亲核取代反应.ppt

1、sp3杂化碳原子的亲核取代反应Nucleophilic Substitutions at sp3 Hybridized Carbon,第八章,本章重点内容,SN1 和 SN2 反应的机理 SN1 和 SN2 反应的影响因素 SN1 和 SN2 反应 的立体化学 SN1 与 SN2 反应的竞争问题 SN1 和 SN2 反应在合成上的应用 1. 实现官能团的相互转化 2. C C 键的形成,亲核取代反应Nucleophilic Substitution Reaction,实验事实,结论：两种不同的机理,两种不同的亲核取代反应机理 SN1 和 SN2,双分子亲核取代反应（SN2） 单分子亲核取代反应

2、（SN1）,SN1 和 SN2 反应的影响因素,底物 RX（以卤代烃和磺酸酯为代表) 离去基团 X- 亲核试剂 :Nu or :Nu- 溶剂,1. SN2 反应的机理,一步反应，动力学表现为二级反应 亲核试剂是从离去基团的背面进攻 因此发生构型的转化,一、SN2 反应,SN2反应中过渡态结构： sp2杂化 新键已部分形成，旧键已部分断裂,1. SN2 反应的机理,一、SN2 反应,1. SN2 反应的机理,一、SN2 反应,2. SN2 反应的影响因素,1) Substrate（底物） - Steric Effects SN2反应活性: methyl 10 20 30,一、SN2 反应,2.

3、SN2 反应的影响因素,1) Substrate（底物） - Steric Effects,2) The leaving Group（离去基团） 离去基团的离去倾向越大，SN2 反应活性越高。 碱性越弱，离去基团的离去倾向越大。 Relative reactive（反应活性）: OH-, NH2-, OR-, F- Cl- Br- I- TsO-,一、SN2 反应,2. SN2 反应的影响因素,3) Nucleophile (亲核试剂 ) The nucleophile can be neutral or negatively charged as long as it has an unsh

4、ared pair of electrons. So it is also a Lewis base（路易斯碱）. Basicity (碱性)- how well the base shares electrons with a proton. Nucleophilicity (亲核性)- how readily the nucleophile is able to attack an atom (e. g. carbon) other than a proton.,一、SN2 反应,2. SN2 反应的影响因素,3) Nucleophile (亲核试剂 ) 亲核试剂的亲核性越强，反应活性越高

5、。 亲核性强弱常受到底物、溶剂甚至是浓度的影响。 因此，比较亲核试剂的强弱应该确定一个标准，最好在相同的底物和相同的反应条件下比较：,一、SN2 反应,2. SN2 反应的影响因素,3) Nucleophile (亲核试剂 ) 关于亲核试剂的亲核性强弱顺序尚无完善的解释，不过一般有如下的规律: 当亲核试剂的进攻原子大小相同或相近时，亲核性强弱顺序与碱性基本相同； 如： -CH3 -NH2 HO- F-； HO- H2O； CH3O- CH3OH； -NH2 NH3；,一、SN2 反应,2. SN2 反应的影响因素,3) Nucleophile (亲核试剂 ) 在质子性溶剂中，同一族元素的原子随

6、周期数的增加亲核性增加 (碱性降低）。 原因： 原子可极化性 溶剂化效应,一、SN2 反应,2. SN2 反应的影响因素,原子半径越大，可极化性越大，易成键。,4) The Solvent 对亲核性的影响（溶剂） Protic solvents (质子性溶剂) 含有 -OH 或 -NH 不利于SN2 反应,一、SN2 反应,2. SN2 反应的影响因素,原因：质子性溶剂使亲核试剂阴离子溶剂化，即发生离子偶极相互作用，亲核性降低。碱性越强，亲核性降低越大。,In protic solvents, the weaker the basicity of nucleophile, the strong

7、er the nucleophilicity.,4) The Solvent （溶剂） Aprotic polar solvents（非质子极性溶剂） 极性很强，但不含有-OH 或 -NH acetonitrile(CH3CN), dimethylformamideHCON(CH3)2, DMF dimethyl sulfoxide (CH3)2SO, DMSO, hexamethylphosphoramide (CH3)2N3PO, HMPA 有利于SN2 反应 原因：非质子极性溶剂只能让阳离子溶剂化，从而使亲核试剂负离子“裸露”，亲核性增大。,一、SN2 反应,2. SN2 反应的影响因素

