亲核取代

构型
翻转
NaOH SN 2
H
C6H13 C Br CH3
C6H13 HO C H CH3
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° ° 对映体的纯度=100% 对映体的纯度
EtOH K2CO3 B
(R) - (-) - 2 - 辛烷 [α]25D= -34.25° ° 对映体的纯度=100% 对映体的纯度
机理进行的底物特征： 按 SN 2 机理进行的底物特征：
R' CH R X
不被共轭体系稳定的仲卤代烷 及其衍生物
3. 离子对机理
介于S 之间的机理， 介于 N1 与 SN2 之间的机理，建立 机理基础之上。 在SN1机理基础之上。 机理基础之上
底物的解离成正碳离子是经几步完成的， 底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同 的离子对： 的离子对：
S N 2 反应机理： 反应机理： Nu Nu NuNu NuNu Nu Nu Nu
C C C C C
LL L L LL L
L L
Nu
C
L
在过渡态中， 在过渡态中，亲核试剂的孤 对电子所占有的轨道与中心碳原 子的 p轨道交盖的程度与离去基 轨道交盖的程度与离去基 团与中心碳原子的 p轨道的交盖 轨道的交盖 程度相同
73% 消旋化产物
27 % 构型转化
不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应， 当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应， Nu:从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构 从 背后进攻中心碳原子的机会增大， 型转化增多 。 请思考： 请思考：
H3C
CH3 Br
H2O SN 1
?
H
四. 影响反应活性的因素
α= +23.5° °
SN1机理 机理
L-
C L Nu-
C+
Nu-
C Nu + Nu C
50 % 50 %
试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对 试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子， 外消旋产物。 外消旋产物。 正碳离子越稳定， 正碳离子越稳定，消旋化程度越大
H C Cl CH3 Ph
OHH2O
H
SN1反应： 反应： 反应
A. 电子效应 所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使S 所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使 N 1 反应的反应速率增大： 反应的反应速率增大：
ROTs
R Et i-pr CH2=CH-CH2 PhCH2 Ph2CH Ph3C
k1 OTs
R+
EtOH
R OEt
相对速率 (k1) 0.26 当取代基具有＋ 、 当取代基具有＋I、 0.69 超共轭效应、＋ 效应， 、＋C效应 超共轭效应、＋ 效应， 0.86 S 1反应速率增大 反应 反应速率增大, N 反应速率增大 100 活性增大。 活性增大。 ~10 5 ~10 10
一. 反应类型 二. 反应机理 (Reaction Mechanism) 1. SN1机理 1机理 2. SN2机理 机理 3. 离子对机理 三. 立体化学 1. SN2反应 反应 2. SN1反应 反应
四. 影响反应活性的因素 1. 底物的烃基结构 2. 离去基团 (L) 3. 亲核试剂 (Nu:) 4. 溶剂 五. 邻基参与反应 六. 碳正离子的重排
F- < Cl- < Br- < I-
R - O - < R - S - < R - Se -
D. 当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，则不利于 当亲核试剂中取代基的空间效应较大时， 试剂接近底物分子。因此，对于试剂的亲核性， 试剂接近底物分子。因此，对于试剂的亲核性，取 代基的空间效应大于其电子效应： 代基的空间效应大于其电子效应：
（二）亲核试剂的强度
CH3 > O O > O
Cl >
NO2
O
当试剂中进攻的原子不同时， 当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度 顺序与碱性有时不同： 顺序与碱性有时不同： 碱性： 碱性： C2H5O- > I亲核性： 亲核性： I- > C2H5OB. 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱， 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱， 负电荷越分散，亲核性越弱： 负电荷越分散，亲核性越弱： H2N- > OH- > FC. 试剂中的进攻原子为同族原子时，原子的可极化度 试剂中的进攻原子为同族原子时， 越大，试剂的亲核性越强： 越大，试剂的亲核性越强：
-
亲核试剂带有负电荷： ⑵ 亲核试剂带有负电荷：
R L +Nu
-
+ LR Nu
-
PhCH2Cl + CN
PhCH2CN+ Cl
-
底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子： ⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：
R L + Nu
(CH3)3S + (CH3)3N
+
+
R Nu + L
(CH3)4N++(CH3)2S
R X Nu
R k2 CH3 30
- SN2
XR Nu
(CH3)2CH 0.03 (CH3)3C 0 1
CH3CH2
新戊基卤代烷几乎不发生S 反应 反应： 新戊基卤代烷几乎不发生 N 2反应：
转变过程中， 转变过程中，中心 H 碳原子由底物同4个 碳原子由底物同 个 Nu: Nu C L 基团相连转变为由 C X 过渡态的同5个碳原 过渡态的同 个碳原 H H 子相连，空间拥挤程 子相连， 当底物中心碳原子连有较大基团时， 度增大。 当底物中心碳原子连有较大基团时， 度增大。 Nu:难于从背后接近底物。 难于从背后接近底物。 难于从背后接近底物
一. 反应类型
亲核取代反应的通式： 亲核取代反应的通式： 中心碳原子 离去基团 带着 一对电子 离开
Nu + R L
LR Nu +
亲核试剂 带着 一对电子 进攻 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子： ⑴ 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：
Bu3P + CH3CH2I
Bu3P CH2CH3 + I
第四章 亲核取代反应
(Aliphatic Nucleophilic Substitution)
取代反应是指化合物的原子或原子团被其它原子 或原子团所取代的反应。 或原子团所取代的反应。
（1）亲核取代 ）
（2）亲电取代 ）
（3）游离基取代 ）
第四章 饱和碳原子上亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution)
ν = k [R L][Nu]
二级反应
其反应机理为： 其反应机理为：
H H Nu ＋ R'CH2 L
δ
Nu C L R'
δ
R'CH2 Nu ＋L-
T 亲核试剂 接近 背后 －从离去基团的背面 与此同时 中心碳原子
离去基团也正在逐步地离开底物分子 新键的形成与旧键的断裂是同时发生的， 新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂 时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的。 时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的。 两者达到平衡时，体系能量最高。 两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态 T.
