物理有机化学浙江大学脂肪素亲核取代反应.pptx
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1、气相中的取代反应研究得最多的是带负电荷的亲核试剂进攻中性分子。气相的反应与液相有很大不同,用对液相反应的理解去看气相反应会有些难以理解。例如,下列表中某些反应是强烈放热的,但反应速率却很慢。Thisisperplexingbecausethepotentialenergyofanionandaneutralmoleculeinthegasphasemustdecreaseasionandmoleculedrawneartoeachotherallowingstabilizingion-dipoleforcestobecomeimportant.Itseemsreasonablethatonce
2、theyareclosetogether,ifreactionbetweenthemwerehighlyexothermic,thisreactionshouldproceedveryrapidly.I.SN2 Reactions in the Gas phase第1页/共66页reactionk(10-9cm3molecule-1s-1)H0(kcal mol-1)H0(kJ mol-1)OH-+CH3Cl1.6-47.5-199F-+CH3Cl0.8-28.5-119CH3O-+CH3Cl0.49-39.3-164CH3S-+CH3Cl0.78-31.0-13037Cl-+CH335Cl0
3、.0060.00.0CN-+CH3Clkt)。例如,对氯二苯氯甲烷在醋酸中的溶剂解的k/kt 比在30到70之间;在含水丙酮中大约是5.外消旋速度快意味着除了生成产物造成的外消旋以外,还有其他过程使原料比生成产物更快地外消旋化。这种过程可以是自由的离去基与自由的碳正的重新结合,也可能是离子对的返回。但第一种可能可以被排除,因为在有额外加的同位素标记的*X 存在下,起始物外消旋的速率要比同位素交换(X for*X)快得多。第16页/共66页因此,一定存在着某种中间体,其中的C-X键已经断了,但正负离子还是紧密聚在一起,这可能就是离子对。Goering等人发展了一种能测定更接近实际电离速率的方法。
4、他们用芳香酸酯为底物,通常用对硝基苯甲酸酯。下列反应说明如果把酸中的羰基氧用同位素标记,一旦电离,由于酸根负离子中两个氧是等同的,因此当正负离子重新结合时,标记氧就趋于在羰基和烷氧上平均分布,而这个过程一定快于外消旋化。确实,对各种取代的二苯甲基酯底物,未反应底物的外消旋总是慢于氧的平均化。苯甲酸-苯基乙酯的情况也相似。因此,测得的标记氧扩散的速度是最接近于电离速度的。但还是存在氧电离下来后,来不及两个氧平均化,原来的烷氧又连上去的可能。第17页/共66页Goering已证明对于对硝基苯甲酸-,-二甲基烯丙基酯确实是在氧平衡前返回,对于对硝基苯甲酸-苯基-甲基烯丙基酯是在氧平衡达到或几乎达到才
5、返回。Chang and LeNoble have introduced a more easily used variant of Goerings method.Instead of 18O they use 17O as the isotopic label and follow its equilibration by 17O nmr.第18页/共66页至此,可知有的SN1反应经由离子对进行。因此,应对离子对进行讨论。可以看到,有紧密离子对和溶剂分隔离子对。最初关于两种离子对存在的证据来自于Winstein观察到所谓特殊盐效应。对于经由离子中间体进行的有机反应,其反应速率随介质的介电常
6、数的增大而增大。因此,SN1反应会由于加入非同离子而加速。对于通常的溶剂解反应,例如醋酸,含水丙酮和乙醇,这种 速率的增加服从下列线性关系式:Contact and Solvent-Separated Ion Pairk0:未加盐时的速率;ksalt:反应液中加盐后的速率但是,有些反应体系不完全遵循这个规律,即使加的盐完全没有亲核性。例如,下列化合物在醋酸中溶剂解,第19页/共66页例如,下列化合物在醋酸中溶剂解,当加入很少量非亲核性的LiClO4时,反应会突然加速,当LiClO4继续增加,其反应速率的增加逐渐变慢,直到符合上式的线性关系。Winstein解释这是因为在电离时生成了紧密离子对和
7、溶剂分隔离子对。第20页/共66页其他更近的实验证明紧密离子对和溶剂分隔离子对都是重要的。例如,手性的2-金刚烷基衍生物溶剂解得到的产物略为有点构型保持,这与反应主要是在溶剂分隔离子对阶段进行相符的。在对甲苯磺酸氘代同金刚烷酯(17)的溶剂解中,在正离子18阶段可以发生两种重排,氢负迁移得中间体19,烷基迁移得20.两种迁移可以根据氘所在的位置来区别。消除只发生在较快的烷基迁移所生成的中间体(可能是个紧密离子对),从另一个较慢的氢迁移所得的中间体(可能是个溶剂分隔离子对)只生成取代产物。第21页/共66页综合考虑前面的实验事实,就可以提出亲核取代反应的机理有成如下的各种可能性:The SN1-
