第4章 亲核取代

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章,饱和碳原子上的亲核取代反应,(Aliphatic,Nucleophilic,Substitution),1,、掌握亲核取代反应类型和反应机理,（,S,N,1,机理,；,S,N,2,机理,；,离子对机理,）,2,、了解亲核取代反应中的,立体化学,3,、掌握,影响,亲核取代,反应活性的因素,4,、掌握邻基参与反应的基本概念,5,、了解邻基参与反应的立体化学,一、教学目的和要求,二、教学重点和难点,重点：,反应类型和反应机理；邻基参与反应的基本概念；,影响,亲核取代,反应活性的因素,难点：,亲核取代反应中的,立体化学,；邻基参与反应的立体化学,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,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,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,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。,三,.,反应的立体化学,反应的立体化学与反应机理相关,S,N,2,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,+L,-,Nu,构型,翻转,(R)-(-)-2-,辛烷,25,D,=-34.25,对映体的纯度=100%,(S)-(-)-2-,辛醇,25,D,=-9.90,对映体的纯度=100%,=+33.0,=+31.1,=-19.9,=+33.0,=+31.1,=-19.9,=+23.5,S,N,1,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，,S,N,1,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,S,N,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,S,N,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。,S,N,1,反应：,A.,电子效应,所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使,S,N,1,反应的反应速率增大：,相对速率,(k,1,),R,Et,i-pr,CH,2,=CH-CH,2,PhCH,2,Ph,2,CH,Ph,3,C,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，,S,N,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),，,S,N,1,反应速率明显增大：,C,2,H,5,OCH,2,Cl,C-C-C-C-,Cl,C,2,H,5,O-CH,2,CH,2,Cl,S,N,1,反应,速率,10,9,1.0 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,S,N,2,反应相反，底物上的取代基的,空间效应使,S,N,1,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,1.210,6,四面体,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,S,N,2,反应中起着重要作用,Nu,Nu,-,:CH,3,O,-,HO,-,I,-,Nu:H,2,O:,规律：,1,带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：,OH H,2,O,CH,3,O,-,CH,3,OH,2,）带负电荷的试剂，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,-,RCO,2,-,ROH H,2,O,CH,3,O,-,PhO,-,CH,3,CO,2,-,NO,2,-,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：,碱性：,C,2,H,5,O,-,I,-,亲核性：,I,-,C,2,H,5,O,-,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：,H,2,N,-,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,-,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,CN,-,I,-,OH,-,N,3,-,Br,-,CH,3,CO,2,-,Cl,-,F,-,H,2,O,S,N,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：,N,N-,二甲基甲酰胺,DMF,(,Dimethylformamide,),二甲亚砜,DMSO,(,Dimethylsulfoxide,),六甲基磷酰胺,HMPT,(,Hexamethyl,phosphorictriamide,),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,S,N,2,反应的影响：,溶剂,k,2,DMF 3 10,3,CH,3,OH 3 10,-2,问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是,DMF,还是,CH,3,OH?,为什么？,五、邻,基,参与作用：,分子中的亲核取代基参与了在同一分子中另一部分上的取代反应。,这类取代基往往带有未共用电子对或,电子,如,旋光的,-,溴代丙酸盐的水解，得到构型保持的产物,经,历,两,次,S,N,2,3-,溴二丁醇与,HBr,的取代,苯基作为邻基参与基团：,邻基参与作用特点：,1,、反应速度明显加快,-,氯代二乙硫醚的水解速度比相应的,-,氯代二乙基醚快,10000,倍,2,、邻基参与反应前后构型保持,3,、邻基参与作用可导致分子重排,4,、邻基参与作用易产生环状的化合物,