1、第四章： 亲核取代反应,取代反应是指化合物的原子或原子团被其它原子或原子团所取代的反应。 （1）亲核取代 （2）亲电取代 （3）游离基取代 亲核取代反应： （A）中性底物 + 中性亲核体（B）中性底物 + 负离子亲核体（C）正离子底物 + 中性亲核体（D）正离子底物 + 负离子亲核体,研究表明，叔丁基溴碱性水解速率与叔丁基溴的浓度成正比，而与碱的浓度无关。,=k(CH3)3C-Br ,单分子历程 （SN1）,4.1单分子历程 （SN1）,单分子亲核反应历程,第一步：叔丁基溴在溶剂中首先离解成叔丁基正碳离子和溴负离子，这是一步慢反应：(CH3)3C-Br (CH3)3C+ Br- (CH3)3C
2、+ + Br -（过渡态1）,正碳离子中间体,第二步：生成的叔丁基正碳离子立即与试剂OH-作用生成叔丁醇，这是一步快反应： (CH3)3C+ +OH - (CH3)3C+ OH - (CH3)3C- OH （过渡态2）,叔丁基溴的碱性水解反应历程表,单分子历程 （SN1）,总反应速率由慢反应决定,=k(CH3)3C-Br ,SN1反应进程能量变化图,过渡态1,过渡态2,单分子历程 （SN1）,生成外消旋的醇,手性碳原子,SN1历程反应前后分子构型的变化,反应前,反应后,S型,R型,S型,单分子历程 （SN1）,例：,SN1机理进行的取代反应,反应物决定速度地异裂成一个之配位的碳正离子和离去基因
3、的方式来进行的，然后是碳正离子与介质中的刘易碱（亲核试剂）结合。,第一步为慢过程，发生取代反应的分子异裂为离子; 第二步是形成的碳正离子和取代试剂迅速反应得到产物。 第一步是反应速度的决定步骤，并为单分子反应，所以整个反应为单分子反应。,A. 正离子稳定性对产物构型的影响：,如果形成的正离子不稳定，它立即被第二个试剂进攻，此时X还来不及离开正离子，它在一定程度上显示了“遮蔽效应”因而妨碍了试剂A从这方面的进攻。所以除得到外消旋产物外，还得到相当量的构型反转产物。 如果形成的正离子比较稳定，并能在较长时间存在，则X与它已有相当距离，不再表现“遮蔽效应”因此得到产物主要为外消旋体，同时有少量构型发
4、生反转的光活性物质。,碳正离子越不稳定，构型转变产物的百分数也越高。,碳正离子（I）比（II）稳定，在碳正离子（I） 中正电荷和苯核相互作用，使正电荷得到分散而不是定位在一个碳原子上，因此具有较小的能量，所以有较小的反应性能，即有较大的稳定性。,B. 试剂浓度对产物构型的影响： 如果进攻试剂的浓度低，R+大多数都来得及成为平面构型，并和后来连接的X离子分开，然后才受另一试剂进攻，主要生成处消旋产物。 如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还被X离子遮蔽的R+离子进攻机会，因而构型反转的产物的比例会增加。,外消旋（%） 反转（%） 80%丙酮水溶液 98 2 60%丙酮水溶液 95 5 纯 水 83
5、17 SN1历程中的离子对：在SN1取代反应中，如果游离的碳原子为平面型，试剂从两面进攻的机会相同，产物应完全外消旋化，但事实上总是伴有少量反转，这就说明有一些产物不是从游离的碳正离子形成的，而是由离子对形成的。,SN1反应按下列方式进行：,（I）为紧密离子对；（II）为溶剂分隔离子对，在碳正离子和离去原子团之间插入一个或数个溶剂分子；（III）为离解的离子对，每个离子被溶剂的分子所包围。在反应中紧密离子对重新结合为原来的被作用物，称为内部反回。亲核试剂在任何阶段进攻都能形成产物。在紧密离子对中的R+和X-之间还有一定的键连，因此能保持原来的构型。,（a）SH直接进攻RX得SR（完全反转），即
6、直接发生SN2过程。 （b）如果形成紧密离子对，则溶剂在此阶段进攻，若反应（A）不发生则导致完全的反转，若反应（A）与（B）竞争，则反转伴随外消旋化作用。 （c）如果形成溶剂分隔离子对，当溶剂壳从前边崩溃时，则反应中构型保持，如从后崩溃时则构型反转，总结果为部分反转（）部分保持（1-）。 （d）形成游离R+，为平面构型，SH从两面进攻的机会相同，得外消旋化产物。,双分子历程 （SN2）,研究表明，溴甲烷的碱性水解反应速率与卤代烷的浓度以及碱的浓度成正比。CH3Br + OH- CH3OH Br-v=kCH3BrOH- ,4.2双分子历程 （SN2）,双分子亲核反应历程表,溴甲烷的亲核取代反应机
