高等有机化学――第四章 饱和碳原子上亲核取代反应

第四章饱和碳原子上亲核取代反应(AliphaticNucleophilicSubstitution)一.反应类型()二.反应机理(ReactionMechanism)()1.SN1机理()2.SN2机理()3.离子对机理()三.立体化学1.SN2反应()2.SN1反应()四.影响反应活性的因素()1.底物的烃基结构2.离去基团(L)3.亲核试剂(Nu:)4.溶剂五.邻基参与反应六.亲核取代反应实例一.反应类型亲核取代反应的通式：+Nu+L-RNuRL亲核试剂带着一对电子进攻中心碳原子离去基团带着一对电子离开CH3CH2IBu3P++I-Bu3PCH2CH3⑴底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：+PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+⑶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-+RNuLCH3ClH2O+++CH3OH2Cl-+RLNu-RNu+L-⑵亲核试剂带有负电荷：二.反应机理1.单分子亲核取代（SubstitutionNucleophilicUnimolecular)(SN1)反应机理+RLNu-RNu+L-=νk1LRRLRLR+L-+慢δδ反应分两步进行第一步正碳离子的生成：第二步亲核试剂进攻正碳离子：R++Nu-RNu快第一步是决定反应速率的一步。例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：Ph2CHClPh2CH+Cl+丙酮慢Ph2CHOHH2OPh2CH+2.双分子亲核取代（SubstitutionNucleophilicBimolecular)(SN2)反应机理动力学研究表明：有一类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：=k[RL][Nu]ν二级反应按SN1机理进行反应的体系：叔卤代烷及其衍生物和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物其反应机理为：亲核试剂背后接近中心碳原子－从离去基团的背面与此同时离去基团也正在逐步地离开底物分子新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的。两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态T.＋L-Nu-R'CH2LR'CH2NuNuCLHHR'δδ＋TSN2反应机理：LNuCCLNuCLNuCLNuCLNuLNuCCLNuCLNuCLNuCLNuCNuL在过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心碳原子的p轨道交盖的程度与离去基团与中心碳原子的p轨道的交盖程度相同按SN2机理进行的底物特征：R'CHRX不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物3.离子对机理介于SN1与SN2之间的机理，建立在SN1机理基础之上。底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同的离子对：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.反应的立体化学反应的立体化学与反应机理相关SN2机理：Walden转化Nu-LCCNuLδδCNu＋由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化－Walden转化。Nu:L+L-NuCC6H13HBrCH3NaOHSN2CC6H13HCH3HO构型翻转(R)-(-)-2-辛烷[α]25D=-34.25°对映体的纯度=100%(S)-(-)-2-辛醇[α]25D=-9.90°对映体的纯度=100%CHCH2PhMeOHTsClACHCH2PhMeOTsEtOHK2CO3BCHCH2PhMeOEtCHCH2PhMeOKKCEtBrCHCH2PhMeOEtα=+33.0°α=+31.1°α=-19.9°α=+33.0°α=+31.1°α=-19.9°α=+23.5°SN1机理C+Nu-CL+NuCNuC50%50%Nu-L-试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物。C+HCH3PhOH-H2OClCHCH3PhOHCCH3HPhOH-CCH3PhHHO49%51%正碳离子越稳定，消旋化程度越大消旋化(Racemization)PhCCH3OHPhCCH3构型转化%27HCH3BrHCH3O+73%消旋化产物HBr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。请思考：H3CHCH3BrH2OSN1?四.影响反应活性的因素影响亲核取代反应活性的主要因素是：•底物的结构•亲核试剂的浓度与反应活性•离去基团的性质•溶剂效应（一）底物结构的影响SN2反应：卤代烷的反应活性顺序是：甲基伯仲叔原因：烷基的空间效应新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应：CHXNu:CNuLHHH转变过程中，中心碳原子由底物同4个基团相连转变为由过渡态的同5个碳原子相连，空间拥挤程度增大。当底物中心碳原子连有较大基团时，Nu:难于从背后接近底物。RXNu-X-NuRSN2RCH3CH3CH2(CH3)3C(CH3)2CHk23010.030SN1反应：A.电子效应所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN1反应的反应速率增大：ROTsR+OTsEtOHROEtk1相对速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.86100~105~1010当取代基具有＋I、超共轭效应、＋C效应，SN1反应速率增大,反应活性增大。