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1、第十六章 脂肪族亲核取代反应第一页，本课件共有40页 在亲核取代反应里，带着一对电子的亲核试剂在亲核取代反应里，带着一对电子的亲核试剂(Nu：)从底物从底物(RX)中取代一个被置换的基团中取代一个被置换的基团(X)，X带带着其成键电子对离，于分子着其成键电子对离，于分子(RX)。Nu：可以是中性的，也可以是带负电荷的。：可以是中性的，也可以是带负电荷的。作用物作用物(RX)中的中的X可以是中性的，也可以是带正电荷可以是中性的，也可以是带正电荷的。常见的亲核取代有四个类型。的。常见的亲核取代有四个类型。第二页，本课件共有40页第三页，本课件共有40页第一节第一节 脂肪族亲核取代反应机理脂肪族亲核
2、取代反应机理16.1.1 双分子双分子SN2机理机理 脂肪族亲核取代反应，依据底物、亲核试剂、离去脂肪族亲核取代反应，依据底物、亲核试剂、离去基团和反应条件可以按几种不同的机理进行。基团和反应条件可以按几种不同的机理进行。在饱和碳在饱和碳原子上的亲核取代反应中，最常见的是原子上的亲核取代反应中，最常见的是SNl和和SN2机理。机理。第四页，本课件共有40页关键过渡态关键过渡态机理的证明：机理的证明：1）二级动力学：）二级动力学：虽然可能出现假一级动力学。虽然可能出现假一级动力学。2）光学活性物质会发生构型转变。）光学活性物质会发生构型转变。第五页，本课件共有40页 Hughes，Ingo1d利
3、用对称的取代反应证实利用对称的取代反应证实Nu的背的背后进攻。而非下图的前面进攻。后进攻。而非下图的前面进攻。第六页，本课件共有40页 光学活性光学活性2-碘代辛烷和标记碘负离子作用，形成含有标碘代辛烷和标记碘负离子作用，形成含有标记碘的对映体。记碘的对映体。第七页，本课件共有40页 Hughes，Ingold等用光学活性等用光学活性1-苯基氯乙烷通过苯基氯乙烷通过以下两个系列的反应证明了在这个类型的反应里亲核以下两个系列的反应证明了在这个类型的反应里亲核试剂也是从背后袭击的。试剂也是从背后袭击的。第八页，本课件共有40页3）直线过渡态的证据。）直线过渡态的证据。Eschenmoser等提供的
4、实验结果有力地证明在等提供的实验结果有力地证明在SN2反应中过渡状态反应中过渡状态(NuCX)是直线型的。是直线型的。交叉实验表明带负电荷的碳原子袭击另外一个分子的甲交叉实验表明带负电荷的碳原子袭击另外一个分子的甲基，而不袭击分子内的甲基，亦即反应发生在分子之间，而基，而不袭击分子内的甲基，亦即反应发生在分子之间，而不发生在分子内部。不发生在分子内部。第九页，本课件共有40页16.1.2 单分子单分子SN1机理机理 烷基正离子的稳定性越大，作用物烷基正离子的稳定性越大，作用物(R-X)按单分子机按单分子机理进行反应的倾向越大。理进行反应的倾向越大。第十页，本课件共有40页机理的证明：机理的证明
5、：1）一级动力学：）一级动力学：有可能有溶剂化效应：有可能有溶剂化效应：初期速度快，后期慢。初期速度快，后期慢。2）盐效应一般提高反应速度。）盐效应一般提高反应速度。第十一页，本课件共有40页 3）Ingold等在等在SO2中用不同浓度的亲核试剂氟负离子、中用不同浓度的亲核试剂氟负离子、吡啶和三乙胺处理二苯甲基氯化物结果在每一组实验吡啶和三乙胺处理二苯甲基氯化物结果在每一组实验里，校正盐效应以后，里，校正盐效应以后，反应的开始速度大约是相同的。反应的开始速度大约是相同的。4）在桥头位置，根本不发生）在桥头位置，根本不发生SN1反生，在某些情况下即反生，在某些情况下即使发生，也是进行得很慢的。使
6、发生，也是进行得很慢的。第十二页，本课件共有40页16.1.3 混合混合SN1和和SN2的机理的机理 在一组指定的反应条件下，一个指定的底物的某些在一组指定的反应条件下，一个指定的底物的某些反应表现反应表现SN2机理的特征，而另外一些反应确按机理的特征，而另外一些反应确按SN1机理进机理进行，但是时常有些情况似乎是在边缘区域，不容易分辨。行，但是时常有些情况似乎是在边缘区域，不容易分辨。对于这种情况曾经有两种解释，一种理论认为这种对于这种情况曾经有两种解释，一种理论认为这种情况是由于反应机理不是情况是由于反应机理不是“纯的纯的”SN1，也不是，也不是“纯的纯的”SN2，而是，而是“在二者之间在
