第 4 章 亲核取代反应 谢斌 教授
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第 4 章 亲核取代反应 谢斌 教授. 4.1 亲核取代反应类型. 类型 I : Nu - + R-L R-Nu + L - 例: OH - + R-I R-OH + I - 类型 II : Nu : + R-L R-Nu + + L - 例: Me 3 N : + R-I RN + Me 3 + I - 类型 III : Nu - + R-L + R-Nu + L: 例: OH - + R-N + Me 3 R-OH + :NMe 3. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
4.1 亲核取代反应类型类型 I: Nu- + R-L R-Nu + L-
例: OH- + R-I R-OH + I-
类型 II: Nu: + R-L R-Nu+ + L-
例: Me3N: + R-I RN+Me3 + I-
类型 III : Nu- + R-L+ R-Nu + L:
例: OH- + R-N+Me3 R-OH + :NMe3
类型 IV : Nu: + R-L+ R-Nu+ + L : 例: H2S: + R-N+ Me3 R-S+H2 + :NMe3
亲核试剂具有未共用电子对或带有负电荷,故亲核试剂都是路易斯碱。亲核试剂具有未共用电子对或带有负电荷,故亲核试剂都是路易斯碱。
4.2 亲核取代反应机理4.2.1 SN1 机理( 1 )反应机理动力学上为一级反应,反应速度只与反应底物有关而与亲核试剂的性质和浓度无关。
v=k1[RX]
R X [R X]¦Ä+ ¦Ä-
R+ + X-
TS1 I
Âý
R+ £« Nu- [R Nu]¦Ä+ ¦Ä-
R NuTS2
定速步骤
快快
动力学上为一级反应;分步完成(两个过渡态和一个中间体);可能发生重排;外消旋化。
特点:
( 2 )立体化学碳正离子的中心碳为 sp2 杂化,具有平面结构 , 存在空 p 轨道,理论上产物外消旋化。
反应结果主要取决于底物结构和试剂的亲核性,通常情况是外消旋化与构型翻转同时存在。
R
C+
R1 R2
Nu-
R
CR1
R2
Nu
R
C
R1R2
Nu+
50% 50%
dl
4.2.2 SN2 机理( 1 )机理
协同的一步反应,新键的形成和旧键的断裂是同时进行的,亲核试剂从离去基背面进攻中心碳原子,过渡态为五配位的三角双锥构型。
Nu- + C
R
R1R2
X¦Ä-¦Ä+
[Nu C X
R
R1 R2
¦Ä-]
慢 ¦Ä-
TSNu C
R
R1R2
+ X-
动力学上为二级反应 ;
协同反应(一步完成,无中间体);产物的构型翻转。
特点:
( 2 )立体化学 发生 Walden 转化即伞型效应
C
n-C6H13
BrH
CH3
OH-
HO C
C6H13-n
HCH3
+ Br-
[]= -34.6 []=49.9
+ I-128I- + C
Hn-C6H13
CH3
I 128I C
HC6H13-n
CH3
S-2- 碘辛烷 R-2- 碘辛烷 -128I
反应过程中,旋光性逐渐降低到零,即发生外消旋化。v 外= 2v 取
4.2.3 离子对 - 溶剂化学说有些亲核取代反应无论从动力学还是从立体化学角度
来研究,既不能单纯用 SN1 历程也不能用 SN2 历程来解释。由此提出了离子对历程,而 SN2 和 SN1 只是极限情况而已。
反应物的离解不是一步完成的,而是逐渐离解的,同时溶剂参与了这一过程,进而形成了离子对历程或离子对 - 溶剂学说。
底物的离解分为三步
R X R+X- R+ X- R+ + X-
X-对 Nu-
有屏蔽作用
一起被溶剂化
正负离子有作用,但被溶剂分隔开
正负离子无作用,分别
被溶剂化
Nu-
SN2
构型翻转
Nu- Nu- Nu-
构型翻转 构型翻转 > 构型保持(部分外消旋化的同时,有部分构型翻转)
外消旋化(100%)
SN1
内返紧密离子对 自由碳正离子溶剂分离子对µ×Îï
4.2.4 SNi 机理
C OH
R2
H
R1
+ S
O
Cl Cl
CHO
R2
H
R1
S
O-
Cl
Cl
-H+C
O
R2
H
R1
S
O-
Cl
Cl
-Cl-C
O
R2
H
R1
S
O
Cl
氯代亚磺酸酯
C+
R2
H
R1 OS
OCl-
紧密离子对紧密离子对
C
R2
H
R1
Cl-SO2
构型保持构型保持
结果为构型保持。分子的一部分作为亲核试剂发生了亲核取代反应。形成了紧密离子对, Cl- 从失去的一侧进攻碳正离子(溶剂分子还未介入)。
支持离子对形成的证据
(CH3)2CHCHCH3
OSOCl(CH3)2CHC+HCH3Cl- + SO2
2°
1.
