亲核取代反应

sp3杂化碳原子的亲核取代反应NucleophilicSubstitutionsatsp3HybridizedCarbon第八章本章重点内容一．SN1和SN2反应的机理二．SN1和SN2反应的影响因素三．SN1和SN2反应的立体化学四．SN1与SN2反应的竞争问题五．SN1和SN2反应在合成上的应用1.实现官能团的相互转化2.C－C键的形成亲核取代反应NucleophilicSubstitutionReactionR-X+OH-R-OH+X-RCH2XandR2CHXR3C-X80%EtOHkineticfastslow2nd-order1st-orderstereochemistryinvertionofconfigurationtwostereoisomers实验事实结论：两种不同的机理两种不同的亲核取代反应机理—SN1和SN2双分子亲核取代反应（SN2）单分子亲核取代反应（SN1）Nu+CX+-CNu+X-CX+-C++X-C+Nu+CNuSN1和SN2反应的影响因素底物RX（以卤代烃和磺酸酯为代表)离去基团X-亲核试剂:Nuor:Nu-溶剂Nu+CXCNu+X-1.SN2反应的机理一步反应，动力学表现为二级反应亲核试剂是从离去基团的背面进攻——因此发生构型的转化一、SN2反应SN2反应中过渡态结构：sp2杂化新键已部分形成，旧键已部分断裂1.SN2反应的机理一、SN2反应1.SN2反应的机理一、SN2反应2.SN2反应的影响因素1)Substrate（底物）----StericEffectsSN2反应活性:methyl102030HCBrHHH3CCBrHHH3CCBrH3CHH3CCBrH3CH3C一、SN2反应2.SN2反应的影响因素1)Substrate（底物）----StericEffects2)TheleavingGroup（离去基团）离去基团的离去倾向越大，SN2反应活性越高。碱性越弱，离去基团的离去倾向越大。Relativereactive（反应活性）:OH-,NH2-,OR-,F-Cl-Br-I-TsO-一、SN2反应2.SN2反应的影响因素3)Nucleophile(亲核试剂)Thenucleophilecanbeneutralornegativelychargedaslongasithasanunsharedpairofelectrons.SoitisalsoaLewisbase（路易斯碱）.Basicity(碱性)---howwellthebaseshareselectronswithaproton.Nucleophilicity(亲核性)---howreadilythenucleophileisabletoattackanatom(e.g.carbon)otherthanaproton.一、SN2反应2.SN2反应的影响因素3)Nucleophile(亲核试剂)亲核试剂的亲核性越强，反应活性越高。亲核性强弱常受到底物、溶剂甚至是浓度的影响。因此，比较亲核试剂的强弱应该确定一个标准，最好在相同的底物和相同的反应条件下比较：Nu-Nu-CH3+Br-+CH3-BrNu=H2OCH3CO2-NH3Cl-OH-CH3O-I-CN-HS-relativereactivity15007001,00016,00025,000100,000125,000MorereactiveLessreactive一、SN2反应2.SN2反应的影响因素3)Nucleophile(亲核试剂)关于亲核试剂的亲核性强弱顺序尚无完善的解释，不过一般有如下的规律:①当亲核试剂的进攻原子大小相同或相近时，亲核性强弱顺序与碱性基本相同；如：-CH3-NH2HO-F-；HO-H2O；CH3O-CH3OH；-NH2NH3；一、SN2反应2.SN2反应的影响因素3)Nucleophile(亲核试剂)②在质子性溶剂中，同一族元素的原子随周期数的增加亲核性增加(碱性降低）。原因：原子可极化性溶剂化效应一、SN2反应2.SN2反应的影响因素原子半径越大，可极化性越大，易成键。4)TheSolvent对亲核性的影响（溶剂）Proticsolvents(质子性溶剂)—含有-OH或-NH—不利于SN2反应一、SN2反应2.SN2反应的影响因素原因：质子性溶剂使亲核试剂阴离子溶剂化，即发生离子－偶极相互作用，亲核性降低。碱性越强，亲核性降低越大。Inproticsolvents,theweakerthebasicityofnucleophile,thestrongerthenucleophilicity.4)TheSolvent（溶剂）Aproticpolarsolvents（非质子极性溶剂）—极性很强，但不含有-OH或-NHacetonitrile(CH3CN),dimethylformamide[HCON(CH3)2,DMF]dimethylsulfoxide[(CH3)2SO,DMSO],hexamethylphosphoramide{[(CH3)2N]3PO,HMPA}—有利于SN2反应原因：非质子极性溶剂只能让阳离子溶剂化，从而使亲核试剂负离子“裸露”，亲核性增大。一、SN2反应2.SN2反应的影响因素N3-N3-CH2CH2CH2CH3+Br-+CH3CH2CH2CH2-BrSolventCH3OHH2ODMSODMFCH3CNHMPArelativereactivity171,3002,8005,000200,000MorereactiveLessreactiveDMSOSummaryTheSN2reactionisworstwhencarriedoutwithahinderedsubstrate,aneutralnucleophile,andaproticsolvent.即位阻大的底物、中性（弱的）亲核试剂、和质子性溶剂不利于SN2反应一、SN2反应ExerciseForeachofthefollowingpairsofSN2reactions,indicatewhichoccurswiththelargerrateconstant?