饱和碳原子上的亲核取代反应

北京理工大学高等有机化学1饱和碳原子上的亲核取代反应饱和碳原子上的亲核取代反应（一）有机反应历程概述反应历程是研究反应物转变成产物实际历程的全过程。包括试剂的进攻，反应中间体的生成直到产物生成的全部动态变化过程。分子在10-12—10-14秒内完成原子碰撞，断键，这就要求10-14—10-15秒以上的分辨率。以前红外激光分辨率达到10-12秒，研究手法受到限制。现在飞秒激光，1fs=10-15s。反应历程是根据实验手法可得数据提出的假说，是推论出来的，都是间接证明。一个分子的反应历程要求对所有实验都能做出解释，而且有预言性。在上世纪三十年代，提出了过渡态、活化络合物理论；上世纪四十年代，发展了离子反应历程；五十年代，发展了游离基反应历程，对高分子发展有重大影响；六十年代，分子反应历程：W—H轨道对称性守恒，还发现了一些价键异常，非常不稳定的中间体，如鎓内盐、卡宾、亚氮、苯炔、激发态分子等。研究反应历程一般要用几种方法来推断，常用的方法有：（1）产物的研究包括所有的产物、比例等。例如甲烷在光照下氯化，不仅有氯化甲烷，还有乙烷，这是自由基反应的产物。（2）中间体的确定如果推论反应有中间体存在，可以捕获，如在苯炔反应中加入二烯捕获。北京理工大学高等有机化学2饱和碳原子上的亲核取代反应（3）动力学证据（4）同位素标记（5）主体化学证明（6）催化剂的利用研究反应历程的目的：认识一个反应是如何进行的，找出各种反应的相互关系，指导反应条件的选择，优化工艺，提高产率，降低成本。几个基本概念：有机反应是分步进行的，有的只有瞬间寿命，称为活泼中间体。有的只是反应过程中的某种能量变化状态，如果这一状态具有决定意义，一般称为过渡态。过渡态具有最高能量状态，组成一种活化络合物，其组成是非经典的。三者结合的过渡态只有一个振动自由度，或者Y向R靠近而X疏远，或者X向R靠近，而Y疏远，移动沿直线方向。通常用反应坐标（或反应进程）--反应势能曲线图来表示。二步反应进程-能量曲线图中间体处于势能曲线的凹槽，有一定的寿命，可用物理方法得知，它们具有几何形状。例如C+，C_，C.。中间体越稳定凹槽也越深，寿命就越长，有的很短，只有10-12秒。RX+YYRXRY+X北京理工大学高等有机化学3饱和碳原子上的亲核取代反应过渡态的结构信息对了解反应机理非常重要，但由于其寿命几乎是零，不能直接测定。汉蒙特（Hammond）假说：如果一种过渡态和一种中间体是连续递变的关系，而且它们能量差别不大，那么它们之间的改变只涉及结构上很小的改变。可用下图说明：该假说的意义在于：在某些情况下，可以根据多步反应过程中的中间体、反应物、或产物来讨论过渡态的结构。苯环取代反应中过渡态和中间体能量示意图反应的决定速度步骤包括形成一个与σ-中间体非常相似的过渡态，因此只须讨论σ-中间体就可以了。（二）亲核取代反应概述亲核取代反应研究的比较充分，在有机合成上有广泛的应用，最早由英国伦北京理工大学高等有机化学4饱和碳原子上的亲核取代反应敦大学的Hughes(休斯)和Infold(费格尔德)完成的单分子亲核取代反应SN1和双分子亲核取代反应SN2。饱和碳原子上的亲核取代反应是指在饱和碳原子上的一个原子或基团被另一个带负电荷或中性的原子或基团取代的过程。分为四种类型：1、中性底物与负性亲核试剂2、中性底物与中性亲核试剂3、正性底物与负性亲核试剂4、正性底物与中性Nu当亲核试剂是溶剂时叫溶剂解反应（三）反应历程（1）SN1（substitutionnucleophilicUnimoleclar）单分子亲核取代反应也叫电离机理SN1反应是分步进行的，反应首先解离成正碳离子和带负电荷的离去基团，这是决定速度步骤，也是最慢的一步。