8、SN2 Mechanistic SpectrumSneen and Larsen甚至提出SN2反应其实是亲核试剂从背面进攻紧密离子对。但是这种提法可能是不对的,因为伯卤代烃电离需要15-40 kcal mol-1 的活化能,而实验中观察到的活化能并没有这么大。第22页/共66页、Influence of Solvent,Nucleophile,Leaving Group and Substrate Structure反应条件会极大地影响脂肪亲核取代反应的机理。但讨论主要集中在两种极端情况,SN2 和SN1。1.The solvent溶剂在亲核取代反应中起到两种角色。首先它对反应物和过渡态起到溶
9、剂化作用,第二,它也经常起到亲核试剂的作用。但在这一节中主要讨论前一作用。溶剂极性对反应速率的影响一定程度上与反应的电荷有关。第23页/共66页第24页/共66页第25页/共66页SN2 reactions in solutionSN2 可以被分成4种电荷类型。只有类型2的过渡态的极性大于起始物,因此只有这类反应当溶剂极性由小变大时其反应速率将会增大。溶剂极性从小变大将使类型1、3和4类SN2反应变慢。在质子溶剂中这4种情况都已被证实,但是在亲核试剂体积不大的情况下。当从质子性溶剂变成非质子极性溶剂,多数SN2反应的速率变化不大,但第一类反应,即带电荷的小体积的亲核试剂OH-,F-,and C
10、l-的反应速率将被大大地加速。人们把反应活化能的变化分解成更具体的底物、亲核试剂和过渡态转移自由能,试图来解释这些溶剂化效应。做法是选定一种质子性的标准溶剂和要转移入的某种非质子极性溶剂。过渡态转移自由能是通过计算反应物的转移自由能和在两种溶剂中的活化自由能得到的。第26页/共66页下表给出了电荷类型1的许多反应的这几种转移自由能。可以看到变化最大的是对亲核试剂。Gtr(Nuc)很大,并且是正值,因为负离子最容易被氢键所溶剂化。过渡态也是负的,但因为负电荷被高度分散,Gtr 几乎为零。以这种模式对其他几种反应类型进行分析的结果揭示了其从质子性溶剂转移到非质子极性溶剂时反应速率变化不明显的原因。
11、例如,对类型3,正的Gtr.(Nuc)被负的Gtr(RX+)部分地抵消了,因为体积较大的易极化的正离子的溶剂化在非质子极性溶剂中比在质子溶剂中 要 好。Thus(CH3)3S+has aGtr from methanol to dimethylformamide of 4.2 kcal mol1(17 kJ mol1).第27页/共66页Free energies of transfer of substrate,nucleophile and transition state from methanol to dipolar aprotic solventsReaction(n)bSolve
12、ntclog ks/kCH3OHCH3I+Cl-(n=1.30)DMFCAN5.94.6-0.68(-2.8)-0.55(-2.3)8.9(37)8.6(36)0.14(.59)1.8(7.5)CH3I+Br-(n=1.0)DMF4.2-0.68(-2.8)6.7(28)0.27(1.13)CH3I+SCN-(n=0.45)DMFACN2.21.4-0.68(-2.8)-0.55(-2.3)3.7(15)3.5(15)0.0(0.0)1.1(4.6)CH3I+N3-DMF4.6-0.68(-2.8)6.7(28)-0.27(-1.13)CH3I+CH3O-DMSO5.4-0.68(-2.8)7
13、.2(30)-0.82(-3.4)CH3I+CN-DMF5.7-0.68(-2.8)8.5(35)0.0(0.0)a Gtr in kcal mol-1.Value in kJ mol-1 are in parentheses.b n defined by第28页/共66页Parker,Gutmann等人已经分析了类型1 SN2反应与AGtr之间的关系,以及溶剂的donor numbers(DN)和 acceptor numbers(AN)之间的关系。SN2反应活化自由能的变化遵循下列关系式,其中(AN)是acceptor number的变化。而(AN)本身与Gtr(Cl)成线性关系 an a
