第三章_亲核取代反应

C+ R3 中间体
R2 R3
C
Nu
过渡态2-1
Nu C R1 R2 R3
R1 R2 R3 C Nu
Nu C
过渡态2-2
R1 R2 R3
产物
SN1 的特点 之一 动力学； 之二 中间体结构 之三 产物构型
碳正离子稳定性↑ 离去基团离去倾向↑ 亲核试剂亲核能力↓ 亲核试剂浓度↓ 溶剂极性↑
外消旋产物↑； 反之，构型翻转产物↑
中心原子相同：碱性↑→亲核性↑
RO- > HO- > PhO- > RCOO- > ROH > H2O
空间效应：体积↓→亲核性↑
CH3O-＞CH3CH2O-＞(CH3)2CHO-＞(CH3)3CO-
三、离去基团 离去基团的离去能力↑→有利于SN1和SN2 反应，且离去能力在这两类反应中顺序相同， 但对SN1反应的影响比SN2反应更明显。 键能↓→离去倾向↑； 离去基团碱性↓→形成的负离子稳定性↑→ 离去倾向↑。例如：
2.试剂亲核性的判断 (1)在偶极溶剂中亲核性的变化规律
2.5 3.1 3.5 4.1
H3C-
H2N-
HO-
FClBr I2.8
2.7
可极化性减弱
碱 性 逐 渐 减 弱
2.2
亲 核 性 逐 渐 减 弱
溶剂对可极化性很高、但碱性弱的试 剂的亲核性影响不大（例如I-）。
(2)在质子溶剂中亲核性的变化规律
R-OH
ZnCl 2
+
-
R-O H
ZnCl2
R+ + HO-ZnCl + Cl-
R OH
方法二 R OH
H+
R OH2
H2O
R
R'SO2Cl
RO SO2R'
得到的磺酸酯可以保持醇R—原有的结构完 整和立体化学特征，同时可以醇为原料，利用 离去能力强的磺酸根制备其它化合物。 四、溶剂 溶剂效应主要是通过影响过渡态的稳定性 从而影响反应活化能，最终影响反应速率。
2.5 3.1 3.5 4.1
H3
C-
H2
N-
HO-
FCl2.8 2.7 2.2
可极化性减弱
亲核性逐渐减弱
Br I-
碱 性 逐 渐 减 弱
溶剂对可极化性小，但碱性强的试剂 的亲核性影响大（例如F-、Cl-、Br -）
(3)质子溶剂中常用亲核试剂的排列顺序
与溶剂形成氢键的能力↑→亲核性↓
RS- ArS- > CN- > I- > NH3 (RNH2) > RO- HO> Br - > PhO- > Cl- >> H2O >F-
三、邻基参与效应的特点 (1)反应速率明显加快 邻基参与的反应中 由于取代基处于有利位置使反应熵变很小，从 而明显降低活化能。但只有发生在反应决速步 骤的邻基参与作用，才能使反应加速，此现象 称为邻基促进或邻基协助，否则只有邻基参与 而无邻基促进。例1，-氯代二乙基硫醚的溶剂 解反应比相应的氧醚快104倍以上。
CH3 CH3CCH2Br CH3 (1)
- Br
-
CH3 CH3CCH2+ CH3
重排
伯碳正离子
CH3 CH3 C CH2 CH3

在碳正离子中氢原子、烷 基或芳基基团的迁移称为 Wagner-Meerwein重排
C2H5O CH3 CH3CCH2CH3 +
叔碳正离子
-
CH3 CH3CCH2CH3 OC2H5 (2) CH3 CH3C=CHCH3
+ -
SN1
RX—[R··· ] ··X ··

R+ + X-
SN2
Nu- + RX —[Nu ·· R··X] ·· ·· ·· ·· NuR + X-
-
-
质子溶剂对SN1反应有利，对SN2的影响要作具 体分析 ； 偶极溶剂对SN2反应有利(相对于SN1、质子溶 剂而言)，可能使SN1 机理→SN2机理； 极性溶剂对SN1反应有利，对SN2反应多数情况 不利 (因为SN1反应过渡态极性增大，SN2反应过 渡态极性减小) ，可能使SN2机理→SN1机理； 非极性溶剂对SN1、 SN2反应都不利(RX不溶于 非极性溶剂）。
SN2 的特点 之一 动力学 之二 过渡态结构 之三 产物构型