7、理,溴甲烷的碱性水解反应历程表,亲核试剂在离去基和碳原子间价健的背面进攻,离去基团,过渡态,分子构型反转，瓦尔登(Walden)转化,Sp3杂化,Sp2杂化,Sp3杂化,过渡态结构,瓦尔登(Walden)转化,反应前,反应后,消旋化速度是交换速度的二倍,丙酮,瓦尔登(Walden)转化,S,R,反应进行到一半时：,50%反应物,50%产物,外 消 旋 体,瓦尔登(Walden)转化,瓦尔登(Walden)转化,如果取代反应发生在旋光性卤代烷的手性碳原子上，则生成的醇构型与反应物卤代烷的构型正好相反。如（S）-2-溴辛烷与氢氧化钠的乙醇水溶液反应得到（R）-2-辛醇。,S,R,=-34.6,=+
8、9.9,S N 2 反应机理：,S型,R型,HO,C6H13,6,反应前,反应后,SN2历程反应前后分子构型的变化,13,SN2反应进程能量变化图,SN2亲核取代反应,在SN2历程中亲核试剂由背面进攻，构型反转，因过渡态（I）比保持原来构型的过渡态（II）的能量小得多。,C-A键形成的同时C-X键发生破裂，反应为一步过程，没有中间体，C-X破裂所需要的能量由形成的C-A键供给。在过渡态时中心原子由SP3杂化轨道转变为SP2杂化轨道，并以P轨道的一个叶与亲核试剂A重叠，而另一个叶与离去原子团重叠。,SN1： 反应分步进行，有中间体生成；反应速率仅取决于卤代烷的浓度；在决定反应速率的这一步骤中，发
9、生共价键变化的只有一种分子；产物构型一半保持，一半翻转,SN2和SN1反应的特点,SN2： 反应连续进行，无中间体生成；反应速率与卤代烷及亲核试剂的浓度成正比；在决定反应速率的这一步骤中，发生共价键变化的有二种分子；反应前后分子构型发生翻转,4.3影响亲核取代反应历程的因素,某一化合物主要按哪一种历程进行反应，决定于RX分子中R和X的性质（电子效应和空间效应）及亲核试剂的性质以及反应条件（溶剂，催化剂等）,R的电子效应,（a）排斥电子和吸引电子原子团的影响，如：Z为吸引电子的原子团时，SN1反应速度减慢，-卤代酮、酸、酯等与此类似；Z为排斥电子的原子团时，使SN1反应速度增加，Z排斥电子使碳正
10、离子的正电荷分散，使碳正离子稳定。 （b）位于位的双键、叁键及芳基的影响无论SN1或SN2 都很慢或不反应。,原因之一：是由于SP杂化碳原子和SP2杂化碳原子的电负性高，对电子有较大的引力，在亲核取代作用中离去原子团带着它的一对成键电子离去，因此SP3杂化碳原子相对来说比SP2杂化碳原子及SP杂化碳原子更容易失去离去原子团和电子对。 原因之二：离去原子团具有未共享电子对，则分子中离去原子团的未共享电子对与键发生共轭作用，即离去原子团的电子云密度一部分转移到CX键，因而使CX键大大加强。其结果使CX键的键长变短。,(c) 位双键的影响, 当位有双键时,如烯丙基和苯甲基等使SN1和SN2反应速度均
11、加快. 使SN1加速是因为由于共轭使生成的碳正离子稳定. 使SN2加速是因为通过P型轨道(它展现在遭受进攻的碳原子上)与邻近体系的重叠使SN2过渡态变稳定的作用.,R的空间效应,或碳有分支,使SN2的反应速度减慢,使SN1的反应速度增加. 因SN2的过渡态特别拥挤,所以空间阻碍对SN2的影想比SN1大. 如 RBr中的溴被氢负离子取代 R = CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9K = 100 1.65 0.022 0.0048,对SN1反应,由于超共轭作用等引起碳正离子的稳定性改变而影响反应速度: 三级碳正离子二级碳正离子一级碳正离子 同时, 对某些三级作用物,碳正离子形成过程中张力
12、消除,使反应加速. 位的分支对SN1历程的速度有较小的影响: 某些三级卤代烷的相对离解速度:,桥头化合物,在SN2和SN1反应条件下都极不活泼，在SN2条件下，进攻亲核试剂不可能从背后进攻而使构型发生反转而在SN1反应条件下，平面构型碳正离子的形成引起较大的张力,在SN2反应中，由于亲核试剂是从卤原子的背后进攻卤代烷的-碳原子的，如果-碳的取代基增多， -碳原子周围将变得拥挤，进攻试剂接近-碳原子的阻力增加，因此活性也就降低。在SN2反应中，卤代烷的活性次序为：CH3X伯卤代烷仲卤代烷叔卤代烷,烃基结构对SN2速率的影响,-碳上的基团体积 较小，进攻试 剂接近-碳 原子的阻力较小,-碳上取代基
