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1、第三章 饱和碳原子上亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution),一. 反应类型 二. 反应机理 三. 立体化学 四. 影响反应活性的因素 五. 邻基参与作用,1. SN1机理 2. SN2机理 3. 离子对机理,1. 底物的烃基结构 2. 离去基团 (L) 3. 亲核试剂 (Nu:) 4. 溶剂,一、亲核取代的反应类型,亲核试剂带着一对电子进攻中心碳原子，离去基团带着一对电子离开, 中性底物，亲核试剂带孤对电子：, 中性底物，带负电亲核试剂：, 带正电底物，亲核试剂带孤对电子：,带正电底物，带负电亲核试剂：,二、反应机理,1. 单分子亲核取代 (
2、SN1) （Substitution Nucleophilic Unimolecular),反应分两步进行 第一步 正碳离子的生成：,第二步 亲核试剂进攻C+：,第一步是决速的一步。,例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：,SN 1 机理反应的底物特征： 叔卤代烷及其衍生物 被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物,2. 双分子亲核取代 ( SN2) （Substitution Nucleophilic Bimolecular),二级反应,机理：,亲核试剂从离去基团的背面接近中心C原子， 同时，离去基团也逐步地离开底物分子。,新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂所需能量，由新键形成所放出的能
3、量提供。,两者达平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态 T。,S N 2 反应机理：,过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心C原子的 p轨道交盖的程度=离去基团与中心碳原子的 p轨道的交盖程度,按 SN 2 机理进行的底物特征：,不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物,3. 离子对机理,介于SN1 与 SN2 之间的机理，建立在SN1机理基础上。, 解离的正负离子形成紧密离子对，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。 离解的离子为自由离子。,三个阶段：,亲核试剂可以进攻三种状态的底物，从而得到不同的产物。,紧密离子对 溶剂分割离子对 离解的离子,构型翻转,消旋化,三、
4、反应的立体化学,反应的立体化学与反应机理相关,SN2机理：,试剂从离去基的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化Walden转化。,Nu:,+ L-,(R)-(-)-2-辛烷 25D= -34.25 对映体纯度=100%,(S)-(-)-2-辛醇 25D= -9.90 对映体纯度=100%, = +33.0, = +31.1, = -19.9, = +23.5,SN1机理,试剂从C+的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物,C+越稳定，消旋化程度越大。,消旋化 (Racemization),事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：,当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应，Nu:从 L 背后
5、进攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多。,四. 影响反应活性的因素,底物的结构 亲核试剂的浓度与反应活性 离去基团的性质 溶剂效应,（一）底物结构的影响,SN 2反应：,卤代烷的反应活性顺序是：,甲基 伯 仲 叔,原因：烷基的空间效应,新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应：,转变过程中，中心碳原子由底物同4个基团相连转变为 过渡态的同5个碳原子相连，空间拥挤程度增大。,当底物中心碳原子连有较大基团时， Nu:难于从背后接近底物。,SN1反应：,A. 电子效应,所有能使碳正离子稳定的因素，都能使SN1反应的速率增大：,当取代基具有I、超共轭效应、C效应，SN1反应速率增大，反应活性增大。,当中心碳
6、原子与杂原子直接相连时， SN1反应速率明显增大：,SN 1反应速率,109 1.0 0.2,所形成的碳正离子，因共轭效应而被稳定。,B. 空间效应,底物取代基的空间效应使SN1反应速率加快，与SN 2反应相反。,RBr在水中的溶剂解相对速度,RBr 在水中50时 MeBr 1.00 EtBr 1.00 i-pBr 11.6 t-BuBr 1.2106,四面体,平面三角型,键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度越减小。,（二）亲核试剂,Nu:在 SN2反应中起着重要作用,规律：,1、带负电荷的试剂 它的共轭酸：OH- H2O, CH3O- CH3OH,2、带负电：负电荷越集中，亲核性
7、越强； 中性：进攻原子的电子云密度越集中，亲核性越强。,A. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：,RO- HO- RCOO- ROH H2O,CH3O- PhO- CH3COO- NO2-,碱性是试剂与质子结合的能力； 亲核性是试剂与C+或C+结合的能力。,试剂中进攻的原子不同时，亲核性强度顺序与碱性有时不同：,碱性： C2H5O- I-,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， 负电荷越分散，亲核性越弱：,H2N- OH- F-,C. 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：,F- Cl- Br- I-,R-O - R
8、-S - R-Se -,D. 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。 因此，对试剂的亲核性，取代基的空间效应 其电子效应：,碱性很强，负电荷也很集中，但烷基具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。,亲核性依次减小,亲核性依次减弱， 碱性依次增强。,（三）离去基团 (Leaving groups),离去基团带着一对电子离开中心C，成为负离子。,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：,pKa 5的酸的共轭碱，如：I- 是强酸 HI的共轭碱。,CF3SO3- 是最好的离去基团。,TsOH,2、 成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去
9、。,的溶剂解的相对速率为：,F Cl Br I 可极化度依次增大,（四）溶剂效应,溶剂的性质：介电常数 越大，溶剂的极性越大。,是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即溶剂稳定离子的能力。, 偶极距,非极性溶剂（0） ：CCl4，CS2，C6H6,极性溶剂（0）,质子型：EtOH, H2O, H3COOH,非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO,质子型溶剂通过氢键缔合 非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用,极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。,SN 1反应：,中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定碳正离子，使反应速率加快。,SN 2反应：,在过渡态中不产生新的电荷，而且
10、还使电荷分散， 溶剂极性的提高，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。,在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键， 由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。,在质子型溶剂中，试剂的亲核顺序为： SH- CN- I- OH- N3- Br- CH3COO- Cl - F- H2O,SN 2反应常在极性非质子型溶剂中进行。,极性非质子型溶剂不与 Nu: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试剂，具有较高的反应活性。,常见的极性非质子型溶剂有：,在极性非质子型溶剂中，X - 的反应活性为：,F - Cl - Br - I -,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SN 2反应的影响：,溶剂 k2,DMF 3 103 CH3OH 3 10-2,在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是CH3OH?,五. 邻基参与作用,邻基：多带有孤电子对或电子，在分子内起亲核试剂作用。如：COO-、COOR、OH、OR、NH2等。 邻基参与作用：分子内亲核的取代基参与了另一部位上的取代反应。是分子内的发生2次的SN2过程。 邻基参与作用的结果：取代产物构型保持，且反应加速。,