第22饱和碳键上亲核取代反应教程.ppt

1、第二十二章 饱和碳原子上亲核取代反应,一. 反应类型 (P532) 二. 反应机理 1. SN1机理 2. SN2机理 3. 离子对机理 三. 立体化学 1. SN2反应 2. SN1反应,四. 影响反应活性的因素 1. 底物的烃基结构 2. 离去基团 (L) 3. 亲核试剂 (Nu:) 4. 溶剂 五. 邻基参与反应P538,一. 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：,+, 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：,二. 反应机理,1

2、. 单分子亲核取代 ( SN 1)反应机理 P 535,反应分两步进行,生成正碳离子,亲核试剂进攻正碳离子：,第一步是决定反应速率的一步。,第一步,第二步,例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：,SN 1 机理反应体系： 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. SN 2反应机理,二级反应(双分子),动力学研究表明： 亲核取代的速率与底物的浓度和试剂的浓度相关. 立体化学: 构型翻转 (Walden inversion) P 533,S N 2 反应机理：,2020/7/18,2SN2反应的能量变化,SN2反应机理的能量变化可用反应进程 位能曲线图表示如下：,3. SN1机

3、理与离子对,底物解离成正碳离子要经过几步形成不同的离子对：, 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。,2020/7/18,三.亲核取代反应的立体化学,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-,2020/7/18,瓦尔登生于1863年7月26日，是帝俄时代的拉脱维亚人。幼年丧父母成为孤儿。在当地以优异的成绩小学毕业后，被公费保送到拉脱维亚的里加（R

4、iga）上中学，成绩优异。1882年19岁中学毕业，进入里加很有名的工业大学。1887年他跟着他的老师，当时颇有名望的化学教授威廉奥斯特瓦尔德去德国莱比锡大学，一面从事研究工作，一面做私人教师来维持生活，所以他于28岁时才获得博士学位。后来他回到母校工作，从助教、讲师、教授、教务长一直到校长。主要从事有机化学教学，并从事物理化学研究。18971899年这三年间，他从事有机立体化学研究，发现了著名的瓦尔登转化现象。由此引起英、美、德、意等国许多化学家进行类似的研究，使他成为国际上知名的化学家。,瓦尔登（Paul Walden,1863-1957）,2020/7/18,瓦尔登在1906年被选为俄罗

5、斯科学院院士。从1919年起被德国的罗斯托克大学聘任为教授。从此他成为国际化学界很活跃的一位化学家。1929年受聘为美国康乃克大学的客座教授。1934年他曾担任第九届国际“纯粹和应用化学联合会”的会长，历时四年。1942年第二次世界大战期间，他在罗斯托克的家被毁，他不得不逃到德国土宾根，成了土宾根大学的客座教授。 瓦尔登一生的著作很多，发表论文将近二百篇。他写的书有瓦尔登转化(1919)，非水溶液(1924)，作为化学家的歌德(1932)，化学简史(1947)等。他一生名誉很多，得过许多国外大学授予的荣誉学位，得过很多国外学术机构赠的奖章。他之所以取得惊人的成就是勤奋努力的结果，他自己说，曾经

6、有些年每天只睡上3-4小时，而大部分时间用来读书和做实验研究。 瓦尔登于1957年1月22日在土宾根因病逝世，享年94岁。,返回,(R) - (-) - 2 - 辛烷,(S) - (-) - 2 - 辛醇,构型翻转,2 、 SN1 、 SN2 混合机理：,77%构型反转,100%构型反转,产率22%,产率78%,2-辛醇对溴苯磺酸酯,3、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。,消旋化,正碳离子越稳定，消旋化程度越大,2020/7/18,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

7、，故构 型转化增多。,2020/7/18,总结: SN1反应与SN2反应的区别 SN1 SN2 单分子反应 双分子反应 V = K R-X V = K R-X Nu： 两步反应 一步反应 有中间体碳正离子生成 形成过渡态 构型翻转 + 构型保持 构型翻转（瓦尔登转化） 有重排产物 无重排产物,2020/7/18,邻基参与效应,复习：b-溴代醇与HBr反应的立体化学,meso,外消旋体,立体专一反应,通常：,SN2 or SN1 非立体专一,2020/7/18,邻基参与机理的解释,分子内SN2 （邻基参与）,meso,Br作为亲核试剂,环正离子 （溴鎓离子）,2020/7/18,邻基参与效应：邻

8、位亲核性基团促进了离去基团的离去,2020/7/18,例 2,构型保持,SN2,SN2,邻基参与机理,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,（一）底物结构的影响,SN 2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。,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

9、SN 1 反应的反应速率增大：,相对速率 (k1),0.26 0.69 0.86 100 10 5 10 10,当取代基具有I、 超共轭效应、C效应， SN 1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-Z-CH2-L)， SN 1反应速率明显增大：,SN 1反应 速率,109 1.0 0.2,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,与SN 2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 MeBr 1.00 EtBr 1.00 i-pBr 11.6 t-Bu

10、Br 1.2106,四面体,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。,（二）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

11、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-,RO - RS - RSe -,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。 试剂的亲核性：空间效应电子效应：,负电荷也很集中，碱性很强，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,亲核性依次减弱，碱性依次增强。,同理：,（三）离去基团,离去基团: 带着一对电子离开中心碳原子，成为负离子。,

12、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。 三氟甲磺酸基,-OTf,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：,F Cl Br I,可 极 化 度,（四）溶剂效应,溶剂的性质：介电常数 ()越大，溶剂的极性越大。,:是衡量溶剂稳定离子的能力。(溶剂隔离正负离子的能力),（ 0）偶极距,（ 0）,非极性溶剂：CCl4, CS2,

13、极性溶剂,质子型：EtOH, H2O, CH3COOH,非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT,极性 溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。,溶剂效应将一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。,SN 1：,SN 2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。,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,在质子型溶剂中：,SN 2常选极性非质子型溶剂,它不能与Nu:形成氢键，不能使亲核试