亲核取代反应及其影响因素(10页).doc

-亲核取代反应及其影响因素-第 10 页亲核取代反应及其影响因素航03班 林三春 2010011556摘要：本文分为四部分。第一部分论述了亲核取代反应的组成部分：亲核试剂、离去基团、反应底物，特地列出了常见的亲核试剂、常见的离去基团。第二部分论述了亲核取代反应机理，主要论述了四种：SN1、SN2、离子对机理和邻近基团参与机理，其中还包括各种机理的实验现象验证，以及对反应产物的影响，如对构型的影响。第三部分论述了亲核反应的影响因素，主要有烃基、离去基团、溶剂和亲核试剂四种，详细地说明了这四种因素如何影响反应。给出了判断离去基团的好坏，以及比较亲核试剂的亲核性的方法。最后一部分论述了亲和取代反应与消除反应的竞争关系，其中包括SN1与E1竞争，SN2与E2竞争。主要以卤代烃为例阐述的。在论述的同时，还附有适当的图示，以及实验数据，通过比较等手段，使得论述更加有说服力。全文通过这四个部分，详细、全面地介绍了亲核取代反应。正文：亲核取代反应，简称SN亲核取代反应，通常发生在带有正电或部分正电荷的碳上，碳原子被带有负电或部分负电的亲核试剂（Nu:-）进攻而取代。一、亲核取代反应的重要组成成分：亲核取代反应中涉及到的三个重要组成成分为：亲核试剂、离去基团、反应底物。例如：反应中，主要作用物 称为反应底物。进攻反应底物的试剂CH30Na(或CH3O)是带着电子对与碳原子结合成键的，它本身具有亲核性，称为亲核试剂，一般用Nu表示。这类反应之所以称为亲核取代也正是因为它是由亲核试剂进攻反应底物而引起的取代反应。反应底物上的溴原子带着电子对从碳原子上离去，所以Br-；称为离去基团，一般用L表示。该取代反应是在与溴相连的那个碳原子上进行的，常称该碳原子为中心原子，或反应中心。一般的亲核取代反应可以用如下的通式表示： 。其中RL为反应底物，L为离去基团，Nu为亲核试剂，弯箭头表示电子转移的方向。1、亲核试剂：亲核性是指：带负电荷或孤对电子的试剂即亲核试剂对亲电子原子的进攻的能力。 具有亲核性的物质叫做亲核试剂。凡是带有未共享电子对的物质(如Lewis碱)都具有一定的亲核性，它们都可能作为亲核试剂。亲核试剂可以是中性分子，也可以是带负电的阴离子。下表列出的是亲核取代反应中常见的一些亲核试剂：2、离去基团在进行亲核取代反应的中心碳原子上，必然连有一个能够带着电子离开的基团，即离去基团。离去基团可以是负离子，也可以是中性分子。常见的离去基团有 等。3、反应底物一般来说，在脂肪碳原子上连有某种离去基团的化合物都有可能作为亲核取代的反应底物。二、亲核取代反应的反应机理：对于脂肪亲核取代反应，由于反应物结构和反应条件的差异，SN有两种机理，即单分子亲核取代反应SN1和双分子亲核取代反应SN2。（一）SN1机理：SN1反应分两步进行：第一步是反应底物发生离解，即离去基团带着电子离开中心原子，形成正碳离子中间体；第二步是正碳离子和亲核试剂结合成键，得到取代产物：依据：1、动力学研究：(1)一级动力学反应在SN1的两步反应中，第二步是活性很高的正碳离子与亲核试剂结合，这是易于进行的快步骤；而第一步要由中性反应底物解离成有高度活性的正碳离子，是控制反应的慢步骤。反应过程中能量变化曲线如图所示，由于控制反应速度的步骤中只涉及到一种反应物，其反应速度也仅决定这一种反应物的浓度，所以在动力学上应表现为一级反应。(2)同离子效应。在SN1反应中，反应底物的解离是一个平衡过程，如果外加一些与解离的离子相同的离子，则会抑制解离，减慢反应速度。