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1、第五章 饱和碳原子上亲核取代反应(Aliphatic Nucleophilic Substitution),1、掌握亲核取代反应类型和反应机理（SN1机理；SN2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和立体化学,一、教学目的和要求,二、教学课时2课时,一.反应类型,亲核取代反应的通式：,亲核试剂带着一对电子进攻中心碳原子，离去基团带着一对电子离开。,底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：,底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：,底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：,亲核试剂带有负电荷：,常见的亲核取代反应（1）被羟基(-OH)取代
2、（2）被氰基(-CN)取代（3）被烃氧基(-OR)取代（4）被氨基(-NH2)取代（5）被硝酸根(-ONO2)取代,反应通式：,二、亲核取代反应机理（历程）,（1）SN1单分子亲核取代反应（2）SN2 双分子亲核取代反应,(1)N1 单分子亲核取代反应,叔卤代烃的水解反应是单分子反应历程。它的反应速率表示为：,(R)3C-X,第二步：,第一步：,叔正碳离子,+-,过渡态A,过渡态B,+-,由于反应速率由慢的第一步控制，其速率只与叔卤代烃的浓度有关，而与亲核试剂的浓度无关。这种反应历程称为单分子反应历程，用 SN1表示。,叔丁基溴水解反应（SN1）的能量曲线,SN1反应的难易取决于正碳离子的稳定
3、性。,正碳离子稳定性顺序:3正碳离子2 1 CH3 不同卤代烷进行SN1的相对速度：叔卤代烷 仲伯 CH3X,SN1反应的特点：,属于单分子反应。反应分两步进行，决定步骤是活泼中间体正碳离子的形成。产物构型外消旋化。反应中常伴有重排反应发生。,叔卤代烷按SN1历程进行的解释,SP2,从立体化学看，由于试剂能在平面的两侧进攻，所以可以得到构型保持和构型转化的产物。,反应过程,例：s-3-溴-3-甲基己烷水解,碳正离子的重排。例如：,（2）SN2反应：双分子亲核取代反应,溴甲烷的碱性水解过程是双分子反应历程。,CH3BrOH-,由于反应速度不但与卤代烷的浓度有关，而且与亲核试剂浓度有关，此历程为双
4、分子反应历程，用SN2表示。,反应机制：,当处于“过渡态”时，新键(C-O)尚未完全形成，而旧键(C-Br)也没有完全断裂，即在反应过程中，旧键的断裂和新键的形成是同时进行的，其过渡态只是转变过程中的活化状态，不是中间体，故反应是一步完成的。,过渡态,SP2,+-,-+-,SN2的能量曲线：,SN2反应的难易取决于卤代烷的空间位阻的大小，空间位阻愈小，愈易按SN2反应。,空间位阻大小的顺序:CH3X 伯卤代烷仲 叔,SN2反应历程的特点：,属于双分子反应。反应一步完成。反应过程伴随构型转化。,SN2反应过程,新键C-O形成和旧键C-Br断裂同时进行，产物构型翻转。,SN2反应的立体化学,R-2
5、-溴辛烷 过渡态 S-2-辛醇,三、影响亲核取代反应机制和活性的因素,在一个反应中，SN1和SN2反应是同时存在的。哪种占优势，受多种因素的影响。,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,不同卤代烃SN2相对反应活性为：CH3X 伯卤烃 仲卤烃 叔卤烃原因：烷基的空间效应,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
6、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。,小结：,叔卤代烃易按SN1历程进行。伯卤代烃易按SN2历程进行。仲卤代烃可同时按SN1和 SN2历程进行。,（二）亲核试剂的强度,Nu
7、:在 SN2反应中起着重要作用,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
8、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。,对于SN2反应，亲核试剂的亲核性越强、浓度越高，显然越有利SN2过渡态的生成，所以，有利于SN2反应的进行。当然，亲核试剂的空间位阻大，会阻碍其从背面接近中心碳，使SN2反应速度降低。在SN1反应中，由于速度决定步骤是C+中间体的形成
9、，而亲核试剂并没有参与这步反应，所以，亲核试剂的亲核性强弱对SN1反应速率影响不大。,（三）离去基团的影响,无论是SN1还是SN2，都要发生C-X键的异裂，卤素成负离子离去。所以，键能的大小、键的极化度大小、卤负离子的碱性大小及离去的难易，都对反应历程有影响。卤素做为离去基团，它的离去倾向愈大，则愈易进行反应。一般原子半径愈大，则离去的倾向愈大。卤代烃中卤素活性为：-,RX的活性检验,（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）,（0）,非极性溶剂：CCl4,CS2,极性溶剂,质子型：EtOH,H2O,C
10、H3COOH,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。,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
11、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：,通常来说，溶剂极性大有利于SN1历程，溶剂极性小有利于SN2历程,例如，苄基氯的水解，以水为溶剂时，反应按SN1机制进行；若用丙酮为溶剂，则按SN2机制进行。,练习题：卤代烷与NaOH在水-乙醇溶液中进行反应，从下列现象判断哪些是SN2，哪些是SN1？（1）产物的构型完全转变（2）有重排产物（3）增加NaOH的浓度，反应速度明显加快（4）叔卤代烷反应速度明显大于仲卤代烷（5）反应不
12、分阶段一步完成（6）二步反应，第一步是决定步骤（7）一级卤代烷速率大于三级卤代烷,比较下列化合物SN2反应速率大小,312,比较下列化合物SN1 反应速率：,123,四、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,在亲核取代反应中，某些取代基当其位于分子的适当位置，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（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。若邻基参与作用发生在决速步骤之后，此时只有
13、邻基参与作用而无邻基促进。邻基参与的结果，或导致环状化合物的生成，或限制产物的构型，或促进反应速率异常增大，或几种情况同时存在。,能发生邻基参与作用的基团通常为具有未共用电子对的基团、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。因此邻基参与的类型有：n电子参与、电子参与和电子参与等。,（一）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：COO-、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、HR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl。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：,如旋光的-溴代丙酸盐的水解，得到构型保持的产物,经历两次SN2,3-溴-2-丁醇与HBr的取代,（二）键作为邻基参与基团,邻基参与作用特点：1、反应速度明显加快-氯代二乙硫醚的水解速度比相应的-氯代二乙基醚快10000倍,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,
