亲核取代反应ppt课件.ppt
sp3杂化碳原子的亲核取代反应杂化碳原子的亲核取代反应Nucleophilic Substitutions at sp3 Hybridized Carbon第八章第八章本章重点内容本章重点内容一一SN1 和和 SN2 反应的反应的机理机理二二SN1 和和 SN2 反应的反应的影响因素影响因素三三SN1 和和 SN2 反应反应 的的立体化学立体化学四四SN1 与与 SN2 反应的反应的竞争问题竞争问题五五SN1 和和 SN2 反应在反应在合成上的应用合成上的应用 1. 实现官能团的相互转化实现官能团的相互转化 2. C C 键的形成键的形成亲核取代反应亲核取代反应Nucleophilic Substitution ReactionR-X+OH-R-OH+X-RCH2X and R2CHXR3C-X80% EtOHkineticfastslow2nd-order1st-orderstereochemistryinvertion of configurationtwo stereoisomers实验实验事实事实结论：结论：两种不同的机理两种不同的机理两种不同的亲核取代反应机理两种不同的亲核取代反应机理 SN1 和和 SN2l双分子亲核取代反应（双分子亲核取代反应（SN2）l单分子亲核取代反应（单分子亲核取代反应（SN1）Nu+CX + -CNu+X-CX + -C+X-C+Nu+CNuSN1 和和 SN2 反应的影响因素反应的影响因素l底物底物 RX（以卤代烃和磺酸酯为代表（以卤代烃和磺酸酯为代表)l离去基团离去基团 X-l亲核试剂亲核试剂 :Nu or :Nu-l溶剂溶剂Nu+CXCNu+X-1. SN2 反应的机理反应的机理l一步反应，动力学表现为一步反应，动力学表现为二级反应二级反应l亲核试剂是从离去基团的背面进攻亲核试剂是从离去基团的背面进攻 因此因此发生发生构型的转化构型的转化一、一、SN2 反应反应lSN2反应中过渡态结构：反应中过渡态结构：lsp2杂化杂化l新键已部分形成，旧键已部分断裂新键已部分形成，旧键已部分断裂1. SN2 反应的机理反应的机理一、一、SN2 反应反应1. SN2 反应的机理反应的机理一、一、SN2 反应反应2. SN2 反应的影响因素反应的影响因素1) Substrate（底物）底物） - Steric EffectsSN2反应活性反应活性: methyl 10 20 30HCBrHHH3CCBrHHH3CCBrH3CHH3CCBrH3CH3C一、一、SN2 反应反应2. SN2 反应的影响因素反应的影响因素1) Substrate（底物）底物） - Steric Effects2) The leaving Group（离去基团）离去基团）l离去基团的离去倾向越大，离去基团的离去倾向越大，SN2 反应活性越高。反应活性越高。 l碱性越弱，离去基团的离去倾向越大。碱性越弱，离去基团的离去倾向越大。 lRelative reactive（反应活性）反应活性）: OH-, NH2-, OR-, F- Cl- Br- I- -NH2 HO- F-； HO- H2O； CH3O- CH3OH； -NH2 NH3；一、一、SN2 反应反应2. SN2 反应的影响因素反应的影响因素3) Nucleophile (亲核试剂亲核试剂 ) 在质子性溶剂中，在质子性溶剂中，同一族元素的原同一族元素的原子随周期数的增子随周期数的增加亲核性增加加亲核性增加 (碱碱性降低）。性降低）。 原因：原因： 原子可极化性原子可极化性 溶剂化效应溶剂化效应一、一、SN2 反应反应2. SN2 反应的影响因素反应的影响因素原子半径越大，可极化性越大，易成键。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）对亲核性的影响（溶剂）lProtic solvents (质子性溶剂质子性溶剂) 含有含有 -OH 或或 -NH 不利于不利于SN2 反应反应一、一、SN2 反应反应2. SN2 反应的影响因素反应的影响因素原因：质子性溶剂使亲核原因：质子性溶剂使亲核试剂阴离子溶剂化，即发试剂阴离子溶剂化，即发生离子偶极相互作用，生离子偶极相互作用，亲核性降低。碱性越强，亲核性降低。碱性越强，亲核性降低越大。亲核性降低越大。In protic solvents, the weaker the basicity of nucleophile, the stronger the nucleophilicity.4) The Solvent （溶剂）溶剂） lAprotic polar solvents（非质子极性溶剂）非质子极性溶剂） 极性很强，但不含有极性很强，但不含有-OH 或或 -NH acetonitrile(CH3CN), dimethylformamideHCON(CH3)2, DMF dimethyl sulfoxide (CH3)2SO, DMSO, hexamethylphosphoramide (CH3)2N3PO, HMPA 有利于有利于SN2 反应反应 原因：非质子极性溶剂只能让阳离子溶剂化，从而原因：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使亲核试剂负离子“裸露裸露”，亲核性增大。，亲核性增大。一、一、SN2 反应反应2. SN2 反应的影响因素反应的影响因素N3 -N3 - CH2CH2CH2CH 3 + Br -+ CH 3CH2CH2CH2 - BrSolvent CH3OH H2O DMSO DMF CH3CN HMPArelativereactivity 1 7 1,300 2,800 5,000 200,000 More reactiveLessreactiveDMSOSummarylThe 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、即位阻大的底物、中性（弱的）亲核试剂、和质子性溶剂不利于和质子性溶剂不利于SN2反应反应一、一、SN2 反应反应Exercise lFor each of the following pairs of SN2 reactions, indicate which occurs with the larger