ChemicalTransformationsI:HydrolysisAndReactionsInvolvingOtherNucleophilicSpices第13章化學(xué)轉(zhuǎn)化Ι：

水解反應(yīng)與親核反應(yīng)第13章化學(xué)轉(zhuǎn)化Ι：

水解反應(yīng)與親核反應(yīng)13.1引言

Introduction,Overview

不同電負(fù)性的兩原子之間的共價(jià)鍵是具有極性的，即其中一個(gè)原子攜帶部分正電荷，而另外一個(gè)攜帶部分負(fù)電荷。在有機(jī)分子中，這種極化鍵有可能成為化學(xué)反應(yīng)的作用位點(diǎn)，其中親核物質(zhì)被缺電子原子吸引，而親電物質(zhì)被帶有部分負(fù)電荷的原子吸引。213.1引言

Introduction,Overvie環(huán)境中大部分與有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物種是無(wú)機(jī)親核物質(zhì)313.1引言

環(huán)境中大部分與有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物種是無(wú)機(jī)親核物質(zhì)31離去基團(tuán)：親核物質(zhì)與具有極性鍵的有機(jī)分子相遇時(shí)，親核物質(zhì)中的給電子原子可能與有機(jī)分子中的缺電子原子成鍵，從而引起有機(jī)化合物的改變，在這一過(guò)程中形成了新的化學(xué)鍵，因而一定有另外的鍵發(fā)生斷裂，也就意味著有原子團(tuán)或原子從有機(jī)化合物中分離，這種分離的原子或者原子團(tuán)就是離去基團(tuán)。有機(jī)化合物中的離去基團(tuán)包括鹵素元素，醇，以及一些復(fù)雜的原子團(tuán)如磷酸根等。分子中某一特定部分是否是好的離去基團(tuán)，可以從離去基團(tuán)是否能在水溶液中形成穩(wěn)定物種的一個(gè)實(shí)體，共軛酸pKa

低的基團(tuán)是好的離去基團(tuán)。水解反應(yīng)：水分子（或氫氧根離子）取代有機(jī)分子中的原子或原子團(tuán)的反應(yīng)被稱(chēng)為水解反應(yīng)。413.1引言

離去基團(tuán)：親核物質(zhì)與具有極性鍵的有機(jī)分子相遇時(shí)，親核物質(zhì)中的513.1引言

513.1引言

613.1引言

613.1引言

7713.2.1飽和碳原子上鹵素元素的親核取代NucleophilicDisplacementofHalogensatSaturatedCarbonAtoms描述脂肪族親核取代反應(yīng)的兩種不同反應(yīng)機(jī)理：13.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

NucleophilicSubstitutionandEliminationatSaturatedCarbonAtomsSN1機(jī)理SN2機(jī)理813.2.1飽和碳原子上鹵素元素的親核取代13.2飽和（1）SN2反應(yīng)機(jī)理（S-Substitution，N-Nuclear，2-Biomolecular）

在圖（13.1）描述的情況下，親核物質(zhì)（如Nu-）從離去基團(tuán)L-（如鹵素）的另一側(cè)“攻擊”碳原子而發(fā)生反應(yīng)。圖13.1SN2反應(yīng)中反應(yīng)物、活化配合物與產(chǎn)物的相對(duì)自由能的二維示意913.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

圖13.1SN2反應(yīng)中反應(yīng)物、活化配合物與產(chǎn)物的相對(duì)自由反應(yīng)的難易首先取決于親核物質(zhì)的相對(duì)親核性。在SN2反應(yīng)中，活化所需的標(biāo)準(zhǔn)自由能及由其決定的反應(yīng)速率很大程度上取決于啟動(dòng)取代反應(yīng)的親核物質(zhì)的性能與有機(jī)分子在反應(yīng)過(guò)程中的自發(fā)性。的大小取決于：SN2反應(yīng)遵循二級(jí)反應(yīng)速率定律：(13.1)1013.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

式中，k——二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)。親核物質(zhì)達(dá)到反應(yīng)位點(diǎn)的能力（即空間位阻的大?。?；反應(yīng)中心的電荷分布；離去基團(tuán)從分子中分裂出去的難易程度。反應(yīng)的難易首先取決于親核物質(zhì)的相對(duì)親核性。(13.1)101（2）SN1反應(yīng)機(jī)理（S-Substitution，N-Nuclear，1-Monomolecular）圖13.2SN1反應(yīng)中反應(yīng)物、活化配合物與產(chǎn)物的相對(duì)自由能的二維示意反應(yīng)程度（反應(yīng)坐標(biāo)）自由能1113.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

在SN1反應(yīng)機(jī)理中，假定這種取代分兩步進(jìn)行：（2）SN1反應(yīng)機(jī)理（S-Substitution，N-Nu第一步是限速步驟（rate-determining）離去基團(tuán)完全從有機(jī)分子中離去，離去基團(tuán)離去的同時(shí)攜帶走部分電子，從而形成中間產(chǎn)物（反應(yīng)歷程中能量最小時(shí)的臨時(shí)產(chǎn)物）碳陽(yáng)離子（carbocation）；第二步，具有活性的碳陽(yáng)離子與親核物質(zhì)結(jié)合形成產(chǎn)物。在這類(lèi)反應(yīng)中，反應(yīng)速率取決于離去基團(tuán)從分子中脫離的難易程度，在該反應(yīng)歷程中決定的重要因素是形成的碳陽(yáng)離子的穩(wěn)定性，因此這種機(jī)理更易在碳陽(yáng)離子穩(wěn)定的情況下（如共振）發(fā)生。1213.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

第一步是限速步驟（rate-determining）離去基團(tuán)該反應(yīng)中表觀速率符合一級(jí)反應(yīng)速率定律：k——一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)水溶液中，SN1反應(yīng)機(jī)理通常更易于在形成水解產(chǎn)物時(shí)（如由-OH取代-L）發(fā)生，因?yàn)橛H核物質(zhì)不參與限速步驟，且水分子很多，因而極其易與活性的碳陽(yáng)離子發(fā)生碰撞。1313.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

（13.2）該反應(yīng)中表觀速率符合一級(jí)反應(yīng)速率定律：k——一級(jí)反

（3）親核物質(zhì)對(duì)取代離去基團(tuán)的相對(duì)影響圖13.3 25℃時(shí)甲基鹵與不同親核物質(zhì)反應(yīng)的二

級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k/（L·mol-1·S-1）離去基團(tuán)L1413.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

通過(guò)對(duì)甲基鹵在水溶液中的親核取代反應(yīng)的研究表明：某一確定的甲基鹵與不同親核物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，有著與其它甲基鹵相同的相對(duì)反應(yīng)活性；（3）親核物質(zhì)對(duì)取代離去基團(tuán)的相對(duì)影響圖13.3 25℃以水溶液中甲基溴被親核物質(zhì)親核取代的反應(yīng)為參照反應(yīng)得到：

1513.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)kNu—由親核物質(zhì)引起的親核取代的二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)；kH2O—由水（標(biāo)準(zhǔn)親核物質(zhì)）引起的親核反應(yīng)二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)；n—攻擊傾向或親核物質(zhì)的親核性的量度；s—反映有機(jī)分子對(duì)親核物質(zhì)攻擊的敏感程度。表

一些重要環(huán)境親核物質(zhì)的nNa,CH3Br以水溶液中甲基溴被親核物質(zhì)親核取代的反應(yīng)為參照反應(yīng)得到：目前在藥理學(xué)、毒理學(xué)以及基礎(chǔ)化學(xué)應(yīng)用中，無(wú)機(jī)及有機(jī)親核物質(zhì)的親核性有另外一個(gè)參照反應(yīng)即在甲醇中的甲基碘的取代反應(yīng)量化：圖13.4一些親和物質(zhì)的nNa,CH3Br與nNa,CH3I關(guān)系1613.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

