第三章碳正離子

1、,第三章,親核取代反應(yīng)及碳正離子,(Nucleophilic Substitution and Carbocations) 一、碳正離子的產(chǎn)生、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性 1、產(chǎn)生及類型：有機(jī)反應(yīng)中產(chǎn)生的活性中間體的一種。 是Intermediate, 而不是Transition state 碳正離子能在一定條件下存在且被分離出,China Pharmaceutical University,1922年，Meerwein發(fā)現(xiàn)萜類化合物重排與C+有關(guān) 1962年，Olah在超酸中檢測(cè)到C+,G. A. Olah, Nobel 1994,產(chǎn)生碳正離子的反應(yīng)舉例： 1） 脂肪族化合物的親核取代反應(yīng),H3C,Cl,

2、CH3 2) 烯烴的親電加成反應(yīng),H3C,CH3,H3C,OH,CH3,CH3 C,CH3 C+,OH,-,CH3 C,CH2,CH,CH,H3C H3C,CH3,CH,H3C H3C,CH3,CH2,CH3,H3C,+,HCl,+ CH,H3C + C H3C H3C,重 排 - Cl,CCl CH2,HSO4,China Pharmaceutical University,3) 芳香化合物的親電取代反應(yīng) O2N H,NO2,+,+ NO2,+,-,+ H2SO4,China Pharmaceutical University,經(jīng)典碳正離子(Carbenium ion):,中心碳原子sp2

3、雜化,與其他三個(gè)基團(tuán)或原子以鍵相連 形成具平面的構(gòu)型,2、結(jié)構(gòu),China Pharmaceutical University,H,C,+,120,H3C 。,。 一些情形下，鍵角不是120，或者不是平面結(jié)構(gòu)。,如：,H H,C,H3C +,KR+ =,China Pharmaceutical University,3、穩(wěn)定性及研究方法 碳正離子的相對(duì)穩(wěn)定性可由其pKR+來定量表示：,pKR+=logR+/ROH + HR 當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡、 R+=ROH時(shí)，pKR+ = HR （酸度函數(shù)）; pKR+ 愈大， 碳正離子愈穩(wěn)定。,R+ + H2O ROHH+ R+,R+ ROH,+,p H+,R

4、OH + H+ ， p KR+ = log,China Pharmaceutical University,一些碳正離子的pKR+值,碳正離子 三苯基甲基 4-甲氧基三苯基甲基 4-硝基三苯基甲基 二苯基甲基 三環(huán)丙基甲基 環(huán)庚三烯正離子 三苯基環(huán)丙烯基,pKR+ -6.63 -3.40 -9.15 -13.3 -2.3 +4.7 +3.1,C+,C+ H,C+,C,+,+,+, (CH3)2N, 3 C+, CH3O, 3 C+,4,4,4-三(二甲氨基)-三 苯基甲基正離子 pKR+=+ 9.36 O2N,4,4,4-三甲氧基三 苯基甲基正離子 pKR+=+ 0.82 3 C+,4,4,4

5、-三硝基三 苯基甲基正離子 pKR+=-16.27,給電子取代基促進(jìn)碳正離子的穩(wěn)定：,China Pharmaceutical University,影響碳正離子穩(wěn)定性的因素：,1）誘導(dǎo)效應(yīng)(Inductive effect)：離域或分散C+正電荷將,有利于碳正離子的穩(wěn)定,連有誘導(dǎo)推電子的基團(tuán)時(shí)的穩(wěn)定性(+I)：,連有誘導(dǎo)吸電子的基團(tuán)時(shí)的穩(wěn)定性(-I)：,+,2) 共軛效應(yīng)(Conjugative effect)： a) p- 共軛效應(yīng) 穩(wěn)定性次序：叔碳正離子 仲碳正離子 伯碳正離子,(CH3)3C,+,+ CH3CH2CHCH3 CH3CH2CH2CH2,如：,甲基推電子基通過C-H鍵與C+

6、的空軌道共軛。,China Pharmaceutical University,共軛效應(yīng)的研究,在超酸催化下進(jìn)行,超酸：強(qiáng)的質(zhì)子給予體，強(qiáng)度用哈米特酸度H表示,超酸特點(diǎn)：1) 給質(zhì)子能力強(qiáng)，親核性低；,2) 凝固點(diǎn)低； 3) 粘度小。,在超酸介質(zhì)中可得到熱力學(xué)最穩(wěn)定的碳正離子 舉例：,CH3CH2CH2CHOH,OH H,OH CH3CH2CHCH3,(CH3)3COH,FSO3H -SbF5 -SO2 。 -60 C, CH3CH2CH2CH2,+,+,裂 解 ，重 排 FSO3H -SbF5 -SO2 。 -60 C 裂 解 ，重 排,+ (CH3)3C HO H CH3CH2CHCH3

