第七章亲核取代反应2014

亲核试剂的亲核性强弱顺序一般规律:
——亲核性强弱顺序与碱性基本相同 ——同一周期元素原子随原子序数增加亲核性减弱
-CH 3
> -NH2 > HO- > F-；
——带负电荷基团的亲核性强于中性基团 HO- > H2O； CH3O- > CH3OH； -NH2 > NH3； （碱性、给出电子去成键的能力↑，亲核↑ ）
CH3 S olve nt Re l ative re acti vi ty Ethan ol 1 Le ss re acti ve 40% W ate r 60% Eth anol 100
CH3 80% W ate r 20% Eth anol 14,000 W ate r 100,000 More re acti ve
碳正离子中间体是平面三角形结构
SN1 反应的立体化学
CH2CH3 CH2CH3 CH2CH3 H2O + H3C Cl CH3 HO CH3 OH EtOH CH2CH2CH2CH(CH3)2 CH2CH2CH2CH(CH3)2 CH2CH2CH2CH(CH3)2 (R)-2,6-二甲基-6-氯辛烷 (R)-2,6-二甲基-6-辛醇 40%(构型保持) (S)-2,6-二甲基-6-辛醇 60%(构型转化)
SN1 reactions take place much more rapidly in polar solvents than in nonpolar solvents.
SN1 反应的影响因素
4) The Solvent（溶剂）
要强调的是：SN1 和 SN2 反应均受溶剂的很大
影响，但是它们的作用机制不同 被溶剂化作用降低了反应活性
H
δ-
R
C
H
δ-
- X--
X
RCH2OH
SN2 反应的特征
动力学： 二级反应 V=k[RX][-OH]
R HO
δ-
立体化学： 产物构型反转 中间体： 只有过渡态
L C
δ X
能量变化： 一个能垒
ΔE
Summary about SN2
E
Hindered substrate Poor leaving group
第七章
Chapter 7
sp3杂化碳原子的亲核取代反应
Nucleophilic Substitutions at sp3 Hybridized Carbon
本章重点内容
1. SN1 和 SN2 反应的机理、影响因素和立体化学 Mechanisms, Influence factors and Stereochemistry of SN1 and SN2 Reaction 2. SN1 与 SN2 反应的竞争问题
5. Vinylic and aryl
×
×
√
×
Nucleophile Solvent
good high conc. DMSO or acetone
poor Low conc. H2O or ROH
影响亲核取代反应历程的因素
影 响 因 素 反应物 亲核试剂 离去基团 溶剂
推电子力强 空间位阻大 碱性强
N3 - C H 2C H2C H2C H 3 DMF 2,800 C HN 3C
+
Br-
HMPA 5,000
1,300
200,000 More re acti ve
Summary about SN2
The SN2 reaction is worst when carried out with a
Competition between SN1 and SN2
3. SN1 和 SN2 反应在合成上的应用 （1）官能团的相互转化；（2）C - C 键的形成 * mutual transformation of functional group * formation of C–C bonds
亲核取代反应
-
Nu
+
+
C
X
C
Nu
+
X-
单分子亲核取代反应（SN1）
+
C
X
C
+
+
X-
C+ +
Nu
C
Nu
SN1 和 SN2 反应的影响因素
Nu
+
C
X
C Nu
+
X-
底物 RX（以卤代烃为代表)
离去基团 X 亲核试剂 :Nu or :Nu 溶剂
取代反应的SN2机理
一步反应，动力学表现为二级反应 亲核试剂从离去基团的背面进攻，立体化学
SN1
很有利 有利 稍不利
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SN2
影响不大 很不利 很有利
体积大
难离去 键能大 极性强 质子性
SN2 在质子性溶剂中是不利的，因为亲核试剂
SN1 反应却是在质子性溶剂中有利的，因为反
应中产生活泼中间体碳正离子的过渡态能被溶 剂化作用稳定，生成的阳离子和阴离子均可被 溶剂化作用稳定。
不同的溶剂化作用
进攻试剂被包裹
中间体被包裹
SN1 反应的立体化学
得到构型保持和构型翻转两种产物。
SN1 反应的立体化学
— 一级反应, v = k [RX] — 两步反应, 限速步骤是碳正离子的形成
SN1 反应的机理
SN1 反应的影响因素
1) The Substrate（底物） 卤代烃和磺酸酯的SN1反应活性顺序基本上与碳正 离子的稳定性顺序相同: CH3 < 10 < Allyl ~ Benzyl ~ 20 < 30 2) The Leaving Group（离去基团）
SN2反应活性: methyl > 10 > 20 > 30
SN2 反应的影响因素
2) The leaving Group（离去基团）
离去基团的离去倾向越大，SN2 反应活性越高。 离去基团的碱性越弱，则离去倾向越大。 Relative reactive（反应活性）:
OH-, NH2-, OR-, < F- < Cl- < Br- < I-
亲核试剂原子半径越大，可极化性越大，
越易成键。
SN2 反应的影响因素
4) The Solvent （溶剂） Protic solvents (质子性溶剂) — 含有 -OH 或 -NH — 不利于SN2 反应
原因：质子性溶剂使亲核试剂 阴离子溶剂化，即发生离子－ 偶极相互作用，亲核性降低。 碱性越强，亲核性降低越大。
In protic solvents, the weaker the basicity of nucleophile, the stronger the nucleophilicity.