R-L+NuRNu+L底物中性的正性的亲核试剂中性的负离子产物离去基团中性的负离子第一步：R-L慢R++L-第二步：R++Nu-快RNuR-I+OH-ROH+I-CH3OH2+ClCH3Cl+H2ORNMe3+H2SRSH2+NMe3RI+H2OROH2+INu或Y表示亲核试剂，实际为Nu：或Nu:-北京理工大学高等有机化学5饱和碳原子上的亲核取代反应例如：三级溴代丁烷的碱性水解动力学表达式：][][1RLkdtRLdvNu不在表达式中，解离时需要能量，当能量达到最高时相当于第一过渡态，然后成为中间体当C+与亲核试剂接近形成新键时又需要一些能量，形成第二个过渡态，当键形成时放出能量，得到产物。正碳离子是反应中间体，六隅体，具有高度反应性，在反应中暂时存在，一般不能分离。结构：sp2杂化，平面型结构，三个取代基在同一个平面上互成120度角，还有一个空的2p轨道与此平面垂直。如果C+越稳定就越易生成，反应速度就越快。叔卤代烷SN1的主体化学：CMe3Br慢Me3C+BrMe3C+OH快Me3COHCLCL[]C北京理工大学高等有机化学6饱和碳原子上的亲核取代反应Nu从平面两边进攻机会相等，因此得到外消旋混合物（在很多反应中，构型翻转和保持几乎相等，即100％外消旋体，有时构型翻转居多些）例如：（2）SN2(Substitutionnucleophilicbimolecular)双分子亲核取代反应也叫直接取代机理，反应是协同的。以溴代烷水解为例：反应速率：]][[31OHBrCHkv亲核试剂从离去基团的背面向碳原子进攻，在一条线上过渡态结构，中心碳原子是五配位的，不是真实的化学键。C6H5CHCH3BrCH3OHC6H5CHCH3OCH3产物:73%外消旋化,27%构型翻转CLNuNu+CLNuOH+CBrHHH慢CBrHHHOH快OHCHHH+Br构型翻转，转化北京理工大学高等有机化学7饱和碳原子上的亲核取代反应CLNu关于亲核试剂进攻中心碳原子的问题，背面有利。以FMO解释：C-L反键轨道反方向上有较大的瓣，这样有利于从背面进攻；如果Nu从底物L一侧进攻，既有成键作用，又有反键作用，这是不利的。SN2主体化学的特征是构型翻转（3）离子对反应历程SN1和SN2只是两种极端情况反应速率：]][[][33231ONaCHCHClArCHkCHClArCHkv从动力学方程看，无法从反应级数断定，即不是一级反应，又不是二级反应。认为在CH3ONa的浓度为3.5M时，反应有61％SN2＋39％SN1，而离子对反应历程认为，反应物的解离不是一步完成的，而是逐步的，分四个阶段：上述每个阶段都可以返回到前一个阶段，又可以进入下一阶段，亲核试剂可以发生在以上四个不同阶段上，实际的反应体系是这些不同阶段离子对及大量自由离子的平衡混合物，是其反应的总和。离子对机理可以把SN1和SN2及其它情况统一起来成为一个比较完整的反应RLRLRLR+L紧密离子对溶剂介入的离子对自由离子整体溶媒化共价底物SN2转化SN2+SN1SN1外消旋ArCHClCH3CH3OH,CH3ONa76℃ArCHOCH3CH3北京理工大学高等有机化学8饱和碳原子上的亲核取代反应机理。反应发生在不同阶段主要取决于反应物的结构和Nu的强度，碳正离子越稳定，解离程度越大，自由C+越多，再加上较弱的亲核试剂反应易于发生在后期阶段，SN1。（Nu对SN1反应速度无影响，但影响产物的比例）如果碳正离子不稳定，不易生成，而亲核试剂又较强时，反应就可发生在前期阶段。例如：前者碳正离子比后者更稳定些，有利于SN1机制。当转为用水（更强的亲核试剂）代替丙酮水溶液时对于外消旋比例由98%降为80%。（4）SNi分子内亲核取代反应这是制备卤代烷及酰卤的常用实验室方法，非常方便。首先反应生成中间体：ROSOCl即：中间体是这样生成的：C6H5CHCH3ClROH+SOCl2RCl+SO2+HClROSClOR+SO2Cl-紧密离子对RCl+SO2ROSClOROH+OSClClROSOClClH+C6H5CHCl-CH380%丙酮水溶液98%+-phCHOHCH3其余转化+-C6H13CHClCH380%丙酮水溶液34%外消旋其余转化北京理工大学高等有机化学9饱和碳原子上的亲核取代反应反应动力学是二级的，产物构型保持，Cl-从同一侧进攻，故称分子内亲核取代。