第四章 亲核取代反应

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第,4,章亲核取代反应,4.1,亲核取代反应的类型,4.2,亲核取代反应的机理,4.3,碳正离子与非经典碳正离子,4.4,影响亲核取代反应速率的因素,4.5,邻基参与作用,4.6,亲核试剂的类型和反应,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开, 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：,4.1,亲核取代反应的类型, 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：,4.2,亲核取代反应的机理,1.,单分子亲核取代 （,Substitution,Nucleophilic,Unimolecular,) ( S,N,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,Nucleophilic,Bimolecular) ( S,N,2),反应机理,动力学研究表明：有一类亲核取代反应的速率与,底物的浓度和试剂的浓度同时相关：,二级反应,按,S,N,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：,亲核试剂从离去基团的背面接近中心碳原子,与此同时,离去基团也正在逐步地离开底物分子,两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为,过渡态,T.,T,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,S,N,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,S,N,1,与,S,N,2,之间的机理，建立,在,S,N,1,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。,具有正电荷的三价碳原子称为碳正离子，它以,SP,2,杂化轨道与其它三个原子或原子团键连，利用拉曼光谱，红外光谱和核磁共振的研究表明简单的烷基正离子为平面构型，三苯甲基正离子利用核磁共振谱证明为螺旋浆结构,4.3,碳正离子与非经典碳正离子,如果能用个别的路易斯结构式来表示,其碳正离子的价电子层有六个电子，与三个原子或原子团键连，如,+,CH,3,，,R,3,C,+,等称为经典碳正离子。相反地，如果不能用个别的路易斯结构式来表示，这类碳正离子具有一个或多个碳原子或氢原子桥连两个缺电子中心，这些桥原子具有比一般情况高的配位数的碳正离子称非经典碳正离子：,（,1,）同烯丙基非经典碳正离子：同烯丙基非经典碳正离子中的荷正电的碳原子与双键之间有一个碳原子：,外向和内向,-,降冰片烯基卤化物在水醇溶液中进行溶剂解得到同样产物（,III,）。,外向化合物（,I,）,比内向化合物（,II,）,的溶剂解速度大约快,10,倍。,Roberts,认为在化合物（,I,）,的离解作用中能发生背后的同烯丙基参与作用，而在化合物（,II,）,中则不能发生这种同烯丙基参与作用。,(a),外向,-5-,降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道,(b),内向,-5-,降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道,反式,-7-,降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解反应比相应的饱和化合物快,10,11,倍，得到唯一产物反式乙酸酯，比顺式,-7-,降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解速度快,10,7,倍，是由于反式产生了强有力的邻基促进而形成同烯丙基非经典碳正离子。,在双环烯烃（,V,），（,VI,）,和（,VII,）,中较低级同系物的五员环比较高级同系物的五员环折叠程度更大，,键与展开的正电荷间的距离缩短，有利于背面参与作用。,4.4,影响亲核取代反应速率的因素,对于,S,N,1,反应，亲核试剂不参与速率控制步骤，因此影响较小。但对于,S,N,2,反应，亲核试剂亲核性能的强弱将对,S,N,2,反应的速率产生极大的影响。,亲核试剂都有未共用电子对，是路易斯碱。一般说来，试剂的碱性强，亲核能力也强，但碱性与亲核性不完全等同。碱性是指试剂对质子的亲合能力，而亲核性则是指试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能力；第二，碱性是指对热力学平衡的影响，与平衡常数有关；而亲核性则意味着对动力学过渡态情况，直接影响反应速率；第三，碱性很少受到空间因素影响，而亲核性对空间效应的影响很敏感。