第六七章有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究

1、第六章第六章 有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究 有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是研究反應(yīng)物變成產(chǎn)物所經(jīng)歷的全過程，也就是說要研究有機(jī)反應(yīng)物分子中原子在反應(yīng)期間所通過的一系列步驟，從開始到終了的全部動態(tài)過程，包括試劑的進(jìn)攻、反應(yīng)中間體的形成、直到最后的產(chǎn)物。 由于分子的振動和碰撞是在10-12-10-14秒內(nèi)完成的，目前在如此短時間內(nèi)觀測分子和原子運(yùn)動的手段尚不完善，還主要是根據(jù)反應(yīng)中觀察到的現(xiàn)象來推斷反應(yīng)可能經(jīng)過的歷程。 研究有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的目的是認(rèn)識參加反應(yīng)化合物的原子或基團(tuán)的結(jié)合，在位置、次序和結(jié)合方式在反應(yīng)過程中所發(fā)生的變化，以及這些變化的動力是出于哪些因素。 有機(jī)反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)理論的組

2、成部分，它能幫助我們把許多看來無關(guān)的反應(yīng)聯(lián)系在一起，找出它們的共同規(guī)律，用以指導(dǎo)反應(yīng)條件的選擇，達(dá)到提高產(chǎn)率的目的，并可作為新的合成反應(yīng)的依據(jù)。 反應(yīng)按何種歷程進(jìn)行，取決于反應(yīng)物和試劑的性質(zhì)，以及反應(yīng)的條件，如溫度、壓力、催化劑和溶劑等。6-1反應(yīng)機(jī)理的類型反應(yīng)機(jī)理的類型 根據(jù)鍵的斷裂方式，可將有機(jī)反應(yīng)分為離子型反應(yīng)，如SN1，SN2，E1，E2等；自由基反應(yīng)，如烷烴的鹵代反應(yīng)；周環(huán)反應(yīng)，如雙烯合成反應(yīng)（D-A反應(yīng)）。 根據(jù)反應(yīng)物與生成物之間的關(guān)系，可將有機(jī)反應(yīng)分為取代反應(yīng)、消除反應(yīng)、加成反應(yīng)和重排反應(yīng)。 6-2 確定有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的方法確定有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的方法 1.產(chǎn)物的鑒別產(chǎn)物的鑒別 對反應(yīng)提

3、出的任何機(jī)理要能解釋得到的所有反應(yīng)產(chǎn)物，包括由副反應(yīng)形成的產(chǎn)物在內(nèi)。 例如對于反應(yīng)：CH4 + Cl2 CH3Cl 若提出的機(jī)理不能解釋少量乙烷在這個反應(yīng)中形成的原因，那么這個機(jī)理不可能是正確的。hv2.中間體的確定中間體的確定 確定中間體是否存在和中間體結(jié)構(gòu)的方法有以下幾種: （1）中間體的確定 使反應(yīng)經(jīng)過一段短時間后停止，將中間體分離出來。 如反應(yīng): RCONH2 + NaOBr RNH2 中間體RCONHBr已分離出來，該反應(yīng)的歷程如下:RCONH2 + NaOBr RCONHBr RCONBr RCON RNCO RNH2 + CO2 （2）中間體的檢測 利用紅外、核磁、順磁和其他光譜

4、檢測中間體是否存在。（3）中間體的捕獲， 在反應(yīng)中加入另一試劑（捕獲劑）使中間體與加入的試劑反應(yīng)。如用二烯的Diels-Alder反應(yīng)捕獲苯炔中間體。（4）可疑中間體的合成 如果某個中間體可疑，而它又能用別的方法得到，那么在同樣的條件下應(yīng)該得到同樣的產(chǎn)物。 3.催化作用催化作用機(jī)理應(yīng)與催化作用相符，如在酸催化下烯烴加水，反應(yīng)過程與質(zhì)子的作用相符，即有正碳離子產(chǎn)生而不會產(chǎn)生負(fù)碳離子。 4同位素標(biāo)記同位素標(biāo)記 利用放射性同位素14C，18O等可以確定反應(yīng)過程中原子的去向。 如：CH314CCOOH CH3COOH + 14CO O 5立體化學(xué) 根據(jù)化合物的構(gòu)型變化可以推斷反應(yīng)物變化的方式，鍵的形成

5、和斷裂的方向等。如： Br2BrBr得到的產(chǎn)物是反式，表明溴的加成是分步進(jìn)行，而且兩個溴原子是從雙鍵的兩側(cè)加上去的。 6.化學(xué)熱力學(xué)方法化學(xué)熱力學(xué)方法 熱力學(xué)方法通過研究一個化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)是放熱還是吸熱，H（焓）、S（熵）、G（自由能）的變化來求得相關(guān)的機(jī)理方面的許多信息。 有機(jī)反應(yīng)中計(jì)算焓變H的公式：H=鍵能（斷裂）- 鍵能（生成） 如：CH3CH=CHCH3 + H2 CH3CH2CH2CH3斷裂鍵 生成鍵H2 24.7KJ/mol C-H 47.0KJ/molC-C 34.7KJ/mol C-C 19.3KJ/molH = 59.4-66.3=-6.9KJ/mol 負(fù)表示放熱反應(yīng)，正