rate constant?CH3CH2Br + H2O or CH3CH2Br + HO-(CH3)2CHCH2Br + HO- or CH3CH2CH(CH3)Br + HO-CH3CH2Cl + CH3O- or CH3CH2Cl + CH3S-CH3CH2Cl + I- or CH3Br + I-一、一、SN2 反应反应lWhats going on here? - an alternative substitution mechanismHCBrHHH3CCBrHHH3CCBrH3CHH3CCBrH3CH3CR-Br + H2OR-OH + HBrRelativereactivity 11121200,000LessreactiveMorereactive二、二、SN1 反应反应1. SN1 反应的机理反应的机理 一级反应一级反应, v = k RX 两步反应两步反应, 限速步骤是碳正离子的形成限速步骤是碳正离子的形成二、二、SN1 反应反应二、二、SN1 反应反应1. SN1 反应的机理反应的机理2. 影响影响 SN1 反应的因素反应的因素1) The Substrate（底物）底物）l卤代烃和磺酸酯的卤代烃和磺酸酯的SN1反应活性顺序基本反应活性顺序基本上与上与碳正离子的稳定性碳正离子的稳定性顺序相同顺序相同: +CH3 10 Allyl Benzyl 20 30 二、二、SN1 反应反应2) The Leaving Group（离去基团）离去基团）l离去基团在离去基团在SN1 反应中的离去倾向：反应中的离去倾向： H2O Cl - Br - I - TsO 注意：注意：醇的醇的SN1 反应常在酸性条件下进行，反应常在酸性条件下进行，而中性的水分子是离去基团。而中性的水分子是离去基团。 这是醇的这是醇的亲核取代反应与卤代烃的不同之处亲核取代反应与卤代烃的不同之处二、二、SN1 反应反应2. 影响影响 SN1 反应的因素反应的因素3) The Nucleophile（亲核试剂）亲核试剂）l由于在由于在 SN1 反应中，亲核试剂是在限速反应中，亲核试剂是在限速步骤发生后才进入反应，因此，不影响步骤发生后才进入反应，因此，不影响反应速率反应速率l进而，可以预计中性亲核试剂与负离子进而，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，的亲核试剂一样有效，所以，SN1 反应反应常在中性或酸性条件下进行。常在中性或酸性条件下进行。二、二、SN1 反应反应2. 影响影响 SN1 反应的因素反应的因素4) The Solvent（溶剂）溶剂）H3CCClCH3CH3H3CCORCH3CH3+ ROH+ HClSolventEthanol40% Water60% Ethanol80% Water20% EthanolWaterRelativereactivity110014,000100,000MorereactiveLessreactive二、二、SN1 反应反应2. 影响影响 SN1 反应的因素反应的因素SN1 reactions take place much more rapidly in polar solvents than in nonpolar solvents.4) The Solvent（溶剂）溶剂） l要要强调的是：强调的是：SN1 和和 SN2 反应反应均受均受溶剂的很大溶剂的很大影响，但是它们的作用机制不同影响，但是它们的作用机制不同lSN2 在在质子性溶剂中是不利的质子性溶剂中是不利的，因为亲核试剂，因为亲核试剂被溶剂化作用降低了反应活性被溶剂化作用降低了反应活性lSN1 反应反应却是在却是在质子性溶剂中有利的质子性溶剂中有利的，因为反，因为反应中产生活泼中间体碳正离子的过渡态能被溶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剂化作用稳定二、二、SN1 反应反应2. 影响影响 SN1 反应的因素反应的因素不同的溶剂化作用不同的溶剂化作用二、二、SN1 反应反应3. SN1 反应中的碳正离子重排反应反应中的碳正离子重排反应在在SN1反应中形成的碳正离子中间体有反应中形成的碳正离子中间体有重排成重排成更稳定的碳正离子更稳定的碳正离子的趋势。的趋势。二、二、SN1 反应反应3. SN1 反应中的碳正离子重排反应反应中的碳正离子重排反应Exercise1. 为下列的为下列的SN1反应活性排序：反应活性排序： a. 2-bromopentane b. 2-chloropentane, c. 1-chloropentane c. 3-bromo-3-methylpentane二、二、SN1 反应反应CH3CHCHCHCH3CH3CH3BrCH3CH2CCH3CH3CHCH3BrCH3ClCH3CHCH2CCH3ClCH3CH3A.B.C.D.2. 判断下列各判断下列各卤代烃形成的卤代烃形成的SN1 和和 SN2 反反应产物是否相应产物是否相同？同？1. SN2 反应的立体化学反应的立体化学 得到构型翻转的产物。得到构型翻转的产物。三、三、SN1 和和 SN2 反应的立体化学反应的立体化学2. SN1 反应的立体化学反应的立体化学 得到构型保持和构型翻转两种产物。得到构型保持和构型翻转两种产物。三、三、SN1 和和 SN2 反应的立体化学反应的立体化学三、三、SN1 和和 SN2 反应的立体化学反应的立体化学2.SN1 反应的立体化学反应的立体化学2. SN1 反应的立体化学反应的立体化学三、三、SN1 和和 SN2 反应的立体化学反应的立体化学Complete racemization（完全外消旋化）（完全外消旋化）Partial racemization（部分外消旋化）（部分外消旋化）四、四、SN2 和和 SN1 的的竞争问题竞争问题l SN1 和和 SN2 反应的比较反应的比较四、四、SN2 和和 SN1 的的竞争问题竞争问题 SN2 SN1R 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、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用1. 实现官能团的相互转化实现官能团的相互转化2. C C 键的形成键的形成 1. 