有机化合物中的离去基团包括卤素元素

ChemicalTransformationsI:HydrolysisAndReactionsInvolvingOtherNucleophilicSpices第13章化学转化Ι：水解反应与亲核反应13.1引言Introduction,Overview不同电负性的两原子之间的共价键是具有极性的，即其中一个原子携带部分正电荷，而另外一个携带部分负电荷。在有机分子中，这种极化键有可能成为化学反应的作用位点，其中亲核物质被缺电子原子吸引，而亲电物质被带有部分负电荷的原子吸引。2环境中大部分与有机物发生化学反应的化学物种是无机亲核物质313.1引言离去基团：亲核物质与具有极性键的有机分子相遇时，亲核物质中的给电子原子可能与有机分子中的缺电子原子成键，从而引起有机化合物的改变，在这一过程中形成了新的化学键，因而一定有另外的键发生断裂，也就意味着有原子团或原子从有机化合物中分离，这种分离的原子或者原子团就是离去基团。有机化合物中的离去基团包括卤素元素，醇，以及一些复杂的原子团如磷酸根等。分子中某一特定部分是否是好的离去基团，可以从离去基团是否能在水溶液中形成稳定物种的一个实体，共轭酸pKa低的基团是好的离去基团。水解反应：水分子（或氢氧根离子）取代有机分子中的原子或原子团的反应被称为水解反应。413.1引言513.1引言613.1引言713.2.1饱和碳原子上卤素元素的亲核取代NucleophilicDisplacementofHalogensatSaturatedCarbonAtoms描述脂肪族亲核取代反应的两种不同反应机理：13.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应NucleophilicSubstitutionandEliminationatSaturatedCarbonAtomsSN1机理SN2机理8（1）SN2反应机理（S-Substitution，N-Nuclear，2-Biomolecular）在图（13.1）描述的情况下，亲核物质（如Nu-）从离去基团L-（如卤素）的另一侧“攻击”碳原子而发生反应。图13.1SN2反应中反应物、活化配合物与产物的相对自由能的二维示意913.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应反应的难易首先取决于亲核物质的相对亲核性。在SN2反应中，活化所需的标准自由能及由其决定的反应速率很大程度上取决于启动取代反应的亲核物质的性能与有机分子在反应过程中的自发性。的大小取决于：SN2反应遵循二级反应速率定律：††0G††0G123123dRRRCLkNuRRRCLdt(13.1)1013.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应式中，k——二级反应速率常数。亲核物质达到反应位点的能力（即空间位阻的大小）；反应中心的电荷分布；离去基团从分子中分裂出去的难易程度。（2）SN1反应机理（S-Substitution，N-Nuclear，1-Monomolecular）图13.2SN1反应中反应物、活化配合物与产物的相对自由能的二维示意反应程度（反应坐标）自由能1113.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应在SN1反应机理中，假定这种取代分两步进行：第一步是限速步骤（rate-determining）离去基团完全从有机分子中离去，离去基团离去的同时携带走部分电子，从而形成中间产物（反应历程中能量最小时的临时产物）碳阳离子（carbocation）；第二步，具有活性的碳阳离子与亲核物质结合形成产物。在这类反应中，反应速率取决于离去基团从分子中脱离的难易程度，在该反应历程中决定的重要因素是形成的碳阳离子的稳定性，因此这种机理更易在碳阳离子稳定的情况下（如共振）发生。1213.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应††0G该反应中表观速率符合一级反应速率定律：k——一级反应速率常数水溶液中，SN1反应机理通常更易于在形成水解产物时（如由-OH取代-L）发生，因为亲核物质不参与限速步骤，且水分子很多，因而极其易与活性的碳阳离子发生碰撞。1313.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应123123dRRRCLkRRRCLdt（13.2）（3）亲核物质对取代离去基团的相对影响图13.325℃时甲基卤与不同亲核物质反应的二级反应速率常数二级反应速率常数k/（L·mol-1·S-1）离去基团L1413.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应通过对甲基卤在水溶液中的亲核取代反应的研究表明：某一确定的甲基卤与不同亲核物质反应时，有着与其它甲基卤相同的相对反应活性；以水溶液中甲基溴被亲核物质亲核取代的反应为参照反应得到：1513.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应kNu—由亲核物质引起的亲核取代的二级反应速率常数；kH2O—由水（标准亲核物质）引起的亲核反应二级反应速率常数；n—攻击倾向或亲核物质的亲核性的量度；s—反映有机分子对亲核物质攻击的敏感程度。32NuNuCHBrHoklgsnk表一些重要环境亲核物质的nNa,CH3Br目前在药理学、毒理学以及基础化学应用中，无机及有机亲核物质的亲核性有另外一个参照反应即在甲醇中的甲基碘的取代反应量化：33NuNuCHICHOHklgsnk，图13.4一些亲和物质的nNa,CH3Br与nNa,CH3I关系1613.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应（13.4）某些构成天然有机物的典型有机亲核物质（嘧啶，PhNH2，PhO-，(C2H5)2NH)的nNa,CH3Br介于3.5-5之间，是水分子的105倍。Gan等推断甲基溴与这种NOM成分的SN2反应对于土壤中广泛使用的烟熏剂是重要的反应沉淀池。叠氮化物是与Br-具有类似强度的亲核物质,因此在大量使用这种生物抑制剂的时候，一定要小心避免在给定样品或体系中引起不必要的SN2反应。还原性无机及有机硫化物是环境中存在的最重要的亲核物质。1713.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应表13.4一些重要环境亲核物质的nNa,CH3I影响化学物质亲核性的主要因素有：亲核物质离开溶液到达反应中心的难易程度；成键原子贡献出电子以形成过渡态的能力。