邢其毅 有机化学 6-2.ppt

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1、脂肪族饱和碳原子上的亲核 取代反应 消除反应 (part 2) Liu suyou 2016-3-29 Chapter 6-2 SN1反应: 碳正离子的反应性很高，电子云密度高的试剂, SN1 的产物产率高, 试剂的亲核性对反应速率影响不大。 6.7.3试剂亲核性的影响 1.试剂亲核性对SN1 ,SN2的影响 SN2反应: 是一步反应, 亲核试剂提供一对电子,与底物的碳原 子成键，试剂的亲核性越强，成键越快。 碱性(alkalinity)：一个试剂对质子的亲和能力. 试剂的亲核性(nucleophilicity)： 一个试剂在形成过渡 态时对碳原子的亲和能力。 同一周期的元素,由左至右可极化性

2、减少。因为原子核对外层电子的 吸引力增大， 同一族的元素，由上至下, 随着相对原子质最增大，原子核对外层电 子的约束力降低，外层电子在外界电场作用下，所占轨道容易变形， 可极化性增大。 未成键的电子对只受一个原子核的控制，它的分布比受两个原子核控 制的成键电子对的分布更易变形所以可极化性也大。 弱键的电子结合松散，比强键电子的可极化性大。 处于离域状态的电子运动范围大，比处于定域状态的电子更易极化。 2 试剂亲核性分析 可极化性(polarizability) 极性化合物， 在外界电场影响下，分子中的电荷分布可产生相应的变化，这 种变化能力称为可极化性。 可极化性变化规律 决定试剂的亲核能力的

3、因素： 给电子能力即碱性 可极化性 空间因素 u如果碱性大小和可极化性大小的顺序是一致的 ，则亲核性大小的顺序也与它们一致 同一周期的元素，由左至右碱性和可极 化性都逐渐减弱，所以亲核性也逐渐减 弱 碱性和可极化性对亲核性的影响 u若两个或多个试剂的碱性大小和可极化性大小的顺序是 相反的，亲核性大小主要取决于哪一个因素则与溶剂有关 同一族的元素，由上至下碱性减小，可极化性增大 可极化性决定亲核性决定碱性决定亲核性 溶剂对碱性和亲核性的影响 一些可极化性很高而碱性很弱的试剂如I-,HS-,-SCN，它们在质 子溶剂中，因为碱性较弱被质子溶剂化少，在偶极溶剂中，也很 少溶剂化，因此，这些试剂在质子

4、溶剂与偶极溶剂中亲核性均很 高。 一些碱性很强而可极化性较低的试剂如F-,CI-,Br-，它们在质 子溶剂中与质子形成氢键的力量强形成氢键的能力随负电荷密 度增加而增加，如F- CI- Br- I-, RO- SH-)，也就是溶剂化作 用大.在反应时需要去溶剂化的能量，故使反应性降低，但在偶极 溶剂中, 这些试剂不被溶剂分子所包围，而以“裸露”状态存在，所 以反应性就高。 原因： 溶剂对碱性和亲核性的影响 可极化性受溶剂的影响 不大，但碱性与溶剂的 关系很大 在质子溶剂中常见亲核试核的亲核性的大概顺序: 试剂的空间因素影响它们的亲核性 这是因为与氧相邻的碳上烷基愈多，由子烷基的给电 子诱导效应

5、使氧上负电荷更集中，碱性更强，但由于 基团的体积也增大，影响与底物的碳原子接近，因此 亲核性反而下降。 空间因素对亲核性的影响. 原因 3.碘离子 碘离子是一个好的离去基团，因为C-I的键能低，而碘离 子又是一个好的亲核试剂，因为其电负性低，外层电子离 核较远，可极化性高，以及溶剂化作用较少，因此碘代烷 既易于形成又易被其它亲核试剂所取代 在未形成碘代烷时，碘离子 作为好的亲核试剂进攻底物 ，一旦形成碘代烷后，碘离 子作为好的离去基团被其它 亲核试剂进攻而离去。 在反应混合物中加人少 量碘化钠(约为氯代烷或 溴代烷物质的量的百分 之一）提高反应速率。 机合成中应用 一个负离子有两个位置可以发生