通过通过SN1和和SN2反应实现官能团的相互转化反应实现官能团的相互转化五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用R X(or ROTs)SN1或SN2R OR R SH R SRR CNR NR2PR2RR NH2R NHRRC RCR CRHR CH2NH2R CONH2R COOH水解1.1 卤代烃与醇的转化反应卤代烃与醇的转化反应R XEtOH-H2OSN1R OHR X- OH / H2OSN2R OH10 RX30, 20 RXR X- OH / DMSOSN2R OH20 RX五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用R OHR OHR XR OHR XSO2ClSN1 for most 20 and 30 , Allyl and Benzyl RX SN2 for most 10 RXPCl3HX( SNi2 )SN2R-X1.1 卤代烃与醇的转化反应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。多数为基不是一个好的离去基团。多数为SN1反应。反应。邻基参与效应（自学）邻基参与效应（自学）CH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3HBr( meso )CH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3BrHCH3BrHCH3HBr+( racemic mixture )threoerythro1.1 卤代烃与醇的转化反应卤代烃与醇的转化反应1.1 卤代烃与醇的转化反应卤代烃与醇的转化反应邻基参与效应（自学）邻基参与效应（自学）OHHCH3BrHCH3OHHCH3H3CBrHCH3HBrCH3HOHCH3HBrCH3HBrBrH3CHBrH3CHBrHCH3BrHCH3BrHCH3H3CBrHCH3HBrBrH3CHBr-bOH2HCH3H3CBrH+HCH3H3CBrHaHCH3BrBrBrHba(meso)醇可以通过磺酸酯转化为卤代烃醇可以通过磺酸酯转化为卤代烃R-OHR-OMsR-OTsR-XKXMsCl, Et3NCH2Cl2TsClPyridineCH3SOOCH3SOOTsCl:MsCl:ClCl1.1 卤代烃与醇的转化反应卤代烃与醇的转化反应1.2 Williamson 醚合成醚合成Question:How to synthesize the following ether?RONa + RClRORCOCH3H3CCH3CH2CH3ab五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用lThe answer is - path a is correctlWhy? CONaCH3H3CCH3COCH2CH3CH3H3CCH3CBrCH3H3CCH3COCH2CH3CH3H3CCH3+ NaOCH2CH3+ BrCH2CH3ab五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用1.2 Williamson 醚合成醚合成C CH2OCH2CH3CH3CH3CH3How about the other ether:五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用1.2 Williamson 醚合成醚合成1.3 胺的制备胺的制备 烷基化反应烷基化反应混合胺，混合胺， 问题在于如何控制反应停留在适当阶段问题在于如何控制反应停留在适当阶段。H3N + R-XSN2H3+NR X -H3NRNH2 + H4N+ - XR-XR2+NH2 - XH3NR2NH +H4N+ - X . . . . . . 五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用这是一个这是一个制备伯胺制备伯胺的好方法的好方法NHOO- OHN -OON-ROORXH2N-NH2NHNHOOR-NH2 + SN2五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用1.4 胺的制备胺的制备 烷基化反应烷基化反应1.4 胺的制备胺的制备 通过醇的磺酸酯通过醇的磺酸酯CH3HOHCH2CH3N -OOTsClCH3HOTsCH2CH3CH3HCH2CH3NOOCH3H2NHCH2CH3H2N-NH2五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用2. 应用含碳亲核试剂实现应用含碳亲核试剂实现C-C键的形成键的形成2.1 含碳亲核试剂与杂原子亲核试剂的区别含碳亲核试剂与杂原子亲核试剂的区别l由于碳亲核试剂的由于碳亲核试剂的强碱性强碱性，使得它们容易进，使得它们容易进攻连碳的氢而引起消去反应，因此它们更多攻连碳的氢而引起消去反应，因此它们更多地用于对地用于对sp2-杂化碳的加成，而较少用于对杂化碳的加成，而较少用于对sp3-杂化碳的取代。杂化碳的取代。l这一部分涉及的碳亲核试剂很活泼，在空气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。条件提出了更高的要求。五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用2.2 含碳亲核试剂的制备及应用含碳亲核试剂的制备及应用碳亲核试剂主要有以下几种：碳亲核试剂主要有以下几种：1) sp-杂化碳试剂杂化碳试剂： RCC- ， - CNlRCC-主要是通过酸碱反应获得主要是通过酸碱反应获得l炔基负离子与卤代烃或磺酸酯反应是合成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炔烃的良好方法RCCHpKa 25NH2NaRCC:NaR-XRCCRl-CN 作亲核试剂作亲核试剂腈和羧酸的制备腈和羧酸的制备l一级卤代烷一级卤代烷与氰化钠反应得腈后水解是与氰化钠反应得腈后水解是制备增长一个碳的羧酸制备增长一个碳的羧酸的好方法的好方法l三级卤代烷易发生消去反应，二级卤代三级卤代烷易发生消去反应，二级卤代烷的产率不高烷的产率不高l腈的控制水解是一种腈的控制水解是一种制备增长一个碳的制备增长一个碳的酰胺酰胺的方法的方法.2.2 含碳亲核试剂的制备及应用含碳亲核试剂的制备及应用H2O完全水解-CNSN2RXorROSO2RH2OH2控制水解CatRCONH2RCH2NH2RCOOHR CN2) 有机金属化合物有机金属化合物 (Organometallic Compounds)l有机金属化合物在有机合成中的应用越来越广，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。