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1、第五章第五章 脂肪族取代反应脂肪族取代反应n指化合物的原子指化合物的原子(团团)被其它原子被其它原子(团团)所取所取代的反应。代的反应。n取代反应分类取代反应分类n亲核(SN)取代：脂肪族取代主要类型 R-X+:Nu-R-Nu+X-n亲电(SE)取代：芳香取代普遍 R-Y+E+-R-E+Y+n自由基取代：烷烃的卤代为代表 R-Y+.A-R-A+.Y5.1 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RX+Y:RY+X:-RY+X:-RX+Y:
2、-RX+Y:RY+X:RX+Y:-RY+X:n5.1.2 SN1 取代反应历程取代反应历程n反应分两步：反应分两步：(1)生成碳正离子，生成碳正离子，(2)碳正离子与介碳正离子与介质中的质中的Lewis碱（亲核试剂）结合碱（亲核试剂）结合n第第(1)步为决速步骤：单分子反应步为决速步骤：单分子反应,一级动力学一级动力学n一般消旋产物为主一般消旋产物为主R1CR2R3X慢R1CR2R3+R +ARA快X R-X反应物 P产物 G双步 反 应GG1G2 C+A-bn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影响(底物结构底物结构)：n如果形成的正离子不稳定如果形成的正离子不稳定，它
3、立即被第二个试，它立即被第二个试剂进攻，此时剂进攻，此时A还来不及离开正离子，它在还来不及离开正离子，它在一定程度上显示了一定程度上显示了“遮蔽效应遮蔽效应”因而妨碍了试因而妨碍了试剂剂A从这方面的进攻。从这方面的进攻。所以除得到外消旋产物所以除得到外消旋产物外，还得到相当量的构型反转产物外，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如果形成的正离子比较稳定，并能在较长时间，并能在较长时间存在，则存在，则A与它已有相当距离，与它已有相当距离，不再表现不再表现“遮蔽效应遮蔽效应”因此得到产物主要为外消旋体因此得到产物主要为外
4、消旋体，同时有少量构型发生反转的光活性物质。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。CHCH3ClCHCH3OH*丙酮，水*(95%外消旋体，5%构型转化）CH3CHCH2(CH2CH2)2CH3BrCH3CHCH2(CH2CH2)2CH3OH(66%外消旋体，34%构型转化）*C2H5OH,H2O*n解释：碳正离子（解释：碳正离子（I）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。CHCHHH
5、和 CH3(CH2)5CHCH3(I)(II)R Y +X:-R X +Y:-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，如果进攻试剂的浓度低，Y-与与 R+结合几率小，结合几率小，二者结合前，二者结合前，R+有充裕时间转变为平面构型，有充裕时间转变为平面构型，因此，因此，低浓度有助于生成处消旋产物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如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还被X离离子遮蔽的子遮蔽的R+离子进攻机会，因而构型反转的产离子进攻机会，因而构型反转的产物的比例会增加。物的比例会增加。(高浓度有助于生成构型反转高浓度有助于生成构型反转产物产物)CHCH
6、3Cl水解反应 外消旋（%）反转（%）60%丙酮水溶液 95 5nSN1历程中的离子对机理历程中的离子对机理：合理解释上述事实n在在SN1取代反应中，如果游离的碳原子为平面型，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，些产物不是从游离的碳正离子形成的，“离子对离子对”可以解释。可以解释。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
7、：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。RX(I)R+XR(II)X(III)电离作用离解作用R +XSHSRRXXR(A)SHSRR+XX R(B)RSHRSRSSHXXRSHR +XSR+(1-)RSRS+(1-)SR1/2 SR+1/2 RS离子对历程举例：离子对历程举例：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
8、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。5.1.3 SN2 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，构型反转，称为瓦尔登转化称为瓦尔登转化(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。R1R3CR2AX(I)R2CR1R3XA(II)