（13.4）目前在藥理學(xué)、毒理學(xué)以及基礎(chǔ)化學(xué)應(yīng)用中，無(wú)機(jī)及有機(jī)親核物質(zhì)的某些構(gòu)成天然有機(jī)物的典型有機(jī)親核物質(zhì)（嘧啶，PhNH2，PhO-，(C2H5)2NH)的nNa,CH3Br介于3.5-5之間，是水分子的105倍。Gan等推斷甲基溴與這種NOM成分的SN2反應(yīng)對(duì)于土壤中廣泛使用的煙熏劑是重要的反應(yīng)沉淀池。疊氮化物是與Br-具有類(lèi)似強(qiáng)度的親核物質(zhì),因此在大量使用這種生物抑制劑的時(shí)候，一定要小心避免在給定樣品或體系中引起不必要的SN2反應(yīng)。還原性無(wú)機(jī)及有機(jī)硫化物是環(huán)境中存在的最重要的親核物質(zhì)。1713.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

表13.4一些重要環(huán)境親核物質(zhì)的nNa,CH3I某些構(gòu)成天然有機(jī)物的典型有機(jī)親核物質(zhì)（嘧啶，PhNH2，P

影響化學(xué)物質(zhì)親核性的主要因素有：親核物質(zhì)離開(kāi)溶液到達(dá)反應(yīng)中心的難易程度；成鍵原子貢獻(xiàn)出電子以形成過(guò)渡態(tài)的能力。因此親核物質(zhì)的親核性隨其溶劑化能減少而增加，因?yàn)檩^大原子（如S，I）的價(jià)電子更加容易極化，并且較大“軟”物質(zhì)通常具有較低的溶劑化能，它們與較小的硬物質(zhì)相比是更好的親核物質(zhì)。F-到Cl-、Br-、I-親核性依次增加HS-比HO-是更好的親核試劑1813.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

影響化學(xué)物質(zhì)親核性的主要因素有：1813.2飽和碳原子【詳注13.1】軟硬Lewis酸堿理論Lewis酸：電子受體，親電物質(zhì)Lewis堿：給電子，親核物質(zhì)硬酸和硬堿相對(duì)較小，具有較高的電負(fù)性和較低的極化率軟的酸和堿相對(duì)較大，具有較低電負(fù)性和較高的極化率規(guī)則1－平衡規(guī)則。硬酸傾向于與硬堿相聯(lián)系，軟酸傾向于與軟堿相聯(lián)系規(guī)則2－動(dòng)力學(xué)規(guī)則。硬酸易于與硬堿反應(yīng)，軟酸易于與軟堿反應(yīng)硬物質(zhì)邊界物質(zhì)軟物質(zhì)1913.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

【詳注13.1】軟硬Lewis酸堿理論規(guī)則1－平衡規(guī)則表13.5與鹵代烷烴發(fā)生SN2反應(yīng)時(shí)，親核物質(zhì)為了與水競(jìng)爭(zhēng)所必需具有的濃度計(jì)數(shù)值在淡水環(huán)境，親核物質(zhì)的濃度都很低，不足以與水競(jìng)爭(zhēng)。但是在海水中，Cl-足以與水分子競(jìng)爭(zhēng)；在地下水硫酸鹽環(huán)境，HS-成為很好的親核試劑。2013.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)（13.5）表13.5與鹵代烷烴發(fā)生SN2反應(yīng)時(shí)，親核物質(zhì)為了與水2113.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)【例題13.2】某些包含甲基溴的反應(yīng)問(wèn)題在含有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，試估計(jì)以低濃度（<1mmol·L-1）存在的甲基溴的半衰期。已知在pH值7.0，25℃的純水中，CH3Br的半衰期約為20d。解答由于所有的親核物質(zhì)的濃度都過(guò)量（遠(yuǎn)大于[CH3Br]0）,CH3Br發(fā)生的反應(yīng)可以描述為假一級(jí)反應(yīng)，其一級(jí)反應(yīng)速率kobs為(1)

2113.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)【例題132213.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)通過(guò)表13.5可以看出它與NO3-和OH-的反應(yīng)可被忽略。為了估計(jì)與其他親核物質(zhì)反應(yīng)的速率常數(shù)，將s=1代入重排過(guò)的式（13.3）得

（2）將表13.3中的nNu,CH3Br值代入式（2），各親核物質(zhì)j的kNu代入式（1），得

（3）將不同親核物質(zhì)的濃度代入式（3），得這一計(jì)算說(shuō)明甲基溴與氯的反應(yīng)的重要性約是其中性水解的2倍，而與另兩個(gè)親核物質(zhì)反應(yīng)僅占CH3Br總變化速率10%。注意，在某些情況下，一個(gè)小反應(yīng)可能因生成更加持久的有毒產(chǎn)物（本例中是乙腈，CH3CN）而變得相當(dāng)重要。2213.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)通過(guò)表13.2313.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)故用已知的水解半衰期（20d）計(jì)算kH2O為所以，CH3Br在水溶液中的半衰期為在純水中2313.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)在純水中親核物質(zhì)越弱，就可能是越好的離去基團(tuán)。因此，可以推測(cè)甲基鹵的反應(yīng)活性按以下順序降低：CH3F>CH3Cl>CH3Br>CH3I.然而，試驗(yàn)得到的信息確幾乎相反。

24（4）離去基團(tuán)圖13.3 25℃時(shí)甲基鹵與不同親核物質(zhì)反應(yīng)的二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)離去基團(tuán)L二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k/（L·mol-1·S-1）13.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

鍵本身的強(qiáng)弱也是決定反應(yīng)速率的一個(gè)主要因素，如甲基鹵的反應(yīng)活性順序就是由碳-鹵鍵的強(qiáng)弱決定。親核物質(zhì)越弱，就可能是越好的離去基團(tuán)。因此，可以推測(cè)甲基鹵的在很多情況下不可能也沒(méi)有必要對(duì)某一親核取代反應(yīng)嚴(yán)格的界定其屬于SN1反應(yīng)還是SN2反應(yīng)，如果在親核取代反應(yīng)中親核物質(zhì)起到它所能夠起的最重要的作用，則認(rèn)為是一個(gè)SN2反應(yīng)。在另一種極端的情況下，即SN1反應(yīng)中，親核物質(zhì)完全與反應(yīng)速率無(wú)關(guān)。如比較鹵代烷烴的水解半衰期，我們注意到當(dāng)碳-鹵鍵的碳從伯碳、仲碳變化到叔碳時(shí)，反應(yīng)速率急劇增加。在這個(gè)變化過(guò)程中，給電子的甲基使碳陽(yáng)離子穩(wěn)定性增加，從而降低了形成碳陽(yáng)離子所需要的活化能，使得反應(yīng)向SN1反應(yīng)機(jī)理移動(dòng)。2513.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

在很多情況下不可能也沒(méi)有必要對(duì)某一親核取代反應(yīng)嚴(yán)格的界定其屬2613.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

表13.625℃時(shí)中性pH值下一些單鹵代烴的水解半衰期與推測(cè)的反應(yīng)機(jī)理2613.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

表13.小結(jié)在SN1和SN2這兩種極端情況之間，親核物質(zhì)的相對(duì)重要性取決于幾個(gè)因素：親核物質(zhì)本身、不同的空間排列（空間位阻）以及靜電場(chǎng)（組合的穩(wěn)定性）等因素。至于產(chǎn)物形成的可能性，我們已經(jīng)了解只有當(dāng)其他親核物質(zhì)以較可觀的濃度存在，并且以類(lèi)似SN2機(jī)理發(fā)生反應(yīng)時(shí)它才能與水競(jìng)爭(zhēng)。27圖13.5烷基溴與硫化物的反應(yīng)歷程小結(jié)在SN1和SN2這兩種極端情況之間，親核物質(zhì)的相對(duì)環(huán)境條件下多鹵代甲烷的水解很慢，這主要是由于體積較大且富含電子的鹵元素產(chǎn)生的空間位阻和反饋鍵，因此這類(lèi)化合物在碳原子上的親核取代反應(yīng)的環(huán)境顯著性較小。但多鹵代甲烷與其它多鹵代化合物在一定的環(huán)境條件下，可能通過(guò)其他途徑如脫鹵化氫還原作用而發(fā)生反應(yīng)。13.2.2多鹵代烷烴的消除反應(yīng)機(jī)理

