若亲核试剂按SN2历程,从背面进攻中心碳原子,位阻大,可能性几乎完全被排除。(氯的背面是一个环,亲核试剂不能从背面进攻,所以SN2反应也很难进行)
若按SN1历程进行,氯化物首先要离解为碳正离子,但桥环系统牵制着桥头碳正离子伸展为平面构型,不稳定。因此阻碍了氯化物的解离,取代反应很难进行。
2.离去基团的性质。
亲核取代反应无论按那种历程进行,离去基团总是带着电子对离开中心碳原子的。因此,无论是SN1或SN2反应,离去基团的碱性越弱,在决定速率步骤中愈容易带着电子对离开中心碳原子,即反应物愈容易被取代。假使离去基团特别容易离去,那么反应中有较多的碳正离子中间体生成,反应就按SN1,假使离去基团不容易离去,反应就按SN2。 如:碱性次序 I< Br < Cl .
在卤代烷中它们的离去倾向是:I> Br > Cl 卤代烷的亲核取代反应活性是:RI > RBr > RCl 也可以从C-X键的键能和可极性化来解释。 一些离去基团的离去次序为:
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至于碱性很强的基团如:R3C、R2N、RO、HO等则不能作为离去基团进行亲核取代反应,
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它们只是在酸性(包括路易斯酸)条件下形成如:R-OH2、R-OH-R,使离去基团的碱性相应减弱后,才有可能进行亲核取代反应。如:
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3.试剂的亲核性。(指试剂与碳原子的结合能力)
在亲核取代反应中,亲核试剂的作用是提供一对电子与RX的中心碳原子成键,若试剂给电子的能力强,则成键快,亲核性就强。
按SN1进行是时,反应速率只决定于RX的解离,而与亲核试剂无关,因此试剂亲核性的强弱,对反应速率不产生显著影响。
按SN2进行时,亲核试剂参与过渡态的形成,其亲核性能的大小对反应速度将产生一定的影响。一般说,进攻的试剂亲核能力越强,反应经过SN2过渡态所需的活化能就越低,SN2反应越易进行。
试剂亲核性与以下因素有关:
(1)一个带负电荷的亲核试剂要比相应呈中性的试剂更为活泼。
如:HO > H2O , RO > ROH
(2)试剂的碱性。
亲核试剂都是带有负电荷或未共用电子对的,所以它们都是路易斯碱,一般说,试剂的碱性愈强,亲核能力也愈强。亲核试剂的亲核能力大致与其碱性强弱次序相对应。 如:
EtO > HO > C6H5O> CH3COO (相同原子负离子越稳定,碱性越弱)
同周期的:R3C > R2N > RO > F(电负性越大,碱性越弱,越不易提供电子对)
(3)试剂的可极化性。
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亲核试剂的可极化性越大,它进攻中心碳原子时,其外层电子就越易变形而伸向中心碳原子,从而降低了形成过渡态时所需的活化能,因此其亲核性能也越强。(碳原子在正电荷的吸引下,亲核试剂负电荷伸向碳正离子)
对碘负离子来说,无论作为亲核试剂还是作为离去基团都表现出很高的活性。因碘负离子可极化性大。亲核性强,碱性弱,易离去。
当伯氯代烷进行SN2水解反应时,常可在溶液中加入少量I,使反应大为加快,而I自身却未耗损。
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(4)溶剂化作用
卤代烷不溶于水,而亲核试剂往往是无机盐,溶于水而不溶或几乎不溶于非极性有机溶剂中,要使亲核取代反应在溶液中进行,常用醇或其他溶液如丙酮中加水,使两者都能溶解。 ①.在醇和水这样的质子溶剂中,亲核试剂与溶剂之间可以形成氢键,即能发生溶剂化作用。带相同电荷的原子,体积小的亲核试剂,形成氢键的能力强,溶剂化作用大,这样,
-削弱了亲核试剂与中心碳原子之间的作用,其亲核性受到溶剂的抑制最为显著,而象I这样体积较大的试剂,被溶剂化较小,故表现出强的亲核性能。