6、反应.称其具有双位反应 性能(two-fanged reactivity), 具有双位反应性能的负离子称为两位负离子(ambident anion). 根据反应条件不同，两位负离子可以在这个位置或那个位 置反应, 或者两个位置以不同的程度进行反应。而且，它们 既可作为碱进行反应，又可作为亲核试剂进行反应。 4.两位负离子 例 氧的电负性比氮大,而且氧上负电荷比较集中 亚硝酸根负离子 遇酸就生成HO-N=O， 亚硝酸银与一级溴代烷反应，氮亲核性强, 发生SN2反应， 主要产物为硝基烷(nitroalkane) 如果用二级溴代烷进行反应，二级溴代烷上的溴比较活泼可以被Ag+拉 下来，二级溴代烷可以

7、形成二级碳正离子, 反应可以按SN1机理进行， 因为静电吸引，碳正离子与亚硝酸根中负电荷较集中的氧原子发生反应 ，主要产物为亚硝酸酯(nitrite): -SCN离子 三级卤代烷与-CN反应： 消除反应 非极性溶剂(nonpola solvent) 偶极溶剂(或称偶极非质子溶剂) 质子溶剂 包括介电常数小于15. 偶极矩0-6. 67 X 10-30 cm的 溶剂，这类溶剂不给出质子，与溶质的作用力弱. 能与负离子形成强的氢键的溶剂称为质子溶剂. 分子中的氢与分子内原子结合牢固，不易 给出质子. 偶极溶剂的结构特征是偶极负 端露于分子外部，偶极正端藏于分子内部: 6.7.4 溶剂的影响 增加溶

8、剂的极性能够加速卤代烷的解离，对SN1反应有利， 因为SN1反应在形成过渡态时，由原来极性较小的底物变为 极性较大的过渡态，即在反应过程中极性增大 溶剂与过渡态有偶极-偶极相互作用。底物在形成过渡态时需 要能量，此能量可以由偶极-偶极相互作用时所释放的能量提 供，因此溶剂的极性大，溶剂化的力量也大，提供的能量也 大，解离就很快地进行。 极性溶剂对形成过渡态时极性增大的反应是有利 溶剂极性的影响 SN1反应 反应过程中极性增大 溶剂在反应中的作用 在SN2反应中，若亲核试剂带负电荷，增加溶剂的极性，对SN2反应不利，因 为SN2机理在形成过渡态时，由原来电荷比较集中的亲核试剂变成电荷比较分 散的

9、过渡态: Nu:-的一那分负电荷通过R传给了X，过渡态的负电荷比较分散，不如亲核试剂集 中，因而过渡态的极性不如亲核试剂大，而增加溶剂的极性，使极性大的亲核试剂 溶剂化，是不利于SN2过渡态形成的。 极性溶剂对形成过渡态时极性减少的反应不利 负电荷比较分散 负电荷集中 极性分子在非极性溶剂中，由于不易溶解， 使分子以缔合状态存在.不能均匀分散，如果 要进行反应，必须先付出能量，克服这种吸 引力，因此极性分子在非极性溶剂中进行反 应时反应性能降低 非极性溶剂对极性分子的反应不利 溶剂在反应中的作用 因为质子溶剂中的质子，可以与反应中产生的负离子特别是由 氧与氮形成的负离子通过氢键溶剂化，这样使负

10、电荷分散，使负 离子稳定，因此有利于解离反应，有利于SN1反应的进行。 增加溶剂的酸性，即增加质子形成氢键的能力有利于反应按SN1的 机理进行. 质子溶剂的影响 质子溶剂对SN1反应有利的 在质子溶剂中进行SN2反应时， 由于溶剂化作用，有利于离去基团的离去， 由于亲核试剂可以被溶剂分子所包围，因此必须付出能量,先在亲核 试剂周围除掉一部分溶剂分子，才能使试剂接触底物而进行反应。最 后的影响是两种作用的共同结果. 在偶极溶剂中反应时, 对于负离子很少溶剂化，亲核试剂一般可以不受偶极溶剂分子包围 ， 偶极溶剂有利SN2反应 因此SN2反应在偶极溶剂中进行比在质子溶剂中进行的反应速 率常数快千万倍

11、. 反应如在丙酮中进行，比在甲醇中快500倍 6.8 消除反应的分类 在一个有机分子中消去两个原子或基团的反应称为消除 反应(elimination)。 1,1-消除或消除 1.2-消除或消除 1,3-消除或消除。 是制备烯烃的重要反应 单分子消除反应 双分子消除反应 单分子共轭碱消除反应 6. 9 E2反应 6.9.1 卤代烃失卤化氢 卤代烃失去一分子卤化氢，生成烯烃的反应称为卤代烃的消除反 应。 大多数卤代烃在碱的作用下失去卤化氢的反应: E2机理。 碱: 氢氧化钾、氢氧化钠的醇溶液、醇钠、氨基钠 因此要求卤代烷中H-C- C-X四个原子也必须在一 个平面上，C-H键的H与 C-X键的X原

