第三章碳正離子

第三章親核取代反應及碳正離子

(NucleophilicSubstitutionandCarbocations)一、碳正離子的產生、結構和穩(wěn)定性1、產生及類型：有機反應中產生的活性中間體的一種。 是Intermediate,而不是Transitionstate

碳正離子能在一定條件下存在且被分離出

ChinaPharmaceuticalUniversity1922年，Meerwein發(fā)現萜類化合物重排與C+有關

1962年，Olah在超酸中檢測到C+G.A.Olah,Nobel1994產生碳正離子的反應舉例：

1）脂肪族化合物的親核取代反應H3CCl

CH32)烯烴的親電加成反應H3CCH3H3COHCH3CH3CCH3C+OH-CH3CCH2CHCH

H3CH3CCH3CHH3CH3CCH3CH2CH3H3C+HCl+ CH

H3C+ CH3C H3C重排

- ClCClCH2HSO4ChinaPharmaceuticalUniversity3)芳香化合物的親電取代反應

O2NHNO2+

+NO2+-+H2SO4ChinaPharmaceuticalUniversity經典碳正離子(Carbeniumion):中心碳原子sp2雜化與其他三個基團或原子以σ鍵相連形成具平面的構型2、結構ChinaPharmaceuticalUniversityHC+>120

H3C。

。一些情形下，鍵角不是120，或者不是平面結構。如：HHCH3C

+＝KR+=ChinaPharmaceuticalUniversity3、穩(wěn)定性及研究方法

碳正離子的相對穩(wěn)定性可由其pKR+來定量表示：

pKR+=log[R+]/[ROH]+HR當反應達到平衡、[R+]=[ROH]時，pKR+=HR（酸度函數）;

pKR+愈大，碳正離子愈穩(wěn)定。R++H2O

[ROH][H+] [R+]

[R+][ROH]+p[H+]ROH+H+

，pKR+=logChinaPharmaceuticalUniversity一些碳正離子的pKR+值

碳正離子三苯基甲基4-甲氧基三苯基甲基4-硝基三苯基甲基二苯基甲基三環(huán)丙基甲基環(huán)庚三烯正離子三苯基環(huán)丙烯基pKR+-6.63 -3.40 -9.15-13.3-2.3+4.7+3.1C+C+HC+C+++[(CH3)2N]3C+[CH3O]3C+4,4’,4’’-三(二甲氨基)-三苯基甲基正離子pKR+=+9.36

[O2N

4,4’,4’’-三甲氧基三 苯基甲基正離子

pKR+=+0.82]3C+4,4’,4’’-三硝基三苯基甲基正離子pKR+=-16.27 給電子取代基促進碳正離子的穩(wěn)定：ChinaPharmaceuticalUniversity影響碳正離子穩(wěn)定性的因素：1）誘導效應(Inductiveeffect)：離域或分散C+正電荷將有利于碳正離子的穩(wěn)定連有誘導推電子的基團時的穩(wěn)定性(+I)：連有誘導吸電子的基團時的穩(wěn)定性(-I)：+2)共軛效應(Conjugativeeffect)：a)p-σ共軛效應穩(wěn)定性次序：叔碳正離子>仲碳正離子>伯碳正離子(CH3)3C+

+>CH3CH2CHCH3>CH3CH2CH2CH2如：甲基推電子基通過C-Hσ鍵與C+的空軌道共軛。 ChinaPharmaceuticalUniversityσ共軛效應的研究在超酸催化下進行超酸：強的質子給予體，強度用哈米特酸度H°表示超酸特點：1)給質子能力強，親核性低；2)凝固點低；3)粘度小。在超酸介質中可得到熱力學最穩(wěn)定的碳正離子舉例：CH3CH2CH2CHOH

