第四章 亲核取代反应.ppt

第四章第四章 亲核取代反应亲核取代反应 迄今为止，人们对亲核取代反应的了解是迄今为止，人们对亲核取代反应的了解是在各类有机反应中最深入的。现在利用在各类有机反应中最深入的。现在利用以这些研究为基础提出的机理，预测反以这些研究为基础提出的机理，预测反应的过程和制定最大限度转化为产物的应的过程和制定最大限度转化为产物的实验条件。虽然到目前为止，还仍有一实验条件。虽然到目前为止，还仍有一些重要的细节问题没有弄清楚，但对于些重要的细节问题没有弄清楚，但对于整个亲核取代反应，人们的认识已经进整个亲核取代反应，人们的认识已经进入到了相当的层次。入到了相当的层次。反应通式：反应通式：底物及亲核试剂可以是各种质体，包括中底物及亲核试剂可以是各种质体，包括中性的和带电荷的，其中最常见的是中性性的和带电荷的，其中最常见的是中性底物与负离子亲核试剂之间的反应。底物与负离子亲核试剂之间的反应。A)中性底物中性亲核体中性底物中性亲核体(常见常见)B)中性底物负离子亲核体中性底物负离子亲核体(常见常见)C)正离子底物中性亲核体正离子底物中性亲核体D)正离子底物负离子亲核体正离子底物负离子亲核体 4.1 极限情况极限情况SN1 和和SN2 历程历程4.1.1 极限情况极限情况SN1单分子解离历程电离机理单分子解离历程电离机理亲核取代反应的电离机理是以底物的异裂为一个亲核取代反应的电离机理是以底物的异裂为一个三配位的碳正离子和离去基团为决定速度步骤三配位的碳正离子和离去基团为决定速度步骤的，历程如下：的，历程如下：反应是一级动力学的：反应是一级动力学的：反应速度与亲核试剂浓度反应速度与亲核试剂浓度Y-无关，或无关，或Y-的性的性质对反应速度影响不大。质对反应速度影响不大。a，SN1反应的特点：反应的特点：1）在动力学上表现为单分子的一）在动力学上表现为单分子的一级反应；级反应；2）反应过程中存在一个碳正离子中间体）反应过程中存在一个碳正离子中间体b,影响影响SN1反应的因素可分为两部分：反应的因素可分为两部分：1）结构因素；）结构因素；2）介质因素。）介质因素。1）（底物）结构因素：）（底物）结构因素：电子因素：电子因素：R 上有给电子取代基时，上有给电子取代基时，有利于碳正离子的稳定，有利于碳正离子的稳定，从而加速反应；从而加速反应；同时同时X上有吸电子基时，有利于上有吸电子基时，有利于X的离去，对反应有利。的离去，对反应有利。立体因素：当立体因素：当R 上有大体积基团时，底物由上有大体积基团时，底物由SP3SP2碳正离子中间体时，张力有所松弛，因此，促进离解碳正离子中间体时，张力有所松弛，因此，促进离解对反应有利。几何上妨碍碳正离子平面，不利于反应。对反应有利。几何上妨碍碳正离子平面，不利于反应。2）介质因素）介质因素：溶剂：对中性底物，极性溶剂溶剂：对中性底物，极性溶剂有利于反应；有利于反应；同离子效应：当体系中有外加同离子效应：当体系中有外加的离去基团同离子时，逆反应速度增加，不利的离去基团同离子时，逆反应速度增加，不利于反应；于反应；盐效应：当体系中有加入与离盐效应：当体系中有加入与离去基团不同的离子时，反应介质的介电常数增去基团不同的离子时，反应介质的介电常数增大，促进电离，有利于反应。大，促进电离，有利于反应。c，反应的立体化学结果：，反应的立体化学结果：产物最终为外消旋物，产物最终为外消旋物，无论底物是否为光学活性。无论底物是否为光学活性。412 极限情况极限情况SN2历程（直接取代机理）历程（直接取代机理）直接取代机理是一个双分子协同机理，其历程如下：直接取代机理是一个双分子协同机理，其历程如下：反应速度与底物、反应速度与底物、离去基团、亲核试剂的离去基团、亲核试剂的结构与性质均有关结构与性质均有关 SN2历程的特点：历程的特点：在动力学上为二级，为双分子反应，对底物和亲核试在动力学上为二级，为双分子反应，对底物和亲核试剂各为一级；剂各为一级；反应中没有中间体，只有活化过渡态，亲核试剂的进反应中没有中间体，只有活化过渡态，亲核试剂的进攻方向与离去基团离去方向相反，进攻离去同时进攻方向与离去基团离去方向相反，进攻离去同时进行的协同过程行的协同过程 影响影响SN2反应的因素：反应的因素：结构因素：过渡态为五配位，因此，碳上取代基和亲核试剂的结构因素：过渡态为五配位，因此，碳上取代基和亲核试剂的体积影响较大，体积小，速度快，电子因素影响较复杂；体积影响较大，体积小，速度快，电子因素影响较复杂；介质因素：溶剂效应较复杂，对于中性底物和负离子亲核试剂，介质因素：溶剂效应较复杂，对于中性底物和负离子亲核试剂，极性溶剂不利于反应；极性溶剂不利于反应；反应受亲核试剂的亲核能力和离去基团离去能力影响较大。反应受亲核试剂的亲核能力和离去基团离去能力影响较大。立体化学结果：光学活性底物，立体化学结果：光学活性底物，100%构型翻转。构型翻转。事实上，大部分亲核取代反应的实际过程是介于事实上，大部分亲核取代反应的实际过程是介于SN1和和SN2 之间的。之间的。42 离子对机理离子对机理SN1和和SN2的判定依据是动力学和立体化学。若溶剂解反应，的判定依据是动力学和立体化学。若溶剂解反应，部分立体翻转则很难判断。部分立体翻转则很难判断。大多数仲烷基、伯苯甲基和一些仲苯甲基体系等呈交界类型大多数仲烷基、伯苯甲基和一些仲苯甲基体系等呈交界类型Winstein提出了离子对的概念，认为在反应中存在两种可区分的提出了离子对的概念，认为在反应中存在两种可区分的离子对中间体。离子对中间体。电离电离 离解离解 紧密离子对紧密离子对 溶剂隔离离子对溶剂隔离离子对 离解的离子离解的离子亲核反应可以发生在任一阶段，从而产生不同的立体化学结果：亲核反应可以发生在任一阶段，从而产生不同的立体化学结果：紧密离子对紧密离子对构型翻转；构型翻转；溶剂隔离离子对溶剂隔离离子对部分外消旋化；部分外消旋化；溶剂化离子溶剂化离子完全消旋化。完全消旋化。例：例：80%丙酮丙酮/水，水，100时，时，/=2.3。离子对逆转时构型保留离子对逆转时构型保留的过程占优势。的过程占优势。总的离子对逆转过程的度量；总的离子对逆转过程的度量；这个逆转过程的外消旋化程度的度量。这个逆转过程的外消旋化程度的度量。外加外加NaN3 0.14M时时 不变，不变，=0。高度亲核活性的叠氮离子，。高度亲核活性的叠氮离子，截留了发生外消旋化的中间体。截留了发生外消旋化的中间体。在亲核取代反应中，离子对的概念现已普遍被接受：在亲核取代反应中，离子对的概念现已普遍被接受：粗略地认为三种形式势能接近，而且相互间的能垒较小粗略地认为三种形式势能接近，而且相互间的能垒较小Sneen 提出一元化离子对机理：提出一元化离子对机理：43 亲核性和溶剂效应亲核性和溶剂效应 亲核性是衡量一个路易斯碱对亲核取代反应速率影响的效应。亲核性是衡量一个路易斯碱对亲核取代反应速率影响的效应。碱性是指对平衡的影响。碱性是指对平衡的影响。