第5章脂肪族取代.ppt

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1、第五章 脂肪族取代反应,指化合物的原子(团)被其它原子(团)所取代的反应。取代反应分类亲核(SN)取代：脂肪族取代主要类型 R-X+:Nu-R-Nu+X-亲电(SE)取代：芳香取代普遍 R-Y+E+-R-E+Y+自由基取代：烷烃的卤代为代表 R-Y+.A-R-A+.Y,5.1 亲核取代反应历程,5.1.1 亲核取代反应类型：（A）中性底物+中性亲核体（B）中性底物+负离子亲核体（C）正离子底物+中性亲核体（D）正离子底物+负离子亲核体,5.1.2 SN1 取代反应历程反应分两步：(1)生成碳正离子，(2)碳正离子与介质中的Lewis碱（亲核试剂）结合第(1)步为决速步骤：单分子反应,一级动力学

2、一般消旋产物为主,正离子稳定性对SN1产物构型的影响(底物结构)：如果形成的正离子不稳定，它立即被第二个试剂进攻，此时A还来不及离开正离子，它在一定程度上显示了“遮蔽效应”因而妨碍了试剂A从这方面的进攻。所以除得到外消旋产物外，还得到相当量的构型反转产物。(碳正离子活性高，构型反转为主)如果形成的正离子比较稳定，并能在较长时间存在，则A与它已有相当距离，不再表现“遮蔽效应”因此得到产物主要为外消旋体，同时有少量构型发生反转的光活性物质。(碳正离子活性低，外消旋为主),碳正离子越不稳定，构型转变产物的百分数也越高。,解释：碳正离子（I）比（II）稳定，在碳正离子（I）中正电荷受苯环共轭效应作用，

3、使正电荷得到分散，因此具有较小的能量，所以有较大的稳定性，即有较弱的反应性能。,试剂浓度对产物构型的影响：如果进攻试剂的浓度低，Y-与 R+结合几率小，二者结合前，R+有充裕时间转变为平面构型，因此，低浓度有助于生成处消旋产物。如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还被X离子遮蔽的R+离子进攻机会，因而构型反转的产物的比例会增加。(高浓度有助于生成构型反转产物),外消旋（%）反转（%）60%丙酮水溶液 95 5SN1历程中的离子对机理：合理解释上述事实在SN1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，但事实上总是伴有少量反转，这就说明有一些产物不是从游离的碳

4、正离子形成的，“离子对”可以解释。,SN1反应按下列方式进行：,亲核试剂在任何阶段进攻都能形成产物。（I）为紧密离子对：反转；（II）为溶剂分隔离子对：反转为主，伴消旋，在碳正离子和离去原子团之间插入一个或数个溶剂分子；（III）为离解离子对：消旋，每个离子被溶剂的分子所包围。在反应中紧密离子对重新结合为原来的被作用物，称为内部反回(可逆)。在紧密离子对中的R+和X-之间还有一定的键连，因此能保持原来的构型。,离子对历程举例：,（a）SH直接进攻RX得SR（完全反转），即直接发生SN2过程。（b）如果形成紧密离子对，则溶剂在此阶段进攻，若反应（A）不发生则导致完全的反转，若反应（A）与（B）竞

5、争，则反转伴随外消旋化作用。（c）如果形成溶剂分隔离子对，当溶剂壳从前边崩溃时，则反应中构型保持，如从后崩溃时则构型反转，总结果为部分反转（）部分保持（1-）。（d）形成游离R+，为平面构型，SH从两面进攻的机会相同，得外消旋化产物。,5.1.3 SN2 取代反应历程,在SN2历程中亲核试剂由背面进攻，构型反转，称为瓦尔登转化(Walden inversion)保持构型的过渡态（II）的能量比过渡态（I）高得多，同侧进攻困难。,双分子反应,二级动力学，一步完成，构型反转！,C-A键形成的同时C-X键发生破裂，反应为一步过程，没有中间体，C-X断裂所需要的能量由形成的C-A键供给。在过渡态时中心