（PolyhalogenatedAlkanes-EliminationMechanisms）β-消除反應(yīng)。如果L為鹵素，則這類(lèi)反應(yīng)成為脫鹵化氫反應(yīng)2813.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)13.2.2多鹵代烷烴的消除反應(yīng)機(jī)理

（Polyhalo反應(yīng)程度自由能消除反應(yīng)是以一種“協(xié)同“的方式發(fā)生的，多鹵代化合物與堿相互作用并且生成一種過(guò)渡狀態(tài)。該反應(yīng)服從二級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律E2機(jī)理29圖13.161，1，2，2-四氯乙烷通過(guò)E2機(jī)理發(fā)生β-消除反應(yīng)時(shí)反應(yīng)物、活性配合物以及產(chǎn)

物的相對(duì)自由能13.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

反應(yīng)程度自由能消除反應(yīng)是以一種“協(xié)同“的方式發(fā)親核取代反應(yīng)與-消除反應(yīng)的相對(duì)重要性

通常，如果分子中親核取代反應(yīng)存在空間位阻，且/或者在攜帶離去基團(tuán)的碳原子鄰位碳上存在相對(duì)酸性的質(zhì)子時(shí)，β-消除反應(yīng)是重要的。酸性越強(qiáng)，反應(yīng)發(fā)生越快。越是多鹵代越符合這種特征。一般E2反應(yīng)要求反平面結(jié)構(gòu)。3013.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)林丹的結(jié)構(gòu)圖：親核取代反應(yīng)與-消除反應(yīng)的相對(duì)重要性

通常，如果分子中親核E1CB機(jī)理和E2反應(yīng)它們都是由堿攻擊不穩(wěn)定的氫開(kāi)始反應(yīng)。不同在于，E1CB是通過(guò)普通的酸堿反應(yīng)開(kāi)始其降解過(guò)程的，而不是通過(guò)協(xié)同反應(yīng)（E2機(jī)理）開(kāi)始的。這種反應(yīng)主要在烷基底物的化合物中發(fā)生，它們具有高酸性的氫，并且具有提供穩(wěn)定碳陰離子的能力。DDT1,1-二氯-2,2,2-三氯乙烷

3113.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)E1CB機(jī)理和E2反應(yīng)它們都是由堿攻擊不穩(wěn)定的氫開(kāi)始反E1與E2反應(yīng)E1（E代表消除反應(yīng)，1代表單分子），若存在攜帶一個(gè)或幾個(gè)H的鄰接碳原子，它通常會(huì)與SN1反應(yīng)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)。消除反應(yīng)的機(jī)理也可能是介于E1與E2之間的中間情況（與親核取代反應(yīng)的陳述類(lèi)似）。13.113213.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)E1與E2反應(yīng)E1（E代表消除反應(yīng)，1代表單分子），若存在攜小結(jié)具有飽和碳鹵鍵的環(huán)境物質(zhì)的親核取代與β-消除反應(yīng)鹵素從有機(jī)分子的飽和碳上移去的反應(yīng)（SN或E機(jī)理）的活化能介于80–120kJ·mol-1之間。因此這些反應(yīng)對(duì)溫度非常敏感，10℃的溫差就意味著反應(yīng)速率相差3-5倍?；衔锟梢酝ㄟ^(guò)幾種相互競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)理發(fā)生反應(yīng)。這種情況下，總的反應(yīng)速率將由各獨(dú)立的反應(yīng)速率組合得到。即33小結(jié)具有飽和碳鹵鍵的環(huán)境物質(zhì)的親核取代與β-消除反應(yīng)3313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)HydrolyticReactionsofCarboxylicandCarbonicAcidDerivatives13.3.1酯的水解反應(yīng)（CarboxylicAcidEsters）P339從13.14-圖13.7X脂類(lèi)官能團(tuán)的鍵被定義為-Z-O-R，其中Z=C,P,S;X=O,S;R是碳核取代基。其中X可能是O、S或者NR。羧酸衍生物和碳酸衍生物的例子3413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)13.3.1酯的圖中反應(yīng)速率的變化是三個(gè)獨(dú)立反應(yīng)的同時(shí)發(fā)生的結(jié)果：被H+催化的反應(yīng)OH-催化的水解由H2O的攻擊而發(fā)生。

圖13.825℃時(shí)一些羧酸酯的水解半衰期隨pH值的變化簡(jiǎn)化為表觀水解（假一級(jí)反應(yīng)）速率常數(shù)kh水解半衰期：3513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖中反應(yīng)速率的變化是三個(gè)獨(dú)立反應(yīng)的同時(shí)發(fā)生的結(jié)果：圖13.8酸、堿及中性催化反應(yīng)對(duì)總水解反應(yīng)的相對(duì)重要性中性反應(yīng)速率在某些pH范圍內(nèi)有顯著貢獻(xiàn)中性反應(yīng)的貢獻(xiàn)可忽略酸、堿及中性催化反應(yīng)是三種差異很大的反應(yīng)，它們各自有不同的反應(yīng)機(jī)理，因此有不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。由于反應(yīng)活化能不同，各反應(yīng)的相對(duì)重要性（由I表示）取決于反應(yīng)溫度。此外，取代基團(tuán)對(duì)三種催化反應(yīng)也有不同的影響。Lg(kN/kA)Lg(kN/kBkW)3613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)酸、堿及中性催化反應(yīng)對(duì)總水解反應(yīng)的相對(duì)重要性中性反應(yīng)速率在某3713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題13.4】由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出水解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

考慮2,4-二硝基苯基乙酸酯（DNPA）水解的情況，它在pH值>2時(shí)的酸催化反應(yīng)是不重要的（見(jiàn)圖13.8）。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)課上，用HPLC法測(cè)得均勻水溶液中DNPA的濃度在不同pH值與溫度條件下隨時(shí)間變化的情況（詳見(jiàn)Klausen等，1997）。問(wèn)題

試確定22.5℃，pH值分別為5.0和8.5時(shí)這一反應(yīng)的（假）一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)kh，所需數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.3713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題13813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)表1解答假定一個(gè)（假）一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)kh可以通過(guò)ln([DNPA]t/[DNPA]o)對(duì)時(shí)間的最小二乘擬合得到（參見(jiàn)圖1），即3813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)表1解答3913.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)得到kh值為注意這里kh隨pH值增加而增加，這表明至少在較高pH值下堿催化反應(yīng)其重要作用。(1)圖1ln([DNPA]t/[DNPA]o)對(duì)時(shí)間的最小二乘擬合3913.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)得到kh4013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)問(wèn)題

用上述給出的數(shù)據(jù)導(dǎo)出22.5℃時(shí)DNPA在中性和堿性催化水解時(shí)的速率常數(shù)（kN與kB）。在什么樣的pH值條件下，兩種反應(yīng)同樣重要？解答

設(shè)在考察的pH值范圍內(nèi)酸催化反應(yīng)不重要，則式（3.17）可簡(jiǎn)化為(2)發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值為4.0和5.0時(shí)，kh的值非常接近，這說(shuō)明直到pH值為5.0時(shí)堿催化反應(yīng)都可以忽略，因此4013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)問(wèn)題(24113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)由這個(gè)kN值，重新整理式（2），可以確定kB為氫氧根離子的濃度由下式計(jì)算[見(jiàn)式（8.18）]注意溫度會(huì)強(qiáng)烈影響水的電離常數(shù)Kw。在22.5℃時(shí)Kw=10-14.08（見(jiàn)附錄D表D2）。所以，當(dāng)pH值=8.5（即[H+]=10-8.5）時(shí)，[OH-]=10-5.58

