物理有机化学第4章亲核取代.ppt

第4章 亲核取代反应(Aliphatic Nucleophilic Substitution),一.亲核取代反应反应类型 二.亲核取代反应反应机理(Reaction Mechanism)()1.SN1机理()2.SN2机理()3.离子对机理()三.立体化学1.SN2反应()2.SN1反应(),四.影响反应活性的因素()1.底物的烃基结构2.离去基团(L)3.亲核试剂(Nu:)4.溶剂五.正碳离子(Carbocations)非经典正碳离子六.邻基参与作用,1、掌握亲核取代反应类型和反应机理（SN1机理；SN2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 三、教学课时2课时,一.亲核取代反应反应类型 连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基团取代的化学过程。,亲核取代反应可以分为以下四种类型：,（）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。如：（）作用物与亲核试剂都是中性分子。如：(CH3)3 RN+(CH3)3（）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。如：RN+(CH3)(CH3)（）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。如：RN+(CH3)32S RS+H2(CH3)类型（1）和（4）反应前后无电荷变化，类型（2）和（）反应前后有电荷变化，但两者相反。,RCH2A+Nu：RCH2Nu+A：,中心碳原子,底物,（进入基团）亲核试剂,产物,离去基团,受进攻的对象,一般是负离子或带未分电子对的中性分子,亲核试剂(Nu)：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。底物：反应中接受试剂进攻的物质。离去基团：带着一对电子离去的分子或负离子。,二.亲核取代反应机理,1.单分子亲核取代（Substitution Nucleophilic Unimolecular)(SN 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)(SN 2)反应机理,典型的SN2反应是协同历程，R键的断裂和Ru键的形成协同进行。动力学研究表明：这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SN 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,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 SN 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SN1 与 SN2 之间的机理，建立在SN1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,SN2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-,Paul Walden(18631957)拉脱维亚化学家,SN2的立体化学,过渡态,构型相反 瓦尔登转化,(R)-(-)-2-辛烷25D=-34.25对映体的纯度=100%,(S)-(-)-2-辛醇25D=-9.90对映体的纯度=100%,=+23.5,SN1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),SN1的立体化学,构型转化,构型保持,事实上，SN1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：,定义：如果反应体系中没有另加试剂，底物就将与溶剂发生反应，这时，溶剂就成了试剂，这样的反应称为溶剂解反应。,（CH3)3C-Br+C2H5OH（CH3)3C-OC2H5+HBr,反应机理,+,-,+,+,+,+,*,*,*,溶剂解反应速度慢，主要用于研究反应机理。,溶剂解反应,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,SN 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SN 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。,SN1反应：,A.电子效应,所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN 1反应的反应速率增大：,相对速率(k1),0.260.690.8610010 510 10,当取代基具有I、超共轭效应、C效应，SN 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)，SN 1反应速率明显增大：,SN 1反应速率,109 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SN 2反应相反，底物上的取代基的空间效应使SN1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 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106,四面体,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 SN2反应中起着重要作用,Nu,规律：,1带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：OH H2O,CH3O-CH3OH,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-RCO2-ROH H2O,CH3O-PhO-CH3CO2-NO2-,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：,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：,H2N-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 5的酸的共轭碱，如：I-是强酸 HI的共轭碱。,TsOH,MsO-,CF3SO3-是最好的离去基团。,2)成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去。,的溶剂解的相对速率为：,FClBrI,可极化度依次增大,1 硫酸根、硫酸酯的酸根、磺酸根为什么是好的离去基团？,CH3O-SO2-OH,CH3O-SO2-OCH3,R-SO2-OH,硫酸,硫酸单甲酯,硫酸二甲酯,磺酸,苯磺酸,对甲苯磺酸,对甲苯磺酸甲酯,苯磺酰氯,氧上的负电荷可以通过硫离域到整个酸根上，从而使负离子稳定，所以负离子易离去。,讨 论,R-OH R-OH2 R+H2O,H+,+,-,+,2 怎样使羟基转变成一个好的离去基团？,3 离去基团离去能力差异的具体应用：好的离去基团总是可以被不好的离去基团所取代。,R-X+AgNO3 RONO2+AgX,好的离去基团,不好的离去基团,（四）溶剂效应,溶剂的性质：,介电常数 越大，溶剂的极性越大。,介电常数是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力。,（0）,偶极距,（0）,非极性溶剂：CCl4,CS2,极性溶剂,质子型：EtOH,H2O,CH3COOH,非质子型：THF,Et2O,DMF,DMSO,HMPT,质子型溶剂,通过氢键缔合,非质子型溶剂,通过偶极与偶极相互作用,极性 溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。,氢原子键合在电负性较大的原子上。,SN 1反应：,一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。,SN 2反应：,在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。,在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。