12、子离去后新 形成的p轨道才能平行重 新形成键。 1. E2反应的机理 碱进攻卤代烷中-氢，在 形成过渡态时，C-H,C-X 键已开始变弱，碳由sp3 杂化逐渐转变为sp2杂化 ，每个碳上逐渐形成一个 p轨道，在过渡态时，已 具有此中间状态的性质。 在生成物中两个碳及其四个 取代基必须在一个平面上， 这样两个垂直于此平面的p 轨道才能平行重叠形成键 ， 碳架相同，卤原子不同的卤代烃在碱作用下发生消除反 应的速率是不相同的。 E2反应相关特点 卤原子离去快慢对反应速率影响： RIRBrRCI 在形成过渡态时，C-X键已有部分断裂, C-H键也有部分断裂 C-H键的断裂对反应速率影响 对交又构象比较

13、稳定，故卤代烷的E2消除是反式消除(anti elimination). E2反应是一步反应, 有两个分子参与了是双分子过程。 反应速率取决于两种分子的浓度，在动力学上是二级反应 。 一种是分子取对交叉构象，进行 反式消除， 一种是分子取重叠构象，进行顺 式消除. 使H-C-C-X四个原子在同一个平面上只有两种可能的情况 离去基团和氢原子必须处于反式共平面状态 Zaitsev规则: 即含氢较少的-碳提供氢原子 ，生成取代较多的稳定烯烃。 2. 区域选择性Zaitsev规则 扎依采夫 卤代烃分子中含有两种不同的-H时，反应遵守Zaitsev规则， -H-H -H -H 增加碱的强度及体积，遵守Z

14、aitsev规则的产物逐步降低 ，而反Zaitsev规则(anti-Zaitsev rule)的产物逐渐增加。 碱的强度及体积对消除反应的影响 因为碱的体积和强度增大后，空间位阻较大的R-H不易受到 进攻，而空阻小、酸性强的R- H更易反应 3 立体选择性(Stereoselectivity) 主要得到大的基团处于反型位置的烯烃，如2-溴丁烷 进行消除反应，几乎只得到E-2-丁烯, Z-2-丁烯很少。 E-2-丁烯 Z-2-丁烯 被消除的基团必须处于反式共平面的位置 4 卤代环烷烃的E2消除 卤代环烷烃的消除反应也遵守Zaitsev规则 有的卤代环烷经虽然有两种-H，但由于成环后，C-C单 键

15、的旋转受到环的制约，使其中的-H不可能与离去基团 x处于反式共平面的位置，这时只有与x处于反式共平面 的 -H才能发生消除，而得到反zaitsev规则的产物。 卤代环烷的消除反应 卤代烃放在碱性体系中加热，常常 会得到亲核取代和消除两种产物 6.9.2 E2反应和SN2反应的并存与竞争 E2机理 试剂碱性强、浓度大、体积大、反应温度高时有利于E2反应 SN2机理 试剂亲核性强、碱性弱、体积小时，有利于SN2反应. 单分子消除反应用E1表示. E表示消除反应.1代表单分子 过程 6. 10. E1反应 三级溴丁烷在无水乙醇中的消除反应机理如下: 大多数卤代烃在碱作用下的消除反应都是按E2机理进行

16、的 三级卤代烷在无碱存在时的消除反应却是按E1机理进行的. E1反应的机理 反应分两步进行 第一步是碳溴键异裂，产生活性中间体三级丁基碳正离子。 第二步是溶剂乙醇中的氧原子作为碱提供一对孤电子与三级丁基碳正 离子中甲基上的氢结合，三级丁季碳正离子消除一个质子，形成异丁烯 。 这个反应决定反应速率一步是三级溴丁烷的解离，第二步消除质子是快的 反应，速率只与三级溴丁烷的浓度有关，是单分子过程，反应动力学上是 一级反应。 在E1反应中, 还常伴随着重排产物生成。 E1反应的区域选择性 E1反应的区域选择性(regioselectivity)与E2反应相同 当卤代烷有两种不同的-H时，产物遵循Zait

