6. 亲核取代1.ppt

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1、第七章第七章 饱和碳原子上的亲核取代反应饱和碳原子上的亲核取代反应 亲核取代反应的通式：亲核取代反应的通式：RL一般称为一般称为反应底物反应底物。Nu-具有亲核性，称为具有亲核性，称为亲核试剂亲核试剂。L-称为称为离去基团离去基团。离去基团所连的碳，称为。离去基团所连的碳，称为中心碳原子中心碳原子。这种由亲核试剂进攻而引起的取代反应称为这种由亲核试剂进攻而引起的取代反应称为亲核取代亲核取代反应，反应，用用SN表示（表示（Substitution,Nucleophilic)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：底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：底物带有正电

2、荷，亲核试剂带有负电荷：亲核试剂带有负电荷：亲核试剂带有负电荷：底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：一一.反应类型反应类型反反 应应 历历 程程 第一步：第一步：Br 慢慢CH3CH3CH3C+Br+CH3CH3CH3C第二步：第二步：快快+OH+CH3CH3CH3C OHCH3CH3CH3C 1.单分子历程（单分子历程（SN1）例：例：二二.反应机理反应机理 SN1的立体化学：的立体化学：SN1立体化学特点：产物外消旋化产物外消旋化-正碳离子越稳定，消旋化程度越大。正碳离子越稳定，消旋化程度越大。伴随伴随分子重排分子重排 2.双分子历程（双分子历程（S

3、N2）反应历程反应历程CH3OH +Br-CH3-Br +OH-亲核试剂是在离去基的亲核试剂是在离去基的背面背面进攻中心碳原子，并造成中心碳进攻中心碳原子，并造成中心碳 原子的原子的构型反转构型反转，称为，称为瓦尔登（瓦尔登（Walden）转化。转化。故故SN2反应的立体化学特点是发生构型反转。反应的立体化学特点是发生构型反转。例：例：构型构型转化产物转化产物 17%83%外消旋外消旋产物产物如：如：-氯代乙苯氯代乙苯+OH-CH-CH3Cl-CH-CH3OH-苯乙苯乙醇醇 其它还有其它还有SNiSNi 和和SNSN机理。机理。三个阶段：三个阶段：解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶

4、剂化。解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。离解的离子为自由离子。离解的离子为自由离子。亲核试剂进攻四种状态的底物，可以得到不同的产物。亲核试剂进攻四种状态的底物，可以得到不同的产物。3.离子对机理离子对机理三、邻基参与三、邻基参与 当当进进行行亲亲核核取取代代反反应应的的底底物物分分子子上上带带有有一一个个能能作作为为亲亲核核体体的的基基团团，能能够够和和反反应应中中心心部部分分地地或或完完全全地地成成键键形形成成过过渡渡态态或或中中间间体体，从从而而影影响响反反应应的的进进行行，这这种种现现象象称称为

5、为邻邻基基参参与（与（Neighboring group participation）。）。通通常常把把由由于于邻邻基基参参与与作作用用而而使使反反应应加加速速的的现现象象称称为为邻邻基基协助或邻基促进。协助或邻基促进。能发生邻基参与作用的原子团能发生邻基参与作用的原子团:具有未共用电子对的原子或原子团具有未共用电子对的原子或原子团(n电子参与电子参与)含有碳含有碳-碳双键等的不饱和基团碳双键等的不饱和基团(电子参与电子参与)芳基以及芳基以及C-C和和C-H键键(电子参与电子参与)(a)n参与参与化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团

6、的位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。经过两次经过两次SN2反反应应,总结果是构总结果是构型保持。型保持。第一步：第一步：第二步：第二步：能能 发发 生生 n参参 与与 的的 基基 团团：COO-（但但 不不 是是 COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I 及及 Cl(IBrCl)邻邻基基原原子子比比试试剂剂离离反反应应中中心心更更近近,更更易易反反应应，因因为为外外加加Nu必必须须和和作作用用物物碰碰撞撞才才能能发发生生反反应应，而而邻邻基基Z所所处处

7、的的位位置置有有利利，即刻就能进攻中心碳原子；即刻就能进攻中心碳原子；再再者者邻邻基基参参与与作作用用的的熵熵变变更更为为有有利利，反反应应中中心心与与Z反反应应和和与与Nu反应相比，前者反应相比，前者S降低得较少。降低得较少。例例如如：当当苏苏型型3-溴溴-2-丁丁醇醇用用HBr处处理理时时，得得到到苏苏型型2,3-二二溴溴丁烷，同样，赤型丁烷，同样，赤型3-溴溴-2-丁醇得到赤型丁醇得到赤型2,3-二溴丁烷。二溴丁烷。苏型苏型 苏型苏型 赤型赤型 赤型赤型卤素作为邻基参与的能力大小次序为卤素作为邻基参与的能力大小次序为I Br Cl。F的的电电负负性性太太强强，不不易易给给出出电电子子，亲

8、亲核核性性和和可可极极化化性性太太小小，一般不发生邻基参与作用。一般不发生邻基参与作用。若若邻邻基基参参与与作作用用形形成成的的中中间间体体是是稳稳定定的的或或由由于于其其它它方方式式而而稳稳定定，亲亲核核试试剂剂Nu亲亲核核进进攻攻能能力力不不足足，只只能能形形成成环环状状产产物物。这是简单的分子内这是简单的分子内SN2反应反应。氮原子也起邻基参与作用。氮原子也起邻基参与作用。例如氨与例如氨与1，4-二氯丁烷作用形成氢化吡咯：二氯丁烷作用形成氢化吡咯：(b)参与参与 (1)C=C、C=O 键的邻基参与作用键的邻基参与作用 如如反反-7-降降冰冰片片烯烯基基对对甲甲苯苯磺磺酸酸酯酯的的乙乙酸酸