,在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：SH-CN-I-OH-N3-Br-CH3CO2-Cl-F-H2O,SN 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：,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SN 2反应的影响：,溶剂 k2,DMF 3 103CH3OH 3 10-2,问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是 CH3OH?为什么？,五.正碳离子(Carbocations)与非经典正碳离子,含有带正电荷的三价碳原子的原子团。,1.正碳离子的结构,+,C,sp2-sbond,CH3+的轨道结构,sp2-sp3bond,(CH3)3C+的轨道结构,H,H,H,sp2杂环,平面三角构型,空的P轨道,正碳离子的稳定性：,-p超共轭效应：,H,轨道交盖在这里,空的 p 轨道,烯丙型正碳离子：,p-共轭,电子离域,正电荷分散程度大,共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：,共轭效应,当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：,环丙甲基正离子的结构：,空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖,环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：,中心碳原子上的空的 p 轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。,随着环丙基的数目增多，正碳离子稳定性提高。,直接与杂原子相连的正碳离子结构：,氧上未共有电子对所 占 p 轨道与中心碳原子上的空的 p轨道侧面交盖，未共有电子对离域，正电荷分散。,类似地，羰基正离子：,正碳离子的生成：,1)直接离子化,通过化学键的异裂而产生。,2)对不饱和键的加成,3)由其它正离子转化而生成,4)在超酸中制备C正离子溶液,比100的H2SO4的酸性更强的酸超酸(Super acid),常见的超酸 与100H2SO4的酸性比较,HSO3F（氟硫酸）1000倍HSO3F SbF5（魔酸）103倍HFSbF5 1016倍,叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：,很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质中进行的。,叔丁基正碳离子的NMR谱:,非经典正碳离子,1)键参与的非经典正碳离子,实验表明：,反7原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度,相应的饱和化合物,大 1011倍,+,2电子3中心体系,1,2,3,4,5,7,2)键参与的非经典正碳离子,外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯,溶剂解,速度,相应的内型化合物,大350倍,-OBs,六.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,在中心碳原子的邻位上有O,OH,OR,NR2,X,Ph,COO等基团时,都有构型保持的现象。认为这是邻基参与的结果,其过程如下：,例如:-溴代丙酸在碱中水解：,在上述反应中，中心碳原子的构型经过两次转化,结果使产物100%保持原来的构型不变。邻基为什么能参与反应？原因只有一点：因为它比亲核试剂有优越的位置。,当一个进行亲核取代反应的底物分子上还带有一个能作为亲核体的基团,并位于分子的适当位置时，能够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体，从而影响反应的进行，这种现象称为邻基参与作用（Neighboring group participation）。通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为邻基协助或邻基促进。,能发生邻基参与作用的原子团:具有未共用电子对的原子或原子团;含有碳-碳双键等的不饱和基团、具有键的芳基以及C-C和C-H键。分别称为n电子参与、电子参与和电子参与.,1 n 参与,某些化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的位置或更远时，这种化合物在取代反应过程中保持原来的构型。这些取代基包括COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl。上述这些邻基参与历程是由两个连续的SN2反应进行的，每次反应都引起构型转化，总结果是构型保持。第一步，邻基作为亲核试剂促进离去基团L离去；第二步 为外部的亲核试剂Nu-再取代邻基Z而得到产物。,(1)(2),邻基参与效应例子,构型保持,构型保持,（两个手性碳构型同时转化）,赤式,苏式,反应机理,溴鎓 离子,背面进攻,将一个CH3更换成CH2CH3，则得到一对对映异构体,2.参与,C=C键、C=O 键也有邻基参与作用，如反-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于参与，反应速率比相应的饱和酯快1011倍，且产物构型保持。,反应速率特别快的原因是双键的电子向7位上的空P轨道形成同烯丙基非经典碳正离子。,3 环丙基的参与作用,环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。例如内向-反-三环3，2，1，02，4辛基-8-对硝基苯甲酸酯（）的溶剂解速率比化合物（）的溶剂解速率快1014倍。（）（）,4 芳基参与作用,在特定的结构和反应条件下，芳环也可作为邻基参与亲核取代反应。例如：具有旋光性的苏型对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（phenonium ion）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体.,5.参与作用,(I)的速度比(IV)快350倍,邻基参与作用特点：1.反应速度明显加快。如:-氯代二乙硫醚的水解速度比相应的-氯代二乙基醚快10000倍,因为硫的给电子能力强,可极化度比氧大,亲核性强,C-S键比 CO键长。,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,习题1.(1)化合物i的醋酸解是立体专一性的反应,仅生成ii；i ii(2)在醋酸中i的醋酸解比ii快2103倍.i ii 解答:(1),（2）S参与则i醋酸解快。,2.对反应PhCH2Cl+OH-PhCH2OH+CI-可提出下列两种机理，请至少设计两个不同的实验帮助确定实际上采用的是哪种机理。注意：由一个烃基或芳基取代CH2中一个或两个H是难以接受的，因为这样可能使机理完全改变。,2.(1)D取代一个H，然后使用光活性的PhCHDCl确定是构型转化(SN2)还是消旋化(SNl)。(2)SN2机理是双分子的，速率取决于卤代物及OH两者的浓度；SNl机理是单分子的，速率仅决定于卤代物的浓度。所以测量速率是取决于OH-浓度还是与OH浓度无关，将有助于确定其反应机理。(3)SNl机理过渡态中出现正电荷，这意味着环上的吸电子基团将使反应变慢，所以测量环上带有m-和p-取代基的反应速率并计算，值为负时，表明是SN1;值为正则证实为SN2。,3.试设计下列反应的机理,(2)反应途径之一是H2O直接进攻到酰胺基上，生成邻苯二甲酸(途径a)，这样的结果将使所有的18O都占据在标记13C的羧基上。,然而途径b生成对称的酸酐，则导致18O在两个羧基间有相等的分配。,4.取代氯化苄的水解反应得出二个值分别为0.85和0.87，试进行解释，并分别设计符合以上值的历程。,得到二个正负不同的值，说明反应可能有两种不同的反应历程反应第一步为速率控制步骤，当X为推电子基时，对Cl-离去有利该反应为-0.87，表明X为推电子取代基时，反应按SNl历程进行。当X为吸电子取代基时，值为+0.85，表明过渡态时反应中心正电密度高对反应有利，进而证明该反应为SN2历程。,