高等第章亲核取代.pptx

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。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。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 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：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：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：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 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：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：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：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=100%(S)-(-)-2-辛醇辛醇25D=-9.90对映体的纯度对映体的纯度=100%=+33.0=+31.1=-19.9=+33.0=+31.1=-19.9=+23.5SN1机理机理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。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：定义：定义：如果反应体系中没有另加试剂，底物就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+-+*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：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。SN1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：相对速率相对速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.8610010 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 1.2106四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-PhO-CH3CO2-NO2-碱性是试剂与碱性是试剂与质子结合的能力；质子结合的能力；亲核性是试剂与带亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳有部分正电荷的碳原子结合的能力。原子结合的能力。当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度当试剂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：顺序与碱性有时不同：碱性：碱性：C2H5O-I-亲核性：亲核性：I-C2H5O-B.同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，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：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：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：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。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小同理：同理：亲核性依次减弱，碱性依次增强。亲核性依次减弱，碱性依次增强。（三）离去基团（三）离去基团(Leaving groups)离去基团带着一对电子离去基团带着一对电子离开中心碳原子，成为离开中心碳原子，成为负离子。负离子。接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。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：较好的离去基团是强酸的共轭碱：共轭酸共轭酸 1共轭碱共轭碱 2共轭碱共轭碱 1共轭酸共轭酸 2强酸的共轭碱是强酸的共轭碱是弱碱弱碱重要的离去基团是重要的离去基团是 pKa CN-I-OH-N3-Br-CH3CO2-Cl-F-H2OSN 2反应常在极性非质子型溶剂中进行。反应常在极性非质子型溶剂中进行。极性非质子型溶剂极性非质子型溶剂(Polar Aprotic Solvents)不能与不能与 Nu:形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。应活性。常见的极性非质子型溶剂有：常见的极性非质子型溶剂有：N,N-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺六甲基磷酰胺HMPT (Hexamethylphosphorictriamide)在极性非质子型溶剂中，在极性非质子型溶剂中，X-的反应活性顺序为：的反应活性顺序为：F-Cl-Br-I-这与在质子型溶剂中的顺序相反。这与在质子型溶剂中的顺序相反。质子型溶剂与非质子型溶剂对质子型溶剂与非质子型溶剂对SN 2反应的影响：反应的影响：溶剂溶剂 k2DMF 3 103CH3OH 3 10-2问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是还是 CH3OH?为什么？为什么？五五.正碳离子正碳离子(Carbocations)与与非经典正碳离子非经典正碳离子含有带正电荷的三价碳原子的原子团。含有带正电荷的三价碳原子的原子团。1.正碳离子的结构正碳离子的结构+C sp2-sbondCH3+的轨道结构的轨道结构sp2-sp3bond(CH3)3C+的轨道结构的轨道结构HHHsp2杂环杂环平面三角构型平面三角构型空的空的P轨道轨道正碳离子的稳定性：正碳离子的稳定性：-p超共轭效应：超共轭效应：H轨道交盖在这里轨道交盖在这里空的空的 p 轨道轨道烯丙型正碳离子：烯丙型正碳离子：p-共轭共轭电子离域电子离域正电荷分散程度大正电荷分散程度大共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：共轭效应共轭效应当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：CH2CH2CH2环丙甲基正离子的结构：环丙甲基正离子的结构：空的空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖轨道与弯曲轨道的交盖环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：中心碳原子上的空的中心碳原子上的空的 p 轨道与环丙基中的弯曲轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。