高等第4章亲核取代.ppt

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1、 第第4章章 亲核取代反应亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution)一一.亲核取代反应亲核取代反应反应类型反应类型 二二.亲核取代反应亲核取代反应反应机理反应机理(Reaction Mechanism)()1.SN1机理机理()2.SN2机理机理()3.离子对机理离子对机理()三三.立体化学立体化学1.SN2反应反应()2.SN1反应反应()四四.影响反应活性的因素影响反应活性的因素()1.底物的烃基结构底物的烃基结构2.离去基团离去基团(L)3.亲核试剂亲核试剂(Nu:)4.溶剂溶剂五五.正碳离子正碳离子(Carbocations)非经典正碳离子

2、非经典正碳离子六六.邻基参与作用邻基参与作用1、掌握亲核取代反应类型和反应机理、掌握亲核取代反应类型和反应机理 （SN1机理机理；SN2机理；机理；离子对机理离子对机理）2、了解亲核取代反应中的立体化学、了解亲核取代反应中的立体化学 3、掌握影响亲核取代反应活性的因素、掌握影响亲核取代反应活性的因素 4、掌握邻基参与反应的基本概念、掌握邻基参与反应的基本概念 5、了解邻基参与反应的立体化学、了解邻基参与反应的立体化学 一、教学目的和要求一、教学目的和要求二、教学重点和难点二、教学重点和难点重点：重点：反应类型和反应机理；邻基参与反应的基本概反应类型和反应机理；邻基参与反应的基本概念；影响亲核取

3、代反应活性的因素念；影响亲核取代反应活性的因素 难点：难点：亲核取代反应中的立体化学；邻基参与反应的亲核取代反应中的立体化学；邻基参与反应的立体化学立体化学 三、教学课时三、教学课时2课时课时 一一.亲核取代反应亲核取代反应反应类型反应类型 连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基团取代的化学过程。+Nu+L-RNuRL亲核取代反应可以分为以下四种类型：（）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。如：（）作用物与亲核试剂都是中性分子。如：(CH3)3 RN+(CH3)3（）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。如：RN+(CH3)(CH3)（）作用物为正离子，亲核试剂为中性分

4、子。如：RN+(CH3)32S RS+H2(CH3)类型（1）和（4）反应前后无电荷变化，类型（2）和（）反应前后有电荷变化，但两者相反。Nu-+CXNuC+X-亲核试剂 底物 产物 离去基团 RCH2A +Nu：RCH2Nu +A：中心碳原子中心碳原子底物底物（进入基团）（进入基团）亲核试剂亲核试剂产物产物离去基团离去基团受进攻受进攻的对象的对象一般是负离子或带未一般是负离子或带未分电子对的中性分子分电子对的中性分子亲核试剂亲核试剂(Nu)：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。底物：底物：反应中接受试剂进攻的物质。反应中接受试剂进攻的物质。离去

5、基团：离去基团：带着一对电子离去的分子或负离子。带着一对电子离去的分子或负离子。二二.亲核取代亲核取代反应机理反应机理1.单分子亲核取代单分子亲核取代（Substitution Nucleophilic Unimolecular)(SN 1)反应机理反应机理+R L Nu-R Nu+L-=k1LRR LRLR+L-+慢反应分两步进行反应分两步进行第一步第一步 正碳离子的生成：正碳离子的生成：第二步第二步 亲核试剂进攻正碳离子：亲核试剂进攻正碳离子：R+Nu-R Nu快第一步是决定第一步是决定反应速率的一步反应速率的一步。例如：例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：P

6、h2CH ClPh2CH+Cl+丙酮慢Ph2CH OHH2OPh2CH+2.双分子亲核取代双分子亲核取代（Substitution Nucleophilic Bimolecular)(SN 2)反应机理反应机理 典型的典型的SN2SN2反应是协同历程，反应是协同历程，R R键的断裂和键的断裂和R Ru u键的形成协同进行。键的形成协同进行。动力学研究表明：这一类亲核取代反应的速率与动力学研究表明：这一类亲核取代反应的速率与 底物的浓度和试剂的浓度同时相关：底物的浓度和试剂的浓度同时相关：=kR LNu二级反应二级反应按按SN 1 机理进行反应的机理进行反应的体系：叔卤代烷及其衍体系：叔卤代烷及

7、其衍生物和被共轭体系稳定生物和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物的仲卤代烃及其衍生物L-Nu-RCH2 LRCH2 NuNuCLH HRCNuL 在过渡态中，亲核试剂的孤在过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心碳原对电子所占有的轨道与中心碳原子的子的 p轨道交盖的程度与离去基轨道交盖的程度与离去基团与中心碳原子的团与中心碳原子的 p轨道的交盖轨道的交盖程度相同程度相同按按 SN 2 机理进行的底物特征：机理进行的底物特征：RCHRX不被共轭体系稳定的仲卤代烷不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物及其衍生物3.离子对机理离子对机理介于介于SN1 与与 SN2 之间的机理，建立之间的机理，建

8、立在在SN1机理基础之上。机理基础之上。底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同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：的离子对：R L+-R+L-离子化溶剂介入R LNuNuNuSN2R+L-+溶剂介入离子对构型翻转紧密离子对翻转（主要）转化（消旋化）离解的离子NuS1N（消旋化产物）解离的正负离子形成紧密的离子对，整个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。被溶剂化。溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。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。离解的离子为自由离子。三个阶段：三个阶段：亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同亲核