8、,DMSO,Summary The SN2 reaction is worst when carried out with a hindered substrate, a neutral nucleophile, and a protic solvent. 即位阻大的底物、中性（弱的）亲核试剂、和质子性溶剂不利于SN2反应,一、SN2 反应,Exercise For each of the following pairs of SN2 reactions, indicate which occurs with the larger rate constant? CH3CH2Br + H2O o

9、r CH3CH2Br + HO- (CH3)2CHCH2Br + HO- or CH3CH2CH(CH3)Br + HO- CH3CH2Cl + CH3O- or CH3CH2Cl + CH3S- CH3CH2Cl + I- or CH3Br + I-,一、SN2 反应,Whats going on here? - an alternative substitution mechanism,二、SN1 反应,1. SN1 反应的机理, 一级反应, v = k RX 两步反应, 限速步骤是碳正离子的形成,二、SN1 反应,二、SN1 反应,1. SN1 反应的机理,2. 影响 SN1 反应的因素

10、,1) The Substrate（底物） 卤代烃和磺酸酯的SN1反应活性顺序基本上与碳正离子的稳定性顺序相同: +CH3 10 Allyl Benzyl 20 30,二、SN1 反应,2) The Leaving Group（离去基团） 离去基团在SN1 反应中的离去倾向： H2O Cl - Br - I - TsO 注意：醇的SN1 反应常在酸性条件下进行，而中性的水分子是离去基团。 这是醇的亲核取代反应与卤代烃的不同之处,二、SN1 反应,2. 影响 SN1 反应的因素,3) The Nucleophile（亲核试剂） 由于在 SN1 反应中，亲核试剂是在限速步骤发生后才进入反应，因此，

11、不影响反应速率 进而，可以预计中性亲核试剂与负离子的亲核试剂一样有效，所以，SN1 反应常在中性或酸性条件下进行。,二、SN1 反应,2. 影响 SN1 反应的因素,4) The Solvent（溶剂）,二、SN1 反应,2. 影响 SN1 反应的因素,SN1 reactions take place much more rapidly in polar solvents than in nonpolar solvents.,4) The Solvent（溶剂） 要强调的是：SN1 和 SN2 反应均受溶剂的很大影响，但是它们的作用机制不同 SN2 在质子性溶剂中是不利的，因为亲核试剂被溶剂化

12、作用降低了反应活性 SN1 反应却是在质子性溶剂中有利的，因为反应中产生活泼中间体碳正离子的过渡态能被溶剂化作用稳定,二、SN1 反应,2. 影响 SN1 反应的因素,不同的溶剂化作用,二、SN1 反应,3. SN1 反应中的碳正离子重排反应,在SN1反应中形成的碳正离子中间体有重排成更稳定的碳正离子的趋势。,二、SN1 反应,3. SN1 反应中的碳正离子重排反应,Exercise 1. 为下列的SN1反应活性排序： a. 2-bromopentane b. 2-chloropentane, c. 1-chloropentane c. 3-bromo-3-methylpentane,二、SN

13、1 反应,2. 判断下列各卤代烃形成的SN1 和 SN2 反应产物是否相同？,SN2 反应的立体化学 得到构型翻转的产物。,三、SN1 和 SN2 反应的立体化学,SN1 反应的立体化学 得到构型保持和构型翻转两种产物。,三、SN1 和 SN2 反应的立体化学,三、SN1 和 SN2 反应的立体化学,SN1 反应的立体化学,2. SN1 反应的立体化学,三、SN1 和 SN2 反应的立体化学,Complete racemization （完全外消旋化）,Partial racemization （部分外消旋化）,四、SN2 和 SN1 的竞争问题,SN1 和 SN2 反应的比较,四、SN2 和

14、 SN1 的竞争问题,SN2 SN1 R in Substrate 1. methyl and 10 2. 20 3. 10 & 20 benzylic, allylic 4. 30 5. Vinylic and aryl Nucleophile good poor high conc. Low conc. Solvent DMSO H2O or acetone or ROH,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,实现官能团的相互转化 C C 键的形成,1. 通过SN1和SN2反应实现官能团的相互转化,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,1.1 卤代烃与醇的转化反应,五、SN1

