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1、高等有机化学第四章亲核取代现在学习的是第1页，共41页1.SN1机理进行的取代反应机理进行的取代反应 n反应物决定速度地异裂成一个之配位的碳正反应物决定速度地异裂成一个之配位的碳正离子和离去基因的方式来进行的，然后是碳离子和离去基因的方式来进行的，然后是碳正离子与介质中的刘易碱（亲核试剂）结合。正离子与介质中的刘易碱（亲核试剂）结合。n 现在学习的是第2页，共41页n第第一一步步为为慢慢过过程程，发发生生取取代代反反应应的的分分子子异裂为离子异裂为离子;n第第二二步步是是形形成成的的碳碳正正离离子子和和取取代代试试剂剂迅迅速速反应得到产物。反应得到产物。n第第一一步步是是反反应应速速度度的的决
2、决定定步步骤骤，并并为为单单分分子反应，所以整个反应为单分子反应子反应，所以整个反应为单分子反应。现在学习的是第3页，共41页A.正离子稳定性对产物构型的影响正离子稳定性对产物构型的影响：n如如果果形形成成的的正正离离子子不不稳稳定定，它它立立即即被被第第二二个个试试剂剂进进攻攻，此此时时X还还来来不不及及离离开开正正离离子子，它它在在一一定定程程度度上上显显示示了了“遮遮蔽蔽效效应应”因因而而妨妨碍碍了了试试剂剂A从从这这方方面面的的进进攻攻。所所以以除除得得到到外外消消旋旋产产物物外外，还还得得到到相相当当量量的的构构型型反反转转产物产物。n如如果果形形成成的的正正离离子子比比较较稳稳定定
3、，并并能能在在较较长长时时间间存存在在，则则X与与它它已已有有相相当当距距离离，不不再再表表现现“遮遮蔽蔽效效应应”因因此此得得到到产产物物主主要要为为外外消消旋旋体体，同同时时有有少少量量构构型型发发生生反反转转的的光光活活性物质。性物质。现在学习的是第4页，共41页碳正离子越不稳定，构型转变碳正离子越不稳定，构型转变产物的百分数也越高。产物的百分数也越高。现在学习的是第5页，共41页n碳正离子（碳正离子（I）比（）比（II）稳定，在）稳定，在碳正离子（碳正离子（I）中正电荷和苯核中正电荷和苯核相互作用，使正电荷得到分散而相互作用，使正电荷得到分散而不是定位在一个碳原子上，因此不是定位在一个
4、碳原子上，因此具有较小的能量，所以有较小的具有较小的能量，所以有较小的反应性能，即有较大的稳定性。反应性能，即有较大的稳定性。现在学习的是第6页，共41页nB.试剂浓度对产物构型的影响试剂浓度对产物构型的影响：n如果进攻试剂的浓度低，如果进攻试剂的浓度低，R+大多数都来得大多数都来得及成为平面构型，并和后来连接的及成为平面构型，并和后来连接的X离子分离子分开，然后才受另一试剂进攻，主要生成处消开，然后才受另一试剂进攻，主要生成处消旋产物。旋产物。n如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还被如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还被X离子遮蔽的离子遮蔽的R+离子进攻机会，因而构型反离子进攻机会，因而构型反转
5、的产物的比例会增加。转的产物的比例会增加。现在学习的是第7页，共41页 外消旋（外消旋（%）反转（反转（%）80%丙酮水溶液丙酮水溶液 98 260%丙酮水溶液丙酮水溶液 95 5纯纯 水水 83 17nSN1历程中的离子对：历程中的离子对：n 在在SN1取代反应中，如果游离的碳原子为平面型，试剂取代反应中，如果游离的碳原子为平面型，试剂从两面进攻的机会相同，产物应完全外消旋化，但事实上从两面进攻的机会相同，产物应完全外消旋化，但事实上总是伴有少量反转，这就说明有一些产物不是从游离的碳总是伴有少量反转，这就说明有一些产物不是从游离的碳正离子形成的，而是由离子对形成的。正离子形成的，而是由离子对
