第八章饱和碳原子上的取代反应案例

第八章饱和碳原子上的取代反应 亲电取代反应 取代反应 分子中的任何原子或原子团被其他原子或原子团取代的反应都可称之为取代反应 根据反应底物的结构和进攻试剂的性质可分为三种类型 亲核取代反应 自由基取代反应 一 脂肪族亲核取代反应 亲核取代反应的通式 底物为中性 亲核试剂带着一对孤对电子 底物为中性 亲核试剂带有负电荷 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 二 反应机理 1 单分子亲核取代 SN1 反应机理 反应分两步进行 第一步正碳离子的生成 第二步亲核试剂进攻正碳离子 第一步是决定反应速率的一步 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 例如 氯代叔丁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 SN2 反应机理 动力学研究表明 此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 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 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伯 仲卤代烷及其衍生物 3 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 形成溶剂分隔离子对 离子完全被溶剂包围 形成溶剂化的自由离子 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 4 分子内亲核反应机理 SNi 有些反应 如醇和SOCl2作用生成氯代烃 该反应的立体化学特征是a 碳构型保持 不同于SN1和SN2反应 从而提出反应是在分子内进行的 即分子内亲核取代反应 氯代亚磺酸烷基酯分解为氯代烷的反应是两步进行的 第一步与SN1机理相似 生成离子对中间体 第二步是离去基团的一部分从正面进攻C 其结果构型保持 支持这一机理的根据是 光活性的2 辛醇与SOCl2分别在乙醚和吡啶中进行反应 前者得到的产物构型保持 后者的产物构型翻转 以乙醚为溶剂 其极性弱 在醇与亚硫酰氯反应生成氯代亚磺酸烷基酯和氯化氢后 大部分的氯化氢逸出 在取代反应一步 Cl来自氯代亚磺酸烷基酯的分解 同样因为乙醚的极性弱 不利于电荷的分离 在离子对中 Cl带着一对电子从正面进攻烷基正离子 得到构型保持的产物 然而以吡啶为溶剂 醇与亚硫酰氯反应生成的氯化氢会与吡啶发生酸碱反应而生成盐 从而使Cl 游离出来 成为有效的进攻试剂 它从离去基团的背后进攻氯代亚磺酸烷基酯的中心碳原子 发生SN2反应 得到构型翻转的产物 例 氯甲酸烷基酯受热分解成RCl和CO2同样是分子内亲核取代反应机理 在某些亲核取代反应中常遇到这样两种情况 实际反应速度比预测反应速度明显增加 反应物手性碳原子在反应前后构型保持不变 而这两种情况的发生 常常是因为在离去基团的b 位 或更远的位置 有一个带有未共用电子对基团所致 称为邻位参与机制 5 邻位参与机理 如b 氯代二乙基硫醚的水解比b 氯代二乙基醚快10000倍 主要是由于硫与氧相比 其给电子能力和可极化度大许多 C S键比C O键的键长长 硫原子具有较强的亲核性 且在b 氯代二乙基硫醚分子中 硫原子处于与反应中心有利的位置 可借助分子内亲核取代形成张力较大的三元环硫鎓离子中间体 它进一步水解开环 生成产物 如光学活性的a 溴代丙酸在浓NaOH中水解 得到构型转化为主的产物 但在稀NaOH中水解 由于羧基的邻位参与作用 得到构型完全保持的产物 三 反应的立体化学 反应的立体化学与反应机理相关 1 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 2 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 外消旋化程度越大 外消旋化 事实上 SN1反应往往也会伴随构型转化产物 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 光活性的2 辛醇与SOCl2分别在乙醚中进行反应 得到的产物构型保持 以乙醚为溶剂 其极性弱 在醇与亚硫酰氯反应生成氯代亚磺酸烷基酯和氯化氢后 大部分的氯化氢逸出 在取代反应一步 Cl来自氯代亚磺酸烷基酯的分解 同样因为乙醚的极性弱 不利于电荷的分离 在离子对中 Cl带着一对电子从正面进攻烷基正离子 得到构型保持的产物 3 分子内亲核反应机理 SNi 如光学活性的a 溴代丙酸在浓NaOH中水解 得到构型转化为主的产物 但在稀NaOH中水解 由于羧基的邻位参与作用 得到构型完全保持的产物 4 邻位参与机理 四 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 1 SN1反应 