15、和 SN2 反应在合成上的应用,1.1 卤代烃与醇的转化反应,醇转化为卤代烃常在酸性条件下进行，因为羟基不是一个好的离去基团。多数为SN1反应。,邻基参与效应（自学）,1.1 卤代烃与醇的转化反应,1.1 卤代烃与醇的转化反应,邻基参与效应（自学）,醇可以通过磺酸酯转化为卤代烃,1.1 卤代烃与醇的转化反应,1.2 Williamson 醚合成,Question: How to synthesize the following ether?,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,The answer is - path a is correct Why?,五、SN1 和 SN2 反应在合

16、成上的应用,1.2 Williamson 醚合成,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,1.2 Williamson 醚合成,1.3 胺的制备 烷基化反应,混合胺， 问题在于如何控制反应停留在适当阶段。,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,这是一个制备伯胺的好方法,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,1.4 胺的制备 烷基化反应,1.4 胺的制备 通过醇的磺酸酯,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,2. 应用含碳亲核试剂实现C-C键的形成,2.1 含碳亲核试剂与杂原子亲核试剂的区别 由于碳亲核试剂的强碱性，使得它们容易进攻连碳的氢而引起消去反应，因此它们更多地用于

17、对sp2-杂化碳的加成，而较少用于对sp3-杂化碳的取代。 这一部分涉及的碳亲核试剂很活泼，在空气中和水的存在下难以稳定存在，因此对反应条件提出了更高的要求。,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,2.2 含碳亲核试剂的制备及应用,碳亲核试剂主要有以下几种： 1) sp-杂化碳试剂： RCC- ， - CN RCC-主要是通过酸碱反应获得 炔基负离子与卤代烃或磺酸酯反应是合成炔烃的良好方法,-CN 作亲核试剂腈和羧酸的制备 一级卤代烷与氰化钠反应得腈后水解是制备增长一个碳的羧酸的好方法 三级卤代烷易发生消去反应，二级卤代烷的产率不高 腈的控制水解是一种制备增长一个碳的酰胺的方法.,2.2

18、 含碳亲核试剂的制备及应用,2) 有机金属化合物 (Organometallic Compounds) 有机金属化合物在有机合成中的应用越来越广，特别是在不对称合成中的应用。 它们的一个特点是对反应条件要求高 (因为活泼性高)。 它们也广泛地用于亲核加成反应（以后讲）,2.2 含碳亲核试剂的制备及应用,五、SN1 和 SN2 反应在合成上的应用,2) Organometallic Compounds,Formation of Organolithium and Organomagnesium Compounds Organometallic compound is a compound tha

19、t contains a carbon-metal bond. They are formed by treatment of an alkyl halide or aryl halide with a zero-valent metal, usually lithium or magnesium.,3) Organometallic Compounds,The metal atoms in both organolithium and organomagnesium compounds coordinate particularly well with the oxygen atoms of

20、 ethers. Therefore, ether such as THF or ethyl ether are commonly used as solvents for both the formation of organometallic reagents and their subsequent reactions.,3) Organometallic Compounds,Organomagnesium compounds are commonly called Grignard Reagents （格氏试剂） in recognition of the French chemist

21、 Francois Victor Grignard, who was honored in 1912 with the Nobel prize for his discovery of this class of compounds.,3) Organometallic Compounds,Reactions of Organolithium and Organomagnesium Compounds they are very strong bases and promote elimination reaction. With Epoxides - SN2 reaction It is a

22、 good path way to obtain primary alcohol with increasing two carbon atoms. The C-O bonds of an epoxide are weaker than those of other ethers (why?). And they are weakened by the complexation betwwen the metal acting as a Lewis acid and the oxygen acting as a Lewis base.,3) Organometallic Compounds,3) Organometallic Compounds,With compounds containing active-proton group(OH, NH, COOH) 制备中需要彻底除去水分，不能有醇、胺、羧酸等存在的原因所在。 Reduction of Alkyl Halides Isotopic Labeling,3) Organometallic Compounds,Lithium Dialkylcuprates Unlike the organolithium reagents,