7、+ (CH3)3C,FSO3H-SbF5 -SO2 。 -60 C,(CH3)3C,+,(c)具有未共用電子對(duì)的化合物，如醇、醚、醛、酮、酯等,China Pharmaceutical University,超酸可將質(zhì)子給予：,(a)具有電子對(duì)的化合物，,使得烷烴中的C-H及C-C鍵對(duì)超酸表現(xiàn)出堿性。,在超酸的作用下，C-H或C-C鍵的-電子對(duì)與質(zhì)子的空 軌道作用形成缺電性的三中心兩電子鍵，用虛線表示。,(b)具有-電子對(duì)的化合物，如烯、炔、芳香化合物等,China Pharmaceutical University,b) p-共軛效應(yīng) 碳正離子中心碳原子p空軌道與電子共軛，分散正電荷， 穩(wěn)定

8、碳正離子。,Ph,Ph,+ C Ph,+ C H,+ PhCH2,Ph ,Ph ,CH2,CH,CH2,+,c) p-p 共軛效應(yīng) 碳正離子中心碳原子p空軌道與鄰位雜原子的未共用電 子對(duì)的p電子共軛，穩(wěn)定碳正離子。,CH2,+,CH2,+,如：,CH3O CH3O,CH2,+ CH2,CH3O + CH3O,3）芳香性（Aromaticity） 具有芳香性的平面環(huán)狀正離子穩(wěn)定,如：環(huán)丙烯基 卓正離子,4n+2=2, n=0 4n+2=6, n=1,+,+, ,4) 不同價(jià)鍵狀態(tài) 舉例： CH3-C+H2 CH2=C+H,sp2,sp,S特性增加，吸電性增強(qiáng)，不利于C+穩(wěn)定。 5）溶劑效應(yīng) 舉例

9、： 在氣相中，電離活化能為836.8 kJ/mol; 在水溶液中，電離活化能為83.7kJ/mol。 因此，極性溶劑有助于碳正離子的形成和穩(wěn)定,Br,Br,Br,(CH3)3CBr,6）空間效應(yīng)（Steric effect） 對(duì)于橋頭碳正離子，張力大，穩(wěn)定性差。 形成碳正離子的相對(duì)反應(yīng)速度：,K = 1,10 -3,10 -6,10 -13,China Pharmaceutical University,二、經(jīng)典碳正離子與非經(jīng)典碳正離子,(Carbenium ions and Carbonium ions),三價(jià)碳正離子(Carbenium ion),碳正離子(Carbocation),碳鎓離

10、子(Carbonium ion) (五價(jià)or更高),1、區(qū)別,經(jīng)典碳正離子：中心碳原子價(jià)電子層6個(gè)電子，形成三根鍵。 此時(shí)中心C為3價(jià)。,非經(jīng)典碳正離子：價(jià)電子層8個(gè)電子，除形成三根鍵外， 余下的一對(duì)電子形成一個(gè)二電子三中心鍵，中心C是5價(jià),China Pharmaceutical University,2、形成 1) 電子參與 在超酸催化下，形成環(huán)丙基甲基碳正離子。碳原子 空軌道與鍵共軛形成離域鍵。 上世紀(jì)50年代，Roberts認(rèn)為：,+ CH2,應(yīng)為,CH2,+,環(huán)丙基甲基碳正離子,三環(huán)丁鎓離子,China Pharmaceutical University,Winstein研究原菠基體

11、系(Norbornyl system)的溶劑解行為， 說明由鄰近基團(tuán)參與形成了原菠基非經(jīng)典碳正離子。,OAc,AcOH,OBs Kexo,AcOH,Kendo,OBs Kexo,Kendo,=350,結(jié)論：外向(exo)結(jié)構(gòu)底物對(duì)溴苯磺酸-2-原菠酯醋酸解 速度比內(nèi)向(endo)快，產(chǎn)物為外消旋，內(nèi)向結(jié)構(gòu)底物的 產(chǎn)物有93%外消旋，7%有旋光。,有旋光,外消旋,OBs,OAc,OBs,OAc,OAc,+,AcOH,+,- OAc,-,1,2,3,4,OAc 5,6,1,2,3,6,5,4,7,7,3,4,7,5 OAc 6,2,1,1,2,3,4,5,6,7,+,3,7,5 6,2,4 1,+