OHH

OHCH3CH2CHCH3(CH3)3COHFSO3H-SbF5-SO2

。

-60C[CH3CH2CH2CH2]++

裂解，重排FSO3H-SbF5-SO2

。

-60C

裂解，重排

+(CH3)3C HOH [CH3CH2CHCH3] + (CH3)3CFSO3H-SbF5-SO2

。

-60C(CH3)3C+(c)具有未共用電子對的化合物，如醇、醚、醛、酮、酯等ChinaPharmaceuticalUniversity超酸可將質子給予：(a)具有σ–電子對的化合物，使得烷烴中的C-H及C-Cσ–鍵對超酸表現出σ–堿性。在超酸的作用下，C-H或C-C鍵的σ-電子對與質子的空 軌道作用形成缺電性的三中心兩電子鍵，用虛線表示。(b)具有π-電子對的化合物，如烯、炔、芳香化合物等ChinaPharmaceuticalUniversityb)p-π共軛效應碳正離子中心碳原子p空軌道與π電子共軛，分散正電荷，穩(wěn)定碳正離子。PhPh

+CPh

+CH

+PhCH2Ph>Ph>CH2CHCH2+c)p-p共軛效應碳正離子中心碳原子p空軌道與鄰位雜原子的未共用電子對的p電子共軛，穩(wěn)定碳正離子。CH2+CH2+如：

CH3OCH3OCH2

+CH2CH3O

+ CH3O3）芳香性（Aromaticity）具有芳香性的平面環(huán)狀正離子穩(wěn)定如：環(huán)丙烯基 卓正離子4n+2=2,n=04n+2=6,n=1++

⊕

⊕4)不同價鍵狀態(tài) 舉例：CH3-C+H2>CH2=C+Hsp2sp

S特性增加，吸電性增強，不利于C+穩(wěn)定。5）溶劑效應 舉例：

在氣相中，電離活化能為836.8kJ/mol;

在水溶液中，電離活化能為83.7kJ/mol。因此，極性溶劑有助于碳正離子的形成和穩(wěn)定BrBrBr(CH3)3CBr

6）空間效應（Stericeffect）

對于橋頭碳正離子，張力大，穩(wěn)定性差。形成碳正離子的相對反應速度：K=110-310-610-13ChinaPharmaceuticalUniversity二、經典碳正離子與非經典碳正離子(CarbeniumionsandCarboniumions)三價碳正離子(Carbeniumion)碳正離子(Carbocation)碳鎓離子(Carboniumion)(五價or更高)1、區(qū)別經典碳正離子：中心碳原子價電子層6個電子，形成三根σ鍵。 此時中心C為3價。非經典碳正離子：價電子層8個電子，除形成三根σ鍵外，余下的一對電子形成一個二電子三中心鍵，中心C是5價

ChinaPharmaceuticalUniversity

2、形成

1)σ電子參與 在超酸催化下，形成環(huán)丙基甲基碳正離子。碳原子 空軌道與σ鍵共軛形成離域鍵。上世紀50年代，Roberts認為：

+CH2應為CH2+環(huán)丙基甲基碳正離子三環(huán)丁鎓離子ChinaPharmaceuticalUniversityWinstein研究原菠基體系(Norbornylsystem)的溶劑解行為，說明由鄰近基團參與形成了原菠基非經典碳正離子。OAcAcOHOBsKexoAcOHKendo

OBsKexoKendo=350結論：外向(exo)結構底物對溴苯磺酸-2-原菠酯醋酸解速度比內向(endo)快，產物為外消旋，內向結構底物的產物有93%外消旋，7%有旋光。有旋光外消旋OBsOAcOBsOAcOAc+AcOH+

-OAc-1234OAc

56123654773475

OAc

6211234567+375

624

1+51535322267OTs44+ChinaPharmaceuticalUniversity2)π電子參與 例：對向-7-取代原菠烯形成非經典碳正離子：TsOAcOHOAcOAcHOAc+35764