碳正离子重排
3°(CH3)2CCH2CH3
Cl
(CH3)2C+CH2CH3Cl- + SO2
CH3)( 2CHCHCH3
OSOCl
CH3)( 2CHCHCH3
Cl
+ SO2
2- 辛醇与 SOCl2 的反应
用乙醚作溶剂,产物 2- 氯辛烷构型保持 ; 用吡啶作溶剂,产物 2- 氯辛烷构型翻转
R-2- 辛醇 R- 氯代亚磺酸 -2- 辛醇酯 构型保持
乙醚极性很小,产生 HCl 绝大数逸出, 至少 HCl 不以离子状态存在。产物里的氯只来源于氯代亚磺酸酯的分解乙醚极性很小,不利于电荷的分离,氯代亚磺酸酯分解出 SO2, R+和 Cl- 以紧密离子对形式存在。
+ SOCl2 OSO
Cl
C
C6H13n
H
CH3
+ HClÒÒÃÑn
H
C
C6H13
CH3OH
Cl- 从有利的位置,即 -OSOCl 失去的同侧进攻 R+ 的中心碳原子,
C
H
CH3(CH2)5
CH3 O
S O
Cl
ÒÒÃÑ C+
CH3(CH2)5 CH3
H
SO2
Cl-
C
H
CH3(CH2)5
CH3 Cl
R-2-氯辛烷
100%¹¹ Ðͱ£³Ö
紧密离子对
导致产物构型保持
离子态 Cl- 亲核性大于分子态 HCl 。
有亲核试剂 Cl- 存在,发生 SN2 反应
产物构型翻转,产物中的氯来自于自由的 Cl-
吡啶为强极性的碱,HCl 将形成盐,以离子态 Cl- 存在,
C
H
CH3(CH2)5
CH3 O
S O
Cl
SN2C
H
(CH2)5CH3
CH3Cl
S-2-氯辛烷
100%构型翻转
N+H Cl- + + Cl-
Cn-C6H13
H3C
OH
H
N+ SOCl2
Cn-C6H13
H3C
O
H SCl
O
+NH
Cl-
R-2- 辛醇
4.3.1 试剂的亲核性4.3.1.1 试剂的碱性与亲核性具有亲核性的试剂叫亲核试剂,亲核性是指试剂与
正电性碳原子的成键能力。亲核试剂可以是中性分子和负离子。亲核试剂均为路易斯碱,而碱性 ( 质子理论 ) 是指
试剂与质子的结合能力,多些情况下二者的强度一致。( 1 )亲核原子相同时,亲核性大小与碱性一致。
RO- > HO- > ArO- > RCOO- > ROH > H2O
>>>
-O ON
O-
Cl
O-O-O-
CH3
取代基的供电性越强,亲核性和碱性越强。 取代基的供电性越强,亲核性和碱性越强。
( 2 )亲核性原子为同周期元素的原子时,其亲核性与碱性大致一致。
R3C- > R2N- >RO- > F-
( 3 )同族元素原子的亲核性大小与碱性相反,即原子半径较小者,碱性较大,而亲核性则较小。亲核性: PhSe->PhS->PhO-
亲核性 ( 在质子性溶剂中 ) : I->Br->Cl->F-
溶剂化最强( 4 )空间效应碱性 CH3O-<(CH3)3CO-
亲核性 CH3O->(CH3)3CO-
位阻越大,亲核性越小。
I-
R
CH3
N+
I CH3+N
R
C(CH3)3NCH3H3C NCH3NN
CH3
N
k相对 2.3 1.0 0.5 0.04 0.0002
亲核性降低
电子效应电子效应
{}{}
空间位阻空间位阻空间位阻空间位阻
4.3.1.2 试剂的亲核性对亲核取代反应的影响 试剂的亲核性对 SN1 几乎无影响(但影响产物的分
配),对 SN2 影响较大。( 1 )试剂的亲核性越大,越有利于 SN2 ;( 2 )亲核试剂的体积越小,越有利于 SN2 ;( 3 )强亲核试剂导致产物构型反转,弱亲核试剂导
致产物部分外消旋化;( 4 )试剂的可极化度越大,亲核性越大。同族中,从上到下亲核性增加(电负性降低,可极化
度增大)I->Br-> Cl->F- PhSe->PhS->PhO-
