第四章亲核取代反应

第四章：亲核取代反应取代反应是指化合物的原子或原子团被其它原子或原子团所取代的反应。（1）亲核取代（2）亲电取代（3）游离基取代亲核取代反应：（A）中性底物+中性亲核体（B）中性底物+负离子亲核体（C）正离子底物+中性亲核体（D）正离子底物+负离子亲核体RX+Y:RY++X:-RY+X:-RX+Y:-RX++Y:RY++X:RX++Y:-RY+X:研究表明，叔丁基溴碱性水解速率与叔丁基溴的浓度成正比，而与碱的浓度无关。=k[(CH3)3C-Br]单分子历程（SN1）4.1单分子历程（SN1）单分子亲核反应历程第一步：叔丁基溴在溶剂中首先离解成叔丁基正碳离子和溴负离子，这是一步慢反应：(CH3)3C-Br[(CH3)3C+···Br-](CH3)3C++Br-（过渡态1）正碳离子中间体第二步：生成的叔丁基正碳离子立即与试剂OH-作用生成叔丁醇，这是一步快反应：(CH3)3C++OH-[(CH3)3C+···OH-](CH3)3C-OH（过渡态2）叔丁基溴的碱性水解反应历程表单分子历程（SN1）第一步：第二步：总反应速率由慢反应决定=k[(CH3)3C-Br]SN1反应进程能量变化图过渡态1过渡态2单分子历程（SN1）生成外消旋的醇手性碳原子SN1历程反应前后分子构型的变化HO反应前反应后S型R型S型单分子历程（SN1）例：SN1机理进行的取代反应反应物决定速度地异裂成一个之配位的碳正离子和离去基因的方式来进行的，然后是碳正离子与介质中的刘易碱（亲核试剂）结合。R1CR2R3X慢R1CR2R3+R+ARA快X第一步为慢过程，发生取代反应的分子异裂为离子;第二步是形成的碳正离子和取代试剂迅速反应得到产物。第一步是反应速度的决定步骤，并为单分子反应，所以整个反应为单分子反应。A.正离子稳定性对产物构型的影响：如果形成的正离子不稳定，它立即被第二个试剂进攻，此时X—还来不及离开正离子，它在一定程度上显示了“遮蔽效应”因而妨碍了试剂A从这方面的进攻。所以除得到外消旋产物外，还得到相当量的构型反转产物。如果形成的正离子比较稳定，并能在较长时间存在，则X—与它已有相当距离，不再表现“遮蔽效应”因此得到产物主要为外消旋体，同时有少量构型发生反转的光活性物质。碳正离子越不稳定，构型转变产物的百分数也越高。CHCH3ClCHCH3OH*丙酮，水*(95%外消旋体，5%构型转化）CH3CHCH2(CH2CH2)2CH3BrCH3CHCH2(CH2CH2)2CH3OH(66%外消旋体，34%构型转化）*C2H5OH,H2O*碳正离子（I）比（II）稳定，在碳正离子（I）中正电荷和苯核相互作用，使正电荷得到分散而不是定位在一个碳原子上，因此具有较小的能量，所以有较小的反应性能，即有较大的稳定性。CHCHHH和CH3(CH2)5CHCH3(I)(II)RY+X:-RX+Y:-B.试剂浓度对产物构型的影响：如果进攻试剂的浓度低，R+大多数都来得及成为平面构型，并和后来连接的X离子分开，然后才受另一试剂进攻，主要生成处消旋产物。如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还被X离子遮蔽的R+离子进攻机会，因而构型反转的产物的比例会增加。CHCH3Cl水解反应外消旋（%）反转（%）80%丙酮水溶液98260%丙酮水溶液955纯水8317SN1历程中的离子对：在SN1取代反应中，如果游离的碳原子为平面型，试剂从两面进攻的机会相同，产物应完全外消旋化，但事实上总是伴有少量反转，这就说明有一些产物不是从游离的碳正离子形成的，而是由离子对形成的。SN1反应按下列方式进行：（I）为紧密离子对；（II）为溶剂分隔离子对，在碳正离子和离去原子团之间插入一个或数个溶剂分子；（III）为离解的离子对，每个离子被溶剂的分子所包围。在反应中紧密离子对重新结合为原来的被作用物，称为内部反回。亲核试剂在任何阶段进攻都能形成产物。