第八章 饱和碳原子上的亲核取代反应

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• 20世纪30年代起，Ingold C. K. 和Hughes E. D. 在亲核取代反 应的理论研究中做了大量的工作。
• 饱和碳原子上的亲核取代反应是脂肪族化合物的主要反应， 也是研究的最多、最系统的有机反应。对脂肪族亲核反应的 研究，不仅在理论上有重要的意义，在有机合成上也有实际 意义。
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。
（1）亲核取代 （2）亲电取代 （3）游离基取代
亲核取代反应的通式：
中心碳原子（饱和碳原子）
Nu- + C X
Nu C + X-
亲核试剂
底物
产物
离去基团 L
亲核试剂 (Nu)：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。
底物：
反应中接受试剂进攻的物质。
ν = k1 R L
因为亲核试剂（溶剂）大大过量，不显示浓度变化。这种现象在动力学上 称为“假一级”。
• Eschenmoser等人通过实验，对SN2反应的过渡态必须是线性结构提供了强 有力的证据：
SO2
O base
CH2 CH3 Ts
SO2 O CH3
CH Ts
SO3
CH CH 3 Ts
交叉实验证明，带阴离子的碳进攻另一分子的甲基，而不是同一分子中附近 的甲基，即反应是分子间进行，而不是分子内。
R L +Nu- R Nu + L-
ν = k[R L][Nu]
二级反应
SN2 机理表现为二级动力学，对反应物和亲核试剂都是 一级。这种反应物和亲核试剂两种分子都参与了过渡态的过 程叫双分子亲核取代反应，记为SN2。
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其反应机理为：
Nu- ＋ R'CH2 L
亲核试剂从离去基 团的背面接近中心碳原 子，与此同时离去基团 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， 旧键断裂时所需的量， 是由新键形成所放出的 能量提供的。两者达到 平衡时，体系能量高。 其状态为过渡态 T.
HH δNu C δL
R'
T
协同反应
R'CH2 Nu ＋LSN2反应 的能量变 化曲线
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S N 2 反应机理：
Nu
C
L
Nu
C
Nu
C
L
过渡态为线性结构
L
Nu
C
L
在过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道和中心碳原子的 p轨 道交盖的程度，与离去基团和中心碳原子的 p轨道的交盖程度相同。
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• SN2机理的溶剂解反应是双分子历程，但实验测得的结果是动力学一级，
离去基团： 带着一对电子离去的分子或负离子。 2
2
3
亲
核
⑴ 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：
取 代 反
R L + Nu:
RNu+ + L-
Bu3P + CH3CH2I
Bu3P+ CH2CH3+ I-
应
⑵ 底物为中性，亲核试剂带有负电荷：
R L +Nu- R Nu + L-
PhCH2Cl + CN- PhCH2CN+Cl-
Nu C
Walden转化
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－Walden转化。
Nu:
L
Nu
+ L-
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SN2的立体化学
过渡态
构型相反 • 瓦尔登转化
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实验一：
构型
H
C6H13 C Br
NaOH SN 2
CH3
(R) - (-) - 2 – 溴辛烷
[α]25D= -34.25° 对映体的纯度=100%
实验二：
n-C6H13H
128I- +
CI
CH3
翻转
C6H13 HO C H
CH3
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90°
对映体的纯度=100%
128I
HC6H13-n
第八章 饱和碳原子上的亲核取代反应
(Aliphatic Nucleophilic Substitution)
1 亲核取代反应类型 2 亲核取代反应机理 SN1机理SN2机理 3 亲核取代反应的立体化学 4 影响反应活性的因素 5 邻基参与反应 6 分子内亲核取代反应 7 亲核取代反应的应用
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一、亲核取代反应类型
R L +Nu- R Nu + L-
( SN1)
反应分两步进行：
ν = k1 R L
第一步 正碳离子的生成：
R L慢
δR δL
动力学上为一级反应
R+ + L-
第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
R+ + Nu- 快 R Nu
• 第一步是决定反应速率的一步。 5
SN1反应的能量变化曲线
例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：
转化（消旋化） （消旋化产物）
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。
⑵ 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。
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，从而得到不同的产物。
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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：
Nu- ＋ C L
δ
Nu
C
Lδ
Ph2CH
Cl
丙酮 慢
Ph2C+H + Cl
Ph2C+H
H2O -H+
Ph2CH
OH
按SN 1 机理进行反应的体系： 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。
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2、双分子亲核取代 Bimolecular Nucleophilic Substitution ( SN 2)
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：
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3、离子对机理 介于SN1 与 SN2 之间的机理，建立在SN1机理基础之上。
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：
R L 离子化
Nu SN 2
构型翻转
三个阶段：
R+L- 溶剂介入 R+ L-
R+ + L-
离解的离子
Nu 紧密离子对
Nu 溶剂介入 离子对
Nu SN 1
翻转（主要）
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和
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类 型
反 应
和
前
后
有反
电应
荷前
⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：
变后 化无
R L+ + Nu
R Nu++L
电 但荷
(CH3)3S++ (CH3)3N
(CH3)4N++(CH3)2S
两变 者化
相
⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
反类
RL++Nu- R Nu +L
型
CH3O+ H2+ Cl- CH3Cl +H2O
• 当Nu是溶剂时，所发生的亲核取代反应称为溶剂解反应 (Solvolysis)，属于 (1) 型。
• 根据作用物（底物）、亲核试剂、离去基团和反应条件的 不同，脂肪族亲核取代反应可以按不同的历程进行。两种极 限的情况是SN1和SN2历程。
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二、 亲核取代机理
1、单分子亲核取代 Unimolecular Nucleophilic Substitution