091013-15_第五章_亲核取代反应

环的刚性无法满足平面结构
另外，烯基，苯基碳正离子都是极不稳定的
碳正离子可用1HNMR 来检测。
由于碳正离子的去屏蔽作用，使碳正离子的化学位移比 相应的烷烃在更低场出现吸收峰：
5.9.2 碳正离子的重排
由底物离解形成的碳正离子一般有以下结果：
当介质能够稳定碳正离子，如在强极性弱亲核性溶剂中，往往发 生重排，重排的倾向是形成更稳定的碳正离子。 重排反应可以通过烷基、芳基或氢的迁移而发生，最常见的是1， 2-迁移重排。
例5-1：
在80%丙酮/水，100℃时，*kex/krac=2.3。→离子对逆转时构型保留的 过程占优势。
其中， kex为总的离子对逆转过程的度量； krac为 这个逆转过程的外消旋化 程度的度量。
外加NaN3 0.14M时 kex不变， krac =0。高度亲核活性的N3-，截留了发 生外消旋化的中间体。
例5-15：苯基处于中心碳的α位时，也能进行参与：
5.9 碳正离子重排
5.9.1 碳正离子的结构及稳定性：
碳正离子在气相中产生需要吸收大量的热， 但在溶液中形成时，被 所产生的离子的溶剂化所促进，在能量上是允许的。 通过测定气相中，碳正离子氢化物的亲合能，得出碳正离子的稳定性 次序为： 叔碳 > 仲碳> 伯碳 > 甲基 -△H 230 247 274 314
亲核试剂
nCH3I
pKa
碱性、亲核性并不成正比；如：PhO-碱性比PhS-强，但亲核性较弱。
在某些情况下，如亲核质体不同，但进攻的原子相同时，亲核性与碱性 是一致的：
5.4 离去基团效应
无论是SN1还是SN2历程，它们的反应速度均受离去基团的影响
CH3CO2-
26 1.4 X 10-6
①与碳相连的原子相同时，则离去基团的离去能力与这个离子的共轭酸的酸 性成正比 ；
碳上取代基体积增大，将增加过度态的拥挤程度，从而减速反应。
例 1-3：
5.5.2 空间因素对类SN1 反应的影响
（在介电常数高而亲核性弱的溶剂中反应，接近SN1历程，解离将成为决定 因素） 碳上取代基体积越大，在起始物中拥挤程度越大，电离后形成C+离子对 时，对拥挤的缓解程度越大，有利于反应。
例 5-4：
任何能够降低碳正离子中心上正电荷的因素都将对碳正离子起稳定作用。 烯丙基、苄基碳正离子由于π电子的离域作用而稳定。
苄基碳正离子稳定性受苯环上取代基的电子效应影响较大。 当对位有给电子的烷氧基或氨基取代基时，起稳定化作用； 而当对位有吸电子的硝基或氰基取代基时，起去稳定化作用。
环丙基甲基类碳正离子有很好的稳定性：
B 张力效应：高度支链的底物的空间效应的影响。但大张力底物往往伴 随着重排或消除反应。
5.6
α-取代基效应（芳甲基、烯丙基体系）
5.6.1 当α-位有烯基、苯基时，对SN1, SN2均有利； 5.6.2 当反应中心的邻位有吸电子的π体系存在时，对SN1, SN2有不同的 影响。 对于SN1反应，α-位有吸电子的π体系存在时，不利于碳正离子 的稳定。因此，α-位有氰基、羧基、羰基等取代基时，几乎不发生 SN1反应。但α-位有可能提供电子对的杂原子时，将对SN1有利。
例 5-5：
对于SN2反应，α-位有吸电子的π体系存在时，反应速率是增加的： ①空间效应，羰基对亲核试剂进攻的阻碍作用小于烷基； ②电子效应，π体系可以与SN2的过度态共轭而使之稳定。
例 5-6：
5.7 立体化学
对于极限情况,SN1历程100%外消旋； SN2是100%构型翻转。
更多的反应是比较复杂的,甚至相同的底物在不同的介质与 不同的亲核试剂反应，也将体现出不同的立体化学结果。
碳正离子骨架迁移的能垒并不是很高的。 一般迁移能力 H > Ar > R，但并不是绝对的，往往空间因素 和电子因素决定了碳正离子的重排。
在非亲核性的介质中，碳正离子存活期长，往往可重排到最稳定的 碳正离子。
在亲核性的介质中，碳正离子可为亲核体所截获，只有快速的重排反 应才能发生，因此，亲核体亲核性的大小将决定重排程度。
例5-16：对甲苯磺酸2-丁酯的溶剂解反应：
亲核性 CH3CO2H > CF3CO2H。重排9%→~50%
例5-17：环己基正离子的重排：
实际上是通过“角端质子化的环丙烷”结构重排 的：
在整个重排过程中没有涉及不稳定的伯碳正离子过程。
例5-11： 二氯化亚砜与醇在二氧六环中的反应：
两次构型转化的结果导致了构型保留的立体化学结果
5.8 邻基参与
分子中亲核性的取代基参与了在同一分子中另一部位的取代反应 称为邻基参与。 当一个倾向于进行亲核取代反应的底物中含有一个能作为亲核体的基 团时，往往能够观察到该反应的动力学和立体化学所受到的强烈影响。
②卤素负离子的离去能力I>Br>Cl>>F, 而电负性 F>Cl>Br>I；
③离去基团的离去能力对SN1历程的影响更大于SN2历程。
例 1-2：
