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1、第三章第三章亲核取代反应及碳正离子亲核取代反应及碳正离子 (Nucleophilic Substitution and Carbocations) 一、碳正离子的产生、结构和稳定性一、碳正离子的产生、结构和稳定性 1 1、产生及类型：有机反应中产生的活性中间体的、产生及类型：有机反应中产生的活性中间体的一种一种。 是是IntermediateIntermediate, ,
2、1922年，年，MeerweinMeerwein发现萜类化合物重排与发现萜类化合物重排与C C+ +有关有关 年，年，OlahOlah在超酸中检测到在超酸中检测到C C+ + G. A. Olah, Nobel 1994 产生碳正离子的反应举例：产生碳正离子的反应举例： 1 1） 脂肪族化合物的亲核取代反应脂肪族化合物的亲核取代反应 H3C Cl CH3 2) )
经典碳正离子经典碳正离子(Carbenium ion):(Carbenium ion): 中心碳原子中心碳原子spsp2 2 杂化杂化 与其他三个基团或原子以与其他三个基团或原子以键相连键相连 形成具平面的构型形成具平面的构型 2 2、结构、结构 Ch
碳正离子的相对稳定性可由其碳正离子的相对稳定性可由其pKpKR+R+来定量表示：来定量表示： pKR+=logR+/ROH + HR 当反应达到平衡、当反应达到平衡、 RR+ +=ROH=ROH时，时，pKpKR+ R+ = H= HR R （酸度函数）（酸度函
4-4-硝基三苯基甲基硝基三苯基甲基 二苯基甲基二苯基甲基 三环丙基甲基三环丙基甲基 环庚三烯正离子环庚三烯正离子 三苯基环丙烯基三苯基环丙烯基 pKR+ -6.63 -3.40 -9.15 -13.3 -2.3 +
pKR+=-16.27 给电子取代基促进碳正离子的稳定：给电子取代基促进碳正离子的稳定： China Pharmaceutical University 影响碳正离子稳定性的因素：影响碳正离子稳定性的因素： 1）诱导效应诱导效
7、应(Inductive effect)(Inductive effect)：离域或分散：离域或分散C C+ +正电荷将正电荷将 有利于碳正离子的稳定有利于碳正离子的稳定 连有诱导推电子的基团时的稳定性连有诱导推电子的基团时的稳定性(+I)： 连有诱导吸电子的基团时的稳定性连有诱导吸电子的基团时的稳定性(-I)： + 2) 共轭效应共轭效应(Conjugative
8、3 CH3CH2CH2CH2如如： 甲基推电子基通过甲基推电子基通过C-HC-H键与键与C C+ +的空轨道共轭的空轨道共轭。 China Pharmaceutical University 共轭效应的研究共轭效应的研究 在超酸催化下进行在超酸催化下进行 超酸：强的质子给予体，强度用哈米特酸度超酸：强的质子给予体，强度用哈米特酸度H H表示表示 超酸特点：超酸特点：1) 1)
给质子能力强，亲核性低给质子能力强，亲核性低； 2) 2) 凝固点低；凝固点低； 3) 3) 粘度小。粘度小。 在超酸介质中可得到热力学最稳定的碳正离子在超酸介质中可得到热力学最稳定的碳正离子 举例：举例： CH3CH2
(c)具有未共用电子对的化合物，如醇、醚、醛、酮、酯等具有未共用电子对的化合物，如醇、醚、醛、酮、酯等 China Pharmaceutical University 超酸可将质子给予：超酸可将质子给予： (a)
10、(a)具有具有电子对的化合物，电子对的化合物， 使得烷烃中的使得烷烃中的C-HC-H及及C-CC-C键对超酸表现出键对超酸表现出碱性。碱性。 在超酸的作用下，在超酸的作用下，C-HC-H或或C-CC-C键的键的-电子对与质子的空电子对与质子的空 轨道作用形成缺电性的三中心两电子键，用虚线表示。轨道作用形成缺电性的三中心两电子键，用虚线表示。
(b)具有具有-电子对的化合物，如烯、炔、芳香化合物等电子对的化合物，如烯、炔、芳香化合物等 China Pharmaceutical University b) p-p-共轭效应共轭效应 碳正离子中心碳原子碳正离子中心碳原子p p空轨道与空轨道与电子共轭
11、，分散正电荷，电子共轭，分散正电荷， 稳定碳正离子。稳定碳正离子。 PhPh + C Ph + C H + PhCH2 Ph Ph CH2 CH CH2 + c) p-p p-p 共轭效应共轭效应 碳正离子中心碳原子碳正离子中心碳原子p p空轨道与邻位杂原子的未共用电空轨道与邻位杂原子的未共用电 子对的子对的p p电子共轭，稳定碳正离子。电子共轭，稳定碳正离子。 CH2 + CH2
