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1、,第四章 取代反应,1,2,3,饱和碳原子的亲核取代反应,芳香族的亲电取代反应,芳香族的亲核取代反应,、饱和碳原子的亲核取代反应,1,2,3,4,反应类型,反应机理,5,立体化学,邻基参与的作用,影响反应活性的因素,一、概述,1.1 亲核取代反应？,L=离去基团：卤素,OH,OTs.等；Nu=亲核试剂：OH，OR.等。,分子中原子或基团被亲核试剂原子或基团取代的反应。亲核试剂带一对电子进攻中心碳原子，而离去基团带着一对电子离去。,中性分子底物:,带正电荷底物:,1.2 亲核取代反应的重要性,有机化学中非常重要的一类反应;在理论研究中和有机合成实际中都是极其有用的一类反应。以卤代烃为例，进行亲核
2、取代反应可以得到那些类型化合物？,1.3 机理的研究,由于该反应涉及到底物的性质和亲核试剂的性质，基于两者，这类反应按其机理的不同分为两种极限情况讨论，如：SN1 和 SN2。离子对机理,二、亲核取代反应机理,1、反应类型,底物为中性分子，亲核试剂带着一对孤对电子；,例如：,底物为中性分子，亲核试剂带有负电荷；,例如：,底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子；,例如：,底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：,例如：,（1）单分子亲核取代(SN 1)反应机理,反应机理：,第一步 碳正离子的生成；,第二步 亲核试剂进攻碳正离子。,一级反应,2、反应机理,例如：叔卤代烷的水解,反应的位能曲线：,E,反应
3、进程,E1,H,E2,第一步为决速步骤,例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应,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。,（2）双分子亲核取代(SN2)反应机理,动力学研究表明：有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,反应机理为一步反应：,反应的能量变化可用位能曲线表示：,E,Ea,H,反应进程,轨道重叠程度相同；体系能量最高。,（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。底物的解离成碳正离子是经几步完成的，形成不同的离子对。,3、取代反应的立体化学,反应的立体化学与反应机理相关,SN
4、2 立体化学：,例如：,构型翻转产物,sp2,(R)-(-)-2-辛烷25D=-34.25,(S)-(-)-2-辛醇25D=-9.90,构型,翻转,=+23.5,SN1立体化学,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。,消旋化,构型保持,构型转化,SN1,+,+,实际上，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。,外消旋产物的比率与生成C+离子的稳定性有关,消旋化收率（%）,A B C,46 72 100,碳正离子稳定性：,C B A,三、影响反应活性的因素,底物的结构；亲核试剂的浓度与
5、反应活性；离去基团的性质；溶剂效应。,（1）底物结构的影响（空间效应，电子效应）,A.SN 2反应的空间效应,卤代烷的反应活性顺序：甲基 伯 仲 叔,a.反应底物的分子烃基中-C上的支链越多，SN2的反应越慢。,b.对于-C上支链越多，也会使SN2速度减慢。例如：,相对速度:1 410-1 310-2 110-5,R:CH3CH2 CH3CH2CH2(CH3)2CH CH2(CH3)3CCH2,新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应,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。,c.-C是不饱和碳，SN2很难发生。,p-共轭效应,X 很难离去。,如:,很难水解,要在强烈的条件进行。,
6、B.SN 2反应的电子效应,R CH3CH2 CH2=CHCH2 C6H5CH2 相对速度 1 40 120,d.若-C是不饱和碳，则SN2极易进行。例如：当R是烯丙基或苄基时，SN2反应的平均速度都比乙基大得多。,e.若-C上连有C=O、CN等吸电子基团，SN2速度大大加快。如：以Z代表这类基团，则ZCH2Cl与I 反应。,Z CH3CH2CH2 CH3CH2OCO NC CH3CO 相对速度 1 1.7 101 3 103 3.5 104,过渡态中-C的p轨道与羰基或氰基的p轨道重叠而使过渡态能量降低的缘故。,f.-C是桥头碳，分子的立体结构使亲核试剂没有从背面进攻的可能，所以这样的化合物
7、不能按SN2反应历程进行反应。,A.空间效应,四面体,平面三角型,109o 28 120o,SN1反应：空间效应和电子效应,空间位阻加快SN1反应速率,例如：,RBr在水中的溶剂解相对速度:,RBr 50 oC水中MeBr 1.00EtBr 1.00i-PrBr 11.6t-BuBr 1.2106,a.底物-C上取代基多，空间位阻大，SN1反应速率快。,B.电子效应,使中间体的碳正离子稳定的因素，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，SN1反应速率增大,反应活性增大。,b.-C含有-OH，-S