，以及4113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)由這個(gè)k4213.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)注意溫度會(huì)強(qiáng)烈影響水的電離常數(shù)Kw。在22.5℃時(shí)Kw=10-14.08（見(jiàn)附錄D表D2）。所以，當(dāng)pH值=8.5（即[H+]=10-8.5）時(shí)，[OH-]=10-5.58，以及中性和堿催化反應(yīng)同樣重要時(shí)的pH值即INB可以通過(guò)下式計(jì)算（見(jiàn)圖13.9）。因此，在pH值為8.5時(shí)，通過(guò)堿催化的DNPA水解占優(yōu)勢(shì)。4213.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)注意溫度4313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)問(wèn)題

使用表2給出的數(shù)據(jù)導(dǎo)出DNPA中性水解的Arrhenius活化能Ea。T(℃)kN/s-11/T/K-1lnkN/s-117.73.1×10-50.00344-10.3822.54.4×10-50.00338-10.0325.05.2×10-50.00335-9.8630.07.5×10-50.00330-9.50解答

根據(jù)式（12.29），速率常數(shù)隨溫度變化可以描述為4313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)問(wèn)題T(4413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)

注意，在我們考慮的溫度范圍內(nèi)，假定Ea為常數(shù)。將攝氏溫度（℃）轉(zhuǎn)化為開(kāi)氏溫度（K）,并且計(jì)算1/T的值，并對(duì)kN取自然對(duì)數(shù)（見(jiàn)表2）。將lnkN對(duì)1/T作最小二乘擬合，其斜率為因此有測(cè)得堿催化反應(yīng)中的Ea值為60.0kJ·mol-1（數(shù)據(jù)沒(méi)有列出）。4413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)注意，4513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題13.5】計(jì)算水解反應(yīng)時(shí)間溫度與pH值的變化問(wèn)題

分別計(jì)算下列條件下DNPA通過(guò)水解減少到其初始濃度的50%（半衰期）與5%時(shí)所需的時(shí)間：（1）處于湖的變溫層內(nèi)（T=22.5℃，pH值=8.5）；（2）處于同一個(gè)湖的均溫層中（T=5℃，pH值=7.5）。解答水解半衰期可以通過(guò)下式計(jì)算。(12.13)4513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題4613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)用類(lèi)推的方法，濃度減少到5%（[DNPA]t/[DNPA]o=0.05）時(shí)所需的時(shí)間為[見(jiàn)【例題13.4】中的式（1）]用前面導(dǎo)出的kN與kB的值以及[OH-]=10-5.58mol·L-1計(jì)算22.5℃、pH值8.5時(shí)的kh。注意在pH值8.5、22.5℃時(shí)，堿催化水解占優(yōu)勢(shì)。將kh代入式（12.13）與式（1），得(1)4613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)用類(lèi)推的4713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)②用上面導(dǎo)出的22.5℃（295.7K）時(shí)相應(yīng)的速率常數(shù)計(jì)算5℃時(shí)（278.2K）的kN和kB值[見(jiàn)式（12.30）]。其中T2=295.7K，T1=278.2K，且Ea是【例題13.4】中給出的活化能，得到如下結(jié)果。與變溫層相反，DNPA在均溫層中的水解是中性催化反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為4713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)②4813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)

因此，在題設(shè)條件下，DNPA在湖中變溫層的水解比在均溫層的水解快約40倍。4813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.10羧酸酯酸催化水解的假想反應(yīng)路線質(zhì)子進(jìn)攻速控步電荷轉(zhuǎn)移離去基團(tuán)離去氫釋放中間四面體4913.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.10羧酸酯酸催化水解的假想反應(yīng)路線質(zhì)子進(jìn)攻速控步電5013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)酯因酸催化水解而減少的速率為那么我們可以把質(zhì)子化酯分子的濃度表示成（1）酸催化水解5013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)酯因酸催5113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)或者，將式（13.20）代入式（13.20）得因此，二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)可以從其他速率常數(shù)的組合得到，即5113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)或者，將為什么酸催化酯水解對(duì)電子取代效應(yīng)相對(duì)不那么敏感呢？吸電子能力強(qiáng)，減少了速率限制步驟的，從而使kA’增加。吸電子取代使酯基團(tuán)更加酸化，引起質(zhì)子化酯的Ka增加。從而造成kA的變化不明顯。5213.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)為什么酸催化酯水解對(duì)電子取代效應(yīng)相對(duì)不那么敏感呢？52圖13.11羧酸酯的堿催化水解反應(yīng)路線（2）堿催化水解5313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.11羧酸酯的堿催化水解反應(yīng)路線（2）堿催化水解535413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)5413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.12羧酸酯的中性水解反應(yīng)路線（3）中性水解非常類(lèi)似假定的堿催化反應(yīng)，離去基團(tuán)的解離（用INB表示）可能決定反應(yīng)速率。但這種條件下，這種情況變得更為復(fù)雜。5513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.12羧酸酯的中性水解反應(yīng)路線（3）中性水解非常類(lèi)

離去基團(tuán)的改變，以及在某種程度上考慮羧基部分的取代，對(duì)kN比對(duì)kB有更大的影響。因?yàn)樗肿优cOH-比是弱的親核基團(tuán)。5613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)表13.925℃時(shí)一些羧酸酯kN與kB值的比較以及離去基團(tuán)與極性取代基團(tuán)對(duì)kN與kB的影響5613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)表1313.3.2酰胺（CarboxylicAcidAmides）與脂官能團(tuán)相比，酰胺官能團(tuán)具有更小的反應(yīng)活性，因?yàn)?NR2R3基團(tuán)的負(fù)電荷比OR2基團(tuán)的少。更重要的是-NR2R3基團(tuán)是弱的離去基團(tuán)。由于這些因素以及酰胺基團(tuán)的強(qiáng)堿性，與酸或堿催化反應(yīng)相比，中性水解通常就不重要了。5713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)13.3.2酰胺（CarboxylicAcidAmi13.3.3氨基甲酸酯Carbarnates圖13.13機(jī)理中包含四面中間體時(shí)氨基甲酸酯的堿

催化水解反應(yīng)路線氨基甲酸酯有兩個(gè)可能的離去基團(tuán)，堿催化水解扮演重要角色，酸催化反應(yīng)通?？梢院雎?。因?yàn)槲娮踊鶊F(tuán)太多，質(zhì)子化不能顯著地加強(qiáng)親核攻擊的敏感性。5813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)13.3.3氨基甲酸酯Carbarnates圖13.135959圖13.14當(dāng)機(jī)理包含一個(gè)消除步驟時(shí)，氨基甲酸酯的減催化水解反應(yīng)路線6013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.14當(dāng)機(jī)理包含一個(gè)消除步驟時(shí)，氨基甲酸酯的減催13.3.4

定量結(jié)構(gòu)－反應(yīng)性思考

QuantitativeStructure-ReactivityConsiderations13.3.5

Hammett相關(guān)HammettRelationship吸電子基團(tuán)，是好的離去基團(tuán)，具有較大的水解速率常數(shù)。反應(yīng)介質(zhì)不同，不同。6113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)立體效應(yīng)的定量比電子效應(yīng)的定量困難的多13.3.4定量結(jié)構(gòu)－反應(yīng)性思考

Quantitati6213.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.15乙醇/水介質(zhì)（體積比85:15，25℃）中，取代基對(duì)苯甲酸乙酯酸堿催

化水解的影響6213.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.6313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題13.6】用Hammett相關(guān)估計(jì)水解速率常數(shù)

考慮3,4,5-三氯苯基-N-苯基氨基甲酸酯的堿催化水解過(guò)程。問(wèn)題請(qǐng)利用報(bào)道的其他取代苯基-N-苯基氨基甲酸酯的kB值（見(jiàn)表1）估計(jì)25℃時(shí)的反應(yīng)（1）的二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)kB。表1（1）6313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題6413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)解答

