第四章 卤代烷与有机金属化合物( 2)
主要内容
复习卤代烷的亲核取代反应,SN2和 SN1机理,亲核取代反应在合成上的应用
影响亲核取代反应机理和反应速率的因素(烷基结构的影响,亲核试剂的影响,溶剂极性的影响,离去基团的影响)
其它类型化合物的亲核取代
复习:卤代烷的亲核取代反应( SN2和 SN1反应 )
SN2 机理
R 1
R 2
XH
N u
R 1
C
R 2
X
H
N u

R 1
R 2
N u H
+ X
构型翻转动力学特点:反应速率 = k[RX][Nu]
(双分子反应)
N uR X+XR +N u
SN1 机理消旋化动力学特点:反应速率 = k[RX]
(单分子反应)
碳正离子
C C H
R ( H )
~ R ( H )
C C H
R ( H )
C
3 o 2 o 1 o C H 3> > >,,P h C H 2 C H 2 = C H C H 2
稳定性重排性
R 1
R 2
X
R 3
R 1
R 2R
3
X
N u
R 1
C
R 2
N u R 3(? )
决速步骤影响亲核取代反应机理和反应速率的因素绝对的按 SN2 或 SN1 机理的例子不多,一般情况下两种机理并存,
并依反应条件而改变。
N uR X+XR +N u 溶 剂
R的结构
C- X键 强度
体积
浓度
亲核能力
浓度
对亲核试剂的影响
对反应的影响
稳定性一,底物结构对机理的影响
XR R
N u
N uR
X
慢 快
N u
XR

N uR X+
SN2 机理
SN1 机理
C- X键强度:
F >> Cl > Br > I
R 的空间位阻小
a?碳 正电性大
C- X键易解离有利因素
生成的正碳离子稳定
C- X键易解离有利因素
SN2机理与烷基的结构相对速率相对速率
空间位阻效应
电子效应
B rR O HR B r++ O H
8 0 % 乙 醇 水 溶 液
5 5
o
C
C H 3
C HH 3 C B r >
C H 3
CH 3 C
C H 3
B rC H
2H 3 C B r >
1 0 0 0,2 2 ~ 0
B rH 3 C
7,9 9
>
B rR IR N a B r++ N a I
A c e t o n e ( 丙 酮 )
C H 3
C HH 3 C B r >
C H 3
CH 3 C
C H 3
B rC H
2H 3 C B r >
1 5 0 0,0 1 0,0 0 1
B rH 3 C
1
>
SN2机理与取代基 体积相对速率
B rR O C 2 H 5R B r++ O C 2 H 5
无 水 乙 醇
5 5
o
C
C H 2H
3 C B r C H 2C H 2 B r C H 2C H B r C H 2C B rH 3 C
H 3 C
H 3 C
C H 3
H 3 C
C H 3
> > >
1 0 0 2 8 3 ~ 0
主要原因,空间位阻效应
SN1机理与烷基的结构相对速率相对速率
正碳离子稳定性
空助效应(消除 X减少基团拥挤)
B rR
O HR
H B r++
H
2
O
8 0 % 乙 醇 - 水
5 5
o
C
C H
2
H
3
C B r
C H
3
C
H
H
3
C B r
C H
3
CH
3
C
C H
3
B r< <
1 0 00,0 2 30,0 1 4~ 0
B rH
3
C
<
B rR O HR H B r
++ H
2
O
H C O O H
C H
2
H
3
C B r
C H
3
C
H
H
3
C B r
C H
3
CH
3
C
C H
3
B r< <
1 0
8
4 51,71,0
B rH
3
C
<
H O C
2
H
5
O C
2
H
5
R
苄基( benzyl)与烯丙基( allyl) 卤代烃的亲核取代
C lR IR N a C l++ N a I
A c e t o n e
C H
3
C HH
3
C C l C H 2C H 2 C lH 3 C C H 2H 3 C C l
C H
2
C H C lH
2
C C H
3 C l C H 2 C l
1,0
3 3 9 3 9 3
0,0 0 7 6 0,3 7
< < <
< <
SN2
苄基与烯丙基 卤代烃 易发生 SN2
相对速率
SN1
相对速率
C lR
O HR
H C l++
H
2
O 8 0 % 乙 醇 - 水
H O C
2
H
5
O C
2
H
5
R
C H
3
C HH
3
C C l
C H
2
H
3
C C l C H
2
C H C lH
2
C
C H
2
C l
1,0
<
C H
3
CH
3
C
C H
3
C l
< <
<
7 4
1 4 0 1 2 0 0 0
v e r y s m a l l
桥头卤素难被取代不反应
C l
3 0 % K O H,2 1 h
E t O H,A g N O 3,4 8 h
不反应
SN2
SN1
C l
O H
C l
SN2难,无法翻转(刚性结构)
位阻(叔碳)
SN1难,碳正离子不是平面
( C- X难解离)
SN1
3o
苄基烯丙基
2o
1o
BEST
WORST
(fastest)
(slowest)桥头型
BEST
(fastest)
WORST
总结,R结构对取代机理的影响
SN2
甲基新戊基苄基烯丙基
1o
2o
3o
桥头型(slowest)
注意反应条件改变对机理的影响
SN1机理新戊基 SN1,SN2均慢
R ' O H
C H
2
C B r
C H
3
H
3
C
C H
3
C H
2
C O R '
C H
3
H
3
C
C H
3
R ' O H
A g N O
3
很 慢
C H
2
C C H
3
C H
3
H
3
C
O R '
重 排 产 物,
A g N O
3
C H
2
C
C H
3
H
3
C
C H
3
C H
2
C B r
C H
3
H
3
C
C H
3
A g B r
~ C H
3
C H
2
C
C H
3
H
3
C
C H
3
C H
2
C
C H
3
H
3
C C H
3
O R '
H
R ' O H
C H
2
C C H
3
C H
3
H
3
C
O R '
H N O
3
N O
3
二,亲核试剂对机理的影响? 亲核能力
浓度亲核试剂
XR R
N u
N uR
X
慢 快
N u
XR

