有机化合物中的离去基团包括卤素元素.ppt

1、Chemical Transformations I : Hydrolysis And Reactions Involving Other Nucleophilic Spices,第13章 化学转化 ：水解反应与亲核反应,13.1 引言 Introduction, Overview,不同电负性的两原子之间的共价键是具有极性的，即其中一个原子携带部分正电荷，而另外一个携带部分负电荷。 在有机分子中，这种极化键有可能成为化学反应的作用位点，其中亲核物质被缺电子原子吸引，而亲电物质被带有部分负电荷的原子吸引。,2,环境中大部分与有机物发生化学反应的化学物种是无机亲核物质,3,13.1 引言,离去基团

2、：亲核物质与具有极性键的有机分子相遇时，亲核物质中的给电子原子可能与有机分子中的缺电子原子成键，从而引起有机化合物的改变，在这一过程中形成了新的化学键，因而一定有另外的键发生断裂，也就意味着有原子团或原子从有机化合物中分离，这种分离的原子或者原子团就是离去基团。 有机化合物中的离去基团包括卤素元素，醇，以及一些复杂的原子团如磷酸根等。 分子中某一特定部分是否是好的离去基团，可以从离去基团是否能在水溶液中形成稳定物种的一个实体，共轭酸 pKa 低的基团是好的离去基团。 水解反应：水分子（或氢氧根离子）取代有机分子中的原子或原子团的反应被称为水解反应。,4,13.1 引言,5,13.1 引言,6,

3、13.1 引言,7,13.2.1 饱和碳原子上卤素元素的亲核取代 Nucleophilic Displacement of Halogens at Saturated Carbon Atoms 描述脂肪族亲核取代反应的两种不同反应机理：,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应 Nucleophilic Substitution and Elimination at Saturated Carbon Atoms,8,（1）SN2反应机理（S-Substitution，N-Nuclear，2-Biomolecular） 在图（13.1）描述的情况下，亲核物质（如Nu-）从离去基团L-（如卤素）

4、的另一侧“攻击”碳原子而发生反应。,图13.1 SN2反应中反应物、活化配合物与产物的相对自由能的二维示意,9,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,反应的难易首先取决于亲核物质的相对亲核性。 在SN2反应中，活化所需的标准自由能 及由其决定的反应速率很大程度上取决于启动取代反应的亲核物质的性能与有机分子在反应过程中的自发性。 的大小取决于： SN2反应遵循二级反应速率定律：,(13.1),10,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,式中，k二级反应速率常数。,亲核物质达到反应位点的能力（即空间位阻的大小）； 反应中心的电荷分布； 离去基团从分子中分裂出去的难易程度。,（2）SN1

5、反应机理（S-Substitution，N-Nuclear，1-Monomolecular）,11,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,在SN1反应机理中，假定这种取代分两步进行：,第一步是限速步骤（rate-determining）离去基团完全从有机分子中离去，离去基团离去的同时携带走部分电子，从而形成中间产物（反应历程中能量最小时的临时产物）碳阳离子（carbocation）； 第二步，具有活性的碳阳离子与亲核物质结合形成产物。 在这类反应中，反应速率取决于离去基团从分子中脱离的难易程度，在该反应历程中决定 的重要因素是形成的碳阳离子的稳定性，因此这种机理更易在碳阳离子稳定的情况下

6、（如共振）发生。,12,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,该反应中表观速率符合一级反应速率定律：,k 一级反应速率常数,水溶液中，SN1反应机理通常更易于在形成水解产物时（如由-OH取代-L）发生，因为亲核物质不参与限速步骤，且水分子很多，因而极其易与活性的碳阳离子发生碰撞。,13,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,（13.2）,（3）亲核物质对取代离去基团的相对影响,图13.325 时甲基卤与不同亲核物质反应的二 级反应速率常数,二级反应速率常数 k/（Lmol-1S-1）,离去基团L,14,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,通过对甲基卤在水溶液中的亲核取代反应