同位素标记法对SN2机理的研究 用碘原子直接与手性碳原子相连的2-碘辛 烷为底物，在溶液中加入 128I-，进行同位素交 换反应，发现溶液的旋光度逐渐降低——外消 旋化。根据溶液旋光度随时间的变化，测定出 外消旋化的速率常数k2 。用同位素示踪仪测 定碘代烷的放射性，根据放射性随时间的变化 测定出同位素交换反应的速率常数k2。
碱性
代表与质子的结合能力或提供电子对的能力 代表热力学平衡状况 很少受空间因素影响
亲核性
代表试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能力， 包括：给电子能力和可极化性 代表动力学过渡态状况 易受空间因素影响
(2)影响试剂亲核性的主要因素 ①试剂进攻原子的电负性 进攻原子的电负性↑→与其电子结合程度↑ → 给 电子能力↓ →亲核活性↓ ②试剂进攻原子的可极化度 进攻原子的可极化度↑→亲核活性↑ ③试剂与碳原子2p轨道结合的键强度 键强度↑→过渡态稳定性↑→反应活性↑ ④Lewis碱的溶剂化能量 溶剂化能量↑→ 基态能量↓→ v↓ ⑤试剂有效体积的大小 有效体积↑→亲核活性↓
+
+
R Nu + L
CH3N(CH3)3 + (CH3)2S
+
+
4.带正电荷底物与带负电荷的亲核试剂
+ NuRL
+
R Nu +L
CH3Cl +H2O
+ ClCH3OH2
+
§4-2 亲核取代反应的机理
基本内容 一级反应和二级反应 构型保持和构型翻转 反应机理：SN2，SN1，离子对 溶剂解反应
重排产物
-H
+
消除产物 (3)
(2)特点 Wagner-Meerwein重排为同面、迁 移基团构型保持的[1,2]-迁移。例如：
CH3 CH3 CH3 CH3 N N CH3 CH3 * * C2H5CH C CH2NH2 HNO2C2H5CH C CH2
N2
CH3 CH3 C CH2 *CHC2H5 CH3
> CF3CO2- > H2PO4- > NO3- > F- > RCO2中等的
> CN- > NH3 > PhO- > R3N,RNH2 > RS次等的
> HO- > CH3O- >>NH2- > CH3差的 最差的
磺酸酯具有高度的反应活性，在亲核取代反 应中是极为有用的反应物，。最常用的有对甲苯 磺酸酯（ROTs），对溴苯磺酸酯（ROBs），对 硝基苯磺酸酯（RONs）和甲磺酸酯(ROMs)。其 磺酸根氧原子上的负电荷能通过硫离域到整个酸 根上，因而是比卤离子更好的离去基团。 醇羟基是较差的离去基团，亲核取代反应 较为困难，在有机合成上常采用以下方法： 方法一 Lewis酸催化，促使OH－离去。
D
CH3
n-C6H13 (R)-2-溴辛烷 H o
[]D=-34.6
构型翻转
C
OH
(R)- 2-辛醇 []D=-9.9o 构型保持
CH3
三、双分子亲核取代反应 SN2
OH- +
H H
δ+ δ-
慢
C H 3 sp
Br
δ-
H C
δ-
[HO H
Br] H
快
H HO C
sp3
+ Br H H
sp2 过渡态
其结果为： k2 =2 k2。由此证实在SN2反应 中，只有亲核试剂从离去基团的背面进攻碳 原子，才能引起具有手性的碳原子的构型发 生改变。一个反应的反应物构型与生成物的构 型完全相反，这个过程称为“构型翻转” —— Walden转化。 C6H13 128IC I + H CH3 (S)-2-碘辛烷
[ (CH3)3 C
Br]
+
(CH3)3C+ + BrOC2H5 H
+
(CH3)3C+ + C2H5OH
[ (CH3)3 C
]
(CH3)3C OC2H5 H
+
(CH3)3C OC2H5 H
+
[ (CH3)3 C
] OC2H5
+
H (CH3)3 C OC2H5
H+
溶剂解反应的特点 溶剂解反应速度慢，主要 用于研究反应机理；在低亲核性溶剂中碳正离 子发生重排的趋势增加，光学活性作用物外消 旋化程度增加.
