取代反应机理及应用.pdf

1、取代 反应的机理及应用 (分析化学 2011000123 张国艳 ) 摘要 在有机化学中，亲电子和亲核性取代反应非常重要。 饱和碳原子上的亲核取代反应 ，根据反应底物 ， 亲核试剂 (Nu)， 离去基团 (L)和反应条件 ， 可按几种不同历程进行 ， 其中最重要的有两种历程 ， 即 SN1 和 SN2 历程 。 苯环上亲电取代反应的定位规律对于预测反应主要产物，确定合理的合成线路，得到较高产量和容易分离的有机化合物具有重要的指导意义。 关键词 ： 亲核取代 ； 亲核试剂 ； 离去基团 ； 亲电取代 Abstract: In organic chemistry, nucleophilic and

2、 electrophilic substitution reactions is very important. Nucleophilic substitution reaction, according to the reaction substrate, nucleophile (Nu), the leaving group (L) and reaction conditions, followed several different course on the saturated carbon atom, the most important course are the SN1 and

3、 SN2 process. Aromatic electrophilic substitution reaction on the rules for predicting the response to the positioning of the main product, determine a reasonable synthetic routes to get higher yields and easy separation of organic compounds has an important significance. Keywords: nucleophilic subs

4、titution; nucleophile; leaving group; electrophilic substitution 引言 ： 取代反应 (substitution reaction)是指有机化合物受到某类试剂的进攻，致使分子中一个基 (或原子 )被这个试剂所取代的反应。 取代反应可分为亲核取代、亲电取代和均裂取代三类。如果取代反应发生在分子内各基团之间，称为分子内取代。有些取代反应中又同时发生分子重排 (见重排反应 )。取代反应的通式是自由基取代 Cl +H CH3 HCl+ CH3 CH3+Cl Cl CH3Cl+ Cl。 在有机化学中，亲电子和亲核性取代反应非常重要。有机的取

5、代反应会依以下的特点，被归类到若干个有机反应类别中： 促使反应的反应物是亲电子试剂还是亲核试剂。 反应中的中间 物是一个阳离子、一个阴离 子还是一个自由基。 反应的基质是脂肪族化合物还是芳香族化合物。 详细了解反应类别不但对预测反应产物很有帮助，而且能帮助我们从诸如温度、溶剂2 等变量上来优化该反应。 取代反应分类 ： 亲核取代反应 简称 SN(S 为英文“ Substitution” (取代 )， N 为“ Nucleophilic” (亲核 )，都取第一个大写字母 )。饱和碳上的亲核取代反应很多。例如，卤代烷能分别与氢氧化钠、醇钠或酚钠、硫脲、硫醇钠、羧酸盐和氨或胺等发生亲核取代反应，生成

6、醇、醚、硫醇、硫醚、羧酸酯和胺等。醇可与氢卤酸、 卤化磷或氯化亚砜作用，生成卤代烃。卤代烷被氢化铝锂还原为烷烃，也是负氢离子对反应物中卤素的取代。当试剂的亲核原子为碳时，取代结果形成碳-碳键 ，从而得到碳链增长产物，如卤代烷与氰化钠、炔化钠或烯醇盐的反应。在亲核取代反应中， C X 键先断裂，生成正碳离子再跟试剂反应，形成 C Y 键，这种反应叫单分子亲核反应，记作 SN1。 C X 键断裂和 C Y 键的形成同时发生的反应叫双分子亲核取代反应，记作 SN2。 由于反应物结构和反应条件的差异， SN 有两种机理，即单分子亲核取代反应 SN1 和双分子亲核取代反应 SN2。 SN1 的过程分 为

7、两步：第一步，反应物发生键裂 (电离 )，生成活性中间体正碳离子和离去基团；第二步，正碳离子迅速与试剂结合成为产物。总的反应速率只与反应物浓度成正比，而与试剂浓度无关。 SN2 为旧键断裂和新键形成同时发生的协同过程。反应速率与反应物浓度和试剂浓度都成正比。能生成相对稳定的正碳离子和离去基团的反应物容易发生 SN1，中心碳原子空间阻碍小的反应物容易发生 SN2。 如果亲核试剂呈碱性，则亲核取代反应常伴有消除反应，两者的比例取决于反应物结构、试剂性质和反应条件。低温和碱性弱对 SN 取代有利。 芳族取代反应 分芳族亲电取代 反应 SEAr 和芳族亲核取代反应 SNAr(S 代表取代 ,N 代表亲

