第三章-親核取代反應(yīng)ppt課件

1、離子型反應(yīng)機(jī)理,離子型反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)中最早研究的一類，近年來研究的主要特點(diǎn)是對象與范圍的擴(kuò)大以及對離子型與自由基反應(yīng)或協(xié)同反應(yīng)競爭機(jī)理的研究。例如近來受到重視的一個新反應(yīng)親鹵反應(yīng)，親核試劑可能從正面進(jìn)攻鹵原子（親鹵反應(yīng)）。國內(nèi)研究的親鹵反應(yīng)，受體主要是全鹵型氟鹵烷及多鹵代烷烴，包括尚未見文獻(xiàn)報道的CCl的親氯反應(yīng)；氧親核試劑對CBr、CCl鍵以及中性與負(fù)離子型氮親核試劑對CBr的親鹵反應(yīng)、磷葉立德和羰基葉立德的親鹵反應(yīng)等,內(nèi)容提要,3-1 親核取代反應(yīng)的類型 3-2 親核取代反應(yīng)的機(jī)理 3-3 親核取代反應(yīng)的影響因素 一、底物的結(jié)構(gòu) 二、親核試劑 三、離去基團(tuán) 四、溶劑 3-4 鄰基參與效

2、應(yīng) 3-5 親核取代反應(yīng)實(shí)例,第三章 親核取代反應(yīng)(Nucleophilic Substitution Reaction,第三章 親核取代反應(yīng)(Nucleophilic Substitution Reaction,3-1 親核取代反應(yīng)的類型 1.中性底物與帶孤電子對的中性親核試劑,3.帶正電荷底物與帶孤電子對的親核試劑,2.中性底物與帶負(fù)電荷親核試劑,4.帶正電荷底物與帶負(fù)電荷的親核試劑,3-2 親核取代反應(yīng)的機(jī)理 基本內(nèi)容 一級反應(yīng)和二級反應(yīng) 構(gòu)型保持和構(gòu)型翻轉(zhuǎn) 反應(yīng)機(jī)理：SN2，SN1，離子對 溶劑解反應(yīng),一、一級反應(yīng)和二級反應(yīng) 反應(yīng)速率只取決于一種反應(yīng)物濃度的反應(yīng)，在動力學(xué)上稱為一級反應(yīng)

3、。v=kA 反應(yīng)速率取決于兩種反應(yīng)物濃度的反應(yīng)，在動力學(xué)上稱為二級反應(yīng)。 v=kAB 二、構(gòu)型保持和構(gòu)型翻轉(zhuǎn),R)-2-溴辛烷 D=-34.6o,S)-2-辛醇 D=+9.9o,構(gòu)型保持,構(gòu)型翻轉(zhuǎn),R)- 2-辛醇 D=-9.9o,三、雙分子親核取代反應(yīng) SN2,慢,過渡態(tài),快,sp3,sp2,SN2 的特點(diǎn) 之一 動力學(xué) 之二 過渡態(tài)結(jié)構(gòu) 之三 產(chǎn)物構(gòu)型,用碘原子直接與手性碳原子相連的2-碘辛烷為底物，在溶液中加入128I-，進(jìn)行同位素交換反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)溶液的旋光度逐漸降低外消旋化。根據(jù)溶液旋光度隨時間的變化，測定出外消旋化的速率常數(shù)k2 。用同位素示蹤儀測定碘代烷的放射性，根據(jù)放射性隨時間的變

4、化測定出同位素交換反應(yīng)的速率常數(shù)k2,同位素標(biāo)記法對SN2機(jī)理的研究,其結(jié)果為： k2 =2 k2。由此證實(shí)在SN2反應(yīng)中，只有親核試劑從離去基團(tuán)的背面進(jìn)攻碳原子，才能引起具有手性的碳原子的構(gòu)型發(fā)生改變。一個反應(yīng)的反應(yīng)物構(gòu)型與生成物的構(gòu)型完全相反，這個過程稱為“構(gòu)型翻轉(zhuǎn)” Walden轉(zhuǎn)化,S)-2-碘辛烷,R)-2-碘(128I)辛烷,四、單分子親核取代反應(yīng) SN1,SN1 的特點(diǎn) 之一 動力學(xué)； 之二 中間體結(jié)構(gòu) 之三 產(chǎn)物構(gòu)型,外消旋產(chǎn)物； 反之，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物,碳正離子穩(wěn)定性 離去基團(tuán)離去傾向 親核試劑親核能力 親核試劑濃度 溶劑極性,例1,例2,五 重排和消除產(chǎn)物,當(dāng)化學(xué)鍵的斷裂和形成

