脂肪族取代幻灯片.ppt

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1、脂肪族取代脂肪族取代第1页，共42页，编辑于2022年，星期二5.1亲核取代反应历程亲核取代反应历程5.1.1亲核取代反应类型亲核取代反应类型：n（A）中性底物+中性亲核体n（B）中性底物+负离子亲核体n（C）正离子底物+中性亲核体n（D）正离子底物+负离子亲核体第2页，共42页，编辑于2022年，星期二n5.1.2SN1取代反应历程取代反应历程n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n第(1)步为决速步骤：单分子反应,一级动力学n一般消旋产物为主第3页，共42页，编辑于2022年，星期二n正离子稳定性对正离子稳定性对SN1产物构型的影响产物构型的

2、影响(底物结构底物结构)：n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)n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)第4页，共42页，编辑于2022年，星期二碳正离子越不稳定，构型转变产物的百分数也越高。第5页，共42页，编辑于2022年，星期二n解释：碳正离子（解释：碳正离子（I

3、）比（）比（II）稳定）稳定，在碳正离子（I）中正电荷受苯环共轭效应作用，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。第6页，共42页，编辑于2022年，星期二n试剂试剂浓度对产物构型的影响：n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。n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)第7页，共42页，编辑于2022年，星期二 外消旋（%）反转（%）60%丙酮水溶液 95 5nSN1历程中的离子对机理

4、历程中的离子对机理：合理解释上述事实n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正离子形成的，“离子对”可以解释。第8页，共42页，编辑于2022年，星期二SN1反应按下列方式进行：n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

5、间还有一定的键连，因此能保持原来的构型。第9页，共42页，编辑于2022年，星期二离子对历程举例：离子对历程举例：第10页，共42页，编辑于2022年，星期二n（a）SH直接进攻RX得SR（完全反转），即直接发生SN2过程。n（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）竞争，则反转伴随外消旋化作用。n（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-）。n（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。第11页，共42页，编辑于202

6、2年，星期二5.1.3SN2取代反应历程取代反应历程n在SN2历程中亲核试剂由背面进攻背面进攻，构型反转，称构型反转，称为瓦尔登转化为瓦尔登转化(Waldeninversion)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。双分子反应双分子反应,二二级动力学，一步级动力学，一步完成，构型反转！完成，构型反转！第12页，共42页，编辑于2022年，星期二nC-A键形成的同时C-X键发生破裂，反应为一一步步过程，没有中间体没有中间体，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

7、与离去原子团重叠。第13页，共42页，编辑于2022年，星期二5.1.3分子内亲核取代分子内亲核取代(SNi)历程历程*n醇醇+SOCl2在醚中得构型保持的氯代烃在醚中得构型保持的氯代烃(SNi)，在，在吡啶中得构型反转氯代烃吡啶中得构型反转氯代烃(SN2)离去基分子内离去基分子内亲核进攻！亲核进攻！第14页，共42页，编辑于2022年，星期二5.2亲核取代反应的立体化学n瓦尔登反转瓦尔登反转(Waldeninversion)：SN2n涉及手性中心的原子涉及手性中心的原子(团团)发生取代时，常发生取代时，常常得到外消旋产物常得到外消旋产物(SN1)或部分外消旋产或部分外消旋产物物(SN1+SN

8、2)：第15页，共42页，编辑于2022年，星期二5.3 影响亲核取代反应历程的因素n某一化合物主要按哪一种历程进行反应，取决于取决于RX分分子中子中R和和X的的性质性质（电子效应和空间效应）及（电子效应和空间效应）及亲核试剂的亲核试剂的性质性质以及以及反应条件反应条件（溶剂，催化剂等）（溶剂，催化剂等）nSN1对电子效应更敏感，对电子效应更敏感，SN2对空间效应更敏感对空间效应更敏感T.S.与反应间没有净与反应间没有净电荷差异，取代基电荷差异，取代基的电子效应对反应的电子效应对反应的影响作用次要的影响作用次要第16页，共42页，编辑于2022年，星期二5.3.1 R基的影响5.3.1.1R基

9、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、推电子基使碳正离子稳定，促进SN1，如：，如：Z为吸引电子的原子团时，反应速度减慢，为吸引电子的原子团时，反应速度减慢，Z为排斥电子为排斥电子的原子团时，使的原子团时，使SN1反应速度增加反应速度增加。2、位于、位于位的双键、叁键及芳基的影响：阻碍位的双键、叁键及芳基的影响：阻碍烯卤和芳卤的烯卤和芳卤的SN1和和SN2都很难。都很难。第17页，共42页，编辑于2022年，星期二n解解释释一一：sp杂杂化化和和sp2杂杂化化比比sp3杂杂化化的的键键长长短短，对对电电子子约约束束能能力力更更强强，使使离离去去基基团团难难于于带带走

