第二十二章飽和碳原子上親核取代反應一.反應類型(P532)二.反應機理1.SN1機理2.SN2機理3.離子對機理三.立體化學1.SN2反應2.SN1反應9/12/2023四.影響反應活性的因素 1.底物的烴基結構 2. 離去基團(L) 3.親核試劑(Nu:) 4.溶劑五.鄰基參與反應P5389/12/2023一.反應類型親核取代反應的通式：親核試劑帶著一對電子進攻中心碳原子離去基團帶著一對電子離開⑴底物為中性，親核試劑帶著一對孤對電子：+9/12/2023⑶底物帶有正電荷，親核試劑帶有孤對電子：⑷底物帶有正電荷，親核試劑帶有負電荷：⑵親核試劑帶有負電荷：9/12/2023二.反應機理1.單分子親核取代(SN1)反應機理P

535反應分兩步進行生成正碳離子親核試劑進攻正碳離子：第一步是決定反應速率的一步。第一步第二步9/12/2023例如：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應：SN1機理反應體系：叔鹵代烷及其衍生物和被共軛體系穩定的仲鹵代烴及其衍生物9/12/20232.SN2反應機理二級反應(雙分子)動力學研究表明：親核取代的速率與底物的濃度和試劑的濃度相關.立體化學:構型翻轉(Waldeninversion)P

5339/12/2023SN2反應機理：LNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNu9/12/20232．SN2反應的能量變化SN2反應機理的能量變化可用反應進程—位能曲線圖表示如下：9/12/20233.SN1機理與離子對底物解離成正碳離子要經過幾步形成不同的離子對：9/12/2023⑴解離的正負離子形成緊密的離子對，整個離子對被溶劑化。⑵溶劑介入離子對后，正負離子被溶劑隔開。⑶離解的離子為自由離子。三個階段：親核試劑可以進攻四種狀態的底物，從而得到不同的產物。9/12/20239/12/2023三.親核取代反應的立體化學反應的立體化學與反應機理相關1、SN2機理：由于試劑從離去基團的背后進攻中心碳原子，所以產物發生構型轉化－Walden轉化。Nu:L+L-Nu9/12/2023瓦爾登生于1863年7月26日，是帝俄時代的拉脫維亞人。幼年喪父母成為孤兒。在當地以優異的成績小學畢業后，被公費保送到拉脫維亞的里加（Riga）上中學，成績優異。1882年19歲中學畢業，進入里加很有名的工業大學。1887年他跟著他的老師，當時頗有名望的化學教授威廉·奧斯特瓦爾德去德國萊比錫大學，一面從事研究工作，一面做私人教師來維持生活，所以他于28歲時才獲得博士學位。后來他回到母校工作，從助教、講師、教授、教務長一直到校長。主要從事有機化學教學，并從事物理化學研究。1897–1899年這三年間，他從事有機立體化學研究，發現了著名的瓦爾登轉化現象。由此引起英、美、德、意等國許多化學家進行類似的研究，使他成為國際上知名的化學家。瓦爾登（PaulWalden,1863--1957）9/12/2023瓦爾登在1906年被選為俄羅斯科學院院士。從1919年起被德國的羅斯托克大學聘任為教授。從此他成為國際化學界很活躍的一位化學家。1929年受聘為美國康乃克大學的客座教授。1934年他曾擔任第九屆國際“純粹和應用化學聯合會”的會長，歷時四年。1942年第二次世界大戰期間，他在羅斯托克的家被毀，他不得不逃到德國土賓根，成了土賓根大學的客座教授。

瓦爾登一生的著作很多，發表論文將近二百篇。他寫的書有《瓦爾登轉化》(1919)，《非水溶液》(1924)，《作為化學家的歌德》(1932)，《化學簡史》(1947)等。他一生名譽很多，得過許多國外大學授予的榮譽學位，得過很多國外學術機構贈的獎章。他之所以取得驚人的成就是勤奮努力的結果，他自己說，曾經有些年每天只睡上3-4小時，而大部分時間用來讀書和做實驗研究。

瓦爾登于1957年1月22日在土賓根因病逝世，享年94歲。返回9/12/2023(R)-(-)-2-辛烷(S)-(-)-2-辛醇構型翻轉9/12/20232、SN1、SN2混合機理：77%構型反轉100%構型反轉產率22%產率78%2-辛醇對溴苯磺酸酯9/12/20233、SN1機理試劑從正碳離子的兩面進攻中心碳原子，形成一對外消旋產物。消旋化正碳離子越穩定，消旋化程度越大9/12/20239/12/2023事實上，SN1反應往往伴隨構型轉化產物：

當C+不是足夠穩定時，由于L的屏蔽效應，Nu:從L背后進攻中心碳原子的機會增大，故構型轉化增多 。9/12/2023總結:

