亲核取代反应.ppt

一 反应类型 亲核取代反应的通式 亲核试剂 带着 一对电子 进攻 中心碳原子 离去基团 带着 一对电子 离开 底物为中性 亲核试剂带着一对孤对电子 第13章亲核取代反应NucleophilicSubstitution 底物带有正电荷 亲核试剂带有孤对电子 底物带有正电荷 亲核试剂带有负电荷 亲核试剂带有负电荷 13 1 1单分子亲核取代反应 SN1 机理 这说明决速步骤与OH 无关 而仅与RX的浓度及C X的强度有关 因此 该反应是分步进行的 反应机理 第一步 C Br键解离 反应速率方程 第二步 生成C O键 SN1反应的能量变化过程 例如 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应 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 2 双分子亲核取代 SubstitutionNucleophilicBimolecular SN2 反应机理 动力学研究表明 有一类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 二级反应 其反应机理为 T 13 1 2双分子亲核取代反应 SN2 机理 反应机理 反应速率方程 SN2能量曲线 其反应机理为 亲核试剂 背后 接近 中心碳原子 从离去基团的背面 与此同时 离去基团也正在逐步地离开底物分子 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T T SN2反应机理 在过渡态中 亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心碳原子的p轨道交盖的程度与离去基团与中心碳原子的p轨道的交盖程度相同 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 SN2反应的立体化学 Walden转化是SN2反应的重要标志 例1 二级动力学证明是SN2机理 但是旋光构型发生改变 13 1 4离子对机理 介于SN1与SN2之间的机理 建立在SN1机理基础之上 底物的解离成正碳离子是经几步完成的 形成不同的离子对 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 亲核试剂可以进攻四种状态的底物 从而得到不同的产物 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 13 1 5 反应的立体化学 反应的立体化学与反应机理相关 SN2机理 由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子 所以产物发生构型转化 Walden转化 Nu L R 2 辛烷 25D 34 25 对映体的纯度 100 S 2 辛醇 25D 9 90 对映体的纯度 100 23 5 SN1机理 试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子 形成一对外消旋产物 正碳离子越稳定 消旋化程度越大 消旋化 Racemization SN1反应的立体化学 如果一个手性分子进行SN1时 其产物为外消旋体 OH 从两个方向靠近中心碳原子的机率相同 SN1反应常伴随着C 的重排 事实上 SN1反应往往伴随构型转化产物 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 请思考 13 1 5分子内的亲核取代反应 SNi 历程 氯化亚硫酸酯 氧原子的未共用电子对从酯的反位形成微弱的键 增加反位的位阻 HCl与吡啶成盐 Cl离子从反位进攻 SN2反应 无溶剂下 酯直接分解 得到离子对形式 得到外消旋体 HCl与吡啶成盐 Cl离子从反位进攻 SN2反应 烯丙位发生重排 与SOCl2浓度有关 稀溶液中 无水乙醚与HCl形成氢键 有利于SN1反应和双键重排 13 1 5分子内亲核取代反应机理邻基效应 氯代醇在碱的作用下进行分子内的SN2反应 得到环醚 这种分子内的SN2反应速度远比分子间的SN2反应速度快 这是由于分子内的氧负离子距中心碳原子最近 位置最有利 反式共平面 更容易进攻中心碳原子 邻基参与 同一分子内 一个基团参与并制约和反应中心相连的另一个基团所发生的反应 称为邻基参与 邻基参与又称为邻基效应 它是分子内基团之间的特殊作用所产生的影响 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 存在邻基参与的有机分子 其亲核基团与离去基团的距离并不限于邻位 反应后的产物也不一定是环状的 机理 例 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 13 1 5n参与 反应底物中心碳原子附近有给电子基团1 氧参与 利用杂原子上的负电荷或者未共用电子对进攻中心碳原子参与反应 反式 反式 k反 k顺 6 反式的产物构型保持不变 氧甲基的孤对电子从离去基团的OTs的背面进攻 AcO 