14、lternative formulation istherefore Equation 4.33:n值已在上表中列出。阴离子越小从质子溶剂转移到非质子溶剂的速率差越大。下式是个大约的半定量关系:这个极简单的关系式说明了在这类反应中离子溶剂化效应对反应有着控制性的作用第29页/共66页第30页/共66页好的亲核试剂应容易把未共用电子对提供给反应物,使反应很容易进行。但亲核试剂的亲核性(nucleophilicity)与它的碱性(夺质子的能力)并不成比例。早期对SN2 反应的研究多数是在质子溶剂中进行的,很快就发现亲核性和碱性并不平行。例如,甲醇中I 的亲核性比CH3O强得多。也发现如果仅考虑到碳
15、,则一个亲核试剂如果对一个底物是好的话,就对所有底物都是好的亲核试剂。Swain和Scott 建议,试剂在质子溶剂中的亲核性可以用常数n来表示。该常数也是从线性自由能关系来:The Nucleophile in SN2 Reactionswhere k is the rate of an SN2 reaction in which the nucleophile has nucleophilicity n and the substrate has sensitivity s.标准反应是碘甲烷在25C甲醇中的溶剂解(k0)。人为指定碘甲烷的s值为1.The parameter n for a
16、given nucleophile,Nuc,then is defined by the equation(2).(1)(2)第31页/共66页如果一个试剂的亲核性强于甲醇,其n值是正值。如果亲核性小于甲醇,其n值是负值。Methanol has an n value of zero.下表列出了一些试剂的n值和相应的共轭酸在甲醇中的pKa,可以看到两者是很不一致的。第32页/共66页第33页/共66页第34页/共66页第35页/共66页显然碱性与亲核性并不完全一致。但Bordwelll发现,if the donor atom is kept constant and if there is n
17、o change in steric interactions there is usually an excellent correlation between basicity and nucleophilicity.他的研究是在非质子溶剂中进行的,因为在质子溶剂中,可观察的碱性范围很窄。下图在DMSO中,亲核试剂27,28和29对苄氯的SN2取代的反应速率对27,28和29相应的共轭酸的pKa作图曲线,注意27和28的各点是完全在平行的直线上,虽然这些点覆盖了6个pKa单位。29的活性小于27和28,因为两个邻位氢的空间冲突使环不能在同一平面上,导致在SN2反应的过渡态有较大的位阻第36
18、页/共66页Plot of log k vs.pKHA for nitranions reacting with PhCH2Cl in Me2SO at 25C.4.15C O NFigure 4.15第37页/共66页27类型做成结构为30的衍生物其点也偏离直线了,也是因为SN2过渡态的位阻。下图是与前图相似的,但包括了化合物31和32的数据。可以看到donor atom 的活性次序是C O N,但活性差不大。事实上活性是与底物有关的,如果进攻对甲苯磺酸正丙酯,其活性次序就成为ONC。但其斜率,称为Brnsted 值,对这两图中的直线几乎都是相同的。如果代表电荷从负离子转移到亲电试剂的分数,
19、这个分数显然对于很大范围不同活性不同亲核原子是不变的。这个结果与Pross and Shaik的模型是相符的,但与Hammond假设不符,Hammond假设认为随着活性的改变其过渡态的结构也随之改变。第38页/共66页Plot of log k vs.pKHA for nitranion,oxanion,and carbanion nucleophiles reacting with PhCH2Cl in Me2SO at 25C.4.16C O N第39页/共66页总结:Bordwell发现,如果donor atom不变,并且空间阻碍的情况也恒定,则碱性与亲核性是相当一致的。他用下列几个化合
20、物为母体化合物,变换其取代基,测定其对苄氯的亲核取代反应的k值(在DMSO中),并以其共轭酸的pKHA对k值作图。得很好的直线关系,但如果引入能产生立体位阻的取代基,则其k值与pKHA的对应点不在上述直线上。第40页/共66页在中等到低的介电常数的溶剂中,负离子的亲核性受到正离子的极大影响,因为在这些溶剂中正负离子紧密地结合在一起。因此,正离子络合剂如冠醚能极大的提高负离子的亲核活性。穴醚比冠醚更有效。这些络合剂可以作为很有效的相转移催化剂,使离子试剂溶于非极性溶剂如苯中。这样溶解后正离子受到冠醚或穴醚的络合,负离子相对是非络合的,因此就会表现得特别的活泼。第41页/共66页The Nucle
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