9、解解，由由于于参参与与，反应速率比相应的饱和酯快反应速率比相应的饱和酯快1011倍倍,且产物构型保持。且产物构型保持。(2)环丙基的参与作用环丙基的参与作用 环丙烷的环某些性质与双键类似环丙烷的环某些性质与双键类似，因此处于适当位置时也，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。可能发生邻基参与作用。（）溶剂解速率比（）溶剂解速率比（）快）快1014倍。倍。溶剂解速率：（溶剂解速率：（）()（）由此可以看出：由此可以看出：只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效作用，有时甚至比双键更有效。而且而且D和和L两种异构体的数量大致相等两种

10、异构体的数量大致相等.(3)芳基参与作用芳基参与作用 位的芳基能发生邻基参与作用。位的芳基能发生邻基参与作用。(c)-参与作用参与作用(I)的速度比的速度比(IV)快快350倍倍()()()()四、影响亲核取代反应的因素四、影响亲核取代反应的因素（1）底物结构的影响）底物结构的影响SN 2反应，反应，底物的空间位阻起主要作用，卤代烷的反应活底物的空间位阻起主要作用，卤代烷的反应活性是：性是：甲基甲基 伯伯 仲仲 叔叔新戊基卤代烷几乎不发生新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应：反应：例如：例如：当底物中心碳原子当底物中心碳原子连有较大基团时，连有较大基团时，Nu:难于从背后接难于从背后接近底物。近底

11、物。SN1反应，反应，能够稳定正碳离子的因素，都能使能够稳定正碳离子的因素，都能使SN 1反应的反应的速率增大。速率增大。A.电子效应电子效应相对速率相对速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.8610010 510 10当取代基具有当取代基具有I、超共轭超共轭效应、效应、C效应，效应，SN 1反应反应速率增大速率增大,反应活性增大。反应活性增大。当中心碳与杂原子直接相连时当中心碳与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)，SN1反应速率反应速率明显增大：明显增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1速率

12、速率109 1.0 0.2当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的正碳离子因为共轭当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的正碳离子因为共轭效应而被稳定。效应而被稳定。B.空间效应空间效应RBr在水中的溶剂解相对速度在水中的溶剂解相对速度RBr 在水中在水中50时时MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106四面体四面体平面三角型平面三角型烃基对两种反应的速率影响烃基对两种反应的速率影响 桥头碳原子上桥头碳原子上SN1、SN2反应都难进行。反应都难进行。解释为什么？解释为什么？（2）亲核试剂的影响）亲核试剂的影响几点规律：几点规律：1带有负电荷的试剂的亲核性强于其共

13、轭酸：带有负电荷的试剂的亲核性强于其共轭酸：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；中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强。亲核性越强。A.当进攻原子为同一原子时，亲核性与碱性一致：当进攻原子为同一原子时，亲核性与碱性一致：RO-HO-RCO2-ROH H2OCH3O-PhO-CH3CO2-NO2-碱性是试剂与质碱性是试剂与质子结合的能力；亲子结合的能力；亲核性是试剂与带有核性是试剂与带有部分正电荷的碳原部分正电荷的碳原子结合的能力。子结合的能力。试剂中进攻原

14、子不同时，试剂的亲核性顺序与碱性有时不同：试剂中进攻原子不同时，试剂的亲核性顺序与碱性有时不同：碱性：碱性：C2H5O-I-亲核性：亲核性：I-C2H5O-B.同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，负电荷越分散，亲核性越弱：负电荷越分散，亲核性越弱：H2N-OH-F-C.同族元素，原子可极化度越大，试剂亲核性越强：同族元素，原子可极化度越大，试剂亲核性越强：F-Cl-Br-I-R-O-R-S-Cl-Br-I-而在质子溶剂中，亲核性与碱性不一致。而在质子溶剂中，亲核性与碱性不一致。（3）离去基团）离去基团(Leaving groups)离去基团带

15、着一对电子离去基团带着一对电子离开中心碳原子，成为离开中心碳原子，成为负离子。负离子。接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。1)较好的离去基团是强酸的共轭碱：较好的离去基团是强酸的共轭碱：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强酸的共轭碱强酸的共轭碱是弱碱是弱碱较好的离去基团是较好的离去基团是 pKa CN-I-OH-N3-Br-CH3CO2-Cl-F-H2OSN 2反应常在极性非质子型溶剂中进行。反应常在极性非质子型溶剂中进行。极性非质子型溶剂极性非质子型溶剂(Polar Aprotic Solvents)不能与不能

16、与 Nu:形形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。试剂，具有较高的反应活性。常见的极性非质子型溶剂有：常见的极性非质子型溶剂有：N,N-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺六甲基磷酰胺HMPT (Hexamethylphosphorictriamide)在极性非质子型溶剂中，在极性非质子型溶剂中，X-的反应活性顺序为：的反应活性顺序为：F-Cl-Br-I-这与在质子型溶剂中的顺序相反。这与在质子型溶剂中的顺序相反。质子型溶剂与非质子型溶剂对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：溶剂溶剂 k2DMF 3 103CH3OH 3 10-2问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，DMF还是还是CH3OH?为什么？为什么？影响亲核取代反应诸因素的综合分析影响亲核取代反应诸因素的综合分析R3C-X离去基团容易离去离去基团容易离去溶剂极性高溶剂极性高R-CH2X试剂亲核性强且浓度高试剂亲核性强且浓度高溶剂极性小溶剂极性小烷基结构烷基结构离去基团离去基团试剂试剂溶剂溶剂SN1反应反应SN2反应反应