《亲核取代反应》课件

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1、Chapter6AliphaticNucleophilicSubstitution饱和碳原子上的亲核取代反应是极重要的和包含很多反应的一类反应，在有机合成中的应用也很广，对其机理也有较为透切的研究。因此讲授机理时通常是第一章。从电荷类型来分，亲核取代反应只能有四种类型：§22.1SN2和SN1溶液中的SN2反应亲核试剂是从中心碳原子的背面进攻，反应前后中心碳原子发生构型反转，这是基本常识了。构型反转最早在1895年由拉脱维亚化学家Walden观察到：在两步反应中必然有一步发生构型不变而另一步构型反转。这种反转就称为Walden反转。1923年以后，

2、PhillipsH等通过以下一系列转变，确定构型反转发生在亲核取代这一步：因为在其它各步反应中，与中心碳原子直接相连的键都没涉及到：Ingold和Hughes等进一步明确指出，SN2反应中亲核试剂是从离去基的背后进攻，底物构型是反转的。为什么是从离去基的背后进攻？根据分子规道理论的解释，亲核试剂是电子给体，在亲核进攻时要把电子给予底物中与离去基团相连的碳原子，而C-X键的成键轨道已用于与X成键，已有一对电子，亲核试剂的电子无法进入成键轨道，因此只能去进攻在空间上处于离去基反面那一瓣的σ反键轨道，随着Nu的进入和离去基的逐渐离去，中心碳原子上的另外三

3、个键逐渐反转，到能量最高的过渡态，Nu、中心碳原子C和离去基X在一条直线上，随后就是构型反转：对这个解释的一个极好的证明是一个气相的反应。在回旋加速器中的高真空气相条件下，如下的底物在用碱夺取一个质子成为碳负离子后，本来应该很容易进行分子内的SN2亲核取代：把甲基用D同位素标记，并且把等量的标记和未标记的反应物放在一起反应，得到4种异构体的等量混合物(都是25%)，由于后两种是只有分子间反应才能得到的，所以推测这些产物都是通过分子间反应得到的(如果有分子内的反应，第一第二种的比例就应大于25%)在这里分子内反应之所以不易进行，是因为Nu、中心碳原子

4、C和离去基X没法在一条直线上。因此，在SN2反应中，Nu、中心碳原子和离去基X在一条直线上是最容易进行的。SN1SN1机理中，反应速率的决定步骤是碳正离子的生成，没有亲核试剂的参加。由于碳正离子的寿命很短，在一般条件下不能用实验方法检验出来。但是二(3,4–二甲氧苯基)甲醇的乙酸酯在极性溶剂中用光照射，C–O键发生异裂，可以用紫外光谱检测到碳正离子的存在。碳正离子为平面结构或近于平面结构。桥头碳原子不能形成平面结构，因此，桥头上的SN1反应不能或极难进行。1-氯莰烷(1-chlorocamphane)在80％乙醇溶液中与30％KOH一起回流21h也

5、不能起反应。二苯基氯甲烷在液态SO2溶液中分别与各种浓度的F、吡啶和三乙胺反应，虽然试剂的亲核性不同，其反应速率差不多是一样的，说明在决定反应速率的步骤中没有亲核试剂的参加。因为中间体碳正离子为平面结构，亲核试剂从平面两边进攻的几率应相等，即中心碳原子构型反转和保持的机会相等。如中心碳原子是手性碳，经SN1反应应得完全外消旋化的产物。但实验结果比较复杂。反应动力学为一级的亲核取代反应中生成完全外消旋化产物的例子不少，但也有部分构型反转和部分构型保持的例子。§22.1.3SN1与离子对机理SN1反应中研究最多的是溶剂解反应。为了解释溶剂解反应中化学动

6、力学和立体化学之间的不协调，WinsteinS提出了离子对机理。底物分子在溶剂中电离，生成的碳正离子和相应的负离子紧密接触，成为紧密离子对(intimateionpair)，周围是溶剂分子，然后少数溶剂分子进入两个离子之间，把它们分隔开来，但仍组成一个离子对，称为溶剂分隔离子对（solventseparatedionpair），最后，带不同电荷的离子分别被溶剂包围，成为溶剂化的碳正离子和负离子。紧密离子对重新结合成共价化合物称为内返(internalreturn)，溶剂化的离子重新结合成共价化合物称为外返(externalreturn)。紧密离子对

7、、溶剂分隔离子对和溶剂化离子都可以同溶剂或亲核试剂结合生成产物。如碳正离子的寿命长，生成溶剂化离子后转变成产物，则为正常的SN1(完全外消旋化)；如碳正离子的寿命短，在紧密离子对或溶剂分隔离子对生成后即转变成产物，则可能得到部分构型反转或部分构型保持的产物。检验紧密离子对、溶剂分隔离子对的一个实验，是研究对氯苯基苄醇的对硝基苯甲酸酯在90％含水丙酮中的反应速率，所用原料是旋光的酯，在对硝基苯甲酸部分，羰基上的氧用18O标记。在一定的时间间隔，取样测定回收的酯的旋光性，得到酯的外消旋化速率(krac)；回收的酯中部分18O由羰基氧漂移到醇基氧上；因此

8、，可以求出18O的交换速率(kex)：实验结果是：在100˚C下，外消旋化和同位素交换都是一级反应，kex/krac=2~