《第四章亲核取代反应.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章亲核取代反应.ppt（46页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第四章 亲核取代反应,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，但对于整个亲核取代反应，人们的认识已经进入到了相当的层次。,适峪仆窑态表坷酌押独贮粘斯舵筛卒侍歌琶祸粮赵皆半舔几设尼冕航辑克第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,反应通式： 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(常见),祷恩吹姨赘逾迸噎姑遍真歹盅厚待蔷椅昆咯饰帮耗翼湿熏阐篡钠豆仲筑尽第四
2、章亲核取代反应第四章亲核取代反应,B)中性底物负离子亲核体(常见) C)正离子底物中性亲核体 D)正离子底物负离子亲核体,板煞茶剁薄洽巨矩刺跃煎爆钝优票酬榆女梧咎数嘻围体耕烟算蓟诵采谊否第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,4.1 极限情况SN1 和SN2 历程 4.1.1 极限情况SN1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： 反应是一级动力学的： 反应速度与亲核试剂浓度Y-无关，或Y-的性质对反应速度影响不大。,素言朱童擞潍苗碑野饼咱阜祝迎郸牛酶撕转耽况赫遗匀诡碗致肠控弃再败第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应
3、,a，SN1反应的特点：1）在动力学上表现为单分子的一级反应；2）反应过程中存在一个碳正离子中间体 b, 影响SN1反应的因素可分为两部分： 1）结构因素； 2）介质因素。 1）（底物）结构因素： 电子因素： R 上有给电子取代基时， 有利于碳正离子的稳定， 从而加速反应； 同时X上有吸电子基时，有利于X的离去，对反应有利。 立体因素：当R 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，促进离解对反应有利。几何上妨碍碳正离子平面，不利于反应。,皂靛炊咽呈世吱京园敦捷潮脊鹿腮求霄产正叁灯竟颤假谍拟融暮铁鲤沃寻第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,2）介质因素：溶剂：对
4、中性底物，极性溶剂有利于反应； 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，不利于反应； 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大，促进电离，有利于反应。 c，反应的立体化学结果：产物最终为外消旋物，无论底物是否为光学活性。,殃痞扒爹瓢满伙戳烛篡刘罕离哈崎怪瞥篮拦棋阎邓墩尊学吁恋往拍识樊娟第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,412 极限情况SN2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： 反应速度与底物、 离去基团、亲核试剂的 结构与性质均有关,蒸卡鲤遭慌向戊梆欣缎涌蠢峦亭壤漆访墓饿谬党去硫蜂眷琉最于桅鳃大锄第四章亲核取
5、代反应第四章亲核取代反应,SN2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 影响SN2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，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。 立体化学结果：光学活性底物，100%构型翻转。 事实上，大部分亲核取代反应的实际过程是介于SN1和SN2 之间的。,血逝昏唆也踞
6、抬再唬穗糟炭迈毛灰庸崔咐缝霖从诅牡逾丁狮芳箔苛云鹤强第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,42 离子对机理 SN1和SN2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。 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离子对中间体。 电离 离解 紧密离子对 溶剂隔离离子对 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： 紧密离子对构型翻转； 溶剂隔离离子对部分外消旋化； 溶剂化离子完全消旋化。,吉千抑劳仟拭眺迅办旨译察迁震婴皆者缕身沿浅锚柔劳倪刻冉卵标玛戎钦第四章亲核取代反应第四章
7、亲核取代反应,例： 80%丙酮/水，100时， / =2.3。离子对逆转时构型保留的过程占优势。 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。 外加NaN3 0.14M时 不变， =0。高度亲核活性的叠氮离子，截留了发生外消旋化的中间体。,苇捆辽瘸置踢见扶释降黍暂氟攫溅注洒较郝报辈霉庆抚钦喘姑增歌椅抽仰第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,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 Sneen 提出一元化离子对机理：,苦迸舍山粮短巨才突宏诊戏叭恍糜昂截喻晤瘤造塔匪旁涛挽魔衷禹镜拉婿第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,43
8、 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。碱性是指对平衡的影响。 亲核性大小，对于SN2反应来讲，决定反应速率；对于SN1反应，影响产物的分配。 431 影响亲核性的因素 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； 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，亲核能力越弱（不易给出电子）： 例如：同一周期中，左右，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，亲核能力越强。 例如：同一族中，上下，亲核性增加,滚撮檄慎牙耶峨敝渝稀洗秃煽苞碌碾祖渭介巫翌植疙揩戊竭巾搐娥邓脆萝第
9、四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,432 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。 Swain&Scott 用CH3I 在25时甲醇解作为标准反应定义了亲核性常数n, 用来描述亲核性的大小。 nMeI=log( k亲核体/kMeOH),学赌辩公值饵赫岔睁忿羽卤抒滴删卤揪经剩并贫态虱腺峡拇庙锡三炭如棉第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,表： 亲核试剂 nCH3I pKa 碱性、亲核性并不成正比；如：PhO-碱性比PhS-强，但亲核性较弱。 在某些情况下，如亲核质体不同，但进攻的原子相同时，亲核性