4.3.2 溶剂效应4.3.2.1 对 SN1 反应的影响增加溶剂极性和溶剂的离子 - 溶剂化能力,导致反
应速度显著增大。( 1 )在定速步骤中,反应物电离成过渡态所需的
大部分能量可由在溶剂和极性过渡态之间形成偶极 -偶极键来供给。溶剂的极性越大,则溶剂化能力越强,电离作用越快。( 2 )碳正离子或定速步骤的过渡态的极性大于反
应物,前者因溶剂化而稳定,极性溶剂有利于 SN1 ,且随着溶剂极性增强而加速。
4.3.2.2 对 SN2 反应的影响
+ L-RNuLRNuLR+Nu-- -
电荷分散
溶剂极性增大,不利于反应;极性减小,有利于反应
+ L-R+NuLRNuLR+Nu+ -
形成电荷,极性增加
溶剂极性增大,有利于反应
+ LRNuLRNuL+R+Nu-- +
溶剂极性减低,有利于反应
极性质子性溶剂使亲核试剂溶剂化增加亲核试剂的稳定性,降低其亲核活性。
+ Nu -3ROHG
OR
OR
H
HNu-HRO
L-
G'
LR - -
+LRNu Nu-R
¡÷ G' + ¡÷G''=¡÷ G 不利于 SN2 不利于 SN2
使用极性非质子溶剂如DMF、DMSO和HMPT
等,亲核试剂完全暴露未溶剂化,对 SN2 有利的。
I Na+CH3N3
SN2NaN3+I CH3
溶剂 DMF MeOH
k 3×103 3×10-2
4.3.3 离去基的影响不论 SN1 还是 SN2 的定速步骤中均存在 C-X 断裂,故 C-X愈易断裂, SN1 和 SN2 反应的速度愈快。稳定性: F-<Cl-<Br-<I- (I- 原子半径大,负电荷愈分散 )
碱性: F->Cl->Br->I-
离去能力: I->Br->Cl->F-
离去基碱性越弱,离去能力越强离去基碱性越弱,离去能力越强离去基碱性越弱,离去能力越强离去基碱性越弱,离去能力越强
R OH + Br- 不反应
强碱 OH- 为不好的离去基
R OH + H+ R OH2Br-
R Br + H2OH2O 碱性弱,为好的离去基
4.3.4 空间效应4.3.4.1 对 SN1 的影响
C L
R
R2
R1
RR2
R1
- L
慢sp3 sp2
张力得到释放,空间位阻越大,反应越快
SN1 的速度: 3°RX > 2°RX > 1°RX4.3.4.2 对 SN2 的影响
L-+
R2
R1
R
CNu
--
R2R1
R
LCNu慢
R2
R1
L
R
C+Nu-
过渡态为五配位,空间位阻增大 过渡态为五配位,空间位阻增大
SN2 的速度: 3°RX < 2°RX < 1°RX
4.4 邻基参与 如果亲核试剂与离去基共处于同一分子中,则发生分子内 SN2 。
HO CH2 CH2ClCa(OH)2
CH2 CH2
Cl
O-
CH2 CH2
O
NH
离去基 Cl- 的离去是由氧负离子(或氮原子)的帮助下完成的,通常称为邻基协助,邻基参与或邻基效应(分子内的 SN2 )。
CH2CH2CH2CH2 NH2ClKOH
H2O
条件条件::当邻近基团具有未共用电子对或键时,在与反应中心的距离适当时,就能发生邻基参与。结果及特点结果及特点::①生成环状化合物或环状中间体,②限制产物的构型,③反应速度异常增大。
4.4.1 n 参与4.4.1.1氧参与
k 反 /k 顺= 6
反式反应物的产物构型保持不变 反式反应物的产物构型保持不变
O- OH OCH3 OCR
O
C-OR
O
CHO CAr
O
, , , , , ,
三元环或五元环
OTsMeOOAc-
OAcMeO + OTs-
MeO OTs
O+
Me
AcO- MeO OAc
反式反式
反式反式
H H
OAcOTs
H
OAc H
OAcCH3COO-