8、核 ,Ar 代表芳香 )两类， Ar 表示芳基。芳烃通过硝化、卤化、磺化和烷基化或酰基化反应，可分别在芳环上引进硝基、卤原子、磺酸基和烷基或酰基，这些都属 SEAr。芳环上已有取代基的化合物，取代剂对试剂的进攻有定位作用。苯环上的取代基为给电子基团和卤原子时，亲电试剂较多地进入其邻位和对位；取代 基为吸电子基团时，则以得到间位产物为主。此外，除发生这些正常反应外，有时试剂还可以进攻原有取代基的位置并取而代之，这种情况称为原位取代。 SNAr 需要一定条件才 能进行。如卤代芳烃一般不易发生 SNAr，但当卤原子受到邻或对位硝基的活化，则易被取代。卤代芳烃在强碱条件下也可发生取代。此外，芳香族重氮

9、3 盐由于离去基团断裂成为稳定的分子氮，有利于生成苯基正离子，也能发生类似 SNl 的反应。 均裂取代反应 简称 SH(S 为英文“ Substitution” (取代 )。为自由基对反应物分子中某原子的进攻，生成产物和一个新的自由基的反应。这种反应通常是自由基链式反应的链转移步骤。一些有机物在空气中会发生自动氧化，其过程也是均裂取代，如苯甲醛、异丙苯和四氢萘等与氧气作用，可分别生成相应的 有机过氧化物。 一、 取代反应 （一 ） 单分子亲核取代反应 ： 饱和碳原子上的亲核取代反应 ， 根据反应底物 ， 亲核试剂 (Nu)， 离去基团 (L)和反应条件 ， 可按几种不同历程进行 ， 其中最重要

10、的有两种历程 ， 即 SN1 和 SN2 历程 。 1 SN1 反应机理 ： SN1 反应的特点是分步进行的 ， 第一步是反应底物发生离解 ， 形成碳正离子中间体 ， 第二步是碳正离子和亲核试剂结合生成取代产物 。 R L 慢 R+ L- R+ Nu- 快 RNu 在有机化学中 ， 任何一种反应机理都是建立在大量实验基础上 ， 经过逻辑推理而提出来 的 。 关于反应机理的研究 ， 可从以下几个方面进行讨论 。 1.1 动力学反应 实验证明叔丁基澳在碱性溶液中的水解速度只与叔丁基 溴 的浓度有关 ， 而与亲核试剂(OH-或水分子 )的浓度无关 1。 (CH3)3CBr+OH- H2O (CH3)

11、3COH +Br- V=K(CH3)3CBr SN1 反应在动力学上的特点是 一 级反应 。 上面叔丁基嗅的水解反应是分步进行的 。 (CH3)3CBr 慢 (CH3)3C+Br- (CH3)3C+OH- 快 (CH3)3COH 该反应是一个复杂反应 ， 它包含两个基元反应 ， 在复杂反应中 ， 反应速度是由最慢的一步来控制的 。 在叔丁基 溴 的水解反应中 ， C-B 键的离解需要较高的能量 ， 反应速度较慢 ， 而生成的碳正离子活性中间体具有较高的活性 ， 它立即和亲核试剂 (OH-)作用 。 因此上述4 反应 (1)是决定整个反应速度的步骤 。 叔丁基 溴 水解反应中能量变化如图 1 所

12、示 ： 反 应 进 程图 1 SN1 反 应 中 的 能 量 变 化 1.2 同离子效应 在 SN1 反应中 ， 反应底物的离解是一个平衡过程 ， 如前述叔丁基 溴 在碱性溶液中水解 ， 第一步反应是叔丁基 溴 离解为碳正离子 2。 (CH3)3CBr 慢 (CH3)3C+Br- 如果外加一些与离解的离子相同的离子 ， 例如 Br-离子 ， 就会使平衡向左移动 ， 这样对叔丁基 溴 的离解起到了抑制作用 ， 使反应速度减慢 ， 这种作用叫做同离子效应 ， 同离子效应是反应的一个特征 。 1.3 桥头碳上的 SN1 反应 对桥头碳上带有潜离去基团的化合物进行动力学研究 ， 也能为 SN1 机理提

13、供证 据 3。例如 ， 将 1-氯代阿朴 莰 烷在 80%乙醇和 30%KOH 溶液中煮沸 2h 或者在硝酸银的乙醇水溶液中煮沸 48h， 都不发生反应 ， 而类似的开链体系化合物则很容易反应 。 这是因为在 SN1反应中反应底物首先离解成碳正离子 ， 碳正离子为平面 (或近乎平面 )结构 ， 而桥头碳原子上因空间效应的阻碍 ， 它不能或很难伸展成平面结构 ， 因此桥头碳正离子很难形成 ， 以致使该化合物在条件下不能发生反应 ， 这就从反面为 SN1 反应机理提供了证据 ， 见图 2： 不 能 离 解 成 +C l- 图 2 如果将环系扩大 ， 使桥头碳原子能够伸展成平面或近乎平面状态 ， 那

