《飽和碳原子上的親核取代反應(yīng) 學(xué)習(xí)教案》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《飽和碳原子上的親核取代反應(yīng) 學(xué)習(xí)教案(36頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、會計學(xué)1飽和碳原子上的親核取代飽和碳原子上的親核取代(qdi)反應(yīng)反應(yīng) 第一頁,共36頁。1、掌握親核取代反應(yīng)類型和反應(yīng)機理 (SN1機理 ; SN2機理; 離子(lz)對機理)2、了解親核取代反應(yīng)中的立體化學(xué)3、掌握影響親核取代反應(yīng)活性的因素4、掌握鄰基參與反應(yīng)的基本概念5、了解鄰基參與反應(yīng)的立體化學(xué) 一、教學(xué)目的(md)和要求二、教學(xué)重點(zhngdin)和難點重點:反應(yīng)類型和反應(yīng)機理;鄰基參與反應(yīng)的基本概念;影響親核取代反應(yīng)活性的因素難點:親核取代反應(yīng)中的立體化學(xué);鄰基參與反應(yīng)的立體化學(xué) 第1頁/共36頁第二頁,共36頁。一. 反應(yīng)類型親核取代(qdi)反應(yīng)的通式:+Nu+L-R NuR
2、 L親核試劑(shj)帶著一對(y du)電子進(jìn)攻中心碳原子離去基團(tuán)帶著一對電子離開CH3CH2IBu3P+I-Bu3P CH2CH3 底物為中性,親核試劑帶著一對孤對電子:第2頁/共36頁第三頁,共36頁。+PhCH2ClCN-PhCH2CNCl-+ 底物(d w)帶有正電荷,親核試劑帶有孤對電子:+LR Nu+Nu+L+R(CH3)2S(CH3)4N+(CH3)3S (CH3)3N+ 底物(d w)帶有正電荷,親核試劑帶有負(fù)電荷:RL+Nu-+R NuLCH3Cl H2O+CH3OH2Cl-+R L Nu-R Nu+L- 親核試劑(shj)帶有負(fù)電荷:第3頁/共36頁第四頁,共36頁。二.
3、 反應(yīng)(fnyng)機理1. 單分子(fnz)親核取代 (Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( SN 1)反應(yīng)機理 +R L Nu-R Nu+L-=k1LRR LRLR+L-+慢反應(yīng)(fnyng)分兩步進(jìn)行第一步 正碳離子的生成:第二步 親核試劑進(jìn)攻正碳離子:R+Nu-R Nu快第一步是決定反應(yīng)速率的一步。第4頁/共36頁第五頁,共36頁。例如(lr): 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反應(yīng):Ph2CH ClPh2CH + Cl+丙酮慢Ph2CH OHH2OPh2CH +2. 雙分子(fnz)親核取代 (Substitution Nucleophilic
4、Bimolecular) ( SN 2)反應(yīng)機理 動力學(xué)研究(ynji)表明:有一類親核取代反應(yīng)的速率與 底物的濃度和試劑的濃度同時相關(guān):=kR LNu二級反應(yīng)按SN 1 機理進(jìn)行反應(yīng)的體系:叔鹵代烷及其衍生物和被共軛體系穩(wěn)定的仲鹵代烴及其衍生物第5頁/共36頁第六頁,共36頁。其反應(yīng)(fnyng)機理為:親核試劑(shj)背后(bihu)接近中心碳原子從離去基團(tuán)的背面與此同時離去基團(tuán)也正在逐步地離開底物分子新鍵的形成與舊鍵的斷裂是同時發(fā)生的,舊鍵斷裂時所需的能量,是由新鍵形成所放出的能量提供的。兩者達(dá)到平衡時,體系能量最高。其狀態(tài)為過渡態(tài) T.L-Nu-RCH2 LRCH2 NuNuC LH