特别是在不对称合成中的应用。l它们的一个特点是对反应条件要求高它们的一个特点是对反应条件要求高 (因为活泼性因为活泼性高高)。l它们也广泛地用于它们也广泛地用于亲核加成反应亲核加成反应（以后讲）（以后讲）2.2 含碳亲核试剂的制备及应用含碳亲核试剂的制备及应用五、五、SN1 和和 SN2 反应在合成上的应用反应在合成上的应用2) Organometallic CompoundslFormation of Organolithium and Organomagnesium Compounds Organometallic compound is a compound that 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 CompoundsTHFCl2 LiLiLiCl+苯基锂Et2O+BrMgMgBr丁基溴化镁Li+CuICu+LiICuLi二丁基铜二丁基铜锂22lThe metal atoms in both organolithium and organomagnesium compounds coordinate particularly well with the oxygen atoms of ethers. lTherefore, 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 CompoundslOrganomagnesium compounds are commonly called Grignard Reagents （格氏试剂）（格氏试剂） in recognition of the French chemist Francois Victor Grignard, who was honored in 1912 with the Nobel prize for his discovery of this class of compounds. 3) Organometallic CompoundslReactions of Organolithium and Organomagnesium Compounds they are very strong bases and promote elimination reaction.With Epoxides - SN2 reactionlIt is a good path way to obtain primary alcohol with increasing two carbon atoms.lThe 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 CompoundsLiOEtherOLiH2OOHMgBrOEtherOMgBrH2OOH3) Organometallic CompoundsWith compounds containing active-proton group(OH, NH, COOH)l制备中需要彻底除去水分，不能有醇、胺、羧酸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。等存在的原因所在。 lReduction of Alkyl HalideslIsotopic LabelingMgBrBrHMgEtherH2OHBr2 LiHLiD2OHD3) Organometallic CompoundsLithium DialkylcuprateslUnlike the organolithium reagents, lithium dialkylcuprates are excellent nucleophiles in reactions with alkyl halides and alkyl sulfonate esters. lAryl halides and vinyl halides also react with them to form C-C bonds. 3) Organometallic CompoundsBrCu2LiCH2OMsR2CuLiCH2RBrR2CuLiRBrR2CuLiR3) Organometallic CompoundsBasic Skill Check1. Can I predict the product (including stereochemistry and regiochemistry), when given the reactants?2. Do I know the reagent(s) and conditions necessary to convert the given functional group into the product?Basic Skill Check3. For a desired product formed by a given reaction path, can I correctly choose an appropriate starting materials?4. Given the reactants, conditions, and products, can I write a detailed reaction mechanism showing the specific electron flow that describes how the reaction proceeds?