用Hammett方程將6個(gè)化合物的kB值與它們可用的數(shù)據(jù)建立聯(lián)系其中ρ是磁化因子，c是一個(gè)常數(shù)，為相應(yīng)無(wú)取代化合物的lgkB（如苯基-N-苯基氨基甲酸酯）。

對(duì)文獻(xiàn)中單取代化合物的lgkB與σj（見(jiàn)表8.5）進(jìn)行最小二乘擬合?？梢缘玫溅押蚦的值（見(jiàn)圖1）：（2）

6413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)解答其中6513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)是重要的。結(jié)合相當(dāng)高的ρ值（2.82），揭示了離去基團(tuán)（即苯酚鹽）的解離是速率決定步驟（與苯酯相反），這和圖13.14中給出的消除機(jī)理一致。對(duì)3,4,5-三氯苯基-N-苯基氨基甲酸酯，將代入（2），可得圖16513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)是重要的13.3.6Bronsted相關(guān)BronstedRelationship圖13.16氨基甲酸酯堿催化水解速率的相關(guān)性6613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)13.3.6Bronsted相關(guān)BronstedRel在許多自然系統(tǒng)中，金屬物種對(duì)有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的水解反應(yīng)的影響的可能性較小，但是在某一些自然系統(tǒng)或工程系統(tǒng)中，金屬對(duì)水解的影響可能是很重要的。6713.5高級(jí)專(zhuān)題溶解金屬物種與金屬氧化物表明對(duì)水解反應(yīng)的影響

EffectsofDissolvedMetalSpeciesandof

MetalOxideSurfacesonHydrolyticReactions

在許多自然系統(tǒng)中，金屬物種對(duì)有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的水

金屬物種對(duì)親核加成和/或離去基團(tuán)的離去和解離的影響：類(lèi)似質(zhì)子的催化作用，通過(guò)絡(luò)合分子中可水解的官能團(tuán)，金屬物種可減少給定原子的負(fù)電荷密度（如碳，磷），從而親核試劑（如H2O、OH-）的攻擊更加方便；仍然與質(zhì)子化作用類(lèi)似，通過(guò)離去基團(tuán)與金屬中心之間的相互作用促使離去基團(tuán)解離；親核試劑與金屬中心鍵合，降低親核試劑的濃度。6813.5.1溶解金屬物種的影響EffectsofDissolvedMetalSpecies13.5高級(jí)專(zhuān)題6813.5.1溶解金屬物種6969與給定化合物在金屬氧化物表面形成配合物從而加速反應(yīng)；與金屬氧化物表面結(jié)合的羥基基團(tuán)可能起到親核物質(zhì)的作用；表面吸附作用可以使給定的化合物的水解速率增加；靜電力以及其他作用于氧化物表面和本體溶液之間的分界區(qū)域力導(dǎo)致反應(yīng)物的積聚，有利于反應(yīng)發(fā)生。圖13.20甲基吡啶酸苯基酯及其異構(gòu)體異煙堿基酸苯基酯在金屬氧化物表面的水解70

13.5.2金屬氧化物表面的影響EffectsofMetalOxideSurfaces13.5高級(jí)專(zhuān)題與給定化合物在金屬氧化物表面形成配合物從而加速反應(yīng)；圖13.ChemicalTransformationsI:HydrolysisAndReactionsInvolvingOtherNucleophilicSpices第13章化學(xué)轉(zhuǎn)化Ι：

水解反應(yīng)與親核反應(yīng)第13章化學(xué)轉(zhuǎn)化Ι：

水解反應(yīng)與親核反應(yīng)13.1引言

Introduction,Overview

不同電負(fù)性的兩原子之間的共價(jià)鍵是具有極性的，即其中一個(gè)原子攜帶部分正電荷，而另外一個(gè)攜帶部分負(fù)電荷。在有機(jī)分子中，這種極化鍵有可能成為化學(xué)反應(yīng)的作用位點(diǎn)，其中親核物質(zhì)被缺電子原子吸引，而親電物質(zhì)被帶有部分負(fù)電荷的原子吸引。7213.1引言

Introduction,Overvie環(huán)境中大部分與有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物種是無(wú)機(jī)親核物質(zhì)7313.1引言

環(huán)境中大部分與有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物種是無(wú)機(jī)親核物質(zhì)31離去基團(tuán)：親核物質(zhì)與具有極性鍵的有機(jī)分子相遇時(shí)，親核物質(zhì)中的給電子原子可能與有機(jī)分子中的缺電子原子成鍵，從而引起有機(jī)化合物的改變，在這一過(guò)程中形成了新的化學(xué)鍵，因而一定有另外的鍵發(fā)生斷裂，也就意味著有原子團(tuán)或原子從有機(jī)化合物中分離，這種分離的原子或者原子團(tuán)就是離去基團(tuán)。有機(jī)化合物中的離去基團(tuán)包括鹵素元素，醇，以及一些復(fù)雜的原子團(tuán)如磷酸根等。分子中某一特定部分是否是好的離去基團(tuán)，可以從離去基團(tuán)是否能在水溶液中形成穩(wěn)定物種的一個(gè)實(shí)體，共軛酸pKa

低的基團(tuán)是好的離去基團(tuán)。水解反應(yīng)：水分子（或氫氧根離子）取代有機(jī)分子中的原子或原子團(tuán)的反應(yīng)被稱(chēng)為水解反應(yīng)。7413.1引言

離去基團(tuán)：親核物質(zhì)與具有極性鍵的有機(jī)分子相遇時(shí)，親核物質(zhì)中的7513.1引言

513.1引言

7613.1引言

613.1引言

77713.2.1飽和碳原子上鹵素元素的親核取代NucleophilicDisplacementofHalogensatSaturatedCarbonAtoms描述脂肪族親核取代反應(yīng)的兩種不同反應(yīng)機(jī)理：13.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

NucleophilicSubstitutionandEliminationatSaturatedCarbonAtomsSN1機(jī)理SN2機(jī)理7813.2.1飽和碳原子上鹵素元素的親核取代13.2飽和（1）SN2反應(yīng)機(jī)理（S-Substitution，N-Nuclear，2-Biomolecular）

在圖（13.1）描述的情況下，親核物質(zhì)（如Nu-）從離去基團(tuán)L-（如鹵素）的另一側(cè)“攻擊”碳原子而發(fā)生反應(yīng)。圖13.1SN2反應(yīng)中反應(yīng)物、活化配合物與產(chǎn)物的相對(duì)自由能的二維示意7913.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

圖13.1SN2反應(yīng)中反應(yīng)物、活化配合物與產(chǎn)物的相對(duì)自由反應(yīng)的難易首先取決于親核物質(zhì)的相對(duì)親核性。在SN2反應(yīng)中，活化所需的標(biāo)準(zhǔn)自由能及由其決定的反應(yīng)速率很大程度上取決于啟動(dòng)取代反應(yīng)的親核物質(zhì)的性能與有機(jī)分子在反應(yīng)過(guò)程中的自發(fā)性。的大小取決于：SN2反應(yīng)遵循二級(jí)反應(yīng)速率定律：(13.1)8013.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

式中，k——二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)。親核物質(zhì)達(dá)到反應(yīng)位點(diǎn)的能力（即空間位阻的大?。?；反應(yīng)中心的電荷分布；離去基團(tuán)從分子中分裂出去的難易程度。反應(yīng)的難易首先取決于親核物質(zhì)的相對(duì)親核性。(13.1)101（2）SN1反應(yīng)機(jī)理（S-Substitution，N-Nuclear，1-Monomolecular）圖13.2SN1反應(yīng)中反應(yīng)物、活化配合物與產(chǎn)物的相對(duì)自由能的二維示意反應(yīng)程度（反應(yīng)坐標(biāo)）自由能8113.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