6、原子由sp3杂化轨道转变为sp2杂化轨道，并以p轨道的一个叶与亲核试剂A重叠，而另一个叶与离去原子团重叠。,5.1.3 分子内亲核取代(SNi)历程*,醇+SOCl2在醚中得构型保持的氯代烃(SNi)，在吡啶中得构型反转氯代烃(SN2),离去基分子内亲核进攻！,5.2 亲核取代反应的立体化学,瓦尔登反转(Walden inversion)：SN2涉及手性中心的原子(团)发生取代时，常常得到外消旋产物(SN1)或部分外消旋产物(SN1+SN2)：,5.3 影响亲核取代反应历程的因素,某一化合物主要按哪一种历程进行反应，取决于RX分子中R和X的性质（电子效应和空间效应）及亲核试剂的性质以及反应条件

7、（溶剂，催化剂等）SN1对电子效应更敏感，SN2对空间效应更敏感,T.S.与反应间没有净电荷差异，取代基的电子效应对反应的影响作用次要,5.3.1 R基的影响5.3.1.1R基的电子效应：主要讨论对SN1影响,1、推电子基使碳正离子稳定，促进SN1，如：Z为吸引电子的原子团时，反应速度减慢，Z为排斥电子的原子团时，使SN1反应速度增加。2、位于位的双键、叁键及芳基的影响：阻碍 烯卤和芳卤的 SN1和SN2 都很难。,解释一：sp杂化和sp2杂化比sp3杂化的键长短，对电子约束能力更强，使离去基团难于带走电子离去。解释二：离去基团与重键形成p-键共轭作用，使离去基与其-C结合更牢固而难于离去(与

8、sp3杂化C-X键相比，sp杂化和sp2杂化的C-X键长更短),3、-双键的影响：促进SN1和SN2 如烯丙基卤和苄基卤SN1和SN2反应速度都很快。,SN1：共轭稳定碳正离子而使决速步骤加快。,SN2：共轭降低过渡态能量而使决速步骤加快。,5.3.1.2 R基空间效应的影响,1、-C或-C的烷基取代增加,会使SN2的反应速度明显减慢,使SN1的反应速度有所增加。SN2：过渡态拥挤程度增加,过渡态生成更难，所以空间阻碍对SN2的影想更显著。例 R-Br中的Br被NaH（H-）取代相对速度：R=CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9K=100 1.65 0.022 0.0048,SN1：-

9、C取代增加使反应明显加速 取代越多，碳正离子越稳定，越易生成，反应越快:稳定性：三级碳正二级碳正一级碳正取代越多，后张力越大，生成碳正趋势越强-C取代增加影响不明显,2、桥头化合物：SN2和SN1都不活泼SN2：背面进攻不可能SN1：桥头碳张力难于生成平面构型的碳正离子,5.3.2 离去基团的影响,1、SN1和SN2的决速步骤都要求离去基离去，因此，离去基对两种反应速度的影响都很明显，离去能力增强，都会加速。离去能力顺序见教材p109!常见的好的离去基：常见的差的离去基：表5-5:1-苯基乙酯或卤化物溶剂解反应的相对速率离 去 基 团 k相对 离 去 基 团 k相对CF3SO3 1.4108

10、CF3CO2 2.1p-硝基苯磺酸根离子 4.4105 Cl 1.0p-甲苯磺酸根离子 3.7104 F 910-6CH3SO3 3.0104 p-硝基苯甲酸根离子 5.510-6I 91 CH3CO2 1.410-6Br 14,质子化促进离去,2、卤素离去能力顺序为：I-Br-Cl-F-与键的键能和可极化性有关。3、空间拥挤可一定程度增加离去基的离去能力空间拥挤程度增加对体积较大的离去基加速作用比体积较小的离去基更明显。例如，对甲苯磺酸酯/溴化物(RX)在80%乙醇中溶剂解的速度比 R 甲基 乙基 异丙基 叔丁基 1-金刚烷基kOTs/kBr 11 10 40 4000 9750,5.3.3