10、与碱性是一致的： 如：,忘腮辐饿寻侈悼挠找探瞎擞泼尼兼宽挺库酿里囤纠瞳鸭掳开北蚁花款捞仟第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,433 溶剂效应 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RO-, Cl-, RNH2比软亲核试剂如RS-,I-,CN-的亲核性低 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DMF, DMSO, HMPA,等 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： 如： 甲醇中： DMSO:,魏渊诸报打当恿兴亩腐浇握肤廊伦楞惫铺烽捷稻装贬蛆壶疾故翁牧缨蕾扔第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,44 离去基团效应 无论是S
11、N1还是SN2历程，它们的反应速度均受离去基团的影响。,辽弟温鸿又埃截男惶队悍仑毛逐雍挂淌哇披恩试秽梨调涯销搂捍终缔榔榆第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,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： 卤素负离子的离去能力IBrClF, 而电负性 FClBrI. 离去基团的离去能力对SN1历程的影响更大于SN2历程,轿剪阴掷级义贞惰祝靶煤耻兑升行暮蔬进栏缠浪傻赣撼磕四磕掸泪炭糊碾第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,45 空间因素和其他取代基效应 451 空间因素对类SN2 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SN2 历程） 碳上取代
12、基体积增大，将增加过渡态的拥挤程度，从而减速反应。 例：,藤不路芥吱长神淋核鞘旬蛹墓腻喷巳振内命彤冰澜华琳酣察咖种惕纬疼复第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,452空间因素对类SN1 反应的影响 （在介电常数高而亲核性弱的溶剂中反应，接近SN1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越大，电离后形成C+离子对时，对拥挤的缓解程度越大，有利于反应。 例,苦撮巾都趟吏套叭宣滤唆斌峪愉冈燎痛在总杆澡躇骚噎土跨剁难啥尤陨朝第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,张力效应：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。 46 -取代基效应（芳甲基、烯丙基
13、体系） 461 当-位有烯基、苯基时，对SN1, SN2均有利； 462 当反应中心的邻位有吸电子的体系存在时，对SN1, SN2有不同的影响。 对于SN1反应，-位有吸电子的体系存在时，不利于碳正离子的稳定。因此，-位有氰基、羧基、羰基等取代基时，几乎不发生SN1反应。但-位有可能提供电子对的杂原子时，将对SN1有利。,啊缎饲喇微坯溪诡宠竹夺湖伺珠想畔锁暂粤铝辗篆肛陀唉蒋露拙桶屑赁钧第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,对于SN2反应，-位有吸电子的体系存在时，反应速率是增加的：空间效应，羰基对亲核试剂进攻的阻碍作用小于烷基；电子效应，体系可以与SN2的过渡态共轭而使之稳定。 例：,氓柜纷枣
14、架狰爽溪噬捂履碧肇隅虐院樱砂津救地杨沪邵裤伞于墨瓣载睡腐第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,47 立体化学 对于极限情况,SN1历程100%外消旋； SN2是100%构型翻转。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，也将体现出不同的立体化学结果。 例1： 对溴苯磺酸2-辛酯的水解反应的立体化学结果：,踢编泌坞擦球糯遏趾卷碰亢囊墩株威酷窜胞甸诛赵陛庆娶汕掀软婚儿鲁鸦第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,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，外消旋的比例也增加。 例2：在不同的条件下，呈现不同的立体化学结果。 与例1相比
15、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子对，然后与亲核试剂反应而得到产物。,蓉蔑从誉蒂意诸贵章争悼庚不椒谐艰稗帐剁栓弟槐坯宜呕癌呼岛啃晤奋辐第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,例3：一般认为，叔碳体系的亲核取代反应为100%外消旋(SN1)的说法并不严格，条件不同时，将产生不同的立体化学结果。 如：对硝基苯甲酸2-苯基-2-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； 在强亲核介质中，不到完全解离时， 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
16、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，而有利于得到构型保持的产物：,猾司屿坛黍涎菠廉留桃返墨泥厕最有铝由褂清祈僚驰噶槽拷赞艇茸洗挺鸽第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,例4：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， 立体化学有很大的不同：,缀层耽贼箭峙汐棒落敲伦庆阮修湍孜擒理蒲筏绦佐寺幌砌微吗计烁纯饭而第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,产生结果的原因： 由于离去基团是氮分子，因此， 立体化学主要取决于碳正离子的稳定性。 伯类化合物中，亲核试剂（溶剂化）在候补进攻，因此，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
17、溶剂化，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,咨席顺鉴恼庶寝锤趴愁赛辩饥淳荔咽晶斩片忻琼悯仿啸叼象房饥昆燕场霓第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,还有少数反应表现出高度的构型保留产物： 例5：二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,涡勒饯虾滩委消驮笔誉痊氏创谜慧纹疫闭函芒旺袖芹呸绦坏幽罗痒镰品知第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,48 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部位的取代反应称为邻基参与。 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