这种作用叫做同离子效应。同离子效应是SN1反应的一个特征。(3)盐效应。在SN1反应中，往往是由中性物质生成带电荷的物种，外加其它离子，增大溶液的离子强度，可提高反应速度，这种作用叫做盐效应。由于盐效应的存在常常使动力学图象变得复杂，在研究SN1反应动力学时也要考虑这种因素。(4)桥头碳上的SN1反应。对桥头碳上带有潜离去基团的化合物进行动力学研究，也能为支持aNl机理提供证据（中间体碳正离子为平面型，所以桥头碳原子很难发生SN1反应）。2、立体化学如果具有旋光活性的反应底物(中心原子为手性原子)进行SN1反应，由于生成的碳正离子具有平面构型，亲核试剂可以从平面两侧与其结合，取代产物应为几乎等量的一对对映体，消失了光学活性，即反应是外消旋的。3、重排由于在SN1反应中有正碳离子中间体生成，可以预料，它将显示正碳离子的特征：重排。碳正离子的稳定性：3°> 2° > 1° > CH3+。例如：新戊基溴和C2H5OH反应，几乎完全得到重排产物：（二）SN2机理：SN2代表双分子亲核取代，其反应过程可用下式表示：由上式可见，在SN2反应中，首先是亲核试剂从离去基团背面进攻中心原子，与此同时，离去基团携带电子逐渐离开中心原子，中心原子上的三个氢原子由于受Nu进攻的影响而往L一边偏转，当它们同处于一个平面，且Nu，L和中心原子成为垂直该平面的一条直线时，即达到所谓的过渡状态。接着亲核试剂与中心原子的结合逐渐加强，而离去基团继续远离中心原子，三个氢原子偏转到离去基团所处的一边，最后得到取代产物，在该过程中，旧键的断裂和新键的生成是协同进行的。新键的逐渐形成可为旧仪断裂提供部分能量。在过渡态时，其势能达到最高点，反应过程中的能量变化如图所示：依据：1，动力学研究：(1)二级反应。SN2是一步反应，显然它的反应速度与反应底物及亲核试剂浓度都有关系，在动力学上应为二级。以溴甲烷和氢氧化钠反应为例，其动力学研究结果丧明，该反应的速度与CH3Br以及OH都成正比关系：。SN2反应一般都遵循二级动力学。(2)假一级。在SN2反应中，当亲核试剂为溶剂时，动力学测定结果不是二级，而是一级的。这是因为溶剂亲核试剂是大量的，其浓度为一常数，所以反应速度只与反应底物有关：。这种反应动力学叫做假一级，反应仍然是双分子的。(3)桥碳上的SN2。化合物在SN2条件下进行反应。例如化合物3用乙氧离子处理，化合物4用碘化钠加丙酮处理。实验结果表明，在两种条件下都未得到相应的取代产物。在化合物3，4中，由于桥坏的屏蔽，亲核试剂很难从离去基团背面进攻中心桥碳原子，所以不发生SN2反应。而在这些条件下，开链类似物则可以发生SN2反应。2立体化学（瓦尔登构型转换）：构型转换是由于SN2反应中的背面进攻。以(一)2溴辛烷和氢氧化钠反应为例，亲核试剂OH按前面进攻的方式反应时，则必然受到携带电子离开的离去基团Br的排斥，而背面进攻则可避免这种排斥。进一步分析我们还可以更清楚地看到，背面进攻能形成较稳定的过渡态，从而降低反应的活化能。因此在SN2反应中，通过亲核试制的背面进攻而形成线型过渡态是必要的。而这种背面进攻在立体化学上必然导致瓦尔登构型转化。如图：（三）离子对机理:离子对机理最早是在解释SN1的部分外消旋化现象时被人们注意的，现在不仅可用它来解释SN1反应的部分外消旋化，而且用这种机理可以把SN1和SN2两种机理统一起来，说明很多有关亲核取代反应机理的现象，因此它越来越受到重视。