在紧密离子对中的R+和X-之间还有一定的键连，因此能保持原来的构型。RX(I)R+XR(II)X(III)电离作用离解作用R+XSHSRRXXR(A)SHSRR+XXR(B)RSHRSRSSHXXRSHR+XδSR+(1-δ)RSδRS+(1-δ)SR1/2SR+1/2RS（a）SH直接进攻RX得SR（完全反转），即直接发生SN2过程。（b）如果形成紧密离子对，则溶剂在此阶段进攻，若反应（A）不发生则导致完全的反转，若反应（A）与（B）竞争，则反转伴随外消旋化作用。（c）如果形成溶剂分隔离子对，当溶剂壳从前边崩溃时，则反应中构型保持，如从后崩溃时则构型反转，总结果为部分反转（δ）部分保持（1-δ）。（d）形成游离R+，为平面构型，SH从两面进攻的机会相同，得外消旋化产物。双分子历程（SN2）研究表明，溴甲烷的碱性水解反应速率与卤代烷的浓度以及碱的浓度成正比。CH3－Br+OH-CH3OH＋Br-v=k[CH3Br][OH-]4.2双分子历程（SN2）双分子亲核反应历程表溴甲烷的亲核取代反应机理溴甲烷的碱性水解反应历程表亲核试剂在离去基和碳原子间价健的背面进攻离去基团过渡态分子构型反转，瓦尔登(Walden)转化Sp3杂化Sp2杂化Sp3杂化过渡态结构瓦尔登(Walden)转化反应前反应后消旋化速度是交换速度的二倍IIIC6H13CH3HIC6H13CH3H++**--CCSRCH3CHC6H13IICH3CHC6H13II++**--丙酮瓦尔登(Walden)转化IC6H13CH3HCIC6H13CH3H*CSR反应进行到一半时：50%反应物50%产物外消旋体瓦尔登(Walden)转化BrCH3H13C6HNaOHOHCH3C6H13HNaBrC+C+瓦尔登(Walden)转化如果取代反应发生在旋光性卤代烷的手性碳原子上，则生成的醇构型与反应物卤代烷的构型正好相反。如（S）-2-溴辛烷与氢氧化钠的乙醇水溶液反应得到（R）-2-辛醇。SR[α]=-34.6°[α]=+9.9°SN2反应机理：LNuCCLNuCLNuCLNuCLNuLNuCCLNuCLNuCLNuCLNuS型R型HOC6H136反应前反应后SN2历程反应前后分子构型的变化13SN2反应进程能量变化图能量SN2亲核取代反应在SN2历程中亲核试剂由背面进攻，构型反转，因过渡态（I）比保持原来构型的过渡态（II）的能量小得多。R1R3CR2AX(I)R2CR1R3XA(II)C-A键形成的同时C-X键发生破裂，反应为一步过程，没有中间体，C-X破裂所需要的能量由形成的C-A键供给。在过渡态时中心原子由SP3杂化轨道转变为SP2杂化轨道，并以P轨道的一个叶与亲核试剂A重叠，而另一个叶与离去原子团重叠。AXCH3(CH2)5HCH3ICH3(CH2)5ICH3H+I*+I*反转的速度2.88+_0.03x10-5反转的速度3.00+_0.25x10-5SN1：①反应分步进行，有中间体生成；②反应速率仅取决于卤代烷的浓度；③在决定反应速率的这一步骤中，发生共价键变化的只有一种分子；④产物构型一半保持，一半翻转SN2和SN1反应的特点SN2：①反应连续进行，无中间体生成；②反应速率与卤代烷及亲核试剂的浓度成正比；③在决定反应速率的这一步骤中，发生共价键变化的有二种分子；④反应前后分子构型发生翻转4.3影响亲核取代反应历程的因素某一化合物主要按哪一种历程进行反应，决定于R—X分子中R和X的性质（电子效应和空间效应）及亲核试剂的性质以及反应条件（溶剂，催化剂等）RX+ARA+XR的电子效应（a）排斥电子和吸引电子原子团的影响，如：Z为吸引电子的原子团时，SN1反应速度减慢，α-卤代酮、酸、酯等与此类似；Z为排斥电子的原子团时，使SN1反应速度增加，Z排斥电子使碳正离子的正电荷分散，使碳正离子稳定。（b）位于α位的双键、叁键及芳基的影响无论SN1或SN2都很慢或不反应。