取代反应机理及应用

取代反应的机理及应用(分析化学2011000123张国艳)摘要在有机化学中，亲电子和亲核性取代反应非常重要。饱和碳原子上的亲核取代反应，根据反应底物，亲核试剂(Nu)，离去基团(L)和反应条件，可按几种不同历程进行，其中最重要的有两种历程，即SN1和SN2历程。苯环上亲电取代反应的定位规律对于预测反应主要产物，确定合理的合成线路，得到较高产量和容易分离的有机化合物具有重要的指导意义。关键词：亲核取代；亲核试剂；离去基团；亲电取代Abstract:Inorganicchemistry,nucleophilicandelectrophilicsubstitutionreactionsisveryimportant.Nucleophilicsubstitutionreaction,accordingtothereactionsubstrate,nucleophile(Nu),theleavinggroup(L)andreactionconditions,followedseveraldifferentcourseonthesaturatedcarbonatom,themostimportantcoursearetheSN1andSN2process.Aromaticelectrophilicsubstitutionreactionontherulesforpredictingtheresponsetothepositioningofthemainproduct,determineareasonablesyntheticroutestogethigheryieldsandeasyseparationoforganiccompoundshasanimportantsignificance.Keywords:nucleophilicsubstitution;nucleophile;leavinggroup;electrophilicsubstitution引言：取代反应(substitutionreaction)是指有机化合物受到某类试剂的进攻，致使分子中一个基(或原子)被这个试剂所取代的反应。取代反应可分为亲核取代、亲电取代和均裂取代三类。如果取代反应发生在分子内各基团之间，称为分子内取代。有些取代反应中又同时发生分子重排(见重排反应)。取代反应的通式是自由基取代Cl·+H··CH3—→HCl+·CH3·CH3+Cl··Cl—→CH3Cl+·Cl。在有机化学中，亲电子和亲核性取代反应非常重要。有机的取代反应会依以下的特点，被归类到若干个有机反应类别中：促使反应的反应物是亲电子试剂还是亲核试剂。反应中的中间物是一个阳离子、一个阴离子还是一个自由基。反应的基质是脂肪族化合物还是芳香族化合物。详细了解反应类别不但对预测反应产物很有帮助，而且能帮助我们从诸如温度、溶剂2等变量上来优化该反应。取代反应分类：①亲核取代反应简称SN(S为英文“Substitution”(取代)，N为“Nucleophilic”(亲核)，都取第一个大写字母)。饱和碳上的亲核取代反应很多。例如，卤代烷能分别与氢氧化钠、醇钠或酚钠、硫脲、硫醇钠、羧酸盐和氨或胺等发生亲核取代反应，生成醇、醚、硫醇、硫醚、羧酸酯和胺等。醇可与氢卤酸、卤化磷或氯化亚砜作用，生成卤代烃。卤代烷被氢化铝锂还原为烷烃，也是负氢离子对反应物中卤素的取代。当试剂的亲核原子为碳时，取代结果形成碳-碳键，从而得到碳链增长产物，如卤代烷与氰化钠、炔化钠或烯醇盐的反应。在亲核取代反应中，C—X键先断裂，生成正碳离子再跟试剂反应，形成C—Y键，这种反应叫单分子亲核反应，记作SN1。C—X键断裂和C—Y键的形成同时发生的反应叫双分子亲核取代反应，记作SN2。由于反应物结构和反应条件的差异，SN有两种机理，即单分子亲核取代反应SN1和双分子亲核取代反应SN2。SN1的过程分为两步：第一步，反应物发生键裂(电离)，生成活性中间体正碳离子和离去基团；第二步，正碳离子迅速与试剂结合成为产物。