CH3COOH k1=2.9¡Á10-7L.mol-1.S-1
SN2 历程,由于 AcO- 的吸电子使得碳正离子的形成较困难。
OAc
H
H
OTs
OAc
H
H
OAc
CH3COO-
CH3COOH+ H
OAcH
OAc k2=1.9¡Á10£ 4L.mol-1.S-1
外消旋体
O
H
H
OTs
C OMe
O
H H
CO
Me
12
OAc-
+OAc
H
H
OAc
H
OAc
OAc
H
50% 50%
镜面对称性(非手性分子)镜面对称性
(非手性分子)
邻基参与历程邻基参与历程邻基参与历程邻基参与历程
只有一个手性碳且反应中心为手性碳时,邻基参与的结果将是构型保持。
CEt Et
HO C ClMe
H
OH- C
EtEt
-O C
Me H
Cl
1-Cl- C
Et Et
O C
HMe
2
OH-
CEt Et
-O C OHMe
H
3
邻基参与,构型翻转 SN2 反应,构型翻转 3 和 1 与底物构型相同,邻基参与和 SN2 反应的总结果为构型保持。
C
Br
CO-
HMe O C
H
MeC
O
O-Br-
¹¹ ÐÍ· ת
OH- C C
HO
H
MeO-
O
¹¹ ÐÍ· ת
总结果为构型保持 总结果为构型保持 4.4.1.2 硫参与
ClCH2CH2 SCH2
CH2 Cl ClCH2CH2 S
CH2
CH2ÁÚ»ù²Î Óë
OH-
SN2
ClCH2CH2S
CH2
CH2OH
4.4.1.3 卤素参与
CH3 H
OHBr
H CH3
H CH3
OHBr
CH3 H
H CH3
BrBr
CH3 H
HBr+
³à ʽdl¶Ô ³à ʽmeso
H CH3
OHBr
H CH3
H CH3
BrBr
H CH3
CH3 H
OHBr
CH3 H
CH3 H
BrBr
CH3 H
HBr++
ËÕʽdl¶Ô ËÕʽdl¶Ô
Br
H CH3
H CH3
OH
Br
H CH3H CH3
OH2
H+
Br
C CH H
CH3 CH3
-H2O
Br-
(2S,3S) (2S,3S) (2R,3S)
H CH3
BrBr
H CH3
CH3 H
BrBr
CH3 H
+
(2R,3R) (2S,3S)
非手性的meso
Br
H CH3CH3 H
OH2
(2R,3S)
-H2O
Br
C CCH3 H
H CH3
(2S,3S)
Br-
H Br
H Br
CH3
CH3meso
手性中间体
4.4.2 π参与1. C=C 的参与
OTsH
AcO-
AcOH
OAcH
反式反式 反式反式
-TsO-
+
AcO-
构型不变
OTsH OTsH
kÒÒËá½â 1011 1
kÒÒËá½â 1 13.2
ONBH
H3C
ONBH ONBH
H3C
CH3
148 C
O
NO2NB£º
ΠΠ 键的供电性增加,速度增加 键的供电性增加,速度增加 2.苯基参与
C C
H
H
Ph
OTs
CH3
CH3
ËÕʽ(2R,3S)
-OTs-
C C
CH3
H
CH3
H23
+
(2S,3R)meso
OAc-
50%
50% (2R,3S)
(2S,3R)
ËÕʽdl
50% 构型转化, 50% 构型翻转,结果为外消旋化。
½ø¹¥ C2
½ø¹¥ C3
C C
H
HCH3
CH3
Ph
OAc
C C
H PhCH3
HOAcCH3
³à ʽ(2R,3R)
C C
H
CH3
Ph
OTs
CH3
H-OTs-
C C
H
H
CH3
CH323
+
(2S,3S)ÊÖÐÔ
OAc-
½ø¹¥ C2
½ø¹¥ C3
C C
H
CH3H
CH3
Ph
OAc
C C
CH3 PhH
HOAc CH3
(2R,3R)
(2R,3R)
³à ʽ
构型保持不变