6、形成的。现在学习的是第8页，共41页SN1反应按下列方式进行：反应按下列方式进行：n（I）为紧密离子对）为紧密离子对；（II）为溶剂分隔离子）为溶剂分隔离子对，在碳正离子和离去原子团之间插入一个对，在碳正离子和离去原子团之间插入一个或数个溶剂分子；或数个溶剂分子；（III）为离解的离子对，）为离解的离子对，每个离子被溶剂的分子所包围每个离子被溶剂的分子所包围。在反应中紧在反应中紧密离子对重新结合为原来的被作用物，称为密离子对重新结合为原来的被作用物，称为内部反回内部反回。亲核试剂在任何阶段进攻都能形。亲核试剂在任何阶段进攻都能形成产物。在紧密离子对中的成产物。在紧密离子对中的R+和和X-之间还
7、有之间还有一定的键连，因此能保持原来的构型。一定的键连，因此能保持原来的构型。现在学习的是第9页，共41页现在学习的是第10页，共41页n（a）SH直直接接进进攻攻RX得得SR（完完全全反反转转），即直接发生即直接发生SN2过程。过程。n（b）如如果果形形成成紧紧密密离离子子对对，则则溶溶剂剂在在此此阶阶段段进进攻攻，若若反反应应（A）不不发发生生则则导导致致完完全全的的反反转转，若若反反应应（A）与与（B）竞竞争争，则反转伴随外消旋化作用。则反转伴随外消旋化作用。n（c）如如果果形形成成溶溶剂剂分分隔隔离离子子对对，当当溶溶剂剂壳壳从从前前边边崩崩溃溃时时，则则反反应应中中构构型型保保持持，
8、如如从从后后崩崩溃溃时时则则构构型型反反转转，总总结结果果为为部部分反转（分反转（）部分保持（）部分保持（1-）。）。n（d）形形成成游游离离R+，为为平平面面构构型型，SH从从两面进攻的机会相同，得外消旋化产物。两面进攻的机会相同，得外消旋化产物。现在学习的是第11页，共41页2.SN2亲核取代反应亲核取代反应 n在在SN2历程中亲核试剂由背面进攻，构型历程中亲核试剂由背面进攻，构型反转，因过渡态（反转，因过渡态（I）比保持原来构型的）比保持原来构型的过渡态（过渡态（II）的能量小得多。）的能量小得多。现在学习的是第12页，共41页nC-A键形成的同时键形成的同时C-X键发生破裂，反应为一步
9、键发生破裂，反应为一步过程，没有中间体，过程，没有中间体，C-X破裂所需要的能量由破裂所需要的能量由形成的形成的C-A键供给。键供给。在过渡态时中心原子由在过渡态时中心原子由SP3杂化轨道转变为杂化轨道转变为SP2杂化轨道，并以杂化轨道，并以P轨道轨道的一个叶与亲核试剂的一个叶与亲核试剂A重叠，而另一个叶与离重叠，而另一个叶与离去原子团重叠。去原子团重叠。现在学习的是第13页，共41页3.影响亲核取代反应历程的因素影响亲核取代反应历程的因素 n某一化合物主要按哪一种历程进行反应，某一化合物主要按哪一种历程进行反应，决定于决定于RX分子中分子中R和和X的性质（电子效的性质（电子效应和空间效应）及
10、亲核试剂的性质以及应和空间效应）及亲核试剂的性质以及反应条件（溶剂，催化剂等）反应条件（溶剂，催化剂等）现在学习的是第14页，共41页R的电子效应的电子效应（a）排斥电子和吸引电子原子团的影响，如：）排斥电子和吸引电子原子团的影响，如：Z为吸引电子的原子团时，为吸引电子的原子团时，SN1反应速度减慢，反应速度减慢，-卤代酮、酸、酯等与此类似；卤代酮、酸、酯等与此类似；Z为排斥电子为排斥电子的原子团时，使的原子团时，使SN1反应速度增加，反应速度增加，Z排斥电排斥电子使碳正离子的正电荷分散，使碳正离子稳定子使碳正离子的正电荷分散，使碳正离子稳定。（b）位于）位于位的双键、叁键及芳基的影响位的双键
11、、叁键及芳基的影响无论无论SN1或或SN2 都很慢或不反应。都很慢或不反应。现在学习的是第15页，共41页n原原因因之之一一：是是由由于于SP杂杂化化碳碳原原子子和和SP2杂杂化化碳碳原原子子的的电电负负性性高高，对对电电子子有有较较大大的的引引力力，在在亲亲核核取取代代作作用用中中离离去去原原子子团团带带着着它它的的一一对对成成键键电电子子离离去去，因因此此SP3杂杂化化碳碳原原子子相相对对来来说说比比SP2杂杂化化碳碳原原子子及及SP杂杂化化碳碳原原子子更更容容易易失失去去离离去去原原子子团和电子对。团和电子对。n原原因因之之二二：离离去去原原子子团团具具有有未未共共享享电电子子对对，则则