如果反应在有吡啶存在下进行，则构型转化。这是因为含有自由负离子-Nu比紧密离子对更能优先起亲核试剂作用，产物构型转化。类似的例子（四）影响亲核取代反应的因素溶剂，亲核试剂，烷基结构，和离去基团都有影响．（１）溶剂的影响：对SN1反应:底物在过渡态中极性增加了(原来为中性)，溶剂如果含氢质子，可以和L通过氢键作用使之溶剂化，从而稳定了L-，这样有利于解离过程的发生。常见溶剂的介电常数：水：78.55，甲酸:56.1，甲醇：24丙酮：20.7，THF：7.6，乙酸：6.15，乙醚：4.24ROH+ClSO2NR2'ROSO2NR2'ROSOOR'2N胺磺酰氯胺磺酸脂H2ORNR'2+SO3N+HClNHClCOHn-C6H13HCH3+SOCl2NClCn-C6H13HCH3RL+Nu溶剂RNu+LRLRLδδR+L北京理工大学高等有机化学10饱和碳原子上的亲核取代反应例如：C6H5CH2Cl在水中溶剂解反应按SN1在丙酮水中反应按SN2极性溶剂特别是质子化溶剂对SN1反应总是有利的。对SN2反应：反应前后无电荷变化，在过渡态中也没有新电荷产生，只有电荷分离。质子化溶剂会把Nu-通过氢键作用溶剂化，降低了Nu-亲核性（反应时必须脱去溶剂氢）。质子化溶剂对SN2反应不利，因此反应常用非质子偶极溶剂。常用的非质子偶极溶剂：二甲基甲酰胺DMF，二甲基亚砜DMSO六甲基磷三酰胺HMPA其偶极正端埋藏在分子内，不能与Nu-发生作用，裸露负端，在SN2反应中很(H3C)3CBr溶剂（水加乙醇）相对速度100%EtOH120%H2O+80%EtOH1050%H2O+50%EtOH60100%H2O1,200NCOHSOOPNNNRL+NuNuRLδδNuR+L北京理工大学高等有机化学11饱和碳原子上的亲核取代反应OOOOOOXK有利。例如：在质子化溶剂中，CH3OH速度常数为3×10-2在偶极溶剂中，DMF速度常数为3×103溶剂影响Nu的亲核性在质子化溶剂中，亲核性F-Cl-Br-I-，F的电负性强，电荷集中，与质子成氢键作用能力强，溶剂化强。在偶极溶剂中，亲核性F-〉Cl-〉Br-〉I-，不能成氢键，此时亲核性与碱性有关（酸性HF〈HCl〈HBr〈HI，其共轭碱顺序正好相反）但是偶极溶剂价格高，沸点高，不易回收，一旦混入水对反应很不利。相转移催化剂冠醚－相转物催化剂，KF不溶于溶剂中，是固态。K+被络合在醚环中，把卤负离子裸露出来，迅速的发生亲核取代反应，实现了固液相转移反应。冠醚空腔大小要合适，按不同大小金属离子选择。此反应是双分子反应，几乎是定量的。此反应在偶极溶剂中，若无PFC就不会发生常用的PTC还有15－冠－5，二苯并－18－冠－6，二环己基－18－冠－6。但是冠醚价格昂贵，且有毒性。另外常用的，廉价的PTC是鎓盐，季铵盐类（R4N+X-，（Q+X-）），例：H3CSCH3Oδ+δ-RX+KYPTCRY+KXY=CN-,-NO2,-F,-OAc;R=C8H17-,phCH2-18-冠-6RX+NaCNRCN+NaXSN2CH3I+NaN3CH3N3+NaI北京理工大学高等有机化学12饱和碳原子上的亲核取代反应反应过程如下：PTC在水相和有机相中都能溶解，在水中与NaCN交换负离子，[Q+CN-]以离子对的形式进入有机相中，把亲核试剂CN-引入到有机相中，因而迅速的与底物RX反应，[Q+X-]生成后又转入到水相中，连续不断的穿过界面输送负离子。例如：酮、腈等含α氢化合物上进行烷基化，传统上，用强碱NaNH2脱α－H产生亲核试剂，再与RI反应。常用的鎓盐有：氯化苄基三乙胺，氯化三正辛基甲胺，四丁基铵硫酸氢盐。（2）亲核试剂的影响：SN1亲核试剂不参与控制速度步骤，对反应速度影响不大。SN2亲核试剂与底物协同反应，参与过渡态的形成。亲核性是指对碳原子的进攻能力（亲和能力）。亲核试剂提供一对