,(1),试剂的亲核性,试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况：,（,1,）试剂中亲核原子相同时（如），其亲核性与碱性顺序都是：,RO, HO,ArO, RCOO, ROH H,2,O,带负电荷试剂的亲核性比其共轭酸大，碱性也强。,ArO,小于,HO,，,是因为芳环与氧共轭，电子平均化使负电荷分散的结果。,RCOO,小于,ArO,是因为,C=O,吸电子的缘故。,（,2,）周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂，电负性大，亲核性小，碱性也小。如：,NH,2, HO,R,3,C, R,2,N, RO, F,(2),溶剂效应,溶剂效应对亲核取代反应所起的作用，不仅是重要的，而且是复杂的，主要是通过影响过渡态的稳定性从而影响反应活化能，以达到影响反应速率。,绝大部分,S,N,1,反应是由中性分子离解成带电荷的离子，过渡态的电荷比反应物有所增加。溶剂极性增加，使过渡态的能量降低，从而降低反应的活化能，使反应加速,。,+ -, , ,例如叔卤代烷的溶剂解反应随溶剂极性增加而加速。,S,N,1,反应：,(CH,3,),3,C-Br + Sol-OH (CH,3,),3,C-O-Sol +,HBr,溶剂 乙醇,80%,乙醇,+20%,水,50%,乙醇,+50%,水 水相对速率 ,10 2,1450,在,S,N,2,反应中，溶剂的影响情况比较复杂。如果过渡态的电荷比反应物有所增加，溶剂极性加大，更能稳定过渡态，使反应速率加快；如果过渡态的电荷比作用物有所减少或过渡态的电荷更加分散，则溶剂极性增加更能稳定反应物分子，不利于过渡态的生成，使反应速率减慢（见下表）。,表,1 S,N,2,反应中溶剂极性影响情况,反应类型,过渡态相对于作用物的电荷变化,增加溶剂极性后速率变化,-,+,Nu+R-LNu,R,LNu,-R+L,-,+,Nu,-,+R-L,+,Nu,R,LNu,-R+L,-,-,Nu,-,+R-LNu,R,LNu,-R+L,-,-,+,Nu+R-L,+,Nu,R,LNu,+,-R+L,电荷增加,电荷减少,电荷分散,电荷分散,速率加快,速率减慢,速率减慢,速率减慢,常用溶剂的极性可以它们的介电常数来表示,.,表,2,常用质子性和非质子性溶剂的介电常数,质子性溶剂,非质子性溶剂,水,甲醇,乙醇,1-,丙醇,2-,丙醇,醋酸 甲酸,氢氟酸 甲酰胺,氢氰酸,78.5,32.6,24.3,20.1,18.3,6.15,58,84,109,115,二甲亚砜,N,N-,二甲基亚酰胺,丙酮,氯仿,乙醚,苯,四氯化碳,氯苯,硝基苯,乙腈,46.3,37.0,20.7,4.8,4.3,2.38,2.2,5.7,36,37,上述分析表明，增加溶剂的极性和溶剂化能力，使多数,S,N,1,反应速率加快，使多数,S,N,2,反应速率减慢。对于同一反应，改变溶剂极性甚至可以改变反应历程。在,S,N,1,反应中，决定反应速率的步骤是键的离解，所以溶剂的离子化能力越强越容易离解，因此增大溶剂的极性和离子溶剂化能力，可使反应历程由,S,N,2,向极限的,S,N,1,方向转变。同理，如将质子溶剂改变为非质子溶剂时，则常使极限的,S,N,1,向,S,N,2,反应历程方向转变，这是因为体系中亲核体的亲核性得到了增强的缘故。,(3),离去基团,不论,S,N,1,还是,S,N,2,历程，它们的反应速率都是受离去基团性质的影响。由于离去基团在两种历程中的速度制步骤中都是带着与作用物成键的电子对离开，故离去基团接受电子的能力越大，离去的倾向越大，亲核取代反应的速率越快。,表,5-5,列出了,1-,苯基乙酯和卤化物在,80%,乙醇水溶液中,75,时溶剂解反应的速率。,表,3 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,CF,3,SO,3,p,-,硝基苯磺酸根离子,p,-,甲苯磺酸根离子,CH,3,SO,3,I,Br,1.410,8,4.410,5,3.710,4,3.010,4,91,14,CF,3,C,2,Cl,F,p,-,硝基苯甲酸根离子,CH,3,CO,2,2.1,1.0,910,-6,5.510,-6,1.410,-6,卤素离子的活性顺序为,I,Br,-,Cl,-,F,-,恰好与其电负性顺序相反，而与它们的亲核性顺序相同。这种现象一方面是由于键的键能，另一方面是由于它们的可极化性，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。,S,N,1,和,S,N,2,反应中离去基的离去能力顺序是相同的，但它们对离去基好坏的敏感性是不同的。,S,N,1,历程对离去基离去能力的依赖性比,S,N,2,要明显得多。,磺酸酯具有高度的反应活性，在亲核取代反应中是极为有用的反应物。最常用的有对甲苯磺酸酯（,ROTs,）、,对溴苯磺酸酯,(,ROBs,),、,对硝基苯磺酸酯,(,RONs,),和甲磺酸酯,(ROMs),。,这些磺酸根离子都是比卤离子更好的离去基团。更重要的是可以将进行亲核取代反应较为困难的醇与磺酰氯在吡啶存在下反应来制备相应的磺酸酯。,一些碱性强的基团如,-OH,、,OR,、,NH,2,、,NHR,、,NR,2,则是很差的离去基团，难以离去。