饱和C原子上亲核取代学习教案

会计学1饱和饱和(boh)C原子上亲核取代原子上亲核取代第一页，共29页。一、亲核取代一、亲核取代(qdi)的反应的反应类型类型+Nu+L-R NuR L亲核试剂带着一对电子亲核试剂带着一对电子(dinz)进攻中心碳原进攻中心碳原子，离去基团带着一对电子子，离去基团带着一对电子(dinz)离开离开 中性中性(zhngxng)底物，亲核试剂带孤对电底物，亲核试剂带孤对电子：子：R L + Nu R Nu + L 中性底物，带负电亲核试剂：中性底物，带负电亲核试剂：+R L Nu-R Nu+L- 带正电底物，亲核试剂带孤对电子：带正电底物，亲核试剂带孤对电子：+LR Nu+Nu+L+R带正电底物，带负电亲核试剂：带正电底物，带负电亲核试剂：RL+Nu-+R NuL第1页/共29页第二页，共29页。+PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+(CH3)2S(CH3)4N+(CH3)3S (CH3)3N+CH3Cl H2O+CH3OH2Cl-CH3CH2IBu3P+I-Bu3P CH2CH3第2页/共29页第三页，共29页。二、反应二、反应(fnyng)机理机理1. 单分子单分子(fnz)亲核取代亲核取代 ( SN1) （Substitution Nucleophilic Unimolecular)+R L Nu-R Nu+L-=k1LRR LRLR+L-+慢反应分两步进行反应分两步进行(jnxng)第一步第一步 正碳离子的生成：正碳离子的生成：第二步第二步 亲核试剂进攻亲核试剂进攻C+：R+Nu-R Nu快第一步是决速的一步。第一步是决速的一步。第3页/共29页第四页，共29页。例如例如(lr)： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：Ph2CH ClPh2CH + Cl+丙酮慢Ph2CH OHH2OPh2CH +SN 1 机理反应机理反应(fnyng)的底物特征：的底物特征：叔卤代烷及其衍生物叔卤代烷及其衍生物被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物第4页/共29页第五页，共29页。2. 双分子双分子(fnz)亲核取代亲核取代 ( SN2) （Substitution Nucleophilic Bimolecular)=kR LNu二级反应二级反应(fnyng)机理机理(j l)：亲核试剂亲核试剂从离去基团的背面接近中心从离去基团的背面接近中心C原子，原子，同时，离去基团也逐步地离开底物分子。同时，离去基团也逐步地离开底物分子。L-Nu-RCH2 LRCH2 NuNuC LH HR新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂所需能量，由新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂所需能量，由新键形成所放出的能量提供。新键形成所放出的能量提供。两者达平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态两者达平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态 T。第5页/共29页第六页，共29页。S N 2 反应反应(fnyng)机理机理：LNuCCLNuCLNuCLNuCLNu第6页/共29页第七页，共29页。CNuL过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道(gudo)与中心与中心C原子原子的的 p轨道轨道(gudo)交盖的程度交盖的程度=离去基团与中心碳原子的离去基团与中心碳原子的 p轨道轨道(gudo)的交盖程度的交盖程度按按 SN 2 机理进行的底物机理进行的底物(d w)特特征：征：RCHRX不被共轭体系稳定不被共轭体系稳定(wndng)的仲卤代烷及的仲卤代烷及其衍生物其衍生物第7页/共29页第八页，共29页。3. 离子离子(lz)对机理对机理介于介于SN1 与与 SN2 之间的机理之间的机理(j l)，建立在，建立在SN1机理机理(j l)基础上。基础上。 解离解离(ji l)的正负离子形成紧密离子对，整个离子对被溶剂化。的正负离子形成紧密离子对，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。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。离解的离子为自由离子。三个阶段：三个阶段：亲核试剂可以进攻三种状态的底物，从而得到不同的产物。亲核试剂可以进攻三种状态的底物，从而得到不同的产物。Nu+L-R+NuNuR LR+L-R L+-SN1+SN2SN2SN1紧密离子对紧密离子对 溶剂分割离子对溶剂分割离子对 离解的离子离解的离子构型翻转构型翻转消旋化消旋化第8页/共29页第九页，共29页。三、反应三、反应(fnyng)的立体化学的立体化学反应反应(fnyng)的立体化学与反应的立体化学与反应(fnyng)机理相关机理相关SN2机理机理(j l)：Walden转化Nu-LCCNuLCNu试剂从离去基的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化试剂从离去基的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化Walden转化。转化。Nu:L+ L-Nu第9页/共29页第十页，共29页。CC6H13HBrCH3NaOHSN 2CC6H13HCH3HO(R)-(-)-2-辛烷辛烷25D= -34.25对映体纯度对映体纯度(chnd)=100%(S)-(-)-2-辛醇辛醇25D= -9.90对映体纯度对映体纯度(chnd)=100%CHCH2PhMeOHTsClACHCH2PhMeOTsEtOHK2CO3BCHCH2PhMeOEt = +33.0 = +31.1 = -19.9 = +23.5OEtMeCH2PhCHEtBrCKOKMeCH2PhCHD第10页/共29页第十一页，共29页。