高等有机化学之饱和碳原子亲核取代反应

H
H
Ph C Br CH3OH CH3O C Ph + 73% 消旋化产物
CH3
HBr
CH3
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 。
四. 影响反应活性的因素
影响亲核取代反应活性的主要因素是： • 底物的结构 •亲核试剂的浓度与反应活性 •离去基团的性质 •溶剂效应 （一）底物结构的影响
某些化合物发生SN2反应时，烯丙基或苄基中轨道的离 域作用能使亲核取代反应大大加速。因为在形成过渡态
时，中心碳原子的p轨道与双键或苯环上的p轨道发生重
叠，降低了过渡态的位能，使过渡态稳定，因而更易生
成，故加速反应。
C
C
Nu
C
L Nu
C
L
思考：
Cl
桥环烃的桥头位置，发生SN1反应与 SN2反应都很困难
SN 2反应： 卤代烷的反应活性顺序是：
甲基 > 伯 > 仲 > 叔
原因：烷基的空间效应
烃基的空间效应的影响占主导地位，在α碳或β 碳上支链增加，阻碍了Nu从L的背面进攻，造 成过渡态拥挤程度增加，降低了过渡态的稳定 性，从而使反应速度减慢。
R-Br中Br-被Cl-取代的反应相对速度
R=
CH3
反应速度 100
SN1机理
L-
CL
C+ Nu-
Nu-
C Nu + Nu C
50%
50%
试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对 外消旋产物。
正碳离子越稳定，消旋化程度越大
H
H H
H
C CH3 Ph
Cl
OHH2O
C+
CH3
OH-
Ph CH3
C Ph
OH
HO
C PhCH3
49%
51%
事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：
第五章 饱和碳原子上亲核取代反应
一. 反应类型
亲核取代反应的通式：
Nu + R L R Nu +L-
1、底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：
Bu3P + CH3CH2I
Bu3P CH2CH3+ I-
2、亲核试剂带有负电荷：
R L +Nu- R Nu + L-
PhCH2Cl + CN- PhCH2CN+Cl-
δ
Nu
C
δ
L
R'CH2 Nu ＋L-
R'Байду номын сангаас
T
新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断
裂时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提
供的。
两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡
态 T.
S N 2 反应机理：
NNNNuuNuuNNuNuNuuu
CCCCCC
LLLLLLL
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
R+L- 溶剂介入
+-
RL
R+ + L-
离解的离子
Nu
Nu 紧密离子对
SN 2
构型翻转
翻转（主要）
三个阶段：
Nu
溶剂介入 离子对
Nu SN 1
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。
思考：RBr在水中的溶剂解相对速度： MeBr，EtBr，i-pBr，t-BuBr
R
R
CX
C
R' R''
X- R' R''
四面体
平面三角型
键角增大， 取代基空间 效应越大， 基团的空间 拥挤程度减小。
（二）亲核试剂的影响
亲核试剂在 SN2反应中起着重要作用,对SN1影响不大。
碱性和亲核性：
碱性代表试剂结合质子的能力， 亲核性代表试剂与碳原子结合的能力； 碱性很少受到空间因素影响， 亲核性对空间效应的影响很敏感。
~10 10
当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)， SN 1反应速率明显增大：
SN 1反应 速率
C2H5OCH2Cl 109
C-C-C-C-Cl 1.0
C2H5O-CH2CH2Cl 0.2
当杂原子与中心碳原子相连时，所形成 的正碳离子，因共轭效应而被稳定。
B. 空间效应 与 效应SN使2反SN应1反相应反速，率底加物快上：的取代基的空间
3、底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：
R L+ + Nu
R Nu++L
(CH3)3S++ (CH3)3N
(CH3)4N++(CH3)2S
4、底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
RL++Nu- R Nu +L
CH3O+ H2+ Cl- CH3Cl +H2O
二. 反应机理
1. 单分子亲核取代 ( SN 1)反应机理
亲核性涉及的范围要比碱性广，不仅与碱性大小有 关，而且与试剂中亲核原子的极化性、试剂的空间 位阻、溶剂的极性有关。
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。
2. 双分子亲核取代 ( SN 2)反应机理
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：
ν = k[R L][Nu]
二级反应
其反应机理为：
Nu- ＋ R'CH2 L
HH
SN1反应：
A. 电子效应 所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN 1
反应的反应速率增大：
ROTs k1 R+ EtOH R OEt
R
Et i-pr CH2=CH-CH2 PhCH2 Ph2CH Ph3C
OTs
相对速率 (k1)
0.26 0.69 8.6 100 ~10 5
当取代基具有＋I、 超共轭效应、＋C效 应，SN 1反应速率增 大, 反应活性增大。
CH3CH2 1.65
CH3
CH3
C H
0.022
CH3
CH3 C CH3
0.0048
新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：
H C X Nu:
H
H Nu C L
H
转变过程中，中心碳原 子由底物同4个基团相连 转变为由过渡态的同5个 基团相连，空间拥挤程
度增大。
当底物中心碳原子连有较大基团 时，Nu:难于从背后接近底物。
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。
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
δ
Nu C L
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-
R L +Nu- R Nu + L- ν = k1 R L
反应分两步进行
第一步 正碳离子的生成：
R L 慢 δR δL
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。
例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：
Ph2CH
丙酮
Cl 慢
Ph2C+H + Cl