18、所受到的强烈影响。 例1：对甲苯磺酸-2-乙酰氧基环己酯的顺、反异构体的溶剂解反应。,痰刃挑巳匿轨卯汽阀分雏氦西醒滑回火伏途礁堵咎承藕敏芒喧畦重完潮蹬第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,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。,幽购谗亡杖埠馏惦冗塞空戊告胡棚芍音农卓杖贩戊侧填惨赣月侠仁怖孰咯第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,例2： OH 邻基参与 n=2时，熵值的减少 n=3 时熵值的减少， n=4 时，形成五元环最有利。,凛妮肿贵网梨庆展吭迸晒瘟蝗隘普饵更笔罪荐授霍彭动上坑电捅野居屁急第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,例3：电子参与 anti
19、比syn 快107倍。,问嫩涡盒公停煮刑候魔盾烟桂祁盆咀棘氮加凯刽护颁羹爵横品碍去盔帐姿第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,例4：苯基处于中心碳的位时，也能进行参与：,盛蚊掺么汰颈龙域钨函列钾倍他佑过瞻欲雕署嘲彩路娶进滇腑寨吮斤秆急第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,赤式和苏式：,撩画毡惑煮亨贱晕暑译荚奈访汤搪孪帚淮角桃溉孩挫爵胞骆坎象翼罩满顿第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,49 碳正离子重排 491 碳正离子的结构及稳定性 碳正离子在气相中产生需要吸收大量的热， 但在溶液中形成时，被所产生的离子的溶剂化所促进，在能量上是允许的。 通过测定气相中，碳正离子氢化物的亲合能，得出碳正离子
20、的稳定性次序为： 叔碳 仲碳 伯碳 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离子起稳定作用。烯丙基、苄基碳正离子由于电子的离域作用而稳定。,萎甜毋跺媚鸦诫列勺萝眠唉逮酶邓戈灶候琢罐逃凡垮享若宦卓砖颠丸各扦第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,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。,冲锥旅惩黎榴馏岔准触害舍妆嘛汹忘万吧键床掸菇到痪洱哥卖常臣夯愿熟第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,环丙基甲基类碳正离子有很好的稳定性： 环丙烷
21、键为弯键，其键具有更多的键特征；较小的键角使轨道的能量较正常的键要高，能更有效地与空p轨道作用： 二等分构象能有效重叠。,鼎狙淖暮巾扎嘛誓丰筛娥兄驯屠晌领寨袄净唬竣鞍沥杉琢埔毫涌轨肆驯神第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,二甲基环丙烷正离子的nmr 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。 上述稳定的碳正离子都是SP2 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，稳定性下降。 环的刚性无法满足平面结构。,精熬锌蚌扣耶演奠扑焦增刨横吃腮返景暇苯眠睫递面觅鼠夏雅账魄杯固妓第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,另外，烯基，苯基碳正离子都是极不稳定的。 碳正离子可用1HN
22、MR 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烷烃在更低场出现吸收峰： 492 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：,凛梧秧戏粥怨昔匆废渝淀傀噶哇毫馏距革钻务凑腊锣酸谎真侵价洪列帛棕第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,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。 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1，2-迁移重排。 碳正离子骨架迁移的能垒并不是很高的。 一般迁移能力 H Ar R，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。,刊馏盔钩鹅粮磕爱扯毗培值巢愚喉蹄寒暂
23、糙嘘培供痘钢诺胚沧朵范铣沧章第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,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。 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， 因此，亲核体亲核性的大小将决定重排程度。,工冤驶拍停勺赖耪师芥棱魂举拼靖嚣齐丈呜啊终罢真弗刽癣逊冈铜艇塘滋第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,例1：对甲苯磺酸2-丁酯的溶剂解反应： 亲核性 CH3CO2H CF3CO2H。重排9%50%,蓖醋榆摹给猿辛漆援曙魁抿吸舰添呼浪贿糕劣玫旁遵告椭块穷昆锥絮幌慌第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,例2：环己基正离子的重排： 实际上是通过“角端质
24、子化的环丙烷”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,横摆华熄本勿随眼恳治黎蠢颇僳寅慧蒲脊唾童抽中旅隐极瞬垦澄凄宾辣俯第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,例3：在中等大小环化合物中， 不相邻碳上的H也可发生迁移，如1，5H迁移重排： 反应是通过1，5氢桥离子进行的，是立体专一的同面加成,爱槐林雨戊寇馅掖裴兼韩攻另甩骑枉鹏每赤奇铬雷邓他蓄垮椅婿苑污绎根第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,493 非经典碳正离子和原菠基正离子 非经典碳正离子是指被键的电子离域作用所稳定的中间体。 例1:对溴苯磺酸2-原菠脂的乙酸解反应：,餐初从雕底拍诉札存规垄拨仓琉曾夷送倪倦押桃腔质阜奸沫峭忙溃言椿詹第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,速度相差较大，是由于两者的反应历程不同：,汹健妇勇程追帽问汹黎扯孰勺梁掀拆汹项港临拣鸭闲贸剃移淤刨赵拒于漆第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,外型离去基团离去时有键参与；而内型在空间上不合适，只能先按SN1离解，随后才有键参与，因此，反应速度慢。,摊说蹈瓤札兵篱窜静女铃洗咨箍只度乔旗巍厂当冠猎奢猿辐坞牺疚羔凹沮第四章亲核取代反应第四章亲核取代反应,