亲核取代碱性亲核

第五章取代反应Ⅰ、脂肪族亲核取代反应连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或带有孤对电子的中性的原子或基团取代的过程。亲核取代反应的四种类型：RLNu+NuL-R1.RINCH33RNI-3CH32.RLNuL-RNuRRII-OH-OHRLNu+NuRLRRNCH33H2SSH23CH3N3.LNuRNuRLRRNCH33OH3CH3NOH4.溶剂（分）解反应:当亲核试剂（Nu:）是溶剂时，所发生的亲核取代反应。溶剂解反应属于类型1的反应RLNu+NuL-RRIH2OHIROHRCH2–A+Nu：RCH2–Nu+A：中心碳原子底物（进入基团）亲核试剂产物离去基团受进攻的对象一般是负离子或带孤电子对的中性分子亲核试剂(Nu)：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。底物：反应中接受试剂进攻的物质。离去基团：带着一对电子离去的分子或负离子。§1亲核取代反应机理一、SN1机理+RLNu-RNu+L-=νk1LR反应分两步进行第一步正碳离子的生成：是决定反应速率的一步。RLRLR+L-+慢δδ第二步亲核试剂进攻正碳离子：R++Nu-RNu快第一步：CH3CCH3CH3BrCH3CCH2CH3CH3CCH3CH3Br……δδ+Br-慢过渡态（）1+OH-CH3CCH3CH3OHCH3CCH3CH3快CH3CCH2CH3OH……δδ过渡态（）2反应的第一步是卤代烃电离生成活性中间体碳正离子，碳正离子，再与碱进行第二步反应生成产物。故SN1反应中有活性中间体——碳正离子生成。溴代叔丁烷的水解第二步：SN1反应的能量变化（）CH33C-Br+HO-（）CH33C-OH（）CH33COH（）CH33CBr……（）CH33C反应进程位能ABCDE第一步反应的活化能ΔE1，比第二步反应的活化能ΔE2大得多，因此第一步是决定反应速率的慢步骤。在慢步骤中只有叔丁基溴参加，称为单分子亲核取代反应，用SN1表示。NucleophilicSubstitutionSN1例如：二苯基氯甲烷在丙酮中的水解反应：Ph2CHClPh2CH+Cl+丙酮慢Ph2CHOHH2OPh2CH+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CCH3CH2CH3CH3C2H5O-CCH3CH2BrCH3CH3C2H5OHCCH3CH2OC2H5CH3CH3CCH3CH2CH3CH3C2H5OHCCH3CH2CH3CH3OC2H5SN1-HCCH3CHCH3CH3重排1°3°C+C+SN1反应的特征——有重排产物生成二、SN2机理溴甲烷在80%乙醇溶液中水解速度很慢，若在80%乙醇溶液中加入碱，水解速率随OH-浓度的增加而加快。反应速率=k[CH3BRr][OH-]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-SN2＋L-Nu-R'CH2LR'CH2NuNuCLHHR'δδ＋CLNu亲核试剂从离去基团背面进攻碳原子CLNuNu-与碳原子形成较弱键，C-L键减弱，Nu-、L、C成直线，碳原子另外三键从伞形变成平面。CLNuNu-C键形成，C-L键断裂，碳原子另外三键向翻转。=k[RL][Nu]ν二级反应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。SN2反应的能量变化HO+CH3BrCH3OH+Br[HOCH3Br]……δδEH反应进程位能反应进程中的能量变化SN2按SN2机理进行的底物特征：不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物，伯卤代烷。R'CHRXSN1SN2单分子反应双分子反应V=K[R-X]V=K[R-X][Nu：]两步反应一步反应生成中间体碳正离子形成过渡态构型翻转+构型保持构型翻转（瓦尔登转化）有重排产物无重排产物SN1反应与SN2反应的区别三、离子对机理介于SN1与SN2机理之间，叫做处于“交界状况”的反应。