SN1机理机理(j l)C+Nu-CL+NuCNuC50%50%Nu-L-试剂从试剂从C+的两面进攻中心的两面进攻中心(zhngxn)碳原子，形成一对外消旋产碳原子，形成一对外消旋产物物C+HCH3PhOH-H2OClCHCH3PhOHCCH3HPhOH-CCH3PhHHO49%51%C+越稳定越稳定(wndng)，消旋化程度，消旋化程度越大。越大。消旋化消旋化 (Racemization)第11页/共29页第十二页，共29页。PhCCH3OHPhCCH3构型转化%27HCH3BrHCH3O+ 73% 消旋化产物HBr事实上，事实上，SN1反应往往伴随反应往往伴随(bn su)构型转化产物：构型转化产物：当当C+不是足够稳定时，由于不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应，的屏蔽效应，Nu:从从 L 背后进攻中心背后进攻中心碳原子的机会碳原子的机会(j hu)增大，故构型转化增多。增大，故构型转化增多。第12页/共29页第十三页，共29页。四四. 影响反应影响反应(fnyng)活性的活性的因素因素 底物的结构底物的结构 亲核试剂的浓度亲核试剂的浓度(nngd)与反与反应活性应活性 离去基团的性质离去基团的性质 溶剂效应溶剂效应（一）底物（一）底物(d w)结构的影响结构的影响SN 2反应：反应：卤代烷的反应活性顺序是：卤代烷的反应活性顺序是：甲基甲基 伯伯 仲仲 叔叔原因：烷基的空间效应原因：烷基的空间效应R X Nu-X-NuRSN2R CH3CH3CH2(CH3)3C(CH3)2CHk23010.030第13页/共29页第十四页，共29页。新戊基卤代烷几乎新戊基卤代烷几乎(jh)不发生不发生SN2反应：反应：CHXNu:CNuLHHH转变过程中，中心碳原子由底物转变过程中，中心碳原子由底物(d w)同同4个基团相连转变个基团相连转变为为过渡态的同过渡态的同5个碳原子相连，空间拥挤程度增大。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，当底物中心碳原子连有较大基团时，Nu:难于从背后难于从背后(bihu)接近底物。接近底物。第14页/共29页第十五页，共29页。SN1反应反应(fnyng)：A. 电子效应电子效应所有能使碳正离子稳定所有能使碳正离子稳定(wndng)的因素，都能使的因素，都能使SN1反应的速率反应的速率增大：增大：ROTs R+OTsEtOHROEtk1当取代基具有当取代基具有(jyu)I、超共轭效应、超共轭效应、C效应，效应，SN1反应速率增大，反应活反应速率增大，反应活性增大。性增大。R相对速率相对速率 (k1)Et0.26i-pr0.69CH2=CH-CH2-0.86PhCH2100Ph2CH105Ph3C1010第15页/共29页第十六页，共29页。当中心碳原子当中心碳原子(yunz)与杂原子与杂原子(yunz)直接相连直接相连时，时，SN1反应速率明显增大：反应速率明显增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反应反应(fnyng)速率速率109 1.0 0.2所形成的碳正离子，因共轭效应所形成的碳正离子，因共轭效应(xioyng)而被稳定。而被稳定。第16页/共29页第十七页，共29页。B. 空间空间(kngjin)效效应应底物底物(d w)取代基的空间效应使取代基的空间效应使SN1反应速率加快，与反应速率加快，与SN 2反应反应相反。相反。RBr在水中的溶剂解相对速度在水中的溶剂解相对速度(xin du s d)RBr 在水中在水中50时时MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106CRRRXCRR RX-四面体四面体平面三角型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越减小。键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度越减小。第17页/共29页第十八页，共29页。（二）亲核试剂（二）亲核试剂(shj)Nu:在在 SN2反应反应(fnyng)中起着重要作用中起着重要作用规律规律(gul)：1、带负电荷的试剂、带负电荷的试剂 它的共轭酸：它的共轭酸：OH- H2O, CH3O- CH3OH2、带负电：负电荷越集中，亲核性越强；、带负电：负电荷越集中，亲核性越强； 中性：进攻原子的电子云密度越集中，亲核性越强。中性：进攻原子的电子云密度越集中，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：当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：RO- HO- RCOO- ROH H2OCH3O- PhO- CH3COO- NO2-碱性是试剂与质子结合的能力；碱性是试剂与质子结合的能力；亲核性是试剂与亲核性是试剂与C+或或C +结合的能力。结合的能力。CH3OOClONO2O第18页/共29页第十九页，共29页。试剂中进攻的原子不同时，亲核性强度顺序与碱性试剂中进攻的原子不同时，亲核性强度顺序与碱性(jin xn)有时不同：有时不同：碱性碱性(jin xn)： C2H5O- I-亲核性：亲核性： I- C2H5O-B. 同周期同周期(zhuq)的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱， 负电荷越分散，亲核性越弱：负电荷越分散，亲核性越弱：H2N- OH- F-C. 进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大，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：试剂的亲核性越强：F- Cl- Br- I-R-O - R-S - 其电子效应：其电子效应：CO碱性很强，负电荷也很集中碱性很强，负电荷也很集中(jzhng)，但，但烷基具有较大的空间效应，故其亲核性很烷基具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。