SN2 反应的影响因素 4) The Solvent （溶剂） Aprotic polar solvents（非质子极性溶剂）
Nucleophilic Substitution Reaction 实验事实
R-X + H2O
80% EtOH kinetic (CH3)3C-X (CH3)2CH-X CH3CH2-X CH3-X steriochemistry 1st-order reaction order k /10-5s-1 1010 0.24 0.14 0.35 two stereoisomers 2nd-order
SN2 反应的影响因素
3) Nucleophile (亲核试剂 )
亲核试剂的亲核性越强，反应活性越高。
亲核性强弱常受到底物、溶剂甚至是浓度的影响。 因此，比较亲核试剂的强弱应该确定一个标准，最好
在相同的底物和相同的反应条件下比较：
Nu Nu = re l ative re acti vi ty H 2O 1 + C H 3 - Br
R-O H
+ HBr
H3C C Br
Re lative re activity
<1 Le ss re active
1
12
1200,000 More re active
What’s going on here?
—— an alternative substitution mechanism
SN1 反应的机理
-
Nu - C H3 Cl
-
+
-
BrI
-
CH 3C O2 500
NH3 700
OH
-
CH 3O
CN
-
HS
-
1,000
16,000
25,000
100,000
125,000 More re acti ve
Le ss re acti ve
SN2 反应的影响因素
3) Nucleophile (亲核试剂 )
Unhindered substrate
t
Good leaving group
Poor nucleophile
Protic solvent
Good nucleophile
polar aprotic solvent
SN1 反应实验事实
R-Br + H 2O
H H H C Br H3C H H C Br H3C H3C H C Br H3C H3C
由于在 SN1 反应中，亲核试剂是在限速步骤发
生后才进入反应，因此，不影响反应速率。
可以预计中性亲核试剂与负离子的亲核试剂一
样有效，所以，SN1 反应常在中性或酸性条件下 进行。
SN1 反应的影响因素
4) The Solvent（溶剂）
CH3 H3C C Cl + RO H H3C CH3 C OR + HC l
Free energy
SN2 反应的影响因素 1) Substrate（底物） —— Steric Effects
SN2 反应的影响因素 1) Substrate（底物） —— Steric Effects
H3C Br H3C H3C C Br
H H H C Br
H3C H H C Br
H3C H3C H C
能量变化：
两个能垒
Δ E1 +Δ E2
SN2 和 SN1 的竞争问题
SN1 和 SN2 反应的比较
SN2 和 SN1 的竞争问题
SN2 R in Substrate
1. methyl and 10
2. 20 3. 10 & 20 benzylic, allylic
S N1
×
√ √
√
√ √
4. 30
— 极性很强，但不含有-OH 或 -NH
acetonitrile(CH3CN), dimethylformamide[HCON(CH3)2, DMF]
dimethyl sulfoxide [(CH3)2SO, DMSO], hexamethylphosphoramide {[(CH3)2N]3PO, HMPA}
离去基团离去倾向越大，则反应活性越高；
常见离去基团在SN1 反应中的离去倾向： H2O < Cl - < Br - < I - ~ TsO – 注意：醇的SN1 反应常在酸性条件下进行，而中性的水分子 是离去基团。 这是醇的亲核取代反应与卤代烃的不同之处
SN1 反应的影响因素
3) The Nucleophile（亲核试剂）
离子对机制
SN1 反应的碳正离子重排反应
在SN1反应中形成的碳正离子中间体有重排成更 稳定的碳正离子的趋势。产物结构与原料有差异。
SN1亲核取代反应机理
- X --
OH --
R3CX
R3C +
R3COH
SN1反应的特征
动力学： 立体化学： 中间体： 一级反应 产物是外消旋体 碳正离子 V=k[RX] dlR 3C +
R-OH +
HX
-
80% EtOH + HO
reaction order k /10-5mol-1 L s-1 ---4.75 170 2140 inversion of configuration
两种结果预示两种不同的机理
两种不同的亲核取代反应机理 — SN 1 和 SN2
双分子亲核取代反应（SN2）
— 有利于SN2 反应
原因：非质子极性溶剂只能让阳离子溶剂化，从而 使亲核试剂负离子“裸露”，亲核性增大。
DMSO
N3 - + C H 3C H2C H2C H2 - Br S olve nt re l ative re acti vi ty C3 H OH 1 Le ss re acti ve H 2O 7 DMSO
上发生构型的转化
SN2 反应机理
SN2反应中过渡态结构：
sp2杂化
新键已部分形成 旧键已部分断裂
H H HO Br CH3 Ea CH3Br + HOCH3OH+ Brprogress of the reaction #
反应势能变化图如右：
凡能影响过渡态稳定性
的因素都将影响反应的 活性和选择性
hindered substrate, a poor leaving group, a neutral nucleophile, and a protic solvent. 位阻大的底物、难离去基团、中性（弱的） 亲核试剂和质子性溶剂不利于SN2反应。
SN2 亲核取代反应机理
OH--
RCH2X
HO