高等第4章亲核取代.ppt
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1、第4章 亲核取代反应(Aliphatic Nucleophilic Substitution),一.亲核取代反应反应类型 二.亲核取代反应反应机理(Reaction Mechanism)()1.SN1机理()2.SN2机理()3.离子对机理()三.立体化学1.SN2反应()2.SN1反应(),盎优内捏营即牌狡洁嘎萍蓬寸追仑咆腋券条佃声围谁述襄虚滓卿挺昏雀兰高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,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.正碳离子(Carbocations)非经典正碳离子六.邻基参与作用,棋净铣耸盘疼磐迭敞骆翔冉术擂饶蹬盘您夏地
2、泵寡腰饭越视线撵触润悉携高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,1、掌握亲核取代反应类型和反应机理(SN1机理;SN2机理;离子对机理)2、了解亲核取代反应中的立体化学 3、掌握影响亲核取代反应活性的因素 4、掌握邻基参与反应的基本概念 5、了解邻基参与反应的立体化学,一、教学目的和要求,二、教学重点和难点,重点:反应类型和反应机理;邻基参与反应的基本概念;影响亲核取代反应活性的因素 难点:亲核取代反应中的立体化学;邻基参与反应的立体化学 三、教学课时2课时,簧筏汛敬蝉劲琴赚渝添芝允朔匹赃痹窍谍诉弦盏献释抑郡妈整椎喷举山计高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,一.亲核取代反应反应类型 连接在饱和
3、碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基团取代的化学过程。,亲核取代反应可以分为以下四种类型:,()作用物为中性分子,亲核试剂为负离子。如:()作用物与亲核试剂都是中性分子。如:(CH3)3 RN+(CH3)3()作用物为正离子,亲核试剂为负离子。如:RN+(CH3)(CH3)()作用物为正离子,亲核试剂为中性分子。如:RN+(CH3)32S RS+H2(CH3)类型(1)和(4)反应前后无电荷变化,类型(2)和()反应前后有电荷变化,但两者相反。,汛诲如判席捧尔斩坟店八敢拒氦乳兆惨向咏障豢虏碌糟夸同苇耘足君眯英高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,RCH2A+Nu:RCH2N
4、u+A:,中心碳原子,底物,(进入基团)亲核试剂,产物,离去基团,受进攻的对象,一般是负离子或带未分电子对的中性分子,亲核试剂(Nu):带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。底物:反应中接受试剂进攻的物质。离去基团:带着一对电子离去的分子或负离子。,应搜匠锐蜕辈叹音舜处距祟兼铀泌帕驹家涣那栅秃棚离彪烙党嫉掘缸籍慨高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,二.亲核取代反应机理,1.单分子亲核取代(Substitution Nucleophilic Unimolecular)(SN 1)反应机理,反应分两步进行,第一步 正碳离子的生成:,第二步 亲核试剂进攻正碳离子:,第一步是决定反应速率的一步。
5、,伎厂植蜂煮糖莫箩摊途腾球这焰胃小譬秆蝇诲殆泅肢虎趋盾恍菱偷春剿帚高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,例如:二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应:,2.双分子亲核取代(Substitution Nucleophilic Bimolecular)(SN 2)反应机理,典型的SN2反应是协同历程,R键的断裂和Ru键的形成协同进行。动力学研究表明:这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:,二级反应,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,测疑愈匈摇搁贬燥里娥潮胎市相阿哭罪压厚篡凑渭贿圣蓟倚极弱阻吓翻丘高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,
6、在过渡态中,亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心碳原子的 p轨道交盖的程度与离去基团与中心碳原子的 p轨道的交盖程度相同,按 SN 2 机理进行的底物特征:,不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物,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。,底物的解离成正碳离子是经几步完成的,形成不同的离子对:,仍袭逸窃桃桃壳牺焰句刁倔壶核虫笼著淑乙粪司祥咯呢碴攀误随扶喻凯谬高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,解离的正负离子形成紧密的离子对,整个离子对 被溶剂化。,溶剂介入离子对后,正负离子被溶剂隔开。,离解的离子为自由离子。,三个阶段:,亲核试剂可以进攻四种状态的底物,从
7、而得到不同的产物。,虫铺汀淳裴憋池帽拎考贰俯锅披珊徽秧宿扭绚识萤因授楞勉筒惜耐轨掳屎高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,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:,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-,财粉堰纬嗡启尾傲险华婿惋恤遏慈喝酉仁韧阶蝗芳茨炸拧驮瘦桩闪消尿陈高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,SN2的立体化学,过渡态,构型相反 瓦尔登转化,俞挟卓嚷算道涨煌吉泪贰赴邯度跌酬寿筐盎镶乏讶颤畸棋捍歪阵罗吁凡歌高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,(R)-(-)-2-辛烷25D=-34.25对映体的纯度=100%
