产物的构型翻转

第4章亲核取代反应谢斌教授4.1亲核取代反应类型类型I：Nu-+R-LR-Nu+L-例：OH-+R-IR-OH+I-类型II：Nu：+R-LR-Nu++L-例：Me3N：+R-IRN+Me3+I-类型III：Nu-+R-L+R-Nu+L:例：OH-+R-N+Me3R-OH+:NMe3类型IV：Nu：+R-L+R-Nu++L：例：H2S:+R-N+Me3R-S+H2+:NMe3亲核试剂具有未共用电子对或带有负电荷，故亲核试剂都是路易斯碱。亲核试剂具有未共用电子对或带有负电荷，故亲核试剂都是路易斯碱。4.2亲核取代反应机理4.2.1SN1机理（1）反应机理动力学上为一级反应，反应速度只与反应底物有关而与亲核试剂的性质和浓度无关。v=k1[RX]RX[RX]δ+δ-R++X-TS1I慢R+＋Nu-[RNu]δ+δ-RNuTS2定速步骤快动力学上为一级反应；分步完成（两个过渡态和一个中间体）；可能发生重排；外消旋化。特点：（2）立体化学碳正离子的中心碳为sp2杂化，具有平面结构,存在空p轨道，理论上产物外消旋化。反应结果主要取决于底物结构和试剂的亲核性，通常情况是外消旋化与构型翻转同时存在。RC+R1R2Nu-RCR1R2NuRCR1R2Nu+50%50%dl4.2.2SN2机理（1）机理协同的一步反应，新键的形成和旧键的断裂是同时进行的，亲核试剂从离去基背面进攻中心碳原子，过渡态为五配位的三角双锥构型。Nu-+CRR1R2Xδ-δ+[NuCXRR1R2δ-]慢δ-TSNuCRR1R2+X-动力学上为二级反应;协同反应（一步完成，无中间体）；产物的构型翻转。特点：（2）立体化学发生Walden转化即伞型效应Cn-C6H13BrHCH3OH-HOCC6H13-nHCH3+Br-[]＝-34.6[]=49.9+I-128I-+CHn-C6H13CH3I128ICHC6H13-nCH3S-2-碘辛烷R-2-碘辛烷-128I反应过程中，旋光性逐渐降低到零，即发生外消旋化。v外＝2v取4.2.3离子对-溶剂化学说有些亲核取代反应无论从动力学还是从立体化学角度来研究，既不能单纯用SN1历程也不能用SN2历程来解释。由此提出了离子对历程，而SN2和SN1只是极限情况而已。反应物的离解不是一步完成的，而是逐渐离解的，同时溶剂参与了这一过程，进而形成了离子对历程或离子对-溶剂学说。底物的离解分为三步RXR+X-R+X-R++X-X-对Nu-有屏蔽作用一起被溶剂化正负离子有作用，但被溶剂分隔开正负离子无作用，分别被溶剂化Nu-SN2构型翻转Nu-Nu-Nu-构型翻转构型翻转构型保持（部分外消旋化的同时，有部分构型翻转）外消旋化（100％）SN1内返紧密离子对自由碳正离子溶剂分离子对底物4.2.4SNi机理-H+COR2HR1SO-ClCl-Cl-COR2HR1SOCl氯代亚磺酸酯C+R2HR1OSOCl-紧密离子对CR2HR1Cl-SO2构型保持结果为构型保持。分子的一部分作为亲核试剂发生了亲核取代反应。形成了紧密离子对，Cl-从失去的一侧进攻碳正离子（溶剂分子还未介入）。支持离子对形成的证据1.碳正离子重排CH3)(2CHCHCH3OSOClCH3)(2CHCHCH3Cl+SO22-辛醇与SOCl2的反应用乙醚作溶剂，产物2-氯辛烷构型保持;用吡啶作溶剂，产物2-氯辛烷构型翻转R-2-辛醇R-氯代亚磺酸-2-辛醇酯构型保持乙醚极性很小，产生HCl绝大数逸出，至少HCl不以离子状态存在。产物里的氯只来源于氯代亚磺酸酯的分解乙醚极性很小，不利于电荷的分离，氯代亚磺酸酯分解出SO2，R+和Cl-以紧密离子对形式存在。