中山大学：《有机化学》课程教学资源（课件讲稿）第八章 sp3杂化碳原子的亲核取代反应 Nucleophilic Substitutions at sp3 Hybridized Carbon

第八章 Sp3杂化碳原子的亲核取代反应 Nucleophilic Substitutions at sp3 Hybridized Carbon

第八章 sp3杂化碳原子的亲核取代反应 Nucleophilic Substitutions at sp3 Hybridized Carbon

本章重点内容 1、SN1和S2反应的机理、影响因素和立体化学 2、S1与SN2反应的竞争问题 3、SN1和SN2反应在合成上的应用 (1)官能团的相互转化；(2)C-C键的形成

本章重点内容 1 、 S N1 和 S N2 反应的机理 、影响因素 和立体化学 2 、 S N1 与 S N2 反应的竞争问题 3 、 S N1 和 S N2 反应在合成上的应用 （ 1）官能团的相互转化；（ 2 ）C - C 键的形成

亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reaction 实验事实 R-x H2o R-OH HX 80% EtoH 80% EtoH HO kinetic reaction order k/105s reaction order k/10 mol.ls (CH3)3C-x 1010 (CH3)2CH-x 0.24 4.75 1st-order 2nd-order CH3 CH2-X 0.14 170 CH3-X 0.35 2140 sterochemistry two stereoisomers nversion of configuration 一预示两种不同的机理

亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reaction R- X + H 2 O R-OH + HX (CH 3)3C￾X 80 % EtO H ki n eti c 1010 1s t-orde r 2nd-orde r k / 1 0-5 s-1 (CH 3)2CH-X r e a c tion orde r rea c tion orde r k /1 0-5mol-1 L s-1 CH3-X 0.35 0.14 0.24 80 % E t O H + HO- 2140 17 0 4.75 ---- CH 3CH 2-X s terio che mis try two s ter e oisom e r s inv e r sion o f configurati o n 实验事实 预示两种不同的机理

亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reaction 实验事实 The Walden Inversion PCl3 HOCCHCHCOH HOCCH2CHCOH Ether 1920S, Joseph OH Cl (-)-Malic acid (+)-Chlorosuccinic acid Kenyon和 Henry alb=-2.3 Phillips开始了一系列 Ag,O H,O Ag2O, H3O 的研究,结果发现10 ρ9和20卤代烃或磺酸酯 HOCCHCHCOI I PCl3 HOCCHCHCOH Ether OH 在发生取代反应中, (-)-Chlorosuccinic acid (+) Malic acid均发生构型的转化 al=+23

亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reaction 实验事实 OH O O HOCCH2CHCOH PCl3 Ether Cl O O HOCCH2CHCOH ( - ) - Malic acid [a] D = - 2.30 ( + ) - Chlorosuccinic acid OH O O HOCCH2CHCOH ( + ) - Malic acid [a] D = + 2.30 Cl O O HOCCH2CHCOH ( - ) - Chlorosuccinic acid Ag2O, H2O Ag2O, H2O PCl3 Ether The Walden Inversion 1920s, Joseph Kenyon 和 Henry Phillips 开始了一系列 的研究，结果发现 10 和 20 卤代烃或磺酸酯 在发生取代反应中， 均发生构型的转化

亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reaction 实验事实 TSCI CH3COO HO-H Pyridine H OTS AcOH al=+33.0 a]=+31 al=-7.06 H,O OH H20 OH CHCOO TsCI H OAC TsO H Pyridine H-O H a=+7.060 a]=-33.0 a]=-33

亲核取代反应 Nucleophilic Substitution Reaction 实验事实 H O-H TsCl Pyridine H OTs [ a ] = +33.0 0 [ a ] = +31.1 0 AcO H [ a ] = - 7.06 0 H OAc [ a ] = + 7.06 0 H-O H [ a ] = - 33.0 0 CH3COO - H2O OH - TsO H [ a ] = - 33.0 0 Pyridine TsCl CH3COO - H2O OH -

两种不同的亲核取代反应机理 SN1和SN2 ●双分子亲核取代反应(SN2) Nu t c-Nu X 8+ 单分子亲核取代反应(S1) X X δ+ C Nu c-Nu

两种不同的亲核取代反应机理 — S N1 和 S N 2 z 双分子亲核取代反应（ S N 2 ） z 单分子亲核取代反应（ S N 1 ） Nu + C X δ + δ - C N u + X - C X δ + δ - C + + X - C + + C Nu N u

s1和S2反应的影响因素 Nu t C-X C-Nu x 底物RX(以卤代烃和磺酸酯为代表) 离去基团X ●亲核试剂:Nuor:Nu ●溶剂

SN1 和 SN2 反应的影响因素 Nu + C X C Nu + X￾z 底物 RX（以卤代烃和磺酸酯为代表) z 离去基团 X￾z 亲核试剂 :Nu or :Nu￾z 溶剂

SN2反应的机理 HO mC--Br HO---C---Br HO—C…m+Br transition state y° 步反应,动力学表现为二级反应 ●亲核试剂是从离去基团的背面进攻 因此发生构型的转化

SN2 反应的机理 z 一步反应，动力学表现为二级反应 z 亲核试剂是从离去基团的背面进攻 —— 因此发生构型的转化

SN2反应的机理 SN2反应中过渡态结构: sp2余 化 δ新键已部分形成 Nu 旧键已部分断裂 ●反应势能变化图如右: HH HOB 凡能影响过渡态稳定性 CH 的因素都将影响反应的 Ea 活性和选择性 CH3Br +HO CH2OH+ Br progress of the reaction

SN2 反应的机理 z SN2反应中过渡态结构： sp2杂化 新键已部分形成 旧键已部分断裂 z 反应势能变化图如右： z 凡能影响过渡态稳定性 的因素都将影响反应的 活性和选择性 progress of the reaction F r e e e n e r g y CH3Br + HO￾CH3OH+ Br￾CH3 H H HO Br # Ea

SN2反应的影响因素 1) Substrate(底物) Steric Effects TABLE 9.1 Relative Rates of SN2 Reactions for Several Alkyl Bromides R-Br cr Sp2,r--cl br Alkyl bromide Class Relative rate CHa-Br metny 1200 CHaCH2-Br primary CH2CH,CH,-Br primary 16 CH3CH一Br secondary CH CHa CH3C-Br tertiary too slow to measure CHa

SN2 反应的影响因素 1) Substrate（底物） —— Steric Effects