6章-亲核取代反应

1高等有机化学导论（续）2接下来的授课内容及形式前五章的内容：5.有机反应机理的研究和描述2.取代基效应3.有机酸碱理论4.立体化学1.序论以典型反应为基础，以结构、反应、机理开展讨论，在相应的章节介绍一些基本知识，如，第六章亲核取代反应，重点介绍经典碳正离子和非经典碳正离子、其中介绍碳正离子研究的历史和现状，获诺贝尔化学奖者——欧拉教授的研究工作;超酸的应用；两个极端情况下的反应机理的SN1和SN2。第八章基于羰基化合物的反应，介绍碳负离子。羰基碳的亲核加成，羰基-碳的亲电加成反应等，并举出实际有用的例子。第九章自由基化学，有关自由基研究的简单介绍：结构与稳定性的关系；自由基反应的特点，自由基反应历程。第七章芳香族化合物的反应，介绍苯炔中间体重点介绍芳香性概念：芳香性，非芳香性，反芳香性，同芳香性等概念4第六章脂肪烃亲核取代反应(AliphaticNucleophilicSubstitution)51.引言6一.反应类型二.反应机理(ReactionMechanism)1.SN1机理2.SN2机理三.立体化学1.SN2反应2.SN1反应四.影响反应活性的因素1.底物的烃基结构2.离去基团(L)的性质3.亲核试剂(Nu:)的活性4.溶剂五.邻基参与的反应六.亲核取代反应实例71.1什么是亲核取代反应脂肪族亲核取代反应是指有机分子中与碳相连的某原子或基团被作为亲核试剂的某原子或基团取代的反应。在反应过程中，取代基团提供形成新键的一对电子，而被取代的基团则带着旧键的一对电子离去。L=离去基团：如，卤素，OTs…..等；Nu=亲核试剂：如，OH，OR…..等。NuNuRL+RLNuRL+81.2亲核取代反应的重要性这类反应是有机化学中非常重要的一类反应，不论在理论研究中还是在有机合成实际中都是极其有用的一类反应。以卤代烃为例，进行亲核取代反应可以得到那些类型化合物？1.3机理的研究由于该反应涉及到底物的性质和亲核试剂的性质，基于两者，这类反应按其机理的不同分为两种极限情况被讨论，如，SN1和SN2。2.亲核取代反应机理2.1常见亲核取代反应的几种形式（1）中性底物+中性亲核试剂（neutralsubstrate+neutralnucleophile）RL+NuNuRL例如下列反应：12CH3CH2I+(n-C4H9)3Pacetone(n-C4H9)3P+CH2CH3-CCH3CH3Cl+CH3CH2OHCCH3CH3HOCH2CH3CCH3OCH2CH3CH3C6H5C6H5C6H5CH3SOOOCH3CHCH2CH3+H2OacetoneCH3CHCH2CH3OH2H+CH3CHCH2CH3OH醚醇季膦盐132．中性底物+负离子亲核体（neutralsubstrate+anionicnucleophile）RL+NuNuRL象这类型反应有：14CH3CHCH2CNBrNaIacetoneCH3CHCH2CNICH2OTsLiBracetoneCH2BrCH3CH(CH2)5CH3+PhS-OTsethanolCH3CH(CH2)5CH3SPh153．正离子底物+中性亲核体（cationicsubstrate+neutralnucleophile）RL+NuNuRL+例如下列反应16Ph2C=N=N+TsOHPh2CHNN+C2H5OHN2Ph2CHOC2H5HH+Ph2CHOC2H5PhCHS+(CH3)2+(H2N)2Cacetonitrile60oCPhCHSCH3CH3CNH2NH2+SFormamidine（脒基）FormamidineNHH2N174．