基础有机化学 亲核取代反应

X： F 相对速度： 10-5
Cl 1
Br 39
I 99
2013-8-9
2.离去基团的影响
L-是强碱，难离去，L＝OH-、OR-、NH2-、NHROH OR NH2 NHR + H
+
+ OH2
OHR NH3 NH2R
变成共轭酸易离去， 取代需在酸性条件下 进行
2013-8-9
2.离去基团的影响
2013-8-9
2.离去基团的影响
SN1 速控步骤均涉及C-L键断裂，L易离去对二者都有利 SN2
L- 是弱碱，易离去，离解活性：I-> Br-> Cl-> F-
L-是强碱，难离去，L＝OH-、OR-、NH2-、NHR-
[例]
(CH3)3CX + H2O
80%乙醇
(CH3)3COH + HX
CH 2 CH 3
CH3
CH 3 C CH 3
+
Br
-
CH3
+ OH
-
快
过渡态（1） CH 2
CH 3
δ δ CH3 C …… OH
CH3
CH 3 C OH CH 3
2 过渡态 （ ）
2013-8-9
烷基结构对SN1的影响
RBr
+
H2O
甲酸
ROH + HBr
（CH3）3CBr （CH3）2CHBr
CH3
CH3 CH3 C CH2
。 1 碳正离子
-H+
CH3
CH3 CH3 C
+
CH3
CH2
CH3
OC2H5
HOC2H5
2013-8-9
两种历程的比较
比较项目 动力学级数 中间体 反应协同性 SN 2 二级 无 不分步 SN1 一级 碳正离子 分2步
部分外消旋化 有时重排 速率增加 不变
立体化学 构型翻转 重排现象 无 [RX]增加对速率的影响 速率增加 [NaOH]增加对速率的影响 速率增加
2013-8-9
三、影响亲核取代反应的因素
Nu-
+
+ R-CH2 X
RNu
+
X-
亲核试剂
底物
£ 1£ ¨ © £ 2£ ¨ © £ 3£ ¨ © £ 4£ ¨ © £ n£ ¨ © Â ´ ±ú ½ ¹ ø ¥ È ¼ Ü Á À È ë ¥ Í é Ê Ô µ Ä » ù Ö Ð ¼ Á ¼ « Í Å
极性增加 - +
中间体
+
结论：溶剂的极性↑，有利于SN1反应的进行
- +
Nu 溶剂化 示意图
2013-8-9
-
4.溶剂的影响
对于SN2反应：
Nu- + C-X 反应物
+ -
[Nu … C…X]δ极性减小
过渡态
-
结论：溶剂的极性↑，对SN2反应不利
2013-8-9
+ -
Nu 溶剂化示意 图
极性溶剂对它的 稳定化作用，不 利于反应进行
亲核（Nucleophilic） 取代（Substitution）
2013-8-9
一、双分子亲核取代反应历程（SN2）
1.SN2历程
HO
H HO C H
+
H
H δ+ C Br H
慢
HO H
δ
–
H C H
δ
–
快
Br
+ H
Br
亲核 试剂
底物
过渡态
产物
离去 基团
亲核试剂背面进攻 反应连续不分步 水解速率=k[CH3Br][OH-] 通过碳过渡态（五价），无活性中间体生成
S N1 反应?