①CH3CH2Br+H2OorCH3CH2Br+HO-②(CH3)2CHCH2Br+HO-orCH3CH2CH(CH3)Br+HO-③CH3CH2Cl+CH3O-orCH3CH2Cl+CH3S-④CH3CH2Cl+I-orCH3Br+I-一、SN2反应What’sgoingonhere?----analternativesubstitutionmechanismHCBrHHH3CCBrHHH3CCBrH3CHH3CCBrH3CH3CR-Br+H2OR-OH+HBrRelativereactivity11121200,000LessreactiveMorereactive二、SN1反应1.SN1反应的机理—一级反应,v=k[RX]—两步反应,限速步骤是碳正离子的形成二、SN1反应二、SN1反应1.SN1反应的机理2.影响SN1反应的因素1)TheSubstrate（底物）卤代烃和磺酸酯的SN1反应活性顺序基本上与碳正离子的稳定性顺序相同:+CH310Allyl~Benzyl~2030二、SN1反应2)TheLeavingGroup（离去基团）离去基团在SN1反应中的离去倾向：H2OCl-Br-I-~TsO–注意：醇的SN1反应常在酸性条件下进行，而中性的水分子是离去基团。这是醇的亲核取代反应与卤代烃的不同之处二、SN1反应2.影响SN1反应的因素3)TheNucleophile（亲核试剂）由于在SN1反应中，亲核试剂是在限速步骤发生后才进入反应，因此，不影响反应速率进而，可以预计中性亲核试剂与负离子的亲核试剂一样有效，所以，SN1反应常在中性或酸性条件下进行。二、SN1反应2.影响SN1反应的因素4)TheSolvent（溶剂）H3CCClCH3CH3H3CCORCH3CH3+ROH+HClSolventEthanol40%Water60%Ethanol80%Water20%EthanolWaterRelativereactivity110014,000100,000MorereactiveLessreactive二、SN1反应2.影响SN1反应的因素SN1reactionstakeplacemuchmorerapidlyinpolarsolventsthaninnonpolarsolvents.4)TheSolvent（溶剂）要强调的是：SN1和SN2反应均受溶剂的很大影响，但是它们的作用机制不同SN2在质子性溶剂中是不利的，因为亲核试剂被溶剂化作用降低了反应活性SN1反应却是在质子性溶剂中有利的，因为反应中产生活泼中间体碳正离子的过渡态能被溶剂化作用稳定二、SN1反应2.影响SN1反应的因素不同的溶剂化作用二、SN1反应3.SN1反应中的碳正离子重排反应在SN1反应中形成的碳正离子中间体有重排成更稳定的碳正离子的趋势。二、SN1反应3.SN1反应中的碳正离子重排反应Exercise1.为下列的SN1反应活性排序：a.2-bromopentaneb.2-chloropentane,c.1-chloropentanec.3-bromo-3-methylpentane二、SN1反应CH3CHCHCHCH3CH3CH3BrCH3CH2CCH3CH3CHCH3BrCH3ClCH3CHCH2CCH3ClCH3CH3A.B.C.D.2.判断下列各卤代烃形成的SN1和SN2反应产物是否相同？1.SN2反应的立体化学得到构型翻转的产物。三、SN1和SN2反应的立体化学2.SN1反应的立体化学得到构型保持和构型翻转两种产物。三、SN1和SN2反应的立体化学三、SN1和SN2反应的立体化学2.SN1反应的立体化学2.SN1反应的立体化学三、SN1和SN2反应的立体化学Completeracemization（完全外消旋化）Partialracemization（部分外消旋化）四、SN2和SN1的竞争问题SN1和SN2反应的比较四、SN2和SN1的竞争问题SN2SN1RinSubstrate1.methyland10√×2.20√√3.10&20benzylic,allylic√√4.30×√5.Vinylicandaryl××Nucleophilegoodpoorhighconc.Lowconc.SolventDMSOH2OoracetoneorROH五、SN1和SN2反应在合成上的应用1.实现官能团的相互转化2.C－C键的形成1.通过SN1和SN2反应实现官能团的相互转化五、SN1和SN2反应在合成上的应用RX(orROTs)SN1或SN2ROR'RSHRSR'RCNRNR2'PR2'RRNH2RNHR'RCR'CRCR'[H]RCH2NH2RCONH2RCOOH水解1.1卤代烃与醇的转化反应RXEtOH-H2OSN1ROHRX-OH/H2OSN2ROH10RX30,20RXRX-OH/DMSOSN2ROH20RX五、SN1和SN2反应在合成上的应用ROHROHRXROHRXSO2ClSN1formost20and30,AllylandBenzylRXSN2formost10RXPCl3HX(SNi2)SN2R-X1.1卤代烃与醇的转化反应醇转化为卤代烃常在酸性条件下进行，因为羟基不是一个好的离去基团。多数为SN1反应。邻基参与效应（自学）CH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3HBr(meso)CH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3BrHCH3BrHCH3HBr+(racemicmixture)threoerythro1.1卤代烃与醇的转化反应1.1卤代烃与醇的转化反应邻基参与效应（自学）OHHCH3BrHCH3OHHCH3H3CBrHCH3HBrCH3HOHCH3HBrCH3H