12、丙烯基如：环丙烯基 卓正离子卓正离子 4n+2=2, n=0 4n+2=6, n=1 + + 4) 不同价键状态不同价键状态 举例：举例： CH3-C+H2 CH2=C+H sp2sp S S特性增加，吸电性增强，不利于特性增加，吸电性增强，不利于C C+ +稳定。稳定。 5 5）溶剂效应）溶剂效应 举例：举例： 在气相中，电离活化能为在气相中，电离活化能为836.8
kJ/mol;836.8 kJ/mol; 在水溶液中，电离活化能为在水溶液中，电离活化能为83.7kJ/mol83.7kJ/mol。 因此，极性溶剂有助于碳正离子的形成和稳定因此，极性溶剂有助于碳正离子的形成和稳定 Br Br
14、碳鎓离子(Carbonium ion) ( (五价五价oror更高更高) ) 1 1、区别、区别 经典碳正离子：中心碳原子价电子层经典碳正离子：中心碳原子价电子层6 6个电子，形成三根个电子，形成三根键。键。 此时中心此时中心C C为为3 3价。价。 非经典碳正离子：价电子层非经典碳正离子：价电子层8 8个电子，除形成三根个电子，除形成三根键外，键外，
余下的一对电子形成一个二电子三中心键，中心余下的一对电子形成一个二电子三中心键，中心C C是是5 5价价 China Pharmaceutical University 2 2、形成、形成 1) 1) 电子参与电子参与 在超酸催化下，形成环丙基
15、甲基碳正离子。碳原子在超酸催化下，形成环丙基甲基碳正离子。碳原子 空轨道与空轨道与键共轭形成离域键。键共轭形成离域键。 上世纪上世纪5050年代，年代，RobertsRoberts认为：认为： + CH2 应为应为 CH2 + 环丙基甲基碳正离子环丙基甲基碳正离子三环丁鎓离子三环丁鎓离子 China Pharmaceutical University
WinsteinWinstein研究原菠基体系研究原菠基体系(Norbornyl system)(Norbornyl system)的溶剂解行为，的溶剂解行为， 说明由邻近基团参与形成了原菠基非经典碳正离子。说明由邻近基团参与形成了原菠基非经典碳
16、正离子。 OAc AcOH OBs Kexo AcOH Kendo OBs Kexo Kendo =350 结论：外向结论：外向(exo)(exo)结构底物对溴苯磺酸结构底物对溴苯磺酸-2-2-原菠酯醋酸解原菠酯醋酸解 速度比内向速度比内向(endo)(endo)快，产物为外消旋，内向结构底物的快，产物为外消旋，内向结构底物的
18、碳鎓离子的形成可通过几种途径一种碳鎓离子的形成可通过几种途径 例：原菠基正离子的形成例：原菠基正离子的形成 H X 3 7 5 6 2 4 1 + 3 7 5 6 2 4 1 途径 SbF5 途径 SbF5 X 三、亲核取代反应三、亲核取代反应 定义：定义： 亲核试剂提供一对电子与碳原子形成新的共价键，亲核试剂提供一对电子与碳原子形成新的共价键，
碳原子与离去基团之间原有的共价键断裂，碳原子与离去基团之间原有的共价键断裂， 离去基带着一对电子离开分子。离去基带着一对电子离开分子。 通式：R-X + Y ：R-Y + X ： China Pharmaceutical University 四种反
24、 +X 溶剂的极性溶剂的极性，有利于，有利于SN1反应的进行。反应的进行。这是因为这是因为 该反应在过渡状态已出现了部分正负电荷的高度极化该反应在过渡状态已出现了部分正负电荷的高度极化 状态，而极性溶剂的存在，有利于过渡状态的形成和状态，而极性溶剂的存在，有利于过渡状态的形成和 进一步的离解。进一步的离解。 B. 对对SN2反应的影响：反应的影响：
溶剂对溶剂对SN2反应的影响较为复杂，反应的影响较为复杂，通常情况下是增强通常情况下是增强 溶剂的极性对反应不利。溶剂的极性对反应不利。 (1)Nu+RLNuRL NuR+L 电荷分散 反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷，反应前后没有电荷
25、变化，过渡态也没产生新的电荷， 只是电荷有所分散，只是电荷有所分散，因此溶剂对反应的影响不大。但溶因此溶剂对反应的影响不大。但溶 剂极性剂极性，还是有利于反应的进行；溶剂极性，还是有利于反应的进行；溶剂极性，反而，反而 会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所减慢。会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所减慢。 R / L Winstein的离子对溶剂化学说的离子对溶剂化学说