12、分分子子中中离离去去原原子子团团的的未未共共享享电电子子对对与与键键发发生生共共轭轭作作用用，即即离离去去原原子子团团的的电电子子云云密密度度一一部部分分转转移移到到CX键键，因因而而使使CX键键大大大大加加强强。其其结结果果使使CX键的键长变短。键的键长变短。现在学习的是第16页，共41页n(c)位位双双键键的的影影响响,当当位位有有双双键键时时,如如烯烯丙丙基和苯甲基等使基和苯甲基等使SN1和和SN2反应速度均加快反应速度均加快.n使使SN1加加速速是是因因为为由由于于共共轭轭使使生生成成的的碳碳正正离离子稳定子稳定.n使使SN2加加速速是是因因为为通通过过P型型轨轨道道(它它展展现现在在
13、遭遭受受进进攻攻的的碳碳原原子子上上)与与邻邻近近体体系系的的重重叠叠使使SN2过渡态变稳定的作用过渡态变稳定的作用.现在学习的是第17页，共41页R的空间效应的空间效应 或或碳碳有有分分支支,使使SN2的的反反应应速速度度减减慢慢,使使SN1的的反反应应速速度度增增加加.因因SN2的的过过渡渡态态特特别别拥拥挤挤,所以空间阻碍对所以空间阻碍对SN2的影想比的影想比SN1大大.如如 RBr中的溴被氢负离子取代中的溴被氢负离子取代R=CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9K=100 1.65 0.022 0.0048 现在学习的是第18页，共41页对对SN1反应反应,由于超共轭作用等引起碳
14、正离子的由于超共轭作用等引起碳正离子的稳定性改变而影响反应速度稳定性改变而影响反应速度:三级碳正离子三级碳正离子二级碳正离子二级碳正离子一级碳正离子一级碳正离子同同时时,对对某某些些三三级级作作用用物物,碳碳正正离离子子形形成成过过程程中中张张力力消消除除,使使反反应应加加速速.位位的的分分支支对对SN1历历程的速度有较小的影响程的速度有较小的影响:某些三级卤代烷的相对离解速度某些三级卤代烷的相对离解速度:现在学习的是第19页，共41页桥头化合物桥头化合物 n在在SN2和和SN1反应条件下都极不活泼，在反应条件下都极不活泼，在SN2条件下，进攻亲核试剂不可能从背后条件下，进攻亲核试剂不可能从背
15、后进攻而使构型发生反转而在进攻而使构型发生反转而在SN1反应条反应条件下，平面构型碳正离子的形成引起较大件下，平面构型碳正离子的形成引起较大的张力的张力 现在学习的是第20页，共41页（）离去原子团的效应（）离去原子团的效应 n(a)离离去去原原子子团团的的亲亲电电子子性性能能（接接受受负负电电荷荷的的能能力力）愈愈大大，则则RX分分子子愈愈易易离离子子化化,从从而而按按SN1历历程程进进行行反反应应,并并且且反反应应进进行得更迅速也同样使行得更迅速也同样使SN2反应速度增加反应速度增加n表表:1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率离离 去去 基基 团团
16、k相对相对 离离 去去 基基 团团 k相对相对CF3SO3 1.4108 CF3CO2 2.1p-硝基苯磺酸根离子硝基苯磺酸根离子 4.4105 Cl 1.0p-甲苯磺酸根离子甲苯磺酸根离子 3.7104 F 910-6CH3SO3 3.0104 p-硝基苯甲酸根离子硝基苯甲酸根离子 5.510-6I 91 CH3CO2 1.410-6Br 14现在学习的是第21页，共41页n(b)卤素离去基团的反应活性顺序为卤素离去基团的反应活性顺序为nI-Br-Cl-F-n这这与与键键的的键键能能和和可可极极化化性性有有关关，因因为为一一个个较较易易极极化化的的离离去去基基团团将将使使它它与与碳碳所所成成
17、的的键键断断裂裂时时的的过过渡渡态态变变得得稳定。稳定。n(c)空空间间因因素素对对于于离离去去原原子子团团离离去去能能力力有有一一定定的的影影响响,如如巨巨大大的的离离去去原原子子团团和和烃烃基基间间的的非非键键连连相相互互作作用用,有有利利于于SN1历历程程.n表表:RX在在80%乙乙醇醇中中的的溶溶剂剂解解时时对对甲甲苯苯磺磺酸酸酯酯/溴溴化化物物的速度比的速度比 R 甲基甲基 乙基乙基 异丙基异丙基 叔丁基叔丁基 1-金刚烷基金刚烷基kOTs/kBr 11 10 40 4000 9750现在学习的是第22页，共41页(4)亲核试剂对反应的影响亲核试剂对反应的影响 n(a)电负性对反应的
