饱和碳原子上的亲核取代反应

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H OTs H H OAc
反应相对速率 -OTs OAc
1011 构型保持产物
二、SN2 历程 双分子亲核取代反应,即 SN2 反应。它是一步完成的,rds 中涉及两个化学 品种的相互作用,反应速度与反应底物和亲核剂的浓度成正比,即表现出二级反 应动力学行为。 例如:
CH3CH2Cl + NaOH EtOH/H2O CH3CH2OH + NaCl
d[CH3CH2OH] dt
= K[CH3CH2Cl][OH-]
1.历程
HO
C Br 背后进攻
δ[ HO
C 双三角锥形 TS
δBr ]
HO C
+ Br
瓦尔登转化 构型转化的产物
TS G H3C CH3
R P 反应坐标 SN2反应的位能曲线
TsO
不发生SN2的刚性环进行SN1也是困难 的
因此,刚性桥头碳上不发生 SN2 反应(背后进攻受到空间阻碍,Walden 转化没 有可能) ,就是发生 SN1 也是困难的,因此生成的碳正离子不能形成平面结构。
TS 比作用物电荷分散,速度减慢。
又如,
(CH3)3N + CH3Cl δ[ (CH3)3N CH3 δCl ] (CH3)4N+ + Cl-
与中性作用物(CH3)3N 和 CH3Cl 相比,TS 出现一定程度的电荷分散,溶剂极性 增大,反应速度加快。 (4)亲核剂对 SN2 反应速度影响很大。亲核剂是都具有未共享电子对的路 易斯碱,有碱性和亲核性。碱性是其与 H+结合的能力;亲核性是其与缺电子碳 原子中心的结合能力。试剂亲核性强,浓度大,SN2 反应速度快。
2.影响 SN1 反应速度的因素: (R、L、Nu、溶剂)
(1)烃基的结构。按哈蒙德假设,SN1 反应的 rds 的 TS 类似于中间体 R+, 因此,生成的 R+越稳定,则 RL 越活泼,反应活化能越低,反应速度越大。下列
卤代烃的反应活性顺序为:
ArCH2X, CH2 = CH – CH2X > R3CX > R2CHX > RCH2X > RCH2 = CHX, ArX
取代反应包括自由基取代反应、离子型取代反应,后者又分为亲核取代反应 和亲电取代反应。
自由基取代反应,烷基的氧化:
CH3CH2CH2CH3 + Cl2 hν/25oC CH3CH2CH2CH2Cl (28%) + CH3CH2CH(Cl)CH3 (72%)
实验表明烷烃中三类氢原子的活性为:3o H > 2o H > 1o H,可用超共轭效应来解 释。
Br + HBr
一、SN1 历程 单分子亲核取代反应 SN1 反应,单分子意指反应的决定速率步骤(rds)中, 发生共价键变化的只有一种分子。
1.历程
(CH3)3C Br + (CH3)3C + d(t-BuOH) dt k1 慢 (CH3)3C+ + Brk2快
OH-
(CH3)3C+ + Br-1 K-1[Br ] K2[OH-]
CH3CH2CHCH3 OH + HBr CH3CH2CHCH3 + Br OH2 CH3CH2CHCH3 + Br CH3CH2CHCH3 Br
比较各离去基团离去的难易常用的方法如下:
A. 离去基碱性愈弱,愈易离去。而碱性越弱的基团,其共轭酸酸性愈强。例:
酸性:HI > HBr > HCl > HF 碱性:I- < Br- < Cl- < F离去倾向:I- < Br- < Cl- < F卤代烷的活性:RI > RBr > RCl > RF
烷基的化合物) ,离去倾向增大更有利于 SN1。 (3)溶剂极性对 SN2 反应的影响,与 SN1 的情况相类似。如果 TS 比反应
底物电荷有所增加,溶剂极性增大,反应速度加快;如果 TS 的电荷比反应物有 所减少,或者更分散,溶剂极性增大,反应速度减慢。 例如:
CH3Br + OH δ[ HO CH3 δBr ] HOCH3 + Br
-
= K1(t-BuBr) 1 +
≈ K1[t-BuBr]
因为 K2[OH-] >> K-1[Br-]
第一步为 rds
(CH3)3C+,Br-,OHt-BuBr, OH-
t-BuOH,Br-
