3O(CH2)4CH3O(CH2)5CH3O(CH2)6相对反应速率10.280.63657123.01.2OBsOCH3OCH3OBs4-甲氧基-1-戊醇5-甲氧基-2-戊醇从上述的数据可以看出，如果能形成5、6元环，反应中心附近的杂原子取代基是会发生邻基参与而使反应加速。4-甲氧基-1-戊醇5-甲氧基-2-戊醇OMeHAcOHHOMeHMeHHOMeHMeHOAcHMeOMeHMeHOBsHOMeHBsOHHMeAcOH+60%40%2.苯基上面列出的邻基参与基团都是一些杂原子基团，对于苯基能否有邻基参与作用曾有争议，因此进行过充分的研究。将2-苯基乙醇对甲苯磺酸酯分子中1-位亚甲基上的两个氢用氘标记，然后与三氟乙酸反应，得到的产物是两种异构体的等量混合物，说明苯基参与了取代过程：CD2CH2OCOCF3CH2CD2OCOCF3CH2CD2OTsCF3CO2HCD2H2C+11也可以用核磁共振证明中间体的结构。例如在超强酸中NMR可以证明两个亚甲基是相等的：CH2CH2ClCH2H2CSbF5-SO3-78CoSbF5ClL-threo-3-苯基-2-丁醇对甲苯磺酸酯与乙酸反应，生成构型保持产物。由于中间体有对称面，因此产物为外消旋体：OAcHMeHMeAcOHHHMeMeOTsHMeHMeHMeMeHAcO+HAcOOTsHAcOHHOAcHOTsHAcOHOTsHδ-δ+AcOH3.碳碳双键碳碳双键有没有邻基参与？从下面的实验可以看出是有的，因为有双键的反应速度是无双键的1011倍，而且构型也保持：快1011倍4.σ键σ单键有没有邻基协助？人们已经设计了很多实验来验证。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AcOHOBsOAcAcOHOBsOAc12356AcOHOBs1264.邻基参与作用易产生环状的化合物4.6亲核取代反应的活性1化合物的结构对其亲核取代反应的影响结构对反应活性（reactivity）的影响与反应机理有关，以下分别讨论结构对SN2和SN1反应的影响。SN2对RX型化合物，R的位阻是决定反应速率的主要因素。SN1机理的中间体是碳正离子，能使碳正离子稳定性提高的因素都有利于SNl反应的进行。2亲核性和碱性一种试剂作为亲核试剂是指供电子给碳原子，亲核性表示它对反应速率的影响，是动力学问题；而作为碱是提供电子给质子，碱性表示它对平衡位置的影响，是热力学问题。因此，一个试剂的碱性强，它的亲核性不一定同样强。例如，N3–,PhO–和Br–的亲核指数都是5.8，而它们的共轭酸的pKa却分别为4.74,9.87和–7.7。不过进攻原子相同的一系列试剂，它们的亲核性的大小次序与碱性大小是平行的，如MeO－PhO－AcO－＞NO3–，进攻原子在周期表中位于同一周期，亲核性的次序也与碱性平行。例如，一些试剂的亲核性次序为:NH2–RO－OH－R2NHArO－NH3吡啶F－H2OClO4–；R3C－R2N－RO－F－。试剂如果是带负电荷的离子，它的亲核性一定比其共轭酸强。例如，OH－H2O，NH2–NH3，RO－ROH，RS–RSH。3试剂的体积t-BuO–的碱性比OH–和EtO–强，但亲核性却比它们弱，可能是由于它的体积大，阻碍了它与底物中心碳原子的接近。4离去基团一些常见的离去基团的离去倾向次序为：I＞Br＞CI＞＞F-N2+-OTs-I-Br-Cl-F-OCORA.(CH3)3C+B.C.D.比较下列碳正离子的稳定性比较下列碳正离子的稳定性CCH3HCCCH3A.B.C.比较下列碳正离子的稳定性练习：比较下列碳正离子的稳定性，并说明原因123H3CHCCHCH2CH3CHCH2CH3ABCDABCD(CH3)2CH比较下列碳正离子的稳定性4（1）下列化合物中哪一个较容易与硝酸银/醇溶液反应BrBr练习：（2）推测下列反应结果及过程BrC2H5OOOH?（3）写出下列反应的可能过程CHCHCH3H3CH2COTsCHCHCH3H3CH2COHOHCHCH3H3CH2CHCOH+1.ClHClCl2.ClHClCl