亲核取代的反应底物在溶剂的作用下可按如下的方式形成离子对：形成离子对的各步反应都是可逆的，各步的速度常数大小取决于溶剂的性质和反应底物的结构。实际的反应体系是这些不同离子对及其游离的离子的平衡混合物。如果亲核试剂与分子或紧密离子对作用，则必然是从背面进攻中心碳原子，发生构型转化，外到瓦尔登转化产物。如果亲核试剂与溶剂分割离子对作用，那么亲核试剂既可从背面进攻得到构型转化产物，也可代替溶剂的位置得到构型保持产物。般来说，前者多于后者，在这一阶段的取代结果是部分消旋化。当亲核试剂和正碳离子作用时，则它们以相等的几率从正碳离子平面的两侧进攻，在这里发生的取代应该是完全消旋化的：取代反应的宏观结果是各个不同阶段受亲核试剂与各种离子对(包括分子和离子)反应的总和，上述过程可用下列图式表达：（四）邻近基团参与从许多实验中发现，当能提供电子的基团处于中心碳原子的邻近位置时，通过某种环状中间体参与亲核取代反应，共结果不仅加快了亲核取代反应的速度，而且往往使产物具有一定的立体化学特征。这种反应过程叫做邻基参与。可用下图表示：邻基参与反应的特点是：构型保持、有时得到一定构型的重排产物、反应速度较快。反应类型有:(1) 含杂原子邻近基团参与的反应.(2) 邻近双键参与。(3) 邻近芳基参与。例如：环氧化合物的合成属于第一种。三、影响因素可分为四种：烃基和离去基团、溶剂、亲核试剂。1、烃基的影响：对于SN1反应，决定反应速度的步骤是碳正离子的形成，也就是主要决定于碳正离子的稳定性。其稳定性主要受电子效应和空间效应影响：电子效应主要是P超共轭作用，分散正电荷，使碳正离子更加稳定。从空间效应分析，四面体构型的sp3碳变为平面三角构型的sp2碳，可以松弛分子内的张力，一般称这种张力为B张力(B代丧背面的意思)。这种解除B张力的作用叫做空助效应(不是空间障碍，而是空间帮助)。带正电荷的中心碳原子上的基团越多，共体积越大，所解除的B张力就越大，由此而赋予碳正离子的稳定性就越高。显然，叔碳正离子的空助作用是最强的。在不同结构的碳正离子中，电子效应和空间效应对其稳定性的影响是一致的，两种因素都使叔碳正离子稳定性最高，甲基碳正离子的稳定性最低，它们的相对稳定性顺序为：叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳正离子>甲基正离子。对于SN2反应，其速度主要决定于过渡态的稳定性。从反应物到过渡态，中心碳原子由四价过渡到五价，空间排布变得更加拥挤，所以底物结构的空间因素对反应活性有重要影响：反应物(四价态)过渡态产物(五价态)由上式还可以看到，从反应物到过渡态，中心碳原子的电荷分布并没有明显的变化，所以底物分子中或位上所连基团的电子效应对共反应速度的影响不大。因此在SN2反应中，影响反应活性的主要因素是空间因素。显然，基团的空间障碍会降低SN2反应的活性，不同烷基底物的SN2活性大小顺序为：甲基底物>伯碳底物>仲碳底物>叔碳底物。2、离去基团的影响：在亲核取代反应中，离去基团L总是带着电子离开中心碳原子，使CL发生断裂，离去基团的好差无论对SN1，还是 SN2都有影响。有时改变离去基团还可改变亲核取代反应的机理。在SN1反应中，决定反应速度的关键步骤是离去基团离开中心碳原子，所以离去基团的好差对反应活性有着重要的影响。在SN2反应中，离去基团离开中心碳原子和亲核试剂进攻中心碳原子是协同进行的，离去基团的好差对反应活性的影响不十分明显。在反应机理的选择上，离去基团也起一定的作用。