7、二者之间”的一种机理；另一种理论的一种机理；另一种理论认为根本没有中间机理，认为根本没有中间机理，这种难以确定的情况是由这种难以确定的情况是由于同时进行的于同时进行的SNl和和SN2两种机理引起的，亦即在同一两种机理引起的，亦即在同一反应混合物中，右的分子按反应混合物中，右的分子按SNl机理进行反应，而另外一机理进行反应，而另外一些分子按些分子按SN2机理进行反应。机理进行反应。第十三页，本课件共有40页 Sneen提出一个基本机理提出一个基本机理(离子对机理离子对机理)可以把所有的可以把所有的SN1和和SN2反应都容纳进去。作用物首先离解成为中间离子反应都容纳进去。作用物首先离解成为中间离子
8、对，然后再转变为产品：对，然后再转变为产品：SN1和和SN2机理之间的区别在于：在机理之间的区别在于：在SNl机理中离子对机理中离子对的形成的形成(k1)是速度决定步骤，而在是速度决定步骤，而在SN2机理中离子对的机理中离子对的“消失消失(k2)是速度决定步骤。离子对的形成速度和是速度决定步骤。离子对的形成速度和消失速度在同一数量级时，则出现边缘表现。消失速度在同一数量级时，则出现边缘表现。第十四页，本课件共有40页 光学活性甲烷磺酸光学活性甲烷磺酸-2-辛酯在辛酯在25%1，4二氧六环水二氧六环水溶液中溶剂解，形成溶液中溶剂解，形成2-辛醇，大约辛醇，大约95构型转化。构型转化。加入加入00
9、462M叠氮离子，得到产品的叠氮离子，得到产品的31%是是2-辛辛基叠化合物基叠化合物(其他其他69%是构型转化了的是构型转化了的2-辛醇辛醇)，但是，但是对溶剂解速度对溶剂解速度(原料磺酸脂消失的速度原料磺酸脂消失的速度)也没影响。也没影响。例例1：第十五页，本课件共有40页可行的机理可行的机理第十六页，本课件共有40页例例2：对溴苯磺酸对溴苯磺酸2-辛酯在辛酯在751,4二氧六环水溶液二氧六环水溶液中，形成构型转化的辛醇中，形成构型转化的辛醇-2，光学纯度，光学纯度77%。加入叠氮钠，。加入叠氮钠，则得到则得到2-辛基叠氮化合物和辛醇辛基叠氮化合物和辛醇-2，但是后者化合物，但是后者化合物
10、100%构型转化。构型转化。第十七页，本课件共有40页16.1.4 邻位基团机理邻位基团机理(非经典碳正离子机理非经典碳正离子机理)在某些作用物的亲核取代反应里：在某些作用物的亲核取代反应里：(1)反应速度比预期反应速度比预期的大，的大，(2)在手征性碳原子上，构型保持不变，既不转化也在手征性碳原子上，构型保持不变，既不转化也不消旋。在这些情况里，时常是在离去基团的不消旋。在这些情况里，时常是在离去基团的-位置位置(有时有时更远更远些些)有一个带有未共用电子对的基团。在这种有一个带有未共用电子对的基团。在这种反应里，运行的机理叫作邻位基团机理。反应里，运行的机理叫作邻位基团机理。第十八页，本课
11、件共有40页例例1:中间体中间体第十九页，本课件共有40页例例2:反应机理反应机理第二十页，本课件共有40页例例3:溶剂解产物构型不变溶剂解产物构型不变第二十一页，本课件共有40页例例4:第二十二页，本课件共有40页例例5，仲丁醇的对甲苯磺酸酯，仲丁醇的对甲苯磺酸酯(A)在三氟乙酸中溶剂解，形成在三氟乙酸中溶剂解，形成等摩尔的等摩尔的B和和C，但是没有，但是没有D和和E。中间体中间体第二十三页，本课件共有40页16.1.5 SNi机理机理 醇与氯化亚硫酰作用形成烷基氯就是通过醇与氯化亚硫酰作用形成烷基氯就是通过SNi机理机理进行的。在反应过程中，首先形成进行的。在反应过程中，首先形成ROSOC