+SOCl2OSOClCC6H13nHCH3+HCl乙醚nHCC6H13CH3OHCl-从有利的位置，即-OSOCl失去的同侧进攻R+的中心碳原子，乙醚100%构型保持紧密离子对导致产物构型保持离子态Cl-亲核性大于分子态HCl。有亲核试剂Cl-存在，发生SN2反应产物构型翻转，产物中的氯来自于自由的Cl-吡啶为强极性的碱，HCl将形成盐，以离子态Cl-存在，SN2100%构型翻转R-2-辛醇4.3.1试剂的亲核性4.3.1.1试剂的碱性与亲核性具有亲核性的试剂叫亲核试剂，亲核性是指试剂与正电性碳原子的成键能力。亲核试剂可以是中性分子和负离子。亲核试剂均为路易斯碱，而碱性(质子理论)是指试剂与质子的结合能力，多些情况下二者的强度一致。（1）亲核原子相同时，亲核性大小与碱性一致。RO-HO-ArO-RCOO-ROHH2O-OONO-ClO-O-O-CH3取代基的供电性越强，亲核性和碱性越强。（2）亲核性原子为同周期元素的原子时，其亲核性与碱性大致一致。R3C-R2N-RO-F-（3）同族元素原子的亲核性大小与碱性相反，即原子半径较小者，碱性较大，而亲核性则较小。亲核性：PhSe-PhS-PhO-亲核性(在质子性溶剂中)：I-Br-Cl-F-溶剂化最强（4）空间效应碱性CH3O-(CH3)3CO-亲核性CH3O-(CH3)3CO-位阻越大，亲核性越小。I-RCH3N+ICH3+NRC(CH3)3NCH3H3CNCH3NNCH3Nk相对2.31.00.50.040.0002亲核性降低电子效应｛｝空间位阻4.3.1.2试剂的亲核性对亲核取代反应的影响试剂的亲核性对SN1几乎无影响（但影响产物的分配），对SN2影响较大。（1）试剂的亲核性越大，越有利于SN2；（2）亲核试剂的体积越小，越有利于SN2；（3）强亲核试剂导致产物构型反转，弱亲核试剂导致产物部分外消旋化；（4）试剂的可极化度越大，亲核性越大。同族中，从上到下亲核性增加（电负性降低，可极化度增大）I-Br-Cl-F-PhSe-PhS-PhO-4.3.2溶剂效应4.3.2.1对SN1反应的影响增加溶剂极性和溶剂的离子-溶剂化能力，导致反应速度显著增大。（1）在定速步骤中，反应物电离成过渡态所需的大部分能量可由在溶剂和极性过渡态之间形成偶极-偶极键来供给。溶剂的极性越大，则溶剂化能力越强，电离作用越快。（2）碳正离子或定速步骤的过渡态的极性大于反应物，前者因溶剂化而稳定，极性溶剂有利于SN1，且随着溶剂极性增强而加速。4.3.2.2对SN2反应的影响+L-RNuLRNuLR+Nu---电荷分散溶剂极性增大，不利于反应；极性减小，有利于反应+L-R+NuLRNuLR+Nu+-形成电荷，极性增加溶剂极性增大，有利于反应+LRNuLRNuL+R+Nu--+溶剂极性减低，有利于反应极性质子性溶剂使亲核试剂溶剂化增加亲核试剂的稳定性，降低其亲核活性。+Nu-3ROHGORORHHNu-HROL-G'LR--+LRNuNu-R△G'+△G''=△G不利于SN2使用极性非质子溶剂如DMF、DMSO和HMPT等，亲核试剂完全暴露未溶剂化，对SN2有利的。INa+CH3N3SN2NaN3+ICH3溶剂DMFMeOHk3×1033×10-24.3.3离去基的影响不论SN1还是SN2的定速步骤中均存在C-X断裂，故C-X愈易断裂，SN1和SN2反应的速度愈快。稳定性：F-Cl-Br-I-(I-原子半径大，负电荷愈分散)碱性：F-Cl-Br-I-离去能力：I-Br-Cl-F-离去基碱性越弱，离去能力越强ROH+Br-不反应强碱OH-为不好的离去基ROH+H+ROH2Br-RBr+H2OH2O碱性弱，为好的离去基4.3.4空间效应4.3.4.1对SN1的影响sp3sp2张力得到释放，空间位阻越大，反应越快SN1的速度：3°RX2°RX1°RX4.3.4.2对SN2的影响过渡态为五配位，空间位阻增大SN2的速度：3°RX2°RX1°RX4.4邻基参与如果亲核试剂与离去基共处于同一分子中，则发生分子内SN2。