内容提要
§4-1 亲核取代反应的类型 §4-2 亲核取代反应的机理 §4-3 亲核取代反应的影响因素 一、底物的结构 二、亲核试剂 三、离去基团 四、溶剂 §4-4 邻基参与效应 §4-5 亲核取代反应实例
第四章 亲核取代反应
(Nucleophilic Substitution Reaction) §4-1 亲核取代反应的类型
基团 键能(C－X) 1-苯基-1-卤乙烷溶剂解相对速率
F Cl Br I
485.3 339.0 284.5 217.0
910-6 1.0 14 91
碱性：F- > Cl- > Br - > I离去倾向：I->Br->Cl->F-
水溶液中进行亲核取代反应时，离去基团 的离去能力顺序：
N2 >>RSO3- > ROSO3- > I- >Br-> H2O>Me2S>Cl最好的 好的
* (CH3)2CCH2CHC2H5 CH3
源自文库
OH * H2O (CH ) CCH CHC H 3 2 2 2 5 + H CH3
98%构型保持
六、溶剂解反应 溶剂作为试剂与底物发生反应——溶剂解反应。
(CH3)3C－Br + C2H5OH (CH3)3C－OC2H5 + HBr
(CH3)3CBr
+ -
例1
CHCH3 Cl
*
* CHCH3
丙酮/水
(95%外消旋体， 5%构型转化）
OH
例2
* CH3CHCH2(CH2CH2)2CH3 C2H5OH, H2O Br OH CH3CHCH2(CH2CH2)2CH3 * (66%外消旋体，34%构型转化）
五 重排和消除产物
CH3 CH3CCH2Br CH3 (1)
§4-3 亲核取代反应的影响因素
影响亲核取代反应的主要因素包括： 底物的结构、 亲核试剂、离去基团和溶剂。 一、底物的结构 1.电子效应 电子效应主要影响SN1反应 2.空间效应 空间效应主要影响SN2反应 二、亲核试剂 试剂的亲核能力主要影响SN2反应 1.试剂的亲核性 (1)试剂的亲核性 在有机反应中，试剂的亲核性和 碱性两个概念有一定的联系，亲核性侧重于速率即动力 学现象，而碱性则侧重于平衡即热力学现象。
C6H13
128
H CH3 (R)-2-碘(128I)辛烷
I
C
四、单分子亲核取代反应 SN1
R1 R2 R3
-Br R1 R2 R3 C Br
R2 R1
R1 C Br + :Nu R2 R3
R3 :Nu
R1 R2 C Br
C
Nu + Br-
(+) -
慢
反应物
R3
过渡态1
R2 R1
R1
Nu快
-Br-
1.中性底物与带孤电子对的中性亲核试剂
R L + Nu
Bu3P + CH3CH2I
R Nu + L+
Bu3P CH2CH3 + I-
+
2.中性底物与带负电荷亲核试剂
R L + Nu
-
+ LR Nu
PhCH2Cl + CN
+ ClPhCH2CN
3.带正电荷底物与带孤电子对的亲核试剂
R L + Nu
CH3S(CH3)2 + (CH3)3N
C2H5ONa, C2H5OH SN2
CH3 CH3CCH2OC2H5 + BrCH3
CH3
C2H5OH SN1
CH3 + CH3C=CHCH3 (3)
CH3CCH2CH3 OC2H5 (2)
当化学键的断裂和形成发生在同一分子中时，引起 组成分子的原子的连接方式发生改变，从而形成组成相 同，结构不同的新分子，这种反应称为重排反应。 (1)反应机理
一、一级反应和二级反应 反应速率只取决于一种反应物浓度的反应， 在动力学上称为一级反应。v=k[A] 反应速率取决于两种反应物浓度的反应， 在动力学上称为二级反应。 v=k[A][B] 二、构型保持和构型翻转
n-C6H13 H CH3 C Br
HO-
HO
C
n-C6H13 (S)-2-辛醇 H [] =+9.9o
§4-4 邻基参与效应
一、邻基参与效应 邻基参与效应（neighboring assistance）指 在分子中的亲核取代基参与了同一分子中另一 部位上的取代反应，使反应的动力学和立体化 学受到强烈的影响。 二、邻基参与效应的条件 取代基在分子中位于适当的位置，能够与 反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中 间体。
离子型反应机理是有机化学中最早研究的一 类，近年来研究的主要特点是对象与范围的扩大 以及对离子型与自由基反应或协同反应竞争机理 的研究。例如近来受到重视的一个新反应——亲 卤反应，亲核试剂可能从正面进攻卤原子（亲卤 反应）。国内研究的亲卤反应，受体主要是全卤 型氟卤烷及多卤代烷烃，包括尚未见文献报道的 C－Cl的亲氯反应；氧亲核试剂对C－Br、C－Cl 键以及中性与负离子型氮亲核试剂对C－Br的亲 卤反应、磷叶立德和羰基叶立德的亲卤反应等。