在SN1反應(yīng)機(jī)理中，假定這種取代分兩步進(jìn)行：（2）SN1反應(yīng)機(jī)理（S-Substitution，N-Nu第一步是限速步驟（rate-determining）離去基團(tuán)完全從有機(jī)分子中離去，離去基團(tuán)離去的同時(shí)攜帶走部分電子，從而形成中間產(chǎn)物（反應(yīng)歷程中能量最小時(shí)的臨時(shí)產(chǎn)物）碳陽(yáng)離子（carbocation）；第二步，具有活性的碳陽(yáng)離子與親核物質(zhì)結(jié)合形成產(chǎn)物。在這類(lèi)反應(yīng)中，反應(yīng)速率取決于離去基團(tuán)從分子中脫離的難易程度，在該反應(yīng)歷程中決定的重要因素是形成的碳陽(yáng)離子的穩(wěn)定性，因此這種機(jī)理更易在碳陽(yáng)離子穩(wěn)定的情況下（如共振）發(fā)生。8213.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

第一步是限速步驟（rate-determining）離去基團(tuán)該反應(yīng)中表觀速率符合一級(jí)反應(yīng)速率定律：k——一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)水溶液中，SN1反應(yīng)機(jī)理通常更易于在形成水解產(chǎn)物時(shí)（如由-OH取代-L）發(fā)生，因?yàn)橛H核物質(zhì)不參與限速步驟，且水分子很多，因而極其易與活性的碳陽(yáng)離子發(fā)生碰撞。8313.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

（13.2）該反應(yīng)中表觀速率符合一級(jí)反應(yīng)速率定律：k——一級(jí)反

（3）親核物質(zhì)對(duì)取代離去基團(tuán)的相對(duì)影響圖13.3 25℃時(shí)甲基鹵與不同親核物質(zhì)反應(yīng)的二

級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k/（L·mol-1·S-1）離去基團(tuán)L8413.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

通過(guò)對(duì)甲基鹵在水溶液中的親核取代反應(yīng)的研究表明：某一確定的甲基鹵與不同親核物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，有著與其它甲基鹵相同的相對(duì)反應(yīng)活性；（3）親核物質(zhì)對(duì)取代離去基團(tuán)的相對(duì)影響圖13.3 25℃以水溶液中甲基溴被親核物質(zhì)親核取代的反應(yīng)為參照反應(yīng)得到：

8513.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)kNu—由親核物質(zhì)引起的親核取代的二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)；kH2O—由水（標(biāo)準(zhǔn)親核物質(zhì)）引起的親核反應(yīng)二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)；n—攻擊傾向或親核物質(zhì)的親核性的量度；s—反映有機(jī)分子對(duì)親核物質(zhì)攻擊的敏感程度。表

一些重要環(huán)境親核物質(zhì)的nNa,CH3Br以水溶液中甲基溴被親核物質(zhì)親核取代的反應(yīng)為參照反應(yīng)得到：目前在藥理學(xué)、毒理學(xué)以及基礎(chǔ)化學(xué)應(yīng)用中，無(wú)機(jī)及有機(jī)親核物質(zhì)的親核性有另外一個(gè)參照反應(yīng)即在甲醇中的甲基碘的取代反應(yīng)量化：圖13.4一些親和物質(zhì)的nNa,CH3Br與nNa,CH3I關(guān)系8613.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

（13.4）目前在藥理學(xué)、毒理學(xué)以及基礎(chǔ)化學(xué)應(yīng)用中，無(wú)機(jī)及有機(jī)親核物質(zhì)的某些構(gòu)成天然有機(jī)物的典型有機(jī)親核物質(zhì)（嘧啶，PhNH2，PhO-，(C2H5)2NH)的nNa,CH3Br介于3.5-5之間，是水分子的105倍。Gan等推斷甲基溴與這種NOM成分的SN2反應(yīng)對(duì)于土壤中廣泛使用的煙熏劑是重要的反應(yīng)沉淀池。疊氮化物是與Br-具有類(lèi)似強(qiáng)度的親核物質(zhì),因此在大量使用這種生物抑制劑的時(shí)候，一定要小心避免在給定樣品或體系中引起不必要的SN2反應(yīng)。還原性無(wú)機(jī)及有機(jī)硫化物是環(huán)境中存在的最重要的親核物質(zhì)。8713.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

表13.4一些重要環(huán)境親核物質(zhì)的nNa,CH3I某些構(gòu)成天然有機(jī)物的典型有機(jī)親核物質(zhì)（嘧啶，PhNH2，P

影響化學(xué)物質(zhì)親核性的主要因素有：親核物質(zhì)離開(kāi)溶液到達(dá)反應(yīng)中心的難易程度；成鍵原子貢獻(xiàn)出電子以形成過(guò)渡態(tài)的能力。因此親核物質(zhì)的親核性隨其溶劑化能減少而增加，因?yàn)檩^大原子（如S，I）的價(jià)電子更加容易極化，并且較大“軟”物質(zhì)通常具有較低的溶劑化能，它們與較小的硬物質(zhì)相比是更好的親核物質(zhì)。F-到Cl-、Br-、I-親核性依次增加HS-比HO-是更好的親核試劑8813.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

影響化學(xué)物質(zhì)親核性的主要因素有：1813.2飽和碳原子【詳注13.1】軟硬Lewis酸堿理論Lewis酸：電子受體，親電物質(zhì)Lewis堿：給電子，親核物質(zhì)硬酸和硬堿相對(duì)較小，具有較高的電負(fù)性和較低的極化率軟的酸和堿相對(duì)較大，具有較低電負(fù)性和較高的極化率規(guī)則1－平衡規(guī)則。硬酸傾向于與硬堿相聯(lián)系，軟酸傾向于與軟堿相聯(lián)系規(guī)則2－動(dòng)力學(xué)規(guī)則。硬酸易于與硬堿反應(yīng)，軟酸易于與軟堿反應(yīng)硬物質(zhì)邊界物質(zhì)軟物質(zhì)8913.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

【詳注13.1】軟硬Lewis酸堿理論規(guī)則1－平衡規(guī)則表13.5與鹵代烷烴發(fā)生SN2反應(yīng)時(shí)，親核物質(zhì)為了與水競(jìng)爭(zhēng)所必需具有的濃度計(jì)數(shù)值在淡水環(huán)境，親核物質(zhì)的濃度都很低，不足以與水競(jìng)爭(zhēng)。但是在海水中，Cl-足以與水分子競(jìng)爭(zhēng)；在地下水硫酸鹽環(huán)境，HS-成為很好的親核試劑。9013.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)（13.5）表13.5與鹵代烷烴發(fā)生SN2反應(yīng)時(shí)，親核物質(zhì)為了與水9113.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)【例題13.2】某些包含甲基溴的反應(yīng)問(wèn)題在含有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，試估計(jì)以低濃度（<1mmol·L-1）存在的甲基溴的半衰期。已知在pH值7.0，25℃的純水中，CH3Br的半衰期約為20d。解答由于所有的親核物質(zhì)的濃度都過(guò)量（遠(yuǎn)大于[CH3Br]0）,CH3Br發(fā)生的反應(yīng)可以描述為假一級(jí)反應(yīng)，其一級(jí)反應(yīng)速率kobs為(1)

2113.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)【例題139213.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)通過(guò)表13.5可以看出它與NO3-和OH-的反應(yīng)可被忽略。為了估計(jì)與其他親核物質(zhì)反應(yīng)的速率常數(shù)，將s=1代入重排過(guò)的式（13.3）得

（2）將表13.3中的nNu,CH3Br值代入式（2），各親核物質(zhì)j的kNu代入式（1），得

（3）將不同親核物質(zhì)的濃度代入式（3），得這一計(jì)算說(shuō)明甲基溴與氯的反應(yīng)的重要性約是其中性水解的2倍，而與另兩個(gè)親核物質(zhì)反應(yīng)僅占CH3Br總變化速率10%。注意，在某些情況下，一個(gè)小反應(yīng)可能因生成更加持久的有毒產(chǎn)物（本例中是乙腈，CH3CN）而變得相當(dāng)重要。2213.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)通過(guò)表13.9313.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)故用已知的水解半衰期（20d）計(jì)算kH2O為所以，CH3Br在水溶液中的半衰期為在純水中2313.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)在純水中親核物質(zhì)越弱，就可能是越好的離去基團(tuán)。因此，可以推測(cè)甲基鹵的反應(yīng)活性按以下順序降低：CH3F>CH3Cl>CH3Br>CH3I.然而，試驗(yàn)得到的信息確幾乎相反。