R X
R+ +
X-
水解速率=k[RX] 速控步骤不涉及Nu ，影响不大
2013-8-9
4.溶剂的影响
对于SN1反应： (CH3)3C-Br [(CH3)3C+ ··· Br-] (CH3)3C+ + Br
（过渡态1）
-
反应物 极性溶剂对它 的稳定化作用 比反应物强
- +
(1)所带电荷
亲核活性：带负电荷 > 呈中性 2O；RO > ROH等 [例] :亲核能力 OH > H
一般来说，碱性越强，其亲核性越强 (2）碱性 碱性 EtO- > OH- > C6H5O- > CH3CO2- > H2O 亲核性 酸性 EtOH< H2O< C6H5OH < CH3COOH < H3O+
R-
R2013-8-9
二、单分子亲核取代反应历程（SN1）
1、 SN1历程
(CH )3C Br + O H 3
CH 3 C Br CH 3
υ = k [ (CH3)3CBr ]
慢
速率？ 杂化？ 中间体 ？ (CH )3C O H + Br 3
CH 3 C CH 3
2
CH3
δ δ CH3 C …… Br
[例]
CH3CH2CH2CH2OH + NaBr CH3CH2CH2CH2OH + HBr CH3CH2CH2CH2Br + OH CH3CH2CH2CH2OH + Br 2 SN 2 Br CH3CH2CH2CH2Br + H2O
O R O S O OR O S O O-
（R=Me，XC6H4-）
2013-8-9
一、双分子亲核取代反应历程（SN2）
HO C Br
能 量
△E
H H C H Br
OH +
-
H HO C H H
+
Br
反应进程 SN2反应能量变化示意图
过渡态（能量最高） 热力学稳定性差 （位阻大）
2013-8-9
一、双分子亲核取代反应历程（SN2）
2.SN2的立体化学
a Nu + b c 亲核 试剂 底物
55 ¡ æ
ROC2H5 + Br
( SN2 · ) ´Ó¦
CH3CH2CH2Br 28
CH3 CH3 CH3CHCH2Br CH3-C-CH2Br CH3 3 0.00042
2013-8-9
烷基结构对SN1的影响
CH 3 C Br CH 3
CH 3 C CH 3
回顾
SN1
CH3
慢
δ Cδ…… Br CH3
2013-8-9
2.SN1反应的立体化学
（2）可能有重排产物生成
CH3 CH3 C CH2 Br + C2H5OH SN1 CH3 CH3 C CH2 CH3 OC2H5
-BrCH3 CH3 C + CH2 重排
CH3
CH3 CH3 C CH2 Br
CH3
CH3 C CH2 CH3 + 。 3 碳正离子 C2H5OH
-
a [ Nu c 过渡态 b - ] L Nu
a b c
+ L
L
产物
离去 基团
构型翻转（Walden转化）
即构型翻转就是SN2反应的标志
构型翻转 （Walden转化 1896年）
2013-8-9
Walden转化
一、双分子亲核取代反应历程（SN2）
同位素交换
H3C I*
-
+ H C6H13
I
(CH3)3CBr
H
(CH3)3COH
反应进程
SN1反应能量变化示意图
2013-8-9
2. SN1反应的立体化学
(1)外消旋化（构型翻转 + 构型保持)
R1 R1 C R2 R3 Br
a
C R2 R3 HO
b
R1 HO C R2 R3
a 构型转化
+
R1 C R2 R3
b 构型保持 外消旋体
OH
亲核试剂向平面两面进攻的几率相等 理论上：产物应外消旋化（构型转化 ＝ 构型保持） 事实上：常部分外消旋化（构型转化 > 构型保持）
CH 2 CH 3
CH3
+
Br
-
过渡态（1）
CH 3 C CH 3
快
活性中间体（SP 杂化）
δ
CH 2
CH3
+ OH
-
δ CH3 C …… OH CH 3
CH3
CH 3 C OH CH 3
2013-8-9
2 过渡态 （ ）
二、单分子亲核取代反应历程（SN1）
过渡态Ⅰ 过渡态Ⅱ
能 量 E活1
E活2
(CH3)3C+ + OH -
OSO32- 、SO32- 是极弱的碱，稳定，易离去
2013-8-9
3.亲核试剂的影响
S N2 反应?
