飽和碳原子上的親核取代反應 學習教案

會計學1飽和碳原子上的親核取代飽和碳原子上的親核取代(qdi)反應反應 第一頁，共36頁。1、掌握親核取代反應類型和反應機理 （SN1機理 ； SN2機理； 離子(lz)對機理）2、了解親核取代反應中的立體化學3、掌握影響親核取代反應活性的因素4、掌握鄰基參與反應的基本概念5、了解鄰基參與反應的立體化學 一、教學目的(md)和要求二、教學重點(zhngdin)和難點重點：反應類型和反應機理；鄰基參與反應的基本概念；影響親核取代反應活性的因素難點：親核取代反應中的立體化學；鄰基參與反應的立體化學 第1頁/共36頁第二頁，共36頁。一. 反應類型親核取代(qdi)反應的通式：+Nu+L-R NuR L親核試劑(shj)帶著一對(y du)電子進攻中心碳原子離去基團帶著一對電子離開CH3CH2IBu3P+I-Bu3P CH2CH3 底物為中性，親核試劑帶著一對孤對電子：第2頁/共36頁第三頁，共36頁。+PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+ 底物(d w)帶有正電荷，親核試劑帶有孤對電子：+LR Nu+Nu+L+R(CH3)2S(CH3)4N+(CH3)3S (CH3)3N+ 底物(d w)帶有正電荷，親核試劑帶有負電荷：RL+Nu-+R NuLCH3Cl H2O+CH3OH2Cl-+R L Nu-R Nu+L- 親核試劑(shj)帶有負電荷：第3頁/共36頁第四頁，共36頁。二. 反應(fnyng)機理1. 單分子(fnz)親核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( SN 1)反應機理 +R L Nu-R Nu+L-=k1LRR LRLR+L-+慢反應(fnyng)分兩步進行第一步 正碳離子的生成：第二步 親核試劑進攻正碳離子：R+Nu-R Nu快第一步是決定反應速率的一步。第4頁/共36頁第五頁，共36頁。例如(lr)： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應：Ph2CH ClPh2CH + Cl+丙酮慢Ph2CH OHH2OPh2CH +2. 雙分子(fnz)親核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反應機理 動力學研究(ynji)表明：有一類親核取代反應的速率與 底物的濃度和試劑的濃度同時相關：=kR LNu二級反應按SN 1 機理進行反應的體系：叔鹵代烷及其衍生物和被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物第5頁/共36頁第六頁，共36頁。其反應(fnyng)機理為：親核試劑(shj)背后(bihu)接近中心碳原子從離去基團的背面與此同時離去基團也正在逐步地離開底物分子新鍵的形成與舊鍵的斷裂是同時發(fā)生的，舊鍵斷裂時所需的能量，是由新鍵形成所放出的能量提供的。兩者達到平衡時，體系能量最高。其狀態(tài)為過渡態(tài) T.L-Nu-RCH2 LRCH2 NuNuC LH HRT第6頁/共36頁第七頁，共36頁。CNuL 在過渡態(tài)中，親核試劑的孤對電子(dinz)所占有的軌道與中心碳原子的 p軌道交蓋的程度與離去基團與中心碳原子的 p軌道的交蓋程度相同按 SN 2 機理進行的底物(d w)特征：RCHRX不被共軛體系穩(wěn)定(wndng)的仲鹵代烷及其衍生物3. 離子對機理介于SN1 與 SN2 之間的機理，建立在SN1機理基礎之上。底物的解離成正碳離子是經(jīng)幾步完成的，形成不同的離子對：第7頁/共36頁第八頁，共36頁。R L+-R+L-離子化溶劑介入R LNuNuNuSN2R+L-+溶劑介入離子對構型翻轉緊密離子對翻轉（主要）轉化（消旋化）離解的離子NuS1N（消旋化產(chǎn)物） 解離(ji l)的正負離子形成緊密的離子對，整個離子對 被溶劑化。 溶劑(rngj)介入離子對后，正負離子被溶劑(rngj)隔開。 離解(l ji)的離子為自由離子。三個階段：親核試劑可以進攻四種狀態(tài)的底物，從而得到不同的產(chǎn)物。第8頁/共36頁第九頁，共36頁。三. 反應(fnyng)的立體化學反應(fnyng)的立體化學與反應(fnyng)機理相關SN2機理(j l)：Walden轉化Nu-LCCNuLCNu由于試劑從離去基團的背后進攻中心碳原子，所以產(chǎn)物發(fā)生構型轉化Walden轉化。Nu:L+ L-Nu第9頁/共36頁第十頁，共36頁。