亲核取代碱性亲核.ppt

第五章 取代反应 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 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 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 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 第二步亲核试剂进攻正碳离子 第一步 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 A B C D E 第一步反应的活化能 E1 比第二步反应的活化能 E2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 例如 二苯基氯甲烷在丙酮中的水解反应 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 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 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 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 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 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SN2 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 解离的正负离子形成紧密的离子对 整个离子对被溶剂化 溶剂介入离子对后 正负离子被溶剂隔开 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 离去基团的一部分从正面进攻C 保持构型 支持这一机理的依据 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 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 RI RBr RCl 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 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 HX的反应活性 HI HBr HCl 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 反应速度与醇的结构有关 2 与卤化磷和亚硫酰氯反应 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 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 第二步亲核试剂向平面任何一面进攻的几率相等 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 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 p 超共轭效应 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 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 空间效应 基团拥挤 拥挤程度减少 SN1反应的速度是 例如 实验测得 按SN1历程进行的反应 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 位的分支对于SN1反应速率的影响较小 通常是 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 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 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 或 碳上有分支 空间位阻愈大 都使反应速率减慢 碳上有分支 结论 C上烃基 SN2反应速率 碳上有分支 结论 C上烃基 SN2反应速率 当溴乙烷的 位上有一个甲基时 由于碳碳链可以转动 因此甲基可以部分的避免空间位阻而进行反应 当 位上有三个甲基时 相当拥挤 进入基团很难与碳原子接触 反应速率很小 因此 新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应 电子效应不是影响SN2反应速率的主要因素但在某些情况下 其影响却是明显的 C上连有 酰基时 SN2反应速度明显加快 电子效应 实际 苄基型 烯丙基型化合物无论对SN1 SN2都有利 反应视具体情况而定 一般说来 更容易进行SN1反应较强的Nu 更有利于SN2反应较特殊的是 卤代酮 只有利于SN2反应 归纳 普通卤代烃的SN反应 2 对SN1反应是3 RX 2 RX 1 RX CH3X 1 对SN2反应是CH3X 1 RX 2 RX 3 RX 4 烯丙基型卤代烃既易进行SN1反应 也易进行SN2反应 5 桥头卤代的桥环卤代烃既难进行SN1反应 也难进行SN2反应 3 叔卤代烷主要进行SN1反应 伯卤代烷SN2反应 仲卤代烷两种历程都可 由反应条件而定 对于桥环卤代烷 当X位于桥头碳上时 无论是SN1反应 还是SN2反应 均难以发生 如 二 亲核试剂的影响 对于SN1反应 亲核试剂不参与速率控制步骤 因此影响较小 对于SN2反应 亲核试剂亲核性能的强弱将对SN2反应的速率产生极大的影响 Nu 1 对反应速率的影响 一般 对于给定的反应底物 Nu 的亲核能力越强 反应按SN2机理形成过渡态所需活化能越低 SN2反应越快 2 影响Nu 亲核能力大小的因素 规律 带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸 OH H2O CH3O CH3OH 带负电荷的试剂 负电荷越集中 亲核性越强 中性的试剂 进攻的原子电子云密度越集中 亲核性越强 碱性亲核试剂都有未共用电子对 是路易斯碱 一般说来 试剂的碱性强 亲核能力也强 但碱性与亲核性不完全等同 碱性 试剂与质子结合的能力 亲核性 试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力 碱性是指热力学平衡的影响亲核性是与动力学过渡态情况有关 直接影响反应速率 碱性很少受到空间因素的影响亲核性对空间效应的影响很敏感 试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况 a 试剂中亲核原子相同时 如 其亲核性与碱性顺序都是 RO HO ArO RCOO ROH H2O带负电荷试剂的亲核性比其共轭酸大 碱性也强 HO ArO 是因为芳环与氧共轭 电子云平均化使负电荷分散的结果 ArO RCOO 是因为C O吸电子的缘故 b 周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂 电负性大 亲核性小 碱性也小 如 NH2 HO R3C R2N RO F 试剂的亲核性与碱性强弱不一致的有以下三种情况 a 试剂中的进攻原子为同族原子时 原子的可极化度越大 试剂的亲核性越强 亲核性 RS RO RSH ROH R3P R3NI Br Cl F 原因 可极化度大的原子外层电子易变形 更容易进攻缺电子的碳 形成过渡态所需的活化能较低 显示出较强的亲核性 SN2反应易于进行 b 溶剂对亲核性的影响溶剂化作用强的试剂 其亲核性小 如 卤离子在质子性溶剂中 H2O ROH亲核性 I Br Cl F 碱性 I Br Cl F 相反在非质子溶剂中 二甲亚砜 N N 二甲基甲酰胺亲核性 I Br Cl F 碱性 I Br Cl F 一致 原因 在质子性溶剂中 水 醇 负离子与溶剂分子生成氢键而缔合 F Cl 体积小 电荷集中 生成的氢键牢固 与溶剂缔合的程度大 溶剂化作用大 而I 体积大 电荷分散 与溶剂缔合的程度小 溶剂化作用小 Nu 在进攻碳原子前 必须摆脱包围在外面的 溶剂壳 缔合程度小 Nu 脱掉外层溶剂容易 亲核性强 在非质子溶剂中 二甲基甲酰胺 DMF 二甲亚砜 DMSO 分子内有明显的偶极 分子正电荷一端被烷基等包围 空间阻碍大 负电荷一端裸露在外 因此只缔合正离子 裸露的负离子作为Nu不被溶剂分子包围 所以在偶极非质子溶剂中 卤离子亲核性次序与碱性一致实验表明 在偶极非质子溶剂中裸露的负离子亲核性比溶剂化的负离子大得多 如在DMF中 Cl 取代 的速率比甲醇中快1 2 106倍 为了加速亲核取代反应 减少亲核试剂的溶剂化作用 常常使反应在非质子溶剂中进行 加入冠醚 crownether 可明显地提高负离子的活性 大大促进SN2反应 冠醚是最近几十年发展起来的具有特殊络合性能的化合物 不同结构的冠醚 其空穴尺寸也不同 因而决定它们对金属离子有较高的络合选择性 例如18 冠 6是有机合成上很有用的冠醚之一 其空穴半径为2 6 3 2 和钾离子半径 2 66 相近 与适当大小的金属离子能形成共平面1 1的大络离子 金属离子被络合后 剩下未被溶剂化活性很高的 裸负离子 nakedanion 提高了反应活性 c 试剂的空间因素 空间位阻大的亲核试剂 亲核性小 此时取代基的空间效应大于其电子效应 如烷氧负离子亲核性大小次序为 CH3O CH3CH2O CH3 2CHO CH3 3CO 同理 与碱性强弱的次序相反 综上所述 单纯用碱性来衡量Nu 亲核能力是缺乏普遍意义的 3 对反应机理的影响 不同结构的RX究竟按哪种机理进行反应 除与底物结构有关外 还与Nu 的亲核能力强弱有关 如 C2H5OH C2H5O 亲和能力不同新戊基溴C 重排取代消除 三 离去基团的影响 离去基团的性质对SN1 SN2反应将产生相似的影响同时 改变离去基团 将明显地影响SN1 SN2反应的速度 离去基团总是带着一对电子离开中心碳原子 故 离去基团接受负电荷的能力越强 亲核取代反应速率越大 常见的离去基团及相对活性 离去集团的活性与其结