亲核取代

®山东农业大学化学学院亲核取代反应专题®山东农业大学化学学院主要内容：复习卤代烷的亲核取代反应，SN2和SN1机理，亲核取代反应在合成上的应用。影响亲核取代反应机理和反应速率的因素（烷基结构的影响，亲核试剂的影响，溶剂极性的影响，离去基团的影响）。其它类型化合物的亲核取代。®山东农业大学化学学院卤代烷的亲核取代反应（SN2和SN1反应）SN2机理R1R2XHNuR1CR2XHNuR1R2NuH+X构型翻转动力学特点：反应速率＝k[RX][Nu]（双分子反应）NuRX+XR+Nu®山东农业大学化学学院SN1机理消旋化动力学特点：反应速率＝k[RX]（单分子反应）R1R2XR3R1R2R3XNuR1CR2NuR3()决速步骤碳正离子CCHR(H)~R(H)CCHR(H)C3o2o1oCH3,,PhCH2CH2=CHCH2稳定性重排性®山东农业大学化学学院影响亲核取代反应机理和反应速率的因素绝对的按SN2或SN1机理的例子不多，一般情况下两种机理并存，并依反应条件而改变。NuRX+XR+Nu溶剂R的结构C－X键强度体积浓度亲核能力浓度稳定性对亲核试剂的影响对反应的影响®山东农业大学化学学院一.底物结构对机理的影响XRRNuNuRX慢快NuXRNuRX+SN2机理SN1机理C－X键强度：FClBrIR的空间位阻小a碳正电性大C－X键易解离有利因素生成的正碳离子稳定C－X键易解离有利因素®山东农业大学化学学院SN2机理与烷基的结构空间位阻效应电子效应相对速率BrROHRBr++OH80%乙醇水溶液55oCCH3CHH3CBrCH3CH3CCH3BrCH2H3CBr1000.22~0BrH3C7.99相对速率BrRIRNaBr++NaIAcetone（丙酮）CH3CHH3CBrCH3CH3CCH3BrCH2H3CBr1500.010.001BrH3C1®山东农业大学化学学院SN2机理与取代基体积相对速率BrROC2H5RBr++OC2H5无水乙醇55oCCH2H3CBrCH2CH2BrCH2CHBrCH2CBrH3CH3CH3CCH3H3CCH3100283~0主要原因：空间位阻效应®山东农业大学化学学院SN1机理与烷基的结构正碳离子稳定性空助效应（消除X减少基团拥挤）相对速率BrROHRHBr++H2OHCOOHCH2H3CBrCH3CHH3CBrCH3CH3CCH3Br108451.71.0BrH3C相对速率BrROHRHBr++H2O80%乙醇-水55oCCH2H3CBrCH3CHH3CBrCH3CH3CCH3Br1000.0230.014~0BrH3CHOC2H5OC2H5R®山东农业大学化学学院®山东农业大学化学学院苄基（benzyl）与烯丙基（allyl）卤代烃的亲核取代SN2苄基与烯丙基卤代烃易发生SN2ClRIRNaCl++NaIAcetoneCH3CHH3CClCH2CH2ClH3CCH2H3CClCH2CHClH2CCH3ClCH2Cl1.03393930.00760.37相对速率®山东农业大学化学学院SN1相对速率ClROHRHCl++H2O80%乙醇-水HOC2H5OC2H5RCH3CHH3CClCH2H3CClCH2CHClH2CCH2Cl1.0CH3CH3CCH3Cl7414012000verysmall®山东农业大学化学学院桥头卤素难被取代不反应Cl30%KOH,21hEtOH,AgNO3,48h不反应SN2SN1ClOHClSN2难:无法翻转（刚性结构）位阻（叔碳）SN1难:碳正离子不是平面（C－X难解离）®山东农业大学化学学院总结：R结构对取代机理的影响SN13o苄基烯丙基2o1oBESTWORST(fastest)(slowest)桥头型BEST(fastest)WORSTSN2甲基新戊基苄基烯丙基1o2o3o桥头型(slowest)®山东农业大学化学学院注意反应条件改变对机理的影响SN1机理新戊基SN1,SN2均慢R'OHCH2CBrCH3H3CCH3CH2COR'CH3H3CCH3R'OHAgNO3很慢CH2CCH3CH3H3COR'重排产物，AgNO3CH2CCH3H3CCH3CH2CBrCH3H3CCH3AgBr~CH3CH2CCH3H3CCH3CH2CCH3H3CCH3OR'HR'OHCH2CCH3CH3H3COR'HNO3NO3®山东农业大学化学学院二.亲核试剂对机理的影响亲核能力浓度亲核试剂XRRNuNuRX慢快NuXRNuRX+SN2机理SN1机理SN2速率＝k[RX][Nu]SN1速率＝k[RX]亲核能力强浓度大有利因素亲核能力、浓度与决速步骤无关®山东农业大学化学学院问题1：如何衡量亲核试剂的亲核性？问题2：亲核性与碱性的关系如何？定义亲核性：有未共用电子对的负离子和分子与正电性碳原子的反应能力碱性：有未共用电子对的负离子和分子与质子的反应能力测量方法亲核性：测定亲核试剂与某一底物进行SN2反应的相对速率，速率快者亲核性强。