5、 HRT第6頁/共36頁第七頁,共36頁。CNuL 在過渡態(tài)中,親核試劑的孤對電子(dinz)所占有的軌道與中心碳原子的 p軌道交蓋的程度與離去基團(tuán)與中心碳原子的 p軌道的交蓋程度相同按 SN 2 機理進(jìn)行的底物(d w)特征:RCHRX不被共軛體系穩(wěn)定(wndng)的仲鹵代烷及其衍生物3. 離子對機理介于SN1 與 SN2 之間的機理,建立在SN1機理基礎(chǔ)之上。底物的解離成正碳離子是經(jīng)幾步完成的,形成不同的離子對:第7頁/共36頁第八頁,共36頁。R L+-R+L-離子化溶劑介入R LNuNuNuSN2R+L-+溶劑介入離子對構(gòu)型翻轉(zhuǎn)緊密離子對翻轉(zhuǎn)(主要)轉(zhuǎn)化(消旋化)離解的離子NuS1N(
6、消旋化產(chǎn)物) 解離(ji l)的正負(fù)離子形成緊密的離子對,整個離子對 被溶劑化。 溶劑(rngj)介入離子對后,正負(fù)離子被溶劑(rngj)隔開。 離解(l ji)的離子為自由離子。三個階段:親核試劑可以進(jìn)攻四種狀態(tài)的底物,從而得到不同的產(chǎn)物。第8頁/共36頁第九頁,共36頁。三. 反應(yīng)(fnyng)的立體化學(xué)反應(yīng)(fnyng)的立體化學(xué)與反應(yīng)(fnyng)機理相關(guān)SN2機理(j l):Walden轉(zhuǎn)化Nu-LCCNuLCNu由于試劑從離去基團(tuán)的背后進(jìn)攻中心碳原子,所以產(chǎn)物發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化Walden轉(zhuǎn)化。Nu:L+ L-Nu第9頁/共36頁第十頁,共36頁。CC6H13HBrCH3NaOHSN 2
7、CC6H13HCH3HO構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(R) - (-) - 2 - 辛烷25D= -34.25對映體的純度(chnd)=100%(S) - (-) - 2 - 辛醇25D= -9.90對映體的純度(chnd)=100%CHCH2PhMeOHTsClACHCH2PhMeOTsEtOHK2CO3BCHCH2PhMeOEtCHCH2PhMeOKKCEtBrCHCH2PhMeOEt= +33.0= +31.1= -19.9 = +33.0= +31.1= -19.9= +23.5第10頁/共36頁第十一頁,共36頁。SN1機理(j l)C+Nu-CL+NuCNuC50%50%Nu-L-試劑從正碳離子的兩面
8、進(jìn)攻(jngng)中心碳原子,形成一對外消旋產(chǎn)物。C+HCH3PhOH-H2OClCHCH3PhOHCCH3HPhOH-CCH3PhHHO49%51%正碳離子越穩(wěn)定(wndng),消旋化程度越大消旋化 (Racemization)第11頁/共36頁第十二頁,共36頁。PhCCH3OHPhCCH3構(gòu)型轉(zhuǎn)化%27HCH3BrHCH3O+ 73% 消旋化產(chǎn)物HBr事實上,SN1反應(yīng)往往伴隨(bn su)構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物: 當(dāng)C+不是足夠穩(wěn)定時,由于L 的屏蔽效應(yīng),Nu:從 L 背后進(jìn)攻中心(zhngxn)碳原子的機會增大,故構(gòu)型轉(zhuǎn)化增多。請思考(sko):H3CHCH3BrH2OSN 1?第12頁/共3
9、6頁第十三頁,共36頁。四. 影響(yngxing)反應(yīng)活性的因素影響親核取代反應(yīng)活性的主要因素是: 底物的結(jié)構(gòu)親核試劑的濃度(nngd)與反應(yīng)活性離去基團(tuán)的性質(zhì)溶劑效應(yīng)(一)底物(d w)結(jié)構(gòu)的影響SN 2反應(yīng):鹵代烷的反應(yīng)活性順序是:甲基 伯 仲 叔原因:烷基的空間效應(yīng)第13頁/共36頁第十四頁,共36頁。新戊基鹵代烷幾乎(jh)不發(fā)生SN 2反應(yīng):CHXNu:CNuLHHH轉(zhuǎn)變過程中,中心(zhngxn)碳原子由底物同4個基團(tuán)相連轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛇^渡態(tài)的同5個碳原子相連,空間擁擠程度增大。當(dāng)?shù)孜镏行?zhngxn)碳原子連有較大基團(tuán)時,Nu:難于從背后接近底物。R X Nu-X-NuRSN2R