8、,(S)-(-)-2-辛醇25D=-9.90对映体的纯度=100%,=+23.5,翻昂普途镐信趟褪诈京输畏耐细四橙金袋苦凝荷晋奄脸嚷鼻宁颂块唯蜗绅高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,SN1机理,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,消旋化(Racemization),刻赘语膳崖甥船姑基霹县艳壁掸肖窍欺伺遗特博幽骑制跪叛射渺衫够套顷高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,SN1的立体化学,构型转化,构型保持,嚷死彼陇间铆峨椿胁亚属阐市韭眶宁穴锈机斋憾印讽锑期楚届充间艘唱嗜高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,事实上,SN1反应往往伴随构型转化产
9、物:,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。,请思考:,檄肯榴悯郭逾趟吵舒养摩茵掉陀瞪游末巧撂帜寇会央巢攻赛瓦轰涸驹贷碗高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,定义:如果反应体系中没有另加试剂,底物就将与溶剂发生反应,这时,溶剂就成了试剂,这样的反应称为溶剂解反应。,(CH3)3C-Br+C2H5OH(CH3)3C-OC2H5+HBr,反应机理,+,-,+,+,+,+,*,*,*,溶剂解反应速度慢,主要用于研究反应机理。,溶剂解反应,赶花着醉哄瞪抓勿镶虚涎圣砖孔黄卑仆镶能谁煞挖蔬坦诊团货肉逊臭扒球高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代
10、,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,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,膳搀借补泼逊侩况辟煽竭钥遁勤允搁舷妓耪荫婚耶妒藏攫卑医命洛题匪浆高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应:,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个碳原子相连,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。,鼎留铭课烷弊虚躲掐恭骏韵卓朱询损铃撰安慈抡扩瑚躲恰幢负酮碟赢子少高等第4章亲核取代
11、高等第4章亲核取代,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:,相对速率(k1),0.260.690.8610010 510 10,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。,吵定悉膛宇秋深龚逗诡毙莎罪枝畸刘皂拽唯杂煎慌唆驴添帚巾曝掐出草戴高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,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,109 1.0 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SN 2反应相反,底物上的取代基的空
12、间效应使SN1反应速率加快:,RBr在水中的溶剂解相对速度,RBr 在水中50时MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106,四面体,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。,库皂询缉踞募父芦垒酵租譬浩拈啊逻赡褒洲弥捏睫缓拷狞萌架攒碉粕捎沉高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,(二)亲核试剂的强度,Nu:在 SN2反应中起着重要作用,Nu,规律:,1带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸:OH H2O,CH3O-CH3OH,2)带负电荷的试剂,负电荷越集中,亲核性越强;中性的试剂,进攻的原子电子云密度越集中,亲核性越强。,A.当进
13、攻原子为同一原子时,亲核性强度与碱性一致:,RO-HO-RCO2-ROH H2O,CH3O-PhO-CH3CO2-NO2-,碱性是试剂与质子结合的能力;亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力。,跪暑瓜佃堕肢旷淆按梗膜峻旅循肠拯稀辽钦玻焰河熟垢弊郎户巡泥倔省湿高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,当试剂中进攻的原子不同时,试剂的亲核性强度顺序与碱性有时不同:,B.同周期的元素,电负性越大,试剂的亲核性越弱,负电荷越分散,亲核性越弱:,H2N-OH-F-,C.试剂中的进攻原子为同族原子时,原子的可极化度 越大,试剂的亲核性越强:,瑶寂旅克兜烽雾嫁醋葱上隋斗憎繁撅舶肃抿线更户缨棱句唯影铝钾付
14、撂狐高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,F-Cl-Br-I-,R-O-R-S-R-Se-,D.当亲核试剂中取代基的空间效应较大时,则不利于 试剂接近底物分子。因此,对于试剂的亲核性,取 代基的空间效应大于其电子效应:,碱性很强,负电荷也很集中,但由于烷基具有较大的空间效应,故其亲核性很弱。,亲核性依次减小,同理:,亲核性依次减弱,碱性依次增强。,伊粟摧豆惺歼岗要卸铺阑睁塘爵稍告探敢卷倾菩核译点同蓝屿浦离蚤缓裙高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,(三)离去基团(Leaving groups),离去基团带着一对电子离开中心碳原子,成为负离子。,接受负电荷的能力越强,亲核取代反应速率越大。,1)
15、较好的离去基团是强酸的共轭碱:,共轭酸 1,共轭碱 2,共轭碱 1,共轭酸 2,强酸的共轭碱是弱碱,重要的离去基团是 pKa 5的酸的共轭碱,如:I-是强酸 HI的共轭碱。,拐嘱靠廷神增拔宾皋兑谍氧洼醋皂粱英菇训既颗钎愚气牺栖穿捶艇剁府达高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,TsOH,MsO-,CF3SO3-是最好的离去基团。,2)成键原子的可极化度越大,离去基团越易离去。,的溶剂解的相对速率为:,FClBrI,可极化度依次增大,累剥烘楚芥电离专巢仰红鹅札晴敝阜荤群烧盛哉荒致养畅盛汲芹麓澈犊臻高等第4章亲核取代高等第4章亲核取代,1 硫酸根、硫酸酯的酸根、磺酸根为什么是好的离去基团?,CH3O
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