第六章 脂肪族亲核取代反应

第六章 脂肪族亲核取代反应谢斌 教授

R L + Nu底物6.1

-

+ R Nu L离去基

亲核试剂试剂与亲核性

具有亲核性的试剂叫亲核试剂，亲核性是指试剂 与正电性碳原子的成键能力，亲核试剂可以是中性

分子和离子。不同亲核试剂的亲核性不同，亲核试剂均为路易斯

碱。碱性(质子理论)是指试剂与质子的结合能力，多数 情况下二者的强度一致。

1. 亲核原子相同时，亲核性大小与碱性一致。 RO- > HO- > ArO- > RCOO- > ROH > H2OCH3 > OO> OCl > ONO2

取代基的供电性越强，亲核性和碱性越强。 2. 亲核性原子为同周期元素的原子时，其亲核性与碱 性大致一致。-

R3C > R2N >RO > F

3. 同族元素原子的亲核性大小与碱性相反，即原子半径较小者，碱性较大，而亲核性则较小。 亲核性(质子性溶剂中): PhSe- > PhS- > PhO4. 空间效应 I- > Br- > Cl- > F-

碱性: CH3O- < (CH3)3CO亲核性: CH3O- > (CH3)3COR + CH3I N N CH3 R I-

电子效 应

空间位阻

CH3 N N N CH3 CH3 N N C(CH3)3

CH3

k相对 : 2.3

1.0

0.5

0.04

0.0002

亲核性降低 6.2 亲核取代反应历程 6.2.1 双分子亲核取代反应历程(SN2)

协同的一步反应，新键的形成和旧键的断裂是同时进行的，亲核试剂从离去基背面进攻中心碳原子，过渡

态为五配位的三角双锥构型。

R Nu- + R1 R2

RCδ+

X

δ-

慢

δδ[Nu C X ] R1 R2

R Nu C R2 R1 + X-

TS

特点： 动力学上为二级反应; 协同反应(一步完成，无中间体); 产物的构型翻转。

6.2.2单分子亲核取代反应历程(SN1)动力学上为一级反应，反应速度只与反应底物有关 而与亲核试剂的性质和浓度无关。 v = k1[RX]R X

慢

δ+ [R

δX]

TS1R + Nu+ -

Iδ+ [R

X + R +

定速步骤

δ Nu]