17、sev规则， 主要生成稳定的烯烃。 当生成的烯烃有顺反异构体时，以E型烯烃为主要产物 。 如果C-X键的断裂速率远大于C-H键的断裂速率，则以 E1反应为主 若两者的速率差别不大，则以E2反应为主。 只有三级卤代烃在极性溶剂中溶剂解时才发生E1反应。 卤代烃E1 PK E2反应? 取决C-X键与C-H键断裂的相对速率 在有碱存在时，多数卤代烃都是以E2反应的机理发生 消除的，这也是由卤代烃制备烯烃的主要途径. 三级溴丁烷在水或乙醇中溶剂解，均得到两种产物 6.10. SN1反应和E1的竞争反应 在极性溶剂及没有强碱存 在时，主要产物是取代产物! 第二步是不同的 在E1反应中，水中的氧原子提供一

18、对电子与-H结合，并将质子夺走，最 后形成烯烃。 在SN1反应中，水包围在三级丁基碳正离子的周围，水中的氧原子提供一 孤对电子与三级丁基碳正离子结合形成样盐(oxonium).然后消除质子，得三 级丁醇。 E1机理 SN1机理 第一步速控步骤是相同的，均为碳溴键断裂。 离去基团不参与这种竞争.离去基团的离去能力只 影响反应的速率而不影响产物的比例。 试剂的亲核性强、空阻小，对SN1有利。 试剂的碱性强、空阻大，对E1反应有利。 在极性溶剂及没有强碱存在时 ，主要产物是取代产物 三级卤代烷SN1 PK E1 6.10.3 醇的失水 E1反应 醇和酸(硫酸、磷酸等)一起加热，醇分子失去一分子水,生

19、成烯 实验室中常用制备烯烃方法 从反应机理看，生成碳正离子的一步是整个反应的速控步。由于过渡 态的势能与形成碳正离子的稳定性有关，碳正离子的稳定性321 ，所以各类醇的反应性也是321 。 在酸的作用下，不好的离去基团(羟基)转变成好的离去基团(水)，然 后碳氧键异裂，水离去，形成碳正离子，带正电荷的碳原子相邻的碳 上失去一个质子，一对电子转移过来，中和正电荷形成双键。 醇的失水：反应机理 当连有醇羟基的碳原 子与三级碳原子或二级 碳原子相连时,在酸催化 的脱水反应中, 常常会 发生重排反应， 重排的推动力是一个较稳定的3级碳正离子代替了一个 较不稳定的2级碳正离子 如 醇脱水：重排 wagn

20、er-Meerwein rearrangement 瓦格奈尔-麦尔外因重排 . 如用较浓的酸.并将易挥发的烯烃从反应体系中移走.平衡有利于生成烯 烃。 如反应体系中有大量的水，则平衡有利于烯烃加水成醇。 由于醇的酸催化失水是一个平衡反应，因此形成的双键在反应中可发生 双链的移位，最后倾向于形成较稳定的烯烃。如正丁醇失水主要生成E-2 -丁烯 醇的失水反应：可逆反应. 在醇失水形成烯烃时，如果醇有两个不同的碳原子，遵 守Zaitsev规则： Zaitsev规则 醇失水：区域选择性 含氢较少的碳将提供氢原子，形成双键碳 上取代基较多的稳定的烯烃 如果醇失水生成的烯烃有顺反异构体时，那么E型是主要产

21、物 E型是主要产物 被消除-H的C-H键必须与碳上的P轨道平行，才能形成键 。(iv)的构象较(iii)稳定，在构象平衡体中这种构象含量较多， 因此由这种构象生成的产物也多，产物也较稳定. .常用醇于350-400C在氧化铝或硅酸盐表面上脱水，此反应不发生重排 工业上脱水方法 6. 11邻二卤代烷失卤素 E1cb反应 E代表消除反应.1代表单分子过程.cb代表反应物分子的共轭碱. E1cb：单分子共轭碱消除反应 这个过程可能分两步进行. 首先锌给出一对电子，使碳卤键断开，由此形成碳负 离子中间体,即反应物分子的共轭碱。 而后再失去一个卤负离子生成烯. 消除反应也是共平面的反式消除，在反应中，金属为碳卤键断裂 和碳碳双键的形成提供一对电子 邻二卤化物 金属镁和邻二卤代烷反应 碘负离子起提供电子的作用 中间产物是一个位上带有卤原子的格氏试剂 碘化物和邻二卤代烷反应 反式消除和立体选择性 用碘化物和邻二卤代烷作用，可较容易地消除卤 原子而生成烯，如果需要保护碳碳双键或提纯烯 烃，即可先用溴加成，生成邻二溴化物，待反应 后将产物与碘化物反应，使碳碳双键重新出现。 有机合成中的应用 THANK YOU！