第五章脂肪族取代反应 脂肪族化合物的主要反应是亲核取代反应 §51亲核取代反应历程 脂肪族亲核取代反应类型 脂肪族的亲核取代反应,是指连接在饱和碳原子上 的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基团取代 的化学过程。为了叙述方便,我们称这个饱和碳原子为进行反 应的中心碳原子,被取代的原子或基团叫离去基团( Leaving Goup,用L表示)。在反应过程中,带着一对电子的亲核试 剂(Nu:)从作用物中取代一个离去基团,并与中心碳原子形 成新键,而离去基团则带着一对原键合电子离去: Nu:+RL—NuR+L
第五章 脂肪族取代反应 ⚫ 脂肪族化合物的主要反应是亲核取代反应。 § 5.1 亲核取代反应历程 一 脂肪族亲核取代反应类型 脂肪族的亲核取代反应，是指连接在饱和碳原子上 的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基团取代 的化学过程。为了叙述方便，我们称这个饱和碳原子为进行反 应的中心碳原子，被取代的原子或基团叫离去基团（Leaving Group，用Ｌ表示）。在反应过程中，带着一对电子的亲核试 剂（Nu︰）从作用物中取代一个离去基团，并与中心碳原子形 成新键，而离去基团则带着一对原键合电子离去： Ｎu︰ + R—L Nu—R + L︰
亲核取代反应可以分为以下四种类型: 1)作用物为中性分子,亲核试剂为负离子。 如:R-I+OH R一OH+I (2)作用物与亲核试剂都是中性分子 如:R-I+N(CH3) RN+(CH3h+ I (3)作用物为正离子,亲核试剂为负离子。 如:RN(CH3)2+OH ROHTN(CH3)3 4)作用物为正离子,亲核试剂为中性分子 如:RN(CH3)3+H2S RSH2+N(CH3)3 类型(1)和(4)反应前后无电荷变化,类型 (2)和(3)反应前后有电荷变化,但两者相反
亲核取代反应可以分为以下四种类型： ⚫ （１）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。 ⚫ 如：Ｒ－Ｉ＋ＯＨ－ Ｒ－ＯＨ＋Ｉ－ ⚫ （２）作用物与亲核试剂都是中性分子。 ⚫ 如：Ｒ－Ｉ＋Ｎ(CH3 ) 3 RN+ (CH3 ) 3 ＋Ｉ－ ⚫ （３）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。 ⚫ 如：RN+ (CH3 )３＋ＯＨ－ ＲＯＨ＋Ｎ(CH3 )３ （４）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。 ⚫ 如：RN+ (CH3 ) 3＋Ｈ2S RS+H2＋Ｎ(CH3 )３ ⚫ 类型（1）和（4）反应前后无电荷变化，类型 （2）和（３）反应前后有电荷变化，但两者相反
二单分子亲核取代反应(SN1)历程 这是一种极限的情况,反应进程中离去基团L的 离去先于亲核试剂Nu的进攻,反应分两步进行:第 步为慢过程,作用物分子离解,生成一个碳正离子中 间体;第二步是这个高能量的碳正离子中间体和亲核 试剂迅速结合得到产物。 R一L R R+N R一Nu
二 单分子亲核取代反应（SN 1）历程 ⚫ 这是一种极限的情况，反应进程中离去基团Ｌ的 离去先于亲核试剂Ｎu的进攻，反应分两步进行：第一 步为慢过程，作用物分子离解，生成一个碳正离子中 间体；第二步是这个高能量的碳正离子中间体和亲核 试剂迅速结合得到产物。 R L R + L - + 慢 R + + N u - R N u 慢
双分子亲核取代反应(S12)历程 Nu+R一L_[Nu-….R.L] NuR+L 过渡态 典型的S2反应是协同历程,R一L键的断裂和R Nu键的形成协同进行。当旧键断裂与新键形成处于均 势时,体系能量最高,为反应的过渡态。RL键断至 所需的能量,部分由R一Nu键形成时释放的能量补偿 如果亲核试剂带负电荷,则负电荷分散在过渡状态中。 N2机理表现为二级动力学,反应速率kR LINu],对反应物和亲核试剂都是一级。这种反应物和 亲核试剂两种分子都参与了过渡态的过程叫双分子亲核 取代反应,记为S2
三 双分子亲核取代反应（SN2）历程 ⚫ Ｎu:－＋ Ｒ－Ｌ ［Ｎu − … R… L ] Ｎu－Ｒ＋Ｌ:－ ⚫ 过渡态 ⚫ 典型的SN 2反应是协同历程，R－Ｌ键的断裂和R－ Ｎu键的形成协同进行。当旧键断裂与新键形成处于均 势时，体系能量最高，为反应的过渡态。R－Ｌ键断裂 所需的能量，部分由R－Ｎu键形成时释放的能量补偿。 如果亲核试剂带负电荷，则负电荷分散在过渡状态中。 SN 2 机理表现为二级动力学，反应速率 = k[RL][Nu- ]，对反应物和亲核试剂都是一级。这种反应物和 亲核试剂两种分子都参与了过渡态的过程叫双分子亲核 取代反应，记为SN 2