6、是吸熱反應(yīng)，這一結(jié)果與實(shí)測值比較接近。 利用反應(yīng)中焓變和自由能變化或熱變化，可以計(jì)算達(dá)到平衡時的溫度。 如G=H-TS；知道了自由能G變化，還可以計(jì)算平衡常數(shù)K的大小， G-RTlnK。 通常G為正值，得出K值很小，說明對反應(yīng)不利，G為負(fù)值，得到的K值較大，表明對反應(yīng)有利。 熵值S的研究，可以提供反應(yīng)類型的信息。 分解反應(yīng)：S 8 - 17KJ/mol消除反應(yīng)：S -3 - 4KJ/mol重排反應(yīng)：S -20 - 0KJ/mol結(jié)合反應(yīng)：S -20 - -15KJ/mol 7.動力學(xué)動力學(xué)對于大多數(shù)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)來說，反應(yīng)是經(jīng)過多步完成的，整個反應(yīng)的決定步驟是速率最慢的一步反應(yīng)，通過對反應(yīng)動力學(xué)

7、的研究可以獲得有關(guān)哪些分子和多少分子參與了決定速率步驟的信息。如關(guān)于聯(lián)苯胺重排的機(jī)理，以前的認(rèn)識一直是錯誤的，直到發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)對H+來說是二級才加以糾正，指出在決定速率的步驟中需要兩個質(zhì)子。 PhNHNHPh PhNH2+-NH2+-Ph NH2-Ph-Ph-HN2 -dPhNHNHPh dt= kPhNHNHPhH+28.同位素效應(yīng)同位素效應(yīng) 當(dāng)反應(yīng)物分子中的氫置換時，反應(yīng)速率往往會發(fā)生改變，這種變化稱為重氫同位素效應(yīng)。 由于C-H鍵斷裂所需活化能要比C-D鍵斷裂所需活化能小，因此，在反應(yīng)中C-H鍵斷裂速率比C-D鍵快。一般情況下，當(dāng)C-H，O-H，N-H鍵的斷裂發(fā)生在決定速率步驟時，就會出現(xiàn)

8、同位素效應(yīng)，同位素效應(yīng)的值KH/KD=1-9。 除重氫同位素效應(yīng)外，14C，18O也存在同位素效應(yīng)，但數(shù)值較小。 通過同位素效應(yīng)可以確定機(jī)理中的速率決定步驟。 如堿催化的2-苯基-1-溴乙烷的消除反應(yīng)的同位素效應(yīng)很強(qiáng)（KH/KD=7.1），這表明在過渡態(tài)中C-H鍵幾乎完全斷裂。 PhCH2*CH2Br PhCH=CH2 如丙酮的溴化反應(yīng)速率與溴濃度無關(guān)的事實(shí)，可假定反應(yīng)的速率控制步驟是丙酮的互變異構(gòu)反應(yīng)。 CH3CCH3 CH3-C=CH2 O OH 這個速率控制步驟又涉及到C-H鍵的斷裂，若真如此，則用氘化的丙酮進(jìn)行溴化時，應(yīng)當(dāng)具有較大的重氫同位素效應(yīng)，實(shí)際發(fā)現(xiàn)KH/KD=7 NaOH6-3

9、 動力學(xué)控制與熱力學(xué)控制動力學(xué)控制與熱力學(xué)控制 有機(jī)反應(yīng)沿著不同的進(jìn)程必然得到不同的產(chǎn)物，若產(chǎn)物量取決于反應(yīng)速率者稱為動力學(xué)控制或速率控制；若產(chǎn)物是根據(jù)熱力學(xué)平衡得到者稱為熱力學(xué)控制或平衡控制。 對于兩個相互競爭的不可逆反應(yīng)，主要產(chǎn)物是動力學(xué)控制的產(chǎn)物。 對于兩個相互競爭的可逆反應(yīng)，在平衡建立前，產(chǎn)物仍為動力學(xué)控制，達(dá)到平衡時，能量較低，穩(wěn)定性較大的產(chǎn)物量較多，即為熱力學(xué)控制。 在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，絕大多數(shù)反應(yīng)是受動力學(xué)控制的。 如在極性溶劑中，丙烯與溴化氫的加成反應(yīng)進(jìn)程中，活性中間體CH3CH+CH3比CH3CH2CH2+能量低，因而生成2-溴丙烷的速率大于生成1-溴丙烷的速率，前者是主要產(chǎn)物