13、增加， 进攻试剂接近 -碳原子的阻力增加,丙酮,150,1,0.01,0.001,相对速度：,烃基结构对SN2速率的影响,烃基结构对SN1速率的影响,在SN1反应中，由于决定反应速度的步骤是生成正碳离子一步，而正碳离子的稳定性顺序为： 叔正碳离子仲正碳子离子伯正碳子离子CH3因此在SN1反应中，卤代烷的活性次序为： 叔卤代烷仲卤代烷伯卤代烷 CH3X,正碳离子稳定性,甲酸,相对速度：,108,45,1.7,1.0,烃基结构对SN1速率的影响,主要按SN1历程进行,叔卤代烷,伯卤代烷,主要按SN2历程进行,仲卤代烷,主要按哪种历程取决于具体反应条件,容易,较大,形成 正碳 离子,-碳 原子 空间
14、 位阻,不容易,较小,（）离去原子团的效应,(a) 离去原子团的亲电子性能（接受负电荷的能力）愈大，则RX分子愈易离子化, 从而按SN1历程进行反应, 并且反应进行得更迅速也同样使SN2反应速度增加 表:1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率 离 去 基 团 k相对 离 去 基 团 k相对 CF3SO3 1.4108 CF3CO2 2.1 p-硝基苯磺酸根离子 4.4105 Cl 1.0 p-甲苯磺酸根离子 3.7104 F 910-6 CH3SO3 3.0104 p-硝基苯甲酸根离子 5.510-6 I 91 CH3CO2 1.410-6 Br 14,(b) 卤素离去基团的反应活性顺序为
15、I-Br- Cl- F- 这与键的键能和可极化性有关，因为一个较易极化的离去基团将使它与碳所成的键断裂时的过渡态变得稳定。 (c) 空间因素对于离去原子团离去能力有一定的影响,如巨大的离去原子团和烃基间的非键连相互作用, 有利于SN1历程. 表: RX在80%乙醇中的溶剂解时对甲苯磺酸酯/溴化物的速度比R 甲基 乙基 异丙基 叔丁基 1-金刚烷基 kOTs/kBr 11 10 40 4000 9750,离去基团对亲核取代反应的影响,在卤代烷的亲核取代反应中，碳卤键极化度越大，则卤素的离去倾向也越大，对CX键而言，极化度顺序为： R-I R-Br R-Cl无论是SN2或是SN1反应，都要发生CX
16、键断裂，卤素的离去倾向越大，反应速率也越大，因此卤代烷的反应活性为：R-I R-Br R-Cl。,(4) 亲核试剂对反应的影响,(a) 电负性对反应的影响 亲核试剂的电负性改变对SN1反应速度影响不明显, 因为SN1反应速度取决于慢的离子化过程, 而此过程亲核试剂不参加 但亲核试剂对SN2取代反应速度有影响，亲核试剂的电负性减小，则SN2反应速度加大.,（b) 亲核试剂分子的立体结构对反应的影响,亲核试剂分子加大, 使SN2取代反应速度降低,亲核试剂的影响,在SN1反应中，决定反应速度的步骤是R-X的离解，而与亲核试剂的亲核性和浓度的改变，对SN1反应无明显影响。在SN2反应中，由于亲核试剂试
17、剂参与了过渡态的形成，因此，亲核试剂的亲核性和浓度越大，反应按SN2历程进行的趋势越大，在其它条件相同时，反应速度也越快。,在质子溶剂中，一般常见的亲核试剂的亲核能力的次序是：,(5) 溶剂的影响,(a) 溶剂极性的影响 易使RX离子化的溶剂有利于SN1反应: 如C6H5-Cl的水解作用, 在水中反应按SN1历程进行, 在丙酮中按SN2进行. (b) 利用冠醚提高负离子的活性,对于SN2反应：Nu- + C-X Nu CX-,溶剂的影响,极性溶剂对它的稳定化作用比反应物差,请比较下列各组化合物进行SN1反应时的速率,课堂练习 1,（4）增加溶剂的含水量，反应速率明显加快。,卤代烃与氢氧化钠在水