10、走电电子离去。子离去。n解解释释二二：离离去去基基团团与与重重键键形形成成p-键键共共轭轭作作用用，使使离离去去基基与与其其-C结结合合更更牢牢固固而而难难于于离离去去(与与sp3杂杂化化C-X键相比，键相比，sp杂化和杂化和sp2杂化的杂化的C-X键长更短键长更短)第18页，共42页，编辑于2022年，星期二3、-双键的影响：促进双键的影响：促进SN1和和SN2 如烯丙基卤和苄基卤SN1和SN2反应速度都很快。nSN1：共共轭轭稳稳定定碳碳正正离离子子而而使使决决速速步步骤加快。骤加快。nSN2：共共轭轭降降低低过过渡渡态态能能量量而而使使决决速速步骤加快。步骤加快。第19页，共42页，编辑

11、于2022年，星期二5.3.1.2 R基空间效应的影响1、-C或或-C的的烷烷基基取取代代增增加加,会会使使SN2的的反反应应速速度明显减慢度明显减慢,使使SN1的反应速度有所增加。的反应速度有所增加。nSN2：过过渡渡态态拥拥挤挤程程度度增增加加,过过渡渡态态生生成成更更难难，所所以以空空间间阻阻碍对碍对SN2的影想更显著。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 第20页，共42页，编辑于2022年，星期二nSN1：n-C取代增加使反应明显加速 n取代越多，碳正离子越稳定，

12、越易生成，反应越快:稳定性：三级碳正稳定性：三级碳正二级碳正二级碳正一级碳正一级碳正n取代越多，后张力越大，生成碳正趋势越强n-C取代增加影响不明显第21页，共42页，编辑于2022年，星期二2、桥头化合物：桥头化合物：SN2和和SN1都不活泼都不活泼nSN2：背面进攻不可能：背面进攻不可能nSN1：桥头碳张力难于生成平面构型的碳正离子：桥头碳张力难于生成平面构型的碳正离子第22页，共42页，编辑于2022年，星期二5.3.2 离去基团的影响1、SN1和和SN2的的决决速速步步骤骤都都要要求求离离去去基基离离去去，因因此此，离离去去基基对对两两种种反反应应速速度度的的影影响响都都很很明明显显，

13、离离去去能能力力增增强强，都都会会加加速速。离离去去能能力顺序见教材力顺序见教材p109!常见的好的离去基：常见的好的离去基：常见的差的离去基：常见的差的离去基：n表表5-5:1-苯基乙酯苯基乙酯或或卤化物溶剂解反应的相对速率卤化物溶剂解反应的相对速率离离去去基基团团k相对相对离离去去基基团团k相对相对CF3SO31.4108CF3CO22.1p-硝基苯磺酸根离子硝基苯磺酸根离子4.4105Cl1.0p-甲苯磺酸根离子甲苯磺酸根离子3.7104F910-6CH3SO33.0104p-硝基苯甲酸根离子硝基苯甲酸根离子5.510-6I91CH3CO21.410-6Br14质子化促进离去质子化促进离

14、去第23页，共42页，编辑于2022年，星期二2、卤素离去能力顺序为：、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、空间拥挤可一定程度增加离去基的离去能力空空间间拥拥挤挤程程度度增增加加对对体体积积较较大大的的离离去去基基加加速速作作用用比比体体积积较较小小的的离离去去基基更明显更明显。例如，例如，对甲苯磺酸酯对甲苯磺酸酯/溴化物溴化物(RX)在在80%乙醇中溶剂解的速度比乙醇中溶剂解的速度比 R甲基甲基乙基乙基异丙基异丙基叔丁基叔丁基1-金刚烷基金刚烷基kOTs/kBr11104040009750第24页，共42页，编辑于20

15、22年，星期二5.3.3 亲核试剂对反应的影响1、亲亲核核试剂对试剂对SN1影响不大，影响不大，对对SN2影响明影响明显显对决速步骤是否有影响对决速步骤是否有影响2、亲亲核核试试剂剂亲亲核核性性与与其其中中心心原原子子的的电电负负性性只只有有间间接接关关系系(具体分析！具体分析！)。3、亲亲核核试剂试剂的的亲亲核性增加，核性增加，SN2加速加速4、亲亲核性与碱性：可能一致，可能不一致核性与碱性：可能一致，可能不一致n一致情况n中心原子相同：RO-HO-n中心原子同周期：NH2-HO-F-第25页，共42页，编辑于2022年，星期二5.3.3 亲核试剂对反应的影响4、亲亲核性与碱性：可能一致，可

16、能不一致核性与碱性：可能一致，可能不一致n不一致情况n同族：变形性大，亲核强 RS-RO-n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-Br-Cl-C2H5O-i-PrO-t-BuO-第26页，共42页，编辑于2022年，星期二5.3.4 溶剂的影响n溶剂可影响同一机理的反应速度，也可影响反应的机理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、溶剂极性对同一机理的影响nSN1随极性增加而加速：降低TS能量，稳定碳正(例p109