（动力学参数）碱性：测定碱与H2O的反应，平衡常数Kb大者碱性强。（热力学参数）所有的亲核试剂都是碱，所有的碱也都是亲核试剂OHORCNRCOO2H2OINH3如®山东农业大学化学学院同种或同周期中心原子的亲核性与碱性顺序大致相同同一周期原子同族中心原子亲核性与碱性顺序不相一致（受溶剂影响）IBrClRSROHSHO,,质子性溶剂中未共用电子对在氧原子上HORNH2NH3FH2OR3CR2NHFNH2ROROHOArORCOOROHH2ORO®山东农业大学化学学院溶剂分类非极性和低极性溶剂烷烃，苯，醚类，酯类（亲核试剂较难溶解，较少使用）非质子性溶剂（偶极溶剂）质子性溶剂极性溶剂OSH3CCH3OCHNCH3CH3CH3CNOCH3CCH3DMFDMSO(DimethylSulfoxide)(N,NDimethylformamide)二甲亚砜N,N二甲基甲酰胺ROHH2ORCOOH具有可解离活泼氢（非质子性溶剂）®山东农业大学化学学院一些溶剂的极性（介电常数）质子性溶剂H2OHCOOHCH3OHC2H5OHCH3COOH805933246非质子性溶剂DMSODMFCH3CN49373621CH3CCH3O®山东农业大学化学学院质子性极性溶剂中同族元素的亲核性与碱性亲核性碱性强弱强弱强弱强弱强弱强弱溶剂化作用FHOHHOHHHOHHO体积小，负电荷集中，溶剂化作应大，亲核性减弱。极化作用CXNu大体积原子对外层电子束缚能力弱，可极化性强（易变形）FClBrIRSROHSHO®山东农业大学化学学院非质子性极性溶剂中同族元素的亲核性与碱性正离子被溶剂化了，负离子完全释放出来。负电荷密度大者亲核性较强（与碱性顺序一致）。如：MX在DMSO中FClBrI亲核性与碱性强弱OSH3CCH3MOSCH3H3COSCH3CH3OSH3CH3CXfree®山东农业大学化学学院试剂的体积对亲核性的影响强弱亲核性试剂的体积作用强弱烷基给电子作用碱性大体积弱亲核性强碱OCCH3CH3H3COCHCH3H3COCH2H3COH3CDIEA碱性亲核性[(CH3)2CH]2NC2H5(C2H5)3N弱强强弱大体积碱强碱LDA(LithiumDiisopropylAmide)NCHCH3H3CCHH3CCH3Li®山东农业大学化学学院三．溶剂极性对反应机理的影响极性大：对极性大（电荷密度集中）体系有利。极性小：对极性小（电荷密度分散）体系有利。SN2机理SN1机理电荷密度集中（极性大）电荷密度分散（极性减小）极性较小极性增加低极性溶剂对稳定过渡态有利极性溶剂对稳定过渡态有利NuXRNuRXNuRX+XRRXXRX+®山东农业大学化学学院各种影响亲核取代机理的因素总结XR：1o，2oNu：强亲核性，大浓度溶剂：非质子性，低极性对SN2有利的因素XR：3o,烯丙型,苄基型Nu：弱亲核性（避免SN2）溶剂：大极性对SN1有利的因素®山东农业大学化学学院四．离去基团对取代反应的影响离去基团LeavingGroupL=F,Cl,Br,INuRL+LR+Nu好离去基团的条件：是稳定的弱碱碱性顺序强弱离去相对速率10-2150150FClBrI好离去基团®山东农业大学化学学院碘离子的亲核取代问题利用碘离子促进（催化）反应行通过卤素交换制备碘代物碘离子的高亲核性和好离去性ClRNu,NaIIRNuRNaINu溶解性能的差别溶于丙酮不溶于丙酮Cl(Br)RNaI丙酮IR+NaCl(NaBr)SN2®山东农业大学化学学院C6H13H3CIHNaI*＋丙酮消旋化光学纯a.消旋化速率取决于[RI]和[I]b.消旋化速度比同位素交换快一倍思考题2.试解释下列实验现象（Hughes，1935）1.由丙烯制备烯丙基碘H2CCHCH3H2CCHCH2—I®山东农业大学化学学院其它底物的亲核取代问题醇的羟基难取代差离去基团（碱性强）ROHNuRNu+OHROC2H5RNH2RCN均难被取代®山东农业大学化学学院转变为好的离去基团例：醇的溴代质子化羟基SN2orSN1弱碱好离去基团ROHHBrROH2BrRBr+H2O例：醇的氯代金属的络合物SN2orSN1稳定的络合物好离去基团ROHHClRHOZnCl2ClRCl+HOZnCl2ZnCl2®山东农业大学化学学院转变为磺酸酯（常用对甲基苯磺酸酯）好离去基团SN2ROHTsClROTsNuRNuOTs+HCl对甲苯磺酸酯H3CSOOORROTs对甲苯磺酰氯H3CSOOClTsCl对甲苯磺酸根负离子稳定的负离子，弱碱H3CSOOOOTs®山东农业大学化学学院例：利用对甲基苯磺酸酯的取代（SN2）制备构型完全相反的产物CH3HPhOHTsClCH3HPhOTsC2H5OKCH3HPhC2H5OCH3HPhOHKCH3HPhOKC2H5OTsCH3HPhOC2H5®山东农业大学化学学院本次课小结：几种影响亲核取代机理的因素1.烷基结构的影响2.亲核试剂的影响3.溶剂极性的影响2.离去基团对反应的影响。