12、,5,1,5,3 5,3,2,2 2,6,7,OTs,4 4 +,China Pharmaceutical University,2) 電子參與 例：對(duì)向-7-取代原菠烯形成非經(jīng)典碳正離子：,TsO,AcO,HOAc,OAc,HOAc,+,3,5,7,6,4 1,3,5,7,4 1,3,5,7,4 1,5,6,2,6,2,7,6,2,7,6,2,3 +,6 同向-7-取代原菠烯形成經(jīng)典碳正離子： 7 + 4 3 4 1 1 1,3) 一種碳鎓離子的形成可通過幾種途徑 例：原菠基正離子的形成,H,X,3,7,5 6,2,4 1,+,3,7,5 6,2,4 1, 途徑 SbF5, 途徑 SbF5

13、X,三、親核取代反應(yīng) 定義： 親核試劑提供一對(duì)電子與碳原子形成新的共價(jià)鍵， 碳原子與離去基團(tuán)之間原有的共價(jià)鍵斷裂， 離去基帶著一對(duì)電子離開分子。,通式：R-,X + Y ：,R-,Y + X ：,China Pharmaceutical University,四種反應(yīng)實(shí)例,四種SN反應(yīng)類型 (A) neutral substrate + neutral nucleophile (B) neutral substrate + anionic nucleophile (C) cationic substrate + neutral nucleophile (D) cationic substrat

14、e + anionic nucleophile,China Pharmaceutical University,China Pharmaceutical University,China Pharmaceutical University,China Pharmaceutical University,China Pharmaceutical University,1.The SN1 Reaction 1) Kinetics of the SN1 Reaction first-order reaction v = k RX 2) Mechanism of the SN1 Reaction ge

15、nerally two steps the rate-limiting step is the reactant give a carbocation intermediate,C,+ Br,舉例：,H 3 C,C,Br,CH 3,CH 3,H 3 C,CH 3 + CH 3,H 3 C,CH 3 C O CH 3,H H,Rate -limiting,step,Fast step,- OH 2,OH 2,H 3 C,C,OH,CH 3,CH 3,SN1 反應(yīng)勢(shì)能圖：,G#,R + + :X -,Carbocation intermediate RX + :Nu - RNu + :X - Re

16、action Coordinate (progress),China Pharmaceutical University,Since carbocations are planer and sp2-hybridized, they are achiral.,Thus if we carry out an SN1 reaction,on one enantiomer of a chiral reactant, the product ( a racemic mixture) must be optically inactive.,3) Stereochemistry of the SN1 Rea

17、ction,R1,R2,Br,R3,R1,R2,R3,R2,R3,OH,HO,R3,R2,C,C,+,Nu:,R1 C,-Br,-,慢,OH,-,快,+,R1 C,以有光學(xué)活性的底物為例：,4) Characteristics of the SN1 Reaction (1) The Substrate 形成的碳正離子愈穩(wěn)定，底物的活性就愈大 The SN1 reactivity order for reactants : CH3 10 Allyl Benzyl 20 30,CH3Br,C2H5Br,(CH3)2CHBr,(CH3)3CBr,反應(yīng)速 度,0.58,1.00,261,10,8,CH

18、3- CH3CH2- (CH3)3C-CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C-,R,相對(duì) 水 解 速 度 (80%丙 酮 溶 液 ),2.0 15.4 20.0 67.0 4.5*105,R OPNB 的水 解,B 張 力 效 應(yīng) 增 大,底物的空間張力大，形成張力小的產(chǎn)物的傾向強(qiáng)， 反應(yīng)活性大B張力效應(yīng),China Pharmaceutical University,CH3 OH,C(CH3)3,CH3,CH2,CH2 +,C,CH3 OPNB 80%丙 酮 H2O,82% (消 除產(chǎn)物 ),18% (取代產(chǎn)物 ),OPNB 80%丙 酮 H2O,C CH3,83%,(重 排 產(chǎn) 物