13574

13574

1562627627623

+

6同向-7-取代原菠烯形成經典碳正離子：

7

+

434

11 13)一種碳鎓離子的形成可通過幾種途徑 例：原菠基正離子的形成H

X375

624

1+375

624

1σ途徑

SbF5

π途徑SbF5X

三、親核取代反應定義： 親核試劑提供一對電子與碳原子形成新的共價鍵， 碳原子與離去基團之間原有的共價鍵斷裂， 離去基帶著一對電子離開分子。通式：R-X+Y：R-Y+X：ChinaPharmaceuticalUniversity四種反應實例

四種SN反應類型(A)neutralsubstrate+neutralnucleophile(B)neutralsubstrate+anionicnucleophile(C)cationicsubstrate+neutralnucleophile(D)cationicsubstrate+anionicnucleophileChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversity

1.TheSN1Reaction1)KineticsoftheSN1Reaction first-orderreaction

v=k[RX]2)MechanismoftheSN1Reaction generallytwosteps

therate-limitingstepisthereactantgiveacarbocationintermediateC+Br舉例：H3CCBrCH3CH3H3CCH3 +CH3H3CCH3COCH3H HRate-limitingstepFaststep

-OH2OH2H3CCOHCH3CH3SN1反應勢能圖：G#R++:X-

Carbocation intermediateRX+:Nu-

RNu+:X-

ReactionCoordinate(progress)

ChinaPharmaceuticalUniversitySincecarbocationsareplanerand sp2-hybridized,theyareachiral.ThusifwecarryoutanSN1reactionononeenantiomerofachiralreactant,theproduct(aracemicmixture)mustbeopticallyinactive.3)StereochemistryoftheSN1ReactionR1R2BrR3R1R2R3R2R3OHHOR3R2CC+Nu:

R1 C-Br-慢OH-快+R1 C以有光學活性的底物為例：4)CharacteristicsoftheSN1Reaction (1)TheSubstrate

形成的碳正離子愈穩(wěn)定，底物的活性就愈大

TheSN1reactivityorderforreactants:

CH3<10

<Allyl~Benzyl~20

<30CH3BrC2H5Br(CH3)2CHBr(CH3)3CBr反應速度0.581.00261108

CH3-CH3CH2- (CH3)3C-CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C-R相對水解速度

(80%丙酮溶液)2.015.420.0 67.0 4.5*105R OPNB

的水解

B

張力 效 應 增 大底物的空間張力大，形成張力小的產物的傾向強，反應活性大－－B張力效應ChinaPharmaceuticalUniversityCH3

OHC(CH3)3CH3CH2

CH2+CCH3

OPNB 80%丙酮

H2O

82%(消除產物)

18%(取代產物)OPNB 80%丙酮

H2OCCH383%(重排產物)舉例：1.2.有張力的底物，傾向于生成張力最小的產物ChinaPharmaceuticalUniversity(2)TheLeavingGroup愈容易離去，反應速度愈快I>Br>Cl>F離去能力：可極化度減小，離去能力降低a.b.C.CF3COOCH3COO-->106倍d.e.N-

+ N

-RO、OH

離去能力強離去能力差，需催化SO3O2NSO3H3C-->10倍ChinaPharmaceuticalUniversity(3)TheSolventA.對SN1反應的影響：

溶劑的極性↑，有利于SN1反應的進行。這是因為該反應在過渡狀態(tài)已出現了部分正負電荷的高度極化狀態(tài)，而極性溶劑的存在，有利于過渡狀態(tài)的形成和進一步的離解。

B.對SN2反應的影響：溶劑對SN2反應的影響較為復雜，通常情況下是增強溶劑的極性對反應不利。反應前后沒有電荷變化，過渡態(tài)也沒產生新的電荷，只是電荷有所分散，因此溶劑對反應的影響不大。但溶劑極性↓，還是有利于反應的進行；溶劑極性↑，反而會使極性大的親核試劑溶劑化，使反應速度有所減慢。R//LWinstein的離子對－溶劑化學說R-L

+RL-+-R++L-離子化解離緊密離子對溶劑隔離離子對溶劑效應會影響SN1反應產物構型比例，舉例：α-氯代乙苯的水解反應ChinaPharmaceuticalUniversityPhCl

