第二章饱和碳原子上的亲核取代反应

第二章饱和碳原子上的亲核取代反应第1页，共26页，2023年，2月20日，星期三

（1）中性底物+中性亲核体例如：（2）中性底物+负离子亲核体

例如:2、亲核取代反应的分类第2页，共26页，2023年，2月20日，星期三（3）正离子底物+中性亲核体例如：（4）正离子底物+负离子亲核体

例如：饱和碳原子上的亲核取代反应包括：卤化反应、酯化反应、氰化反应、胺化（季胺化）反应、烃化反应、水解反应等单元反应。常见饱和碳原子上的亲核取代反应见课本表2－1。第3页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.1亲核取代反应的历程

1、反应历程的定义

通过化学反应生成产物所经历的全部详细过程。其中包括键的断裂与生成、断裂的顺序、活性中间体是否生成、分步进行情况以及每步的相对速度等。反应历程能帮助我们把许多看起来无关的反应联系在一起，找出它们的共同规律，用以指导反应条件的选择，达到提高产率的目的，并可作为新的合成反应的依据。2、亲核取代反应历程的分类

脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应，根据作用物、亲核试剂、离去基团和反应条件的差异，可以按不同的历程进行，两种极限的情况是：单分子亲核取代反应历程（SN1）和双分子亲核取代反应历程（SN2）。

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反应的第一步是慢反应，为决速步，因此反应速度可表示为：

反应速度＝K1[R-L]

注意：这类反应的进行取决于R＋正碳离子的生成，故R＋越稳定，它就越容易生成，则反应速度越大。

按SN1历程进行反应的，主要有叔卤代烷及其衍生物以

被共效应所稳定的仲卤代烷及其衍生物。

（1）单分子亲核取代反应历程（SN1）第5页，共26页，2023年，2月20日，星期三（2）双分子亲核取代反应历程（SN2）

Nu:-+R-X[Nuσ-…R…Xσ-]R-Nu+X:-

过渡态的形成为决速步，因此，反应速度与反应物和亲核试剂的浓度都有关，反应速度＝K[RX][Nu-]

按SN2历程进行反应的，有伯卤代烷及其衍生物以及许多仲卤代烷及其衍生物。第6页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.2亲核取代反应的立体化学2.2.1SN2反应的立体化学

如果中心碳原子是手性的，其构型必然发生翻转，即产物的构型与原来化合物的相反，这种反应过程称为构型的翻转，或叫做瓦尔登（Walden）转化。因此，完全构型的转化可作为SN2反应的标志。2.2.2SN1反应的立体化学按SN1反应的立体化学比较复杂，产物的构型转化与否，主要取决于生成的中间体碳正离子的稳定性。第7页，共26页，2023年，2月20日，星期三1、中间生成的碳正离子相当稳定；

此时，碳正离子具有对称的平面结构，因而试剂从两方面进攻的几率相等，如果所用原料是旋光性的，将发生外消旋化。例如旋光活性的α-氯苯乙烷水解时，98％发生外消旋化。

第8页，共26页，2023年，2月20日，星期三2、中间生成的碳正离子寿命很短；

当被取代的原子或基团尚未完全离开形成负离子时，亲核试剂就已经进攻中心碳原子了，此时离去基团对于亲核试剂从正面进攻中心碳原子在一定程度上产生屏蔽效应，因此，亲核试剂从离去基团背面进攻中心碳原子的几率要大一些，在这种情况下，构型转化的产物必然要多些。如果所用原料是旋光性的，则得到的产物除外消旋混合物外，还有部分转型产物。第9页，共26页，2023年，2月20日，星期三3、反应物中存在第二种基团，它能使碳正离子保持角锥体构型（即阻止平面构型的生成）－分子内亲核取代（SNi）

进攻试剂只能占据被取代基团的位置，因此，产物保持构型。这一现象称为邻近基团的参与作用。例如2-溴丙酸在稀碱溶液中水解时，生成保持原有构型的乳酸。

第10页，共26页，2023年，2月20日，星期三（1）邻基参与作用的原因：外加的Nu必须和作用物有效碰撞后才能发生反应，而邻基原子更近,处于的位置有利，更易参与作用，一定条件下，反应很容易发生；（2）能发生邻基参与作用的基团:具有未共用电子对的原子或基团；含有碳-碳双键等的不饱和基团、具有π键的芳基以及C-C和C-Hσ键。分别称为n电子参与、π电子参与和σ电子参与。第11页，共26页，2023年，2月20日，星期三（1）n电子参与作用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β位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。常见的基团有：COO-（但不是COOH）、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl(I>Br>Cl)

第12页，共26页，2023年，2月20日，星期三(2)π电子参与作用C=Cπ键、C=Oπ键也有邻基参与作用，如反-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于π参与，反应速率比相应的饱和酯快1011倍，且产物构型保持。第13页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.3影响亲核取代反应速度的因素2.3.1溶剂的影响