R-L + R L -+ - R + + L -离子化解离 紧密离子对紧密离子对溶剂隔离离子对溶剂隔离离子对 溶剂效应会影响溶剂效应会影响SN1反应产物构型比例，反应产物构型比例， 举例：举例：-氯代乙苯的水解反应氯
27、 L - R / L + N3 证明证明离子对离子对-溶剂化溶剂化学说学说中离子对的存在中离子对的存在 R-L + R L -+ - R + + L - 强亲核试剂强亲核试剂，亲核反应速度快。，亲核反应速度快。 亲核反应发生在紧密离子对阶段，产物为亲核反应发生在紧密离子对阶段，产物为构型转化构型转化产物。产物。
说明很强的亲核试剂堵住了离子逆转的消旋化道路。说明很强的亲核试剂堵住了离子逆转的消旋化道路。 Cl Ph NO2 Cl H C 18 O OC - N3 Ph H C R / L 证明证明离子对离子对-溶剂化溶剂化学说学说中离子对的存在中离子对的存在 R-L + R L -+ - R
32、中，底物的反应活性与反应中，底物的反应活性与SN1的相反。的相反。 +CH3 10 Allyl Benzyl 20 30 b) 电性效应电性效应 (a)具有烯丙基或苄基结构的底物具有烯丙基或苄基结构的底物 SN2反应速度加快，中心碳原子的反应速度加快，中心碳原子的P轨道与轨道与体系体系 共轭使过渡态更稳定。共轭使过渡态更稳定。 (b)
若底物上连有吸电子基，可使若底物上连有吸电子基，可使SN2反应速度加快反应速度加快 X CH2Cl+ I - X CH2I如如： 亲核试剂的影响是至关重要的亲核试剂的影响是至关重要的: 显然，亲核试剂的显然，亲核试剂的亲核能力亲核能力，浓度浓度，反应，反应 。
33、试剂亲核能力的强弱取决于两个因素：试剂亲核能力的强弱取决于两个因素：a. 试剂试剂 的碱性的碱性( (即给电子性即给电子性) )；b.b.试剂的可极化性试剂的可极化性( (即极化度即极化度 或变形性或变形性) )。 (1)(1) 试剂的碱性：试剂的碱性： 试剂的碱性与亲核性是两个不同的概念，二者的关试剂的碱性与亲核性是两个不同的概念，二者的关
系可能一致，也可能不一致。系可能一致，也可能不一致。 A. 亲核性与碱性一致：亲核性与碱性一致： a. 同周期元素所形成的亲核试剂同周期元素所形成的亲核试剂 R3C R2N RO F 碱 性 , 从左到右依次减弱 亲核性： ( 可由其共轭酸来判断 ) b
34、. 同周期中的同种原子形成的不同亲核试剂同周期中的同种原子形成的不同亲核试剂 F NH2 OH NH3H2O 亲核性： ROHOC6H5OCH3COONO3HSO4 碱 性 , 从左到右依次减弱( 可由其共轭酸来判断 ) B.亲核性与碱性不一致亲核性与碱性不一致( (亲核试剂体积大小的影响亲核试剂体积大小的影响) )： CH3OC2H5O(CH3)2CHO(CH3)3CO亲核性：
CH3OC2H5O(CH3)2CHO(CH3)3CO碱 性： (2)(2) 试剂的可极化性试剂的可极化性 可极化性系指分子中周围电子云在外电场的影响下可极化性系指分子中周围电子云在外电场的影响下 发生形变的难易程度。
35、易形变者，可极化性大。发生形变的难易程度。易形变者，可极化性大。 在亲核取代反应中，可极化大的原子或基团，因形在亲核取代反应中，可极化大的原子或基团，因形 变而易于接近反应中心，从而降低了达到过渡状态所须变而易于接近反应中心，从而降低了达到过渡状态所须 的活化能，故亲核能力增强。的活化能，故亲核能力增强。
显然，显然，同族元素，随原子序数的增大，核对核外电同族元素，随原子序数的增大，核对核外电 子的束缚力子的束缚力，可极化性，可极化性，亲核能力，亲核能力。 IBrClF SHOH 综上所述，综上所述，判断一个试剂亲核能力的大小：判断一个试剂亲核能力的大小： 对于同周期元素或同种原子形成的亲核试
36、剂，可用对于同周期元素或同种原子形成的亲核试剂，可用 其碱性的强弱来判断；其碱性的强弱来判断； 对于同族元素形成的亲核试剂，可用可极化性的大对于同族元素形成的亲核试剂，可用可极化性的大 小来判断。小来判断。 3. 离去基团的影响离去基团的影响 无论无论SN1反应，还是反应，还是SN2反应，在决定反应的关键步反应，在决定反应的关键步
骤中，都包含骤中，都包含CX键的断裂，因此，离去基团键的断裂，因此，离去基团X的性质的性质 对对SN1反应和反应和SN2反应将产生相似的影响，即卤代烷的活反应将产生相似的影响，即卤代烷的活 性次序是：性次序是： RIRBrRClRF 这一活性次序可从这一活性次序可从