H3CPhPhHOCH3PhHOCH3PhPhCH3OHCH3CHC H+Cl-[]H2OCH3

+C H+Cl-CCC+

H2%

H49%

H 49%

H2OH2O80%丙酮R//LH證明離子對-溶劑化學說中離子對的存在ClPhNO2

OOCClNO2ClPh

Ph HOCNO2HC1880%丙酮

OC＋-C18C

O O18R-L

+RL-+-R++L-R//L+N3證明離子對-溶劑化學說中離子對的存在R-L

+RL-+-R++L-強親核試劑，親核反應速度快。親核反應發(fā)生在緊密離子對階段，產物為構型轉化產物。說明很強的親核試劑堵住了離子逆轉的消旋化道路。

ClPhNO2ClHC

18

OOC-N3PhHCR//L證明離子對-溶劑化學說中離子對的存在R-L

+RL-+-R++L-ClNO2ClPhNO2ClHOCNO2OClHOCNO2OHC

18

OOCHC

O18

OC衡k平C＊

Ph標記反應物

Ph光學活性反應物k消旋C

Ph消旋化產物＊平衡速度大于消旋化速度意味著反應發(fā)生在解離的離子步驟之前。外消旋速度大于平衡速度意味著反應發(fā)生在解離的離子步驟之后。2.TheSN2Reaction1)KineticsoftheSN2Reaction Thereactionsshowsecond-order kinetics:

v=k[RX][Nu-]HO-+CH3-BrHO-CH3+Br-

20%NaOH80%MeOHChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversity2)MechanismoftheSN2ReactionDirectdisplacement.Involveasinglerate-determiningtransitionstatewithoutanintermediate.ChinaPharmaceuticalUniversity勢能圖：

3)StereochemistryoftheSN2ReactionSN2reactionoccurswithinversionofstereochemistryatthecarbonatombecausethenucleophilicreagentattacksthebackside.NuX#

R1R2XNu:CR3慢-

+R2Nu

R1CR3+-快XChinaPharmaceuticalUniversity(CH3)(CH2)5SN2反應構型反轉的實驗證明：HH3COHTsCl(CH3)(CH2)5HH3COTs(CH3)(CH2)5

H3C

HOAcAcO H3CH (CH2)5CH3CC(+)-2-辛醇AcCl/PyC(+)-乙酸-2-辛酯

+［CH3CH2]4NOAc-C(-)-乙酸-2-辛酯[α]D+0.84[α]D-0.85ChinaPharmaceuticalUniversity4)CharacteristicsoftheSN2Reaction空間效應取代基愈小，位阻愈小，反應速度愈快。在SN2反應中，底物的反應活性與SN1的相反。+CH3>10>Allyl~Benzyl>20>30b)電性效應(a)具有烯丙基或芐基結構的底物

SN2反應速度加快，中心碳原子的P軌道與π體系 共軛使過渡態(tài)更穩(wěn)定。(b)若底物上連有吸電子基，可使SN2反應速度加快XCH2Cl+I-XCH2I如：親核試劑的影響是至關重要的:

顯然，親核試劑的親核能力↑，濃度↑，反應υ↑。

試劑親核能力的強弱取決于兩個因素：a.

試劑的堿性(即給電子性)；b.試劑的可極化性(即極化度或變形性)。

(1)

試劑的堿性：

試劑的堿性與親核性是兩個不同的概念，二者的關系可能一致，也可能不一致。A.親核性與堿性一致：

a.