11、 亲核试剂对反应的影响,1、亲核试剂对SN1影响不大，对SN2影响明显对决速步骤是否有影响2、亲核试剂亲核性与其中心原子的电负性只有间接关系(具体分析！)。3、亲核试剂的亲核性增加，SN2加速4、亲核性与碱性：可能一致，可能不一致一致情况中心原子相同：RO-HO-中心原子同周期：NH2-HO-F-,5.3.3 亲核试剂对反应的影响,4、亲核性与碱性：可能一致，可能不一致不一致情况同族：变形性大，亲核强 RS-RO-溶剂可逆转亲核顺序：质子性溶剂中，电负性大生成氢键更强，亲核力反而若；在非质子偶极溶剂中，负离子充分暴露，体积越小，亲核力越强 水、醇中：I-Br-Cl-F-DMF、DMSO中：I-

12、C2H5O-i-PrO-t-BuO-,5.3.4 溶剂的影响,溶剂可影响同一机理的反应速度，也可影响反应的机理1、溶剂极性对同一机理的影响SN1随极性增加而加速：降低TS能量，稳定碳正(例p109)SN2具体分析：比较GS与TS的电荷变化(p110表5-6)2、极性增加，SN2-SN1:SN2比例降低，SN1比例升高(消旋增加，反转降低)如C6H5CH2-Cl的水解,在水中反应主要按SN1历程进行,在丙酮中主要按SN2进行.3、利用冠醚提高负离子的亲核性：使阴离子裸露,响转移,5.4 邻基参与,分子内反应中心邻近基团参与过渡态形成而影响反应的现象称为邻基参与作用（Neighboring gro

13、up participation）。影响产物构型在决速步骤中参与可加速反应：邻基协助或邻基促进(非决速中参与不影响速度，但可影响产物构型)可参与的基团：含孤对电子的杂原子：n电子参与(e.g.-X,-OH)含重键的官能团：电子参与(e.g.-C=C,-Ar)部分含C-C和C-H键的取代基：电子参与(非经典碳正离子，环丙基),邻基参与的特点参与邻基位于离去基团的位置或更远时，得构型保持(2次SN2)有利因素：靠近反应中心，碰撞几率高；熵变有利1、n电子参与作用化合物的分子中具有未共用电子对的基团COO-(但不是COOH)、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、N

14、HCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl(IBrCl),例如：当3-溴-2-丁醇的苏型（Threo）外消旋体（）用HBr处理时，得到外消旋体（）-2,3-二溴丁烷(p112),卤素邻基参与能力次序:I Br Cl(亲核性和可极化性),F电负性太强，不易给出电子，可极化性差，一般不发生邻基参与作用。若邻基参与形成的中间体太稳定和/或亲核试剂Nu亲核能力不足时，可形成环状产物。这是简单的分子内SN2反应。,环氧化合物制备：,-丁内酯很稳定：,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：,2、参与作用(1)C=C双键作为邻近基团C=C 键、C=O 键也有邻基参与作用，如反-

15、7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于参与，反应速率比相应的饱和酯快1011倍，且产物构型保持。,(2)环丙基的参与作用环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。(I)的溶剂解速率比(II)快1014倍。,速度：(IV)(V)(III)可以用环丙基的邻基参与解释环丙基的邻基参与要求其处于恰当位置才有效,苯桥正离子（phenonium ion）中间体,(3)芳基参与作用:位芳基能发生,只得到消旋产物,应该有旋光性,3 键参与作用:非经典碳正离子,(I)的速度比(IV)快350倍,5.5 亲核取代实例,1、醇及相关含氧化合物叔醇制备威廉森成醚环氧化合物的反应,进攻位阻小处,C+稳定者,2、卤代烃制备：R*-OH+HX R-X()碳正，消旋R*-OH+PX3/PX5 R*-X SN2，反转R*-OH+SOCl2 R*-X SNi，保持R*-OH+SOCl2+Py R*-X SN2，反转温和卤代，反转,3、卤代烃制备胺：一般不直接氨解，产物难控制转化为叠氮物还原/还原胺化/霍夫曼降解,4、C-C键形成碳链增长：炔化钠/NaCN(p118)羰基化合物的烷基化：单羰基需强碱(如NaNH2),双羰基温和些(NaOR),P121 习题5,