从内盐的背面进攻 经过两次SN2 构型保持不变 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 反式 反式 构型不变 6 4 2 参与1 C C的参与 供电性增加 速度增加 2 苯基参与 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 13 1 6 影响反应活性的因素 影响亲核取代反应活性的主要因素是 底物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 底物结构的影响 SN2反应 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 新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应 转变过程中 中心碳原子由底物同4个基团相连转变为由过渡态的同5个碳原子相连 空间拥挤程度增大 当底物中心碳原子连有较大基团时 Nu 难于从背后接近底物 立体效应 碳原子上的甲基能阻碍亲核试剂的接近 提高了反应的活化能而使反应速度降低 电子效应 碳原子上的氢被烷基取代后 碳原子上的电子云密度将增加 也不利于亲核试剂对反应中心的接近 SN2反应中的空间效应 一般认为 立体效应的影响大于电子效应 SN1反应 A 电子效应 所有能够使正碳离子稳定的因素 都能使SN1反应的反应速率增大 相对速率 k1 0 260 690 86100 105 1010 当取代基具有 I 超共轭效应 C效应 SN1反应速率增大 反应活性增大 2 烷基结构对SN1反应的影响 决定SN1反应速度的是C 稳定性 越是稳定的C 越容易生成 C 稳定性 3 2 1 CH3 p超共轭 SN1反应活性 3 RX 2 RX 1 RX CH3X 例如 在甲酸水溶液中 RBr的水解相对速度为 CH3 3CBr CH3 2CHBr CH3CH2Br CH3Br 问题 CH3 3CCH2Br A 或 CH3 3CBr B 在水 甲酸溶液中何者水解速度快 极性较强的溶剂 考虑C 稳定性 答案 反应速度 B A 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 SN1反应速率 1091 00 2 当杂原子与中心碳原子相连时 所形成的正碳离子 因共轭效应而被稳定 CH3Br CH3 2CHBr CH3 3CBr这个系列中 水解历程是一个由SN2转变为SN1的过程 3 RX主要SN1反应 1 RX主要SN2反应 2 RX同时SN1和SN2 但SN1和SN2速度都很慢 B 空间效应 与SN2反应相反 底物上的取代基的空间效应使SN1反应速率加快 RBr在水中的溶剂解相对速度 RBr在水中50 时MeBr1 00EtBr1 00i pBr11 6t BuBr1 2 106 四面体 平面三角型 键角增大 取代基空间效应越大 基团的空间拥挤程度减小 3 乙烯型和苯基型卤代烃的化学性质 乙烯型和苯基型卤代烃分子中存在着由卤原子参与的多电子p 共轭 导致C X具有特殊的稳定性 以氯乙烯和氯苯为例 1 亲核取代反应 乙烯型卤代烃分子中的C X键短而且强 卤原子不易被亲核试剂取代 例如 氯苯曾经是一个重要的化工原料 用来大量制造苯酚 但因能耗高 污染严重而不再使用 中国大百科全书 化工卷 P16 若卤素原子的邻 对位有硝基等强吸电子基时 水解反应容易进行 4 烯丙型和苄基型卤原子的活性 烯丙型和苄基型卤代烃中的C X键易断 无论SN1还是SN2 这类卤代烃分子中的C X键都具有特殊的活泼性 烯丙型卤代烯烃的特殊活泼性是由于亲核取代反应的中间体或过渡态的能量较低 有特殊的稳定性 例 在进行SN1反应时 活性中间体C 中存在着缺电子p 共轭 使正电荷得到了有效的分散 导致C 能量较低 具有特殊的稳定性 以烯丙基氯和苄基氯为例 在进行SN2反应时 C X键上空间障碍小 且过渡态能量较低 以烯丙基氯和苄基氯为例 烯丙型和苄基型卤代烃分子中的C X键很容易断开 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 2 离去基团 Leavinggroups 离去基团带着一对电子离开中心碳原子 成为负离子 接受负电荷的能力越强 亲核取代反应速率越大 1 较好的离去基团是强酸的共轭碱 共轭酸1 共轭碱2 共轭碱1 共轭酸2 强酸的共轭碱是弱碱 重要的离去基团是pKa 5的酸的共轭碱 如 I 是强酸HI的共轭碱 TsOH MsO CF3SO3 是最好的离去基团 2 成键原子的可极化度越大 离去基团越易离去 的溶剂解的相对速率为 FClBrI 可极化度依次增大 离去能力与离去基团的共轭酸的酸性有关 共轭酸酸性越大 离去能力越强 离去能力 I Br Cl 酸性 HI HBr HCl 好的离去基团 I p CH3C6H4SO3 HI p CH3C6H4SO3H均为强酸 差的离去基团 OH RO NH2 H2O ROH NH3均为弱酸或碱 2 离去基团 Leavinggroups 3 亲核试剂的强度 Nu 在SN2反应中起着重要作用 Nu 规律 