正离子底物+负离子亲核体（cationicsubstrate+anionicnucleophile）RL+NuNuRL+如下面的反应：18CH2=CHCH2CH2SC6H5+NaICH3+DMFCH2=CHCH2CH2ICCNCH2N(CH3)3++NaCNDMFOOCCNCH2CNOO192.2双分子亲核取代反应(SN2)20机理（SN2，也称一步反应机理）描述：C-L键逐渐断裂，Nu…C键逐渐形成，反应是一步完成（旧键断裂，新键形成）Walden转化Nu-LCCNuLδδCNu＋Nu:L+L-NuSN2反应机理及立体化学构型翻转产物例如：CCH3ClC6H5H(+)N3-(1)CCH3N3C6H5H(-)H2/Pt(2)CCH3H2NC6H5H(-)(3)SHCCH3HSC6H5H(-)(4)CCH3(H3C)2SC6H5H(-)CH3I+N3-(5)CCH3N3C6H5H(+)(6)H2/PtCCH3NH2C6H5(+)H1,3,5为SN2反应，构型翻转了。2,4,6不涉及手性C的反应，无构型变化两种途经得到的产物是一对对映体1,3,5为SN2反应，构型翻转了。2,4,6不涉及手性C的反应，无构型变化两种途经得到的产物是一对对映体1.3按双分子历程反应的势能图势能反应进程Y:CX:-CXYCYXT.S依反应机理的分析，这种反应的势能图也表现出：新键生成，旧键断裂，有能量的变化。一般认为，断裂旧键是吸热的，生成新键是放热的，这种吸热和放热的能量交换是在分子内完成的，所以，按SN2历程进行的反应，活化能低。SN2反应是受动力学控制，反应为二级，反应速度取决于进攻试剂（亲核试剂）的浓度和底物的浓度。反应速度=k2[Nu][RL]大量实验证明：1.4影响SN2反应的因素影响SN2反应的难易因素，主要与底物的结构、离去基团的性质、试剂的亲核性以及溶剂的极性等有关。（1）底物的分子结构a.反应底物的分子烃基中-C上的支链越多，SN2的反应越慢。通常，伯碳上最容易发生SN2反应，仲碳其次，叔碳最难。例如，不同的烷基（R）发生SN2反应的平均相对速度如下：RCH3CH3CH2(CH3)2CH相对速度3012.510-2这主要是因为-C上的支链越多，由于位阻，亲核试剂越难接近-C，使形成相应过渡态的活化能越高。对于-C上支链越多，也会使SN2速度减慢。例如：R:CH3CH2CH3CH2CH2(CH3)2CHCH2(CH3)3CCH2相对速度:1410-1310-2110-5其中，新戊基与异丁基相比，SN2的速度大大下降，这也是位阻的结果。b.-C是不饱和碳，SN2很难发生。象乙烯基卤化物和芳基卤化物都很难水解。C=CHX..p-共轭效应,X很难离去.如:X很难水解,要在强烈的条件下进行.CH2=CHXc.若-C上连有C=O、CN等吸电子基团，SN2速度大大加快。如，以Z代表这类基团，则ZCH2Cl与I反应的相对速度如下：ZCH3CH2CH2CH3CH2OCONCCH3CO相对速度11.710131033.5104这也是过渡态中-C的p轨道与羰基或氰基的p轨道重叠而使过渡态能量降低的缘故。RCH3CH2CH2=CHCH2C6H5CH2相对速度140120d.若-C是不饱和碳，则SN2极易进行。如，当R是烯丙基或苄基时，SN2反应的平均速度都比乙基大得多。e.-C是桥头碳，分子的立体结构使亲核试剂没有从背面进攻的可能，所以这样的化合物不能按SN2反应历程进行反应。L（2）离去基团(L)的性质一般来说，离去基团越容易离去，SN2越快。反应时，L是带着原来与-C公用的一对电子离去的。通常，L的碱性愈弱、愈稳定，就愈容易离去。在极性质子溶剂中，常见基团离去的倾向是：N2-SO2CF3-OTs-I-Br-OH2-Cl-OR+++-NR3-F-OCOR-NH3-OH-OR-NH2++H从上列的顺序可以看出：OH、OR、NH2都不是好的离去基团，因为它们的相应负离子OH、OR、NH2等都是强碱；OSO2R是很好的离去基团，因为它的负离子OSO2R是强酸（磺酸）的负离子，非常稳定。