10、，受動力學(xué)控制。 1，3-丁二烯與氯化氫的加成反應(yīng)，1，2-加成產(chǎn)物是動力學(xué)控制的產(chǎn)物，1，4-加成產(chǎn)物是熱力學(xué)控制的產(chǎn)物。 第七章第七章 飽和碳原子上的親核取代飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)反應(yīng) 7-1 親核取代反應(yīng)的類型親核取代反應(yīng)的類型 取代反應(yīng)是指與碳原子相連的原子或原子團(tuán)被其它的原子或原子團(tuán)所取代的反應(yīng)，被取代的基團(tuán)通常叫離去基團(tuán)。 如： R-L + Nu: Nu-R + L: 根據(jù)反應(yīng)物和親核試劑的電性將親核取代反應(yīng)分為 ：（1）中性反應(yīng)物與中性親核試劑作用）中性反應(yīng)物與中性親核試劑作用R-L + Nu: R-Nu+ + L-如：R-I + (CH3)3N： R-N+(CH3)3 +

11、I+（2）中性反應(yīng)物與帶負(fù)電荷的親核試劑作用中性反應(yīng)物與帶負(fù)電荷的親核試劑作用R-L + Nu:- R-Nu + L-: 如：R-I + OH- R-OH + I-（3）帶正電反應(yīng)物與中性親核試劑作用帶正電反應(yīng)物與中性親核試劑作用RL+ + Nu: R-Nu+ + L:如：R-N+(CH3)3 + H2S R-SH2 + :N(CH3)3（4）帶正電反應(yīng)物與帶負(fù)電親核試劑作用帶正電反應(yīng)物與帶負(fù)電親核試劑作用RL+ + Nu:- R-Nu + L:如：R-N+(CH3)3 + OH- R-OH + :N(CH3)3在上述所有情況下，親核試劑具有一對未共用電子或帶有負(fù)電荷，故所有親核試劑都是Lew

12、is堿。 7-2 反應(yīng)歷程反應(yīng)歷程 一單分子親核取代反應(yīng)歷程（一單分子親核取代反應(yīng)歷程（SN1） 在SN1機(jī)理中，親核取代反應(yīng)分兩步進(jìn)行。第一步是反應(yīng)物上的離去基團(tuán)L的離去，第二步是L離去后生成的正碳離子與親核試劑結(jié)合。第一步速率較慢，是反應(yīng)速率的決定步驟。 以為例：(CH3)3C-Br(CH3)3C-OH+ OH-+ Br-反應(yīng)速率方程：(CH3)3Brv=k這說明決定速度步驟與這說明決定速度步驟與OH無關(guān)，而僅與無關(guān)，而僅與RX的濃度及的濃度及CX的的強(qiáng)度有關(guān)。因此，該強(qiáng)度有關(guān)。因此，該反應(yīng)是分步進(jìn)行的反應(yīng)是分步進(jìn)行的 。第一步，第一步，CBr鍵解離：鍵解離：ICH3 C Br(A)CH3

13、 C BrCH3 C + Br-(B)(C)過渡態(tài)活性中間體慢CH3CH3CH3CH3CH3CH3第二步第二步,生成生成CO鍵：鍵：(D)(E)快(C)活性中間體CH3 C + OH-CH3 C OHCH3 C OHCH3CH3CH3CH3CH3CH3過渡態(tài)I ISN1反應(yīng)的能量變化過程：反應(yīng)的能量變化過程：1EE2H能量反應(yīng)進(jìn)程(A)(B)(C)(D)(E)SN1的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：分步進(jìn)行；分步進(jìn)行；決速步驟為決速步驟為CX解離，單分子反應(yīng)，有解離，單分子反應(yīng)，有v=kRX；有有C中間體，構(gòu)型保持與構(gòu)型轉(zhuǎn)化機(jī)率相同；產(chǎn)物中間體，構(gòu)型保持與構(gòu)型轉(zhuǎn)化機(jī)率相同；產(chǎn)物外消旋化外消旋化.常伴有常伴有C的

14、重排產(chǎn)物產(chǎn)生。的重排產(chǎn)物產(chǎn)生。 按SN1進(jìn)行的反應(yīng)，除叔代烷外，通常還有其衍生物，以及被共軛效應(yīng)所穩(wěn)定的仲鹵代烷及其衍生物，如: (C6H5)2CH-Cl (C6H5)2CH+ (C6H5)2C-OH(C6H5)2CHOOCC6H5 (C6H5)2CH+ (C6H5)2C-OHH2OC2H5OH二雙分子親核取代反應(yīng)（二雙分子親核取代反應(yīng)（SN2） 在SN2機(jī)理中，親核試劑從離去基團(tuán)的背面進(jìn)攻離去基團(tuán)，舊鍵的斷裂與新鍵的生成協(xié)同進(jìn)行。 以為例：CH3BrCH3OH + Br-NaOH-H2O反應(yīng)速率方程：反應(yīng)速率方程：v=kCH3BrOH-BrHO-HOBr-HO+ Br-新鍵的形成與舊鍵的斷裂