37、CX键的离解能、可极化性、离键的离解能、可极化性、离 去基团的碱性等方面来说明。去基团的碱性等方面来说明。 CX 的离解能： CFCBrCClCI CX 的可极化性： CFCBrCClCI 离去基团的碱性：FCl Br I( 可由其共轭酸来判断 ) 基团的离去能力：I Br ClF ( 离去基团的碱性越强 , 与中心碳原子结合的越牢 ) 由此可见，由此可见，I
既是一个好的离去基团，又是一个好的 既是一个好的离去基团，又是一个好的 亲核试剂。因此，这一特性在合成中有着重要的用途。亲核试剂。因此，这一特性在合成中有着重要的用途。 4. 溶剂的影响溶剂的影响 RCH2Cl
38、 +H2O RCH2OH+HCl 慢 但在反应体系中，加入少量的I ，其反应速度大大加快。 RCH2Cl + IRCH2I+Cl RCH2+H2ORCH2OH+HI 作为亲核试剂 I 好的离去基团 溶剂对溶剂对SN2反应的影响较为复杂，反应的影响较为复杂，通常情况下是增强通常情况下是增强 溶剂的极性对反应不利。溶剂的极性对反应不利。 Nu+RLNuRL NuR+L 电荷分散
反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷，反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷， 只是电荷有所分散，只是电荷有所分散，因此溶剂对反应的影响不大。但因此溶剂对反应的影响不大。但 溶剂极性溶剂极性，还是有利于反应的
39、进行；溶剂极性，还是有利于反应的进行；溶剂极性， 反而会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所反而会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所 减慢。减慢。 CH3 CH3 O H C + N NMe2 NMe2 NMe2 - O + P 有一定极性的非质子性溶剂，正极埋在溶剂分子内部，负极有一定极性的非质子性溶剂，正极埋在溶剂分子内部，负极
与亲核试剂的正离子形成离子与亲核试剂的正离子形成离子-偶极键，将亲核试剂正负离偶极键，将亲核试剂正负离 子隔开，使亲核负离子裸露，故中等极性非质子性溶剂子隔开，使亲核负离子裸露，故中等极性非质子性溶剂适合适合 SN2反应。反应。 极性非质子性溶剂适于极性
40、非质子性溶剂适于SN2反应反应 - S H 3 C H 3 C O 为何在非质子性溶剂中加入少量冠醚做催化剂， 能加快SN2反应速度？ 以亲核试剂KOAc为例， O O O O O K O + - OAc 冠醚络合金属阳离子，将负离子亲核试剂裸露在外， 促进反应进行。同时，形成的络阳离子与阴离子的 离子对在有机相中溶解度更好，构成相间催化剂。 China
对正电荷的离域有帮助，可促进碳鎓离子的稳定。 TsO H OAc - + + + AcO 键与取代基为同向，由于位阻，不能邻位参与， 生成经典碳正离子，重排成更稳定的烯丙基正离子， 生成重排后的溶剂解产物。 OTs H3C CH3 H
43、苯基上的苯基的邻位参与受溶剂效应影响，也受苯基上的 取代基的影响。取代基的影响。 1、溶剂亲核性强，发生正常取代可能性大；溶剂、溶剂亲核性强，发生正常取代可能性大；溶剂 亲核性弱，桥碳正离子易形成，重排发生。亲核性弱，桥碳正离子易形成，重排发生。 2、苯环上有吸电子基，碳正离子离域受影响，正、苯环上有吸电子基，碳正离子离域受影响，正
常取代；苯环上有推电子基，稳定桥碳正离子，常取代；苯环上有推电子基，稳定桥碳正离子， 重排发生。重排发生。 China Pharmaceutical University 六、碳正离子的重排反应六、碳正离子的重排反应 烷基、芳基或氢带着电子从一个碳原子转移至另一个
44、碳原子上烷基、芳基或氢带着电子从一个碳原子转移至另一个碳原子上 碳正离子中心的碳正离子中心的P轨道与发生转移轨道与发生转移的轨道基本共平面的轨道基本共平面。 举例：负氢转移举例：负氢转移： 1,2-重排 1、热力学能垒 叔碳正离子 仲碳正离子 叔碳正离子 仲碳正离子， 吸热10 kcal/mol； 伯碳正离子，吸热20 kcal/mol； 伯碳正离子，吸热30 kcal/mol。
2、介质的影响 重排反应与亲核取代反应相互竞争。 介质亲核性降低，重排易发生 重排反应举例：重排反应举例： 1、瓦格纳瓦格纳-米尔文重排米尔文重排 (Wagner-Meerwein rearrangements) 碳正离子中的氢碳正离子中的氢原