94（4）離去基團(tuán)圖13.3 25℃時(shí)甲基鹵與不同親核物質(zhì)反應(yīng)的二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)離去基團(tuán)L二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k/（L·mol-1·S-1）13.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

鍵本身的強(qiáng)弱也是決定反應(yīng)速率的一個(gè)主要因素，如甲基鹵的反應(yīng)活性順序就是由碳-鹵鍵的強(qiáng)弱決定。親核物質(zhì)越弱，就可能是越好的離去基團(tuán)。因此，可以推測(cè)甲基鹵的在很多情況下不可能也沒(méi)有必要對(duì)某一親核取代反應(yīng)嚴(yán)格的界定其屬于SN1反應(yīng)還是SN2反應(yīng)，如果在親核取代反應(yīng)中親核物質(zhì)起到它所能夠起的最重要的作用，則認(rèn)為是一個(gè)SN2反應(yīng)。在另一種極端的情況下，即SN1反應(yīng)中，親核物質(zhì)完全與反應(yīng)速率無(wú)關(guān)。如比較鹵代烷烴的水解半衰期，我們注意到當(dāng)碳-鹵鍵的碳從伯碳、仲碳變化到叔碳時(shí)，反應(yīng)速率急劇增加。在這個(gè)變化過(guò)程中，給電子的甲基使碳陽(yáng)離子穩(wěn)定性增加，從而降低了形成碳陽(yáng)離子所需要的活化能，使得反應(yīng)向SN1反應(yīng)機(jī)理移動(dòng)。9513.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

在很多情況下不可能也沒(méi)有必要對(duì)某一親核取代反應(yīng)嚴(yán)格的界定其屬9613.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

表13.625℃時(shí)中性pH值下一些單鹵代烴的水解半衰期與推測(cè)的反應(yīng)機(jī)理2613.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

表13.小結(jié)在SN1和SN2這兩種極端情況之間，親核物質(zhì)的相對(duì)重要性取決于幾個(gè)因素：親核物質(zhì)本身、不同的空間排列（空間位阻）以及靜電場(chǎng)（組合的穩(wěn)定性）等因素。至于產(chǎn)物形成的可能性，我們已經(jīng)了解只有當(dāng)其他親核物質(zhì)以較可觀的濃度存在，并且以類(lèi)似SN2機(jī)理發(fā)生反應(yīng)時(shí)它才能與水競(jìng)爭(zhēng)。97圖13.5烷基溴與硫化物的反應(yīng)歷程小結(jié)在SN1和SN2這兩種極端情況之間，親核物質(zhì)的相對(duì)環(huán)境條件下多鹵代甲烷的水解很慢，這主要是由于體積較大且富含電子的鹵元素產(chǎn)生的空間位阻和反饋鍵，因此這類(lèi)化合物在碳原子上的親核取代反應(yīng)的環(huán)境顯著性較小。但多鹵代甲烷與其它多鹵代化合物在一定的環(huán)境條件下，可能通過(guò)其他途徑如脫鹵化氫還原作用而發(fā)生反應(yīng)。13.2.2多鹵代烷烴的消除反應(yīng)機(jī)理

（PolyhalogenatedAlkanes-EliminationMechanisms）β-消除反應(yīng)。如果L為鹵素，則這類(lèi)反應(yīng)成為脫鹵化氫反應(yīng)9813.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)13.2.2多鹵代烷烴的消除反應(yīng)機(jī)理

（Polyhalo反應(yīng)程度自由能消除反應(yīng)是以一種“協(xié)同“的方式發(fā)生的，多鹵代化合物與堿相互作用并且生成一種過(guò)渡狀態(tài)。該反應(yīng)服從二級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律E2機(jī)理99圖13.161，1，2，2-四氯乙烷通過(guò)E2機(jī)理發(fā)生β-消除反應(yīng)時(shí)反應(yīng)物、活性配合物以及產(chǎn)

物的相對(duì)自由能13.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)

反應(yīng)程度自由能消除反應(yīng)是以一種“協(xié)同“的方式發(fā)親核取代反應(yīng)與-消除反應(yīng)的相對(duì)重要性

通常，如果分子中親核取代反應(yīng)存在空間位阻，且/或者在攜帶離去基團(tuán)的碳原子鄰位碳上存在相對(duì)酸性的質(zhì)子時(shí)，β-消除反應(yīng)是重要的。酸性越強(qiáng)，反應(yīng)發(fā)生越快。越是多鹵代越符合這種特征。一般E2反應(yīng)要求反平面結(jié)構(gòu)。10013.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)林丹的結(jié)構(gòu)圖：親核取代反應(yīng)與-消除反應(yīng)的相對(duì)重要性

通常，如果分子中親核E1CB機(jī)理和E2反應(yīng)它們都是由堿攻擊不穩(wěn)定的氫開(kāi)始反應(yīng)。不同在于，E1CB是通過(guò)普通的酸堿反應(yīng)開(kāi)始其降解過(guò)程的，而不是通過(guò)協(xié)同反應(yīng)（E2機(jī)理）開(kāi)始的。這種反應(yīng)主要在烷基底物的化合物中發(fā)生，它們具有高酸性的氫，并且具有提供穩(wěn)定碳陰離子的能力。DDT1,1-二氯-2,2,2-三氯乙烷

10113.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)E1CB機(jī)理和E2反應(yīng)它們都是由堿攻擊不穩(wěn)定的氫開(kāi)始反E1與E2反應(yīng)E1（E代表消除反應(yīng)，1代表單分子），若存在攜帶一個(gè)或幾個(gè)H的鄰接碳原子，它通常會(huì)與SN1反應(yīng)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)。消除反應(yīng)的機(jī)理也可能是介于E1與E2之間的中間情況（與親核取代反應(yīng)的陳述類(lèi)似）。13.1110213.2飽和碳原子上的親核取代與消除反應(yīng)E1與E2反應(yīng)E1（E代表消除反應(yīng)，1代表單分子），若存在攜小結(jié)具有飽和碳鹵鍵的環(huán)境物質(zhì)的親核取代與β-消除反應(yīng)鹵素從有機(jī)分子的飽和碳上移去的反應(yīng)（SN或E機(jī)理）的活化能介于80–120kJ·mol-1之間。因此這些反應(yīng)對(duì)溫度非常敏感，10℃的溫差就意味著反應(yīng)速率相差3-5倍?；衔锟梢酝ㄟ^(guò)幾種相互競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)理發(fā)生反應(yīng)。這種情況下，總的反應(yīng)速率將由各獨(dú)立的反應(yīng)速率組合得到。即103小結(jié)具有飽和碳鹵鍵的環(huán)境物質(zhì)的親核取代與β-消除反應(yīng)3313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)HydrolyticReactionsofCarboxylicandCarbonicAcidDerivatives13.3.1酯的水解反應(yīng)（CarboxylicAcidEsters）P339從13.14-圖13.7X脂類(lèi)官能團(tuán)的鍵被定義為-Z-O-R，其中Z=C,P,S;X=O,S;R是碳核取代基。其中X可能是O、S或者NR。羧酸衍生物和碳酸衍生物的例子10413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)13.3.1酯的圖中反應(yīng)速率的變化是三個(gè)獨(dú)立反應(yīng)的同時(shí)發(fā)生的結(jié)果：被H+催化的反應(yīng)OH-催化的水解由H2O的攻擊而發(fā)生。