SN1反應與SN2反應的區別

SN1SN2單分子反應雙分子反應V=K[R-X]V=K[R-X][Nu：]兩步反應一步反應有中間體碳正離子生成形成過渡態

構型翻轉+構型保持構型翻轉（瓦爾登轉化）有重排產物無重排產物9/12/2023鄰基參與效應

復習：b-溴代醇與HBr反應的立體化學meso外消旋體立體專一反應通常：SN2orSN1非立體專一9/12/2023

鄰基參與機理的解釋分子內SN2（鄰基參與）mesoBr作為親核試劑環正離子（溴鎓離子）9/12/2023鄰基參與效應：鄰位親核性基團促進了離去基團的離去例1水解速度比一般1oRX快動力學為一級芥子氣2,2'－二氯二乙硫醚機理（鄰基參與）9/12/2023例2構型保持SN2SN2鄰基參與機理9/12/2023四.影響反應活性的因素影響親核取代反應活性的主要因素是：底物的結構親核試劑的濃度與反應活性離去基團的性質溶劑效應（一）底物結構的影響SN2反應：鹵代烷的反應活性順序是：甲基>伯>仲>叔原因：烷基的空間效應9/12/2023新戊基鹵代烷幾乎不發生SN2反應：轉變過程中，中心碳原子由底物同4個基團相連轉變為由過渡態的同5個碳原子相連，空間擁擠程度增大。當底物中心碳原子連有較大基團時，Nu:難于從背后接近底物。9/12/2023SN1反應：A.電子效應所有能夠使正碳離子穩定的因素，都能使SN1反應的反應速率增大：相對速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.86100~105~1010

當取代基具有＋I、超共軛效應、＋C效應，SN1反應速率增大,反應活性增大。9/12/2023當中心碳原子與雜原子直接相連時(R-Z-CH2-L)，SN1反應速率明顯增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN1反應速率1091.00.2當雜原子與中心碳原子相連時，所形成的正碳離子，因共軛效應而被穩定。B.空間效應與SN2反應相反，底物上的取代基的空間效應使SN1反應速率加快：RBr在水中的溶劑解相對速度RBr在水中50°時MeBr1.00EtBr1.00i-pBr11.6t-BuBr1.2×106四面體平面三角型鍵角增大，取代基空間效應越大，基團的空間擁擠程度減小。9/12/2023（二）親核試劑的強度Nu:在SN2反應中起著重要作用NuCH3O-,HO-,I-H2O:規律：1)帶有負電荷的試劑的親核性強于它的共軛酸：

－OH>H2O,CH3O->CH3OH2）帶負電荷的試劑，負電荷越集中，親核性越強；中性的試劑，進攻的原子電子云密度越集中，親核性越強。9/12/2023A.當進攻原子為同一原子時，親核性強度與堿性一致：RO->HO->>RCO2->ROH>H2OCH3O->PhO->CH3CO2->NO2-

堿性是試劑與質子結合的能力；親核性是試劑與帶有部分正電荷的碳原子結合的能力。9/12/2023當試劑中進攻的原子不同時，試劑的親核性強度順序與堿性有時不同：堿性：C2H5O->I-親核性：I->C2H5O-B.同周期的元素，電負性越大，試劑的親核性越弱，負電荷越分散，親核性越弱：H2N->OH->F-C.試劑中的進攻原子為同族原子時，原子的可極化度越大，試劑的親核性越強：F-<Cl-<Br-<I-RO-<RS-<RSe-9/12/2023D.當親核試劑中取代基的空間效應較大時，則不利于試劑接近底物分子。試劑的親核性：空間效應>電子效應：負電荷也很集中，堿性很強，但由于烷基具有較大的空間效應，故其親核性很弱。9/12/2023親核性依次減小親核性依次減弱，堿性依次增強。同理：9/12/2023（三）離去基團離去基團:帶著一對電子離開中心碳原子，成為負離子。接受負電荷的能力越強，親核取代反應速率越大。9/12/20231)較好的離去基團是強酸的共軛堿：共軛酸1共軛堿2共軛堿1共軛酸2強酸的共軛堿是弱堿重要的離去基團是pKa<5的酸的共軛堿，如：I-是強酸HI的共軛堿。9/12/2023TsOHMsO-CF3SO3-是最好的離去基團。三氟甲磺酸基,-OTf9/12/20232)成鍵原子的可極化度越大，離去基團越易離去。的溶劑解的相對速率為：FClBrI可極化度9/12/2023（四）溶劑效應溶劑的性質：介電常數(ε)越大，溶劑的極性越大。ε:是衡量溶劑穩定離子的能力。(溶劑隔離正負離子的能力)（μ＝0）偶極距（μ≠0）非極性溶劑：CCl4,,CS2,

極性溶劑質子型：EtOH,H2O,CH3COOH非質子型：THF,Et2O,DMF,DMSO,HMPT9/12/2023質子型溶劑通過氫鍵締合非質子型溶劑通過偶極與偶極相互作用極性溶劑可以穩定正離子，也可穩定負離子。溶劑效應將一個中性化合物離解為兩個帶電荷的離子，溶劑極性提高，將穩定正碳離子，使反應速率加快。SN1：9/12/2023SN2反應：在過渡態中不產生新的電荷，而且還使電荷分散，溶劑的極性增加，不利于電荷的分散，使反應速稍有降低。9/12/2023親核試劑與溶劑形成氫鍵，由此降低了試劑的親核性，不利于反應進行。在質子型溶劑中：試劑的親核性強度順序為：SH->CN->I->OH->N3->Br->CH3CO2->Cl->F->H2O在質子型溶劑中：9/12/2023SN2常選極性非質子型溶劑

它不能與Nu:形成氫鍵，不能使親核試劑溶劑化，使裸露的負離子作為親核試劑，具有較高的反應活性。常見的極性非質子型溶劑有：N,N-二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亞砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺HMPT