饱和碳原子的亲核取代反应.ppt

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1、第四章 取代反应123饱和碳原子的亲核取代反应饱和碳原子的亲核取代反应芳香族的亲电取代反应芳香族的亲电取代反应芳香族的亲核取代反应芳香族的亲核取代反应、饱和碳原子的亲核取代反应1234反应类型反应类型反应机理反应机理5立体化学立体化学邻基参与的作用邻基参与的作用影响反应活性的因素影响反应活性的因素一、概述1.1 亲核取代反应？亲核取代反应？L=离去基团：卤素离去基团：卤素,OH,OTs.等；等；Nu=亲核试剂：亲核试剂：OH，OR.等。等。分子中原子或基团被亲核试剂原子或基团取代的反应。分子中原子或基团被亲核试剂原子或基团取代的反应。亲亲核核试试剂剂带带一一对对电电子子进进攻攻中中心心碳碳原原

2、子子，而而离离去去基基团团带带着着一一对对电子离去。电子离去。中性分子底物中性分子底物:带正电荷底物带正电荷底物:1.2 亲核取代反应的重要性亲核取代反应的重要性u 有机化学中非常重要的一类反应有机化学中非常重要的一类反应;u 在理论研究中和有机合成实际中都是极其有用在理论研究中和有机合成实际中都是极其有用的一类反应。的一类反应。p 以卤代烃为例，进行亲核取代反应可以得到那以卤代烃为例，进行亲核取代反应可以得到那些类型化合物？些类型化合物？1.3 机理的研究机理的研究 由由于于该该反反应应涉涉及及到到底底物物的的性性质质和和亲亲核核试试剂剂的的性性质质，基基于于两两者者，这这类类反反应应按按其

3、其机机理理的的不不同同分分为两种极限情况讨论，如：为两种极限情况讨论，如：SN1 和和 SN2。离子对机理离子对机理二、亲核取代反应机理1、反应类型、反应类型 底物为中性分子，亲核试剂带着一对孤对电子；底物为中性分子，亲核试剂带着一对孤对电子；例如：例如：底物为中性分子，亲核试剂带有负电荷；底物为中性分子，亲核试剂带有负电荷；例如：例如：底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子；底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子；例如：例如：底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：例如：例如：（1）单分子亲核取代单分子亲核取代(SN 1)反应机理反应机理反应机理：反应机理：第一步

4、第一步 碳正离子的生成；碳正离子的生成；第二步第二步 亲核试剂进攻碳正离子。亲核试剂进攻碳正离子。一级反应一级反应2、反应机理、反应机理例如：叔卤代烷的水解例如：叔卤代烷的水解v反应的位能曲线：反应的位能曲线：E反应进程反应进程E1HE2第一步为决速步骤第一步为决速步骤例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应按按SN 1 机理进行反应的体系：机理进行反应的体系：叔卤代烷及其衍生物和被共轭体系稳定叔卤代烷及其衍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。（2）双双分子亲核取代分子亲核取代(SN2)反应机理反应机理 动动力力学学研研究究表表明明：有有

5、一一类类亲亲核核取取代代反反应应的的速速率与底物的浓度和试剂的浓度同时相关。率与底物的浓度和试剂的浓度同时相关。二级反应二级反应反应机理为一步反应：反应机理为一步反应：v反应的能量变化可用位能曲线表示：反应的能量变化可用位能曲线表示：EEaH反应进程反应进程轨道重叠程度相同；轨道重叠程度相同；体系能量最高。体系能量最高。（3）离子对机理）离子对机理 介介于于SN1 与与 SN2 之之间间的的机机理理，建建立立在在SN1机机理理基基础之上。础之上。底底物物的的解解离离成成碳碳正正离离子子是是经经几几步步完完成成的的，形形成成不不同的离子对。同的离子对。3、取代反应的立体化学、取代反应的立体化学反

6、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 立体化学立体化学：Nu:L+L-Nu例如：例如：构型翻转产物构型翻转产物sp2(R)-(-)-2-辛烷辛烷25D=-34.25(S)-(-)-2-辛醇辛醇25D=-9.90构型构型翻转翻转=+33.0=+31.1=-19.9=+23.5SN1立体化学立体化学 试试剂剂从从正正碳碳离离子子的的两两面面进进攻攻中中心心碳碳原原子，形成一对外消旋产物。子，形成一对外消旋产物。消旋化消旋化构型保持构型保持构型保持构型保持构型转化构型转化构型转化构型转化S SN N1 1+实际上，实际上，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

7、 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。外消旋产物的比率与生成外消旋产物的比率与生成C+离子的稳定性有关离子的稳定性有关A ClC消旋化收率（消旋化收率（%）A B C 46 72 100碳正离子稳定性：碳正离子稳定性：C B A三、影响反应活性的因素v 底物的结构；底物的结构；v 亲核试剂的浓度与反应活性；亲核试剂的浓度与反应活性；v 离去基团的性质；离去基团的性质；v 溶剂效应。溶剂效应。（1）底物结构的影响）底物结构的影响（空间效应，电子效应）

8、（空间效应，电子效应）A.SN 2反应的空间效应反应的空间效应卤代烷的反应活性顺序：甲基卤代烷的反应活性顺序：甲基 伯伯 仲仲 叔叔a.反应底物的分子烃基中反应底物的分子烃基中-C上的支链越多，上的支链越多，SN2的反的反应越慢。应越慢。b.对于对于-C上支链越多，也会使上支链越多，也会使SN2速度减慢。速度减慢。例如：例如：相对速度相对速度:1 4 10-1 3 10-2 1 10-5 R:CH3CH2 CH3CH2CH2 (CH3)2CH CH2 (CH3)3C CH2 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 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

9、团时，Nu:难于从背后接近底物。难于从背后接近底物。c.-C是不饱和碳，是不饱和碳，SN2很难发生。很难发生。p-共轭效应共轭效应,X 很难离去。很难离去。如如:很难水解很难水解,要在强烈的条件进行。要在强烈的条件进行。B.SN 2反应的电子效应反应的电子效应R CH3CH2 CH2=CHCH2 C6H5CH2 相对速度相对速度 1 40 120 d.若若-C是不饱和碳，则是不饱和碳，则SN2极易进行。极易进行。例例如如：当当R是是烯烯丙丙基基或或苄苄基基时时，SN2反反应应的的平平均均速度都比乙基大得多。速度都比乙基大得多。e.若若-C上上连连有有C=O、C N等等吸吸电电子子基基团团，SN

10、2速速度度大大大大加加快快。如如：以以Z代代表表这这类类基基团团，则则Z CH2 Cl与与I 反应。反应。Z CH3CH2CH2 CH3CH2OCO N C CH3CO 相对速度相对速度 1 1.7 101 3 103 3.5 104 过渡态中过渡态中-C的的p轨道与羰基或氰基的轨道与羰基或氰基的p轨道重叠轨道重叠而使过渡态能量降低的缘故。而使过渡态能量降低的缘故。f.-C是是桥桥头头碳碳，分分子子的的立立体体结结构构使使亲亲核核试试剂剂没没有有从从背背面面进进攻攻的的可可能能，所所以以这这样样的的化化合合物物不不能能按按SN2反应历程进行反应。反应历程进行反应。A.空间效应空间效应四面体四面

11、体平面三角型平面三角型109o 28 120oSN1反应：空间效应和电子效应反应：空间效应和电子效应空间位阻加快空间位阻加快SN1反应速率反应速率例如：例如：RBr在水中的溶剂解相对速度在水中的溶剂解相对速度:RBr 50 oC水中水中MeBrEtBri-PrBrt-BuBr 1.2106 a.底物底物-C上取代基多，空间位阻大，上取代基多，空间位阻大，SN1反应速率快。反应速率快。B.电子效应电子效应 使中间体的碳正离子稳定的因素，都能使使中间体的碳正离子稳定的因素，都能使SN 1反应的反反应的反应速率增大。应速率增大。相对速率相对速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph

12、2CHPh3C10010 510 10 当当取取代代基基具具有有I、超超共共轭轭效效应应、C效效应应，SN1反反应应速速率率增增大大,反应活性增大。反应活性增大。b.-C含有含有-OH，-SH，-NR2 时，碳正离子稳定，反应速度快。时，碳正离子稳定，反应速度快。C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反应速率反应速率109d.若若-C为不饱和的苄型式或烯丙基型化合物的为不饱和的苄型式或烯丙基型化合物的SN1反应速度反应速度快，与快，与SN2一致。一致。例例如：如：R-OTs 在乙醇中醇解相对速度。在乙醇中醇解相对速度。R CH3CH2-CH2=CH-CH2

13、-PhCH2-相对反应速度相对反应速度 1 33 385c.-C 为不饱和的卤代烷很难发生为不饱和的卤代烷很难发生SN1反应，与反应，与SN2一致。一致。f.若若-C 为桥头为桥头C，SN1反应难以发生。但有些相当大的环可反应难以发生。但有些相当大的环可使桥头能够形成结构近似于平面的碳正离子。使桥头能够形成结构近似于平面的碳正离子。例如：溴代烷在例如：溴代烷在25 C，80%乙醇中溶剂解的相对速度。乙醇中溶剂解的相对速度。相对速度相对速度e.当当-C上上有有-C=O，-C N 时时，由由于于吸吸电电子子基基，不不利利于于C-L键键的离解。的离解。SN1反应速度慢。反应速度慢。（2）亲核试剂的强

14、度）亲核试剂的强度亲核试剂的亲核性愈强亲核试剂的亲核性愈强,浓度愈高浓度愈高,SN2反应速度愈快。反应速度愈快。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。中中性性的的试试剂剂，进进攻攻的的原原子子电电子子云云密密度度越越集集中中，亲亲核核性越强。性越强。RO-HO-RCO2-ROH H2OCH3O-PhO-CH3CO2-NO2-碱性：碱性：试剂与质子结合的能力；试剂与质子结合的能力；亲核性：亲核性：试剂与带有部分正电荷

15、的碳原子结合的能力。试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力。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；电子云密度半径，电负性B.亲亲核核原原子子是是同同一一周周期期元元素素，其其亲亲核核性性大大小小与与碱碱性性强强弱弱次次序序大大致致相相同同，即即同同周周期期的的元元素素，电电负负性性越越大大，试试剂的亲核性越弱；剂的亲核性越弱；当试剂中进攻的原子不同族且不同周期时，试剂当试剂中进攻的原子不同族且不同周期时，试剂的亲核性强度顺序与碱性有时不同。的亲核性强度顺序与碱性有时不同。碱性：碱性：C2H5O-I-亲核性：亲核性：I-C2H5O-碱性碱

16、性亲核性亲核性可极化性可极化性可极化性可极化性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（较远即可形成过渡态）；越大，试剂的亲核性越强（较远即可形成过渡态）；F-Cl-Br-I-RO-RS-RSe-RTe-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。试剂接近底物分子。因因此此，对对于于试试剂剂的的亲亲核核性性，取取代代基基的的空空间间效效应应大大于其电子效应于其电子效应。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

17、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。（3）离去基团）离去基团离去基团越稳定，亲核取代反应速率越大。离去基团越稳定，亲核取代反应速率越大。A.较好的离去基团是强酸的共轭碱（越稳定）；较好的离去基团是强酸的共轭碱（越稳定）；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 重重要要的的离离去去基基团团是是 pKa Br-Cl-F-亲核性与碱性相反。亲核性与碱性相反。在在DMF、DMSO中，中，F-Cl-Br-I-亲核性与碱性一致。亲核性与碱性一致。举例：质

18、子型溶剂与非质子型溶剂对举例：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：DMF 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？v 杂原子（孤对电子）的邻基参与；杂原子（孤对电子）的邻基参与；v 电子的邻基参与；电子的邻基参与；v 参与作用。参与作用。四、邻基参与作用分子内的亲核取代反应分子内的亲核取代反应例如：例如：在在以以上上两两个个反反应应中中，Cl-离离去去是是由由O-或或N的的帮帮助助完完成成的的，这这种种作作用用通通常常称称为为:邻邻基基协协助助或或邻邻基基参参与

19、与或或邻邻基基效效应。应。分子内分子内SN2分子间分子间SN2分子内分子内SN2：Cl-离去，离去，S：从背面进攻。：从背面进攻。分子间的分子间的SN2：S-C键断裂，电子转向键断裂，电子转向S+，OH 从反面进攻。从反面进攻。亲核试剂与反应中心的距离适当亲核试剂与反应中心的距离适当条件：邻近基团具有未共用电子对；邻近基团具有未共用电子对；参与基团与离去基团在分子中处于反式共平面的构象；参与基团与离去基团在分子中处于反式共平面的构象；形成三元环或五元环形成三元环或五元环。结果：生成环状化合物或环状中间体；生成环状化合物或环状中间体；产物构型保持；产物构型保持；反应速度异常增大。反应速度异常增大

20、。邻基参与的条件及影响结果1、具有未共用电子对的邻基参与、具有未共用电子对的邻基参与（1）氧参与氧参与生成五或六元环时，比分子间的取代反应快生成五或六元环时，比分子间的取代反应快104106倍倍生成三元环时也比无环化合物反应快生成三元环时也比无环化合物反应快102103倍倍 能够发生邻基参与的含氧基团有：能够发生邻基参与的含氧基团有：-O-,-OH,-OCH3,-OCOR,COOR,-CHO,-COAr Mechanism:(2)硫参与硫参与（3）氮参与）氮参与（4）卤素参与）卤素参与造成以上结果的原因，都是由于邻基参与反应的结果。造成以上结果的原因，都是由于邻基参与反应的结果。不同的卤素作为

21、邻基参与的能力是不同的。不同的卤素作为邻基参与的能力是不同的。氟一般不能发生邻基参与作用，因为氟的电负性很氟一般不能发生邻基参与作用，因为氟的电负性很强，不易给出电子强，不易给出电子,亲核性弱。亲核性弱。K2、具有、具有 电子的邻近基团的参与电子的邻近基团的参与（1）CC 参与参与供电性增加，速度增加供电性增加，速度增加 （2）苯基参与苯基参与3、参与作用参与作用（1）环丙基作为邻近基团的参与）环丙基作为邻近基团的参与 环环丙丙烷烷环环具具有有类类似似于于烯烯烃烃双双键键的的某某些些性性质质，因此可发生邻基参与。因此可发生邻基参与。顺式顺式顺式顺式三同环丙烯正离子三同环丙烯正离子顺式比反式反应快顺式比反式反应快30倍倍（2）C-C单键的参与单键的参与反应速度：外反应速度：外/内内 350