15、同時進(jìn)行新鍵的形成與舊鍵的斷裂同時進(jìn)行CH3Br + OH-HOCH2Br+-EaCH3OH + Cl-E反應(yīng)進(jìn)程SN2反應(yīng)的能量變化過程：反應(yīng)的能量變化過程：SN2反應(yīng)的特點(diǎn)：反應(yīng)的特點(diǎn)： 一步完成，一步完成，OH與與CH3Br都參與，因此都參與，因此,反應(yīng)的速率反應(yīng)的速率方程為方程為v=kCH3BrOH- CO鍵的生成與鍵的生成與CBr鍵的斷裂同時進(jìn)行，有過鍵的斷裂同時進(jìn)行，有過渡態(tài)；渡態(tài)； 有有 Walden轉(zhuǎn)化，手性分子發(fā)生轉(zhuǎn)化，手性分子發(fā)生SN2反應(yīng)時，構(gòu)型翻反應(yīng)時，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。 按SN2歷程進(jìn)行的反應(yīng)，除伯鹵代烷外，還有它的衍生物，以及許多仲鹵代烷及其衍生物。如 CH3 CH3O

16、H+ CH3-N+-CH2(CH2)8CH3 HOCH3 + NCH2(CH2)8CH3 CH3 CH3 三三.離子對歷程離子對歷程 在研究SN1和SN2歷程時發(fā)現(xiàn)，有的化合物如仲鹵代烷和芐基鹵化物的反應(yīng)即不能按SN1或SN2反應(yīng)歷程來解釋，認(rèn)為這類反應(yīng)物的親核取代反應(yīng)，反應(yīng)物首先進(jìn)行離解，由于反應(yīng)物的離解是逐步離解成離子對，離解過程有不同階段，故反應(yīng)歷程不同，稱為離子對歷程。 離子對歷程認(rèn)為，反應(yīng)物的離解不是一步完成的，而是沿著下列順序逐步離解成離子對，在離解的不同階段形成不同的離子對，同時溶劑參與了這一過程： R-L R+L- R+L- R+ + L- 緊密離子對 溶劑分隔的離子對 離解的

17、離子 離子化溶劑介入離解 上述圖解的每一階段都可以返回到其前一階段，也可以繼續(xù)離解到下一階段，或者與溶劑作用或者與其它親核試劑作用生成產(chǎn)物。親核取代反應(yīng)可以發(fā)生在四個不同階段： （1）溶劑或其它親核試劑作用于反應(yīng)物RL，由于L的屏蔽效應(yīng)，它只能從L的背面進(jìn)攻R，這樣產(chǎn)物的構(gòu)型發(fā)生倒轉(zhuǎn)，是典型的SN2反應(yīng)。 （2）在緊密的離子對階段，溶劑分子或其它親核試劑進(jìn)攻R+，由于溶劑或其它親核試劑尚未進(jìn)入R+和L-之間，且由于L-的屏蔽作用，溶劑分子或其它親核試劑只能從L-的背面進(jìn)攻R+，故產(chǎn)生產(chǎn)物構(gòu)型的倒轉(zhuǎn)，相當(dāng)于SN2歷程。 （3）溶劑分子或其它親核試劑進(jìn)攻R+，發(fā)生在溶劑介入的離子對階段，則溶劑或其

18、它親核試劑很可能從前后兩面進(jìn)攻，導(dǎo)致外消旋化，但從正面進(jìn)攻R+時，或多或少受到L-的屏蔽作用，故仍以背面進(jìn)攻為主，產(chǎn)物除主要得到外消旋產(chǎn)物外，尚有部分構(gòu)型倒轉(zhuǎn)產(chǎn)物。 （4）溶劑分子或其它親核試劑進(jìn)攻R+，發(fā)生在離解的離子對階段，由于R+是平面構(gòu)型，顯然可以機(jī)會均等地從正面和背面進(jìn)攻，相當(dāng)于典型的SN1歷程，產(chǎn)物完全外消旋化。 R-L R+L- R+L- R+ + L- 離子化溶劑介入離解 SN2 SN2 SN2+SN1 SN1 利用離子對歷程可以比較好地解釋飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)物和條件不同時，反應(yīng)究竟發(fā)生在哪一個階段，主要取決于（1）反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)，特別是生成正碳離子的相對穩(wěn)定性；