弱。CH3O C2H5O CH3CH3CHO (CH3)3CO亲核性依次亲核性依次(yc)减小减小C2H5NH2(C2H5)2NH (C2H5)3N亲核性依次减弱，亲核性依次减弱，碱性依次增强。碱性依次增强。第20页/共29页第二十一页，共29页。（三）离去基团（三）离去基团 (Leaving groups)Nu:SN2+ LL-LCSN1C+Nu C离去基团带着一对电子离去基团带着一对电子(dinz)离离开中心开中心C，成为负离子。，成为负离子。接受负电荷的能力接受负电荷的能力(nngl)越强，亲核取代反应速率越大。越强，亲核取代反应速率越大。1、 较好的离去基团是强酸较好的离去基团是强酸(qin sun)的共轭碱的共轭碱：pKa R Br R ClR FF Cl Br I可极化可极化(j hu)度依次增度依次增大大第22页/共29页第二十三页，共29页。（四）溶剂（四）溶剂(rngj)效应效应溶剂溶剂(rngj)的性质：介电常数的性质：介电常数 越大，溶剂越大，溶剂(rngj)的极性的极性越大。越大。 是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即溶剂稳定是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即溶剂稳定(wndng)离子的能力。离子的能力。 偶极距偶极距非极性溶剂非极性溶剂（ 0） ：CCl4，CS2，C6H6极性溶剂极性溶剂（ 0）质子型：质子型：EtOH, H2O, H3COOH非质子型：非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO质子型溶剂质子型溶剂通过氢键缔合通过氢键缔合非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用R O HNu极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。第23页/共29页第二十四页，共29页。SN 1反应反应(fnyng)：RLR L慢慢R+L-Nu中性化合物离解为两个中性化合物离解为两个(lin )带电荷的离子，溶剂极性的提带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定碳正离子，使反应速率加快。高，将稳定碳正离子，使反应速率加快。SN 2反应反应(fnyng)：Nu-L-R LNuLNu RC在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶剂极性的提高，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。溶剂极性的提高，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。第24页/共29页第二十五页，共29页。RO HNuHORHOR在质子型溶剂中：亲核试剂在质子型溶剂中：亲核试剂(shj)与溶剂形成氢键，与溶剂形成氢键，由此降低了试剂由此降低了试剂(shj)的亲核性，不利于反应进行。的亲核性，不利于反应进行。在质子型溶剂在质子型溶剂(rngj)中，试剂的亲核顺序为：中，试剂的亲核顺序为：SH- CN- I- OH- N3- Br- CH3COO- Cl - F- H2O第25页/共29页第二十六页，共29页。SN 2反应常在极性非质子反应常在极性非质子(zhz)型溶剂中进行。型溶剂中进行。极性非质子型溶剂不与极性非质子型溶剂不与 Nu:形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露使裸露(lul)的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。常见的极性非质子常见的极性非质子(zhz)型溶剂有：型溶剂有：P PO ON NN NN NH H C CN NC C H H3 3C C H H3 3O OC C H H3 3S SO OC C H H3 3N, N-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺六甲基磷酰胺HMPT (Hexamethylphosphorictriamide)第26页/共29页第二十七页，共29页。在极性非质子在极性非质子(zhz)型溶剂中，型溶剂中，X - 的反应活性为：的反应活性为：F - Cl - Br - I -这与在质子这与在质子(zhz)型溶剂中的顺序相反。型溶剂中的顺序相反。质子质子(zhz)型溶剂与非质子型溶剂与非质子(zhz)型溶剂对型溶剂对SN 2反应的影响反应的影响：CH3I + NaN3k2CH3N3 + NaI溶剂溶剂 k2DMF 3 103CH3OH 3 10-2在哪种溶剂中易于进行，是在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是还是CH3OH? CH3CH2CH2Br + NaCNCH3CH2CH2CN + NaBr第27页/共29页第二十八页，共29页。五五. 邻基参与作用邻基参与作用(zuyng)RC RRRYZY -RC RRZR+ X -RC RRZRRC RRRXZ邻基：多带有孤电子对或邻基：多带有孤电子对或电子，在分子内起亲核试剂作用电子，在分子内起亲核试剂作用(zuyng)。如：。如：COO-、COOR、OH、OR、NH2等。等。邻基参与作用邻基参与作用(zuyng)：分子内亲核的取代基参与了另一部位上的取代反应：分子内亲核的取代基参与了另一部位上的取代反应。是分子内的发生。是分子内的发生2次的次的SN2过程。过程。邻基参与作用邻基参与作用(zuyng)的结果：取代产物构型保持，且反应加速。的结果：取代产物构型保持，且反应加速。CCBrOO-HH3CCCOHOO-HH3COH-第28页/共29页第二十九页，共29页。