10、CH3CH3CH2(CH3)3C(CH3)2CHk23010.030第14頁/共36頁第十五頁,共36頁。SN1反應(yīng)(fnyng):A. 電子效應(yīng) 所有能夠使正碳離子穩(wěn)定的因素(yn s),都能使SN 1反應(yīng)的反應(yīng)速率增大:ROTs R+OTsEtOHROEtk1相對(xingdu)速率 (k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.8610010 510 10 當(dāng)取代基具有I、超共軛效應(yīng)、C效應(yīng),SN 1反應(yīng)速率增大, 反應(yīng)活性增大。第15頁/共36頁第十六頁,共36頁。當(dāng)中心碳原子與雜原子直接相連時(R-ZCH2-L),SN 1反應(yīng)速率(sl)明
11、顯增大:C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反應(yīng)(fnyng)速率109 1.0 0.2當(dāng)雜原子與中心碳原子相連(xin lin)時,所形成的正碳離子,因共軛效應(yīng)而被穩(wěn)定。B. 空間效應(yīng)與SN 2反應(yīng)相反,底物上的取代基的空間效應(yīng)使SN1反應(yīng)速率加快:RBr在水中的溶劑解相對速度RBr 在水中50時MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2106CRRRXCRR RX-四面體平面三角型鍵角增大,取代基空間效應(yīng)越大,基團(tuán)的空間擁擠程度減小。第16頁/共36頁第十七頁,共36頁。(二)親核試劑(shj)的強度Nu:在 SN2
12、反應(yīng)中起著重要(zhngyo)作用NuNu-: CH3O-, HO-, I-Nu: H2O:規(guī)律(gul):1帶有負(fù)電荷的試劑的親核性強于它的共軛酸: OH H2O, CH3O- CH3OH2)帶負(fù)電荷的試劑,負(fù)電荷越集中,親核性越強; 中性的試劑,進(jìn)攻的原子電子云密度越集中, 親核性越強。A. 當(dāng)進(jìn)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(zhì)子結(jié)合的能力;親核性是試劑與帶有部分正電荷的碳原子結(jié)合的能力。第17頁/共36頁第十八頁,共36頁。CH3OOClONO2O 當(dāng)試劑中進(jìn)攻(jngng)
13、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(zhuq)的元素,電負(fù)性越大,試劑的親核性越弱, 負(fù)電荷越分散,親核性越弱:H2N- OH- F-C. 試劑中的進(jìn)攻原子為同族(tn z)原子時,原子的可極化度 越大,試劑的親核性越強:第18頁/共36頁第十九頁,共36頁。F- Cl- Br- I-R - O - R - S - C2H5O CH3CH3CHO (CH3)3CO親核性依次(yc)減小同理:C2H5NH2(C2H5)2NH (C2H5)3N親核性依次減弱,堿性依次增強。第19頁/共36頁第二十頁,共36頁。(三)
14、離去基團(tuán) (Leaving groups)Nu:SN2+ LL-LCSN1C+Nu C離去基團(tuán)帶著一對電子離開(l ki)中心碳原子,成為負(fù)離子。接受負(fù)電荷的能力(nngl)越強,親核取代反應(yīng)速率越大。1) 較好的離去基團(tuán)是強酸(qin sun)的共軛堿:A H + BA + B H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(tuán)是 pKa R Br R ClR FFClBrI可極化度依次增大第21頁/共36頁第二十二頁,共36頁。(四)溶劑(rngj)效應(yīng)溶劑(rngj)的性質(zhì):介電常數(shù)(ji din chn sh) 越大,溶劑的極性越大。介電常數(shù)是衡量溶劑隔離正負(fù)離