18、影响电负性对反应的影响n亲亲核核试试剂剂的的电电负负性性改改变变对对SN1反反应应速速度度影影响响不不明明显显,因因为为SN1反反应应速速度度取取决决于于慢慢的的离子化过程离子化过程,而此过程亲核试剂不参加而此过程亲核试剂不参加n但亲核试剂对但亲核试剂对SN2取代反应速度有影响，取代反应速度有影响，亲核试剂的电负性减小，则亲核试剂的电负性减小，则SN2反应速度反应速度加大加大.现在学习的是第23页，共41页（b)亲核试剂分子的立体结构对反应的影响亲核试剂分子的立体结构对反应的影响 n亲核试剂分子加大亲核试剂分子加大,使使SN2取代反应速度降低取代反应速度降低 现在学习的是第24页，共41页(5
19、)溶剂的影响溶剂的影响 n(a)溶剂极性的影响溶剂极性的影响n易易使使RX离离子子化化的的溶溶剂剂有有利利于于SN1反反应应:如如C6H5CH2-Cl的的水水解解作作用用,在在水水中中反反应应按按SN1历程进行历程进行,在丙酮中按在丙酮中按SN2进行进行.n(b)利用冠醚提高负离子的活性利用冠醚提高负离子的活性现在学习的是第25页，共41页4.亲核取代反应的立体化学亲核取代反应的立体化学 n瓦尔登反转瓦尔登反转(Walden)n具有旋光性化合物的不对称碳原子直接具有旋光性化合物的不对称碳原子直接相连的原子或原子团取代时相连的原子或原子团取代时,常常得到外常常得到外消旋产物消旋产物 现在学习的是
20、第26页，共41页5.邻基参与邻基参与 n当当一一个个进进行行亲亲核核取取代代反反应应的的底底物物分分子子上上还还带带有有一一个个能能作作为为亲亲核核体体的的基基团团,并并位位于于分分子子的的适适当当位位置置时时，能能够够和和反反应应中中心心部部分分地地或或完完全全地地成成键键形形成成过过渡渡态态或或中中间间体体，从从而而影影响响反反应应的的进进行行，这这种种现现象象称称为为邻邻 基基 参参 与与 作作 用用（Neighboring group participation）。）。n通通常常把把由由于于邻邻基基参参与与作作用用而而使使反反应应加加速速的的现现象象称称为为邻基协助或邻基促进。邻基协
21、助或邻基促进。现在学习的是第27页，共41页邻基参与邻基参与若邻基参与作用发生在决速步骤之后只有邻基若邻基参与作用发生在决速步骤之后只有邻基参与作用而无邻基促进参与作用而无邻基促进。能发生邻基参与作用的原子团能发生邻基参与作用的原子团:具有未共用电子对的原子或原子团具有未共用电子对的原子或原子团;含有碳含有碳-碳双键等的不饱和基团、具有碳双键等的不饱和基团、具有键的芳基以键的芳基以及及C-C和和C-H键。分别称为键。分别称为n电子参与、电子参与、电子参与和电子参与和电子参与电子参与.现在学习的是第28页，共41页(a)n参与作用参与作用 n化化合合物物的的分分子子中中具具有有未未共共用用电电子
22、子对对的的基基团团位位于于离离去去基基团团的的位位置置或或更更远远时时，此此化化合物在取代反应过程中构型保持。合物在取代反应过程中构型保持。nCOO-（但不是（但不是COOH）、）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及及Cl(IBrCl)现在学习的是第29页，共41页经过两次经过两次SN2反应反应,总结果是构型保持总结果是构型保持 第一步第一步第二步第二步邻邻基基原原子子更更易易，更更近近,外外加加的的Nu必必须须和和作作用用物物碰碰撞撞才才能能发发生生反反应应，而而邻邻基基Z由由于于所所处处的的位位置置有有利利，即即
