sp3雜化碳原子親核取代反應(yīng)NucleophilicSubstitutionsat

sp3HybridizedCarbon第八章sp雜化碳原子的親核取代專家講座第1頁本章重點內(nèi)容SN1和SN2反應(yīng)機(jī)理SN1和SN2反應(yīng)影響原因SN1和SN2反應(yīng)立體化學(xué)SN1與SN2反應(yīng)競爭問題SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用

1.實現(xiàn)官能團(tuán)相互轉(zhuǎn)化

2.C－C鍵形成sp雜化碳原子的親核取代專家講座第2頁親核取代反應(yīng)

NucleophilicSubstitutionReaction試驗事實結(jié)論：兩種不一樣機(jī)理sp雜化碳原子的親核取代專家講座第3頁兩種不一樣親核取代反應(yīng)機(jī)理

—SN1和SN2雙分子親核取代反應(yīng)（SN2）單分子親核取代反應(yīng)（SN1）sp雜化碳原子的親核取代專家講座第4頁SN1和SN2反應(yīng)影響原因底物RX（以鹵代烴和磺酸酯為代表)離去基團(tuán)X-親核試劑:Nuor:Nu-溶劑sp雜化碳原子的親核取代專家講座第5頁1.SN2反應(yīng)機(jī)理一步反應(yīng)，動力學(xué)表現(xiàn)為二級反應(yīng)親核試劑是從離去基團(tuán)后面進(jìn)攻——所以發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化一、SN2反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第6頁SN2反應(yīng)中過渡態(tài)結(jié)構(gòu)：sp2雜化新鍵已部分形成，舊鍵已部分?jǐn)嗔?.SN2反應(yīng)機(jī)理一、SN2反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第7頁1.SN2反應(yīng)機(jī)理一、SN2反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第8頁2.SN2反應(yīng)影響原因1)Substrate（底物）----StericEffectsSN2反應(yīng)活性:methyl>10>20>30一、SN2反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第9頁2.SN2反應(yīng)影響原因1)Substrate（底物）----StericEffectssp雜化碳原子的親核取代專家講座第10頁2)TheleavingGroup（離去基團(tuán)）離去基團(tuán)離去傾向越大，SN2反應(yīng)活性越高。

堿性越弱，離去基團(tuán)離去傾向越大。

Relativereactive（反應(yīng)活性）:

OH-,NH2-,OR-,<F-<Cl-<Br-<I-<TsO-一、SN2反應(yīng)2.SN2反應(yīng)影響原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第11頁3)Nucleophile(親核試劑)Thenucleophilecanbeneutralornegativelychargedaslongasithasanunsharedpairofelectrons.SoitisalsoaLewisbase（路易斯堿）.Basicity(堿性)---howwellthebaseshareselectronswithaproton.Nucleophilicity(親核性)---howreadilythenucleophileisabletoattackanatom(e.g.carbon)otherthanaproton.一、SN2反應(yīng)2.SN2反應(yīng)影響原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第12頁3)Nucleophile(親核試劑)親核試劑親核性越強(qiáng)，反應(yīng)活性越高。親核性強(qiáng)弱常受到底物、溶劑甚至是濃度影響。所以，比較親核試劑強(qiáng)弱應(yīng)該確定一個標(biāo)準(zhǔn)，最好在相同底物和相同反應(yīng)條件下比較：一、SN2反應(yīng)2.SN2反應(yīng)影響原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第13頁3)Nucleophile(親核試劑)關(guān)于親核試劑親核性強(qiáng)弱次序尚無完善解釋，不過普通有以下規(guī)律:①當(dāng)親核試劑進(jìn)攻原子大小相同或相近時，親核性強(qiáng)弱次序與堿性基本相同；

如：

-CH3>-NH2>HO->F-；

HO->H2O；CH3O->CH3OH；

-NH2>NH3；一、SN2反應(yīng)2.SN2反應(yīng)影響原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第14頁3)Nucleophile(親核試劑)②在質(zhì)子性溶劑中，同一族元素原子隨周期數(shù)增加親核性增加(堿性降低）。