CH3CClphH40%水/丙酮HphCCH3OH动力学：一级反应立体化学产物：95%外消旋化，属SN1，5%构型转化，属SN2vk[RCl]CH3CClphHHphCCH3OHCH3OH溶剂分解vk1[RCl]k2[RCl][CH3ONa]加入CH3ONa，使反应速度加快，应是SN2动力学：即不是SN1，也不是SN2提高亲核试剂浓度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：四、分子内亲核取代反应机理SNi•ROH+SOCl2RCl反应的立体化学特征：构型保持说明：反应不是SN1------外消旋化SN2------构型翻转是分子内亲核取代反应机理SNi有些特殊结构的分子，离去基团的其中一部分作为亲核体能进攻作用物，同时该部分和离去基团的其余部分脱离，形成产物。分子内亲核取代反应定义：氯代亚磺酸烷基酯的分解过程分两步R+ClSOO-RClSO2ROSOClR+ClSOO-[]离子对中间体]离去基团的一部分从正面进攻C+，保持构型。ROHROSOClRClHClSO2SOCl2分解氯代亚磺酸烷基酯支持这一机理的依据：SOCl2RCl2-辛醇乙醚吡啶ClR构型保持构型翻转乙醚由于乙醚弱极性，在开始生成的HCl，大部分溢出，未以离子状态存在；取代一步：Cl来自氯代亚磺酸烷基酯的分解在乙醚中，不利于电荷的分离，在离子对中，Cl将带着一对电子从正面进攻R+的中心碳原子，从而保持构型不变。吡啶开始生成的HCl，会与吡啶结合成盐{}，使Cl–游离出来成为有效的亲核试剂；NH+Cl-取代一步：Cl–从离去基团的背面进攻中心碳原子，从而使构型翻转。§2常见的亲核取代反应体系卤代烷与氢氧化钠、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；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，是负氢离子对反应物中卤素的取代；1.水解反应卤代烃亲核取代反应2.与氰化钠作用3.与醇钠作用这是制备醚类化合物常用的方法，称为williamson合成法。反应中所用的卤代烷通常为伯卤代烷。例如：4.与氨作用5.与硝酸银作用卤素不同的卤代烷发生亲核取代反应的活性顺序为：RIRBrRCl。当卤原子相同，烃基结构不同时，其活性顺序为：3°2°1°。6.卤离子互换反应卤素相同、烃基结构不同的卤代烷，其活性顺序为：1°2°3°。醇的亲核取代反应1.与氢卤酸反应R-OH+HXR-X+H2O由于醇羟基不是好的离去基团，其亲核取代反应一般要在酸性催化下进行，羟基质子化后以水的形式易于离去。CH3CH2CH2CH2OH+HI(47%)CH3CH2CH2CH2I+H2OCH3CH2CH2CH2Br+H2OCH3CH2CH2CH2Cl+H2O+HBr+HCl(48%)H2SO4ZnCl2HX的反应活性：HIHBrHCl反应速度与氢卤酸的亲反应活性有关Lucas试剂（浓盐酸和无水氯化锌）可用于区别伯、仲、叔醇，但一般仅适用于3—6个碳原子的醇。原因：1—2个碳的产物（卤代烷）的沸点低，易挥发。大于6个碳的醇（苄醇除外）不溶于卢卡斯试剂，易混淆实验现象。醇的活性次序：SN2，一般不重排CH2=CHCH2OHCH2OH3。ROH2。ROH1。ROHSN1，有重排CH3OH反应速度与醇的结构有关2、与卤化磷和亚硫酰氯反应3ROH+PX3(P+X2)ROH+PCl5R-Cl+POCl3+HClROH+SOCl2R-Cl+SO2+HClX=BrI()制备溴代或碘代烃、3R-X+P(OH)3此反应产物纯净制氯代烃产物不重排醇与PX3作用生成卤代烃的反应，通常是按SN2历程进行的。反应的立体化学特征：构型反转。反应的立体化学与反应机理相关当亲核取代反应发生在C*上时，可能存在三种立体化学途径：构型保持、构型翻转、外消旋化但结果并不永远是明确的，在某些反应中，可发生两种立体化学途径，但程度不等。