溶剂对亲核取代反应所起的作用，不仅是重要的，而且是复杂的，主要是通过影响过渡态的稳定性从而影响反应活化能，以达到影响反应速率。

1、绝大部分SN1反应是由中性分子离解成带电荷的离子，过渡态的电荷比反应物有所增加。

溶剂极性增加，使过渡态的能量降低，从而降低反应的活化能，使反应加速。

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例如叔卤代烷的溶剂解反应随溶剂极性增加而加速。2、在SN2反应中，溶剂的影响情况比较复杂。如果过渡态的电荷比反应物有所增加，溶剂极性加大，更能稳定过渡态，使反应速率加快；如果过渡态的电荷比作用物有所减少或过渡态的电荷更加分散，则溶剂极性增加更能稳定反应物分子，不利于过渡态的生成，使反应速率减慢。

第15页，共26页，2023年，2月20日，星期三表2-1SN2反应中溶剂极性影响情况

因此，增加溶剂的极性，能使多数的SN1反应速率加快，SN2反应速率减慢。反应类型过渡态相对于作用物的电荷变化增加溶剂极性后速率变化电荷增加电荷分散电荷减少电荷分散速率加快速率减慢速率减慢速率减慢第16页，共26页，2023年，2月20日，星期三

3、对于同一反应，改变溶剂极性甚至可以改变反应历程。在SN1反应中，决定反应速率的步骤是C－L键的解离，所以溶剂的离子化能力越强越容易解离，因此增大溶剂的极性和离子化能力，可使反应历程由SN2向极限的SN1方向转变。同理，如将质子溶剂改变为非质子溶剂时，则常使极限的SN1向SN2反应历程方向转变。第17页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.3.2反应物RX结构的影响1、电子效应（1）对于SN1反应：凡能使碳正离子能量降低的因素，即稳定碳正离子的因素，必然降低过渡态的活化自由能，从而提高反应速率；反之，就会降低反应速率。

练习：比较下列各氯代化合物水解速度第18页，共26页，2023年，2月20日，星期三（2）对SN2反应：R基团的给电子性增大，将使被进攻的碳原子上的电子云密度增加，不利于亲核试剂的进攻和过渡态的形成，从而使反应速度减慢；反之，则加快反应速度。例如，α-卤代羰基化合物的亲核取代反应。

2．空间效应

对于SN2反应来说，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：

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显然，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的拥挤程度就越严重，必然会显著地降低反应速率。对于SN2反应，或碳上有分支，空间位阻愈大，都使反应速率减慢。

对于SN1反应来说，在速率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。实际上，除在极端情况下，这种空间效应是较小的，主要的影响因素仍然是电子效应。第20页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.3.3亲核试剂Y的影响

在SN1反应中，Y的亲核性能对反应速度无影响，因为SN1的反应速度只取决于R-X键的解离；但在SN2反应中，Y的亲核性能（即给电子倾向）愈大，则反应速度愈快。

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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。首先，碱性是指试剂对质子的亲和能力，而亲核性则是指试剂在形成过渡态时对碳原子的亲和能力；其二，碱性是指对热力学平衡的影响，与平衡常数有关；而亲核性则意味着与动力学过渡态情况有关，直接影响反应速率；其三，碱性很少受到空间因素影响，而亲核性对空间效应的影响很敏感。第22页，共26页，2023年，2月20日，星期三

实际上亲核性所涉及的范围比碱性要广，亲核性不仅与碱性大小有关而且与亲核原子的可极化性、电负性、试剂的空间位阻、溶剂的极性等有关。1、试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况：(1)试剂中亲核原子相同时，其亲核性与碱性顺序一致，如RO->HO->ArO->RCOO->ROH>H2OOH->H2ORO->ROHRS->RSH(2)周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂，其亲核性与碱性顺序一致，如NH2->OH->F-R3C->R2N->RO->F-第23页，共26页，2023年，2月20日，星期三

2、试剂的亲核性与碱性强弱不一致的有以下三种情况：周期表中同族元素产生的负离子或分子中，中心原子可极化度大的，亲核性较强。RS->RO-RSH>ROHR3P>R3N再如I-、SH-、SCN-，这些离子虽然碱性很弱但是其可极化性很高，因此亲核性均很高。溶剂化作用强的试剂其亲核性小。如卤离子在水、醇等质子性溶剂中亲核性大小顺序为：I-＞Br-＞Cl-＞F-，与其碱性顺序正好相反。若在N，N－二甲基甲酰胺、二甲亚矾等偶极非质子溶剂中，卤离子的亲核性顺序为：I-<Br-<Cl-<F-,与碱性大小顺序一致。第24页，共26页，2023年，2月20日，星期三空间位阻大的试剂亲核性小。如烷氧负离子亲核性大小次序为：CH3O->C