取代基电子效应

34
❖ 1) 对SN1的影响——碳正离子的形成及稳定性
R3C溴 CH2=CHCH2
>
R2CH
> RCH2 > CH3
SN1反应的速度是：
C H 2=C H C H 2X
C H 2=C H X
C2X H ＞ RX＞
X
烯 丙 式 3° R＞ X 2° R＞ X 1° RX乙 烯 式
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35
-N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO, -COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。
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3
2.2.4 苯环的定位规律及影响因素
❖ 已有取代基的电子效应和定位作用 ❖ 亲电试剂的活泼性 ❖ 空间效应的影响 ❖ 反应条件的影响 ❖ 已有两个取代基的定位规律
CH 3
OH
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17
（2）已有一个第二类取代基
使苯环钝化，新取代基进入异环的α位。
N2 O
E+
E N2 O +
N2 O
S3 O H
硝化
N2 OS3 O H
E S3 O H
+
N2 O
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18
2.2.6 蒽醌环的定位规律
❖ 蒽醌环的特点
O
（1）亲电取代反应活性低；
（2）两个边环具有等同性。
X
o/p
-F
0.15
-Cl
0.55
-Br
0.77
-I
0.83
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7
❖ 新引入基团的空间效应
新引入取代基的体积越大，邻位产物越少。
表 甲苯C-烷化反应新引入基团对异构体比例的影响
新引入 基团
反应条件
CH3
CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45℃)
C2H5
C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)
取代基类型
邻、对位定 位基
间位定位基
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2
两类定位基： ❖ 邻、对位定位基（第一类定位基）：
-O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3, -F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。
❖ 间位定位基（第二类定位基）：
-NHCOCH3
-I，+T， -F,-Cl,-Br,-I 且|-I|<|+T|
-NO2, -CN -I，-T -COOH, -CHO
-N+(CH3)3 -I，无T -CF3, -CCl3
作用 共轭效应与诱导效应作用一致, 活化苯环；
共轭效应作用大于诱导效应， 活化苯环；
共轭效应作用小于诱导效应，
钝化苯环 诱导效应与共轭效应作用一致, 钝化苯环 使σ-配合物不稳定，钝化苯环；
H H 过 渡 态
H
HO C +B r H
H
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SN2反应的立体化学
❖ (1) 异面进攻反应（Nu-从离去基团L的背面进 攻反应中心）
Nu-
C
δ
δ
Nu … C… L
Nu C + L -
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(2) 构型翻转
❖ （产物的构型与底物的构型相反，即瓦尔登 Walden 转化）
外消旋体 83-98% 构型转化 2-17%
34% 66%
❖ 结论：SN1历程通过生成碳正离子进行取代反 应时，在发生消旋化的同时，通常还伴随着 部分构型转化
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C 重排
CH3
CH3
CH3 C CH2Br CH3
CS2HN15O-CH3
CH3 C CH2 CH3 1°C+
C2H5OH CH3 C CH2OC2H5 CH3
类型定位基，且处于邻、 NH COCH 3
对位，则定位作用不一
CH 3
致——取决于定位能力
的强弱。
COOH COOH
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❖ 已有两个取代基为不同类型 定位基，且处于邻、对位， 则定位作用一致。
❖ 已有两个取代基为不同类型 定位基，且处于间位，则定 位作用不一致——取决于第 一类定位基。
O
O
O N2O
O N2O
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O
O
N2O O
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❖ 蒽醌环的定位规律 ❖ 催化剂的影响
O
SO3H 磺化
O
O
O SO3H
磺化
HgSO4催化
O
O
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水溶液
R－X ＋ NaOH
R－OH + NaX
反应活性：RI＞RBr＞RCl, 为什么?