CC6H13HBrCH3NaOHSN 2CC6H13HCH3HO構型翻轉(R) - (-) - 2 - 辛烷25D= -34.25對映體的純度(chnd)=100%(S) - (-) - 2 - 辛醇25D= -9.90對映體的純度(chnd)=100%CHCH2PhMeOHTsClACHCH2PhMeOTsEtOHK2CO3BCHCH2PhMeOEtCHCH2PhMeOKKCEtBrCHCH2PhMeOEt= +33.0= +31.1= -19.9 = +33.0= +31.1= -19.9= +23.5第10頁/共36頁第十一頁，共36頁。SN1機理(j l)C+Nu-CL+NuCNuC50%50%Nu-L-試劑從正碳離子的兩面進攻(jngng)中心碳原子，形成一對外消旋產(chǎn)物。C+HCH3PhOH-H2OClCHCH3PhOHCCH3HPhOH-CCH3PhHHO49%51%正碳離子越穩(wěn)定(wndng)，消旋化程度越大消旋化 (Racemization)第11頁/共36頁第十二頁，共36頁。PhCCH3OHPhCCH3構型轉化%27HCH3BrHCH3O+ 73% 消旋化產(chǎn)物HBr事實上，SN1反應往往伴隨(bn su)構型轉化產(chǎn)物： 當C+不是足夠穩(wěn)定時，由于L 的屏蔽效應，Nu:從 L 背后進攻中心(zhngxn)碳原子的機會增大，故構型轉化增多。請思考(sko)：H3CHCH3BrH2OSN 1?第12頁/共36頁第十三頁，共36頁。四. 影響(yngxing)反應活性的因素影響親核取代反應活性的主要因素是： 底物的結構親核試劑的濃度(nngd)與反應活性離去基團的性質(zhì)溶劑效應（一）底物(d w)結構的影響SN 2反應：鹵代烷的反應活性順序是：甲基 伯 仲 叔原因：烷基的空間效應第13頁/共36頁第十四頁，共36頁。新戊基鹵代烷幾乎(jh)不發(fā)生SN 2反應：CHXNu:CNuLHHH轉變過程中，中心(zhngxn)碳原子由底物同4個基團相連轉變?yōu)橛蛇^渡態(tài)的同5個碳原子相連，空間擁擠程度增大。當?shù)孜镏行?zhngxn)碳原子連有較大基團時，Nu:難于從背后接近底物。R X Nu-X-NuRSN2R CH3CH3CH2(CH3)3C(CH3)2CHk23010.030第14頁/共36頁第十五頁，共36頁。SN1反應(fnyng)：A. 電子效應 所有能夠使正碳離子穩(wěn)定的因素(yn s)，都能使SN 1反應的反應速率增大：ROTs R+OTsEtOHROEtk1相對(xingdu)速率 (k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.8610010 510 10 當取代基具有I、超共軛效應、C效應，SN 1反應速率增大, 反應活性增大。第15頁/共36頁第十六頁，共36頁。當中心碳原子與雜原子直接相連時(R-ZCH2-L)，SN 1反應速率(sl)明顯增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反應(fnyng)速率109 1.0 0.2當雜原子與中心碳原子相連(xin lin)時，所形成的正碳離子，因共軛效應而被穩(wěn)定。B. 空間效應與SN 2反應相反，底物上的取代基的空間效應使SN1反應速率加快：RBr在水中的溶劑解相對速度RBr 在水中50時MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106CRRRXCRR RX-四面體平面三角型鍵角增大，取代基空間效應越大，基團的空間擁擠程度減小。第16頁/共36頁第十七頁，共36頁。（二）親核試劑(shj)的強度Nu:在 SN2反應中起著重要(zhngyo)作用NuNu-: CH3O-, HO-, I-Nu: H2O:規(guī)律(gul)：1帶有負電荷的試劑的親核性強于它的共軛酸： OH H2O, CH3O- CH3OH2）帶負電荷的試劑，負電荷越集中，親核性越強； 中性的試劑，進攻的原子電子云密度越集中， 親核性越強。A. 當進攻原子為同一原子時，親核性強度與堿性一致：RO- HO- RCO2- ROH H2OCH3O- PhO- CH3CO2- NO2- 堿性是試劑與質(zhì)子結合的能力；親核性是試劑與帶有部分正電荷的碳原子結合的能力。第17頁/共36頁第十八頁，共36頁。CH3OOClONO2O 當試劑中進攻(jngng)的原子不同時，試劑的親核性強度順序與堿性有時不同：堿性： C2H5O- I-親核性： I- C2H5O-B. 同周期(zhuq)的元素，電負性越大，試劑的親核性越弱， 負電荷越分散，親核性越弱：H2N- OH- F-C. 