3章-亲核取代反应-2009

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（1）底物的分子结构 ） a. 反应底物的分子烃基中α-C上的支链越多，SN2的反应越慢。 反应底物的分子烃基中α 上的支链越多 上的支链越多， 的反应越慢。 的反应越慢 通常，伯碳上最容易发生 通常，伯碳上最容易发生SN2，仲碳其次，叔碳最难。例如， ，仲碳其次，叔碳最难。例如， 不同的烷基（ ）发生S 的平均相对速度如下 的平均相对速度如下： 不同的烷基（R）发生 N2的平均相对速度如下： R− − 相对速度 CH3− 30 CH3CH2− 1 (CH3)2CH− − 2.5×10-2 ×
R−: −
CH3CH2− CH3CH2CH2 (CH3)2CH CH2− (CH3)3C−CH2− −
相对速度: 相对速度
1
4×10-1 ×
3×10-2 ×
1×10-5 ×
其中，新戊基与异丁基相比， 的速度大大下降， 其中，新戊基与异丁基相比，SN2的速度大大下降， 的速度大大下降 这也是位阻的结果。 这也是位阻的结果。
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4．正离子底物 + 负离子亲核体 ． （cationic substrate + anionic nucleophile） ）
RX + Y
+
RY + X:
15
象下面的反应： 象下面的反应：
CH2=CHCH2CH2SC6H5 + NaI CH3 CH2=CHCH2CH2I
+
+
DMF
O C
NCH2N(CH3) + NaCN C O C
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c. 若α-C上连有 上连有C=O、C≡N等吸电子基团，SN2速度大大加快。 等吸电子基团， 速度大大加快。 上连有 、 ≡ 等吸电子基团 速度大大加快 代表这类基团， 如，以Z代表这类基团，则Z−CH2−Cl与I− 反应的相对速度如下： 代表这类基团 − 与 反应的相对速度如下：
Z− CH3CH2CH2− CH3CH2OCO− N≡C− − − ≡ − 相对速度 1 1.7 × 101 3 × 103
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1.2 亲核取代反应的重要性
这类反应是有机化学中非常重要的一类反应， 这类反应是有机化学中非常重要的一类反应， 不论在理论研究中还是在有机合成实际中都 是极其有用的一类反应。 是极其有用的一类反应。 以卤代烃为例， 以卤代烃为例，进行亲核取代反应可以得到 那些类型化合物？ 那些类型化合物？
6
1.3 机理的研究
3
四. 影响反应活性的因素 1. 底物的烃基结构 2. 离去基团 (L) 3. 亲核试剂 (Nu:) 4. 溶剂 五. 邻基参与反应 六. 亲核取代反应实例
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1.1 什么是亲核取代反应
Nu
+ R L
Nu
R
L
L = 离去基团：卤素， OTs…..等； 离去基团：卤素， 等 Nu = 亲核试剂：OH，OR….. 等。 亲核试剂： ， 脂肪族亲核取代反应是指有机分子中与碳相连的某 原子或基团被作为亲核试剂的某原子或基团取代的 反应。在反应过程中， 反应。在反应过程中，取代基团提供形成新键的一 对电子，而被取代的基团则带着旧键的一对电子离去。 对电子，而被取代的基团则带着旧键的一对电子离去。
CH3CO− − 3.5 × 104
这也是过渡态中α 的 轨道与羰基或氰基的 轨道与羰基或氰基的p轨道重叠 这也是过渡态中α-C的p轨道与羰基或氰基的 轨道重叠 而使过渡态能量降低的缘故。 而使过渡态能量降低的缘故。
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d.