15、子的能力,即:溶劑穩(wěn)定離子的能力。( 0) 偶極距( 0)非極性溶劑:CCl4, CS2, 極性溶劑質(zhì)子型:EtOH, H2O, CH3COOH非質(zhì)子型:THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT質(zhì)子型溶劑通過氫鍵締合R O HNu非質(zhì)子型溶劑通過偶極與偶極相互作用極性 溶劑可以穩(wěn)定正離子,也可穩(wěn)定負(fù)離子。氫原子鍵合在電負(fù)性較大的原子上。第22頁/共36頁第二十三頁,共36頁。SN 1反應(yīng)(fnyng):RLR L慢慢R+L-Nu 一個中性化合物離解為兩個帶電荷的離子,溶劑極性的提高,將穩(wěn)定正碳離子,使反應(yīng)速率(sl)加快。SN 2反應(yīng)(fnyng):Nu-L-R LNuLNu RC
16、 在過渡態(tài)中不產(chǎn)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(yīng)速稍有降低。在質(zhì)子型溶劑中: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(yīng)進(jìn)行。RO HNuHORHOR在質(zhì)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第23頁/共36頁第二十四頁,共36頁。SN 2反應(yīng)常在極性非質(zhì)子(zhz)型溶劑中進(jìn)行。 極性非質(zhì)子型溶劑 (Polar Aprotic Solvents)不能與 Nu:形成氫鍵,不能使親核試劑溶劑化,使裸露(lul)的負(fù)離子作為親核試劑,具有較高的反應(yīng)活性。常見的極性非
17、質(zhì)子(zhz)型溶劑有:P PO ON NN NN NH H C CN NC C H H3 3C C H H3 3O OC C H H3 3S SO OC C H H3 3N, N-二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亞砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺HMPT (Hexamethylphosphorictriamide)第24頁/共36頁第二十五頁,共36頁。在極性非質(zhì)子(zhz)型溶劑中,X - 的反應(yīng)活性順序為:F - Cl - Br - I -這與在質(zhì)子型溶劑中的順序(shnx)相反。質(zhì)子型溶劑與非質(zhì)子型溶劑對SN 2反應(yīng)(fnyng)
18、的影響:CH3I + NaN3k2CH3N3 + NaI溶劑 k2DMF 3 103CH3OH 3 10-2問題:下列反應(yīng)在哪種溶劑中易于進(jìn)行,是DMF還是 CH3OH? 為什么?CH3CH2CH2Br + NaCNCH3CH2CH2CN + NaBr第25頁/共36頁第二十六頁,共36頁。這類取代基往往(wngwng)帶有未共用電子對或電子第26頁/共36頁第二十七頁,共36頁。如旋光的-溴代丙酸鹽的水解,得到(d do)構(gòu)型保持的產(chǎn)物第27頁/共36頁第二十八頁,共36頁。經(jīng)歷兩次SN2第28頁/共36頁第二十九頁,共36頁。3-溴二丁醇與HBr的取代(qdi)第29頁/共36頁第三十頁,共36頁。第30頁/共36頁第三十一頁,共36頁。第31頁/共36頁第三十二頁,共36頁。第32頁/共36頁第三十三頁,共36頁。第33頁/共36頁第三十四頁,共36頁。第34頁/共36頁第三十五頁,共36頁。第35頁/共36頁第三十六頁,共36頁。