19、),舉例： 1.,2.,有張力的底物，傾向于生成張力最小的產(chǎn)物,China Pharmaceutical University,(2) The Leaving Group,愈容易離去，反應(yīng)速度愈快,I ,Br Cl F,離去能力：,可極化度減小，離去能力降低,a.,b.,C.,CF3COO,CH3COO,-,-,106 倍,d. e.,N -,+ N - RO 、OH,離去能力強(qiáng) 離去能力差，需催化,SO3,O2N,SO3,H3C,-,-,10 倍,China Pharmaceutical University,(3) The Solvent,A. 對(duì)SN1反應(yīng)的影響：,溶劑的極性，有利于SN

20、1反應(yīng)的進(jìn)行。這是因?yàn)樵摲磻?yīng)在過渡狀態(tài)已出現(xiàn)了部分正負(fù)電荷的高度極化狀態(tài)，而極性溶劑的存在，有利于過渡狀態(tài)的形成和進(jìn)一步的離解。,B. 對(duì)SN2反應(yīng)的影響：,溶劑對(duì)SN2反應(yīng)的影響較為復(fù)雜，通常情況下是增強(qiáng)溶劑的極性對(duì)反應(yīng)不利。,反應(yīng)前后沒有電荷變化，過渡態(tài)也沒產(chǎn)生新的電荷， 只是電荷有所分散，因此溶劑對(duì)反應(yīng)的影響不大。但溶 劑極性，還是有利于反應(yīng)的進(jìn)行；溶劑極性，反而 會(huì)使極性大的親核試劑溶劑化，使反應(yīng)速度有所減慢。,R / L,Winstein的離子對(duì)溶劑化學(xué)說,R-L,+ R L,-,+,-,R,+,+,L,-,離子化,解離,緊密離子對(duì),溶劑隔離離子對(duì),溶劑效應(yīng)會(huì)影響SN1反應(yīng)產(chǎn)物構(gòu)型比

21、例， 舉例：-氯代乙苯的水解反應(yīng),China Pharmaceutical University,Ph,Cl,H3C Ph,Ph,HO,CH3,Ph,HO,CH3,Ph,Ph,CH3,OH,CH3 C H,C H,+,Cl,-,H2O,CH3 + C H,+,Cl,-,C,C,C,+,H 2%,H 49%,H 49%,H2O,H2O,80%丙 酮,R / L,H,證明離子對(duì)-溶劑化學(xué)說中離子對(duì)的存在,Cl,Ph,NO2,O OC,Cl,NO2,Cl,Ph,Ph H,OC,NO2,H C,18,80%丙 酮,O C - C,18,C,O O 18,R-L,+ R L,-,+,-,R,+,+,L,

22、-,R / L,+ N3,證明離子對(duì)-溶劑化學(xué)說中離子對(duì)的存在,R-L,+ R L,-,+,-,R,+,+,L,-,強(qiáng)親核試劑，親核反應(yīng)速度快。 親核反應(yīng)發(fā)生在緊密離子對(duì)階段，產(chǎn)物為構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。 說明很強(qiáng)的親核試劑堵住了離子逆轉(zhuǎn)的消旋化道路。,Cl,Ph,NO2,Cl,H C,18 O OC,-,N3,Ph,H C,R / L,證明離子對(duì)-溶劑化學(xué)說中離子對(duì)的存在,R-L,+ R L,-,+,-,R,+,+,L,-,Cl,NO2,Cl,Ph,NO2,Cl,H,OC,NO2,O,Cl,H,OC,NO2,O,H C,18 O OC,H C,O 18 OC,衡,k 平,C,Ph 標(biāo) 記 反應(yīng)物,P

23、h 光學(xué) 活 性 反應(yīng)物,k 消旋,C,Ph 消旋 化產(chǎn) 物,平衡速度大于消旋化速度意味著反應(yīng)發(fā)生在解離的離子步驟之前。 外消旋速度大于平衡速度意味著反應(yīng)發(fā)生在解離的離子步驟之后。,2. The SN2 Reaction 1) Kinetics of the SN2 Reaction The reactions show second-order kinetics: v = k RX Nu - ,HO -,+ CH 3 - Br,HO - CH 3,+,Br -,20%NaOH 80%MeOH,China Pharmaceutical University,China Pharmaceutic

24、al University,2) Mechanism of the SN2 Reaction,Direct displacement.,Involve a single rate-determining,transition state without an intermediate.,China Pharmaceutical University,勢(shì)能圖：,3) Stereochemistry of the SN2 Reaction SN2 reaction occurs with inversion of stereochemistry at the carbon atom because