δ δ Nu …C …L
-
Nu
-
C
Nu C
+ L
-
水解速率=k[RX][Nu ]
二级反应
浓度越大，Nu-亲核性越强，越利于反应 带电性 碱性 可极化性等
影响亲核性因素
2013-8-9
3.亲核试剂的影响
R3C- > R2N- > RO- > F亲核性 CH - > NH - > OH- > F3 2 R3C- > R2N- > RO- > F亲核原子为同一周期的元素，碱性越强,亲核性越强
2013-8-9
3.亲核试剂的影响
（3）可极化性
同族元素半径越大，其变形性越大，亲核性越强 RS- > RO- ; I- > Br - > Cl - > F -
RI + KBr C2H5Br （CH3）2CHBr （CH3）3CBr
丙酮
1
0.01
0.001
SN2反应速率：CH3X> 伯卤代烷> 仲卤代烷> 叔卤代烷
2013-8-9
烷基结构对SN2的影响
Î ÒÒ¼ ÞË® ´
R-Br + C2H5O · Î ´Ó¦ï Ï Ô ¶ චËÙ È CH3CH2Br 100
1、烷基结构的影响
桥头卤素SN反应
NuNu
-
Nu
（CH3)3CBr
Br
Br
Br
相对 速率
1.0
10
-13
空间障碍，背面进攻难，SN2难； 环的刚性固定作用，难生成平面C+，SN1难
2013-8-9
1、烷基结构的影响
RX 3° RX 2° RX 1°
CH3X
SN2活性增强
SN1活性增强
烯丙式和苄基式卤代烃SN1或SN2反应，活性都 较高，而乙烯式卤代烃很难发生亲核取代反应。
《有机化学》—第九章 卤代烃
(Mechanism for Nucleophilic Substitution Reactions)
2013-8-9
亲核取代反应
OH—
-
回顾
ROH +XROR' +XRCN +XR'COOR +XRI +XRSH +XRSR' +XR C CR +XRONO, RNO2 +X2013-8-9
离去基团
Í » £ R£ µ ½ ¹ é ù ¨ © Ä á µ Ç º Ð µ ´ Ð Ä ×Ë Ô Ä ó ¡ Ð ´ Ð Ô ó ¡ £ X£ µ Ð Ö ¨ © Ä Ô Ê
影响因素
.......µ È
2013-8-9
三、影响亲核取代反应的因素
烷基结构对SN2的影响
Nu
-
C
δ δ Nu …C …L
水 + OH
实验
2013-8-9
第六节 亲核取代反应机理
CH3Br + OH
-
CH3OH + Br
-
-
水解速率=k[CH3Br][OH ] 2级反应 双分子亲核取代反应（SN2反应）
(CH3)3C-Br + OH (CH3)3C-OH + Br 水解速率=k[(CH3)3CBr] 1级反应
-
单分子亲核取代反应（SN1反应）
相对速率：108
H
CH3CH2 Br CH3Br
1.7 1
H >H C H
45
H H > H C H H C H C H >
H H C H H C H
稳定性
H
H C H C
H C HH
C H
H
超共轭效应 9σ-p
6σ-p
3σ-p
无
2013-8-9
SN1反应速率：叔卤代烷 > 仲卤代烷 >伯卤代烷 > CH3X
[ I
*
CH3
证明构型翻转 ？
- ] I CH3 I* + I H C6H13
-
H
C6H13
R-构型 I﹡为放射性碘 外消旋化的速度是同位素交换速度的两倍 当底物反应一半时，体系的旋光性完全消失 证明SN2反应中构型的转化
S-构型
2013-8-9
一、双分子亲核取代反应历程（SN2）
【思考】Walden转化是构型翻转，构型翻转一
Nu C
+ L
-
2013-8-9
烷基结构对SN2的影响
Nu
-
CH3Br
CH3CH2Br
（CH3）2CHBr
（CH3）3CBr
2013-8-9
烷基结构对SN2的影响
-碳上取代基数量增加 空间位阻增加 反应速率减小
2013-8-9
烷基结构对SN2的影响
RBr
+
KI
CH3Br 相对速率: 150
定伴随R或S构型的转变吗？
2013-8-9
一、双分子亲核取代反应历程（SN2）
H3C OH- + H C6H13 Br
HO
CH3 H C6H13 + Br-
[α]： - 34.60 R-（-）-2-溴辛烷
H3CBaidu NhomakorabeaOH- + H Cl Br
HO
+9.90 S-（+）-2-辛醇
CH3 H Cl + Br-
2013-8-9
2.SN1反应的立体化学
部分外消旋化
n-C6H13
H C H3
C Br
60% H2O
乙醇
n- C6H13
n-C6H13 +
SN1 条件
HO
C H CH 3
( ) - 2 - 溴辛烷
( ) - 2 - 辛醇 67%
H CH3
C
OH
( ) - 2 - 辛醇 33%
构型翻转 > 构型保持 产物具有旋光性
+ -
实例分析
(1) 卤代烃在碱性条件下水解
伯卤代烃按SN2历程，叔卤代烃按SN1历程，仲卤代烃 两种历程都有可能。
CH3CH2Cl + OH
－
H2O
CH3CH2OH + Cl－
卤素原子(或CN-)的互换也是这样。
2013-8-9
OR'
CNR'COORX + ISHSRC CR NO2-
合 成 上 非 常 有 用
第六节 亲核取代反应机理
RX + H2O ROH + HX
水解速率
CH3Br CH3CH2Br （CH3）3CBr
水
慢 CH3Br CH3CH2Br 慢 （CH3）3CBr 最快 加快 CH3Br CH3CH2Br 加快 （CH3）3CBr 不变