ZCH2XX,X,ArX原因之一：是由于SP杂化碳原子和SP2杂化碳原子的电负性高，对电子有较大的引力，在亲核取代作用中离去原子团带着它的一对成键电子离去，因此SP3杂化碳原子相对来说比SP2杂化碳原子及SP杂化碳原子更容易失去离去原子团和电子对。原因之二：离去原子团具有未共享电子对，则分子中离去原子团的未共享电子对与л键发生共轭作用，即离去原子团的电子云密度一部分转移到C—X键，因而使C—X键大大加强。其结果使C—X键的键长变短。X(c)β位双键的影响,当β位有双键时,如烯丙基和苯甲基等使SN1和SN2反应速度均加快.使SN1加速是因为由于共轭使生成的碳正离子稳定.使SN2加速是因为通过P型轨道(它展现在遭受进攻的碳原子上)与邻近π体系的重叠使SN2过渡态变稳定的作用.R的空间效应α或β碳有分支,使SN2的反应速度减慢,使SN1的反应速度增加.因SN2的过渡态特别拥挤,所以空间阻碍对SN2的影想比SN1大.如RBr中的溴被氢负离子取代R=CH3C2H5i-C3H7t-C4H9K=1001.650.0220.0048对SN1反应,由于超共轭作用等引起碳正离子的稳定性改变而影响反应速度:三级碳正离子二级碳正离子一级碳正离子同时,对某些三级作用物,碳正离子形成过程中张力消除,使反应加速.β位的分支对SN1历程的速度有较小的影响:某些三级卤代烷的相对离解速度:CH3ClCH3CCH3CH3ClCH3CH2CCH3CH3ClCCHCH3H3CH3CCH3ClCCCH3CH3CH3H3C1.002.061.752.43桥头化合物在SN2和SN1反应条件下都极不活泼，在SN2条件下，进攻亲核试剂不可能从背后进攻而使构型发生反转．而在SN1反应条件下，平面构型碳正离子的形成引起较大的张力．Br在SN2反应中，由于亲核试剂是从卤原子的背后进攻卤代烷的-碳原子的，如果-碳的取代基增多，-碳原子周围将变得拥挤，进攻试剂接近-碳原子的阻力增加，因此活性也就降低。在SN2反应中，卤代烷的活性次序为：CH3X伯卤代烷仲卤代烷叔卤代烷烃基结构对SN2速率的影响-碳上的基团体积较小，进攻试剂接近-碳原子的阻力较小-碳上取代基增加，进攻试剂接近-碳原子的阻力增加HBrHHHBrHCH3HBrCH3CH3CH3BrCH3CH3CCCCRBrIRIBr++丙酮15010.010.001相对速度：烃基结构对SN2速率的影响烃基结构对SN1速率的影响在SN1反应中，由于决定反应速度的步骤是生成正碳离子一步，而正碳离子的稳定性顺序为：叔正碳离子仲正碳子离子伯正碳子离子CH3＋因此在SN1反应中，卤代烷的活性次序为：叔卤代烷仲卤代烷伯卤代烷CH3X正碳离子稳定性HHHHHHHHHCCCC+HHHHHHCHCC+HHHCH2C+CH3+叔正碳离子仲正碳离子伯正碳离子甲基正碳离子HBrHHHBrHCH3HBrCH3CH3CH3BrCH3CH3CCCCRBrROHBrOH2++甲酸相对速度：108451.71.0烃基结构对SN1速率的影响主要按SN1历程进行叔卤代烷伯卤代烷主要按SN2历程进行仲卤代烷主要按哪种历程取决于具体反应条件介于二者之间容易较大形成正碳离子-碳原子空间位阻不容易较小（３）离去原子团的效应(a)离去原子团的亲电子性能（接受负电荷的能力）愈大，则R—X分子愈易离子化,从而按SN1历程进行反应,并且反应进行得更迅速．也同样使SN2反应速度增加．表:1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率离去基团k相对离去基团k相对CF3SO3－1.4×108CF3CO2－2.1p-硝基苯磺酸根离子4.4×105Cl－1.0p-甲苯磺酸根离子3.7×104F－9×10-6CH3SO3－3.0×104p-硝基苯甲酸根离子5.5×10-6I－91CH3CO2－1.4×10-6Br－14(b)卤素离去基团的反应活性顺序为I-Br-Cl-F-这与Ｃ－Ｘ键的键能和可极化性有关，因为一个较易极化的离去基团将使它与碳所成的键断裂时的过渡态变得稳定。(