25、 the nucleophilic reagent attacks the back side.,Nu,X,#,R1 R2,X,Nu:,C R3,慢,- +,R2,Nu,R1 C R3,+,-,快,X,China Pharmaceutical University,(CH3)(CH2)5,SN2反應(yīng)構(gòu)型反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)證明：,H,H3C,OH,TsCl,(CH3)(CH2)5,H,H3C,OTs,(CH3)(CH2)5 H3C,H OAc,AcO H3C,H (CH2)5CH3,C,C,(+)-2-辛 醇,AcCl/Py,C,(+)-乙 酸 -2-辛 酯,+ CH3CH24N OAc,-,C,(-)

26、-乙 酸 -2-辛 酯, D +0.84, D -0.85,China Pharmaceutical University,4) Characteristics of the SN2 Reaction 空間效應(yīng) 取代基愈小，位阻愈小，反應(yīng)速度愈快。 在SN2反應(yīng)中，底物的反應(yīng)活性與SN1的相反。,+CH3, 10 Allyl Benzyl 20 30,b) 電性效應(yīng) (a)具有烯丙基或芐基結(jié)構(gòu)的底物 SN2反應(yīng)速度加快，中心碳原子的P軌道與體系 共軛使過渡態(tài)更穩(wěn)定。 (b) 若底物上連有吸電子基，可使SN2反應(yīng)速度加快,X,CH2Cl,+,I,-,X,CH2I,如：,親核試劑的影響是至關(guān)重要的

27、:,顯然，親核試劑的親核能力，濃度，反應(yīng)。,試劑親核能力的強(qiáng)弱取決于兩個(gè)因素：a. 試劑的堿性(即給電子性)；b.試劑的可極化性(即極化度或變形性)。,(1) 試劑的堿性：,試劑的堿性與親核性是兩個(gè)不同的概念，二者的關(guān) 系可能一致，也可能不一致。,A. 親核性與堿性一致：,a. 同周期元素所形成的親核試劑,b. 同周期中的同種原子形成的不同親核試劑,B.親核性與堿性不一致(親核試劑體積大小的影響)：,(2) 試劑的可極化性,可極化性系指分子中周圍電子云在外電場(chǎng)的影響下 發(fā)生形變的難易程度。易形變者，可極化性大。,在親核取代反應(yīng)中，可極化大的原子或基團(tuán)，因形 變而易于接近反應(yīng)中心，從而降低了達(dá)到

28、過渡狀態(tài)所須 的活化能，故親核能力增強(qiáng)。,顯然，同族元素，隨原子序數(shù)的增大，核對(duì)核外電 子的束縛力，可極化性，親核能力。,綜上所述，判斷一個(gè)試劑親核能力的大?。?對(duì)于同周期元素或同種原子形成的親核試劑，可用 其堿性的強(qiáng)弱來判斷；,對(duì)于同族元素形成的親核試劑，可用可極化性的大 小來判斷。,3. 離去基團(tuán)的影響,無論SN1反應(yīng)，還是SN2反應(yīng)，在決定反應(yīng)的關(guān)鍵步,驟中，都包含CX鍵的斷裂，因此，離去基團(tuán)X的性質(zhì) 對(duì)SN1反應(yīng)和SN2反應(yīng)將產(chǎn)生相似的影響，即鹵代烷的活 性次序是：,這一活性次序可從CX鍵的離解能、可極化性、離 去基團(tuán)的堿性等方面來說明。,由此可見，I既是一個(gè)好的離去基團(tuán)，又是一個(gè)好的

29、親核試劑。因此，這一特性在合成中有著重要的用途。,4. 溶劑的影響,溶劑對(duì)SN2反應(yīng)的影響較為復(fù)雜，通常情況下是增強(qiáng)溶劑的極性對(duì)反應(yīng)不利。,反應(yīng)前后沒有電荷變化，過渡態(tài)也沒產(chǎn)生新的電荷，只是電荷有所分散，因此溶劑對(duì)反應(yīng)的影響不大。但溶劑極性，還是有利于反應(yīng)的進(jìn)行；溶劑極性，反而會(huì)使極性大的親核試劑溶劑化，使反應(yīng)速度有所減慢。,CH3,CH3,O H C, + N,NMe2 NMe2,NMe2, - O, + P,有一定極性的非質(zhì)子性溶劑，正極埋在溶劑分子內(nèi)部，負(fù)極與親核試劑的正離子形成離子-偶極鍵，將親核試劑正負(fù)離子隔開，使親核負(fù)離子裸露，故中等極性非質(zhì)子性溶劑適合SN2反應(yīng)。,極性非質(zhì)子性溶

30、劑適于SN2反應(yīng) -,S,H 3 C,H 3 C,O,為何在非質(zhì)子性溶劑中加入少量冠醚做催化劑， 能加快SN2反應(yīng)速度？ 以親核試劑KOAc為例，,O O,O,O,O,K,O +,- OAc,冠醚絡(luò)合金屬陽(yáng)離子，將負(fù)離子親核試劑裸露在外， 促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。同時(shí)，形成的絡(luò)陽(yáng)離子與陰離子的 離子對(duì)在有機(jī)相中溶解度更好，構(gòu)成相間催化劑。,China Pharmaceutical University,常用親核試劑：,China Pharmaceutical University,(3) The leaving Group,The weakest bases are indeed the best le

31、aving groups.,Relative reactive:,OH-, NH2-, OR-, F- Cl- Br- I- TsO-,由于親核試劑的參與作用幫助了SN2反應(yīng)中離去基團(tuán)的離去， 因此，離去基團(tuán)對(duì)反應(yīng)速度的影響不如SN1那樣顯著。,一個(gè)反應(yīng)往往不是絕對(duì)的SN1或SN2,舉例：,Ph,Cl,Ph,OMe,CH3,Ph,Cl,CH3,Ph,OH,CH3 C H,CH3ONa CH3OH,CH3 C H,61% 構(gòu)型轉(zhuǎn)化 39% 消旋,C H,H2O,CH3COCH3,C H,95% 消旋 5% 構(gòu)型轉(zhuǎn)化,China Pharmaceutical University,China Ph

32、armaceutical University,China Pharmaceutical University,China Pharmaceutical University,底物所帶的親核取代基參與了同一分子中另一部位的 取代反應(yīng)。,鄰基、遷移起點(diǎn)碳原子、遷移終點(diǎn)的碳原子形成“橋 型”離子中間體，最終促進(jìn)離去基團(tuán)離去，或同時(shí)發(fā) 生重排反應(yīng)。,環(huán)狀溴正離子 芳基正離子 碳鎓離子,由于鄰基參與親核作用，離去基團(tuán)的離去變得更容易， 反應(yīng)速率加快，產(chǎn)物構(gòu)型保持。,鄰基參與 (Neighboring group assistance),如：,發(fā)生了二次SN2取代，各引起一次構(gòu)型改變，凈結(jié)果是 構(gòu)型保持

33、。 第一步：鄰位基團(tuán)充當(dāng)親核試劑，推出離去基團(tuán)； 第二步：更強(qiáng)的親核試劑進(jìn)攻中心碳，推出鄰基。 親核試劑與底物發(fā)生分子碰撞才能反應(yīng)，鄰基有天然 優(yōu)勢(shì)，形成的橋型離子中間體活性增強(qiáng)，親核試劑最 終進(jìn)攻變得容易。,R1 C,R2,R3,C R4,.Z,X,R1 C,R2,C R3,R4,.Nu.,+ Z,R1 C,R2,R3,C R4,.Z,Nu,反應(yīng)過程：,- .,O,CH3,-COO-、-OCOR 、-COOR、-COAr、-OR、-OH、 -NH2、-NHR、-NHCOR、-SH、-SR、-S、-I、 -Br、-Cl,鄰位基團(tuán)參與的幾種情況： 1. 含未共用電子對(duì)的基團(tuán)參與,O,OH,-,O

34、 C C OH CH3,.O H,-,例1. 羧基氧負(fù)離子參與： O C 慢 C O H C Br C H CH3,China Pharmaceutical University,例2. 乙酰氧基參與： 對(duì)甲苯磺酸2乙酰氧基環(huán)己酯的溶劑解反應(yīng),OTs O OCCH3 反式 k = 1.9 X10-4 (100C),OTs OCOCH3 順式 k = 2.9 X 10-7 (100C),OCOCH3,+,OTs,OCOCH3,OCOCH3,CH3COO,-,CH3COOH,CH3,O + C O,+,C,-OTs O O +,-,CH3COO,-,CH3 OCOCH3 O OCCH3,O C C