但在酸性条件下被质子化后，变成相应的共轭酸,HOH,、,HOR,、,HNH,2,、,RNH,2,，,大大增强了离去能力，因此，醇、醚、胺能在酸性溶液中起取代反应。如：,(4),空间效应,S,N,2,反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三角双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：,显然，反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积越大，过渡态的中心碳原子周围的拥挤程度就越严重，必然会显著地降低反应速率。对于,S,N,2,历程的反应，,或,碳上有分支、空间位阻愈大，都使反应速率减慢。,对于,S,N,1,反应来说，在速度控制步骤的解离过程中，中心碳原子由原来的,sp,3,杂化的四面体变为,sp,2,杂化的平面或近于平面的碳正离子，一定程度解除了拥挤状态（张力的解除）。中心碳原子上取代基越多，取代基体积越大，过渡态中拥挤状态减轻的相对程度就更大，速率的增加也就更显著。,按,S,N,1,历程进行的反应，,碳原子的分支使反应速率增加。主要原因是碳正离子的稳定性，通常叔碳正离子,仲碳正离子,伯碳正离子。,位的分支对于,S,N,1,反应速率的影响较小，通常是,分支加大，,S,N,1,反应速率仅略有增加。,环体系对亲核取代反应速率的影响。无论,S,N,1,还是,S,N,2,反应，速度控制步骤的过渡态都要求作用物由四面体形变为平面的或近于平面的,sp,2,杂化的构型，这就要求小环分子发生较大的变形。,实验数据表明，三员环和四员环化合物比五员环化合物的反应速率小得多。这是因为在,S,N,2,过渡态中要求反应中心碳原子从,sp,3,杂化变为,sp,2,杂化构型，小环产生的角张力更大。环戊基作用物与环己基类似物相比，无论是,S,1,还是,S,2,反应，前者总比后者快。,在桥环化合物中，当离去基团位于桥头碳原子上时，由于该碳原子既难于变为平面或近于平面的构型，又由于笼状结构的空间位阻关系排除了亲核试剂从离去基团背面进攻的可能性，因而发生,S,N,1,反应与,S,N,2,反应都很困难。,4.5,邻基参与作用,在亲核取代反应中，某些取代基当其位于分子的适当位置，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。,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。若邻基参与作用发生在决速步骤之后，此时只有邻基参与作用而无邻基促进。邻基参与的结果，或导致环状化合物的生成，或限制产物的构型，或促进反应速率异常增大，或几种情况同时存在。,能发生邻基参与作用的基团通常为具有未共用电子对的基团、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。因此邻基参与的类型有：,n,电子参与、,电子参与和,电子参与等。,n,参与,:,某些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，这种化合物在取代反应过程中保持原来的构型。这些,取代基包括,COO,-,（,但不是,COOH,）、,OCOR,、,COOR,、,COAr,、,OR,、,OH,、,O,-,、,NH,2,、,NHR,、,NR,2,、,NHCOR,、,SH,、,SR,、,S,-,、,Br,、,I,及,Cl,。,上述这些邻基参与历程是由两个连续的,S,N,2,反应进行的 ，每次反应都引起构型转化，总结果是构型保持。,第一步，邻基作为亲核试剂促进离去基团,L,离去；,第二步为外部的亲核试剂,Nu,-,再取代邻基,Z,而得到产物,(1),+ L,-,(2),邻基,Z,比外部的亲核试剂,Nu,-,进攻速率快的原因是：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。,参与,:,(1) C=C,双键参与,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,10,11,倍，且产物构型保持。,反应速率特别快的原因是双键的,电子向,7,位上的空,P,轨道形成同烯丙基非经典碳正离子。,(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。例如内向,-,反,-,三环,3,，,2,，,1,，,0,2,，,4,辛基,-8-,对硝基苯甲酸酯（,）的溶剂解速率比化合物（,）的溶剂解速率快,10,14,倍。,（,） （,）,(3),芳基参与作用,在特定的结构和反应条件下，芳环也可作为邻基参与亲核取代反应。例如：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,.,4.6,亲核试剂的类型和反应,1.,含氧亲核试剂：,2.,含硫亲核试剂,:,3.,含氮亲核试剂,:,4.,卤素亲核试剂,:,5.,负离子,:,6.,碳亲核试剂,:,7.,溶剂解,:,水、乙醇、乙酸,见P65,