C3H C2H Br + 3)N 3 aOC C3H C (2H O CC H3 ( )3C+ H Na
(1)在极性效应 相差不大时，已 有取代基体积越 大，邻位异构产 物的比例越小。
R -CH3 -C2H5 -CH(CH3)2 -C(CH3)3
o/p 1.66 0.90 0.41 0.12
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6
(2)当极性效应起主导作用时，结果可能相反。
X
表 一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25℃)产物异构体比例
CH 3
NO 2 NH COCH 3
COOH
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14
2.2.5 萘环的定位规律
❖ 萘环的特性
（1）比苯环更易发生亲电取代反应。
HE HE
HE HE HE
H E
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α-位
H
H
E
E
β-位
H E
H E
15
（2）α位比β位的 亲电取代反应活 性高，E+优先进 攻α位。
95% 5%
溴溴
CH3
CH3 C CH2
CH3
C2H5OH
CH3
3°C+
CH3 C CH2 CH3 OC2H5
-H
CH3
CH3 C CH CH3
SN1反应除了得到消旋产物外，常伴随着 部分构型转化，还有重排产物。
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2.2.2 反应的影响因素
❖ 作用物结构的影响
图 卤代烷烷基对水解速度的影响
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60%H2O 溴 溴
SN1 溴 溴
n-C6H13
HO C
+
H CH3
( )-2-溴溴
67%
n-C6H13
C OH H
CH3
( )-2-溴溴 33%
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31
例2（SN1外消旋化+ 构型转化）
CHC3 H CH 3CH 2CH 2CH 2CH 2CH 2 CHC3 H
Cl
Cl
C+ HC3 H CH 3CH 2CH 2CH 2CH 2CH 2 C+ HC3 H
27
1) 反应机理
(1) 两步反应（ SN1反应是分两步完成的）
CH3 CH3 C Br 溴
CH3
CH2
CH3
C
…δ
δ
… Br
CH3
溴 溴 溴 溴1溴
CH3
CH3 C
+ Br-
CH3
CH3 CH3 C + OH- 溴
CH3
CH3
CH3
C
δ …
δ
… OH
CH3
溴 溴 溴 溴2溴
CH3
CH3 C OH CH3
取代基电子效应
诱导效应（I）：由电负性大小决定。 -I:吸电子 ＋I:供电子
共轭效应（T）：包括π-π共轭和p-π共轭。 -T:吸电子 ＋T:供电子
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1
电子效应
取代基
+I，+T
-O- ，-CH3 -C2H5
-I，+T， -OH,-OCH3,-NH2, 且|-I|<|+T| -N(CH3)2,
kT/kB
340
128
C2H5Br (GaBr3,C6H5CH3,2
5℃)
2.47
❖ 亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度越快，反应的选择性越低。 ❖ 亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度越低，反应的选择性越高。
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5
2.2.4.3 空间效应的影响
❖ 已有取代基的空间效应
R
表 一硝化（AcONO2,0℃)产物异构体比例
亲核试剂(Nu－)可进攻 R－X 中的正电中心，将X－ 取代。
亲核试剂——带有孤对电子或负电荷，对原子核 或正电荷有亲和力的试剂，用Nu：或Nu－表示。
常见的亲核试剂： OH－、 OR－、CN－、NH3、 H2O等。
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2.3 脂肪族亲核取代反应 （Nucleophilic Substitution）
少量 少量
约8％ 约70％
NH COCH 3 NO 2
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11
（2）改变反应历程。
O
SO3H 磺化
O
O
O SO3H
磺化
HgSO4催化
O
O
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12
2.2.4.5 已有两个取代基的定位规律
❖ 已有两个取代基为同一 类型定位基，且处于间 位，则定位作用一致。
CH3
少量
CH3
❖ 已有两个取代基为同一 主产物
8
2.2.4.4 反应条件影响
❖ 温度
（1）通常情况下，温度升高，亲电取代反应活性增 高，选择性下降。
N2 O
N2 O
N2 O
N2 O ＋
＋
N2 O
N2 O
N2 O
0℃ 40℃ 90℃
5％ 7％ 13％
94％ 91％ 85％
1％ 2％ 2％
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9