7、的研究表明：某一确定的甲基卤与不同亲核物质反应时，有着与其它甲基卤相同的相对反应活性；,以水溶液中甲基溴被亲核物质亲核取代的反应为参照反应得到：,15,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,kNu 由亲核物质引起的亲核取代的二级反应速率常数； kH2O 由水（标准亲核物质）引起的亲核反应二级反应速率常数； n 攻击倾向或亲核物质的亲核性的量度； s 反映有机分子对亲核物质攻击的敏感程度。,表 一些重要环境亲核物质的nNa,CH3Br,目前在药理学、毒理学以及基础化学应用中，无机及有机亲核物质的亲核性有另外一个参照反应即在甲醇中的甲基碘的取代反应量化：,图13.4 一些亲和物质的nNa,C

8、H3Br与nNa,CH3I关系,16,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,（13.4）,某些构成天然有机物的典型有机亲核物质（嘧啶，PhNH2， PhO-， (C2H5)2NH)的nNa,CH3Br介于3.5-5之间，是水分子的105倍。 Gan等推断甲基溴与这种NOM成分的SN2反应对于土壤中广泛使用的烟熏剂是重要的反应沉淀池。 叠氮化物是与Br-具有类似强度的亲核物质,因此在大量使用这种生物抑制剂的时候，一定要小心避免在给定样品或体系中引起不必要的SN2反应。 还原性无机及有机硫化物是环境中存在的最重要的亲核物质。,17,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,表13.4 一些

9、重要环境亲核物质的 nNa,CH3I,影响化学物质亲核性的主要因素有： 亲核物质离开溶液到达反应中心的难易程度； 成键原子贡献出电子以形成过渡态的能力。因此亲核物质的亲核性随其溶剂化能减少而增加，因为较大原子（如S，I）的价电子更加容易极化，并且较大“软”物质通常具有较低的溶剂化能，它们与较小的硬物质相比是更好的亲核物质 。 F-到Cl-、Br-、I-亲核性依次增加 HS-比HO-是更好的亲核试剂,18,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,【详注13.1】 软硬Lewis酸碱理论 Lewis酸：电子受体，亲电物质 Lewis碱：给电子，亲核物质 硬酸和硬碱相对较小，具有较高的电负性和较

10、低的极化率 软的酸和碱相对较大，具有较低电负性和较高的极化率,规则1平衡规则。硬酸倾向于与硬碱相联系，软酸倾向于与软碱相联系 规则2动力学规则。硬酸易于与硬碱反应，软酸易于与软碱反应,硬物质 边界物质 软物质,19,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,表 13.5 与卤代烷烃发生SN2反应时，亲核物质为了与水竞争所必需具有的浓度计数值,在淡水环境，亲核物质的浓度都很低，不足以与水竞争。 但是在海水中，Cl-足以与水分子竞争；在地下水硫酸盐环境，HS-成为很好的亲核试剂。,20,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,（13.5）,21,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,【

11、例题 13.2】某些包含甲基溴的反应,问题 在含有100 mmol L-1 Cl-，2 mmol L-1 NO3-，1 mmol L-1 HCO3-，以及0.1 mmol L-1 CN-1的水溶液（pH值=7.0，T=25 ）中，试估计以低浓度（1 mmol L-1）存在的甲基溴的半衰期。已知在pH值7.0，25的纯水中，CH3Br的半衰期约为20 d。,解答 由于所有的亲核物质的浓度都过量（远大于CH3Br0）, CH3Br发生的反应可以描述为假一级反应，其一级反应速率kobs为 (1),22,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,通过表13.5 可以看出它与NO3-和OH-的反应可被

12、忽略。为了估计与其他亲核物质反应的速率常数，将s=1代入重排过的式（13.3）得 （2） 将表13.3中的nNu,CH3Br值代入式（2），各亲核物质j的kNu代入式（1），得 （3） 将不同亲核物质的浓度代入式（3），得,这一计算说明甲基溴与氯的反应的重要性约是其中性水解的2倍，而与另两个亲核物质反应仅占CH3Br总变化速率10%。注意，在某些情况下，一个小反应可能因生成更加持久的有毒产物（本例中是乙腈， CH3CN）而变得相当重要。,23,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,故用已知的水解半衰期（20 d）计算kH2O为,所以，CH3Br在水溶液中的半衰期为,在纯水中,亲核物质越弱