1 带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸 OH H2O CH3O CH3OH 2 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 A 当进攻原子为同一原子时 亲核性强度与碱性一致 RO HO RCO2 ROH H2O CH3O PhO CH3CO2 NO2 碱性是试剂与质子结合的能力 亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力 当试剂中进攻的原子不同时 试剂的亲核性强度顺序与碱性有时不同 B 同周期的元素 电负性越大 试剂的亲核性越弱 负电荷越分散 亲核性越弱 H2N OH F C 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 F Cl Br I R O R S R Se D 当亲核试剂中取代基的空间效应较大时 则不利于试剂接近底物分子 因此 对于试剂的亲核性 取代基的空间效应大于其电子效应 碱性很强 负电荷也很集中 但由于烷基具有较大的空间效应 故其亲核性很弱 亲核性依次减小 同理 亲核性依次减弱 碱性依次增强 3亲核试剂的影响 亲核性 试剂亲碳原子核的能力 常见亲核试剂的亲核性如下 试剂的亲核性对SN1反应速率影响很小 试剂的亲核性 有利于SN2 Nu首先进攻 C 四 溶剂效应 溶剂的性质 介电常数 越大 溶剂的极性越大 介电常数是衡量溶剂隔离正负离子的能力 即 溶剂稳定离子的能力 0 偶极距 0 非极性溶剂 CCl4 CS2 极性溶剂 质子型 EtOH H2O CH3COOH 非质子型 THF Et2O DMF DMSO HMPT 质子型溶剂 通过氢键缔合 非质子型溶剂 通过偶极与偶极相互作用 极性溶剂可以稳定正离子 也可稳定负离子 氢原子键合在电负性较大的原子上 SN1反应 一个中性化合物离解为两个带电荷的离子 溶剂极性的提高 将稳定正碳离子 使反应速率加快 SN2反应 在过渡态中不产生新的电荷 而且还使电荷分散 溶剂的极性增加 不利于电荷的分散 使反应速稍有降低 在质子型溶剂中 亲核试剂与溶剂形成氢键 由此降低了试剂的亲核性 不利于反应进行 在质子型溶剂中 试剂的亲核性强度顺序为 SH CN I OH N3 Br CH3CO2 Cl F H2O SN2反应常在极性非质子型溶剂中进行 极性非质子型溶剂 PolarAproticSolvents 不能与Nu 形成氢键 不能使亲核试剂溶剂化 使裸露的负离子作为亲核试剂 具有较高的反应活性 常见的极性非质子型溶剂有 在极性非质子型溶剂中 X 的反应活性顺序为 F Cl Br I 这与在质子型溶剂中的顺序相反 质子型溶剂与非质子型溶剂对SN2反应的影响 溶剂k2 DMF3 103CH3OH3 10 2 问题 下列反应在哪种溶剂中易于进行 是DMF还是CH3OH 为什么 13 1 7亲核取代反应在有机合成中的应用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 13 2芳香族亲核取代反应由于芳环上的电子云密度较高 因此亲核取代比亲电取代困难得多 只有当芳环上存在较强的吸电子基团 NO2 SO3H等 时才能发生亲核取代反应 历程包括 加成 消除历程 消除 加成历程 苯炔历程 和单分子亲核历程 SNAr1 1 加成 消除机理 13 2 1加成 消除历程吸电基有利于降低芳环的电子云密度 特别是邻 对位电子云密度降低得更为显著 从而有利于亲核试剂对这些位置发生亲核加成 生成离域的碳负离子中间体 即Meisenheimer络合物 又称为SNAr2历程 SN2历程 SNAr2历程从侧面进攻 而SN2从背面进攻 Ar代表是芳基 Meisenheimer络合物已被分离出 是红色晶体 13 2 2消去 加成 苯炔历程 现象 对强碱及强亲核试剂 13 2 2消去 加成 苯炔历程 现象 对强碱及强亲核试剂 NH2 作为碱进攻溴的邻位氢 失去HBr得到苯炔 然后NH2 作为亲核试剂进攻苯炔的三键 中间体证据 捕获 Diels Alder反应 13 2 2消去 加成 苯炔历程 因为没有邻位氢 推断不能发生消除反应 对强碱及强亲核试剂 7 2 3芳基重氮离子的单分子亲核取代 SNAr1 证据 v k PhN2 芳环上的供电基有利于反应 吸电基不利于反应 说明有正离子形成 一级反应 同位素标记 芳环上已有取代基对反应的影响 离去基团共轭位 邻 对位 有吸电子取代基存在 对反应有利 离去基团共轭位有供电子取代基 对反应不利 芳环上同时有多个离去基团 Cl SO3H NO2 CN N N 等 同时存在时 Cl优先被置换 SN2反应速率的快慢 a d b c 1 碳正离子稳定性的大小 2 进行SN1反应速率的大小 苄基溴 苯基溴乙烷 苯基溴乙烷abc abc c b a b a c 下列碳正离子哪个最稳定 abc de a最稳定 在a中 碳正离子即有P 共轭还有两个甲基的超共轭 根据题意选择正确答案 并阐明其理由 2 下列溴化物哪个最容易发生SN2反应 abcdef b最容易发生SN2反应 S