19、（2）溶劑，特別是溶劑作為親核試劑的親核能力。 如:(+)-C6H5CHClCH3 98%外消旋化 (+)-C6H13CHClCH3 34%外消旋化 因?yàn)镃6H5CHCH3正碳離子比C6H13CH CH3正碳離子穩(wěn)定得多，正碳離子越穩(wěn)定，逃避親核試劑進(jìn)攻的時間越長，此時反應(yīng)物可以有較充分的時間離解，而進(jìn)入后期的離子對階段，故反應(yīng)可以按照SN1歷程進(jìn)行，預(yù)料發(fā)生外消旋化的比例就越大。 親核取代親核取代 對于同一化合物，在不同的溶劑中進(jìn)行溶解時，情況也不同。 如(+)-C6H5CHClCH3的親核取代反應(yīng)，在80%丙酮和20%水中進(jìn)行時，導(dǎo)致98%的外消旋化；但在親核性較強(qiáng)的水中進(jìn)行時，則僅有80

20、%的外消旋化，因?yàn)槿軇┑挠H核性越強(qiáng)，正碳離子的壽命很可能越短，致使反應(yīng)物未能充分離解成離子，而處于離解的前期即受到親核試劑的進(jìn)攻，故消旋化的產(chǎn)物較少。 總之，難離子化的反應(yīng)物和強(qiáng)親核試劑作用時，反應(yīng)發(fā)生在離子化的前期階段， 反之，容易離子化的反應(yīng)物和弱親核試劑作用時，反應(yīng)發(fā)生在離子化的后期階段。 象仲鹵化物和芐基鹵化物等，反應(yīng)發(fā)生在中間階段，故產(chǎn)物的旋光純度高低不一。 7-3 反應(yīng)的立體化學(xué)反應(yīng)的立體化學(xué) 當(dāng)親核取代反應(yīng)發(fā)生在手性碳原子上時，可能存在三種立體化學(xué)途徑：構(gòu)型保持，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，外消旋化。 一單分子親核取代反應(yīng)一單分子親核取代反應(yīng)SN1 在SN1反應(yīng)中，因?yàn)樵诜磻?yīng)的慢步驟中生成的正碳離

21、子是平面型的，因此親核試劑對正碳離子的進(jìn)攻，將機(jī)會均等的來自平面正碳離子的兩側(cè)，如果離去基團(tuán)所在的中心碳原子是一個手性碳原子，將發(fā)生外消旋化。 C3H7CBrH3CC2H5H2O丙酮SN1反應(yīng)的立體化學(xué)反應(yīng)的立體化學(xué)C3H7CH3CC2H5C3H7CH3CC2H5H2OOH2C3H7CHOCH3C2H5C3H7COHH3CC2H5+(R)-3-甲基-3-己醇(S)-3-甲基甲基-3-己醇己醇外消旋體 實(shí)驗(yàn)表明100%的外消旋化是很少量的，幾乎經(jīng)常是外消旋化伴隨著某種程度的構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。 Br OCH3 C6H5-CH-CH3 C6H5-CH-CH3 Br OC2H5 OHCH3(CH2)4CHCH

22、3 CH3(CH2)4CHCH3+ CH3(CH2)4CHCH3C2H3OH73%外消旋化外消旋化27%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)構(gòu)型翻轉(zhuǎn)C2H5OHH2O74%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)構(gòu)型翻轉(zhuǎn)26%外消旋化外消旋化68%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)構(gòu)型翻轉(zhuǎn)32%外消旋化外消旋化通常：正碳離子越穩(wěn)定，外消旋化越多；溶劑的親核性通常：正碳離子越穩(wěn)定，外消旋化越多；溶劑的親核性越強(qiáng)，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的比例越大。越強(qiáng)，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的比例越大。 按SN1反應(yīng)歷程進(jìn)行的反應(yīng)，通常在外消旋化的同時伴隨著構(gòu)型的翻轉(zhuǎn)，但在少數(shù)情況下，也有外消旋化伴隨構(gòu)型保持者。 CH3 CH3 CH3C6H5-C-CH2CH3 C6H5-C-CH2CH3 C6H5-C-CH2CH3 OCO

23、C6H4-p-NO2 OCOCH3 OH CH3CO2H40%丙酮對硝基苯甲酸酯乙酸酯2-苯基-2-丁醇95-98%外消旋化外消旋化2-5%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)構(gòu)型翻轉(zhuǎn)62%外消旋化外消旋化38%構(gòu)型保持構(gòu)型保持 其原因可利用離子對的概念解釋，乙酸酯分解成離子對，由于溶劑的介入形成了溶劑介入的離子對： 此時水既可以從乙酸根的正面也可以從背面進(jìn)攻中心碳原子，但由于背面烴基的空間阻礙作用較大，故從正面進(jìn)攻較為有利，所以構(gòu)型保持者較構(gòu)型翻轉(zhuǎn)者為多，總的結(jié)果有38%構(gòu)型保持。 二二.雙分子親核取代反應(yīng)雙分子親核取代反應(yīng)SN2 在SN2歷程反應(yīng)中，通常具有高度的立體選擇性，中心碳原子的構(gòu)型發(fā)生翻轉(zhuǎn)占優(yōu)勢。 構(gòu)型轉(zhuǎn)化