13、，就可能是越好的离去基团。因此，可以推测甲基卤的反应活性按以下顺序降低：CH3F CH3Cl CH3Br CH3I. 然而，试验得到的信息确几乎相反。,24,（4）离去基团,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,键本身的强弱也是决定反应速率的一个主要因素，如甲基卤的反应活性顺序就是由碳-卤键的强弱决定。,在很多情况下不可能也没有必要对某一亲核取代反应严格的界定其属于SN1反应还是SN2反应，如果在亲核取代反应中亲核物质起到它所能够起的最重要的作用，则认为是一个SN2反应。在另一种极端的情况下，即SN1反应中，亲核物质完全与反应速率无关。 如比较卤代烷烃的水解半衰期，我们注意到当碳-卤键的

14、碳从伯碳、仲碳变化到叔碳时，反应速率急剧增加。在这个变化过程中，给电子的甲基使碳阳离子稳定性增加，从而降低了形成碳阳离子所需要的活化能，使得反应向SN1反应机理移动。,25,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,26,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,表 13.6 25时中性pH值下一些单卤代烃的水解半衰期与推测的反应机理,小 结,在SN1和SN2这两种极端情况之间，亲核物质的相对重要性取决于几个因素：亲核物质本身、不同的空间排列（空间位阻）以及静电场（组合的稳定性）等因素。 至于产物形成的可能性，我们已经了解只有当其他亲核物质以较可观的浓度存在，并且以类似SN2机理发生反应时

15、它才能与水竞争。,27,图13.5 烷基溴与硫化物的反应历程,环境条件下多卤代甲烷的水解很慢，这主要是由于体积较大且富含电子的卤元素产生的空间位阻和反馈键，因此这类化合物在碳原子上的亲核取代反应的环境显著性较小。但多卤代甲烷与其它多卤代化合物在一定的环境条件下，可能通过其他途径如脱卤化氢还原作用而发生反应。,13.2.2 多卤代烷烃的消除反应机理（Polyhalogenated Alkanes-Elimination Mechanisms）,-消除反应。,如果L为卤素，则这类反应成为脱卤化氢反应,28,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,反应程度,自由能,消除反应是以一种“协同“的方式

16、发生的，多卤代化合物与碱相互作用并且生成一种过渡状态。该反应服从二级动力学规律,E2机理,29,图13.16 1，1，2，2-四氯乙烷通过 E2 机理发生-消除反应时反应物、活性配合物以及产 物的相对自由能,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,亲核取代反应与-消除反应的相对重要性,通常，如果分子中亲核取代反应存在空间位阻，且/或者在携带离去基团的碳原子邻位碳上存在相对酸性的质子时，-消除反应是重要的。 酸性越强，反应发生越快。 越是多卤代越符合这种特征。 一般E2反应要求反平面结构。,30,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,林丹的结构图：,E1CB机理 和 E2 反应,它们都

17、是由碱攻击不稳定的氢开始反应。不同在于， E1CB是通过普通的酸碱反应开始其降解过程的，而不是通过协同反应（E2机理）开始的。这种反应主要在烷基底物的化合物中发生，它们具有高酸性的氢，并且具有提供稳定碳阴离子的能力。,DDT,1,1-二氯-2,2,2-三氯乙烷,31,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,E1与E2反应,E1（E代表消除反应，1代表单分子），若存在携带一个或几个H的邻接碳原子，它通常会与SN1反应发生竞争。消除反应的机理也可能是介于E1与E2之间的中间情况（与亲核取代反应的陈述类似）。,13.11,32,13.2 饱和碳原子上的亲核取代与消除反应,小结,具有饱和碳卤键的环

18、境物质的亲核取代与-消除反应 卤素从有机分子的饱和碳上移去的反应（SN或E机理）的活化能介于80120 kJmol-1之间。因此这些反应对温度非常敏感，10的温差就意味着反应速率相差3-5倍。 化合物可以通过几种相互竞争的机理发生反应。这种情况下，总的反应速率将由各独立的反应速率组合得到。即,33,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应 Hydrolytic Reactions of Carboxylic and Carbonic Acid Derivatives,13.3.1 酯的水解反应 （Carboxylic Acid Esters）,P339从13.14-图13.7,X 脂类官能团

