第四章 取代反应#学习课堂

1、第四章 取代反应,定义： 通常取代反应是指化合物中原子或原子团被 其它原子或原子团所取代的反应。,取代反应,亲核取代SN,亲电取代SESE,游离基取代SH,分类,1,课件类别,亲核取代SN,A-: 亲核试剂 RX键断裂时，X带着一对成键电子 而分裂出去,2,课件类别,亲电取代SE,A+:亲电试剂 RX键断裂时，X不带成键电子 而分裂出去,3,课件类别,游离基取代SH,A:游离基 RX键发生均裂，R与X各带走一个 成键电子,4,课件类别,4.1 饱和碳原子上的亲核取代反应SN,根据反应物带不带电荷可分为四类：,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,分类,5,课件类别, 底

2、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：,6,课件类别,一、 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。,7,课件类别,碳正离子采取sp2杂化平面构型，亲核试剂从两边进攻几率相同，产物外消旋化,例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：,按SN 1 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,8,课件类别,2.双分子亲核取代(SN2)反应机理,动力学研究表明： 有一类亲核取代反应的速率与 底物的浓

3、度和试剂的浓度同时相关：,二级反应,其反应机理为：,没有中间体，构型发生翻转,9,课件类别,理想的过渡态具有在五配位碳原子上的三角双锥体几何形状。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，离去基团与中心碳原子的p轨道的交盖。,按 SN 2 机理进行的底物特征：,一级卤代烷容易按SN2机制进行反应，不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物可按SN2机制,10,课件类别,3.离子对机理,例如，,加入CH3ONa能使反应加快，但反应速度与CH3ONa 的动力学级数却不是整数,旋光性的a-氯代乙苯水解时，随着反应条件 的不同生成8398外消旋物质和217构型转 化的旋光活性物质,11,课件类

4、别,底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成 不同的离子对：,亲核取代反应的宏观性质就是这些不同速度过程之间互相 竞争的结果。,12,课件类别,二、 反应的立体化学,反应的立体化学与反应机理相关,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-,13,课件类别,(R)-(-)-2-溴辛烷 25D=-34.25 对映体的纯度=100%,(S)-(-)-2-辛醇 25D=-9.90 对映体的纯度=100%,= +23.5,14,课件类别,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。,15,课件类别,事实上，S

5、N1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，故 构型转化增多。,16,课件类别,三、 影响反应活性的因素,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,17,课件类别,新戊基卤代烷几乎不发生SN 2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。,18,课件类别,SN1反应：,A.电子效

6、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),0.26 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。,19,课件类别,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,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。,20,课件类别,B. 空间效应,与SN2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

7、.00 EtBr 1.00 i-pBr 11.6 t-BuBr 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。,21,课件类别,（二）亲核试剂的影响,Nu:不参与SN1反应的速控阶段，亲核性的改变 对SN1反应无影响；在SN2反应中起着重要作用,（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）亲核试剂的亲合能力由两个因素决定，一个是 给电子能力，另一个是可极化性。,22,课件类别,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- CH3CO

8、2- 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.同周期的元素，电负性越大，试剂的亲 核性越弱。,H2N- OH- F-,23,课件类别,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-,R - O - R - S - R - Se -,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。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,24,课件类别,（三）离去基团 (Le

9、aving groups),离去基团带着一对电子离开中心碳原子，成为负离子。,接受负电荷的能力越强，亲电性越大 （碱性越弱）亲核取代反应速率越大。,25,课件类别,1)较好的离去基团是强酸的共轭碱：,强酸的共轭碱是弱碱,重要的离去基团是pKa5的酸的共轭碱, 如：I- 是强酸 HI的共轭碱。,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 依次 增大,26,课件类别,（四）溶剂效应,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。,SN 2反应：,在过渡态中不产生新的电荷，而且还使

10、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。,27,课件类别,例：对甲苯磺酸-2-乙酰氧基环己酯的顺式和反式异构体 溶剂解反应的速度差670倍；顺式异构体得到的产物是反 式，反式异构体得到构型保持的产物。,旋光性的反式异构体原料得到外消旋的反式-二乙酸酯,四. 邻基参与效应,28,课件类别,定义：分子中亲核的取代基参与了在同一分子中另一部位上的取代反应，从而引起的反应物性能的改变，称之为邻基参与效应。 特点： 反应速率比预测的大邻基促进 手性碳的构型保持 和离去基团相邻的b位置上（有时

11、更远些） 有一个带有未共用电子对或者连接p键的取代基 3. 通式：,亲核试剂必须进攻 桥键型基团的反面,29,课件类别,重要的邻基,COO-、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、NH2、 NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、Cl、Br、I等,30,课件类别,由远位取代基上孤对电子引起的邻基参与,对溴苯磺酸4 甲氧基1戊酯,对溴苯磺酸5 甲氧基2戊酯,AcOH,+,31,课件类别,由CC引起的邻基参与,对甲基苯磺酸7降冰片烯基酯,对溴苯磺酸b-(顺 7降冰片烯)乙酯,25o乙酸解，（1）比（2）大 1011倍， (3)比(4)快140000倍,(2),(1),(4),(3),+,32,

12、课件类别,由苯基引起的邻基参与,(+)苏式3苯基2 丁醇对甲苯磺酸酯,苯桥正离子,33,课件类别,由环丙基引起的邻基参与,Ar：p-NO2C6H4,对硝基苯甲酸反丙 三环3,2,1,0辛8酯,(a),(b),溶剂解时前者比后者快1014倍 环丙基相当于一个双键，当它处在分子 的合适位置时，比双键的参与还强。,34,课件类别,4.2 芳香族化合物的取代反应,亲电取代反应（芳环上离域的电子的作用） 亲核取代反应（芳环上引入了强吸电子基团）,35,课件类别,一. 亲电取代反应,（一）加成消除机理,络合物,芳基正离子,芳正离子生成是决定反应速率的一步,实验已经证实芳正离子的存在：,m. p: -15,

13、36,课件类别,硝化反应：,生成芳正离子,脱去质子,37,课件类别,卤代反应：,溴分子在FeBr3的作用下发生极化,生成芳正离子,脱去质子,38,课件类别,（二）亲电取代反应的特性与相对活性,芳环上已有的取代基给予后来的取代基 反应的影响两类定向基团,致活效应：取代基的影响使芳环的反应活 性提高；把后来的取代基团引 导到邻、对位,致钝效应：取代基的影响使芳环的反应活 性降低；把后来的取代基团引 导到间位,39,课件类别,第一类定位基：,卤素对芳环有致钝作用，但仍能把后来的 取代基引导到邻位、对位诱导的场效应 氯和溴本身电负性大，使芳环电子云普遍 降低，使亲电基团不易进攻，一旦结合， 由于氯本身有未共用电子对，共轭效应使 邻对位正电荷分散。,第一类取代基（除卤素外）具有+I，或是 C效应，其作用是增大芳环的电子云密度。,40,课件类别,第二类定位基：,具有I或C效应,使芳环上的电子云密度降低。,41,课件类别,共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。,42,课件类别,二.芳环上