第八章亲核取代

1、第七章第七章 饱和碳原子上的亲核取代反应饱和碳原子上的亲核取代反应 亲核取代反应的通式：亲核取代反应的通式：+nu+l-r nur lrl一般称为一般称为反应底物反应底物。nu- -具有亲核性，称为具有亲核性，称为亲核试剂亲核试剂。l- - 称为称为离去基团离去基团。离去基团所连的碳，称为离去基团所连的碳，称为中心碳原子中心碳原子。这种由亲核试剂进攻而引起的取代反应称为这种由亲核试剂进攻而引起的取代反应称为亲核取代亲核取代反应，反应， 用用sn表示（表示（substitution, nucleophilic)+phc h2c lc n-phc h2c nc l-+ 底物带有正电荷，亲核试剂带有

2、孤对电子：底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：(ch3)2s(ch3)4n+(ch3)3s(ch3)3n+ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：ch3clh2o+ch3oh2cl- 亲核试剂带有负电荷：亲核试剂带有负电荷： 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：ch3ch2i r3p+i- r3pch2ch3一一. 反应类型反应类型反反 应应 历历 程程 第一步：第一步：br 慢慢ch3ch3ch3c+ br+ch3ch3ch3c第二步：第二步：快快+ oh+ch3ch3ch3c ohch3ch3ch3c 1. 单分子

3、历程（单分子历程（sn1） (ch3)3c br+ naoh(ch3)3c oh + nabr例：例：二二. 反应机理反应机理2. 双分子历程（双分子历程（sn2） 反应历程反应历程ch3oh + br- -ch3-br + oh - - 亲核试剂是在离去基的亲核试剂是在离去基的背面背面进攻中心碳原子，并造成中心碳进攻中心碳原子，并造成中心碳 的的构型反转构型反转，称为，称为瓦尔登（瓦尔登（walden）转化。）转化。 例：例：r l+-r+l-离子化溶剂介入rlnununusn2r+l-+溶剂介入离子对构型翻转紧密离子对翻转（主要）转化（消旋化）离解的离子nus1n（消旋化产物）三个阶段：三

4、个阶段： 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。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。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。离解的离子为自由离子。3. 离子对机理离子对机理三、邻基参与三、邻基参与 当进行亲核取代反应的底物分子上带有一个能当进行亲核取代反应的底物分子上带有一个能作为亲核体的基团作为亲核体的基团,并位于分子的适当位置时，能并位于分子的适当位置时，能够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体，从而影响反应的进行，这种现象称为中间体，从而影响反应

5、的进行，这种现象称为邻邻基参与（基参与（neighboring group participation）。）。(a) n参与参与化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的去基团的位置或更远时，此化合物在取代反应位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。过程中构型保持。 z crr|crlr: rr|rrzcc+ l- +cczrr|rnu:-r r c|rrcznu:r第一步：第一步：第二步：第二步： 例如：例如：当当3-溴溴-2-丁醇的苏型丁醇的苏型(threo)外消旋体外消旋体 () 用用hbr处理时，得到外消旋体处理时，得到外消旋体

6、 () -2,3-二溴丁烷二溴丁烷ch3ohch3brhhhbrohch3ch3hch3brbrhhch3hbrhch3brch3hbrbrhhch3ch3 苏型苏型dldl dldl对对(b) 参与参与 (1) c=c、c=o 键键 的邻基参与作用的邻基参与作用 如反如反-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于参与，参与，反应速率比相应的饱和酯快反应速率比相应的饱和酯快1011倍倍, 且产物构型保持。且产物构型保持。 otshhotsoactsohhoachotshoac+保持构型k（hoac）相对（1）（2）（3）1011102.71(2) 环丙基的参

7、与作用环丙基的参与作用 环丙烷的环某些性质与双键类似环丙烷的环某些性质与双键类似，因此处于适当，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。位置时也可能发生邻基参与作用。 hococ6h4no2-pp-o2nc6h4ocoh(i)(ii)（）溶剂解速率比（）溶剂解速率比（）快）快1014倍。倍。 溶剂解速率：（溶剂解速率：（） (iii) （）由此可以看出：由此可以看出：只有当环丙基位于适当位置时才起只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效邻基参与作用，有时甚至比双键更有效。 bsohbsohhobs(iii)(iv)(v) 而且而且d和和l两种异构体的数量大致相等两种异