一般来说，好的离去基团倾向于SN1机理；较差的离去基团倾向于SN2机理。好的离去基团指的是它有较强的承受电子的能力，容易带着电子从中心碳原子上离开；而差的离去基团往往是承受电子能力较小，不易带着电子从中心碳原子上离开。在一般情况下，我们可以根据离去基团的碱性强弱来判断它的好差。碱性弱的基团承受负电荷的能力强，容易带着电子离开中心碳原子，即为好的离去基团；碱性强的基团则是差的离去基团。各种负离子基团或中性分子的碱性强弱往往不易直接辨认，而通过比较它们的共轭酸强弱来判断是比较方便的。因此判断离去基团的好差最终要看该基团(作为碱)的共轭酸的酸性如何。除X外，硫酸酯、甲磺酸酯，苯磺酸酯、对甲苯磺酸酯中的酸根均为好的离去基团，因为硫酸，磺酸都属强酸，所以相应的酸根(共轭碱)都是弱碱，它们容易带着电子从中心碳原子上离开，而形成较稳定的负离子。3、溶剂的影响： 溶剂化效应：溶剂与溶质分子或离子通过静电力结合的作用。溶剂的分类：溶剂的影响：l 质子溶剂：与负离子形成强氢键的溶剂。如水、低级醇、醋酸等l 极性非质子溶剂：偶极溶剂，介电常数大于15，不易给出质子。如二甲亚砜、乙腈、丙酮等l 非极性非质子溶剂：不给出质子，与溶质结合力较弱。如二氯甲烷、THF、乙酸乙酯、氯仿、环己烷等。溶剂对SN1反应的影响：在SN1反应过程中，决速步骤是经过极性增大的过渡态形成碳正离子。因此，溶剂极性越大，越有利于过渡态的形成，利于SN1反应的进行。溶剂对SN2反应的影响：增加溶剂的极性对SN2反应不利。增加溶剂的极性，使极性大的亲核试剂溶剂化，不利于过渡态的形成。4、亲核试剂的影响：亲核试剂的强弱对SN2反应有明显的影响，因为亲核试剂参与过渡态的形成。强的亲核试剂将提高SN2反应的速度，而弱的亲核试剂往往很难使反应按SN2机理进行。在SN1反应中，决定反应速度步骤与亲核试剂无关，所以SN1反应速度不依赖于亲核试剂的性质。试剂的碱性指的是提供电子与质子或其它Lewis酸结合的能力。由于它们都是一种提供电子，和带正电实体结合的能力，所以在很多情况下，试剂的亲核性和碱性是一致的。因此我们可以通过试剂的碱性来判断它们的亲核性强弱，而试剂的碱性又往往是由它们的共轭酸强弱来判断。亲核试剂的亲核性与多种因素有关，如试剂本身的碱性、可极化性、试剂的空间体积、试剂所带电荷的性质以及溶剂等。亲核能力与各种因素的关系：A、亲核能力与碱性的关系：带负电荷的亲核试剂较相应的中性试剂亲和性强：如HO较H2O的亲核性强。一般情况下，碱性强则亲核性强：B、亲核能力与试剂体积的关系：体积越大越不易接近反应中心碳原子。如烷氧基负离子进行SN2反应时的活性顺序是：C、亲核能力与溶剂化效应的关系：非质子溶剂中（DMSO, DMF）：F > Cl > Br > I (碱性强，则亲核能力强)质子溶剂中（醇）：F < Cl < Br < I (碱性强，但亲核能力弱)反应中极化性强的试剂外层电子云变形D、亲核能力与试剂可极化性的关系：SN2反应中，极化性强的试剂外层电子云变形后易于接近中心碳原子，降低了过渡态产生所需的活化能。碘负离子：既是强亲核试剂，又是一个好的离去基团。亲核试剂的亲核能力强对SN2反应有利四、消除反应与亲核取代反应的竞争消除反应和亲核取代反应是同时存拄的两个竞争反应。以卤代烃为例来讨论这两种反应的竞争情况。卤代烃的亲核取代有两种重要的机理SN1扣SN2；消除反应也有两种机理E1和E2。两类反应的竞争往往是对1；2对2。