5、發(fā)生在同一分子中時，引起組成分子的原子的連接方式發(fā)生改變，從而形成組成相同，結(jié)構(gòu)不同的新分子，這種反應(yīng)稱為重排反應(yīng)。 (1)反應(yīng)機(jī)理,伯碳正離子,在碳正離子中氫原子、烷基或芳基基團(tuán)的遷移稱為Wagner-Meerwein重排,2)特點(diǎn) Wagner-Meerwein重排為同面、遷移基團(tuán)構(gòu)型保持的1,2-遷移。例如,98%構(gòu)型保持,六、溶劑解反應(yīng) 溶劑作為試劑與底物發(fā)生反應(yīng)溶劑解反應(yīng),溶劑解反應(yīng)的特點(diǎn) 溶劑解反應(yīng)速度慢，主要用于研究反應(yīng)機(jī)理；在低親核性溶劑中碳正離子發(fā)生重排的趨勢增加，光學(xué)活性作用物外消旋化程度增加,3-3 親核取代反應(yīng)的影響因素 影響親核取代反應(yīng)的主要因素包括： 底物的結(jié)構(gòu)、親

6、核試劑、離去基團(tuán)和溶劑。 一、底物的結(jié)構(gòu) 1.電子效應(yīng) 電子效應(yīng)主要影響SN1反應(yīng) 2.空間效應(yīng) 空間效應(yīng)主要影響SN2反應(yīng) 二、親核試劑 試劑的親核能力主要影響SN2反應(yīng) 1.試劑的親核性 (1)試劑的親核性 在有機(jī)反應(yīng)中，試劑的親核性和堿性兩個概念有一定的聯(lián)系，親核性側(cè)重于速率即動力學(xué)現(xiàn)象，而堿性則側(cè)重于平衡即熱力學(xué)現(xiàn)象,親核性,堿性,代表與質(zhì)子的結(jié)合能力或提供電子對的能力 代表熱力學(xué)平衡狀況 很少受空間因素影響,代表試劑在形成過渡態(tài)時對碳原子的親合能力，包括：給電子能力和可極化性 代表動力學(xué)過渡態(tài)狀況 易受空間因素影響,2)影響試劑親核性的主要因素 試劑進(jìn)攻原子的電負(fù)性 進(jìn)攻原子的電負(fù)性

7、與其電子結(jié)合程度 給電子能力 親核活性 試劑進(jìn)攻原子的可極化度 進(jìn)攻原子的可極化度親核活性 試劑與碳原子2p軌道結(jié)合的鍵強(qiáng)度 鍵強(qiáng)度過渡態(tài)穩(wěn)定性反應(yīng)活性 Lewis堿的溶劑化能量 溶劑化能量 基態(tài)能量 v 試劑有效體積的大小 有效體積親核活性,2.試劑親核性的判斷 (1)在偶極溶劑中親核性的變化規(guī)律,溶劑對可極化性很高、但堿性弱的試劑的親核性影響不大（例如I,2)在質(zhì)子溶劑中親核性的變化規(guī)律,溶劑對可極化性小，但堿性強(qiáng)的試劑的親核性影響大（例如F-、Cl-、Br,3)質(zhì)子溶劑中常用親核試劑的排列順序 與溶劑形成氫鍵的能力親核性 RS- ArS- CN- I- NH3 (RNH2) RO- HO

8、- Br - PhO- Cl- H2O F- 中心原子相同：堿性親核性 RO- HO- PhO- RCOO- ROH H2O 空間效應(yīng)：體積親核性 CH3O-CH3CH2O-(CH3)2CHO-(CH3)3CO,三、離去基團(tuán) 離去基團(tuán)的離去能力有利于SN1和SN2反應(yīng)，且離去能力在這兩類反應(yīng)中順序相同，但對SN1反應(yīng)的影響比SN2反應(yīng)更明顯。 鍵能離去傾向； 離去基團(tuán)堿性形成的負(fù)離子穩(wěn)定性離去傾向。例如： 基團(tuán) 鍵能(CX) 1-苯基-1-鹵乙烷溶劑解相對速率,F 485.3 910-6 Cl 339.0 1.0 Br 284.5 14 I 217.0 91,堿性：F- Cl- Br - I-