圖13.825℃時(shí)一些羧酸酯的水解半衰期隨pH值的變化簡(jiǎn)化為表觀水解（假一級(jí)反應(yīng)）速率常數(shù)kh水解半衰期：10513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖中反應(yīng)速率的變化是三個(gè)獨(dú)立反應(yīng)的同時(shí)發(fā)生的結(jié)果：圖13.8酸、堿及中性催化反應(yīng)對(duì)總水解反應(yīng)的相對(duì)重要性中性反應(yīng)速率在某些pH范圍內(nèi)有顯著貢獻(xiàn)中性反應(yīng)的貢獻(xiàn)可忽略酸、堿及中性催化反應(yīng)是三種差異很大的反應(yīng)，它們各自有不同的反應(yīng)機(jī)理，因此有不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。由于反應(yīng)活化能不同，各反應(yīng)的相對(duì)重要性（由I表示）取決于反應(yīng)溫度。此外，取代基團(tuán)對(duì)三種催化反應(yīng)也有不同的影響。Lg(kN/kA)Lg(kN/kBkW)10613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)酸、堿及中性催化反應(yīng)對(duì)總水解反應(yīng)的相對(duì)重要性中性反應(yīng)速率在某10713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題13.4】由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出水解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

考慮2,4-二硝基苯基乙酸酯（DNPA）水解的情況，它在pH值>2時(shí)的酸催化反應(yīng)是不重要的（見(jiàn)圖13.8）。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)課上，用HPLC法測(cè)得均勻水溶液中DNPA的濃度在不同pH值與溫度條件下隨時(shí)間變化的情況（詳見(jiàn)Klausen等，1997）。問(wèn)題

試確定22.5℃，pH值分別為5.0和8.5時(shí)這一反應(yīng)的（假）一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)kh，所需數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.3713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題110813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)表1解答假定一個(gè)（假）一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)kh可以通過(guò)ln([DNPA]t/[DNPA]o)對(duì)時(shí)間的最小二乘擬合得到（參見(jiàn)圖1），即3813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)表1解答10913.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)得到kh值為注意這里kh隨pH值增加而增加，這表明至少在較高pH值下堿催化反應(yīng)其重要作用。(1)圖1ln([DNPA]t/[DNPA]o)對(duì)時(shí)間的最小二乘擬合3913.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)得到kh11013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)問(wèn)題

用上述給出的數(shù)據(jù)導(dǎo)出22.5℃時(shí)DNPA在中性和堿性催化水解時(shí)的速率常數(shù)（kN與kB）。在什么樣的pH值條件下，兩種反應(yīng)同樣重要？解答

設(shè)在考察的pH值范圍內(nèi)酸催化反應(yīng)不重要，則式（3.17）可簡(jiǎn)化為(2)發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值為4.0和5.0時(shí)，kh的值非常接近，這說(shuō)明直到pH值為5.0時(shí)堿催化反應(yīng)都可以忽略，因此4013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)問(wèn)題(211113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)由這個(gè)kN值，重新整理式（2），可以確定kB為氫氧根離子的濃度由下式計(jì)算[見(jiàn)式（8.18）]注意溫度會(huì)強(qiáng)烈影響水的電離常數(shù)Kw。在22.5℃時(shí)Kw=10-14.08（見(jiàn)附錄D表D2）。所以，當(dāng)pH值=8.5（即[H+]=10-8.5）時(shí)，[OH-]=10-5.58

，以及4113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)由這個(gè)k11213.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)注意溫度會(huì)強(qiáng)烈影響水的電離常數(shù)Kw。在22.5℃時(shí)Kw=10-14.08（見(jiàn)附錄D表D2）。所以，當(dāng)pH值=8.5（即[H+]=10-8.5）時(shí)，[OH-]=10-5.58，以及中性和堿催化反應(yīng)同樣重要時(shí)的pH值即INB可以通過(guò)下式計(jì)算（見(jiàn)圖13.9）。因此，在pH值為8.5時(shí)，通過(guò)堿催化的DNPA水解占優(yōu)勢(shì)。4213.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)注意溫度11313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)問(wèn)題

使用表2給出的數(shù)據(jù)導(dǎo)出DNPA中性水解的Arrhenius活化能Ea。T(℃)kN/s-11/T/K-1lnkN/s-117.73.1×10-50.00344-10.3822.54.4×10-50.00338-10.0325.05.2×10-50.00335-9.8630.07.5×10-50.00330-9.50解答

根據(jù)式（12.29），速率常數(shù)隨溫度變化可以描述為4313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)問(wèn)題T(11413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)

注意，在我們考慮的溫度范圍內(nèi)，假定Ea為常數(shù)。將攝氏溫度（℃）轉(zhuǎn)化為開(kāi)氏溫度（K）,并且計(jì)算1/T的值，并對(duì)kN取自然對(duì)數(shù)（見(jiàn)表2）。將lnkN對(duì)1/T作最小二乘擬合，其斜率為因此有測(cè)得堿催化反應(yīng)中的Ea值為60.0kJ·mol-1（數(shù)據(jù)沒(méi)有列出）。4413.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)注意，11513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題13.5】計(jì)算水解反應(yīng)時(shí)間溫度與pH值的變化問(wèn)題

分別計(jì)算下列條件下DNPA通過(guò)水解減少到其初始濃度的50%（半衰期）與5%時(shí)所需的時(shí)間：（1）處于湖的變溫層內(nèi)（T=22.5℃，pH值=8.5）；（2）處于同一個(gè)湖的均溫層中（T=5℃，pH值=7.5）。解答水解半衰期可以通過(guò)下式計(jì)算。(12.13)4513.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)【例題11613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)用類(lèi)推的方法，濃度減少到5%（[DNPA]t/[DNPA]o=0.05）時(shí)所需的時(shí)間為[見(jiàn)【例題13.4】中的式（1）]用前面導(dǎo)出的kN與kB的值以及[OH-]=10-5.58mol·L-1計(jì)算22.5℃、pH值8.5時(shí)的kh。注意在pH值8.5、22.5℃時(shí)，堿催化水解占優(yōu)勢(shì)。將kh代入式（12.13）與式（1），得(1)4613.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)用類(lèi)推的11713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)②用上面導(dǎo)出的22.5℃（295.7K）時(shí)相應(yīng)的速率常數(shù)計(jì)算5℃時(shí)（278.2K）的kN和kB值[見(jiàn)式（12.30）]。其中T2=295.7K，T1=278.2K，且Ea是【例題13.4】中給出的活化能，得到如下結(jié)果。與變溫層相反，DNPA在均溫層中的水解是中性催化反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為4713.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)②11813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)

因此，在題設(shè)條件下，DNPA在湖中變溫層的水解比在均溫層的水解快約40倍。4813.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.10羧酸酯酸催化水解的假想反應(yīng)路線質(zhì)子進(jìn)攻速控步電荷轉(zhuǎn)移離去基團(tuán)離去氫釋放中間四面體11913.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.10羧酸酯酸催化水解的假想反應(yīng)路線質(zhì)子進(jìn)攻速控步電12013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)酯因酸催化水解而減少的速率為那么我們可以把質(zhì)子化酯分子的濃度表示成（1）酸催化水解5013.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)酯因酸催12113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)或者，將式（13.20）代入式（13.20）得因此，二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)可以從其他速率常數(shù)的組合得到，即5113.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)或者，將為什么酸催化酯水解對(duì)電子取代效應(yīng)相對(duì)不那么敏感呢？吸電子能力強(qiáng)，減少了速率限制步驟的，從而使kA’增加。吸電子取代使酯基團(tuán)更加酸化，引起質(zhì)子化酯的Ka增加。從而造成kA的變化不明顯。12213.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)為什么酸催化酯水解對(duì)電子取代效應(yīng)相對(duì)不那么敏感呢？52圖13.11羧酸酯的堿催化水解反應(yīng)路線（2）堿催化水解12313.3羧酸衍生物與碳酸衍生物的水解反應(yīng)圖13.11羧酸酯的堿催化水解反應(yīng)路線（2）堿催化水解5312413.3羧酸衍