9、试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同的产物。的产物。三三.反应的立体化学反应的立体化学反应的立体化学与反应机理相关反应的立体化学与反应机理相关SN2机理：机理：Walden转化Nu-LCCNuLCNu由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以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产物发生构型转化Walden转化。转化。Nu:L+L-NuSN2的立体化学的立体化学过渡态过渡态构型相反构型相反 瓦尔登转化瓦尔登转化CC6H13HBrCH3NaOHSN 2CC6H13HCH3HO构型构型翻转翻转(R)-(-)-2-辛烷辛烷25D=-34.25对映体的纯度对映体的纯度=10

10、0%(S)-(-)-2-辛醇辛醇25D=-9.90对映体的纯度对映体的纯度=100%CHCH2PhMeOHTsClACHCH2PhMeOTsEtOHK2CO3BCHCH2PhMeOEtCHCH2PhMeOKKCEtBrCHCH2PhMeOEt=+33.0=+31.1=-19.9=+33.0=+31.1=-19.9=+23.5SN1机理机理C+Nu-CL+NuCNuC50%50%Nu-L-试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对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。外消旋产物。C+HCH3PhOH-H2OClCHCH3PhOHCCH3HPhOH-CCH3PhHHO49%51

11、%正碳离子越稳定，消旋化程度越大正碳离子越稳定，消旋化程度越大消旋化消旋化(Racemization)SN1的立体化学的立体化学构型转化构型转化构型保持构型保持PhCCH3OHPhCCH3构型转化%27HCH3BrHCH3O+73%消旋化产物HBr事实上，事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：反应往往伴随构型转化产物：当当C+不是足够稳定时，由于不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应，的屏蔽效应，Nu:从从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构背后进攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多型转化增多。请思考：请思考：H3CHCH3BrH2OSN 1?定义：定义：如果反应体系中没有另加试剂，底物就

12、将与溶剂发生如果反应体系中没有另加试剂，底物就将与溶剂发生反应，这时，溶剂就成了试剂，这样的反应称为溶剂解反应。反应，这时，溶剂就成了试剂，这样的反应称为溶剂解反应。（CH3)3C-Br +C2H5OH （CH3)3C-OC2H5 +HBr反反应应机机理理(CH3)3CBr(CH3)3 C Br(CH3)3C+Br-(CH3)3C+C2H5OH(CH3)3 C OC2H5 H(CH3)3C OC2H5+H(CH3)3C OC2H5+H(CH3)3 C OC2H5H (CH3)3 C OC2H5 +H+-+*溶剂解反应溶剂解反应速度慢，主速度慢，主要用于研究要用于研究反应机理。反应机理。溶剂解反

13、应溶剂解反应四四.影响反应活性的因素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：影响亲核取代反应活性的主要因素是：底物的结构底物的结构亲核试剂的浓度与反应活性亲核试剂的浓度与反应活性离去基团的性质离去基团的性质溶剂效应溶剂效应（一）底物结构的影响（一）底物结构的影响SN 2反应：反应：卤代烷的反应活性顺序是：卤代烷的反应活性顺序是：甲基甲基 伯伯 仲仲 叔叔原因：烷基的空间效应原因：烷基的空间效应新戊基卤代烷几乎不发生新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：反应：CHXNu:CNuLHHH转变过程中，中心转变过程中，中心碳原子由底物同碳原子由底物同4个个基团相连转变为由基团相连转变为由过渡

14、态的同过渡态的同5个碳原个碳原子相连，空间拥挤程子相连，空间拥挤程度增大。度增大。当底物中心碳原子连有较大基团时，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。难于从背后接近底物。R X Nu-X-NuRSN2R CH3CH3CH2(CH3)3C(CH3)2CHk23010.030SN1反应：反应：A.电子效应电子效应 所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN 1反应的反应速率增大：反应的反应速率增大：ROTs R+OTsEtOHROEtk1相对速率相对速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.

15、8610010 510 10 当取代基具有当取代基具有I、超共轭效应、超共轭效应、C效应，效应，SN 1反应速率增大反应速率增大,反应反应活性增大。活性增大。当中心碳原子与杂原子直接相连时当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)，SN 1反应速率明显增大：反应速率明显增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反应反应速率速率109 1.0 0.2当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的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。正碳离子，因共轭效应而被稳定。B.空间效应空间效应与与SN 2反应相反，底物上的取代基的反应相反，底

16、物上的取代基的空间效应使空间效应使SN1反应速率加快：反应速率加快：RBr在水中的溶剂解相对速度在水中的溶剂解相对速度RBr 在水中在水中50时时MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106CRRRXCRR RX-四面体四面体平面三角型平面三角型键角增大，键角增大，取代基空间取代基空间效应越大，效应越大，基团的空间基团的空间拥挤程度减拥挤程度减小。小。（二）亲核试剂的强度（二）亲核试剂的强度Nu:在在 SN2反应中起着重要作用反应中起着重要作用NuNu-:CH3O-,HO-,I-Nu:H2O:规律：规律：1带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：OH H2O,CH3O-CH3OH2）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强；）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，中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强。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：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 H2OCH3O-