24、C6H13H3CCBrHH13C6+ NaOHCH3CHHO+ NaBr。34.6。SN2反應(yīng)的立體化學(xué)：反應(yīng)的立體化學(xué)： Walden轉(zhuǎn)化是轉(zhuǎn)化是SN2反反應(yīng)的重要標(biāo)志。應(yīng)的重要標(biāo)志。BrH3CCHH3CH2COH-BrCH3CHH3CH2CHO - -HOCH3CHCH2CH3+ Br-瓦爾登轉(zhuǎn)化(S)-2-溴丁烷(R)-2-丁醇7-4影響親核取代反應(yīng)活性的因素影響親核取代反應(yīng)活性的因素 一一. 烷基結(jié)構(gòu)的影響烷基結(jié)構(gòu)的影響 烷基結(jié)構(gòu)對SN2反應(yīng)的影響 決定SN2反應(yīng)速度的是過渡態(tài)的穩(wěn)定性。過渡態(tài)越穩(wěn)定，反應(yīng)的活化能越低，反應(yīng)速度越快。影響影響SN2過渡態(tài)穩(wěn)定性的因素：過渡態(tài)穩(wěn)定性的因素：

25、空間因素(主要)：-C上取代基越多，Nu-越不易接近-C，過渡態(tài)也越不穩(wěn)定；電子效應(yīng)(次要)：-C上取代基越多，-C越負(fù)，不利于Nu-進(jìn)攻-C。SN2反應(yīng)活性：反應(yīng)活性：CH3X1RX2RX3RX兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：在C2H5OH中，C2H5ONa與不同RBr于55發(fā)生SN2反應(yīng)的相對速率：可見，可見，C上取代基越大，空間障礙越大，上取代基越大，空間障礙越大，SN2速率越小。速率越小。 在在C2H5OH中，中，C2H5ONa與不同與不同RBr于于25發(fā)生發(fā)生SN2反應(yīng)的反應(yīng)的相對速率相對速率可見，可見，正構(gòu)伯鹵代烷進(jìn)行正構(gòu)伯鹵代烷進(jìn)行SN2反應(yīng)時，碳鏈的增長對反應(yīng)速率反應(yīng)時，碳鏈的增長

26、對反應(yīng)速率的影響不大。的影響不大。(2) 烷基結(jié)構(gòu)對烷基結(jié)構(gòu)對SN1反應(yīng)的影響反應(yīng)的影響決定決定SN1反應(yīng)速度的是反應(yīng)速度的是C穩(wěn)定性。越是穩(wěn)定的穩(wěn)定性。越是穩(wěn)定的C，越容易生成。，越容易生成。 C穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：321CH3 （p超共軛）超共軛）SN1反應(yīng)活性：反應(yīng)活性：3RX 2RX 1RX CH3X 綜上所述：S 1減弱NS 2減弱NCH3X1 RX。2 RX。3 RX。即：3RX主要進(jìn)行主要進(jìn)行SN1反應(yīng)；反應(yīng)； 1RX主要進(jìn)行主要進(jìn)行SN2反應(yīng)；反應(yīng)； 2RX同時進(jìn)行同時進(jìn)行SN1和和SN2，但，但SN1和和SN2速度都很慢。速度都很慢。二二.離去基團(tuán)的影響離去基團(tuán)的影響SN1和和S

27、N2反應(yīng)活性：反應(yīng)活性：R-IR-BrR-ClR-FSN2和SN1反應(yīng)的慢步驟都包括C-X的斷裂，因此，離去基團(tuán)越容易離去,反應(yīng)越容易進(jìn)行。通常，易離去的離去基團(tuán)是強(qiáng)酸的共軛堿，離去基團(tuán)的堿性越弱離去速率越快。 離去能力：離去能力：IBrCl；（酸性：；（酸性：HIHBrHCl）離去能力：離去能力：RSO3-H2ORCO2-C6H5O-OH-CH3O- 離去基團(tuán)離去的難易程度還與反應(yīng)物的極化度、溶劑和離去基團(tuán)的溶劑化程度以及離去基團(tuán)的電負(fù)性等有關(guān)，情況比較復(fù)雜，具體情況具體分析。 在SN2反應(yīng)中，參與過渡態(tài)形成的有親核試劑，故離去基團(tuán)離去的難易除與其本身的性質(zhì)有關(guān)外，也與親核試劑的親核性強(qiáng)弱有