对于SN1反应 决定反应的关键步骤使反应底物离解为碳正离子 因此 反应底物离解的难易及离解生成的碳正离子的稳定与否 是影响其反应速率的关键因素 一 底物结构的影响 反应分两步进行 第一步正碳离子的生成 第二步亲核试剂进攻正碳离子 第一步是决定反应速率的一步 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 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 B 空间效应 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50oC水中时MeBr1 00EtBr1 00i prBr11 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越大 2 SN2反应 烃基对SN2反应的影响依然是电子效应与空间效应 虽然中心碳原子上连有的烷基增多 会使中心碳原子的正电荷减少 从而不利于亲核试剂的进攻 但在SN2反应的过渡态中 电荷变化不大 因而 电子效应并不是影响反应速率的主要因素 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 虽然电子效应对SN2反应的影响不大 但在某些情况下其影响却很明显 由此可见 当a 碳原子上连有乙烯基 苯基 酰基时 SN2速度明显加快 也是由于过渡态有共振可能性的缘故 即苄基型和烯丙型化合物无论对SN1还是SN2反应都使反应加快 二 亲核试剂的强度 Nu 在SN2反应中起着重要作用 Nu CH3O HO I Nu H2O 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 B 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 碱性 C2H5O I 亲核性 I C2H5O C 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 CH3CH2 3P CH3CH2 3S D 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 RO RS RSe E 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 三 离去基团亲核取代反应无论按哪一种机理进行 其离去基团总是带着一对电子离开中心碳原子 因此离去基团性质的改变对SN1和SN2反应产生的影响是相似的 对SN2反应 中心碳原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 弱碱 共轭酸1 共轭碱2 共轭碱1 共轭酸2 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 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 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 0 极性溶剂 质子型 EtOH H2O CH3COOH 非质子型 THF Et2O DMF DMSO HMPA 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 A 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 二 脂肪族亲电取代反应 在脂肪族亲电取代反应中 被取代的基团是那些虽然外层缺少一对电子 但又能较为稳定存在的基团 在脂肪族化合物反应体系中 被取代的基团通常是质子 其反应活性取决于它的酸性强弱 饱和烷烃中的质子很不活泼 难以被取代 容易被取代的是酸性较强位置上的质子 如羰基a 位上的质子 炔基上的质子等 还有一类重要的亲电取代反应 称为 负离子断裂 它包括C C键断裂 脱掉碳正离子 伯胺和仲胺N H键断裂 脱掉质子 叔胺N C键断裂 脱掉碳正离子 一 脂肪族亲电取代反应机理 1 双分子亲电取代反应机理 SE2 与SN2相似 表现在旧键的断裂与新键的形成是同时进行的 然而 SN2中 亲核试剂使带着一对电子 从离去基团的背后进攻中心碳原子 所以发生构型翻转 但在SE2中 进攻的亲电试剂具有空轨道 很难预测进攻的方向 通常可以设想有两种可能性 亲电试剂从前面进攻 称为SE2 前 亲电试剂从后面进攻 称为SE2 后 如汞盐与二烃基汞作用 发生Hg C键断裂 结果构型保持不变 就是SE2 前 机理 此外 当亲电试剂从前面进攻时 还有第三种可能 即在反应过程中 亲电试剂的一部分可以与即将离去的基团成键 协助离去基团脱离中心碳原子 与此同时形成新的C A键 这种机理称为SEi机理 或SE2环机理 如光学活性的1 甲基 2 溴环丙烷与丁基锂作用生成2 甲基环丙烷羧酸 其构型不变 就是SEi机理 2 单分