当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)，SN1反应速率明显增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN1反应速率1091.00.2当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的正碳离子，因共轭效应而被稳定。B.空间效应与SN2反应相反，底物上的取代基的空间效应使SN1反应速率加快：RBr在水中的溶剂解相对速度RBr在水中50°时MeBr1.00EtBr1.00i-pBr11.6t-BuBr1.2×106CRR'R''XCRR'R''X-四面体平面三角型键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度减小。（二）亲核试剂的强度Nu:在SN2反应中起着重要作用NuNu-:CH3O-,HO-,I-Nu:H2O:规律：1〕带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：－OHH2O,CH3O-CH3OH2）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强；中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强。A.当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：RO-HO-RCO2-ROHH2OCH3O-PhO-CH3CO2-NO2-碱性是试剂与质子结合的能力；亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力。CH3OOClONO2O当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度顺序与碱性有时不同：碱性：C2H5O-I-亲核性：I-C2H5O-B.同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，负电荷越分散，亲核性越弱：H2N-OH-F-C.试剂中的进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大，试剂的亲核性越强：F-Cl-Br-I-R-O-R-S-R-Se-D.当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，则不利于试剂接近底物分子。因此，对于试剂的亲核性，取代基的空间效应大于其电子效应：CO碱性很强，负电荷也很集中，但由于烷基具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。CH3OC2H5OCH3CH3CHO(CH3)3CO亲核性依次减小同理：C2H5NH2(C2H5)2NH(C2H5)3N亲核性依次减弱，碱性依次增强。（三）离去基团(Leavinggroups)Nu:SN2+LL-LCSN1C+NuC离去基团带着一对电子离开中心碳原子，成为负离子。接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。1)较好的离去基团是强酸的共轭碱：AH+BA+BH共轭酸1共轭碱2共轭碱1共轭酸2强酸的共轭碱是弱碱重要的离去基团是pKa5的酸的共轭碱，如：I-是强酸HI的共轭碱。ROHBrRBrTsClROTsBrCH3SOOHOTsOHTsOCH3SOOOO2NSOOOMsO-CF3SO3-是最好的离去基团。2)成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去。X的溶剂解的相对速率为：RIRBrRClRFFClBrI可极化度依次增大（四）溶剂效应溶剂的性质：介电常数ε越大，溶剂的极性越大。介电常数是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力。（μ＝0）μ－偶极距（μ≠0）非极性溶剂：CCl4,,CS2,极性溶剂质子型：EtOH,H2O,CH3COOH非质子型：THF,Et2O,DMF,DMSO,HMPT质子型溶剂通过氢键缔合ROHNu非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。氢原子键合在电负性较大的原子上。SN1反应：[RL]δδRL慢R+L-Nu一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。SN2反应：Nu-L-RL[NuL]δδNuRC在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。ROHNuHORHOR在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：SH-CN-I-OH-N3-Br-CH3CO2-Cl-F-H2OSN2反应常在极性非质子型溶剂中进行。极性非质子型溶剂(PolarAproticSolvents)不能与Nu:形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。常见的极性非质子型溶剂有：PONNNHCNCH3CH3OCH3SOCH3N,N-二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺HMPT(Hexamethylphosphorictriamide)在极性非质子型溶剂中，X-的反应活性顺序为：F-Cl-Br-I-这与在质子型溶剂中的顺序相反。质子型溶剂与非质子型溶剂对SN2反应的影响：CH3I+NaN3k2CH3N3+NaI溶剂k2DMF3×103CH3OH3×10-2问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是CH3OH?为什么？CH3CH2CH2Br+NaCNCH3CH2CH2CN+NaBr