28、關(guān)。 如I-是容易離去的離去基團(tuán)，但它又是一個很好的親核試劑，因此，I-可作為SN2反應(yīng)的催化劑。如伯氯代烷的水解是很慢的，若在反應(yīng)時加入少量KI，則反應(yīng)大大加速。 RCH2Cl + H2O RCH2OH + HCl RCH2Cl + I- RCH2I + Cl- RCH2I + H2O RCH2OH+HI慢快快 如HO-和RO-堿性很強(qiáng)，是難離去的離去基團(tuán)，故R-OH和R-OR本身不能進(jìn)行親核取代反應(yīng)，為了使-OH能被親核試劑取代，通常將它們轉(zhuǎn)變?yōu)檩^容易離去的基團(tuán)。如醇中的-OH不能被Br 直接取代，若先將醇進(jìn)行質(zhì)子化則反應(yīng)容易進(jìn)行。如 R-OH + Br- R-Br + OH- R-OH

29、R-O+H2 R-Br + H2OH+Br-H2O易離去三三.溶劑的影響溶劑的影響 飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)無論按哪一種歷程進(jìn)行，通常都是在溶劑中進(jìn)行，當(dāng)溶劑的極性不同時，對反應(yīng)中生成的中間體或過渡態(tài)的影響不同。 質(zhì)子溶劑使負(fù)離子溶劑化;非質(zhì)子極性溶劑使正離子溶劑化。在SN1反應(yīng)中, 增加溶劑的極性或使用質(zhì)子溶劑, 有利于鹵代烷的離解。RX + HSRXHSR+ + XHS-質(zhì)子溶劑過渡態(tài)因溶劑化而穩(wěn)定過渡態(tài)因溶劑化而穩(wěn)定, 活化能降低活化能降低, 有利于鹵代烷解離。有利于鹵代烷解離。例如，叔丁基氯例如，叔丁基氯(3RX)在在25時、不同溶劑中進(jìn)行溶劑解時、不同溶劑中進(jìn)行溶劑解(SN1)的相

30、對速率：的相對速率：(CH3)3CCl(CH3)3CCl + -(CH3)3C+ + X- 在SN2反應(yīng)中，增加溶劑極性或使用質(zhì)子溶劑, 負(fù)離子親核試劑溶劑化, 試劑親核性降低, 不利于過渡態(tài)形成, 反應(yīng)速率減慢。Nu:- + R-LNuRL :Nu:-HHHHOOOOHHHH親核試劑是中性分子時，增加溶劑極性有利于反應(yīng)。CH3CH2CH2CH2I + N(CH3)3CH3CH2CH2CH2N(CH3)3I+-不帶電荷的試劑不帶電荷的試劑 在非質(zhì)子偶極溶劑中, 負(fù)離子的親核性比溶劑化的負(fù)離子大，有利于SN2反應(yīng)。CH3I + Cl-25oCCH3Cl + I-例：溶劑 CH3OH DMF 相對

31、速率11.2 x 106非質(zhì)子偶極溶劑的結(jié)構(gòu)特征：非質(zhì)子偶極溶劑的結(jié)構(gòu)特征：偶極正端藏于分子內(nèi)部，偶極負(fù)端露于分子外部。偶極正端藏于分子內(nèi)部，偶極負(fù)端露于分子外部。CH3-S-CH3OH-C-NOCH3CH3DMSODMFSOCH3CH3 +-Y+X-.N,N-二甲基甲酰胺二甲基亞砜二甲基甲酰胺二甲基亞砜極性非質(zhì)子溶劑極性非質(zhì)子溶劑四四. 親核試劑的影響親核試劑的影響試劑的親核性對試劑的親核性對SN1反應(yīng)速率影響很??；在反應(yīng)速率影響很??；在SN2中中試劑的試劑的親核性與試劑的濃度、試劑的給電子能力、試劑的可極親核性與試劑的濃度、試劑的給電子能力、試劑的可極化性有關(guān)?；杂嘘P(guān)。試劑的親核性試劑的

32、親核性，有利于，有利于SN2。a. 在親核原子相同的一組親核試劑中在親核原子相同的一組親核試劑中, 堿性越強(qiáng)堿性越強(qiáng), 親親核性越強(qiáng)。核性越強(qiáng)。(親核性順序與堿性一致親核性順序與堿性一致) 親核性：親核性：C2H5OHOC6H5OCH3COO 堿性：堿性：C2H5OHH2OC6H5OHCH3COOHb. 同一族的原子作為親核中心時，變形性大者呈現(xiàn)出較強(qiáng)的親同一族的原子作為親核中心時，變形性大者呈現(xiàn)出較強(qiáng)的親核性。這與堿性的強(qiáng)弱次序相反?？蓸O化性所致。核性。這與堿性的強(qiáng)弱次序相反?？蓸O化性所致。IBrClF，HSHO，RS-RO- R3PR3N 親核性遞減，堿性遞增親核性遞減，堿性遞增 鹵素的親

