亲核取代与加成反应

环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：
3
C
+
>
CH > 2
+
CH2 >
+
+ CH2
环丙甲基正离子的结构：
C
CH2
CH2 CH2
中心碳原子上的空的 p 轨道与环丙基中的弯曲 轨道进行侧面交盖，其 结果是使正电荷分散。 空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖 随着环丙基的数目增多， 正碳离子稳定性提高。
2) π键参与的非经典正碳离子

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五、亲核试剂的类型和反应
1.含氧亲核试剂 H2O, ROH, OH-,RO-.
2.含硫亲核试剂 H2S, RS-, RSO2-, S2O32-等。 3.含氮亲核试剂 NCO-, NCS-等。 4.卤素亲核试剂 5.负氢离子 NH3, RNH2, R2NH, R3N, Li3N, NO2-, NaN3, HX, X-, LiI, SOCl2, ClCOSCl等。
R Nu + L
中心碳原子
-
底物
离去基团
2
亲核取代反应的反应类型：
⑴ 底物为中性，中性亲核试剂带着一对孤对电子：
R L +Nu
-
+ R Nu L
+
CH2I + N(CH3)3
+ CH2N(CH3)3I
⑵ 底物为中性，亲核试剂带有负电荷：
R L +Nu
-
+ L R Nu
H2O
CH2I + NaOH
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3. 离子对机理
R L Nu SN 2
离子化
R
+ L-
溶剂介入
RL
+
-
L R + +
离解的离子
Nu 紧密离子对
翻转（主要）
Nu 溶剂介入 离子对
Nu SN 1
构型翻转
转化（消旋化） （消旋化产物）
分三个阶段： ⑴ 分子解离为正负离子，两个离子相互靠近，形成紧密的离子 对。⑵ 溶剂介入离子对后正负离子被溶剂隔开，称为溶剂分割 离子对。⑶ 两个离子完全分离被溶剂包围形成溶剂化的正离子 2014-11-11 11 和溶剂化的负离子。
●邻基参与的结果使得最后的取代产物构型保持，且反
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应加速。
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具有杂原子参与作用的基团有： COO- 、 OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、 NR2、NHCOR、SH、SR、S-、I、 Br、 Cl 卤素作为邻基参与的能力大小次序一般为 I>Br>Cl ，这 与原子的亲核性和可极化性大小顺序是一致的。 F电负 性太强，不易给出电子，亲核性和可极化性太小，一般 不发生邻基参与作用。 若邻基参与作用形成的中间体是稳定的或由于其它方式 而稳定，亲核试剂Nu－亲核进攻能力不足时，只能形成环 状产物。这是简单的分子内SN2反应。
反应特征： 单分子、两步历程 碳正离子活性中间体、存在重排现象 产物外消旋化或外消旋化加构型转化。
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SN2反应事例：
H3C OH + C H D S构型 Cl HO C H D R构型 CH3
SN1反应事例：
H C Cl CH3 Ph
OHH2O
H C
+
OH-
H
H C OH HO C Ph CH3 Ph
第一节 饱和碳原子上的 亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution)
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一. 定义及反应类型
亲核取代反应的定义： 亲核试剂Nu进攻底物分子R - L中带正电荷的碳原 子而发生的取代反应。 亲核取代反应的通式：
Nu + R L
亲核试剂
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+
H ≡ + - H+
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2.非经典碳正离子：
+ +
非经典的碳正离子
由于π键或σ键的邻基参与而形成的碳正离子活性中 间体，称为非经典碳正离子。 σ键参与的非经典的 碳正离子是两电子三中心键，而经典的碳正离子可 看成是W-M重排。
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1)σ键参与的非经典碳正离子
第一步 碳正离子的生成：
R L
+
慢
δ
R L
δ
R +L
+
-
第二步 亲核试剂进攻碳正离子：
R + Nu
- 快
R Nu
ν = k1 R L
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第一步是决定反应速率的一步。
动力学:一级反应
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●SN1反应的立体化学过程：
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，形成外消旋产物。
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●反应的立体化学与反应机理相关:
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， 所以产物发生完全构型转化－Walden转化。
反应特征： 双分子、一步反应； 存在过渡态状态； 立体化学是瓦尔登转化（构型翻转）
2.单分子亲核取代(SN1)反应机理:
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四. 邻基参与作用总结
分子中亲核的取代基参与了在同一分子中另一部位上的 取代反应称为邻基参与作用。 ●邻基参与作用是分子内的 SN2过程。两个基团在分子内 处于反式共平面状态。 ●邻基参与作用一般形成三元环或五元环，四元环不易 形成。 ●邻基参与作用主要包括杂原子参与作用、π键参与作 用、三元环参与作用等。
例1： 下面是双环化合物进行亲核取代反应，其反应速 率常数如下。π键的邻基参与作用使反应速率成倍数增加：
X
X
X
X
k
A 1.0
B 104
C 1011
D 1014
+
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+
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例2：3-苯基-2-丁醇的对甲苯磺酸酯的醋酸解反应
+
H C H CH3 C CH3 OTs H H3C C C H CH3
H
1)
C H CH3
C
CH3 OTs
HOAc
(
)
6.用反应机理解释下列反应
CH3 H HO Br HBr H CH3 H Br CH3 Br H CH3 CH 3
+
Br H
H Br CH 3
7.解释β-氯代二乙硫醚的水解速率比相应 的β-氯代二乙基醚快104倍。
8.苏式及赤式的对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯在醋酸中进行溶 剂分，前者得消旋化的苏式醋酸酯，后者得光学纯赤式醋酸 酯，试用反应历程解释。
+ C C R C + C
R
其中R = H, 芳基，烷基等，迁移顺序为H > 芳基 > 烷基。
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如：
CH3 CH3 C CH3 CH2
+
CH3 C
+
CH2CH3
CH3
2-莰醇与硫酸作用生成莰烯的反应机理
H OH
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H
+
-H2O
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H OH
H
+
-H2O
+
1,2-迁移
4
二. 亲核取代反应机理
1. 双分子亲核取代(SN2)反应机理
【动力学研究】该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：
ν = k [R L][Nu]
其反应机理为：
δ
-
二级反应
… … Nu:- + R-L → [Nu… R… L] → Nu-R + L-
δ
-
亲核试剂从离去基团的背面接近中心碳原子，新键的形成与旧 键的断裂是同时发生的，与此同时，离去基团也正在逐步地离 开底物分子
旋光的exo-降冰片对溴苯磺酸酯(exo-bornyl brosylate) 在乙酸中溶剂解，生成消旋的exo-降冰片乙酸酯；endo-降冰 片对溴苯磺酸酯的乙酸解也生成exo-降冰片乙酸酯，但exo异构体的速率为endo-异构体的350倍：
AcOH
6 1
AcOH OAc Kexo Kendo =350 Kendo OBs (endo)
OBs
Kexo
(exo)
Winstein据此认为是C1-C6σ键的邻基参与，因而 形成了非经典的碳正离子而加速其反应。 2014-11-11
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【解释】
≡
+
AcOH
+
6
1
OBs
OAc
6
1
6
1
+
OBs
+
≡;
OAc
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碳正离子稳定性为 ：烯丙基型 > 3°> 2°> 1°> CH3+。
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CH3 Ph
CH3
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49%
51%
事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：
H Ph C Br CH3
CH3OH HBr
H CH3O C Ph + CH3
73% 消旋化产物
27 % 构型转化
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，故构型转化增多。