总的反应速率只与反应物浓度成正比，而与试剂浓度无关。SN2为旧键断裂和新键形成同时发生的协同过程。反应速率与反应物浓度和试剂浓度都成正比。能生成相对稳定的正碳离子和离去基团的反应物容易发生SN1，中心碳原子空间阻碍小的反应物容易发生SN2。如果亲核试剂呈碱性，则亲核取代反应常伴有消除反应，两者的比例取决于反应物结构、试剂性质和反应条件。低温和碱性弱对SN取代有利。②芳族取代反应分芳族亲电取代反应SEAr和芳族亲核取代反应SNAr(S代表取代,N代表亲核,Ar代表芳香)两类，Ar表示芳基。芳烃通过硝化、卤化、磺化和烷基化或酰基化反应，可分别在芳环上引进硝基、卤原子、磺酸基和烷基或酰基，这些都属SEAr。芳环上已有取代基的化合物，取代剂对试剂的进攻有定位作用。苯环上的取代基为给电子基团和卤原子时，亲电试剂较多地进入其邻位和对位；取代基为吸电子基团时，则以得到间位产物为主。此外，除发生这些正常反应外，有时试剂还可以进攻原有取代基的位置并取而代之，这种情况称为原位取代。SNAr需要一定条件才能进行。如卤代芳烃一般不易发生SNAr，但当卤原子受到邻或对位硝基的活化，则易被取代。卤代芳烃在强碱条件下也可发生取代。此外，芳香族重氮3盐由于离去基团断裂成为稳定的分子氮，有利于生成苯基正离子，也能发生类似SNl的反应。③均裂取代反应简称SH(S为英文“Substitution”(取代)。为自由基对反应物分子中某原子的进攻，生成产物和一个新的自由基的反应。这种反应通常是自由基链式反应的链转移步骤。一些有机物在空气中会发生自动氧化，其过程也是均裂取代，如苯甲醛、异丙苯和四氢萘等与氧气作用，可分别生成相应的有机过氧化物。一、取代反应（一）单分子亲核取代反应：饱和碳原子上的亲核取代反应，根据反应底物，亲核试剂(Nu)，离去基团(L)和反应条件，可按几种不同历程进行，其中最重要的有两种历程，即SN1和SN2历程。1SN1反应机理：SN1反应的特点是分步进行的，第一步是反应底物发生离解，形成碳正离子中间体，第二步是碳正离子和亲核试剂结合生成取代产物。①RL慢R+＋L-②R+＋Nu-快RNu在有机化学中，任何一种反应机理都是建立在大量实验基础上，经过逻辑推理而提出来的。关于反应机理的研究，可从以下几个方面进行讨论。1.1动力学反应实验证明叔丁基澳在碱性溶液中的水解速度只与叔丁基溴的浓度有关，而与亲核试剂(OH-或水分子)的浓度无关1]。(CH3)3CBr+OH-H2O(CH3)3COH+Br-V=K[(CH3)3CBr]SN1反应在动力学上的特点是一级反应。上面叔丁基嗅的水解反应是分步进行的。①(CH3)3CBr慢(CH3)3C++Br-②(CH3)3C++OH-快(CH3)3COH该反应是一个复杂反应，它包含两个基元反应，在复杂反应中，反应速度是由最慢的一步来控制的。在叔丁基溴的水解反应中，C-B键的离解需要较高的能量，反应速度较慢，而生成的碳正离子活性中间体具有较高的活性，它立即和亲核试剂(OH-)作用。因此上述4反应(1)是决定整个反应速度的步骤。叔丁基溴水解反应中能量变化如图1所示：反应进程图1SN1反应中的能量变化1.2同离子效应在SN1反应中，反应底物的离解是一个平衡过程，如前述叔丁基溴在碱性溶液中水解，第一步反应是叔丁基溴离解为碳正离子[2]。(CH3)3CBr慢(CH3)3C++Br-如果外加一些与离解的离子相同的离子，例如Br-离子，就会使平衡向左移动，这样对叔丁基溴的离解起到了抑制作用，使反应速度减慢，这种作用叫做同离子效应，同离子效应是反应的一个特征。1.3桥头碳上的SN1反应对桥头碳上带有潜离去基团的化合物进行动力学研究，也能为SN1机理提供证据[3]。例如，将1-氯代阿朴莰烷在80%乙醇和30%KOH溶液中煮沸2h或者在硝酸银的乙醇水溶液中煮沸48h，都不发生反应，而类似的开链体系化合物则很容易反应。