18、与乙醇的混合物中进行反应,指出下列哪些属于机理，哪些属于SN1机理。,（1）产物的构型完全转变；,（2）碱浓度增加，反应速率加快；,（3）叔卤代烃的反应速率大于仲卤代烷的反应速率；,SN2,SN2,SN1,SN1,课堂练习 2,4.4.亲核取代反应的立体化学,瓦尔登反转(Walden) 具有旋光性化合物的不对称碳原子直接相连的原子或原子团取代时,常常得到外消旋产物,5. 邻基参与,当一个进行亲核取代反应的底物分子上还带有一个能作为亲核体的基团,并位于分子的适当位置时，能够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体，从而影响反应的进行，这种现象称为邻基参与作用（Neighboring gro
19、up participation）。 通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为邻基协助或邻基促进。,邻基参与,若邻基参与作用发生在决速步骤之后，只有邻基参与作用而无邻基促进。 能发生邻基参与作用的原子团: 具有未共用电子对的原子或原子团; 含有碳-碳双键等的不饱和基团、具有键的芳基以及C-C和C-H键。分别称为n电子参与、电子参与和电子参与.,(a) n参与作用,化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。 COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、
20、Br、I及Cl (IBrCl),经过两次SN2反应, 总结果是构型保持,第一步第二步邻基原子更易，更近, 外加的Nu必须和作用物碰撞才能发生反应，而邻基Z由于所处的位置有利，即刻就能进攻中心碳原子； 再者邻基参与作用的熵变更为有利，反应中心与Z反应和与Nu反应相比，前者S降低得较少。,例如：当3-溴-2-丁醇的苏型（Threo）外消旋体（）用HBr处理时，得到外消旋体（）-2,3-二溴丁烷,卤素作为邻基参与的能力大小次序一般为I Br Cl，这与原子的亲核性和可极化性大小顺序是一致的。F电负性太强，不易给出电子，亲核性和可极化性太小，一般不发生邻基参与作用。 若邻基参与作用形成的中间体是稳定的
21、或由于其它方式而稳定，亲核试剂Nu亲核进攻能力不足，只能形成环状产物。这是简单的分子内SN2反应。,氮原子也起邻基参与作用。例如，氨与1，4-二氯丁烷作用形成氢化吡咯：,(b)参与作用,(1) C=C双键作为邻近基团 C=C键、C=O 键也有邻基参与作用，如反-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于参与，反应速率比相应的饱和酯快1011倍，且产物构型保持。,(2) 环丙基的参与作用,环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。（）的溶剂解速率比化合物（）的溶剂解速率快1014倍。,又如：化合物（）的溶剂解速率比化合物（）大约快5倍，而化合物（）的溶剂解速率比化合物
22、（）慢3倍。 由此可以看出：只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效。,(3) 芳基参与作用,位的芳基能发生邻基参与作用 具有旋光性的苏型对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（phenonium ion）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体：,而且D和L两种异构体的数量大致相等.,(c)参与作用,(I)的速度比(IV)快35
23、0倍,（6）在合成上的应用,6. 碳正离子的重排,碳正离子的重排是通过烷基、芳基或氢带着它们的电子对转移而进行的，这就在基团转移离去的碳原子上产生一个新的碳正离子中心。 1, 2位移是常见的一类重排作用重排的趋势是芳基烷基H，主要由空间电子因素决定碳正离子重排的过程。,1, 2-负氢或烷基迁移时较可取的轨道组合方式是碳正离子中心上的P轨道和发生转移的轨道处于共平面状态。重排进行的程度取决于正离子的性质和反应介质的性质。 在非亲核性介质中，碳正离子的存活期长，结构重排前后的碳正离子能达成平衡。,氢转移的烯丙醇作为主要产物，并且环化反应的程度增加了,不适于1, 2位移作用来解释的，还可用质子化的环丙烷；1, 3负氢迁移等来解释。,
