第8章 sp3杂化碳原子的亲核取代反应

第八章sp3杂化碳原子的亲核取代反应NucleophilicSubstitutionsatsp3HybridizedCarbon本章重点内容1、SN1和SN2反应的机理、影响因素和立体化学2、SN1与SN2反应的竞争问题3、SN1和SN2反应在合成上的应用（1）官能团的相互转化；（2）C-C键的形成亲核取代反应NucleophilicSubstitutionReactionR-X+H2OR-OH+HX(CH3)3C-X80%EtOHkinetic10102nd-order1st-orderk/10-5s-1(CH3)2CH-Xreactionorderreactionorderk/10-5mol-1Ls-1CH3-X0.350.140.2480%EtOH+HO-21401704.75----CH3CH2-Xtwostereoisomerssteriochemistryinversionofconfiguration实验事实预示两种不同的机理亲核取代反应NucleophilicSubstitutionReaction实验事实OHOOHOCCH2CHCOHPCl3EtherClOOHOCCH2CHCOH(-)-Malicacid[a]D=-2.30(+)-ChlorosuccinicacidOHOOHOCCH2CHCOH(+)-Malicacid[a]D=+2.30ClOOHOCCH2CHCOH(-)-ChlorosuccinicacidAg2O,H2OAg2O,H2OPCl3EtherTheWaldenInversion1920s,JosephKenyon和HenryPhillips开始了一系列的研究，结果发现10和20卤代烃或磺酸酯在发生取代反应中，均发生构型的转化亲核取代反应NucleophilicSubstitutionReaction实验事实HO-HTsClPyridineHOTs[a]=+33.00[a]=+31.10AcOH[a]=-7.060HOAc[a]=+7.060H-OH[a]=-33.00CH3COO-H2OOH-TsOH[a]=-33.00PyridineTsClCH3COO-H2OOH-两种不同的亲核取代反应机理—SN1和SN2z双分子亲核取代反应（SN2）z单分子亲核取代反应（SN1）Nu+CXδ+δ-CNu+X-CXδ+δ-C++X-C+Nu+CNuSN1和SN2反应的影响因素Nu+CXCNu+X-z底物RX（以卤代烃和磺酸酯为代表)z离去基团X-z亲核试剂:Nuor:Nu-z溶剂SN2反应的机理z一步反应，动力学表现为二级反应z亲核试剂是从离去基团的背面进攻——因此发生构型的转化SN2反应的机理zSN2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z反应势能变化图如右：z凡能影响过渡态稳定性的因素都将影响反应的活性和选择性progressofthereactionFreeenergyCH3Br+HO-CH3OH+Br-CH3HHBrHO#EaSN2反应的影响因素1)Substrate（底物）——StericEffectsSN2反应的影响因素1)Substrate（底物）——StericEffectsHCBrHHH3CCBrHHH3CCBrH3CHH3CCBrH3CH3CSN2反应活性:methyl102030SN2反应的影响因素2)TheleavingGroup（离去基团）z离去基团的离去倾向越大，SN2反应活性越高。z离去基团的碱性越弱，则离去倾向越大。zRelativereactive（反应活性）:OH-,NH2-,OR-,F-Cl-Br-I-TsO-SN2反应的影响因素3)Nucleophile(亲核试剂)zThenucleophilecanbeneutralornegativelychargedaslongasithasanunsharedpairofelectrons.SoitisalsoaLewisbase（路易斯碱）.zBasicity(碱性)——howwellthebaseshareselectronswithaproton.zNucleophilicity(亲核性)——howreadilythenucleophileisabletoattackanatom(e.g.carbon)otherthanaproton.SN2反应的影响因素3)Nucleophile(亲核试剂)z亲核试剂的亲核性越强，反应活性越高。z亲核性强弱常受到底物、溶剂甚至是浓度的影响。z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-relativereactivity15007001,00016,00025,000100,000125,000MorereactiveLessreactiveSN2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:——亲核性强弱顺序与碱性基本相同——同一周期元素原子随原子序数增加亲核性减弱-CH3-NH2HO-F-；——带负电荷基团的亲核性强于中性基团HO-H2O；CH3O-CH3OH；-NH2NH3；SN2反应的影响因素3)Nucleophile(亲核试剂)——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：原子可极化性和溶剂化效应——在非质子溶剂中顺序刚好相反原子半径越大，可极化性越大，易成键。