亲核性大小，对于亲核性大小，对于SN2反应来讲，决定反应速率；对于反应来讲，决定反应速率；对于SN1反应，影响产物的分配。反应，影响产物的分配。431 影响亲核性的因素影响亲核性的因素亲核试剂的溶剂化能越高，亲核性越低；亲核试剂的溶剂化能越高，亲核性越低；Y-C键越强，亲核能力越强；键越强，亲核能力越强；亲核试剂的有效体积越大，亲核能力越低不利于进攻亲核试剂的有效体积越大，亲核能力越低不利于进攻 亲核试剂中，直接进攻的原子的电负性越强，亲核能力亲核试剂中，直接进攻的原子的电负性越强，亲核能力越弱（不易给出电子）：越弱（不易给出电子）：例如：同一周期中，左例如：同一周期中，左右，亲核性降低（电负性增强）右，亲核性降低（电负性增强）亲核试剂中，直接进攻的原子的可极化度越大，亲核能亲核试剂中，直接进攻的原子的可极化度越大，亲核能力越强。力越强。例如：同一族中，上例如：同一族中，上下，亲核性增加下，亲核性增加 432 亲核性与碱性亲核性与碱性亲核性与碱性都是描述给出电子对与亲电性质体亲核性与碱性都是描述给出电子对与亲电性质体形成新键的过程。但碱性只用于平衡（热力学）形成新键的过程。但碱性只用于平衡（热力学）现象；而亲核性只用于速率（动力学）现象。现象；而亲核性只用于速率（动力学）现象。Swain&Scott 用用CH3I 在在25时甲醇解作为标准时甲醇解作为标准反应定义了亲核性常数反应定义了亲核性常数n,用来描述亲核性的用来描述亲核性的大小。大小。nMeI=log(k亲核体亲核体/kMeOH)表：表：亲核试剂亲核试剂 nCH3I pKa 碱性、亲核性并不成正比；如：碱性、亲核性并不成正比；如：PhO-碱性比碱性比PhS-强，但强，但亲核性较弱。亲核性较弱。在某些情况下，如亲核质体不同，但进攻的原子相同时，在某些情况下，如亲核质体不同，但进攻的原子相同时，亲核性与碱性是一致的：亲核性与碱性是一致的：如：如：433 溶剂效应溶剂效应溶剂化程度对于负离子的亲核性影响很大溶剂化程度对于负离子的亲核性影响很大在有氢键极性质子溶剂中，硬亲核试剂如在有氢键极性质子溶剂中，硬亲核试剂如RO-,Cl-,RNH2比软亲核试剂如比软亲核试剂如RS-,I-,CN-的亲核性的亲核性低低亲核取代反应在极性非质子溶剂中比极性质子亲核取代反应在极性非质子溶剂中比极性质子溶剂中容易发生。如溶剂中容易发生。如DMF,DMSO,HMPA,等等在质子和非质子极性溶剂中，负离子的相对亲在质子和非质子极性溶剂中，负离子的相对亲核性发生变化：核性发生变化：如：如：甲醇中：甲醇中：DMSO:44 离去基团效应离去基团效应无论是无论是SN1还是还是SN2历程，它们的反应速度均受离历程，它们的反应速度均受离去基团的影响。去基团的影响。与碳相连的原子相同时，则离去基团的离去能力与这个与碳相连的原子相同时，则离去基团的离去能力与这个离子的共轭酸的酸性成正比。如：离子的共轭酸的酸性成正比。如：卤素负离子的离去能力卤素负离子的离去能力IBrClF,而电负性而电负性 FClBrI.离去基团的离去能力对离去基团的离去能力对SN1历程的影响更大于历程的影响更大于SN2历程历程 45 空间因素和其他取代基效应空间因素和其他取代基效应451 空间因素对类空间因素对类SN2 反应的影响反应的影响（在不利于电离的溶剂中，与强亲核试剂反应，接近于（在不利于电离的溶剂中，与强亲核试剂反应，接近于SN2 历程）历程）碳上取代基体积增大，将增加过渡态的拥挤程度，从而碳上取代基体积增大，将增加过渡态的拥挤程度，从而减速反应。减速反应。