19、的键被定义为-Z-O-R ，其中Z= C, P, S; X=O, S; R是碳核取代基。,其中X可能是O、S或者NR。,羧酸衍生物和碳酸衍生物的例子,34,图中反应速率的变化是三个独立反应的同时发生的结果： 被H+催化的反应 OH-催化的水解 由H2O的攻击而发生。,图13.8 25时一些羧酸酯的水解半衰期随pH值的变化,简化为,表观水解（假一级反应）速率常数kh,水解半衰期：,35,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,酸、碱及中性催化反应对总水解反应的相对重要性,中性反应速率在某些pH范围内有显著贡献,中性反应的贡献可忽略,酸、碱及中性催化反应是三种差异很大的反应，它们各自有不同的反

20、应机理，因此有不同的动力学参数。由于反应活化能不同，各反应的相对重要性（由 I 表示）取决于反应温度。此外，取代基团对三种催化反应也有不同的影响。,Lg(kN/kA),Lg(kN/kBkW),36,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,37,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,【例题13.4】由实验数据导出水解反应的动力学参数 考虑2,4-二硝基苯基乙酸酯（DNPA）水解的情况，它在pH值2时的酸催化反应是不重要的（见图13.8）。在一个实验课上，用HPLC法测得均匀水溶液中DNPA的浓度在不同pH值与温度条件下随时间变化的情况（详见Klausen等，1997）。 问题 试确定2

21、2.5，pH值分别为5.0和8.5时这一反应的（假）一级反应速率常数kh，所需数据见表1.,38,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,表1,解答 假定一个（假）一级反应速率常数kh可以通过ln(DNPAt/DNPAo)对时间的最小二乘拟合得到（参见图1），即,39,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,得到kh值为,注意这里kh随pH值增加而增加，这表明至少在较高pH值下碱催化反应其重要作用。,(1),图1 ln(DNPAt/DNPAo)对时间的最小二乘拟合,40,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,问题 用上述给出的数据导出22.5时DNPA在中性和碱性催化水解时的速率

22、常数（kN与kB）。在什么样的pH值条件下，两种反应同样重要？ 解答 设在考察的pH值范围内酸催化反应不重要，则式（3.17）可简化为,(2),发现当pH值为4.0和5.0时，kh的值非常接近，这说明直到pH值为5.0时碱催化反应都可以忽略，因此,41,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,由这个kN值，重新整理式（2），可以确定kB为,氢氧根离子的浓度由下式计算 见式（8.18）,注意温度会强烈影响水的电离常数Kw。在22.5时Kw=10-14.08（见附录D表D2）。所以，当pH值=8.5（即H+=10-8.5）时，OH-=10-5.58，以及,42,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物

23、的水解反应,注意温度会强烈影响水的电离常数Kw。在22.5时Kw=10-14.08（见附录D表D2）。所以，当pH值=8.5（即H+=10-8.5）时，OH-=10-5.58，以及中性和碱催化反应同样重要时的pH值即INB可以通过下式计算（见图13.9）。,因此，在pH值为8.5时，通过碱催化的DNPA水解占优势。,43,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,问题 使用表2 给出的数据导出DNPA中性水解的Arrhenius活化能Ea。,解答 根据式（12.29），速率常数随温度变化可以描述为,44,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,注意，在我们考虑的温度范围内，假定Ea为常数

24、。将摄氏温度（）转化为开氏温度（K）,并且计算1/T的值，并对kN取自然对数（见表2）。 将lnkN对1/T作最小二乘拟合，其斜率为,因此有,测得碱催化反应中的Ea值为60.0 kJmol-1（数据没有列出）。,45,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,【例题 13.5】计算水解反应时间温度与pH值的变化 问题 分别计算下列条件下DNPA通过水解减少到其初始浓度的50%（半衰期）与5%时所需的时间：（1）处于湖的变温层内（T=22.5，pH值=8.5）；（2）处于同一个湖的均温层中（T=5，pH值=7.5）。 解答 水解半衰期可以通过下式计算。,(12.13),46,13.3 羧酸衍生