因此亲核物质的亲核性随其溶剂化能减少而增加，因为较大原子（如S，I）的价电子更加容易极化，并且较大“软”物质通常具有较低的溶剂化能，它们与较小的硬物质相比是更好的亲核物质。F-到Cl-、Br-、I-亲核性依次增加HS-比HO-是更好的亲核试剂1813.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应【详注13.1】软硬Lewis酸碱理论Lewis酸：电子受体，亲电物质Lewis碱：给电子，亲核物质•硬酸和硬碱相对较小，具有较高的电负性和较低的极化率•软的酸和碱相对较大，具有较低电负性和较高的极化率,,,,,,,,,3343342OOCHNHClFSONOHCOPO,,,,25632NHHCBrSOOH,,,,,,,2322CNIOSPhSRSSHSn规则1－平衡规则。硬酸倾向于与硬碱相联系，软酸倾向于与软碱相联系规则2－动力学规则。硬酸易于与硬碱反应，软酸易于与软碱反应硬物质边界物质软物质1913.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应表13.5与卤代烷烃发生SN2反应时，亲核物质为了与水竞争所必需具有的浓度计数值在淡水环境，亲核物质的浓度都很低，不足以与水竞争。但是在海水中，Cl-足以与水分子竞争；在地下水硫酸盐环境，HS-成为很好的亲核试剂。20BrCHNunNu3,103.55][%5013.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应（13.5）2113.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应【例题13.2】某些包含甲基溴的反应问题在含有100mmol·L-1Cl-，2mmol·L-1NO3-，1mmol·L-1HCO3-，以及0.1mmol·L-1CN-1的水溶液（pH值=7.0，T=25℃）中，试估计以低浓度（1mmol·L-1）存在的甲基溴的半衰期。已知在pH值7.0，25℃的纯水中，CH3Br的半衰期约为20d。解答由于所有的亲核物质的浓度都过量（远大于[CH3Br]0）,CH3Br发生的反应可以描述为假一级反应，其一级反应速率kobs为(1)2213.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应通过表13.5可以看出它与NO3-和OH-的反应可被忽略。为了估计与其他亲核物质反应的速率常数，将s=1代入重排过的式（13.3）得（2）将表13.3中的nNu,CH3Br值代入式（2），各亲核物质j的kNu代入式（1），得（3）将不同亲核物质的浓度代入式（3），得这一计算说明甲基溴与氯的反应的重要性约是其中性水解的2倍，而与另两个亲核物质反应仅占CH3Br总变化速率10%。注意，在某些情况下，一个小反应可能因生成更加持久的有毒产物（本例中是乙腈，CH3CN）而变得相当重要。2313.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应故用已知的水解半衰期（20d）计算kH2O为所以，CH3Br在水溶液中的半衰期为在纯水中亲核物质越弱，就可能是越好的离去基团。因此，可以推测甲基卤的反应活性按以下顺序降低：CH3FCH3ClCH3BrCH3I.然而，试验得到的信息确几乎相反。3333CHBrCHICHClCHF24（4）离去基团图13.325℃时甲基卤与不同亲核物质反应的二级反应速率常数离去基团L二级反应速率常数k/（L·mol-1·S-1）13.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应键本身的强弱也是决定反应速率的一个主要因素，如甲基卤的反应活性顺序就是由碳-卤键的强弱决定。在很多情况下不可能也没有必要对某一亲核取代反应严格的界定其属于SN1反应还是SN2反应，如果在亲核取代反应中亲核物质起到它所能够起的最重要的作用，则认为是一个SN2反应。在另一种极端的情况下，即SN1反应中，亲核物质完全与反应速率无关。如比较卤代烷烃的水解半衰期，我们注意到当碳-卤键的碳从伯碳、仲碳变化到叔碳时，反应速率急剧增加。在这个变化过程中，给电子的甲基使碳阳离子稳定性增加，从而降低了形成碳阳离子所需要的活化能，使得反应向SN1反应机理移动。2513.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应2613.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应表13.625℃时中性pH值下一些单卤代烃的水解半衰期与推测的反应机理小结在SN1和SN2这两种极端情况之间，亲核物质的相对重要性取决于几个因素：亲核物质本身、不同的空间排列（空间位阻）以及静电场（组合的稳定性）等因素。至于产物形成的可能性，我们已经了解只有当其他亲核物质以较可观的浓度存在，并且以类似SN2机理发生反应时它才能与水竞争。27图13.5烷基溴与硫化物的反应历程环境条件下多卤代甲烷的水解很慢，这主要是由于体积较大且富含电子的卤元素产生的空间位阻和反馈键，因此这类化合物在碳原子上的亲核取代反应的环境显著性较小。但多卤代甲烷与其它多卤代化合物在一定的环境条件下，可能通过其他途径如脱卤化氢还原作用而发生反应。13.2.2多卤代烷烃的消除反应机理（PolyhalogenatedAlkanes-EliminationMechanisms）β-消除反应。如果L为卤素，则这类反应成为脱卤化氢反应2813.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应反应程度自由能消除反应是以一种“协同“的方式发生的，多卤代化合物与碱相互作用并且生成一种过渡状态。该反应服从二级动力学规律E2机理29图13.161，1，2，2-四氯乙烷通过E2机理发生β-消除反应时反应物、活性配合物以及产物的相对自由能13.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应亲核取代反应与-消除反应的相对重要性通常，如果分子中亲核取代反应存在空间位阻，且/或者在携带离去基团的碳原子邻位碳上存在相对酸性的质子时，β-消除反应是重要的。酸性越强，反应发生越快。越是多卤代越符合这种特征。一般E2反应要求反平面结构。3013.2饱和碳原子上的亲核取代与消除反应林丹的结构图：E1CB机理和E2反应它们都是由碱攻击不稳定的氢开始