17、)nSN2具体分析：比较GS与TS的电荷变化(p110表5-6)2、极极性性增增加加，SN2-SN1:SN2比比例例降降低低，SN1比比例例升升高高(消消旋旋增加，反转降低增加，反转降低)n 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：使阴离子裸露利用冠醚提高负离子的亲核性：使阴离子裸露,响转移响转移第27页，共42页，编辑于2022年，星期二5.4 邻基参与n分分子子内内反反应应中中心心邻邻近近基基团团参参与与过过渡渡态态形形成成而而影影响响反反应应的的现现象象称称为为邻邻基基参参与与作作用用（Neighboring

18、groupparticipation）。）。n影响产物构型影响产物构型n在在决决速速步步骤骤中中参参与与可可加加速速反反应应：邻邻基基协协助助或或邻邻基基促促进进(非决速中参与不影响速度，但可影响产物构型非决速中参与不影响速度，但可影响产物构型)n可参与的基团：可参与的基团：n含孤对电子的杂原子：n电子参与(e.g.-X,-OH)n含重键的官能团：电子参与(e.g.-C=C,-Ar)n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)第28页，共42页，编辑于2022年，星期二n邻基参与的特点邻基参与的特点n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)n有利因素

19、：靠近反应中心，碰撞几率高；熵变有利1、n电子参与作用电子参与作用n化合物的分子中具有未共用电子对的基团nCOO-(但不是COOH)、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl(IBrCl)第29页，共42页，编辑于2022年，星期二n例例如如：当当3-溴溴-2-丁丁醇醇的的苏苏型型（Threo）外外消消旋旋体体（）用用HBr处处理理时时，得得到到外外消消旋旋体体（）-2,3-二二溴丁烷溴丁烷(p112)第30页，共42页，编辑于2022年，星期二n卤卤素素邻邻基基参参与与能能力力次次序序:IBrCl(亲亲核核性性和和可

20、可极极化化性性),F电电负负性性太太强强，不不易易给给出出电电子子，可极化性差，一般不发生邻基参与作用。可极化性差，一般不发生邻基参与作用。n若若邻邻基基参参与与形形成成的的中中间间体体太太稳稳定定和和/或或亲亲核核试试剂剂Nu亲亲核核能能力力不不足足时时，可可形形成成环环状状产产物物。这这是是简单的分子内简单的分子内SN2反应。反应。环氧化环氧化合物制合物制备：备：-丁内丁内酯很稳酯很稳定定：第31页，共42页，编辑于2022年，星期二氮原子也起邻基参与作用。例如，氨与氮原子也起邻基参与作用。例如，氨与1 1，4-4-二氯丁烷二氯丁烷作用形成氢化吡咯：作用形成氢化吡咯：第32页，共42页，编

21、辑于2022年，星期二2、参与作用参与作用(1)C=C双键作为邻近基团双键作为邻近基团nC=C键、键、C=O键也有邻基参与作用，如反键也有邻基参与作用，如反-7-降冰片烯基对甲降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解，由于苯磺酸酯的乙酸解，由于参与，反应速率比相应的饱和酯快参与，反应速率比相应的饱和酯快1011倍，且产物构型保持。倍，且产物构型保持。n 第33页，共42页，编辑于2022年，星期二(2)环丙基的参与作用环丙基的参与作用n环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位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。置时也可能发生邻基参与作用。n (I)的溶剂解速率比(

22、II)快1014倍。第34页，共42页，编辑于2022年，星期二速度：速度：(IV)(V)(III)n可以用环丙基的邻基参与解释可以用环丙基的邻基参与解释n环丙基的邻基参与要求其处于恰当位置才有效环丙基的邻基参与要求其处于恰当位置才有效第35页，共42页，编辑于2022年，星期二苯桥正离子（phenonium ion）中间体(3)芳基芳基参与作用参与作用:位位芳基能发生芳基能发生只得到消旋产物应该有旋光性第36页，共42页，编辑于2022年，星期二3键参与作用键参与作用:非经典碳正离子非经典碳正离子n(I)的速度比(IV)快350倍 第37页，共42页，编辑于2022年，星期二5.5 亲核取代

23、实例1、醇及相关含氧化合物、醇及相关含氧化合物n叔醇制备n威廉森成醚n环氧化合物的反应进攻位阻小处进攻位阻小处C+稳定者稳定者第38页，共42页，编辑于2022年，星期二2、卤代烃制备：、卤代烃制备：R*-OH+HXR-X()碳正，消旋碳正，消旋R*-OH+PX3/PX5R*-XSN2，反转，反转R*-OH+SOCl2R*-XSNi，保持，保持R*-OH+SOCl2+PyR*-XSN2，反转，反转温和卤代，反转温和卤代，反转第39页，共42页，编辑于2022年，星期二3、卤代烃制备胺：一般不直接氨解，产物难控制、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转化为叠氮物还原/还原胺化还原胺化/霍夫曼降解霍夫曼降解第40页，共42页，编辑于2022年，星期二4、C-C键形成键形成n碳链增长：炔化钠/NaCN(p118)n羰基化合物的烷基化：n单羰基需强碱(如NaNH2),双羰基温和些(NaOR)第41页，共42页，编辑于2022年，星期二nP121习题习题5第42页，共42页，编辑于2022年，星期二