5.3.3 溶剂效应
溶剂化程度对于负离子的亲核性影响很大
①在有氢键极性质子溶剂中，硬亲核试剂如RO, Cl, RNH2比软亲核试剂如RS,I,CN的亲核性低;
例5-10：
在胺经重氮化去氨基的反应中，取代反应与前面的反应比较， 立 体化学有很大的不同：
产生上述结果的原因：
由于离去基团是氮分子，因此， 立体化学主要取决于碳正离子的 稳定性。 伯类化合物中，亲核试剂（溶剂化）在候补进攻，因此，净结果是构 型转化占优势； 在苯稳定的化合物中，虽然生成了碳正离子，但存在时间短，没有完 全对称溶剂化，产物取决于溶剂的崩溃，因此，在前部崩溃占优势，得到 构型保留的净结果。
5.2 离子对机理
Winstein提出了离子对的概念，认为在反应中存在两种可区分的离子对中 间体。 离解 电离
紧密离子对
溶剂隔离离子对
离解离子对
亲核反应可以发生在任一阶段，从而产生不同的立体化学结果：
紧密离子对→构型翻转（SN2)；
溶剂隔离离子对→部分外消旋化(SN1←→SN2）； 溶剂化离子→完全消旋化(SN1)。
例5-7：对溴苯磺酸2-辛酯的水解反应的立体化学结果：
速控步是形成紧密离子对，因此不同的条件下形成不同的产物。随 着碳正离子稳定性的增加，外消旋的比例也增加。
例5-8：
在不同的条件下，呈现不同的立体化学结果：
与例5-7 相比外消旋的比例增加了，这是由于苯基对碳正离子的稳 定化作用，使解离能够进行到溶剂隔离的离子对，然后与亲核试剂反 应而得到产物。
底物及亲核试剂可以是各种质体，包括中性的和带电荷的，其
中最常见的是中性底物与负离子亲核试剂之间的反应：
①中性底物+中性亲核体（常见）
②中性底物+负离子亲核体（常见）
③正离子底物+中性亲核体：
④正离子底物+负离子亲核体
5.1 极限情况下的SN1和SN2历程
5.1.1 极限情况SN1单分子解离历程（电离机理）
环丙烷键为弯键，其σ键具有更多的π键特征；较小的键角使轨道 的能量较正常的σ键要高，能更有效地与空p轨道作用：
二等分构象能有效重叠
二甲基环丙烷正离子的nmr 谱图出现了两个不等分的甲基基信 号，这明确支持了二等分构象。
上述稳定的碳正离子都是SP2 杂化的平面性结构，当平面性不能满足时，碳 正离子的能量高，稳定性下降。
在亲核取代反应中，离子对的概念现已普遍被接受：
粗略地认为三种形式势能接近，而且相互间的能垒较小
Sneen 提出一元化离子对机理：
5.3 亲核性和溶剂效应
亲核性是衡量一个路易斯碱对亲核取代反应速率影响的效应。
碱性是指对酸碱平衡的影响。
亲核性大小对于SN2反应来讲，决定反应速率；
对于SN1反应，影响产物的分布。
第五章：亲核取代反应
迄今为止，人们对亲核取代反应的了解是在各类有 机反应中最深入的。 现在可能利用这些研究为基础提出的机理来预测反 应的过程和制定最大限度转化为成为产物的实验条件。 虽然到目前为止，还仍有一些重要的细节问题没有 弄清楚，但对于整个亲核取代反应，人们的认识已经进 入到了相当的层次。 反应通式：
例5-9：
一般认为，叔碳体系的亲核取代反应为100%外消旋(SN1)的说法并不 严格，条件不同时，将产生不同的立体化学结果。
如：对硝基苯甲酸2-苯基-2-丁酯的水解反应：
①在弱亲核介质中，完全解离，形成外消旋产物； ②在强亲核介质中，不到完全解离时， 即发生反应，在紧密离子对即溶 剂隔离离子对阶段即发生反应，形成构型转化即外消旋混合物； ③在水中，溶剂隔离离子对阶段，由于水与对硝基苯甲酸根之间的氢键作 用，使水分子在隔离离子对中处于前部，而有利于得到构型保持的产物：
5.1.2 极限情况SN2历程（直接取代机理）
直接取代机理是一个双分子协同机理，其历程如下：
反应速度与底物、离去基团、亲核试剂的结构与性质等都有关
1.1.2.a SN2历程的特点：
①在动力学上为二级，为双分子反应，对底物和亲核试剂各为一级； ②反应中没有中间体，只有活化过度态，亲核试剂的进攻方向与离去基 团离去方向相反，进攻离去同时进行的协同过程。
5.3.2 亲核性与碱性
亲核性与碱性都是描述给出电子对与亲电性质体形成 新键的过程。 但碱性只用于平衡（热力学）现象； 而亲核性只用于（动力学）现象。
Swain&Scott 用CH3I 在25℃时甲醇解作为标准反应定 义了亲核性常数n,用来描述亲核性的大小。
nCH3I=log( k亲核体/kCH3OH)
5.1.2.b 影响SN2反应的因素：
结构因素：过渡态为五配位，因此，碳上取代基和亲核试剂 的体积影响较大，体积小，速度快，电子因素影响较复杂； 介质因素：溶剂效应较复杂，对于中性底物和负离子亲核试 剂，极性溶剂不利于反应； 反应受亲核试剂的亲核能力和离去基团离去能力影响较大。 立体化学结果：对于光学活性底物，100%构型翻转。 事实上，大部分亲核取代反应的实际过程是介于SN1和 SN2 之间的。