9、 離去傾向：I-Br-Cl-F,水溶液中進(jìn)行親核取代反應(yīng)時，離去基團(tuán)的離去能力順序,磺酸酯具有高度的反應(yīng)活性，在親核取代反應(yīng)中是極為有用的反應(yīng)物，。最常用的有對甲苯磺酸酯（ROTs），對溴苯磺酸酯（ROBs），對硝基苯磺酸酯（RONs）和甲磺酸酯(ROMs)。其磺酸根氧原子上的負(fù)電荷能通過硫離域到整個酸根上，因而是比鹵離子更好的離去基團(tuán)。 醇羥基是較差的離去基團(tuán)，親核取代反應(yīng)較為困難，在有機(jī)合成上常采用以下方法： 方法一 Lewis酸催化，促使OH離去,方法二,得到的磺酸酯可以保持醇R原有的結(jié)構(gòu)完整和立體化學(xué)特征，同時可以醇為原料，利用離去能力強(qiáng)的磺酸根制備其它化合物。 四、溶劑 溶劑效應(yīng)主要

10、是通過影響過渡態(tài)的穩(wěn)定性從而影響反應(yīng)活化能，最終影響反應(yīng)速率,質(zhì)子溶劑對SN1反應(yīng)有利，對SN2的影響要作具體分析 ； 偶極溶劑對SN2反應(yīng)有利(相對于SN1、質(zhì)子溶劑而言)，可能使SN1 機(jī)理SN2機(jī)理； 極性溶劑對SN1反應(yīng)有利，對SN2反應(yīng)多數(shù)情況不利 (因為SN1反應(yīng)過渡態(tài)極性增大，SN2反應(yīng)過渡態(tài)極性減小) ，可能使SN2機(jī)理SN1機(jī)理； 非極性溶劑對SN1、 SN2反應(yīng)都不利(RX不溶于非極性溶劑,3-4 鄰基參與效應(yīng) 一、鄰基參與效應(yīng) 鄰基參與效應(yīng)（neighboring assistance）指在分子中的親核取代基參與了同一分子中另一部位上的取代反應(yīng)，使反應(yīng)的動力學(xué)和立體化學(xué)受

11、到強(qiáng)烈的影響。 二、鄰基參與效應(yīng)的條件 取代基在分子中位于適當(dāng)?shù)奈恢?，能夠與反應(yīng)中心部分地或完全地成鍵形成過渡態(tài)或中間體,三、鄰基參與效應(yīng)的特點(diǎn) (1)反應(yīng)速率明顯加快 鄰基參與的反應(yīng)中由于取代基處于有利位置使反應(yīng)熵變很小，從而明顯降低活化能。但只有發(fā)生在反應(yīng)決速步驟的鄰基參與作用，才能使反應(yīng)加速，此現(xiàn)象稱為鄰基促進(jìn)或鄰基協(xié)助，否則只有鄰基參與而無鄰基促進(jìn)。例1，-氯代二乙基硫醚的溶劑解反應(yīng)比相應(yīng)的氧醚快104倍以上,硫鎓離子,例2，芥子氣 ：ClCH2CH2SCH2CH2Cl 鎓離子穩(wěn)定性開鏈正離子和相應(yīng)的氧鎓離子v (2)反應(yīng)中心的立體化學(xué)得到保留 例1 光學(xué)活性-溴代丙酸在濃NaOH溶液

12、中主要得到構(gòu)型轉(zhuǎn)化水解產(chǎn)物，但在稀NaOH溶液/Ag2O中得到構(gòu)型完全保持的水解產(chǎn)物,例,3)生成分子重排產(chǎn)物,四、鄰基參與效應(yīng)的種類 能發(fā)生鄰基參與效應(yīng)的基團(tuán)包括： 具有未共享電子對的原子或基團(tuán)；含有CC雙鍵等不飽和基團(tuán)、具有鍵的芳基以及CC和CH鍵，分別稱為n-參與、-電子參與和-參與。 (1)n-參與 化合物分子中具有孤電子對的基團(tuán)位于離去基團(tuán)的位或更遠(yuǎn)時，此化合物在取代反應(yīng)過程中得到構(gòu)型保持產(chǎn)物。這些基團(tuán)包括：COO-、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl,鄰基Z由于所處的位置有利，比Nu-更易進(jìn)攻中心碳原