例：例：452空间因素对类空间因素对类SN1 反应的影响反应的影响（在介电常数高而亲核性弱的溶剂中反应，（在介电常数高而亲核性弱的溶剂中反应，接近接近SN1历程，解离将成为决定因素）历程，解离将成为决定因素）碳上取代基体积越大，在起始物中拥挤程度碳上取代基体积越大，在起始物中拥挤程度越大，电离后形成越大，电离后形成C+离子对时，对拥挤的离子对时，对拥挤的缓解程度越大，有利于反应。缓解程度越大，有利于反应。例例 张力效应张力效应：高度支链的底物的空间效应的影响。但大张：高度支链的底物的空间效应的影响。但大张力底物往往伴随着重排或消除反应。力底物往往伴随着重排或消除反应。46 -取代基效应（芳甲基、烯丙基体系）取代基效应（芳甲基、烯丙基体系）461 当当-位有烯基、苯基时，对位有烯基、苯基时，对SN1,SN2均有利；均有利；462 当反应中心的邻位有吸电子的当反应中心的邻位有吸电子的体系存在时，体系存在时，对对SN1,SN2有不同的影响。有不同的影响。对于对于SN1反应，反应，-位有吸电子的位有吸电子的体系存在时，不利于碳体系存在时，不利于碳正离子的稳定。因此，正离子的稳定。因此，-位有氰基、羧基、羰基等取位有氰基、羧基、羰基等取代基时，几乎不发生代基时，几乎不发生SN1反应。但反应。但-位有可能提供电位有可能提供电子对的杂原子时，将对子对的杂原子时，将对SN1有利。有利。对于对于SN2反应，反应，-位有吸电子的位有吸电子的体系存在时，体系存在时，反应速率是增加的：反应速率是增加的：空间效应，羰基对亲空间效应，羰基对亲核试剂进攻的阻碍作用小于烷基；核试剂进攻的阻碍作用小于烷基；电子效电子效应，应，体系可以与体系可以与SN2的过渡态共轭而使之稳的过渡态共轭而使之稳定。定。例：例：47 立体化学立体化学对于极限情况对于极限情况,SN1历程历程100%外消旋；外消旋；SN2是是100%构构型翻转。更多的反应是比较复杂的。甚至相同的底物型翻转。更多的反应是比较复杂的。甚至相同的底物在不同的介质与不同的亲核试剂反应，也将体现出不在不同的介质与不同的亲核试剂反应，也将体现出不同的立体化学结果。同的立体化学结果。例例1：对溴苯磺酸对溴苯磺酸2-辛酯的水解反应的立体化学结果：辛酯的水解反应的立体化学结果：速控步是形成紧密离子对，因此不同的条件下形成不同速控步是形成紧密离子对，因此不同的条件下形成不同的产物。随着碳正离子稳定性的增加，外消旋的比例的产物。随着碳正离子稳定性的增加，外消旋的比例也增加。也增加。例例2：在不同的条件下，呈现不同的立体化学结果。：在不同的条件下，呈现不同的立体化学结果。与例与例1相比外消旋的比例增加了，这是由于苯基对碳正相比外消旋的比例增加了，这是由于苯基对碳正离子的稳定化作用，使解离能够进行到溶剂隔离的离离子的稳定化作用，使解离能够进行到溶剂隔离的离子对，然后与亲核试剂反应而得到产物。子对，然后与亲核试剂反应而得到产物。例例3：一般认为，叔碳体系的亲核取代反应为：一般认为，叔碳体系的亲核取代反应为100%外消旋外消旋(SN1)的说法并不严格，条件不同时，将产生不同的立的说法并不严格，条件不同时，将产生不同的立体化学结果。体化学结果。