35、H3 O O OCCH3 OCOCH3,順式,反式 CH3COO,OTs O OCCH3 反式,反式,反式,CH3,O O,CH3 OC2H5,O + C O,C2H5OH,C,OTs O OCCH3,-OTs,非手征乙酰氧鎓中間體的證明：,China Pharmaceutical University,例3. 烷氧基參與,H,AcO,H,OAc,CH3 O H,OBs,CH3,H,CH3 O +,H,H BsO,CH3 O CH3,H 1,2,3 CH3,4 5,H 2,3 1,4 H,5,H . - AcO,H AcO,-,H,CH3 O CH3,H 2,3 1,4 H,5,CH3 O H

36、,H 1,2,3 CH3,4 5,對(duì)溴苯磺酸-4-甲氧基-1-戊酯,對(duì)溴苯磺酸-5-甲氧基-2-戊酯,底物不同，但經(jīng)鄰位烷氧基參與得到相同氧鎓中間體， 溶劑解生成相同產(chǎn)物。,China Pharmaceutical University,例4. 環(huán)醚中氧原子的鄰位效應(yīng),X,O,X,O,X,O,X,1,0.0014,0.14,4.85x104,+ O 不穩(wěn)定,+ O 不穩(wěn)定,+ O 穩(wěn)定,溶劑解相對(duì)速度：,例5. 氮原子參與,N,Et,Cl,H2O OH,-,N,Et,OH,NH2(CH2)nBr,(CH2)n,+ NH2 Br,-,(1),(2),(3),n =2、4、5、6，產(chǎn)物穩(wěn)定,NHC

37、OCH2CH2CH2Br,O,N,O,Br OH,-,+,H2O + Br,-,- N H,2、電子參與,OTs,H,H,TsO,OTs,H,A,B,C,乙 酸解 速 度 AB, 107倍 AC, 1011倍,舉例：,解釋：,OTs,H,H +,- OTs,H +,OAc,-,H,OAc,鍵與取代基為對(duì)向，參與碳鎓離子形成，OAc從背面 進(jìn)攻，得到構(gòu)型保留溶劑解產(chǎn)物。 雙鍵電子參與碳鎓離子形成， 對(duì)正電荷的離域有幫助，可促進(jìn)碳鎓離子的穩(wěn)定。,TsO,H OAc,-,+,+,+,AcO 鍵與取代基為同向，由于位阻，不能鄰位參與， 生成經(jīng)典碳正離子，重排成更穩(wěn)定的烯丙基正離子， 生成重排后的溶劑解

38、產(chǎn)物。,OTs,H3C,CH3,H,H3C,CH3,H,H,CH3 OAc,H H3C,H H3C AcO,C,H C,CH3COOH,-OTs,C,C,3、苯基參與 形成“苯橋正離子”，正電荷離域到芳香環(huán)中。 舉例：對(duì)甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯乙酸解反應(yīng) +,AcO,-,AcO,-,C,H C,C,C H CH3,+,蘇 式,OTs,H3C,H,H,H3C,H,H,CH3,H H3C,CH3,H H3C AcO,C,CH3 C,CH3COOH,-OTs,C,C,+,AcO,-,AcO,-,C,CH3 H C OAc,C,C H,+,赤式,China Pharmaceutical Unive

39、rsity,苯基的鄰位參與受溶劑效應(yīng)影響，也受苯基上的 取代基的影響。,1、溶劑親核性強(qiáng)，發(fā)生正常取代可能性大；溶劑親核性弱，橋碳正離子易形成，重排發(fā)生。,2、苯環(huán)上有吸電子基，碳正離子離域受影響，正常取代；苯環(huán)上有推電子基，穩(wěn)定橋碳正離子，重排發(fā)生。,China Pharmaceutical University,六、碳正離子的重排反應(yīng),烷基、芳基或氫帶著電子從一個(gè)碳原子轉(zhuǎn)移至另一個(gè)碳原子上,碳正離子中心的P軌道與發(fā)生轉(zhuǎn)移的軌道基本共平面。,舉例：負(fù)氫轉(zhuǎn)移：,1,2-重排 1、熱力學(xué)能壘,叔碳正離子 仲碳正離子 叔碳正離子,仲碳正離子， 吸熱10 kcal/mol； 伯碳正離子，吸熱20 kcal/mol； 伯碳正離子，吸熱30 kcal/mol。,