同周期元素所形成的親核試劑

b.同周期中的同種原子形成的不同親核試劑B.親核性與堿性不一致(親核試劑體積大小的影響)：

(2)

試劑的可極化性

可極化性系指分子中周圍電子云在外電場的影響下發(fā)生形變的難易程度。易形變者，可極化性大。

在親核取代反應中，可極化大的原子或基團，因形變而易于接近反應中心，從而降低了達到過渡狀態(tài)所須的活化能，故親核能力增強。

顯然，同族元素，隨原子序數的增大，核對核外電子的束縛力↓，可極化性↑，親核能力↑。

綜上所述，判斷一個試劑親核能力的大?。?/p>

對于同周期元素或同種原子形成的親核試劑，可用其堿性的強弱來判斷；

對于同族元素形成的親核試劑，可用可極化性的大小來判斷。

3.離去基團的影響

無論SN1反應，還是SN2反應，在決定反應的關鍵步驟中，都包含C―X鍵的斷裂，因此，離去基團X―的性質對SN1反應和SN2反應將產生相似的影響，即鹵代烷的活性次序是：

這一活性次序可從C―X鍵的離解能、可極化性、離去基團的堿性等方面來說明。

由此可見，I－既是一個好的離去基團，又是一個好的親核試劑。因此，這一特性在合成中有著重要的用途。

4.溶劑的影響

溶劑對SN2反應的影響較為復雜，通常情況下是增強溶劑的極性對反應不利。反應前后沒有電荷變化，過渡態(tài)也沒產生新的電荷，只是電荷有所分散，因此溶劑對反應的影響不大。但溶劑極性↓，還是有利于反應的進行；溶劑極性↑，反而會使極性大的親核試劑溶劑化，使反應速度有所減慢。CH3CH3

OHCδ+

NNMe2

NMe2NMe2δ-Oδ+

P有一定極性的非質子性溶劑，正極埋在溶劑分子內部，負極與親核試劑的正離子形成離子-偶極鍵，將親核試劑正負離子隔開，使親核負離子裸露，故中等極性非質子性溶劑適合SN2反應。

極性非質子性溶劑適于SN2反應δ-SH3CH3CO為何在非質子性溶劑中加入少量冠醚做催化劑，能加快SN2反應速度？

以親核試劑KOAc為例，

OOOOOK

O+

-OAc冠醚絡合金屬陽離子，將負離子親核試劑裸露在外，促進反應進行。同時，形成的絡陽離子與陰離子的離子對在有機相中溶解度更好，構成相間催化劑。ChinaPharmaceuticalUniversity常用親核試劑：ChinaPharmaceuticalUniversity(3)TheleavingGroupTheweakestbasesareindeedthebestleavinggroups.Relativereactive:OH-,NH2-,OR-,<F-<Cl-<Br-<I-<TsO-由于親核試劑的參與作用幫助了SN2反應中離去基團的離去，因此，離去基團對反應速度的影響不如SN1那樣顯著。一個反應往往不是絕對的SN1或SN2舉例：PhClPhOMeCH3PhClCH3PhOHCH3CHCH3ONaCH3OHCH3CH61%構型轉化39%消旋CHH2OCH3COCH3CH95%消旋5%構型轉化 ChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversityChinaPharmaceuticalUniversity底物所帶的親核取代基參與了同一分子中另一部位的取代反應。鄰基、遷移起點碳原子、遷移終點的碳原子形成“橋型”離子中間體，最終促進離去基團離去，或同時發(fā)生重排反應。環(huán)狀溴正離子芳基正離子碳鎓離子由于鄰基參與親核作用，離去基團的離去變得更容易，反應速率加快，產物構型保持。鄰基參與(Neighboringgroupassistance)如：發(fā)生了二次SN2取代，各引起一次構型改變，凈結果是構型保持。第一步：鄰位基團充當親核試劑，推出離去基團；第二步：更強的親核試劑進攻中心碳，推出鄰基。親核試劑與底物發(fā)生分子碰撞才能反應，鄰基有天然優(yōu)勢，形成的橋型離子中間體活性增強，親核試劑最終進攻變得容易。