14、么 SN1 反应就有5 可能发生 ， 这种设想得到了实验的证实 。 例如 ， 1-氯双环 3.2.2壬烷可以 SN1 发生反应 ， 能生成较稳定的桥头碳正离子 ， 见图 3： +C l- 图 3 1.4 亲核试剂的性质和浓度 SN1 反应的速度只与反应底物的浓度有关 ， 而与亲核试剂的性质及浓度无关 4。Bateman,Hugbes 及 Ingold 等人发现 ， 把氯代二苯甲烷放在液态二氧化硫溶液中 ， 分别与氟离子、 吡啶 及三乙胺等三种不同的亲核试剂作用 ， 它们最初的反应速度都相同 。 他们还发现当改变亲核试剂的浓度时 ， 经过对盐效应的修正后 ， 其反应速度大体上是相同的 。 SN1

15、反应机理的特征之一是反应速度只与反应底物的浓度成正比 ， 而与亲核试剂的性质及浓度无关 。 下面是氯代二苯甲烷与氟离子的反应 ： (C6H5)2CHCl 慢 (C6H5)2C+H+Cl- (C6H5)2C+H+F- 快 (C6H5)2CHF V=K(C6H5)2CHCl 1.5 立体化学 如果具有旋光活性的反应底物 (中心原子为手性原子 )按 SN1 反应进行 ， 由于生成的碳正离子具有平面构型 ， 亲核试剂从平面两侧进攻的几率几乎完全相等 ， 这样应该得到等量的一对对映体 ， 光学活性消失 ， 产物为外消旋体 5。 对于理想的 SN1 反应来说 ， 理论上似乎应该得到外消旋化的产物 ， 但实

16、 际情况往往并非如此 ， 有的确能得到外消旋化产物 ， 但多数情况下 ， 在得到的产物是外消旋化的同时 ， 还得 到了部分构型转化的产物 。 从而使产物具有不同程度的旋光性 ， 而某些情况下还能得到构型 保持的产物，例如： 6 以上几种情况到底发生哪一种 ？ 它与反应底物的结构、试剂的种类与浓度以及反应环境等因素有关 。 如果生成的碳正离子十分稳定 ， 则生成外消旋化的产物 ， 如果生成的碳正离子不稳定 ， 在离去基团 (L)还未完全离开之前 ， 亲核试剂 (Nu)就开始进攻中心碳原子 ， 由于 L 的屏蔽效应 ， 妨碍了 Nu 从 L 离去方向进攻中心碳原子 ， Nu 只能从 L 的背面进攻

17、中心碳原子 ， 所以得到的产物往往是外消旋化的同时 ， 还得到部分构型转化的产物 。 外消旋化产物与构型转化产物二者的比例取决于碳正离子的稳定性和亲核试剂的浓度 ， 如果碳正离子较稳定 ， 亲核试剂的浓度较低 ， 则产物外消旋化所占比例就高 ， 反之 ， 则外消旋化所占比例就低 。 例如 Ph-CHClCH3 在不同条件下的水解反应 ， 有如下数据 ： 虽然在实际的 SN1 反应中 ， 往往只发生部分外消旋化 ， 但这并不影响外消旋化作为SN1 反应机理的证据 ， 至于在 SN1 反应中得到构型保持的产物 ， 则是由于邻基参与的结果 。 外消旋化产物 (%) 构型转化产物 (%) 80%丙酮水

18、溶液 98 2 60%丙酮水溶液 95 5 纯水 83 7 1.6 碳正离子的 重 排 由于在 SN1 反应中有碳正离子中间体生成 ， 碳正离子的一个显著的特征就是能够发生重 排， 产生较稳定的三级碳正离子 6。 例如 ， 新戊基 溴 和 C2H5OH 的反应 ， 几乎得到重排产物 。 7 该反应显然是通过 SN1 反应机理先离解成一级碳正离子 ， 但一级碳正离子很不稳定 ， 立即发生重排 ， 得到比较稳定的三级碳正离子 ， 然后再进行取代或消除反应 。 三级碳正离子与醇反应 得到醚 ， 进行消除反应得到稀烃 ， 消除与重排均是碳正离子的典型性质 ， 从而也证明反应是经过碳正离子中间体的过程