原因：原子可極化性

溶劑化效應(yīng)一、SN2反應(yīng)2.SN2反應(yīng)影響原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第15頁原子半徑越大，可極化性越大，易成鍵。sp雜化碳原子的親核取代專家講座第16頁4)

TheSolvent對親核性影響（溶劑）Proticsolvents(質(zhì)子性溶劑)—含有-OH或-NH—不利于SN2反應(yīng)一、SN2反應(yīng)2.SN2反應(yīng)影響原因原因：質(zhì)子性溶劑使親核試劑陰離子溶劑化，即發(fā)生離子－偶極相互作用，親核性降低。堿性越強(qiáng)，親核性降低越大。sp雜化碳原子的親核取代專家講座第17頁Inproticsolvents,theweakerthebasicityofnucleophile,thestrongerthenucleophilicity.sp雜化碳原子的親核取代專家講座第18頁4)

TheSolvent（溶劑）

Aproticpolarsolvents（非質(zhì)子極性溶劑）—極性很強(qiáng)，但不含有-OH或-NH

acetonitrile(CH3CN),dimethylformamide[HCON(CH3)2,DMF]dimethylsulfoxide[(CH3)2SO,DMSO],hexamethylphosphoramide{[(CH3)2N]3PO,HMPA}

—有利于SN2反應(yīng)

原因：非質(zhì)子極性溶劑只能讓陽離子溶劑化，從而使親核試劑負(fù)離子“裸露”，親核性增大。一、SN2反應(yīng)2.SN2反應(yīng)影響原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第19頁DMSOsp雜化碳原子的親核取代專家講座第20頁SummaryTheSN2reactionisworstwhencarriedoutwithahinderedsubstrate,aneutralnucleophile,andaproticsolvent.

即位阻大底物、中性（弱）親核試劑、和質(zhì)子性溶劑不利于SN2反應(yīng)一、SN2反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第21頁ExerciseForeachofthefollowingpairsofSN2reactions,indicatewhichoccurswiththelargerrateconstant?CH3CH2Br+H2OorCH3CH2Br+HO-(CH3)2CHCH2Br+HO-orCH3CH2CH(CH3)Br+HO-CH3CH2Cl+CH3O-orCH3CH2Cl+CH3S-CH3CH2Cl+I-orCH3Br+I-一、SN2反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第22頁What’sgoingonhere?----analternativesubstitutionmechanism二、SN1反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第23頁1.SN1反應(yīng)機(jī)理—一級反應(yīng),v=k[RX]—兩步反應(yīng),限速步驟是碳正離子形成二、SN1反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第24頁二、SN1反應(yīng)1.SN1反應(yīng)機(jī)理sp雜化碳原子的親核取代專家講座第25頁2.影響SN1反應(yīng)原因1)TheSubstrate（底物）鹵代烴和磺酸酯SN1反應(yīng)活性次序基本上與碳正離子穩(wěn)定性次序相同:+CH3<10<Allyl~Benzyl~20<30

二、SN1反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第26頁2)TheLeavingGroup（離去基團(tuán)）離去基團(tuán)在SN1反應(yīng)中離去傾向：H2O<Cl-<Br-<I-~TsO–

注意：醇SN1反應(yīng)常在酸性條件下進(jìn)行，而中性水分子是離去基團(tuán)。這是醇親核取代反應(yīng)與鹵代烴不一樣之處二、SN1反應(yīng)2.影響SN1反應(yīng)原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第27頁3)TheNucleophile（親核試劑）因為在SN1反應(yīng)中，親核試劑是在限速步驟發(fā)生后才進(jìn)入反應(yīng)，所以，不影響反應(yīng)速率進(jìn)而，能夠預(yù)計中性親核試劑與負(fù)離子親核試劑一樣有效，所以，SN1反應(yīng)常在中性或酸性條件下進(jìn)行。二、SN1反應(yīng)2.影響SN1反應(yīng)原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第28頁4)TheSolvent（溶劑）二、SN1反應(yīng)2.影響SN1反應(yīng)原因SN1reactionstakeplacemuchmorerapidly

