飽和碳原子的親核取代反應(yīng)課件

第四章取代反應(yīng)123飽和碳原子的親核取代反應(yīng)芳香族的親電取代反應(yīng)芳香族的親核取代反應(yīng)Ⅰ、飽和碳原子的親核取代反應(yīng)1234反應(yīng)類型反應(yīng)機(jī)理5立體化學(xué)鄰基參與的作用影響反應(yīng)活性的因素一、概述1.1親核取代反應(yīng)？L=離去基團(tuán)：鹵素,OH,OTs…..等；Nu=親核試劑：OH，OR…..等。分子中原子或基團(tuán)被親核試劑原子或基團(tuán)取代的反應(yīng)。

親核試劑帶一對電子進(jìn)攻中心碳原子，而離去基團(tuán)帶著一對電子離去。1.2親核取代反應(yīng)的重要性有機(jī)化學(xué)中非常重要的一類反應(yīng);

在理論研究中和有機(jī)合成實(shí)際中都是極其有用的一類反應(yīng)。以鹵代烴為例，進(jìn)行親核取代反應(yīng)可以得到那些類型化合物？1.3機(jī)理的研究由于該反應(yīng)涉及到底物的性質(zhì)和親核試劑的性質(zhì)，基于兩者，這類反應(yīng)按其機(jī)理的不同分為兩種極限情況討論，如：SN1和SN2。離子對機(jī)理二、親核取代反應(yīng)機(jī)理1、反應(yīng)類型⑴底物為中性分子，親核試劑帶著一對孤對電子；例如：例如：⑶底物帶有正電荷，親核試劑帶有孤對電子；⑷底物帶有正電荷，親核試劑帶有負(fù)電荷：例如：（1）單分子親核取代(SN1)反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理：第一步碳正離子的生成；第二步親核試劑進(jìn)攻碳正離子。一級反應(yīng)2、反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)的位能曲線：

E反應(yīng)進(jìn)程E1ΔHE2第一步為決速步驟例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應(yīng)按SN1機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)的體系：叔鹵代烷及其衍生物和被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物。反應(yīng)的能量變化可用位能曲線表示：

EEaΔH反應(yīng)進(jìn)程軌道重疊程度相同；體系能量最高。（3）離子對機(jī)理介于SN1與SN2之間的機(jī)理，建立在SN1機(jī)理基礎(chǔ)之上。

底物的解離成碳正離子是經(jīng)幾步完成的，形成不同的離子對。例如：構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物sp2(R)-(-)-2-辛烷[α]25D=-34.25°(S)-(-)-2-辛醇[α]25D=-9.90°構(gòu)型翻轉(zhuǎn)構(gòu)型保持構(gòu)型轉(zhuǎn)化SN1++實(shí)際上，SN1反應(yīng)往往伴隨構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物

當(dāng)C+不是足夠穩(wěn)定時，由于L的屏蔽效應(yīng)，Nu:從L背后進(jìn)攻中心碳原子的機(jī)會增大，故構(gòu)型轉(zhuǎn)化增多。外消旋產(chǎn)物的比率與生成C+離子的穩(wěn)定性有關(guān)A

ClC消旋化收率（%）ABC4672100碳正離子穩(wěn)定性：CBA三、影響反應(yīng)活性的因素

底物的結(jié)構(gòu)；親核試劑的濃度與反應(yīng)活性；離去基團(tuán)的性質(zhì)；溶劑效應(yīng)。（1）底物結(jié)構(gòu)的影響（空間效應(yīng)，電子效應(yīng)）A.SN2反應(yīng)的空間效應(yīng)鹵代烷的反應(yīng)活性順序：甲基>伯>仲>叔a.反應(yīng)底物的分子烴基中-C上的支鏈越多，SN2的反應(yīng)越慢。

b.對于-C上支鏈越多，也會使SN2速度減慢。例如：相對速度:1410-1

310-2110-5R: CH3CH2CH3CH2CH2(CH3)2CHCH2(CH3)3CCH2新戊基鹵代烷幾乎不發(fā)生SN2反應(yīng)當(dāng)?shù)孜镏行奶荚舆B有較大基團(tuán)時，Nu:難于從背后接近底物。c.-C是不飽和碳，SN2很難發(fā)生。p-共軛效應(yīng),X很難離去。如:很難水解,要在強(qiáng)烈的條件進(jìn)行。B.SN2反應(yīng)的電子效應(yīng)R CH3CH2 CH2=CHCH2C6H5CH2