19、， 进一步论证了 SN1 反应的机理 。 (二 ) 芳香族化合物的亲电取代 反应： 1 关于反应历程： 研究证明 ， 芳环亲电取代反应历程为芳基正离子历程。关于芳基正离子历程的证明主要有两种方法 7： 1.1 同位素效应。如果在发生取代的位置上质子的除去和亲电体的引入协同进行的话 ，则在对环的亲电进攻是决定速度步骤的反应中观测到一级同位素效应 8。在许多例子中可以发现有同位素效应 ， 但其数值比 SE1 历程所预期的同位素效应 数值低很多 ， 例如 KH/KD不是 6 到 7 而是 1 到 3。在这些情况中氢为离去原子团 ， 为芳基正离子历程 ： 第一步 通 常第一步比第二步慢得多 ， 大部分

20、的同位素效应是由于第一步的可逆性通过分配效应而引起的。 1.2 芳基正离子中间体的离析。芳基正离子历程的最令人信服的证据是芳基正离子盐能以结晶体的形式分离出来 ， 或者非亲核性溶剂中通过波谱技术能观测到。目前已有许多分离这个中间体的例子 ， 最简单的苯基正离子在 -134 于 HF SbF5 SO2ClF SO2F2 中得到 ， 用电子光谱及核磁共振谱都证明了芳基正离子的存在。 当正离子进 攻芳香体系时 ， 在它由芳香环得到一对电子以前首先生成 络合物 ： 芳基正离子的稳定溶液或 络合物的稳定溶液是已知的。 例如 ， 当芳香烃只用 HCl 处理时即 能 8 形成 络合物 ， 但是当用 HCl

21、加路易斯酸时 ， 则能得到芳基正离子。 这两种类型的溶液具有极不相同的性质。例如芳基正离子的溶液为有色的并能导电 (表明存在正负离子 )， 而由苯与 HCl 形成的 络合物是无色的并不能导电。 2 苯环上取代反应定位规律在有机合成上的重要作用和意义 ： 根据苯环上亲电取代反应的定位规律，怎样选择合理的合成路线，由苯合成间溴硝基苯和间硝基苯甲酸 ？怎样预测苯甲酸和对乙基苯磺酸硝化反应时的主要产物 9？ 2.1 一元取代苯的定位规律 在单环芳烃的取代反应中，人们发现， 当甲苯发生取代反应时，反应比苯容易进行，而且新基团主要进入甲基的邻位、对位，生成邻对位产物；当硝基苯发生取代反应时，反应比苯难于进

22、行，而且新基团主要进入硝基的间位，生成间位产物 10。也就是说，一元取代苯发生取代反应时，反应是不是容易进行，新基 团主要进入环上哪个位置，主要取决于苯环上原有取代基的性质。因此， 把苯环上原有的取代基叫定位基。 定位基有两个作用：一是影响取代反应进行的难易，也 称取代反应的活性；二是对新基团起着定位作用，也称定位效应。 根据定位基的定位效应不同，可将常见的定位基分为两类。 2.1.1 邻、对位定位基 这类定位基大多数是斥电子基团，能使苯环活化，即第二个取代基的进入比苯容易， 同时使新进入的取代基主要进到苯环的邻位、对位。各种取代基定位能力的顺序如下 (强的在前 )： -O-(氧负离子基 )、

23、 -N(CH3)2(二甲氨基 )、 -NH2(氨基 )、 -OH(羟基 )、 -OCH3(甲氧基 )、-NHCOCH3(乙酰氨基 )、 -R(烷基 )、 CI、 Br、 I、 -C6H5(苯基 )等，这类定位基与苯 环直接相连的原子上，一般只带有单键或负电荷 (也有例外，如乙烯基和苯基就是邻对位定位基 )。 需要指出的是，卤素虽然是邻对位定位基，却使苯环钝化。 2.1.2 间位定位基 这类取代基都是吸电子基团，使苯环钝化，即第二个取代基的进入比苯困难。同时使第二个取代基主要进到苯环的间位。各种取代基定位能力顺序如下 (强的在前 )： -N+(CH3)3(三甲胺基 )、 -NO2(硝基 )、 -

24、CN(氰基 )、 -SO3H(磺酸基 )、 -COH(醛基 )、 -COOH(羧9 基 )、 -COCH3(乙酰基 )、 -COOCH3(甲酸甲酯 ) 、 -CONH2(甲酰胺 )等。 这类定位基与苯环直接相连的原子上，一般有重键或带有正电荷 (也有例外，如 -CCI3就是间位定位基 )。 还应注意：取代基的反应活性和取代基的定位效应是两个不同的概念，对于邻、对位定位基而言，其反应活性强弱顺序与取代基的定位效应强弱顺序是一致的，但对于间位定位基而言，它会钝化苯环，从而减慢取代反应的速率，因此，间位定位基定位效应的强弱顺序与其反应活性顺序相反。如下列间位定位基的反应活性由小到大的顺序为： N+(