33、核性強(qiáng)弱可由可極化度來解釋。因原子序數(shù)大的原子，其原子半徑大，外層電子受原子核的束縛力小易變形，即可極化度大，當(dāng)其進(jìn)攻中心碳原子時，其外層電子可以比較容易地伸向中心碳原子，因此降低了形成過渡態(tài)所需的活化能，顯示出較強(qiáng)的親核性。 c. 在同一周期中的各種原子在同一周期中的各種原子, 從左到右親核性降低。從左到右親核性降低。(親親核性順序與堿性一致核性順序與堿性一致)d.負(fù)離子的親核性大于它的共軛酸。負(fù)離子的親核性大于它的共軛酸。R3C- R2N- RO- F- R3P R2S親核性遞減親核性遞減, 堿性遞減堿性遞減 d. 負(fù)離子的親核性大于它的共軛酸負(fù)離子的親核性大于它的共軛酸RO- ROH ;

34、 HO- H2O ; NH2- NH3 親核試劑的大?。臻g效應(yīng)）對SN2反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。通常，親核試劑的體積越大親核性越弱。 7 75 5鄰基效應(yīng)鄰基效應(yīng) 氯代醇在堿的作用下進(jìn)行分子內(nèi)的氯代醇在堿的作用下進(jìn)行分子內(nèi)的SN2反應(yīng)，得到環(huán)醚：反應(yīng)，得到環(huán)醚：CH2 CH2OCH2 CH2 ClOHCaOH2O環(huán)氧乙烷這種分子內(nèi)的這種分子內(nèi)的SN2反應(yīng)速度遠(yuǎn)比分子間的反應(yīng)速度遠(yuǎn)比分子間的SN2反應(yīng)速度快，這是反應(yīng)速度快，這是由于分子內(nèi)的氧負(fù)離子距中心碳原子最近，位置最有利由于分子內(nèi)的氧負(fù)離子距中心碳原子最近，位置最有利反反式共平面，更容易進(jìn)攻中心碳原子：式共平面，更容易進(jìn)攻中心碳原子：CH2C

35、H2OCH2CH2OHClCH2CH2O-ClOH-H2O-Cl-反式共平面構(gòu)象 鄰基參與：鄰近基團(tuán)在排除離去基團(tuán)時所起的作用。 鄰基參與作用是一種分子內(nèi)的SN2過程，兩個基團(tuán)（參與基團(tuán)與離去基團(tuán)）在分子內(nèi)處于反式共平面的構(gòu)象才能發(fā)生參與作用。 鄰基參與一般形成三元環(huán)或五元環(huán)。 鄰基參與作用的結(jié)果：使得最后的取代產(chǎn)使得最后的取代產(chǎn)物構(gòu)型保持，且反應(yīng)速度加速。物構(gòu)型保持，且反應(yīng)速度加速。經(jīng)過兩次經(jīng)過兩次SN2反應(yīng)反應(yīng), 總結(jié)果是構(gòu)型保持總結(jié)果是構(gòu)型保持 第一步第一步第二步第二步鄰基原子更易，更近鄰基原子更易，更近, 外加的外加的Nu必須和作用物碰撞才能必須和作用物碰撞才能發(fā)生反應(yīng)，而鄰基發(fā)生反應(yīng)

36、，而鄰基Z由于所處的位置有利，即刻就能由于所處的位置有利，即刻就能進(jìn)攻中心碳原子；進(jìn)攻中心碳原子；再者鄰基參與作用的熵變更為有利再者鄰基參與作用的熵變更為有利，反應(yīng)中心與，反應(yīng)中心與Z反應(yīng)反應(yīng)和與和與Nu反應(yīng)相比，前者反應(yīng)相比，前者S降低得較少。降低得較少。 Z CRR|CRLR: RR|RRZCC+ L- +CCZRR|RNu:-R R C|RRCZNu:R1.氧參與氧參與 如旋光的-溴代丙酸鹽的水解反應(yīng)，鄰近的羧基負(fù)離子從離去基團(tuán)（溴原子）的背面進(jìn)攻碳原子，促使Br原子離去，形成三元環(huán)內(nèi)酯中間體，此時親核試劑OH-，只能從溴原子離去的一面進(jìn)攻碳原子，從而得到構(gòu)型保持的水解產(chǎn)物-羥基丙酸鹽。 CC:O-OBrH3CHSNi2CCOOH3CH:OH-SN2CCOOHH3CHO-2.鹵素參與鹵素參與 鹵素作為鄰基參與的能力大小次序一般為I Br Cl，這與原子的親核性和可極化性大小順序是一致的。F電負(fù)性太強(qiáng)，不易給出電子，親核性和可極化性太小，一般不發(fā)生鄰基參與作用。 例如：當(dāng)3-溴-2-丁醇的蘇型外消旋體（）用HBr處理時，得到外消旋體（）-2,3-二溴丁烷。-Cl-C2H5-CH2 CH2S+OH2C2H5-SCH2