单分子机理：双分子机理：1对1：在单分子机理中，首先断裂CX键，生成碳正离子，该碳正离子相亲核试剂结合则得到取代产物(1)；如果碳正离子丢掉H，则得到消除产物(E1)。在双分子机理中，亲核试剂Y进攻中心碳原子，经由过渡态111而得到取代产物；Y作为碱进攻H，经山过渡态112而得到消除产物。在单分子反应中，1和E1的竞争主要决定于烷基的结构。在这种反应过程中，如碳正离子与亲核试剂结合()中心碳原子需从平面三角构型变成四面体构型，这样会增加空间张力，当碳原子上连有体积较大的取代基时，这种张力的增加就更加明显；如碳正离子丢掉一个H，发生反应而生成烯烃时，中心碳原子仍是平面三角构型，共空间张力无明显变化。因此当中心碳原子上连有较多，体积较大的取代基时，对消除反应是有利的。例如，下列氯代烷进行溶剂解中所得取代和消除的比例：在单分子反应中，离去基团与取代，消除产物的比例没有什么关系。但是试剂的碱性对消除、取代产物的比例有明显的影响，随着碱的强度和浓度的增加，消除产物的比例显著增加。例如：注：当试剂碱的浓度增加时，消除反应将由E1转向E2。2对2：一级卤代烃和二级卤代烃在一定条件倾向于双分子机理的反应。这时主要是E2对SN2的竞争，其竞争结果主要也决定于反应底物的结构和反应条件。一般来说，一级卤代烃与亲核试剂作用的SN2反应较快；但如果在位上有活泼氢，例如烯丙型氢、苄基氢，则会提高E2反应的速度。在位上有取代基的一级或二级卤代烃，由于空间位阻，SN2速度较慢，这时试剂(碱)进攻比较有利，因而消除产物将增多。双分子反应的竞争与试剂的性质也很有关系。如果试剂的亲核性强，有利于SN2反应；试剂的碱性强则有利于E2。试剂的体积大，不易接近中心碳原子不利于SN2，而利于E2，因为体积大的试剂接近夕H不会受到明显的影响；表21列出的是不同溴代烃在乙醇乙醇钠中取代产物利消除产物的百分比。由此可以看出一级、二级，三级卤代烃发生双分子反应时，取代和消除的倾向为：实际的反应往往还要复杂。根据反应底物结构和反应条件的不同，它们既有单分子机理，又可能有双分子机埋，即，SN2，El，E2四种机理同时存在：但从产物来看，无非还是两种：取代产物称消除产物。因此我们可以不管反应机理如何，综合分析卤代烃的结构，反应条作和取代、消除产物的关系。、一级卤代烃倾向于发生取代反应，只有在碱性较强的条件下，才以消除为主。、三级卤代烃倾向于发生消除，即是在弱碱(Na2C09水溶液)中，也以消除为主，只有在纯水或乙醇中发生溶剂解才以取代为主：、二级卤代烃的情况介于三级和一级卤代烃之间，在般条件下，有较大的取代倾向，但消除的程度比一级卤代烃大。究竞以哪种反应为主，主要决定具体结构和反应条件。在强碱条件下主要发生消除，当碳上连有侧链时，消除的倾向大。(4)反应条件的影响。碱的强度、溶剂的性质，反应温度对消除和取代反应的竞争也有重要的影响。强碱，高温利于消除；极性较强的溶剂利于取代。如果欲使反应发生消除，则应选择较强的碱性试剂，使用极性不太强的溶剂，在较高温度下反应。如果欲使反应发生取代，则应选择碱性较弱的试剂剂及极性较强的溶剂，在较低温度下反应。一般来说NaOH醇溶液是典型的消除条件；NaOH或Na2C03水溶液则是典型的取代(水解)反应条件。总之，卤代烃的消除反应和取代反应总是同时存在的竞争反应。这种竞争受多种因素的影响，情况比较复杂，但也有大致的定性规律。根据这些规律，我们可以预计一定结构的卤代烃在某种条件下，哪种反应可能是主要的。更重要的是可以通过选择适当的条件，使反应主要按我们所期望的方向进行。