25、CH3)3(三甲胺基 )-NO2(硝基 )-CN(氰基 )-SO3H(磺酸基 )-COH(醛基 )-COOH(羧基 )-COCH3(乙酰基 )-COOCH3(甲酸甲 酯 )。 3 二元取代苯的定位规律 苯环上已经有两个取代基时，第三个取代基进入的位置，由原来的两个取代基决定 11。有以下三种情况： 3.1 苯环上原有两个取代基的定位效应一致 ， 则第三个取代基进入位置由原有取代基的定位效应来决定。例如： 3.2 两个取代基属于同一类定位基 ， 定位效应不一致时 ， 第三个取代基进入的位置由强定位基决定。例如： 3.3 两个取代基不是同一类定位基 ， 定位效应不一致时 ， 第三个取代基进入的位置

26、由邻、对位定位基决定。例如： 4 定位规律在有机合成上的应用 10 苯环上亲电取代反应的定位规律不仅可以解释苯及其衍生物的某些化学性质和现象 ，更重要的是可以通过它来指导多官能团取代苯的合成，包括选择正确的合成路线并预测反应的主要产物。 4.1 选择合理的合成路线 根据以上讨论的取代反应定位规律 ， 本文中所提出的问题 ， 由苯合成间溴硝基苯和间硝基苯甲酸 ， 可分别进行分析： 将原料和产物对比可知 ， 苯环上需引入硝基和溴原子，若先溴化，由于它是邻、对位定位基，再进行硝化则 得到邻硝基溴苯和对硝基溴苯，这与题意不符。因此，必须先硝化，因为它是间位定位基，再进行溴化 ， 就能得到预期的产物。合

27、成路线如下： 第二题间硝基苯甲酸中，是先烷基化后硝化？还是先硝化后烷基化？如果先硝化则得到硝基苯，而硝基是间位定位基，硝基苯不能发生弗氏烷基化反应。只有先进行烷基化反应，得到甲苯，甲苯氧化后得到苯甲酸，羧基是间位定位基，再经硝化得到间硝基苯甲酸。 4.2 预测反应的主要产物 苯环上取代反应的定位规律还有重要的应用就是可以预测反应的主要产物。我们预测一下苯甲酸和对乙基 苯磺酸硝化反应时的主要产物。 在苯甲酸分子中的羧基 (COOH)间位定位基，所以硝化时主要生成间位产物，即间硝基苯甲酸。 在对乙基苯磺酸分子中的乙基 (C2H5)邻、对 位定位基， 磺酸基 (SO3H)间位定位基，乙基 (C2H5

28、)邻、对位即磺酸基 (-SO3H)间位，两者定位效应指向同一位置，所以产物是 3-硝基-4-乙基苯磺酸。 11 综上所述，在有机化学教学中，苯环上亲电取代反应的定位规律及其应用是很重要的课题，因为根据该取代反应的定位规律，我们可以预测反应主要产物，确定合理的合成线路，得到较高产量 和容易分离的有机化合物。因此，在教学中除了讲授基本内容、加强实践教学外，要重点介绍在有机合成上的重要作用。这样可以引导学生的想象力，同时激发学生的学习积极性，取得良好的教学效果。 12 参考文献 ： 1孙云鸿等编 .有机化学 .山东 :山东教育出版社 ,1987 2胡青眉编 .脂肪亲核取代反应和消除反应 .北京 :高

29、等教育出版社 ,1992 3 美 金长振著 .理论有机化学 .中国友谊出版公司 ,1990 4王运武主编 .有机化学 .北京 :高等教育出版社 ,1988 5汪 焱 钢等编 .高等有机化学导论 .武汉 :华中师范大学出版社 ,1989 6邢其毅等编 .基础有机化学 .北京 :人民教育出版社 ,1980 7王积涛 .高等有机化学 .人民教育出版社 1980 年版 178 240 页 8战长友 .芳环亲电取代反应中的电子效应及其影响 J.广西广播电视大学学报 ,2000,11(2):41-44 9张法庆主编 .有机化学 .北京 :化学工业出版社 ,2004.05. 10邓苏鲁主编 .有机化学 .北京 :化学工业出版社 ,2006.10. 11贺红举主编 .有机 化学 .北京 :化学工业出版社 ,2007.03.