SN2反应的影响因素4)TheSolvent（溶剂）zProticsolvents(质子性溶剂)—含有-OH或-NH—不利于SN2反应原因：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.SN2反应的影响因素4)TheSolvent（溶剂）zAproticpolarsolvents（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。DMSON3-N3-CH2CH2CH2CH3+Br-+CH3CH2CH2CH2-BrSolventCH3OHH2ODMSODMFCH3CNHMPArelativereactivity171,3002,8005,000200,000MorereactiveLessreactiveSummaryaboutSN2zTheSN2reactionisworstwhencarriedoutwithahinderedsubstrate,apoorleavinggroup,aneutralnucleophile,andaproticsolvent.即位阻大的底物、难离去基团、中性（弱的）亲核试剂、和质子性溶剂不利于SN2反应SummaryaboutSN2HinderedsubstrateUnhinderedsubstratePoorleavinggroupGoodleavinggroupPoornucleophileGoodnucleophileProticsolventpolaraproticsolventExerciserefertoSN2ForeachofthefollowingpairsofSN2reactions,indicatewhichoccurswiththelargerrateconstant?①CH3CH2Br+H2OorCH3CH2Br+HO-②(CH3)2CHCH2Br+HO-orCH3CH2CH(CH3)Br+HO-③CH3CH2Cl+CH3O-orCH3CH2Cl+CH3S-④CH3CH2Cl+I-orCH3Br+I-√√√√SN1反应HCBrHHH3CCBrHHH3CCBrH3CHH3CCBrH3CH3CR-Br+H2OR-OH+HBrRelativereactivity11121200,000LessreactiveMorereactivezWhat’sgoingonhere?——analternativesubstitutionmechanismSN1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SN1反应的机理SN1反应的影响因素1)TheSubstrate（底物）z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2)TheLeavingGroup（离去基团）z离去基团离去倾向越大，则反应活性越高；常见离去基团在SN1反应中的离去倾向：H2OCl-Br-I-~TsO–SN1反应的影响因素3)TheNucleophile（亲核试剂）z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z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。SN1反应的影响因素4)TheSolvent（溶剂）H3CCClCH3CH3H3CCORCH3CH3+ROH+HClSolventEthanol40%Water60%Ethanol80%Water20%EthanolWaterRelativereactivity110014,000100,000MorereactiveLessreactiveSN1reactionstakeplacemuchmorerapidlyinpolarsolventsthaninnonpolarsolvents.SN1反应的影响因素4)TheSolvent（溶剂）z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zSN2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zSN1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，生成的阳离子和阴离子均可被溶剂化作用稳定。不同的溶剂化作用SN1反应的立体化学得到构型保持和构型翻转两种产物。SN1反应的立体化学SN1反应的立体化学CH2CH3ClCH3CH2CH2CH2CH(CH3)2H2OEtOHCH2CH3HOCH3CH2CH2CH2CH(CH3)2+CH2CH3H3COHCH2CH2CH2CH(CH3)2(R)-2,6-二甲基-6-氯辛烷(R)-2,6-二甲基-6-辛醇40%(构型保持)(S)-2,6-二甲基-6-辛醇60%(构型转化)离子对机制SN1反应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。ExerciserefertoSN11.为下列的SN1反应活性排序：a.2-bromopentaneb.2-chloropentane,c.1-chloropentaned.3-bromo-3-methylpentanedabcCH3CHCHCHCH3CH3CH3BrCH3CH2CCH3CH3CHCH3BrCH3ClCH3CHCH2CCH3ClCH3CH3A.B.C.D.除D外均可能不同2.判断下列各卤代烃形成的SN1和SN2反应产物是否相同？SN2和SN1的竞争问题zSN1和SN2反应的比较SN2和SN1的竞争问题SN2SN1RinSubstrate