相對速度140120

d.若-C是不飽和碳，則SN2極易進(jìn)行。例如：當(dāng)R是烯丙基或芐基時，SN2反應(yīng)的平均速度都比乙基大得多。e.若-C上連有C=O、CN等吸電子基團(tuán)，SN2速度大大加快。如：以Z代表這類基團(tuán)，則ZCH2Cl與I

反應(yīng)。ZCH3CH2CH2 CH3CH2OCONCCH3CO相對速度

11.710131033.5104

過渡態(tài)中-C的p軌道與羰基或氰基的p軌道重疊而使過渡態(tài)能量降低的緣故。f.-C是橋頭碳，分子的立體結(jié)構(gòu)使親核試劑沒有從背面進(jìn)攻的可能，所以這樣的化合物不能按SN2反應(yīng)歷程進(jìn)行反應(yīng)。

A.空間效應(yīng)四面體平面三角型109o28’120oSN1反應(yīng)：空間效應(yīng)和電子效應(yīng)空間位阻加快SN1反應(yīng)速率例如：RBr在水中的溶劑解相對速度:RBr50oC水中MeBr1.00EtBr1.00i-PrBr11.6t-BuBr1.2×106a.底物-C上取代基多，空間位阻大，SN1反應(yīng)速率快。B.電子效應(yīng)使中間體的碳正離子穩(wěn)定的因素，都能使SN1反應(yīng)的反應(yīng)速率增大。相對速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.86100~105~1010

當(dāng)取代基具有＋I(xiàn)、超共軛效應(yīng)、＋C效應(yīng)，SN1反應(yīng)速率增大,反應(yīng)活性增大。b.-C含有-OH，-SH，-NR2

時，碳正離子穩(wěn)定，反應(yīng)速度快。C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN1反應(yīng)速率1091.00.2d.若-C為不飽和的芐型式或烯丙基型化合物的SN1反應(yīng)速度快，與SN2一致。

例如：R-OTs在乙醇中醇解相對速度。RCH3CH2-CH2=CH-CH2-PhCH2-相對反應(yīng)速度133385c.-C為不飽和的鹵代烷很難發(fā)生SN1反應(yīng)，與SN2一致。f.若-C為橋頭C，SN1反應(yīng)難以發(fā)生。但有些相當(dāng)大的環(huán)可使橋頭能夠形成結(jié)構(gòu)近似于平面的碳正離子。例如：溴代烷在25C，80%乙醇中溶劑解的相對速度。

相對速度e.當(dāng)-C上有-C=O，-CN時，由于吸電子基，不利于C-L鍵的離解。SN1反應(yīng)速度慢。（2）親核試劑的強(qiáng)度親核試劑的親核性愈強(qiáng),濃度愈高,SN2反應(yīng)速度愈快。規(guī)律：1）帶有負(fù)電荷的試劑的親核性強(qiáng)于它的共軛酸;－OH>H2O,CH3O->CH3OH2）帶負(fù)電荷的試劑，負(fù)電荷越集中，親核性越強(qiáng)。中性的試劑，進(jìn)攻的原子電子云密度越集中，親核性越強(qiáng)。RO->HO->>RCO2->ROH>H2OCH3O->PhO->CH3CO2->NO2-堿性：試劑與質(zhì)子結(jié)合的能力；親核性：試劑與帶有部分正電荷的碳原子結(jié)合的能力。A.當(dāng)進(jìn)攻原子為同一原子時，親核性強(qiáng)度與堿性一致；電子云密度半徑，電負(fù)性B.親核原子是同一周期元素，其親核性大小與堿性強(qiáng)弱次序大致相同，即同周期的元素，電負(fù)性越大，試劑的親核性越弱；