如：对硝基苯甲酸如：对硝基苯甲酸2-苯基苯基-2-丁酯的水解反应：丁酯的水解反应：在弱亲核介质中，完全解离，形成外消旋产物；在弱亲核介质中，完全解离，形成外消旋产物；在强亲核介质中，不到完全解离时，在强亲核介质中，不到完全解离时，即发生反应，在紧即发生反应，在紧密离子对即溶剂隔离离子对阶段即发生反应，形成构密离子对即溶剂隔离离子对阶段即发生反应，形成构型转化及外消旋混合物；型转化及外消旋混合物；在水中，溶剂隔离离子对阶段，由于水与对硝基苯甲酸根在水中，溶剂隔离离子对阶段，由于水与对硝基苯甲酸根之间的氢键作用，使水分子在隔离离子对中处于前部，之间的氢键作用，使水分子在隔离离子对中处于前部，而有利于得到构型保持的产物：而有利于得到构型保持的产物：例例4：在胺经重氮化去氨基的反应中，取代反应与前面：在胺经重氮化去氨基的反应中，取代反应与前面的反应比较，的反应比较，立体化学有很大的不同：立体化学有很大的不同：产生结果的原因：产生结果的原因：由于离去基团是氮分子，因此，由于离去基团是氮分子，因此，立体化学主要取决于碳立体化学主要取决于碳正离子的稳定性。正离子的稳定性。伯类化合物中，亲核试剂（溶剂化）在候补进攻，因此，伯类化合物中，亲核试剂（溶剂化）在候补进攻，因此，净结果是构型转化占优势；在苯稳定的化合物中，虽净结果是构型转化占优势；在苯稳定的化合物中，虽然生成了碳正离子，但存在时间短，没有完全对称溶然生成了碳正离子，但存在时间短，没有完全对称溶剂化，产物取决于溶剂的崩溃，因此，在前部崩溃占剂化，产物取决于溶剂的崩溃，因此，在前部崩溃占优势，得到构型保留的净结果优势，得到构型保留的净结果 还有少数反应表现出高度的构型保留产物：还有少数反应表现出高度的构型保留产物：例例5：二氯亚砜与醇在二氧六环中的反应：二氯亚砜与醇在二氧六环中的反应：两次构型转化结果，导致了构型保留的立体化学结果两次构型转化结果，导致了构型保留的立体化学结果 48 邻基参与邻基参与分子中亲核性的取代基参与了在同一分子中另一分子中亲核性的取代基参与了在同一分子中另一部位的取代反应称为部位的取代反应称为邻基参与邻基参与。当一个倾向于进行亲核取代反应的底物中含有一当一个倾向于进行亲核取代反应的底物中含有一个能作为亲核体的基团时，往往能够观察到该个能作为亲核体的基团时，往往能够观察到该反应的动力学和立体化学所受到的强烈影响。反应的动力学和立体化学所受到的强烈影响。例例1：对甲苯磺酸：对甲苯磺酸-2-乙酰氧基环己酯的顺、反异乙酰氧基环己酯的顺、反异构体的溶剂解反应。构体的溶剂解反应。其原因即为邻基参与：其原因即为邻基参与：51%说明只有在空间几何允许的情况下，才能发生参与作用。说明只有在空间几何允许的情况下，才能发生参与作用。例例2：OH 邻基参与邻基参与n=2时，熵值的减少时，熵值的减少 仲碳仲碳 伯碳伯碳 甲基甲基-H 230 247 274 314任何能够降低碳正离子中心上正电荷的因素都将对碳正任何能够降低碳正离子中心上正电荷的因素都将对碳正离子起稳定作用。烯丙基、苄基碳正离子由于离子起稳定作用。烯丙基、苄基碳正离子由于电子电子的离域作用而稳定。的离域作用而稳定。苄基碳正离子稳定性受苯环上取代基的电子效应影响较苄基碳正离子稳定性受苯环上取代基的电子效应影响较大。当对位有给电子的烷氧基或氨基取代基时，起稳大。当对位有给电子的烷氧基或氨基取代基时，起稳定化作用；而当对位有吸电子的硝基或氰基取代基时，定化作用；而当对位有吸电子的硝基或氰基取代基时，起去稳定化作用。起去稳定化作用。环丙基甲基类碳正离子有很好的稳定性：环丙基甲基类碳正离子有很好的稳定性：环丙烷键为弯键，其环丙烷键为弯键，其键具有更多的键具有更多的键特征；键特征；较小的键角使轨道的能量较正常的较小的键角使轨道的能量较正常的键要高，键要高，能更有效地与空能更有效地与空p轨道作用：轨道作用：二等分构象能有效重叠。