inpolarsolventsthaninnonpolarsolvents.sp雜化碳原子的親核取代專家講座第29頁4)TheSolvent（溶劑）

要強(qiáng)調(diào)是：SN1和SN2反應(yīng)均受溶劑很大影響，不過它們作用機(jī)制不一樣SN2在質(zhì)子性溶劑中是不利，因為親核試劑被溶劑化作用降低了反應(yīng)活性SN1反應(yīng)卻是在質(zhì)子性溶劑中有利，因為反應(yīng)中產(chǎn)生活潑中間體碳正離子過渡態(tài)能被溶劑化作用穩(wěn)定二、SN1反應(yīng)2.影響SN1反應(yīng)原因sp雜化碳原子的親核取代專家講座第30頁不一樣溶劑化作用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第31頁二、SN1反應(yīng)3.

SN1反應(yīng)中碳正離子重排反應(yīng)在SN1反應(yīng)中形成碳正離子中間體有重排成更穩(wěn)定碳正離子趨勢。sp雜化碳原子的親核取代專家講座第32頁二、SN1反應(yīng)3.

SN1反應(yīng)中碳正離子重排反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第33頁Exercise1.為以下SN1反應(yīng)活性排序：

a.2-bromopentaneb.2-chloropentane,c.1-chloropentanec.3-bromo-3-methylpentane二、SN1反應(yīng)2.判斷以下各鹵代烴形成SN1和SN2反應(yīng)產(chǎn)物是否相同？sp雜化碳原子的親核取代專家講座第34頁SN2反應(yīng)立體化學(xué)

得到構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物。三、SN1和SN2反應(yīng)立體化學(xué)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第35頁SN1反應(yīng)立體化學(xué)

得到構(gòu)型保持和構(gòu)型翻轉(zhuǎn)兩種產(chǎn)物。三、SN1和SN2反應(yīng)立體化學(xué)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第36頁三、SN1和SN2反應(yīng)立體化學(xué)SN1反應(yīng)立體化學(xué)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第37頁2.SN1反應(yīng)立體化學(xué)三、SN1和SN2反應(yīng)立體化學(xué)Completeracemization（完全外消旋化）Partialracemization（部分外消旋化）sp雜化碳原子的親核取代專家講座第38頁四、SN2和SN1競爭問題SN1和SN2反應(yīng)比較sp雜化碳原子的親核取代專家講座第39頁四、SN2和SN1競爭問題SN2SN1RinSubstrate1.methyland10√

×2.20

√

√

3.10&

20benzylic,allylic√

√4.

30×

√5.

Vinylicandaryl

××Nucleophilegoodpoorhighconc.Lowconc.SolventDMSOH2OoracetoneorROHsp雜化碳原子的親核取代專家講座第40頁五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用實現(xiàn)官能團(tuán)相互轉(zhuǎn)化C－C鍵形成