HOCH2CH2ClCa(OH)2CH2CH2ClO-CH2CH2ONH离去基Cl-的离去是由氧负离子（或氮原子）的帮助下完成的，通常称为邻基协助，邻基参与或邻基效应（分子内的SN2）。CH2CH2CH2CH2NH2ClKOHH2O条件：当邻近基团具有未共用电子对或键时，在与反应中心的距离适当时，就能发生邻基参与。结果及特点：①生成环状化合物或环状中间体，②限制产物的构型，③反应速度异常增大。4.4.1n参与4.4.1.1氧参与k反/k顺＝6反式反应物的产物构型保持不变O-OHOCH3OCROC-OROCHOCArO,,,,,,三元环或五元环OTsMeOOAc-OAcMeO+OTs-MeOOTsO+MeAcO-MeOOAc反式反式HHOAcOTsHOAcHOAcCH3COO-CH3COOHk1=2.9×10-7L.mol-1.S-1SN2历程，由于AcO-的吸电子使得碳正离子的形成较困难。OAcHHOTsOAcHHOAcCH3COO-CH3COOH+HOAcHOAck2=1.9×10－4L.mol-1.S-1外消旋体OHHOTsCOMeOHHCOMe12OAc-+OAcHHOAcHOAcOAcH50%50%镜面对称性（非手性分子）邻基参与历程只有一个手性碳且反应中心为手性碳时，邻基参与的结果将是构型保持。CEtEtHOCClMeHOH-CEtEt-OCMeHCl1-Cl-CEtEtOCHMe2OH-CEtEt-OCOHMeH3邻基参与，构型翻转SN2反应，构型翻转3和1与底物构型相同，邻基参与和SN2反应的总结果为构型保持。CBrCO-HMeOCHMeCOO-Br-构型翻转OH-CCHOHMeO-O构型翻转总结果为构型保持4.4.1.2硫参与ClCH2CH2SCH2CH2ClClCH2CH2SCH2CH2邻基参与OH-SN2ClCH2CH2SCH2CH2OH4.4.1.3卤素参与CH3HOHBrHCH3HCH3OHBrCH3HHCH3BrBrCH3HHBr+赤式dl对赤式mesoHCH3OHBrHCH3HCH3BrBrHCH3CH3HOHBrCH3HCH3HBrBrCH3HHBr++苏式dl对苏式dl对BrHCH3HCH3OHBrHCH3HCH3OH2H+BrCCHHCH3CH3-H2OBr-(2S,3S)(2S,3S)(2R,3S)HCH3BrBrHCH3CH3HBrBrCH3H+(2R,3R)(2S,3S)非手性的mesoBrHCH3CH3HOH2(2R,3S)-H2OBrCCCH3HHCH3(2S,3S)Br-HBrHBrCH3CH3meso手性中间体4.4.2π参与1．C=C的参与OTsHAcO-AcOHOAcH反式反式-TsO-+AcO-构型不变OTsHOTsHk乙酸解10111k乙酸解113.2ONBHH3CONBHONBHH3CCH3148CONO2NB：Π键的供电性增加，速度增加2．苯基参与CCHHPhOTsCH3CH3苏式(2R,3S)-OTs-CCCH3HCH3H23+(2S,3R)mesoOAc-50%50%(2R,3S)(2S,3R)苏式dl50%构型转化，50%构型翻转，结果为外消旋化。进攻C2进攻C3CCHHCH3CH3PhOAcCCHPhCH3HOAcCH3赤式(2R,3R)CCHCH3PhOTsCH3H-OTs-CCHHCH3CH323+(2S,3S)手性OAc-进攻C2进攻C3CCHCH3HCH3PhOAcCCCH3PhHHOAcCH3(2R,3R)(2R,3R)赤式构型保持不变