§3亲核取代反应的立体化学一、SN1取代反应的立体化学C+Nu-CL+NuCNuC50%50%Nu-L-碳正离子，sp2杂化,平面结构,空p轨道，理论是产物外消旋化。因：SN1反应第一步生成的碳正离子为平面构型（正电荷的碳原子为sp2杂化的）。CNu第二步亲核试剂向平面任何一面进攻的几率相等。CR1R2R3BrCR1R2R3CR1R2R3OHCR1R2R3HOHOab+构型转化构型保持外消旋体ab这种现象与下列因素有关:事实上，外消旋化的同时往往伴随着构型转化产物正碳离子的稳定性正碳离子越稳定，外消旋化比例越大。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。溶剂（影响较为复杂）一般，溶剂的亲核能力越强，构型翻转的比例越大实验结果表明：1°C类化合物亲核取代，构型翻转率最高；2°C类化合物亲核取代（强亲核试剂）构型翻转率很高；3°C类化合物亲核取代，构型翻转率不高。3、亲核试剂的浓度亲核试剂浓度越大，构型翻转的比例越大1）异面进攻反应（Nu-从离去基团L的背面进攻反应中心）CNuCL……δδNuC+L-Nu-2）构型翻转（产物的构型与底物的构型相反——瓦尔登Walden转化）。二、SN2取代反应三、分子内亲核取代反应从立体化学角度看，分子内亲核取代反应的立体化学特征是中心碳原子的构型保持不变，即反应物和产物的构型相同。§4影响亲核取代反应活性的因素影响亲核取代反应活性的主要因素是：•烃基的结构•亲核试剂的浓度与反应活性•离去基团的性质•溶剂效应一、烃基结构的影响一般，电子效应对SN1机理影响更大空间效应对SN2机理影响更显著1、对于SN1反应：影响反应速率的重要因素：反应物解离的难易程度生成的C+的稳定性3°C+＞2°C+＞1°C+＞CH3+C+的稳定性C+越稳定，对SN1越有利。所有使C+稳定的因素，都能使SN1的反应速率增大：电子效应------主要的σ,p-超共轭效应①电子效应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-CH2CH2Cl1091.00.2SN1反应速率当中心碳原子与苯基或乙烯基直接相连时，生成的C+稳定，------共轭SN1反应速率增大,反应活性增大。正碳离子因共轭效应而被稳定。对于SN1反应来说，在速度控制步骤的解离过程中，中心碳原子由原来的sp3杂化的四面体变为sp2杂化的平面或近于平面的碳正离子，一定程度解除了拥挤状态,中心碳原子上取代基越多，取代基体积越大，过渡态中拥挤状态减轻的相对程度就更大，速率的增加也就更显著。②空间效应CH3CBrCH3CH3CCH3CH3CH3+基团拥挤拥挤程度减少SN1反应的速度是：RCH2-XCH3-XR3C-XR2CH-XCH2=CHCH2-X例如：实验测得R-Br+H2OR-OH+HBrSN1反应甲酸（）反应物相对速度CH33C-Br（）CH32CH-Br（）CH3CH2-BrCH3-Br108451.71按SN1历程进行的反应，α碳原子的分支使反应速率增加。主要原因是碳正离子的稳定性，通常3°C+＞2°C+＞1°C+＞CH3+β位的分支对于SN1反应速率的影响较小，通常是β分支加大，SN1反应速率仅略有增加。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2、对于SN2反应：①空间效应SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三角双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：CL+Nu:---δδLCNuδ+T.S+L:CNu-反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积越大，过渡态的中心碳原子周围越拥挤，反应速率降低。对于SN2历程的反应，α或β碳上有分支、空间位阻愈大，都使反应速率减慢。CHHHIBrCH3CH3CH3CH3CHHIBrCH