结果是使正电荷分散。随着环丙基的数目增多，随着环丙基的数目增多，正碳离子稳定性提高。正碳离子稳定性提高。直接与杂原子相连的正碳离子结构：直接与杂原子相连的正碳离子结构：氧上未共有电子对所氧上未共有电子对所 占占 p 轨道轨道与中心碳原子上的空的与中心碳原子上的空的 p轨道轨道侧面交盖，未共有电子对离域，侧面交盖，未共有电子对离域，正电荷分散。正电荷分散。类似地，羰基正离子：类似地，羰基正离子：正碳离子的生成：正碳离子的生成：1)直接离子化直接离子化 通过化学键的异裂通过化学键的异裂而产生。而产生。2)对不饱和键的加成对不饱和键的加成 3)由其它正离子转化而生成由其它正离子转化而生成4)在超酸中制备在超酸中制备C正离子溶液正离子溶液比比100的的H2SO4的酸性更强的酸的酸性更强的酸超酸超酸(Super acid)常见的超酸常见的超酸 与与100H2SO4的酸性比较的酸性比较HSO3F（氟硫酸）（氟硫酸）1000倍倍HSO3F SbF5（魔酸）（魔酸）103倍倍HFSbF5 1016倍倍叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质中进行的。介质中进行的。叔丁基正碳离子的NMR谱:非经典正碳离子非经典正碳离子1)键参与的非经典正碳离子键参与的非经典正碳离子实验表明：实验表明：反反7原冰片烯基对甲苯磺酸酯原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度在乙酸中的溶剂解的速度相应的饱和化合物相应的饱和化合物大大 1011倍倍+2电子电子3中心体系中心体系1234572)键参与的非键参与的非经典经典正碳离子正碳离子外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯溶剂解溶剂解速度速度相应的内型化合物相应的内型化合物大大350倍倍-OBs六六.邻基参与作用邻基参与作用分子中的亲核取代基参与了在同一分子中另分子中的亲核取代基参与了在同一分子中另一部分上的取代反应。一部分上的取代反应。这类取代基往往带有未共用电子对或这类取代基往往带有未共用电子对或电子电子在中心碳原子的邻位上有O,OH,OR,NR2,X,Ph,COO等基团时,都有构型保持的现象。认为这是邻基参与的结果,其过程如下：例如:-溴代丙酸在碱中水解：在上述反应中，中心碳原子的构型经过两次转化,结果使产物100%保持原来的构型不变。邻基为什么能参与反应？原因只有一点：因为它比亲核试剂有优越的位置。当当一一个个进进行行亲亲核核取取代代反反应应的的底底物物分分子子上上还还带带有有一一个个能能作作为为亲亲核核体体的的基基团团,并并位位于于分分子子的的适适当当位位置置时时，能能够够和和反反应应中中心心部部分分地地或或完完全全地地成成键键形形成成过过渡渡态态或或中中间间体体，从从而而影影响响反反应应的的进进行行，这这种种现现象象称称为为邻邻基基参参与与作作用用（Neighboring group participation）。）。通通常常把把由由于于邻邻基基参参与与作作用用而而使使反反应应加加速速的的现现象象称称为为邻邻基协助或邻基促进。基协助或邻基促进。能发生邻基参与作用的原子团能发生邻基参与作用的原子团能发生邻基参与作用的原子团能发生邻基参与作用的原子团:具有未共用电子对的原子或原子团具有未共用电子对的原子或原子团具有未共用电子对的原子或原子团具有未共用电子对的原子或原子团;含有碳含有碳含有碳含有碳-碳双键等的碳双键等的碳双键等的碳双键等的不饱和基团、具有不饱和基团、具有不饱和基团、具有不饱和基团、具有键的芳基以及键的芳基以及键的芳基以及键的芳基以及C-CC-C和和和和C-HC-H键。分别键。分别键。分别键。分别称为称为称为称为n n电子参与、电子参与、电子参与、电子参与、电子参与和电子参与和电子参与和电子参与和 电子参与电子参与电子参与电子参与.1 n 参与参与 某些化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的位置或更远时，这种化合物在取代反应过程中保持原来的构型。这些取代基包括COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl。上述这些邻基参与历程是由两个连续的SN2反应进行的，每次反应都引起构型转化，总结果是构型保持。第一步，邻基作为亲核试剂促进离去基团L离去；第二步 为外部的亲核试剂Nu-再取代邻基Z而得到产物。(1)(2)邻基参与效应例子邻基参与效应例子构型保持构型保持构型保持构型保持（两个手性碳两个手性碳构型同时转化）构型同时转化）赤式赤式苏式苏式反应机理反应机理溴溴鎓鎓 离子离子背面进攻背面进攻将一个将一个CH3更换成更换成CH2CH3，则得到一对对映异构体，则得到一对对映异构体2.参与参与 C=CC=C键键、C=O C=O 键键也也有有邻邻基基参参与与作作用用，如如反反-7-7-降降冰冰片片烯烯基基对对甲甲苯苯磺磺酸酸酯酯的的乙乙酸酸解解，由由于于参参与与，反反应应速速率率比比相相应应的的饱饱和和酯酯快快10101111倍倍，且且产产物物构构型型保保持。持。反应速率特别快的原因是双键的电子向7位上的空P轨道形成同烯丙基非经典碳正离子。3 环丙基的参与作用环丙基的参与作用 环环丙丙烷烷环环的的某某些些性性质质与与双双键键类类似似，因因此此处处于于适适当当位位置置时时也也可可能能发发生生邻邻基基参参与与作作用用。例例如如内内向向-反反-三三环环33，2 2，1 1，0 02 2，4 4 辛辛基基-8-8-对对硝硝基基苯苯甲甲酸酸酯酯（）的的溶溶剂剂解解速速率率比比化化合合物物（）的的溶溶剂剂解解速率快速率快10101414倍。倍。（）（）4 芳基参与作用芳基参与作用 在特定的结构和反应条件下，芳环也可作为邻基参与亲核取代反应。例在特定的结构和反应条件下，芳环也可作为邻基参与亲核取代反应。例如：具有旋光性的苏型对甲苯磺酸如：具有旋光性的苏型对甲苯磺酸-3-3-苯基苯基-2-2-丁酯的乙酸解反应，似乎应该丁酯的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着带着电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（phenonium phenonium ionion）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体碳原子，得到一对对映体.5.参与作用参与作用(I)的速度比的速度比(IV)快快350倍倍 邻基参与作用特点：邻基参与作用特点：1.反应速度明显加快。如反应速度明显加快。如:-氯代二乙硫醚的水解速度比相应的氯代二乙硫醚的水解速度比相应的-氯代二乙基醚快氯代二乙基醚快10000倍倍因为硫的给电子能力强因为硫的给电子能力强,可极化度比氧大可极化度比氧大,亲核性强亲核性强,C-S键比键比 CO键长。键长。2.邻基参与反应前后构型保持邻基参与反应前后构型保持3.邻基参与作用可导致分子重排邻基参与作用可导致分子重排4.邻基参与作用易产生环状的化合物邻基参与作用易产生环状的化合物习题.(1)化合物i的醋酸解是立体专一性的反应,仅生成ii；iii (2)在醋酸中i的醋酸解比ii快2103倍.iii解答:(1)（2）S参与则i醋酸解快。