是不饱和碳， 极易进行。 若β-C是不饱和碳，则SN2极易进行。 是不饱和碳 极易进行 是烯丙基或苄基时， 如，当R是烯丙基或苄基时，SN2反应的平均速度都比 是烯丙基或苄基时 反应的平均速度都比 大得多。 乙基 大得多。
CH3
N3(5)
CH3 (+) C6H5 C N3 H
H2/Pt (6)
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1,3,5 为SN2反应，构型翻转了。 反应， 反应 构型翻转了。 2,4,6 不涉及手性 的反应，无构型变化 不涉及手性C的反应 的反应， 1,3,5 为SN2反应，构型翻转了。 两种途经得到的产物是一对对映体 2,4,6 不涉及手性C的反应，无构型变化 两种途经得到的产物是一对对映体
+
RX + Y:
RY + X:
-
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例如下列反应： 例如下列反应：
CH3 C6H5 C Cl + CH3CH2OH CH3
CH3 + H2O O S O O CH3CHCH2CH3
acetone
CH3 C6H5 C CH3 HOCH2CH3
CH3 C6H5 C OCH2CH3 CH3
CH3CHCH2CH3 OH2
（2）离去基团 的性质 ）离去基团(L)的性质 一般来说，离去基团越容易离去， 越快。 一般来说，离去基团越容易离去，SN2越快。反应时， 越快 反应时， L是带着原来与α-C公用的一对电子离去的。通常， 是带着原来与α 公用的一对电子离去的 通常， 公用的一对电子离去的。 是带着原来与 L: 的碱性愈弱、愈稳定，就愈容易离去。在极性质子 : 的碱性愈弱、愈稳定，就愈容易离去。 溶剂中，常见基团离去的倾向是： 溶剂中，常见基团离去的倾向是：
CH3 (+) C6H5 C NH2 H
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1.3 按双分子历程反应的势能图
T.S
势 能
Y C X
Y:
CX
反应进程
Y C
X:-
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分析： 分析：
依反应机理的分析，这种反应的势能图也表现出； 依反应机理的分析，这种反应的势能图也表现出； 新键生成，旧键断裂，有能量的变化，一般认为， 新键生成，旧键断裂，有能量的变化，一般认为，断裂 旧键是吸热的，生成新键是放热的， 旧键是吸热的，生成新键是放热的，这种吸热和放热的 能量交换是在分子内完成的，所以， 能量交换是在分子内完成的，所以，按SN2历程进行的反 历程进行的反 应，活化能低。 活化能低。 大量实验证明： 反应是受动力学控制，反应为二级， 大量实验证明： SN2 反应是受动力学控制，反应为二级， 反应速度取决于进攻试剂（亲核试剂） 反应速度取决于进攻试剂（亲核试剂）的 浓度和底物的浓度。 浓度和底物的浓度。
第三章 脂肪族亲核取代反应
(Aliphatic Nucleophilic Substitution)
1
1. 引 言
2
一.反应类型 二. 反应机理 (Reaction Mechanism) 1. SN1机理 机理 2. SN2机理 机理 3. 离子对机理 三. 立体化学 1. SN2反应 反应 2. SN1反应 反应
DMF
O NCH2CN C O
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2.2 双分子亲核取代反应 N2) 双分子亲核取代反应(S
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机理（ 机理（SN 2，也称一步反应机理） ，也称一步反应机理）
Nu
-
δ ＋
δ
C L
Nu C L
Nu C
Walden 转化
Nu + L-
Nu:
L
描述： 键逐渐形成， 键逐渐裂解， 描述：在Nu…C键逐渐形成，C-L键逐渐裂解，反应是 键逐渐形成 键逐渐裂解 一步完成（旧键断裂，新键形成） 一步完成（旧键断裂，新键形成）
R− − 相对速度
CH3CH2− CH2=CHCH2− 1 40
C6H5CH2− 120
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e. α-C是桥头碳，分子的立体结构使亲核试剂没有从背 是桥头碳， 是桥头碳 面进攻的可能，所以这样的化合物不能按 面进攻的可能，所以这样的化合物不能按SN2反应历程 反应历程 进行反应。 进行反应。
L
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由于该反应涉及到底物的性质和亲核试剂的性质， 由于该反应涉及到底物的性质和亲核试剂的性质， 基于两者， 基于两者，这类反应按其机理的不同分为两种极 限情况讨论， 限情况讨论，如，SN1 和 SN2。 。
7
2. 亲核取代反应机理
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2.1 亲核取代反应的几种形式 （1）中性底物 + 中性亲核试剂 ） （neutral substrate + neutral nucleophile） ）
H
+
CH3CHCH2CH3 OH
CH3CH2I + (n-C4H9)3P acetone
(n-C4H9)3P
+
CH2CH3
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2．中性底物 + 负离子亲核体 ． （neutral substrate + anionic nucleophile） ）
RX + Y:
RY + X:
-
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象这类型反应有： 象这类型反应有：