13、子；鄰基參與作用的熵變更為有利 實(shí)例,鹵素作為鄰基參與的能力大小次序一般為I Br Cl，這與原子的親核性和可極化性大小順序是一致的。F電負(fù)性太強(qiáng)，不易給出電子，親核性和可極化性太小，一般不發(fā)生鄰基參與作用。Cl的親核性較弱，其鄰基參與只有在溶劑不發(fā)生干擾時才顯示出來。 若鄰基參與作用形成的中間體是穩(wěn)定的或由于其它方式而穩(wěn)定，親核試劑Nu親核進(jìn)攻能力不足，只能形成環(huán)狀產(chǎn)物。這是簡單的分子內(nèi)SN2反應(yīng),例1 對溴苯磺酸-4-甲氧基戊酯和對溴苯磺酸-5-甲氧基-2-戊酯的乙酸解，給出同樣比率產(chǎn)物的混合物,例2 -鹵代醇在NaOH溶液中的分子內(nèi)SN2反應(yīng),2) 參與 C=C鍵、C=O 鍵鄰基參與作用

14、,例1 反-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯的乙酸解,反-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯在乙酸中的溶劑解速率比相應(yīng)的飽和化合物大 1011倍，得到反式乙酸酯，比順式異構(gòu)體（得到反式乙酸酯）速度快107倍。其原因是雙鍵的電子向7位碳原子的空2p軌道作用(軸向重疊，部分性質(zhì)，部分性質(zhì))形成同烯丙基非經(jīng)典碳正離子,同烯丙基非經(jīng)典碳正離子軌道示意圖,例2 外向和內(nèi)向-原冰片烯基鹵化物在水醇溶液中進(jìn)行溶劑解得到同樣產(chǎn)物(III)。外向化合物(I)比內(nèi)向化合物(II)的溶劑解速度大約快10倍。研究表明在化合物(I)的離解作用中能發(fā)生背后的鄰基參與作用，經(jīng)過渡態(tài)生成中間體() ；而在化合物(II)中則不能發(fā)生這種鄰基

15、參與作用，先生成碳正離子，再重排得中間體(),a)外向-5-降冰片烯基鹵代物的溶劑解的過渡態(tài)的軌道 (b)內(nèi)向-5-降冰片烯基鹵代物的溶劑解的過渡態(tài)的軌道,芳基參與作用 位的芳基能發(fā)生鄰基參與作用。 例1：對甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反應(yīng) 如果用(2R,3S)-或(2S,3R)-蘇型異構(gòu)體為反應(yīng)物，生成外消旋混合物；如果用(2S,3S)-或(2R,3R)-赤型異構(gòu)體進(jìn)行反應(yīng)，則生成構(gòu)型保持產(chǎn)物。這說明反應(yīng)物的兩個手性中心之間的單鍵相對旋轉(zhuǎn)在反應(yīng)過程中受到限制，因而產(chǎn)生各自的立體化學(xué)產(chǎn)物,其原因是：帶著電子的苯基按照SN2反應(yīng)機(jī)理參與反應(yīng)，促進(jìn)對甲苯磺酸根離去，同時生成苯鎓離子（phenonium ion）中間體。其中蘇式異構(gòu)體與苯鎓離子直接相連的兩個碳原子完全相同，整個中間體有一個對稱面，沒有手性，親核試劑乙酸可以機(jī)會均等地進(jìn)攻兩個碳原子，得到一對對映體；而赤式異構(gòu)體形成的苯鎓離子有手性，因此生成構(gòu)型保持的一種產(chǎn)物,蘇式：(2R,3S,外消旋體,構(gòu)型保持產(chǎn)物： (2S,3S,赤式：(2S,3S,苯鎓離子特別是苯環(huán)上有斥電子基的苯鎓離子在超強(qiáng)酸溶液中一般是穩(wěn)定的。NMR譜證實(shí)其結(jié)構(gòu)與苯環(huán)親電取代反應(yīng)中間體相似。有些苯鎓