9、双分子反应双分子反应,二级动力学，二级动力学，一步完成，构一步完成，构型反转！型反转！nC-A键形成的同时C-X键发生破裂，反应为一步一步过程，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，而另一个叶与离去原子团重叠。AXCH3(CH2)5HCH3ICH3(CH2)5ICH3H+I*+I*反转的速度2.88+_0.03 x10-5交换的速度3.00+_0.25x10-55.1.3 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
10、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)R1OHR3R2+SOCl2etherR1ClR3R2+HCl +SO2R1OHR3R2+SOCl2pyridineR1ClR3R2+HCl +SO2R1OR3R2SClO-HCl-SO2NR1OR3R2SOClPy-HClClNOSO-Py离去基分子内离去基分子内亲核进攻！亲核进攻！5.2 亲核取代反应的立体化学 n瓦尔登反转瓦尔登反转(Walden inversion)：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
11、分外消旋产物物(SN1+SN2)：HCOOHOHHBrHCOOHBr（-）-苯基羟基乙酸、（+）-苯基溴代乙酸-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分子中分子中R和和X的的性质性质（电子效应和空间效应）（电子效应和空间效应）及及亲核试剂的性质亲核试剂的性质以及以及反应条件反应条件（溶剂，催化剂（溶剂，催化剂等）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RX +ARA +XR1R3CR2AXR1XR3R2R1AR3R2T.S.T.S.与反应间没有与反应间没有净电荷差异，取代净电荷差异，取代基的电子效
12、应对反基的电子效应对反应的影响作用次要应的影响作用次要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、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为排斥为排斥电子的原子团时，使电子的原子团时，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。ZCH2XX,X,ArXn解释一：解释一：sp杂化和杂化和sp2杂化比杂化比sp3杂化的键长杂化
13、的键长短，对电子约束能力更强，使离去基团难于带短，对电子约束能力更强，使离去基团难于带走电子离去。走电子离去。n解释二：离去基团与重键形成解释二：离去基团与重键形成p-键共轭作用，键共轭作用，使离去基与其使离去基与其-C结合更牢固而难于离去结合更牢固而难于离去(与与sp3杂化杂化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)X3、-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。XR3R2R3R2p-conjugationSN1nSN1：共轭稳定碳：共轭稳定碳正离子而使决速步正离子而使决速步骤加快。骤加快。R2
14、CR3AXXR3R2R1AR3R2p-conjugationSN2nSN2：共轭降低过：共轭降低过渡态能量而使决速渡态能量而使决速步骤加快。步骤加快。5.3.1.2 R基空间效应的影响1、-C或或-C的烷基取代增加的烷基取代增加,会使会使SN2的反应的反应速度明显减慢速度明显减慢,使使SN1的反应速度有所增加。的反应速度有所增加。nSN2：过渡态拥挤程度增加：过渡态拥挤程度增加,过渡态生成更难，所以过渡态生成更难，所以空间阻碍对空间阻碍对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.
15、022 0.0048 nSN1：n-C取代增加使反应明显加速取代增加使反应明显加速 n取代越多，碳正离子越稳定，越易生成，反应越取代越多，碳正离子越稳定，越易生成，反应越快快: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取代增加影响不明显CH3ClCH3CCH3CH3ClCH3CH2CCH3CH3ClCCHCH3H3CH3CCH3ClCCCH3CH3CH3H3C1.002.061.752.432、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
16、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Brdifficult5.3.2 离去基团的影响 1、SN1和和SN2的决速步骤都要求离去基离去，因此，离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，去基对两种反应速度的影响都很明显，离去能力增强，离去能力增强，都会加速。离去能力顺序见教材都会加速。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CF3SO3 1.4108 CF3CO2 2.1p-硝基苯磺酸根离子硝基苯磺酸根离子 4.4105 Cl 1.0p-甲苯磺酸根离子甲苯磺酸根离子 3.7104 F 910-6CH3SO3 3.0104 p-硝基苯甲酸根离子硝基苯甲酸根离子 5.510-6I 91 CH3CO2 1.410-6Br 14 R SOOOOH2IBrOHORNH2NHRXsolvol