四离子对历程 除了S、l、S2两种极限情况的历程以外,还有很 多亲核取代反应测定的数据既不符合SN1又不符合SN2 历程,而是介于两种极限历程之间,叫做处于“交界 状况”的反应。 对于“交界状况”的亲核取代反应,有几种反应 机理假说,其中最有影响的有 1)同时并存的、竞争或混合的S1S2历程 2)二元化离子对历程及统一的离子对历程 但离子对历程对亲核取代反应的解释已逐渐为人 们所接受。 Sneeen等人在 Winstein等人二元化离子对历 程的基础上提出了统一的离子对历程(又称一元化离 子对历程),来说明亲核取代反应
四 离子对历程 ⚫ 除了SN 1、SN 2两种极限情况的历程以外，还有很 多亲核取代反应测定的数据既不符合SN 1又不符合SN 2 历程，而是介于两种极限历程之间，叫做处于“交界 状况”的反应。 ⚫ 对于“交界状况”的亲核取代反应，有几种反应 机理假说，其中最有影响的有： ⚫ 1）同时并存的、竞争或混合的SN 1—SN 2历程； ⚫ 2）二元化离子对历程及统一的离子对历程。 ⚫ 但离子对历程对亲核取代反应的解释已逐渐为人 们所接受。Sneeen等人在Winstein等人二元化离子对历 程的基础上提出了统一的离子对历程（又称一元化离 子对历程），来说明亲核取代反应
离子化 溶剂介入 离解 RL、[R+L-]LR+HJ R++L 作用物紧密离子对溶剂分隔离子对自由正负离子 s-h Nu s-h Nu s-h Nu s-h Nu S-R Nu-R S-R Nu-RR-s R-Nu S-R Nu-R 或SR或NuR或R或R№u 构型转化构型转化构型保持或转化外消旋化 图示中,S-计意示质子型络剞
离子化 溶剂介入 离解 R-L ［Ｒ＋ Ｌ－］ ［Ｒ＋|| L－］ Ｒ＋＋Ｌ－ 作用物 紧密离子对 溶剂分隔离子对 自由正负离子 S-H Nu— S-H Nu— S-H Nu— S-H Nu— S-R Nu-R S-R Nu-R R-S R-Nu S-R Nu-R 或S-R 或Nu-R 或R-S 或R-Nu 构型转化 构型转化 构型保持或转化 外消旋化 图示中，S-H表示质子型溶剂
§52亲核取代反应的立体化学 S、1反应 SN历程离解慢反应形成的碳正离子中间体具有平 面结构。可以预料,试剂Nu从平面两侧进攻的机会均 等,如果反应中心是一个手性碳原子,将得到外消旋化 产物 Nu C-NI Nu—C C—L 50% 50 大量的实验结果表明,100%的外消旋化并不多见 外消旋化的同时常常伴随着某种程度的构型转化,或构 型保持的光学活性产物,且构型转化产物要多些
§ 5.2 亲核取代反应的立体化学 ⚫ 一 SN 1反应 ⚫ SN 1历程离解慢反应形成的碳正离子中间体具有平 面结构。可以预料，试剂Ｎu从平面两侧进攻的机会均 等，如果反应中心是一个手性碳原子，将得到外消旋化 产物。 ⚫ + ⚫ ⚫ 50% 50% ⚫ 大量的实验结果表明，100%的外消旋化并不多见。 外消旋化的同时常常伴随着某种程度的构型转化，或构 型保持的光学活性产物，且构型转化产物要多些。 ⚫ - L C L - Nu + C C Nu Nu C
H2O p-CH3○-C6H4 CHOCOCH3 烷 外消旋体 p-CH30-C6H4-CHOH 6H5 65 ch cooh Br 大 OH Ph-CH-CH3 CH3OH Ph-CH-CH3 27%构型转化 73%外消旋化
C6H5 p CH3O C6H4 CHOCOCH3 * p CH3O C6H4 CHOH C6H5 * + CH3COOH H2O- 二噁烷 外消旋体 Br Ph CH CH3 * OH Ph CH CH3 CH3 OH * 27%构型转化 73%外消旋化
二SA2反应 典型的S2反应,Nu从离去基团的背面向反 应中心进攻,如果中心碳原子是手性的,产物的 构型必然引起 Walden转换 a Nu-c Nu—C d
二 SN 2反应 ⚫ 典型的SN 2反应，Nu从离去基团的背面向反 应中心进攻，如果中心碳原子是手性的，产物的 构型必然引起Walden转换。 C L a d b Nu C L a d b δ δ - - C a d b Nu Nu - + L - +
§53亲核取代反应的影响因素 影响亲核取代反应历程和速率的因素主要是作用 物的结构、亲核试剂、离去基团和溶剂的性质等,它 们之间是相互联系的。 反应物烃基的结构 反应物烃基R的结构对S1和SN2反应速率的影响 起因于电子效应和空间效应。一般说来,电子效应对 S1历程的影响更大,空间效应对SN2历程的影响更显 著
§5.3 亲核取代反应的影响因素 ⚫ 影响亲核取代反应历程和速率的因素主要是作用 物的结构、亲核试剂、离去基团和溶剂的性质等，它 们之间是相互联系的。 ⚫ 一 反应物烃基的结构 ⚫ 反应物烃基R的结构对SN1和SN2反应速率的影响， 起因于电子效应和空间效应。一般说来，电子效应对 SN1历程的影响更大，空间效应对SN2历程的影响更显 著