二等分构象能有效重叠。二甲基环丙烷正离子的二甲基环丙烷正离子的nmr 谱图出现了两个不等谱图出现了两个不等分的甲基信号，这明确支持了二等分构象。分的甲基信号，这明确支持了二等分构象。上述稳定的碳正离子都是上述稳定的碳正离子都是SP2 杂化的平面性结构，杂化的平面性结构，当平面性不能满足时，碳正离子的能量高，稳当平面性不能满足时，碳正离子的能量高，稳定性下降。定性下降。环的刚性无法满足平面结构。环的刚性无法满足平面结构。另外，烯基，苯基碳正离子都是极不稳定的。另外，烯基，苯基碳正离子都是极不稳定的。碳正离子可用碳正离子可用1HNMR 来检测，由于碳正离子的来检测，由于碳正离子的去屏蔽作用，使碳正离子的化学位移比相应的去屏蔽作用，使碳正离子的化学位移比相应的烷烃在更低场出现吸收峰：烷烃在更低场出现吸收峰：492 碳正离子的重排碳正离子的重排由底物离解形成的碳正离子一般有以下结果：由底物离解形成的碳正离子一般有以下结果：当介质能够稳定碳正离子，如在强极性弱亲核性溶剂中，当介质能够稳定碳正离子，如在强极性弱亲核性溶剂中，往往发生重排，重排的倾向是形成更稳定的碳正离子。往往发生重排，重排的倾向是形成更稳定的碳正离子。重排反应可以通过烷基、芳基或氢的迁移而发生，最常重排反应可以通过烷基、芳基或氢的迁移而发生，最常见的是见的是1，2-迁移重排。迁移重排。碳正离子骨架迁移的能垒并不是很高的。碳正离子骨架迁移的能垒并不是很高的。一般迁移能力一般迁移能力 H Ar R，但并不是绝对的，往往空，但并不是绝对的，往往空间因素和电子因素决定了碳正离子的重排。间因素和电子因素决定了碳正离子的重排。在非亲核性的介质中，碳正离子存活期长，往往可重排在非亲核性的介质中，碳正离子存活期长，往往可重排到最稳定的碳正离子。到最稳定的碳正离子。在亲核性的介质中，碳正离子可为亲核体所截获，只有在亲核性的介质中，碳正离子可为亲核体所截获，只有快速的重排反应才能发生，快速的重排反应才能发生，因此，亲核体亲核性的大小将决定重排程度。因此，亲核体亲核性的大小将决定重排程度。例例1：对甲苯磺酸：对甲苯磺酸2-丁酯的溶剂解反应：丁酯的溶剂解反应：亲核性亲核性 CH3CO2H CF3CO2H。重排。重排9%50%例例2：环己基正离子的重排：环己基正离子的重排：实际上是通过实际上是通过“角端质子化的环丙烷角端质子化的环丙烷”结构重排的：结构重排的：在整个重排过程中没有涉及不稳定的伯碳正离子过程在整个重排过程中没有涉及不稳定的伯碳正离子过程 例例3：在中等大小环化合物中，：在中等大小环化合物中，不相邻碳上的不相邻碳上的H也可发生迁移，如也可发生迁移，如1，5H迁移重排：迁移重排：反应是通过反应是通过1，5氢桥离子进行的，是立体专一氢桥离子进行的，是立体专一的同面加成的同面加成 493 非经典碳正离子和原菠基正离子非经典碳正离子和原菠基正离子非经典碳正离子是指被非经典碳正离子是指被键的电子离域作用所稳定键的电子离域作用所稳定的中间体。的中间体。例例1:对溴苯磺酸对溴苯磺酸2-原菠脂的乙酸解反应：原菠脂的乙酸解反应：速度相差较大，是由于两者的反应历程不同：速度相差较大，是由于两者的反应历程不同：外型离去基团离去时有外型离去基团离去时有键参与；而内型在空键参与；而内型在空间上不合适，只能先按间上不合适，只能先按SN1离解，随后才有离解，随后才有键参与，因此，反应速度慢。键参与，因此，反应速度慢。