8、H，-NR2 时，碳正离子稳定，反应速度快。,SN 1反应速率,109 1.0 0.2,d.若-C为不饱和的苄型式或烯丙基型化合物的SN1反应速度快，与SN2一致。例如：R-OTs 在乙醇中醇解相对速度。,R CH3CH2-CH2=CH-CH2-PhCH2-,相对反应速度 1 33 385,c.-C 为不饱和的卤代烷很难发生SN1反应，与SN2一致。,f.若-C 为桥头C，SN1反应难以发生。但有些相当大的环可使桥头能够形成结构近似于平面的碳正离子。例如：溴代烷在25C，80%乙醇中溶剂解的相对速度。,相对速度,e.当-C上有-C=O，-CN 时，由于吸电子基，不利于C-L键的离解。SN1反应
9、速度慢。,（2）亲核试剂的强度,亲核试剂的亲核性愈强,浓度愈高,SN2反应速度愈快。,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。,RO-HO-RCO2-ROH H2O,CH3O-PhO-CH3CO2-NO2-,碱性：试剂与质子结合的能力；亲核性：试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力。,B.亲核原子是同一周期元素，其亲核性大小与碱性强弱次序大致相同，即同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱；,当试剂中进攻的原子不同族且不同周期时，试剂的亲核性强度顺
10、序与碱性有时不同。,碱性,亲核性,可极化性,可极化性,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（较远即可形成过渡态）；,F-Cl-Br-I-,RO-RS-RSe-RTe-,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。,亲核试剂不影响SN1的反应速度,（3）离去基团,离去基团越稳定，亲核取代反应速率越大。,A.较好的离去基团是强酸的共轭碱（越稳定）；,共轭酸
11、1,共轭碱 2,共轭碱 1,共轭酸 2,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。,通常，L 碱性愈弱、愈稳定，愈容易离去。在极性质子溶剂中，常见基团离去的倾向顺序：,H,由此可知：OH、OR、NH2 不是好的离去基团。ROH,ROR亲核取代需酸催化。,L:,TsOH,MsO-,CF3SO3-是最好的离去基团。,TsO-,B.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,离去基团L k相对 N3-+CH3L(CH3OH)(SN2)(CH3)3C-L+H2O/C2H5OH(SN1)Cl-1 1 Br-63 39
12、I-100 99 TsO-630 150000,离去基团对SN1，SN2反应的速率的影响有差别。,（4）溶剂效应,（0）,（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,氢键,偶极-偶极作用力,极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。,常见的极性非质子型溶剂有：,1、SN1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，将稳定碳正离子，使反应速率加快。,NuR,快,溶剂化效应,溶剂化：溶质和溶剂相互作用叫溶剂化。它是指溶液中溶质被周围溶剂分子包围起来的现象。,R+L-和溶剂水的作用：,2SN2反
13、应,溶剂的极性易稳定过渡态,溶剂的极性易稳定反应物,3极性质子性溶剂使亲核试剂溶剂化，增加亲核试剂的稳定性，降低其亲核活性。,不利于SN2,4极性非质子溶剂如DMF,DMSO,HMPT等，亲核试剂完全暴露，未溶剂化，对SN2有利的。,在水、醇等质子溶剂中，I-Br-Cl-F-亲核性与碱性相反。在DMF、DMSO中，F-Cl-Br-I-亲核性与碱性一致。,举例：质子型溶剂与非质子型溶剂对SN 2反应的影响：,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？,杂原子（孤对电子）的邻基参与；电子的邻基参与；参与作用。,四、邻基参与作用,
14、分子内的亲核取代反应,例如：,在以上两个反应中，Cl-离去是由O-或N的帮助完成的，这种作用通常称为:邻基协助或邻基参与或邻基效应。,分子内SN2,分子间SN2,分子内SN2：Cl-离去，S：从背面进攻。,分子间的SN2：S-C键断裂，电子转向S+，OH 从反面进攻。,亲核试剂与反应中心的距离适当,条件：邻近基团具有未共用电子对；参与基团与离去基团在分子中处于反式共平面的构象；形成三元环或五元环。结果：生成环状化合物或环状中间体；产物构型保持；反应速度异常增大。,邻基参与的条件及影响结果,1、具有未共用电子对的邻基参与,（1）氧参与,生成五或六元环时，比分子间的取代反应快104106倍生成三元
15、环时也比无环化合物反应快102103倍,能够发生邻基参与的含氧基团有：-O-,-OH,-OCH3,-OCOR,COOR,-CHO,-COAr,Mechanism:,(2)硫参与,（3）氮参与,（4）卤素参与,造成以上结果的原因，都是由于邻基参与反应的结果。,不同的卤素作为邻基参与的能力是不同的。,氟一般不能发生邻基参与作用，因为氟的电负性很强，不易给出电子,亲核性弱。,K,2、具有电子的邻近基团的参与,（1）CC 参与,供电性增加，速度增加,（2）苯基参与,3、参与作用,（1）环丙基作为邻近基团的参与,环丙烷环具有类似于烯烃双键的某些性质，因此可发生邻基参与。,顺式,顺式,三同环丙烯正离子,顺式比反式反应快30倍,（2）C-C单键的参与,反应速度：外/内 350,
