[理学]sp3杂化碳原子的亲核取代反应.ppt

第八章  sp3杂化碳原子的亲核取代反应 Nucleophilic Substitutions at Sp3 Hybridized Carbon 本章主要问题 SN1和SN2的机理、立体化学、影响因素（含SNi2和离子对机制的简介） 合成 1——通过SN1和SN2反应，实现官能团的相互转化 合成 2——通过Sp3碳原子形成碳-碳键 实验事实 实验事实： 1. The Walden Inversion 实验事实 2. 亲核取代反应的立体化学 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。 实验事实 实验事实 3. 亲核取代反应动力学 测定反应速率与反应物浓度的关系有助于了解反应的历程 上述反应的速率与两个反应物的浓度的乘积成正比 V = k [RX] [-OH]——二级反应 SN2的机理 一步反应，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的机理 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 SN2反应的影响因素 1. Substrate（底物） ---- Steric Effects 反应活性: methyl 10 20 30 SN2反应的影响因素 2. 亲核试剂 The nucleophile（亲核试剂） can be neutral or negatively charged as long as it has an unshared pair of electrons. It is also a Lewis base（路易斯碱）. SN2反应的影响因素 亲核性是针对碳而言，其亲核性强弱往往受到底物、溶剂甚至是浓度的影响。 因此，比较亲核试剂的强弱应该确定一个标准，最好在相同的底物和相同的反应条件下比较： SN2反应的影响因素 关于亲核试剂的亲核性强弱顺序尚无完善的解释，不过有些粗略的规律如下: 1、亲核性强弱顺序与碱性基本相同； 2、同一族元素的原子随周期数的增加亲核性增加； 3、带负电荷基团的亲核性强于中性基团，如 -OH 比H2O的亲核性强。 SN2反应的影响因素 3. The leaving Group（离去基团） 碱性越弱，离去基团的离去倾向越大： Relative reactive（反应活性）: OH-, NH2-, OR-, F- Cl- Br- I- TsO- SN2反应的影响因素 4. The Solvent （溶剂） Protic solvents （质子溶剂）——含有 -OH 或 -NH 基团 ——不利于SN2 反应 ——A solvated anion ——（质子溶剂使阴离子 溶剂化，反应活性降低） SN2反应的影响因素 Polar aprotic solvents（极性非质子型溶剂）——极性很强，但不含有-OH 或 -NH 对于SN2 反应是有利的 acetonitrile(CH3CN), dimethylformamide(HCON(CH3)2, DMF) dimethyl sulfoxide ((CH3)2SO, DMSO), hexamethylphosphoramide ( [(CH3)2N]3PO, HMPA), 强极性可以溶解金属盐，且只能让金属阳离子溶剂化，使负离子“裸露”，试剂活性增大 SN2反应的影响因素 SN2反应的影响因素 Summary: The SN2 reaction is worst when carried out with a hindered substrate, a neutral nucleophile, and a protic solvent. 即位阻大的底物、中性（弱的）亲核试剂、和质子性溶剂不利于SN2反应 The SN1 Reaction What’s going on here? ---- an alternative substitution mechanism The SN1 Reaction 1. SN1 反应的动力学 —— 一级反应 —— v = k [RX] 2. SN1 反应的机理 —— 一般两步反应 —— 限速步骤是碳正离子的形成 The SN1 Reaction The SN1 Reaction The SN1 Reaction 3. SN1 反应的立体化学 由于碳正离子是sp2 杂化，具有平面结构，因此是非手性的