因此,由于活性中间体是平面构型,亲核剂从平面两侧进攻碳正离子中心的机会 相等,反应中心若有手性,必将产生构型保持和构型转化产物各半(外消旋化) 。 事实上, 只有在极限 SN1 的情况下, 才会形成非手性的 “自由” 碳正离子中间体。 如果碳正离子能量较高,活性较强,一经生成便受亲核试剂进攻,此时离去基团 (L)尚未远离反应中心(碳正离子与离去基团处于紧密离子对阶段) ,它将阻 止亲核剂的正面进攻,结果导致构型转化产物。
离子型取代反应,亲核取代:
δ+ CH3CH2
Cl NO2 + NO2 OC2H5 NO2
δBr
+
OH
CH3CH2OH + Br
OC2H5 NO2 + Cl
亲电取代:
CH3 δ+ CH3CH2CH HgBr δH + Br2 FeBr3 Br + δ+ δBr Br CH3CH2CHCH3 + HgBr2
R Z b R' a L
R

a
R
R a a Nu b R'
r.d.s
Z b R'
Nu
Z b
+
Nu R' Z



邻基参与作用往往显著增加反应速度,这种现象称为邻基促进或邻基协助,这是 由于反应的 rds 是第一步,邻基正处于进攻的有利位置,因此反应的动力学也表 现为一级。 (1) n 参与 邻基以未共用电子对(如 O、S、N、Br、I 上未共享电子对)参与亲核取代反应。 例 1:
-H2O
H H CH3 Br
Br b
Br H CH3
+
H Br CH3
Br H
(a)
(b)
(2) π 参与
C=O、C=C 的 π 键作为邻基参与反应。
反式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解比顺式异构体快 107 倍, 比相应的饱和
酯快 1011 倍,还得到构型未变的产物都说明 C=Cπ 键的参与: 例 1:
O R O S O
CH3
R
+
O O S O
CH3
(即 OTs)
(CH3)3C X + H2O X: F
80%C2H5OH-H2O Cl 1.0 Br 39
(CH3)3C OH + X I 99 OTs >105
相对速率:10-5
因此,可以理解,当离去基团为 OH、OR、NR2 时,亲核取代反应受到质子酸催 化。
第三章 饱和碳原子上的亲核取代反应
学习要求: 学习要求 1.熟悉亲核取代反应的几种历程(SN1、SN2、离子对) ,影响 SN1、SN2 反应速 度的因素,碳正离子重排及亲核性。 2.掌握邻基参与反应(历程、立体化学、非经典碳正离子) 。 3.熟悉 RX、ROH、环氧乙烷及其衍生物,碳负离子亲核剂等的亲核取代反应 及其应用。
态的稳定性来达到的。 在绝大多数 SN1 反应中,TS 是由中性分子离解形成带电荷的离子,过渡态 的电荷比作用物有所增强。因此,溶剂极性增强,对 TS 稳定化作用大,使 TS 能量降低,反应速度增大。与此相反的是,TS 与作用物相比电荷减少,则溶剂 极性增加,更稳定作用物,反应速率减慢。 例:
(CH3)3C S (CH3)2 + SOL-OH (CH3)3C SOL 80%C2H5OH 0.659 H2O 0.32 + H+ + S(CH3)2
恰与碱性次序相反,而与可极化性的大小次序一致:
RS- > RO-, RSH > ROH, I- > Br- > Cl- > Fe.空间因素对亲核性的影响,亲核剂体积大,按 SN2 历程,从 L 的背后进攻反
应中心是有困难的。因此,亲核性的次序有:
(CH3)3CO- < (CH3)2CHO- < CH3CH2O- < CH3O-,与碱性大小顺序相反。 3.与 SN2 反应竞争的副反应是消去反应,见第六章。
B. 离去基离去后生成的负离子越稳定(负电荷愈分散) ,则越易离去。
负离子稳定性及离去倾向:
NO2 SO2OSO2O> Br > ISO2O- > H SO2O- > CH3 SO2O- >
H3CO
(3)亲核剂(Nu)的性质对 SN1 反应速度影响不大。 (4)溶剂,溶剂对亲核取代反应的影响,主要是通过溶剂化效应影响过渡
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(2)离去基团的性质。rds 涉及 R-L 的断裂,因此 L 越易离去,反应速度 越大。离去倾向:I > Br > Cl > F。因为 F 与 C 价轨道能量相近,重叠很有效,
