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第六章脂肪族亲核取代反应 谢斌教授 底物 亲核试剂 离去基 6 1试剂与亲核性具有亲核性的试剂叫亲核试剂 亲核性是指试剂与正电性碳原子的成键能力 亲核试剂可以是中性分子和离子 不同亲核试剂的亲核性不同 亲核试剂均为路易斯碱 碱性 质子理论 是指试剂与质子的结合能力 多数情况下二者的强度一致 亲核原子相同时 亲核性大小与碱性一致 RO HO ArO RCOO ROH H2O 取代基的供电性越强 亲核性和碱性越强 2 亲核性原子为同周期元素的原子时 其亲核性与碱性大致一致 3 同族元素原子的亲核性大小与碱性相反 即原子半径较小者 碱性较大 而亲核性则较小 PhSe PhS PhO I Br Cl F 亲核性 质子性溶剂中 4 空间效应碱性 CH3O CH3 3CO k相对 2 31 00 50 040 0002 亲核性降低 空间位阻 电子效应 6 2亲核取代反应历程6 2 1双分子亲核取代反应历程 SN2 协同的一步反应 新键的形成和旧键的断裂是同时进行的 亲核试剂从离去基背面进攻中心碳原子 过渡态为五配位的三角双锥构型 TS 动力学上为二级反应 协同反应 一步完成 无中间体 产物的构型翻转 特点 6 2 2单分子亲核取代反应历程 SN1 动力学上为一级反应 反应速度只与反应底物有关而与亲核试剂的性质和浓度无关 v k1 RX 定速步骤 动力学上为一级反应 分步完成 两个过渡态和一个中间体 可能发生重排 外消旋化 6 3亲核取代反应的立体化学1 SN2历程的立体化学发生Walden转化即伞型效应 34 6 49 9 特点 S 2 碘辛烷R 2 碘辛烷 128I 构型与构型标记 构型与旋光性的关系 反应过程中 旋光性逐渐降低到零 即外消旋化v外 2v取 2 SN1历程的立体化学 碳正离子中心碳为sp2杂化 平面结构 有空p轨道 理论上产物外消旋化 这取决于底物结构和试剂性质 通常情况是外消旋化与构型翻转同时存在 dl 1 当形成的碳正离子稳定性较小时 被试剂进攻时 离去基尚未完全离开 在一定程度上产生了遮蔽效应 妨碍了Nu 从离去基的方向进攻 主要得构型反转的产物 2 如果试剂浓度低 碳正离子稳定性大 可顺利成为自由离子 与离去基X 分开后才接受Nu 进攻 这时产物为外消旋化 3 如果进攻试剂的浓度较高 被X 遮蔽的碳正离子受试剂背面进攻的机会增加 构型反转比例增加 在SN1反应中 有一些产物不是从自由的碳正离子中间体形成的 而是从离子对形成 离子对历程 底物的离解分为三步 X 对Nu 有屏蔽作用 一起被溶剂化 正负离子有作用 但被溶剂分隔开 正负离子无作用 分别被溶剂化 6 4邻基参与如果亲核试剂与离去基共处于同一分子中 则发生分子内SN2 离去基Cl 的离去是由氧负离子 或氮原子 的帮助下完成的 通常称为邻基协助 邻基参与或邻基效应 分子内的SN2 条件 当邻近基团具有未共用电子对时 在与反应中心的距离适当时 就能发生邻基参与 结果 生成环状化合物或环状中间体 限制产物的构型 反应速度异常增大 6 4 1n参与1 氧参与 k反 k顺 6 反式的产物构型保持不变 反式 反式 SN2历程 由于AcO 的吸电子使得碳正离子的形成较困难 镜面对称性 非手性分子 只有一个手性碳且反应中心为手性碳时 邻基参与的结果将是构型保持 邻基参与 构型翻转 SN2反应 构型翻转 3和1与底物构型相同 邻基参与和SN2反应的总结果为构型保持 总结果为构型保持 2 硫参与 3 卤素参与 手性中间体 6 4 2 参与1 C C的参与 反式 反式 构型不变 供电性增加 速度增加 2 苯基参与 50 构型转化 50 构型翻转 结果为外消旋化 构型保持不变 6 5 1烃基的结构1 对SN1影响凡是能稳定C 的各种因素均有利于SN1的进攻 中心碳原子上连接的供电基团 能分散碳正离子上的正电荷 提高碳正离子的稳定性 1 电子因素 稳定性 3 R 2 R 1 R 烷基 I和 C 效应SN1的速度 3 RX 2 RX 1 