1、第六章 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 (Reaction Mechanism) ( )1. SN1机理 ( )2. SN2机理 ( )3. 离子对机理 ( ) 三. 立体化学1. SN2反应 ( )2. SN1反应 ( ),四. 影响反应活性的因素 ( )1. 底物的烃基结构2. 离去基团 (L)3. 亲核试剂 (Nu:)4. 溶剂 五. 邻基参与反应 六. 亲核取代反应实例,一. 反应类型,亲核取代反应的通式：,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
2、开, 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：, 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：, 亲核试剂带有负电荷：,二. 反应机理,1. 单分子亲核取代 （Substitution NucleophilicUnimolecular) ( SN 1)反应机理,反应分两步进行,第一步 正碳离子的生成：,第二步 亲核试剂进攻正碳离子：,第一步是决定 反应速率的一步。,例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：,2. 双分子亲核取代 （Substitution NucleophilicBimolecular) ( SN 2)反应机理,动力学研究表明：有一类亲核取代反应的
3、速率与底物的浓度和试剂的浓度同时相关：,二级反应,按SN 1 机理进行反应的 体系：叔卤代烷及其衍 生物和被共轭体系稳定 的仲卤代烃及其衍生物,其反应机理为：,亲核试剂,背后,接近,中心碳原子,从离去基团的背面,与此同时,离去基团也正在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 时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的。,两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态 T.,T,S N 2 反应机理：,在过渡态中，亲核试剂的孤 对电子所占有的轨道与中心碳原 子的 p轨道交盖的程度与离去基 团与中心碳原子的 p轨道的交盖 程度相同,按 SN 2 机理进行的底物特征：,不被
4、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机理基础之上。,底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同 的离子对：, 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。, 离解的离子为自由离子。,三个阶段：,亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同 的产物。,三. 反应的立体化学,反应的立体化学与反应机理相关,SN2机理：,由于试剂从离去基团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
5、映体的纯度=100%,(S) - (-) - 2 - 辛醇 25D= -9.90 对映体的纯度=100%,= +23.5,SN1机理,试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对 外消旋产物。,正碳离子越稳定，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 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构 型转化增多 。,请思考：,四. 影响反应活性的因素,影响亲核取代反应活性的主要因素是：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
6、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SN 2反应：,转变过程中，中心 碳原子由底物同4个 基团相连转变为由 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,所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN 1 反应的反应速率增大：,相对速率 (k1),0.26 0.69 0.86 100 10 5 10 10,当取代基具有I、 超共轭效应、C效应， SN 1反应速率增大, 反应 活性增大。,当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)， SN 1反应速率明显增大：
7、,SN 1反应 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，因共轭效应而被稳定。,B. 空间效应,与SN 2反应相反，底物上的取代基的 空间效应使SN1反应速率加快：,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 拥挤程度减 小。,（二）亲核试剂的强度,Nu:在 SN2反应中起着重要作用,Nu,规律：,1带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：OH H2O, CH3O- CH3OH,2）带负电荷的试
8、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，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- RCO2- ROH H2O,CH3O- PhO- CH3CO2- NO2-,碱性是试剂与 质子结合的能力； 亲核性是试剂与带 有部分正电荷的碳 原子结合的能力。,当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度 顺序与碱性有时不同：,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. 试剂中的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
9、- R - 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，对于试剂的亲核性，取代基的空间效应大于其电子效应：,碱性很强，负电荷也很集中，但由于烷基 具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。,亲核性依次减小,同理：,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 离开中心碳原子，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：,共轭酸 1,共轭碱 2,共轭碱 1,共轭酸 2,强酸的共轭碱是 弱碱,重要的离去基团是 pKa 5的酸的共轭碱，如：
10、 I- 是强酸 HI的共轭碱。,TsOH,MsO-,CF3SO3- 是最好的离去基团。,2) 成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去。,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。,介电常数是衡量溶剂 隔离正负离子的能力， 即：溶剂稳定离子的 能力。,（ 0）, 偶极距,（ 0）,非极性溶剂：CCl4, CS2,极性溶剂,质子型：EtOH, H2O, CH3COOH,非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT,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
11、以稳定正离子，也可稳定负离子。,氢原子键合在电负性 较大的原子上。,SN 1反应：,一个中性化合物离解为两 个带电荷的离子，溶剂极性 的提高，将稳定正碳离子， 使反应速率加快。,SN 2反应：,在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散， 溶剂的极性增加，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：试剂的亲核性 强度顺序为：SH- CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- 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 (Polar Aprotic Solvents) 不能与 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 - 的反应活性顺序为：,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,问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是CH3OH? 为什么？,