8、构体的数量大致相等. phm ehm ehotshoacphm ehm ehoacphm ehhm eoac- h+苏 型96%为 苏 型仅 4%为 赤 型(3) 芳基参与作用芳基参与作用 位的芳基能发生邻基参与作用。位的芳基能发生邻基参与作用。+ccmemehhccmeotsmehh(c) - 参与作用参与作用 (i)的速度比的速度比(iv)快快350倍倍 hoachoacobshhoacoachacoacoh（ ii）（ iii）+121234567+- h+oachacohhoacobshobsh() () () ()四四. 反应的立体化学反应的立体化学反应的立体化学与反应机理相关反应的

9、立体化学与反应机理相关sn2机理：机理：walden转化nu-lccnulcnu由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以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产物发生构型转化walden转化。转化。nu:l+ l-nucc6h13hbrch3naohsn 2cc6h13hch3ho(r) - (-) - 2 - 辛烷辛烷25d= -34.25对映体的纯度对映体的纯度=100%(s) - (-) - 2 - 辛醇辛醇25d= -9.90对映体的纯度对映体的纯度=100%chch2phmeohtsclachch2phmeotsetohk2co3bchch2phmeoetc

10、hch2phmeokkcetbrchch2phmeoet= +33.0= +31.1= -19.9= +33.0= +31.1= -19.9= +23.5例如：例如：sn1机理：机理：c+nu-cl+nucnuc50%50%nu-l-试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对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。外消旋产物。正碳离子越稳定，消旋化程度越大。正碳离子越稳定，消旋化程度越大。c+hch3phoh-h2oclchch3phohcch3hphoh-cch3phhho49%51%消旋化消旋化 (racemization)五五. 影响反应活性的因素影响反应活性的因素（1

11、）底物结构的影响）底物结构的影响sn 2反应，反应，卤代烷的反应活性是：卤代烷的反应活性是：甲基甲基 伯伯 仲仲 叔叔r xnu-x-nursn2r ch3ch3ch2(ch3)3c(ch3)2chk23010.030例如：例如：sn1反应：反应：a. 电子效应电子效应b. 空间效应空间效应（2）亲核试剂的影响）亲核试剂的影响几点规律：几点规律：1带有负电荷的试剂的亲核性强于其共轭酸：带有负电荷的试剂的亲核性强于其共轭酸： oh h2o, ch3o- ch3oh2）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强；）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，中

12、性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中， 亲核性越强。亲核性越强。ro- ho- rco2- roh h2och3o- pho- ch3co2- no2-b. 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，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：负电荷越分散，亲核性越弱：h2n- oh- f-c. 同族元素，原子可极化度越大，试剂亲核性越强：同族元素，原子可极化度越大，试剂亲核性越强：f- cl- br- i-r - o - r - s - cl - br - i - （3）离去基团）离去基团 (leaving groups)nu:sn2+ ll-lcsn1c+nu

13、c离去基团带着一对电子离去基团带着一对电子离开中心碳原子，成为离开中心碳原子，成为负离子。负离子。接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。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：较好的离去基团是强酸的共轭碱：ah + ba + bh共轭酸共轭酸 1共轭碱共轭碱 2共轭碱共轭碱 1共轭酸共轭酸 2较好的离去基团是较好的离去基团是 pka rbr rcl rf（4）溶剂效应）溶剂效应溶剂的性质：介电常数溶剂的性质：介电常数越大，溶剂的极性越大。越大，溶剂的极性越大。（ 0）（ 0）非极性溶剂：非极性溶剂：ccl4, cs2, 极性溶剂极性溶剂质子型：质子

14、型：etoh, h2o, ch3cooh非质子型：非质子型：thf, et2o, dmf, dmso, hmpt 质子型溶剂质子型溶剂通过氢键缔合通过氢键缔合r o hnu非质子型溶剂非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用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。极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。sn 1反应：反应：rlr l慢慢r+l-nusn 2反应：反应：nu-l-r lnulnu rc 在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶剂的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。极性增加，不利于电荷的分散，使反应

15、速稍有降低。ro hnuhorhor在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：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- h2osn 2反应常在极性非质子型溶剂中进行。反应常在极性非质子型溶剂中进行。 极性非质子型溶剂极性非质子型溶剂 (polar aprotic solvents)不能与不能与 nu:形形成氢键，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。试剂，具有较高的反应活性。常见的极性非质子型溶剂有：常见的极性非质子型溶剂有：ponnnhc nch3ch3och3soch3n, n-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺dmf(dimethylformamide)二甲亚砜二甲亚砜dmso(dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺六甲基磷酰胺hmpt (hexamethylphosphorictriamide)在极性非质