（2）使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆反 应，从而影响产物异构体的比例。
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SN1反应的立体化学
❖ A. 外消旋化（构型翻转 + 构型保持） ❖ 因： SN1反应第一步生成的碳正离子为平面
构型（正电荷的碳原子为sp2杂化的）第二步 亲核试剂向平面任何一面进攻的几率相等。
Nu
R1 R2 C L 慢
R3
R1 C+
R2 R3
R1
R1
Nu C
实例1：
CH3
0℃
200℃
CH3
CH3
SO3H
CH3
SO3H
SO3H
43%
4%
53%
CH3
CH3
SO3H
CH3
4.3%
SO3H SO3H
54.1%
35.2%
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10
❖ 反应介质
NH COCH 3
硝化 反应介质
NH COCH 3
NO 2
+
NHCOCH3
+
NO2
乙酸酐 约92％ 硫酸 约30％
C6H13
HO +
C Br
SN2
H
C H3
C6H13
HO C
+ Br
H CH3
( )-2-溴溴溴
( )-2-溴溴
α = 34.2
α = 9.9
❖ 结论：按SN2反应历程进行亲核取代反应，
总伴随着构型的翻转。完全的构型转化往往
可作为SN2反应的标志。
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单分子历程（SN1）
C3H C3H CB+ r O H -
——Williamson合成法
封闭容器
Cl 2 CC 2 C HHl 3+11 45 。 N-H 12 H 2 N 02 C CC 2 H N H， 2H+ 54 h C2 l
氨水
乙二胺
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反应通式：
dR+－Xd- + Nu-
反应物 底物 亲核试剂
R－Nu + X-
离去基团
d+ d-
硝化
90% 10%
85% 15%
氯化
低温磺化
（3）某些反应 在一定条件下 可逆，使低温 反应产物以α 位为主，高温 反应产物以β 位为主。
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SO3H 160℃异构化
SO3H
16
❖ 已有一个取代基的定位作用 （1）已有一个第一类取代基
大多使萘环活化，新取代基进入已有取代基的同环。
CH3
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4
2.2.4.2 亲电试剂的活泼性
异构产物 比例，％
表 亲电试剂活泼性的影响
CH3
5 9 .8
CH3
1 .1 7
0 .5 3 9 .7
1 .2 5 9 7 .6
反应类型
氯化
C-酰化
H 3C
3 8 .4 2 1 .0 4 0 .6
C-烷化
反应条件
Cl2 (CH3COOH,25
℃)
CH3COCl (AlCl3,C2H4Cl2, 25℃)
CH(CH3)2
CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25 ℃)
C(CH3)3
C(CH3)3Br(GaBr3,C6H5CH3,25 ℃)
异构产物比例，％ 邻位 间位 对位 55.7 9.9 34.4 38.4 21.0 40.6
26.2 26.2 47.2
0 32.1 67.9
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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+
R2
慢 慢 慢 慢 R3
C Nu R2
R3 慢 慢 慢 慢
慢慢慢慢
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B. 部分外消旋化
❖ SN1反应在有些情况下，往往不能完全外消旋 化，而是其构型翻转 > 构型保持，因而其反 应产物具有旋光性。
❖ 例1（构型翻转 > 构型保持）：
n-C6H13 C Br
H CH3
( )-2-溴溴溴
2.2.1 反应历程 2.2.2 反应特点 2.2.3 反应的影响因素
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2.3.1 反应历程
❖ 双分子历程（SN2）
RCH 2B r +O HV=K [RCH 2B r][O H-] V=水 解 速 度
K=水 解 常 数
RCH 2O H+ B r -
H
H O+HCBr H
H
δ
δ
H O … C … B r
C3H
V =K （ C H 3 ） 3C -B r
C3H C3H COH +B r-
C3H
❖ 实验证明：3°RX、CH2=CHCH2X、苄卤的 水解是按SN1历程进行的.因其水解反应速度 仅与反应物卤代烷的浓度有关，而与亲核试
剂的浓度无关，所以称为单分子亲核取代反
应（ SN1反应）。
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2）对SN2反应的影响－过渡态形成的难易影响
R-Br + C2H5O 溴 溴 溴 CH3CH2Br 溴 溴 溴 溴 100
溴溴溴溴 55 溴 ROC2H5 + Br CH3