NaI CH3CHCH2CN acetone CH3CHCH2CN Br I
CH2OTs
LiBr acetone
CH2Br
CH3CH(CH2)5CH3 + PhS - ethanol CH3CH(CH2)5CH3 SPh OTs
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3．正离子底物 + 中性亲核体 ． （cationic substrate + neutral nucleophile） ）
H
+
R OH
R OH2
+
Nu:−
R Nu + H2O
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另外，离去基团的相对离去倾向还会受溶剂性质的影响。例如， 另外，离去基团的相对离去倾向还会受溶剂性质的影响。例如， 卤代烷在水− 卤代烷在水−醇中的反应活性比是 RCl : RBr : RI = 1 : 50 : 100, 在DMF中则是 : 500 : 3000。 中则是1 。 中则是 这是因为在质子溶剂中，卤原子 离去后所形成的负离子 这是因为在质子溶剂中，卤原子X离去后所形成的负离子 X − 可以通过氢键稳定化，而非质子溶剂中，负离子失去以 可以通过氢键稳定化，而非质子溶剂中， 氢键稳定化的条件。 氢键稳定化的条件。这种条件变化使负离子稳定性产生差 异的影响，对于不同的卤素，影响程度是不同的。 异的影响，对于不同的卤素，影响程度是不同的。卤原子 愈小，影响程度愈大。所以 愈小，影响程度愈大。所以RCl、RBr 和RI在DMF中的相对 、 在 中的相对 活性差距，与醇−水溶液中的差距相比就大了。 活性差距，与醇−水溶液中的差距相比就大了。
+ + +
N2 > -SO2CF3 > -OTs > -I > -Br > -OH2 > -Cl > -OR > -NR3 > -F > -OCOR > -NH3 > -OH > -OR > -NH2
+ +
H
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从上列的顺序可以看出， 从上列的顺序可以看出，−OH、−OR、−NH2都不是好的离去 、 、 基团。因为它们的相应负离子 等都是强碱， 基团。因为它们的相应负离子OH −、OR −、NH2− 等都是强碱， 而−OSO2R是很好的离去基团。因为它的负离子−OSO2R是强酸 是很好的离去基团。 是强酸 是很好的离去基团 （磺酸）的负离子，非常稳定。HL 的碱性总是比其共轭碱 L− 磺酸）的负离子，非常稳定。 因此， 离去HL总是比 离去L 弱. 因此，由R−LH离去 总是比 −L离去 − 容易。这就是醇、 − 离去 总是比R− 离去 容易。这就是醇、 醚发生羟基或烷氧基被其它亲核试剂取代的反应时， 醚发生羟基或烷氧基被其它亲核试剂取代的反应时，H+ 能起催 化作用的原因： 先质子化， 化作用的原因：H+ 使ROH先质子化，把不太容易离去的基团 先质子化 转变成易于离去的− −OH或−OR转变成易于离去的−+OH2 或 −+O−R，从而使反应得 或 转变成易于离去的 − ， 以加速进行。 以加速进行。
这主要是因为α 上的支链越多 由于位阻， 上的支链越多， 这主要是因为α-C上的支链越多，由于位阻，亲核试剂 越难接近α ，使形成相应过渡态的活化能越高。 越难接近α-C，使形成相应过渡态的活化能越高。
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对于β 上支链越多 也会使S 速度减慢 例如： 上支链越多， 速度减慢。 对于β-C上支链越多，也会使 N2速度减慢。例如：
RX + + Y:
RY + X:
+
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例如下列反应
CH3 S + CH3 o NH2 60 C PhCHS+(CH3)2 + ( H2N)2C acetonitrile PhCHS C NH2
+ + Ph2C=N=N TsOH Ph2CH N N
C2H5OH N2
Ph2CHOC2H5 H
H+
Ph2CHOC2H5
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比较SN2反应机理 比较 反应机理
构型翻转产物
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例如： 例如：
CH3 (+) C6H5 C Cl H
SH (3) N3 (1)
-
CH3 (-) N3 C C6H5 H
H2/Pt (2)
CH3 (-) H2N C C6H5 H
CH3 (-) HS C H C6H5
CH3I (4)
+ (-) (H3C)2HS C C6H5 H
反应速度 = k2 [Nu][RL]
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1.4 影响 N2反应的因素 影响S 反应的因素 影响S 反应的难易因素 主要与底物的结构 反应的难易因素， 底物的结构、 影响 N2反应的难易因素，主要与底物的结构、 离去基团的性质、试剂的亲核性以及溶剂的极 离去基团的性质、试剂的亲核性以及溶剂的极 的性质 亲核性以及溶剂 性等有关。 性等有关。
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b. α-C是不饱和碳，SN2很难发生。象乙烯基卤化物和芳基 是不饱和碳， 很难发生。 是不饱和碳 很难发生 卤化物都很难水解。 卤化物都很难水解。
α .. C=CH X
p- π 共轭效应 X 很难离去 共轭效应, 很难离去.
如:
CH2=CH X
X
很难水解, 很难水解 要在强烈的条件 进行. 进行