-

R Nu

TS2

特点：

动力学上为一级反应；分步完成(两个过渡态和一个中间体); 可能发生重排； 外消旋化。 6.3 亲核取代反应的立体化学 1.SN2历程的立体化学

发生Walden转化即伞型效应n-C6H13 C H CH3 BrOH-

C6H13-n HO C H CH3 + Br-

[ ]=-34.6

[ ]=49.9

n-C6H13 C 128 - + I CH3

H

I

128

I

H C6H13-n C + I CH3

S-2-碘辛烷

R-2-碘辛烷-128I

反应过程中，旋光性逐渐降低到零，即外消旋化v外 = 2v取 构型与构型标记，构型与旋光性的关系？ 2、SN1历程的立体化学

碳正离子中心碳为sp2杂化，平面结构，有空p轨道，理论上产物外消旋化。R C+ R1 R2

R C R1 R2 50% Nu + Nu C

R R1

R2 50%

Nu-

dl

这取决于底物结构和试剂性质，通常情况是外消旋化与 构型翻转同时存在。

(1)当形成的碳正离子稳定性较小时，被试剂进攻时，

离去基尚未完全离开，在一定程度上产生了遮蔽效应，妨碍了Nu-从离去基的方向进攻，主要得构型反转的产

物；(2)如果试剂浓度低，碳正离子稳定

性大，可顺利成 为自由离子，与离去基X-分开后才接受Nu-进攻，这时 产物为外消旋化； (3)如果进攻试剂的浓度较高，被X-遮蔽的碳正离子

受试剂背面进攻的机会增加，构型反转比例增加。

在SN1反应中，有一些产物不是从自由的碳正离子中间体形成的，而是从离子对形成。一起被溶 底物的离解分为三步 剂化 有屏蔽作 用 X-对Nu-

离子对历程R

正负离子有 作用，但被 溶剂分隔开

正负离子无 作用，分别 被溶剂化

R X底物

内返

R X

+ -

+

X

-

R+ + X 自由碳正离子

紧密离子对

溶剂分离子对

NuSN 2构型翻转

Nu

-

Nu

-

NuSN1

构型翻转

构型翻转 > 构型保持 (部分外消旋化的同时，外消旋化(100%) 有部分构型翻转)

6.4邻基参与 如果亲核试剂与离去基共处于同一分子中，则发 生分子内SN2。HO CH2 CH2ClCa(OH)2

Cl CH2 OCH2

CH2 O

CH2

ClCH2CH2CH2CH2

NH2

KOH H2O

N H

离去基Cl-的离去是由氧负离子(或氮原子)的帮助 下完成的，通常称为邻基协助，邻基参与或邻基效 应(分子内的SN2)。

条件：当邻近基团具有未共用电子对时，在与反应中心的距离适当时，就能发生邻基参与。

结果：①生成环状化合物或环状中间体，②限制产物的构型，③反应速度异常增大。 6.4.1 n参与

1.氧参与O O- ,MeO

O C-OR , CHO ,

O CAr

OH ,

OCH3 ,OTs

OCR ,Me

CH3COO-

OAc

k 反 /k 顺 = 6

反式的产物构型保持不变

MeO

OTs

反式

Me O+AcO-

MeO

OAc

反式H H CH3COOCH3COOH H OAc

k1=2.9× 10-7L.mol-1.S-1

OAc H OAcOTs SN2历程，由于AcO-的吸电子使得碳正离子的形成较困难。

OAc H

CH3COOCH3COOH

OAc H

+

H

-4 -1 -1 OAc k2=1.9× 10 L.mol .S

H

OTs

H

OAc

OAcH

外消旋体Me C O O HO2 1

Me

C

O

镜面对称性 (非手性分子)

H

OTsOAc H + H

H

OAc

OAc-

H

H

OAc

OAc H 50%

50%

只有一个手性碳且反应中心为手性碳时，邻基 参与的结果将是构型保持。Et C HO Me H-Cl-

EtOH-

Et Cl-

Et C C Cl Me H

C

O

EtOH-

Et C

Et C O

Et C H 2 Me

1

-

C OH O Me H 3

邻基参与，构型翻转

SN2反应，构型翻转

3和1与底物构型相同，邻基参与和SN2反应的总结果为构型保持。

Br H Me C C O O-

-Br

-

H Me C O C

O

HOOH-

O C C O-

构型翻转

H构型翻转

Me

2.硫参与ClCH2CH2 S CH2 Cl ClCH2CH2 S

总结果为构型保持CH2OH-

CH2

邻基参与

CH2

SN2

ClCH2CH2S

CH2OH CH2

3.卤素参与

CH3

H + CH3

H

CH3HBr

H Br Br H

CH3

Br OH H CH3

Br OH H

CH3

赤式dl对H CH3 CH3 + HHBr

赤式mesoH Br Br H CH3 CH3 + CH3 CH3 Br Br H H

Br OH H

Br OH H

CH3 CH3

苏式dl对

苏式dl对

Br H H CH3 CH3 OHH+

Br H H CH -H2O3

CH3

Br H CH3 C CBr-

H CH3

OH2

(2S,3S)

(2S,3S)H

(2R,3S)CH3 CH3 + Br Br H (2S,3S) H

Br Br H

CH3 CH3

(2R,3R)

Br H CH3 H OH2 (2R,3S) CH3

Br-H2O

CH3C H C

H3

CH3 H

CBr-

H H

Br Br

(2S,3S)

meso

CH3

手性中间体

6.4.2 π参与 1.C=C的参与

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