C-F 键能大不易断裂;而 I 与 C 价轨道能量相差大,重叠得较差,C-I 键键能较
小,易断裂。—OTs 是很好的离去基团,由于共轭效应所致。
三、离子对历程 有些化合物的亲核取代反应, 其动力学和立体化学特征介于 SN1 和 SN2 之间, 故提出了离子对历程来统一说明亲核取代反应的历程。
离子对历程认为,反应物在溶液中是分步离解的:1. 紧密离子对;2. 溶剂 分隔离子对;3. 自由正负离子。整个过程是可逆的,反应时亲核剂(Nu-或溶剂
SOL-OH) ,例如 ROH, HOH 可以在①②③的任何一个阶段开展进攻因而生成各
种不同的动力学特征和立体化学特征的产物。
作用物分子 R-L
紧密离子对 (R
+
溶剂分隔离子对 (R
+
溶剂化自由碳正离子和负离子 (R+ ) + (L- )
L)
-
L )
-
Nu
SOL-OH
Nu NuR
SOL-OH SOL-OR
Nu
SOL-OH
Nu RNu NuR
SOL-OH RO-SOL SOL-OR
NuR SOL-OR 构型转化
构型转化
RNu RO-SOL 构型保持或转化
外消旋化
四、邻基参与历程, 邻基参与历程,非经典碳正离子 在亲核取代反应中,在离去基团的 β-位(或更远)上有一带有未共享电子对 或带有负电荷的原子或原子团以及 π 体系等参与了反应,对亲核取代反应的速 度、 立体化学等都产生很大影响, 这种作用称为邻基参与。 其历程一般可表示为:
CH3 Br HO CH3 H Br
CH3 H
+ HBr
H Br CH3 H
+ H2O
赤式
(meso)
CH3 Br HO CH3 H H HO
Br H H CH3 CH3
Br CH3 H OH CH3 H
Br
H+
H
CH3 CH3 OH2
H
-H2O
+
Br
H a CH3CH3
H3C
Br H H Br CH3 CH3 Br H Br
CH3 H H CH3
Br
H
Br
H
b
CH3
(a)
(b)
Br
内消旋体
例 2:
CH3 H HO CH3 Br H CH3 CH3 Br H CH3
HBr
H Br
+
Br H
H Br CH3
苏式
CH3 H HO CH3 Br H CH3
外消旋体 a
CH3 Br H CH3
CH3
CH3 H Br
H
+
H H2O
代烷易按 SN1 进行,二级卤代烷介乎其间。
CH2X > RCH = CHCH2X 烯丙型 卤代烷 RX > RCH = CHX 乙烯型 X
(2)离去基团的性质。SN2 的 rds 也涉及 R-L 键的断裂,与 SN1 反应一样,
L 离去能力增强将加速反应。如反应物既可能起 SN2,也可能起 SN1 反应(含仲
SOL-OH: C2H5OH 相对速度: 1
3.竞争反应
与 SN1 竞争的副反应有消去反应和重排反应。 重排总是形成更稳定的碳正离 子,再与亲核剂反应。
H2O (CH3)3CCH2Br C2H5OH/H2O (CH3)3CCH2+ 1o 重排 + (CH3)2C CH2CH3 3o C2H5OH -H+ OH (CH3)2C CH2CH3 (CH3)2C CH2CH3 OC2H5 (CH3)2C=CHCH3
a.试剂中亲核原子相同时,亲核性与碱性次序一致: RO- > HO- > ArO- > RCOO- > ROH > H2O b.带负电荷的亲核剂比它们的共轭酸亲核性大: HO- > H2O, RO- > ROH, RS- > RSH c.同周期元素生成的同类型亲核剂,亲核性与碱性顺序基本一致: H2N- > HO- > F-, R3C- > R2N- > RO- > Fd.同族元素生成的负离子或分子,在质子溶剂中,中心原子体积大的亲核性大,
(CH3)3C Br 80%C2H5OH/H2O SN1相对速率 1 10-3 10-6 10-12
Br Br
Br
2.影响 SN2 反应速度的因素
(1)烃基的结构。a-C 的立体障碍越大,RL 越不活泼:CH3L > RCH2L >
R2CHL > R3CL。综合电子效应和空间效应,一级卤代烷易按 SN2 进行,三级卤
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