R1CR2R3C R4..ZX

R1CR2C R3R4.Nu.+Z

R1CR2R3C R4..ZNu反應過程：-..OCH3-COO-、-OCOR、-COOR、-COAr、-OR、-OH、

-NH2、-NHR、-NHCOR、-SH、-SR、-S、-I、

-Br、-Cl

鄰位基團參與的幾種情況：1.含未共用電子對的基團參與OOH-

OCCOH CH3..O H-例1.羧基氧負離子參與：

O C慢C O HCBrC H CH3ChinaPharmaceuticalUniversity

例2.乙酰氧基參與：對甲苯磺酸－2－乙酰氧基環(huán)己酯的溶劑解反應

OTs O OCCH3反式k=1.9X10-4(100oC)

OTs OCOCH3

順式k=2.9X10-7(100oC)

OCOCH3+OTsOCOCH3OCOCH3CH3COO-CH3COOHCH3

O +CO+C-OTs O O +-CH3COO-CH3

OCOCH3

O OCCH3

O CCH3O O OCCH3

OCOCH3順式反式

CH3COO

OTs O OCCH3反式反式反式CH3

OO

CH3OC2H5

O +COC2H5OHCOTs OOCCH3-OTs非手征乙酰氧鎓中間體的證明：ChinaPharmaceuticalUniversity例3.烷氧基參與HAcOHOAcCH3O HOBsCH3HCH3O+H

HBsO

CH3

OCH3

H12

3CH3

45

H2314H5

H. - AcO

HAcO-H

CH3

OCH3

H2

314H5CH3O H

H12

3CH3

45對溴苯磺酸-4-甲氧基-1-戊酯對溴苯磺酸-5-甲氧基-2-戊酯底物不同，但經鄰位烷氧基參與得到相同氧鎓中間體，溶劑解生成相同產物。ChinaPharmaceuticalUniversity例4.環(huán)醚中氧原子的鄰位效應XOXOXOX10.00140.144.85x104+O

不穩(wěn)定+O

不穩(wěn)定+O

穩(wěn)定溶劑解相對速度：例5.氮原子參與NEtClH2O OH-NEtOHNH2(CH2)nBr(CH2)n

+NH2Br-(1)(2)(3)n=2、4、5、6，產物穩(wěn)定NHCOCH2CH2CH2BrONOBr OH-+H2O+Br--NH2、π電子參與OTsHHTsOOTsHABC乙酸解速度

A>B,107倍

A>C,1011倍 舉例：δ解釋：OTsHHδ+

-OTsH +OAc-HOAcΠ鍵與取代基為對向，參與碳鎓離子形成，OAc從背面進攻，得到構型保留溶劑解產物。雙鍵π電子參與碳鎓離子形成，對正電荷的離域有幫助，可促進碳鎓離子的穩(wěn)定。

TsO

HOAc-+++

AcOΠ鍵與取代基為同向，由于位阻，不能鄰位參與，生成經典碳正離子，重排成更穩(wěn)定的烯丙基正離子，生成重排后的溶劑解產物。 OTsH3CCH3HH3CCH3HH

CH3OAcHH3C

HH3C AcOC

HCCH3COOH-OTsCC

3、苯基參與形成“苯橋正離子”，正電荷離域到芳香環(huán)中。舉例：對甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯乙酸解反應

+AcO-AcO-C

HCCC H CH3+蘇式OTsH3CHHH3CHHCH3

HH3CCH3

HH3C AcOCCH3CCH3COOH-OTsCC+AcO-AcO-CCH3

H C OAcCC H+赤式ChinaPharmaceuticalUniversity苯基的鄰位參與受溶劑效應影響，也受苯基上的取代基的影響。1、溶劑親核性強，發(fā)生正常取代可能性大；溶劑親核性弱，橋碳正離子易形成，重排發(fā)生。2、苯環(huán)上有吸電子基，碳正離子離域受影響，正常取代；苯環(huán)上有推電子基，穩(wěn)定橋碳正離子，重排發(fā)生。ChinaPharmaceuticalUniversity六、碳正離子的重排反應烷基、芳基或氫帶著電子從一個碳原子轉移至另一個碳原子上碳正離子中心的P軌道與發(fā)生轉移的軌道基本共平面。舉例：負氫轉移：1,2-