sp雜化碳原子的親核取代專家講座第41頁1.經(jīng)過SN1和SN2反應(yīng)實現(xiàn)官能團(tuán)相互轉(zhuǎn)化五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第42頁1.1鹵代烴與醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第43頁1.1鹵代烴與醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)醇轉(zhuǎn)化為鹵代烴常在酸性條件下進(jìn)行，因為羥基不是一個好離去基團(tuán)。多數(shù)為SN1反應(yīng)。sp雜化碳原子的親核取代專家講座第44頁鄰基參加效應(yīng)（自學(xué)）1.1鹵代烴與醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第45頁1.1鹵代烴與醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)鄰基參加效應(yīng)（自學(xué)）sp雜化碳原子的親核取代專家講座第46頁醇能夠經(jīng)過磺酸酯轉(zhuǎn)化為鹵代烴1.1鹵代烴與醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第47頁1.2Williamson醚合成Question:Howtosynthesizethefollowingether?五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第48頁Theansweris----pathaiscorrectWhy?五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用1.2Williamson醚合成sp雜化碳原子的親核取代專家講座第49頁五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用1.2Williamson醚合成sp雜化碳原子的親核取代專家講座第50頁1.3胺制備—烷基化反應(yīng)混合胺，問題在于怎樣控制反應(yīng)停留在適當(dāng)階段。五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第51頁這是一個制備伯胺好方法五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用1.4胺制備—烷基化反應(yīng)sp雜化碳原子的親核取代專家講座第52頁1.4胺制備—經(jīng)過醇磺酸酯五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第53頁2.應(yīng)用含碳親核試劑實現(xiàn)C-C鍵形成2.1含碳親核試劑與雜原子親核試劑區(qū)分因為碳親核試劑強(qiáng)堿性，使得它們輕易進(jìn)攻連碳?xì)涠l(fā)消去反應(yīng)，所以它們更多地用于對sp2-雜化碳加成，而較少用于對sp3-雜化碳取代。這一部分包括碳親核試劑很活潑，在空氣中和水存在下難以穩(wěn)定存在，所以對反應(yīng)條件提出了更高要求。五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第54頁2.2含碳親核試劑制備及應(yīng)用碳親核試劑主要有以下幾個：1)sp-雜化碳試劑：RC≡C-，

-

CNRC≡C-主要是經(jīng)過酸堿反應(yīng)取得炔基負(fù)離子與鹵代烴或磺酸酯反應(yīng)是合成炔烴良好方法sp雜化碳原子的親核取代專家講座第55頁-CN作親核試劑——腈和羧酸制備一級鹵代烷與氰化鈉反應(yīng)得腈后水解是制備增加一個碳羧酸好方法三級鹵代烷易發(fā)生消去反應(yīng)，二級鹵代烷產(chǎn)率不高腈控制水解是一個制備增加一個碳酰胺方法.2.2含碳親核試劑制備及應(yīng)用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第56頁2)有機(jī)金屬化合物

(OrganometallicCompounds)有機(jī)金屬化合物在有機(jī)合成中應(yīng)用越來越廣，尤其是在不對稱合成中應(yīng)用。它們一個特點是對反應(yīng)條件要求高(因為活潑性高)。它們也廣泛地用于親核加成反應(yīng)（以后講）2.2含碳親核試劑制備及應(yīng)用五、SN1和SN2反應(yīng)在合成上應(yīng)用sp雜化碳原子的親核取代專家講座第57頁2)OrganometallicCompoundsFormationofOrganolithiumandOrganomagnesiumCompoundsOrganometalliccompoundisacompoundthatcontainsacarbon-metalbond.Theyareformedbytreatmentofanalkylhalideorarylhalidewithazero-valentmetal,usuallylithiumormagnesium.sp雜化碳原子的親核取代專家講座第58頁3)OrganometallicCompoundssp雜化碳原子的親核取代專家講座第59頁Themetalatomsinbothorganolithiumandorganomagnesiumcompoundscoordinateparticularlywellwiththeoxygenatomsofethers.Therefore,ethersuchasTHForethyletherarecommonlyusedassolventsforboththeformationoforganometallicreagentsandtheirsubsequentreactions.3)OrganometallicCompoundssp雜化碳原子的親核取代專家講座第60頁OrganomagnesiumcompoundsarecommonlycalledGrignardReagents（格氏試劑）

inrecognitionoftheFrenchchemistFrancoisVictorGrignard,whowashonoredin1912withtheNobelprizeforhisdiscoveryofthisclassofcompounds.3)OrganometallicCompoundssp雜化碳原子的親核取代專家講座第61頁ReactionsofOrganolithiumandOrganomagnesiumCompounds

theyareverystrongbasesandpromoteeliminationreaction.WithEpoxides----SN2reactionItisagoodpathwaytoobtainprimaryalcoholwithincreasingtwocarbonatoms.TheC-O