B. 空间效应
Nu-: CH3O-, HO-, INu Nu:在 SN2反应中起着重要作用 在 反应中起着重要作用 Nu: H2O: 规律： 规律： 1〕带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： 〕带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： －OH > H O, CH O- > CH OH 2 3 3 2）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强； ）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强； 中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中， 中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中， 亲核性越强。 亲核性越强。 A. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致： 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致： RO- > HO- >> RCO2- > ROH > H2O CH3O- > PhO- > CH3CO2- > NO2碱性是试剂与 质子结合的能力； 质子结合的能力； 亲核性是试剂与带 有部分正电荷的碳 原子结合的能力。 原子结合的能力。
H C
+
OH-
H C OH HO C Ph
49%
H CH3 Ph
CH3 Ph
CH3
消旋化 (Racemization)
51%
事实上， 反应往往伴随构型转化产物： 事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物： 反应往往伴随构型转化产物
H Ph C Br CH3
CH3OH HBr
H CH3O C Ph + CH3
CH2Ph Me CH OH α= +33.0° α= +33.0° ° °
K C EtBr
TsCl A
CH2Ph Me CH OTs α= +31.1° α= +31.1° ° °
CH2Ph Me CH OEt α= -19.9° α= -19.9° ° °
CH2Ph Me CH OK
CH2Ph Me CH OEt
影响亲核取代反应活性的主要因素是： 影响亲核取代反应活性的主要因素是： • 底物的结构 • 亲核试剂的浓度与反应活性 • 离去基团的性质 • 溶剂效应 （一）底物结构的影响 SN 2反应： 反应： 反应 卤代烷的反应活性顺序是： 卤代烷的反应活性顺序是：
甲基 > 伯 > 仲 > 叔 原因：烷基的空间效应 原因：
2反应相反 反应相反， 与SN 2反应相反，底物上的取代基的 空间效应使S 反应速率加快 反应速率加快： 空间效应使 N1反应速率加快： 键角增大， 键角增大， RBr在水中的溶剂解相对速度 在水中的溶剂解相对速度 取代基空间 R 效应越大， 效应越大， R RBr 在水中50° 在水中 °时 基团的空间 C C X MeBr 1.00 拥挤程度减 R' X- R' R'' EtBr 1.00 R'' 小。 i-pBr 11.6 t-BuBr 1.2×106 四面体 平面三角型 ×
三. 反应的立体化学
反应的立体化学与反应机理相关 SN2机理： 机理： 机理
Nu
＋
C L
Nu C L
δ
δ
Nu C
Walden 转化
由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子， 由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以 产物发生构型转化－ 转化。 产物发生构型转化－Walden转化。 转化 Nu: L Nu + L-
Ph2CH
丙酮 Cl 慢
Ph2CH + Cl
+
Ph2CH
+
H2O
Ph2CH OH
按SN 1 机理进行反应的 体系： 体系：叔卤代烷及其衍 生物和被共轭体系稳定 的仲卤代烃及其衍生物
2. 双分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理 反应机理 动力学研究表明： 动力学研究表明：有一类亲核取代反应的速率与 底物的浓度和试剂的浓度同时相关： 底物的浓度和试剂的浓度同时相关：
R L + Nu
-
+ LR Nu
反应分两步进行
ν = k1 R L
正碳离子的生成： 第一步 正碳离子的生成：
慢
R L R L 亲核试剂进攻正碳离子： 第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
δ
δ
第一步是决定 + L反应速率的一步。 反应速率的一步。 R +
R + Nu
+
- 快
R Nu
例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应： 例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：
当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)， ， 当中心碳原子与杂原子直接相连时 SN 1反应速率明显增大： 反应速率明显增大： 反应速率明显增大
C2H5OCH2Cl
SN 1反应 反应 速率
C-C-C-C-Cl
C2H5O-CH2CH2Cl
109 1.0 0.2 当杂原子与中心碳原子相连时， 当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的 正碳离子，因共轭效应而被稳定。 正碳离子，因共轭效应而被稳定。
R L Nu SN 2
离子化
R
+ L-
溶剂介入
RL
+
-
R+ + L Nu SN 1
-
离解的离子 紧密离子对
Nu
Nu 溶剂介入 离子对
构型翻转
翻转（主要）
转化（消旋化） （消旋化产物）
三个阶段： 三个阶段： 解离的正负离子形成紧密的离子对， ⑴ 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对 被溶剂化。 被溶剂化。 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。 ⑵ 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。 离解的离子为自由离子。 ⑶ 离解的离子为自由离子。 亲核试剂可以进攻四种状态的底物， 亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同 的产物。 的产物。
+
底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷： ⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
+ NuRL
+ ClCH3OH2+Fra bibliotek+
R Nu + L CH3Cl +H2O
二. 反应机理
1. 单分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( SN 1)反应机理 反应机理