RX 2 空间因素 3 苯基或乙烯基取代的卤甲烷按SN1进行 4 当杂原子如O N S等原子直接与中心碳相连时 按SN1进行 杂原子上的孤对电子与中心碳的空p轨道交盖形成离域 键 使碳正离子稳定 C I 有利于碳正离子的形成 有 I 无 C 不利于碳正离子的形成 5 卤原子位于桥头碳上时 只能按SN1进行 但反应速度极慢 桥头碳难于形成平面碳正离子 刚性越大 桥原子数越小 反应速度越小 2 SN2的影响主要影响因素为空间效应 过渡态为五配位 张力增大 不论是 C还是 C上的取代基增多均不利于SN2反应 空阻很大 6 5 2离去基的影响不论SN1还是SN2的定速步骤中均存在C X断裂 故C X愈易断裂 反应速度愈快 稳定性 F Br Cl F OH 为不好离去基 H2O为好离去基 6 5 3试剂的影响试剂的亲核性对SN1几乎无影响 对SN2影响较大 1 亲核性越大 越有利于SN2 2 亲核试剂的体积越小越有利于SN2 3 强亲核试剂导致产物构型反转 弱亲核试剂导致产物部分外消旋化 6 5 4溶剂的影响1 SN1反应增加溶剂极性和溶剂的离子 溶剂化能力 导致反应速度显著增大 1 在定速步骤中 反应物电离成过渡态所需的大部分能量可由在溶剂和极性过渡态之间形成偶极 偶极键来供给 溶剂的极性越大 则溶剂化能力越强 电离作用越快 2 碳正离子或定速步骤的过渡态极性大于反应物 前者因溶剂化而稳定 极性溶剂有利于SN1 且随着溶剂极性增强而加速 2 SN2反应 溶剂极性增大 不利于反应 极性减小 有利于反应 溶剂极性增大 有利于反应 溶剂极性增大 不利于反应 3 极性质子性溶剂使亲核试剂溶剂化 增加亲核试剂的稳定性 降低其亲核活性 不利于SN2 4 极性非质子溶剂如DMF DMSO HMPT等 亲核试剂完全暴露 未溶剂化 对SN2有利的 极性相当 6 6具有双亲核中心的两可性试剂的反应方向 常见的两可性试剂 1 发生SN1时 电负性大 电子云密度高的原子将发生亲核取代 异腈 2 在SN2中 电负性小的原子为亲核中心 电负性较小的原子周围溶剂化作用较弱 去溶剂化所需能量小 其供电性强 有较强的极化作用 故其亲核性较强 电子云密度大 烷基体积增大时 有利于SN1反应 烷基体积越小 越有利于SN2 6 7亲核取代反应在有机合成中的应用6 7 1卤烷的亲核取代反应发生官能团的转化或碳链的增长1 卤烷的水解 存在竞争性反应 消除反应 高浓度的强碱及3 RX特别易发生E 易发生消除反应的3 RX宜采用碱性较弱的醋酸银形成乙酸酯 再水解得醇 2 Williamson反应 一般得混合物 如NH3大大过量 1 RNH2将成为主要产物 要获得纯伯胺用Gabriel法 3 卤烷的氨解 4 卤烷与有机膦的反应 Wittig试剂 5 与碳亲核试剂的取代反应使碳链增长 1 氰解形成多一个碳的腈及羧酸等 2 炔化反应 合成末端炔和非末端炔 3 偶联反应 与烷基铜锂的反应 Wurtz Fittig反应 4 与含活泼亚甲基化合物的取代反应首先与强碱作用 形成碳负离子亲核试剂 然后在 C上引入烃基或酰基等 与二元卤烷可分别形成二元甲基酮 二元酸或环烷基甲基酮或环烷基乙酸 6 7 2醇的亲核取代反应OH 为不好的离去基 其亲核取代反应一般要在酸性催化下进行 H2O是一个好的离去基 另外可转化为易于离去的离去基磺酸基 6 8羧酸及其衍生物的亲核取代反应6 8 1反应历程与影响因素1 反应历程过程为加成 消除历程 结果为亲核取代 不同于SN2 分两步进行 亲核加成 消除 酯的碱性水解 水解后酯中18O含量大大减小 故非一般的SN2 如为SN2反应 则酯的18O含量不变 2 结构与活性的关系 I有利于亲核加成 C不利于亲核加成 反应活性 1 AAc2 酸催化下的双分子酰氧断裂 伯醇的酯化通常为此历程 6 8 2酯化反应 2 AAL1 酸催化下的烷氧断裂 3 醇的酯化就是此历程 主 次 亲核性 H2O 羧酸 以烯为主要产物 6 8 3间接酯化 羧酸衍生物的醇解反应酰卤和酸酐的间接酯化可避免直接酯化的可逆性 而且可以同叔醇酯化 酯交换反应 要求R