試劑中的進攻原子為同族(tn z)原子時，原子的可極化度 越大，試劑的親核性越強：第18頁/共36頁第十九頁，共36頁。F- Cl- Br- I-R - O - R - S - C2H5O CH3CH3CHO (CH3)3CO親核性依次(yc)減小同理：C2H5NH2(C2H5)2NH (C2H5)3N親核性依次減弱，堿性依次增強。第19頁/共36頁第二十頁，共36頁。（三）離去基團 (Leaving groups)Nu:SN2+ LL-LCSN1C+Nu C離去基團帶著一對電子離開(l ki)中心碳原子，成為負離子。接受負電荷的能力(nngl)越強，親核取代反應速率越大。1) 較好的離去基團是強酸(qin sun)的共軛堿：A H + BA + B H共軛酸 1共軛堿 2共軛堿 1共軛酸 2強酸的共軛堿是弱堿重要的離去基團是 pKa R Br R ClR FFClBrI可極化度依次增大第21頁/共36頁第二十二頁，共36頁。（四）溶劑(rngj)效應溶劑(rngj)的性質(zhì)：介電常數(shù)(ji din chn sh) 越大，溶劑的極性越大。介電常數(shù)是衡量溶劑隔離正負離子的能力，即：溶劑穩(wěn)定離子的能力。（ 0） 偶極距（ 0）非極性溶劑：CCl4, CS2, 極性溶劑質(zhì)子型：EtOH, H2O, CH3COOH非質(zhì)子型：THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT質(zhì)子型溶劑通過氫鍵締合R O HNu非質(zhì)子型溶劑通過偶極與偶極相互作用極性 溶劑可以穩(wěn)定正離子，也可穩(wěn)定負離子。氫原子鍵合在電負性較大的原子上。第22頁/共36頁第二十三頁，共36頁。SN 1反應(fnyng)：RLR L慢慢R+L-Nu 一個中性化合物離解為兩個帶電荷的離子，溶劑極性的提高，將穩(wěn)定正碳離子，使反應速率(sl)加快。SN 2反應(fnyng)：Nu-L-R LNuLNu RC 在過渡態(tài)中不產(chǎn)生新的電荷，而且還使電荷分散，溶劑的極性增加，不利于電荷的分散，使反應速稍有降低。在質(zhì)子型溶劑中：親核試劑與溶劑形成氫鍵，由此降低了試劑的親核性，不利于反應進行。RO HNuHORHOR在質(zhì)子型溶劑中：試劑的親核性強度順序為：SH- CN- I- OH- N3- Br- CH3CO2- Cl - F- H2O第23頁/共36頁第二十四頁，共36頁。SN 2反應常在極性非質(zhì)子(zhz)型溶劑中進行。 極性非質(zhì)子型溶劑 (Polar Aprotic Solvents)不能與 Nu:形成氫鍵，不能使親核試劑溶劑化，使裸露(lul)的負離子作為親核試劑，具有較高的反應活性。常見的極性非質(zhì)子(zhz)型溶劑有：P PO ON NN NN NH H C CN NC C H H3 3C C H H3 3O OC C H H3 3S SO OC C H H3 3N, N-二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亞砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺HMPT (Hexamethylphosphorictriamide)第24頁/共36頁第二十五頁，共36頁。在極性非質(zhì)子(zhz)型溶劑中，X - 的反應活性順序為：F - Cl - Br - I -這與在質(zhì)子型溶劑中的順序(shnx)相反。質(zhì)子型溶劑與非質(zhì)子型溶劑對SN 2反應(fnyng)的影響：CH3I + NaN3k2CH3N3 + NaI溶劑 k2DMF 3 103CH3OH 3 10-2問題：下列反應在哪種溶劑中易于進行，是DMF還是 CH3OH? 為什么？CH3CH2CH2Br + NaCNCH3CH2CH2CN + NaBr第25頁/共36頁第二十六頁，共36頁。這類取代基往往(wngwng)帶有未共用電子對或電子第26頁/共36頁第二十七頁，共36頁。如旋光的-溴代丙酸鹽的水解，得到(d do)構型保持的產(chǎn)物第27頁/共36頁第二十八頁，共36頁。經(jīng)歷兩次SN2第28頁/共36頁第二十九頁，共36頁。3-溴二丁醇與HBr的取代(qdi)第29頁/共36頁第三十頁，共36頁。第30頁/共36頁第三十一頁，共36頁。第31頁/共36頁第三十二頁，共36頁。第32頁/共36頁第三十三頁，共36頁。第33頁/共36頁第三十四頁，共36頁。第34頁/共36頁第三十五頁，共36頁。第35頁/共36頁第三十六頁，共36頁。