N uR X+
SN2 机理
SN1 机理
亲核能力强
浓度大有利因素亲核能力、浓度 与决速步骤无关
SN2速率 = k[RX][Nu]
SN1速率 = k[RX]
问题 1,如何衡量亲核试剂的亲核性?
问题 2,亲核性与碱性的关系如何?
所有的亲核试剂都是碱,
所有的碱也都是亲核试剂
O H O R C N
R C O O 2 H 2 O
I
N H 3
定义亲核性,有未共用电子对的负离子和分子与 正电性碳 原子的反应能力碱 性,有未共用电子对的负离子和分子与 质子 的反应能力测量方法亲核性,测定亲核试剂与某一底物进行 SN2反应的相对速率,速率快者亲核性强。 (动力学参数)
碱 性,测定碱与 H2O的反应,平衡常数 Kb大者碱性强。 (热力学参数)

H O A r O R C O O R O H H 2 O> > > > >
H O>> > R N H 2 > N H 3 F> H 2 O>
R
3
C > R
2
N H > F>
R O
N H
2 R O
R O
同种或同周期中心原子的亲核性与碱性顺序大致相同
未共用电子对在氧原子上
同一周期原子
同族中心原子亲核性与碱性顺序不相一致 (受溶剂影响)
I > B r C l >R S> R O >H S H O,,
质子性溶剂中非极性和低极性溶剂烷烃,苯,醚类,酯类
(亲核试剂较难溶解,较少使用)
非质子性溶剂
(偶极溶剂)
质子性溶剂极性溶剂
溶剂分类
O
SH
3
C C H
3
O
CH N
C H
3
C H
3
C H
3
C N
O
CH
3
C C H
3
D M FD M S O
( D i m e t h y l S u l f o x i d e ) ( N,N? D i m e t h y l f o r m a m i d e )
二 甲 亚 砜 N,N? 二 甲 基 甲 酰 胺
R O H H
2
O R C O O H
具有可解离活泼氢
(非质子性溶剂)
H
2
O H C O O H C H
3
O H C
2
H
5
O H C H
3
C O O H
8 0 5 9 3 3 2 4 6
D M S O D M F C H 3 C N
4 9 3 7 3 6 2 1
C H
3
C C H
3
O
一些溶剂的极性(介电常数)
质子性溶剂
非质子性溶剂
质子性极性溶剂中 同族元素 的亲核性与碱性
F C l B r I R SR O H SH O
亲核性碱性强强强弱弱弱 强弱强 弱溶剂化作用
F
H
O H
H
O H
H
H O
H
H O
极化作用
C XN u
体积小,负电荷集中,溶剂化作应大,亲核性减弱。
大体积原子对外层电子束缚能力弱,可极化性强(易变形)
强 弱
非质子性极性溶剂中同族元素的亲核性与碱性正离子被溶剂化了,
负离子完全释放出来。 负电荷密度大者亲核性较强
(与碱性顺序一致)。
如,MX 在 DMSO 中
O
S
H 3 C C H
3
M
O
S
C H 3H
3 C
O S
C H 3
C H 3
OS
H 3 C
H 3 C
X
F C l B r I
亲核性与碱性 强 弱
free
试剂的体积对亲核性的影响大体积弱亲核性强碱大体积碱强碱强 弱强弱亲核性 试剂的体积作用烷基给电子作用碱 性
OC
C H 3
C H 3
H 3 C OC H
C H 3
H 3 C OC H 2H 3 C OH 3 C
L D A
( L i t h i u m D i i s o p r o p y l A m i d e )
N
C H
C H 3
H 3 C
C HH 3 C
C H 3
L i
D I E A
碱 性亲 核 性
[ ( C H 3 ) 2 C H ] 2 N C 2 H 5 ( C 2 H 5 ) 3 N
弱 强强 弱
N u
XR N u R X