25、物与碳酸衍生物的水解反应,用类推的方法，浓度减少到5%（DNPAt/DNPAo=0.05）时所需的时间为见【例题 13.4】中的式（1）,用前面导出的kN与kB的值以及OH-=10-5.58 molL-1计算22.5、pH值8.5时的kh。,注意在pH值8.5、22.5时，碱催化水解占优势。将kh代入式（12.13）与式（1），得,(1),47,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应, 用上面导出的22.5（295.7 K）时相应的速率常数计算5 时（278.2 K）的kN和kB值见式（12.30）。,其中T2=295.7 K，T1=278.2 K，且Ea是【例题 13.4】中给出的活化能

26、，得到如下结果。,与变温层相反，DNPA在均温层中的水解是中性催化反应占优势，相应的反应时间为,48,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,因此，在题设条件下，DNPA在湖中变温层的水解比在均温层的水解快约40倍。,图13.10 羧酸酯酸催化水解的假想反应路线,质子进攻,速控步,电荷转移,离去基团离去,氢释放,中间四面体,49,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,50,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,酯因酸催化 水解而减少的速率为,那么我们可以把质子化酯分子的浓度表示成,（1）酸催化水解,51,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,或者，将式（13.20）代入式

27、（13.20）得,因此，二级反应速率常数可以从其他速率常数的组合得到，即,为什么酸催化酯水解对电子取代效应相对不那么敏感呢？ 吸电子能力强，减少了速率限制步骤的 ，从而使kA增加。 吸电子取代使酯基团更加酸化，引起质子化酯的Ka增加。从而造成kA的变化不明显。,52,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,图13.11 羧酸酯的碱催化水解反应路线,（2）碱催化水解,53,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,54,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,图13.12 羧酸酯的中性水解反应路线,（3）中性水解,非常类似假定的碱催化反应，离去基团的解离（用INB表示）可能决定反应速率

28、。但这种条件下，这种情况变得更为复杂。,55,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,离去基团的改变，以及在某种程度上考虑羧基部分的取代，对kN比对kB有更大的影响。因为水分子与OH-比是弱的亲核基团。,56,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,表 13.9 25时一些羧酸酯 kN与 kB 值的比较以及离去基团与极性取代基团对kN与 kB 的影响,13.3.2 酰胺 （Carboxylic Acid Amides）,与脂官能团相比，酰胺官能团具有更小的反应活性，因为 -NR2R3 基团的负电荷比 OR2 基团的少。更重要的是 -NR2R3 基团是弱的离去基团。由于这些因素以及酰胺基

29、团的强碱性，与酸或碱催化反应相比，中性水解通常就不重要了。,57,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,13.3.3 氨基甲酸酯 Carbarnates,图13.13 机理中包含四面中间体时氨基甲酸酯的碱 催化水解反应路线,氨基甲酸酯有两个可能的离去基团，碱催化水解扮演重要角色，酸催化反应通常可以忽略。因为吸电子基团太多，质子化不能显著地加强亲核攻击的敏感性。,58,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,59,图13.14 当机理包含一个消除步骤时，氨基甲酸酯的减催化水解反应路线,60,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,13. 3. 4 定量结构反应性思考Quantita

30、tive Structure-Reactivity Considerations,13. 3. 5 Hammett 相关 Hammett Relationship,吸电子基团，是好的离去基团，具有较大的水解速率常数。反应介质不同，不同。,61,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,立体效应的定量比电子效应的定量困难的多,62,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,图13.15 乙醇/水介质（体积比85:15，25）中，取代基对苯甲酸乙酯酸碱催 化水解的影响,63,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物的水解反应,【例题 13.6】用Hammett 相关估计水解速率常数 考虑3,4,5-三氯苯基-N-苯基氨基甲酸酯的碱催化水解过程。 问题,请利用报道的其他取代苯基-N-苯基氨基甲酸酯的kB值（见表1）估计25时的反应（1）的二级反应速率常数kB。,表 1,（1）,64,13.3 羧酸衍生物与碳酸衍生物