當(dāng)試劑中進(jìn)攻的原子不同族且不同周期時，試劑的親核性強(qiáng)度順序與堿性有時不同。堿性：C2H5O->I-親核性：I->C2H5O-堿性親核性可極化性可極化性C.試劑中的進(jìn)攻原子為同族原子時，原子的可極化度越大，試劑的親核性越強(qiáng)（較遠(yuǎn)即可形成過渡態(tài)）；F-<Cl-<Br-<I-RO-<RS-<RSe-<RTe-D.當(dāng)親核試劑中取代基的空間效應(yīng)較大時，則不利于試劑接近底物分子。

因此，對于試劑的親核性，取代基的空間效應(yīng)大于其電子效應(yīng)。堿性很強(qiáng)，負(fù)電荷也很集中，但由于烷基具有較大的空間效應(yīng)，故其親核性很弱。親核性依次減小。同理：親核性依次減弱，堿性依次增強(qiáng)。親核試劑不影響SN1的反應(yīng)速度（3）離去基團(tuán)離去基團(tuán)越穩(wěn)定，親核取代反應(yīng)速率越大。A.較好的離去基團(tuán)是強(qiáng)酸的共軛堿（越穩(wěn)定）；共軛酸1共軛堿2共軛堿1共軛酸2

重要的離去基團(tuán)是pKa<5的酸的共軛堿，如：I-是強(qiáng)酸HI的共軛堿。通常，L堿性愈弱、愈穩(wěn)定，愈容易離去。在極性質(zhì)子溶劑中，常見基團(tuán)離去的傾向順序：H由此可知：OH、OR、NH2不是好的離去基團(tuán)。ROH,ROR’親核取代需酸催化。L:TsOHMsO-CF3SO3-是最好的離去基團(tuán)。TsO-B.成鍵原子的可極化度越大，離去基團(tuán)越易離去。的溶劑解的相對速率為：FClBrI可極化度依次增大離去基團(tuán)Lk相對

N3-

+CH3L(CH3OH)(SN2)(CH3)3C-L+H2O/C2H5OH(SN1)Cl-11Br-6339I-10099TsO-630150000離去基團(tuán)對SN1，SN2反應(yīng)的速率的影響有差別。（4）溶劑效應(yīng)（μ＝0）（μ≠0）非極性溶劑：CCl4,,CS2,極性溶劑質(zhì)子型：EtOH,H2O,CH3COOH非質(zhì)子型：THF,Et2O,DMF,DMSO氫鍵偶極-偶極作用力極性溶劑可以穩(wěn)定正離子，也可穩(wěn)定負(fù)離子。常見的極性非質(zhì)子型溶劑有：N,N-二甲基甲酰胺DMF二甲亞砜DMSO六甲基磷酰胺HMPT

DMA1、SN1反應(yīng)一個中性化合物離解為兩個帶電荷的離子，溶劑極性的提高，將穩(wěn)定碳正離子，使反應(yīng)速率加快。NuR快溶劑化效應(yīng)溶劑化：溶質(zhì)和溶劑相互作用叫溶劑化。它是指溶液中溶質(zhì)被周圍溶劑分子包圍起來的現(xiàn)象。R+L-和溶劑水的作用：2．SN2反應(yīng)電荷增加電荷分散+++電荷分散電荷分散---溶劑的極性易穩(wěn)定過渡態(tài)溶劑的極性易穩(wěn)定反應(yīng)物3．極性質(zhì)子性溶劑使親核試劑溶劑化，增加親核試劑的穩(wěn)定性，降低其親核活性。不利于SN24．極性非質(zhì)子溶劑如DMF,DMSO,HMPT等，親核試劑完全暴露，未溶劑化，對SN2有利的。在水、醇等質(zhì)子溶劑中，I->Br->Cl->F-親核性與堿性相反。在DMF、DMSO中，F(xiàn)->Cl->Br->I-親核性與堿性一致。舉例：質(zhì)子型溶劑與非質(zhì)子型溶劑對SN2反應(yīng)的影響：DMF3×103CH3OH3×10-2問題：下列反應(yīng)在哪種溶劑中易于進(jìn)行，是DMF還是CH3OH?為什么？雜原子（孤對電子）的鄰基參與；

π電子的鄰基參與；

σ－參與作用。四、鄰基參與作用分子內(nèi)的親核取代反應(yīng)例如：

在以上兩個反應(yīng)中，Cl-離去是由O-或N的幫助完成的，這種作用通常稱為:鄰基協(xié)助或