醇、醚发生羟基或烷氧基被其它亲核试剂取代的反应时，H+能起催化作用使ROH先质子化，把不太容易离去的基团OH或OR转变成易于离去的+OH2或+OR，从而使反应得以加速进行。ROHH+ROH2+Nu:RNu+H2O例如，卤代烷在水醇中的反应活性比是：RClRBrRI=150100在DMF中则是：15003000这是因为在质子溶剂中，卤原子X离去后所形成的负离子X可以通过氢键稳定化，而非质子溶剂中，负离子失去以氢键稳定化的条件。这种条件变化使负离子稳定性产生差异的影响，对于不同的卤素，影响程度是不同的。卤原子愈小，影响程度愈大。所以RCl、RBr和RI在DMF中的相对活性差距，与醇水溶液中的差距相比就大了。离去基团的相对离去倾向还会受溶剂性质的影响。(3)亲核试剂的性质:亲核试剂的亲核性愈强,浓度愈高,反应速度愈快对于SN2反应，亲核试剂的性质和浓度对反应速度都影响很大。试剂亲核性愈强、浓度愈高，反应速度愈快。当发生SN2时，进攻缺电子中心的-C的是试剂的亲核原子。通常，这些原子是类似于H2O中O和NH2中的N，试剂的亲核性大小有如下一些规律：a.试剂中亲核原子相同时，亲核性大小次序是：ROrORCOOROHH2Ob.亲核原子是同一周期元素的亲核试剂，其亲核性大小与碱性强弱次序大致相同。如，无论亲核性还是碱性都是：NH2H2O,NH2HOF,R3CR2NROFc.亲核原子是同族元素的亲核试剂，它们的亲核性是，亲核原子较大的亲核性较大。如RSRO，RSHROH，IBrClF较大的原子具有较大极化度，其外层电子云比较容易变形，当它离-C比较远时，形成过渡态的过程即可开始。但是同族元素亲核试剂的亲核性大小会受溶剂性质的影响。一般认为：在质子性极性溶剂中，如水、醇中，遵循以上规律质子性极性溶剂：水，醇等非质子性极性溶剂：DMF（Me2NCHO），DMSO(Me2SO)非极性溶剂：石油醚，苯等。（4）溶剂对SN2的影响RL+NuNuRLNuR+L中性底物与中性亲核试剂的SN2反应电荷增加过渡态与反应物相比，电荷增加，即正负电荷的分离程度加大，若溶剂极性增加，有利于过渡态的形成，从而反应速度加强，即：极性溶剂有利。RL+NuNuRLNuR+L带电荷的底物或亲核试剂电荷分散A负电荷亲核试剂+中性底物若溶剂极性增加，不利于过渡态的形成，反应速度减慢，非极性溶剂对反应有利。NuRLNuR+LL+R+Nu+电荷分散类似于以上情况。若溶剂极性增加，不利于过渡态的形成，反应速度减慢，非极性溶剂对反应有利。B中性亲核试剂+正离子底物+NuNuRLNuR+LL+R电荷减少C.带负电荷亲核试剂+正离子底物极性溶剂对反应不利。举例：CH3I+Cl-35oCCH3Cl+I-在甲醇中（极性质子性溶剂）反应速度1在DMF中（极性非质子性溶剂）反应速度1.2X106(5)邻基参与作用（Neighboring-GroupParticipation）指-C邻位取代基团（或其他邻近的适当位置）的影响A若底物-C邻位有一亲核基团时，其反应速度大大加快C2H5S:H2CCH2ClClC2H5SH2CCH2H+C2H5SH2CCH2OH+:OH2分子内SN2分子间SN2分子内SN2：Cl-带着电子离去，S：带着电子从背面进攻。分子间的SN2：S-C键断裂，电子转向S+，OH从反面进攻，这一反应是S处于适当的位置，称邻基参与作用常见基团或原子有S，N，O……等。46SN2的立体化学OOTsCOCH3SN2OCCH3OOCOCH3OCOCH3OCOCH3SN2SN2OCOCH3OCOCH3OCOCH3OCOCH3OCOCH3OCOCH3OCOCH3OCOCH3邻位参与+构象翻转+对映体反-1,2-环己二醇二乙酯反式例如：反（顺)-2-乙酰氧基环己醇－对甲苯磺酸酯的酯交换反应:(-OTsOCOCH3)47OCOCH3OTsOTsSN2OCOCH3OCOCH3OCOCH3