23、刻刻就就能能进进攻攻中中心碳原子；心碳原子；再再者者邻邻基基参参与与作作用用的的熵熵变变更更为为有有利利，反反应应中中心心与与Z反反应应和和与与Nu反应相比，前者反应相比，前者S降低得较少。降低得较少。现在学习的是第30页，共41页n例例如如：当当3-溴溴-2-丁丁醇醇的的苏苏型型（Threo）外外消消旋旋体体（）用用HBr处处理理时时，得得到到外外消消旋体（旋体（）-2,3-二溴丁烷二溴丁烷现在学习的是第31页，共41页n卤卤素素作作为为邻邻基基参参与与的的能能力力大大小小次次序序一一般般为为I Br Cl，这这与与原原子子的的亲亲核核性性和和可可极极化化性性大大小小顺顺序序是是一一致致的的
24、。F电电负负性性太太强强，不不易易给给出出电电子子，亲亲核核性性和和可可极极化化性性太太小小，一一般般不不发发生生邻邻基基参参与与作用。作用。n若若邻邻基基参参与与作作用用形形成成的的中中间间体体是是稳稳定定的的或或由由于于其其它它方方式式而而稳稳定定，亲亲核核试试剂剂Nu亲亲核核进进攻攻能能力力不不足足，只只能能形形成成环环状状产产物物。这这是是简简单单的的分分子子内内SN2反应反应。现在学习的是第32页，共41页氮原子也起邻基参与作用。例如，氨与氮原子也起邻基参与作用。例如，氨与1，4-二氯丁烷作用形成氢化吡咯：二氯丁烷作用形成氢化吡咯：现在学习的是第33页，共41页(b)参与作用参与作用
25、(1)C=C双键作为邻近基团双键作为邻近基团nC=C键、键、C=O 键也有邻基参与作用，如键也有邻基参与作用，如反反-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于由于参与，反应速率比相应的饱和酯快参与，反应速率比相应的饱和酯快1011倍，且产物构型保持。倍，且产物构型保持。n 现在学习的是第34页，共41页(2)环丙基的参与作用环丙基的参与作用 n环丙烷环的某些性质与双键类似环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。于适当位置时也可能发生邻基参与作用。n（）的的溶溶剂剂解解速速率率比比化化合合物物（）的的溶溶剂剂解速率快解速率快
26、1014倍。倍。现在学习的是第35页，共41页n又又如如：化化合合物物（）的的溶溶剂剂解解速速率率比比化化合合物物（）大大约约快快5倍倍，而而化化合合物物（）的的溶溶剂剂解解速率比化合物（速率比化合物（）慢）慢3倍。倍。n由此可以看出：由此可以看出：只有当环丙基位于适当位置时只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效。现在学习的是第36页，共41页(3)芳基参与作用芳基参与作用 位的芳基能发生邻基参与作用位的芳基能发生邻基参与作用n具有旋光性的苏型对甲苯磺酸具有旋光性的苏型对甲苯磺酸-3-苯基苯基-2-丁酯丁酯的乙酸解反应，似乎应该生
27、成相应的具有旋光的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着原因是带着电子的苯基促进对甲苯磺酸根离电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（去，同时生成苯桥正离子（phenonium ion）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体：等地进攻两个碳原子，得到一对对映体：现
28、在学习的是第37页，共41页n而且而且D和和L两种异构体的数量大致相等两种异构体的数量大致相等.现在学习的是第38页，共41页(c)参与作用参与作用 n(I)的速度比的速度比(IV)快快350倍倍 现在学习的是第39页，共41页（6）在合成上的应用）在合成上的应用 现在学习的是第40页，共41页6.碳正离子的重排碳正离子的重排 碳碳正正离离子子的的重重排排是是通通过过烷烷基基、芳芳基基或或氢氢带带着着它它们们的的电电子子对对转转移移而而进进行行的的，这这就就在在基基团团转转移移离离去的碳原子上产生一个新的碳正离子中心。去的碳原子上产生一个新的碳正离子中心。1,2位移是常见的一类重排作用位移是常见的一类重排作用n重重排排的的趋趋势势是是芳芳基基烷烷基基H，主主要要由由空空间间电电子因素决定碳正离子重排的过程子因素决定碳正离子重排的过程。现在学习的是第41页，共41页