12、l(ROH+SOCl2 ROSOCl)，然后进一步反应形成烷基氯。，然后进一步反应形成烷基氯。加入吡啶反应破坏加入吡啶反应破坏第二十四页，本课件共有40页第二节第二节 脂肪族亲核取代反应的影响因素脂肪族亲核取代反应的影响因素16.2.1 底物结构对反应的影响底物结构对反应的影响 SN1和和SN2之间没有明显的界限，常放在一起讨论。之间没有明显的界限，常放在一起讨论。（1）电子效应）电子效应 SN1机理取决于碳正离子的稳定性。分子的离解能机理取决于碳正离子的稳定性。分子的离解能低和离去基团的电子亲和力大有利于单分子机理。低和离去基团的电子亲和力大有利于单分子机理。第二十五页，本课件共有40页在在
13、R-XR+X-过程中碳正离子的形成能过程中碳正离子的形成能第二十六页，本课件共有40页 诱导效应、共轭效应越强，分子的离解能低。诱导效应、共轭效应越强，分子的离解能低。苄基苄基,叔丁基离子叔丁基离子烯丙基离子烯丙基离子仲丙基离子仲丙基离子伯正离子伯正离子第二十七页，本课件共有40页（2）空间效应）空间效应第二十八页，本课件共有40页 2-溴异丁烷反应性能比溴甲烷的小约溴异丁烷反应性能比溴甲烷的小约2 104倍，而倍，而溴代新戊烷的则小约溴代新戊烷的则小约2.5 106倍。倍。桥头化合物，如双环桥头化合物，如双环221)衍生无论在衍生无论在SN2条件条件(强亲核试剂和高浓度强亲核试剂和高浓度)下
14、，或是在下，或是在SN1条件条件(银离子亲银离子亲电催化电催化)下，都是非常不活泼的。下，都是非常不活泼的。第二十九页，本课件共有40页综合电子效应和空间效应各类型结构综合电子效应和空间效应各类型结构SN活性活性第三十页，本课件共有40页基团的基团的SNl和和SN2机理反应活性递降次序机理反应活性递降次序第三十一页，本课件共有40页（3）离去基团效应）离去基团效应 离去基团接受负电荷能力越强，越有利于离去基团接受负电荷能力越强，越有利于SN1机理。机理。1-金刚醇的芳基磺酸酯在乙醇中和金刚醇的芳基磺酸酯在乙醇中和2-取代异丁烷在取代异丁烷在80%乙醇中，取代基的相对离去能力乙醇中，取代基的相对
15、离去能力第三十二页，本课件共有40页 影响离去基团离去能力的因素在影响离去基团离去能力的因素在SN2中的作用和在中的作用和在SN1中的作用相似。离去基团承受负电有的能力增加，则中的作用相似。离去基团承受负电有的能力增加，则提高反应速度。提高反应速度。离去基团对离去基团对SNl和和SN2反应的影响反应的影响第三十三页，本课件共有40页16.2.2 亲核试剂对反应的影响亲核试剂对反应的影响 一个分子或负离子从碳原子取代离去基团的能力叫作一个分子或负离子从碳原子取代离去基团的能力叫作亲核性。亲核性是给电子能力的函数，也是使亲核试剂脱亲核性。亲核性是给电子能力的函数，也是使亲核试剂脱离溶剂化需要的能量
16、的函数。离溶剂化需要的能量的函数。1）碱性强度与嗜核性大小可能不一致。例如，）碱性强度与嗜核性大小可能不一致。例如，乙氧离乙氧离子的碱性比碘离子的强，而碘离子的嗜核性比乙氧离子子的碱性比碘离子的强，而碘离子的嗜核性比乙氧离子的大。的大。第三十四页，本课件共有40页2）比较大的、容易极化的亲核试剂的亲核性比较大。比较大的、容易极化的亲核试剂的亲核性比较大。3）嗜核试剂的体积加大，亲核性差。）嗜核试剂的体积加大，亲核性差。4）亲核性与溶剂有关。）亲核性与溶剂有关。甲醇中甲醇中:I-Br-Cl-DMF中中:Cl-Br-I-第三十五页，本课件共有40页 Swain和和Scott提出了取代速度和亲核性之间的线性自由提出了取代速度和亲核性之间的线性自由能关系。能关系。Swain和和Scott亲核性数值亲核性数值第三十六页，本课件共有40页16.2.3 溶剂效应对反应的影响溶剂效应对反应的影响对对SN1反应反应:提高溶剂极性有利于提高溶剂极性有利于SN1反应进行。反应进行。对对SN2反应，由于底物和试剂的电性可分为四种情况反应，由于底物和试剂的电性可分为四种情况:第三十七页，本课件共有40页12第三十八页，本课件共有40页34第三十九页，本课件共有40页溶剂极性对不同电荷类型的反应的效应溶剂极性对不同电荷类型的反应的效应第四十页，本课件共有40页