N uR X+
XR R
X
XR

X+
三,溶剂极性对反应机理的影响极性大,对极性大(电荷密度集中)体系有利。
极性小,对极性小(电荷密度分散)体系有利。
SN2 机理
SN1 机理电荷密度集中
(极性大)
电荷密度分散
(极性减小)
极性较小 极性增加低极性溶剂对稳定过渡态有利极性溶剂对稳定过渡态有利
各种影响亲核取代机理的因素总结
XR,1 o,2 o
N u,强 亲 核 性,大 浓 度溶 剂,非 质 子 性,低 极 性
XR,3 o,
烯 丙 型,苄 基 型
N u,弱 亲 核 性 ( 避 免 S N 2 )
溶 剂,大 极 性对 SN2有利的因素对 SN1有利的因素典型的 SN2
典型的 SN1
四,离去基团对取代反应的影响离去基团
Leaving Group
L = F,C l,B r,I
N uR L+LR +N u
好离去基团的条件,是稳定的弱碱碱性顺序 强 弱离去相对速率 10-2 1 50 150
F C l B r I
好离去基团溶于丙酮
碘离子的亲核取代问题
利用碘离子促进(催化)反应行
通过卤素交换制备碘代物碘离子的 高亲核性 和 好离去性
C lR
N u,N a I
IR
N uR
N a I N u
溶解性能的差别
C l ( B r )R
N a I
丙 酮
IR + N a C l ( N a B r )
不溶于丙酮
SN2
C 6 H 1 3
H 3 C
IH
N a I *+
丙 酮消 旋 化光 学 纯 a,消旋化速率取决于 [RI]和 [I?]
b,消旋化速度比同位素交换快一倍
思考题
2,试解释下列实验现象 ( Hughes,1935)
1,由丙烯制备烯丙基碘
H 2 C C H C H 3 H 2 C C H C H 2 — I
其它底物的亲核取代问题醇的羟基难取代差离去基团
(碱性强)
R O H
N u R N u + O H
R O C 2 H 5
R N H 2
R C N
均难被取代
转变为好的离去基团例:醇的溴代例:醇的氯代质子化羟基
SN2 or SN1
弱碱好离去基团金属的络合物 S
N2 or SN1
稳定的络合物好离去基团
R O H
H B r R O H
2
B r R B r + H
2 O
R O H
H C l
R HO Z n C l 2
C l
R C l + H O Z n C l 2
Z n C l 2
转变为磺酸酯(常用对甲基苯磺酸酯)
好离去基团SN2
H 3 C S
O
O
C l
H 3 C S
O
O
O R
H 3 C S
O
O
O
R O T s
T s C l O T s
对甲苯磺酰氯对甲苯磺酸酯对甲苯磺酸根负离子稳定的负离子,弱碱
R O H
T s C l
R O T s
N u
R N u O T s+
H C l
例:利用 对甲基苯磺酸酯的取代( SN2)制备 构型完全相反的产物试写出合理的机理解释
C H
3
H
P h
O H
T s C l
C H 3
H
P h
O T s
C
2
H
5
O K
C H
3
H
P h
C
2
H
5
O
C H 3
H
P h
O H
K
C H
3
H
P h
O K
C
2
H
5
O T s
C H
3
H
P h
O C 2 H 5
本次课小结:
几种影响亲核取代机理的因素
1,烷基结构的影响
2,亲核试剂的影响
3,溶剂极性的影响
2,离去基团对反应的影响。
课后练习,4- 10,4- 12 ~ 4- 17,4- 20