这是因为在SN1反应中反应底物首先离解成碳正离子，碳正离子为平面(或近乎平面)结构，而桥头碳原子上因空间效应的阻碍，它不能或很难伸展成平面结构，因此桥头碳正离子很难形成，以致使该化合物在条件下不能发生反应，这就从反面为SN1反应机理提供了证据，见图2：不能离解成+Cl-图2如果将环系扩大，使桥头碳原子能够伸展成平面或近乎平面状态，那么SN1反应就有5可能发生，这种设想得到了实验的证实。例如，1-氯双环[3.2.2]壬烷可以SN1发生反应，能生成较稳定的桥头碳正离子，见图3：+Cl-图31.4亲核试剂的性质和浓度SN1反应的速度只与反应底物的浓度有关，而与亲核试剂的性质及浓度无关[4]。Bateman,Hugbes及Ingold等人发现，把氯代二苯甲烷放在液态二氧化硫溶液中，分别与氟离子、吡啶及三乙胺等三种不同的亲核试剂作用，它们最初的反应速度都相同。他们还发现当改变亲核试剂的浓度时，经过对盐效应的修正后，其反应速度大体上是相同的。SN1反应机理的特征之一是反应速度只与反应底物的浓度成正比，而与亲核试剂的性质及浓度无关。下面是氯代二苯甲烷与氟离子的反应：①(C6H5)2CHCl慢(C6H5)2C+H+Cl-②(C6H5)2C+H+F-快(C6H5)2CHFV=K[(C6H5)2CHCl]1.5立体化学如果具有旋光活性的反应底物(中心原子为手性原子)按SN1反应进行，由于生成的碳正离子具有平面构型，亲核试剂从平面两侧进攻的几率几乎完全相等，这样应该得到等量的一对对映体，光学活性消失，产物为外消旋体[5]。对于理想的SN1反应来说，理论上似乎应该得到外消旋化的产物，但实际情况往往并非如此，有的确能得到外消旋化产物，但多数情况下，在得到的产物是外消旋化的同时，还得到了部分构型转化的产物。从而使产物具有不同程度的旋光性，而某些情况下还能得到构型保持的产物，例如：6以上几种情况到底发生哪一种？它与反应底物的结构、试剂的种类与浓度以及反应环境等因素有关。如果生成的碳正离子十分稳定，则生成外消旋化的产物，如果生成的碳正离子不稳定，在离去基团(L)还未完全离开之前，亲核试剂(Nu)就开始进攻中心碳原子，由于L的屏蔽效应，妨碍了Nu从L离去方向进攻中心碳原子，Nu只能从L的背面进攻中心碳原子，所以得到的产物往往是外消旋化的同时，还得到部分构型转化的产物。外消旋化产物与构型转化产物二者的比例取决于碳正离子的稳定性和亲核试剂的浓度，如果碳正离子较稳定，亲核试剂的浓度较低，则产物外消旋化所占比例就高，反之，则外消旋化所占比例就低。例如Ph-CHClCH3在不同条件下的水解反应，有如下数据：虽然在实际的SN1反应中，往往只发生部分外消旋化，但这并不影响外消旋化作为SN1反应机理的证据，至于在SN1反应中得到构型保持的产物，则是由于邻基参与的结果。外消旋化产物(%)构型转化产物(%)80%丙酮水溶液98260%丙酮水溶液955纯水8371.6碳正离子的重排由于在SN1反应中有碳正离子中间体生成，碳正离子的一个显著的特征就是能够发生重排，产生较稳定的三级碳正离子[6]。例如，新戊基溴和C2H5OH的反应，几乎得到重排产物。7该反应显然是通过SN1反应机理先离解成一级碳正离子，但一级碳正离子很不稳定，立即发生重排，得到比较稳定的三级碳正离子，然后再进行取代或消除反应。三级碳正离子与醇反应得到醚，进行消除反应得到稀烃，消除与重排均是碳正离子的典型性质，从而也证明反应是经过碳正离子中间体的过程，进一步论证了SN1反应的机理。(二)芳香族化合物的亲电取代反应：1关于反应历程：研究证明，芳环亲电取代反应历程为芳基正离子历程。关于芳基正离子历程的证明主要有两种方法7]：1.1同位素效应。如果在发生取代的位置上质子的除去和亲电体的引入协同进行的话，则在对环的亲电进攻是决定速度步骤的反应中观测到一级同位素效应8]。在许多例子中可以发现有同位素效应，但其数值比SE1历程所预期的同位素效应数值低很多，例如KH/KD不是6到7而是1到3。在这些情况中氢为离去原子团，为芳基正离