②.在非质子溶剂(DMSO,DMF)中,亲核性为: F- > Cl- > Br- > I-.这是因为负电荷裸露在外,正电荷被掩蔽,它易溶剂化正离子,而不易溶剂化亲核试剂负离子。这样的负离子是“赤裸裸”的,有较大的亲核性。亲核性即亲核试剂与碳原子 结合的能力。F-与碳为同周
-期,轨道大小相近、重叠好,F-C键能大,故在非质子溶剂中F的亲核性最大。
4.溶剂的影响。
溶剂和分子或离子通过静电的作用称为溶剂化效应。 对SN1历程:
过渡态的极性大于反应物,因此,极性大的溶剂对过渡态溶剂化的力量也大于反应物,这样溶剂化释放的能量也大,所以离解就能很快地进行。增加溶剂的极性能够加速卤代烷的离解,对SN1历程有利。 SN2历程:
亲核试剂电荷比较集中,而过渡态的电荷比较分散,也就是过渡态的极性不及亲核试剂,因此,增加溶剂的极性,反而使极性化大的亲核试剂溶剂化,而对SN2过渡态的形成不利。因此,在SN2历程中增加溶剂的极性一般对反应不利。极性小的溶剂对SN2有利。如:C6H5CH2Cl水解的反应,在水中按SN1历程,在极性较小的丙酮中则按SN2历程进行。一般来说,在极性不太弱的溶剂(如含水乙醇)中,叔卤代烃的取代反应是按SN1历程进行。在极性不太强的溶剂(乙醇)中,伯卤代烃的取代反应是按SN2进行。仲卤代烃的取代反应则按两种历程进行,通常是以SN2为主。改变溶剂的极性和溶剂化的能力,常可改变反应历程。在极性很大的溶剂(甲酸)中,伯卤代烷也按SN1。在极性小的非质子性溶剂中(无水丙酮,介电常数21)中,叔卤代烃也可按SN2进行。(徐积功《有机化学》P166) 9.2.4消除反应
消除反应是从反应物的相邻碳原子上消除两个原子或基团,形成一个π键的过程。 消除反应的类型有:
1,2 – 消除反应(β-消除反应)
R RRRCCCC+ HL RRRR HL- OH2等- NR3,L = X,1,1 – 消除反应(α-消除反应)
RA RC+ A + BC
RBR1,3 – 消除反应(γ-消除反应)
HHX RR RCCCR+ HX HHH本节重点讨论β-消除反应。 β-消除反应
1.消除反应历程(E1和E2) (1) 单分子消除历程(E1) HCH3HCH3
HCCCH3+ OHHCCCH3+ H2O + BrHBrV = (CH3)3-C-Br一级反应
两步反应:
(1)
CH3CH3CBr慢CH3CH3C+ Br
CH3CH3
CH3
CH3CH3COH (2)
快CH3C + OHCH3 CH2 HCH3CCH2+ H2O
E1和SN1是同时发生的,例如: CHCH33 SN1CH3COH+ H
CH3CH3 80%乙醇H2OCH3 CH3CClCH3C83%H2O,慢 CH3CH3E1 CH3CCH2+ H3O CH3E1反应的特点:1°两步反应,与SN1反应的不同在于第二步,与 SN1互为竞争反应。
17%2°反应要在浓的强碱条件下进行。
3°有重排反应发生。见P280
例1:
CH3CH3 H2SO4H2OCH3CCHCH3CH3CCHCH3
CH3O2HCH3OH
CH3
H甲基重排 CH3CCHCH3CH3CCHCH3CH3CCHCH3例2:
CH3CHCH3CH3CH3 CH3CH3CH3CHCH3CH333 HOHH3OHOH2H2OH CH3HCH3HCH3H HCH3CH3CH3CH3
CH3CH3HHH H甲基重排CH3CH3CH3H
(2)双分子消除反应(E2)
RCH2CH2Br + OH R-CH = CH2 + H( 2O + Br)
V =RCH2CH2Br OH 二级反应一步反应:
R Rα B…H…CH…CH2…BrBHCHCH2Br β( OH)R
+ BrCHβCHB—H +E2反应的特点:1°一步反应,与SN2的不同在于B:进攻-HE2与SN2是互相竟 2。
争的反应。例见P281
2°反应要在浓的强碱条件下进行。
3° 通过过渡态形成产物,无重排产物。 2.消除反应的取向
一般情况下是生成札依采夫(Saytzeff)烯