《高等有机化学》研究生课程教学课件（讲稿）第五章 取代反应（Substitution reaction）

第五章 取代反应(Substitution reaction)取代反应（substitutionreaction）是指有机分子中一个原子或基团被试剂中同类型的其它原子或基团所取代的反应R-L + A-BR-A+B-L反应物进攻试剂取代产物根据进攻试剂的性质不同：用S表示），亲电取代亲核取代（nucleophilicsubstitution，（electrophilicsubstitution，用S表示）和自由基取代（radicalsubstitution，用S表示）。根据反应物种类的不同：脂肪族（aliphatic）取代和芳香族（aromatic）取代根据反应的中心碳原子杂化状态不同：饱和碳上（Csp3杂化）的取代和不饱和碳上（Csp?杂化）的取代

第五章 取代反应 (Substitution reaction) 取代反应（substitution reaction）是指有机分子中一个原子或基团 被试剂中同类型的其它原子或基团所取代的反应 根据进攻试剂的性质不同： 亲核取代（nucleophilic substitution， 用SN表示），亲电取代 （electrophilic substitution，用SE表示）和自由基取代（radical substitution，用SR表示）。 根据反应的中心碳原子杂化状态不同： 饱和碳上（Csp3杂化）的取代和不饱和碳上（Csp2杂化）的取代 根据反应物种类的不同： 脂肪族（ aliphatic ）取代和芳香族（ aromatic ）取代

第一节脂肪族亲核取代反应(Aliphatic Nucleophilic Substitution)5.1反应类型5.2反应机理及立体化学5.3影响反应活性的因素5.4邻基参与历程5.5内部亲核取代反应(S~i)5.6烯丙基碳上亲核取代反应5.7亲核取代反应在有机合成中的应用

第一节 脂肪族亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution) 5.1 反应类型 5.2 反应机理及立体化学 5.3 影响反应活性的因素 5.4 邻基参与历程 5.5 内部亲核取代反应(SN i) 5.6 烯丙基碳上亲核取代反应 5.7 亲核取代反应在有机合成中的应用

5.1反应类型Nu: + R-L:+RNu(1)中性底物+中性亲核体(常见)CH3CHBr + NH3CHCHNH+HBr(2)中性底物+负离子亲核体(常见）烷基化反应(alkylation)CHsCHCI+CNCHCH,CN + CI(3)正离子底物+中性亲核体R--R'R'OHC4H,0R-OH2+(4)正离子底物+负离子亲核体CH2CNCH2N(CH3)3CN-xZHH溶剂解反应（solvolysis）H0(CH3)3COH + 1HCI(CH3)3CCI +

5.1 反应类型 (1) 中性底物 + 中性亲核体 (常见) (2) 中性底物 + 负离子亲核体(常见) (3) 正离子底物 + 中性亲核体 (4) 正离子底物 + 负离子亲核体 CH3CH3Br + NH3 CH3CH2NH2 + HBr C6H5CH2Cl + CN - C6H5CH2CN + Cl - (CH3 )3CCl + H2O (CH3)3COH + HCl 溶剂解反应（solvolysis） Nu: - + R L L: - + R Nu N H CH2N(CH3)3 + CN￾N H CH2CN R H R OH2 + R'OH O R' + H2O 烷基化反应 （alkylation）

4.2反应机理及立体化学4.2.1S2反应(BimolecularNucleophilicSubstitution)由两种分子参与了决速步骤的亲核取代反应--1过渡态动力学：二级反应 v=k[R-LI[Nu]S~2反应中的“2”是指“两种分子参与了速控步骤”，并不是指动力学上的“二级反应”。对于溶剂解反应而言，由于溶剂大量存在，反应前后浓度基本不变。因此，即便是S2反应，动力学上观察到的不是二级，而是一级反应，即反应速率只与底物的浓度有关，这样的反应动力学称为假一级

ν = k[R L][Nu] 4.2.1 SN2反应 (Bimolecular Nucleophilic Substitution) 4.2 反应机理及立体化学 ——由两种分子参与了决速步骤的亲核取代反应 动力学：二级反应 SN2反应中的“2”是指“两种分子参与了速控步骤”，并不是指动力学 上的“二级反应”。对于溶剂解反应而言，由于溶剂大量存在，反应前 后浓度基本不变。因此，即便是SN2反应，动力学上观察到的不是二级 ，而是一级反应，即反应速率只与底物的浓度有关，这样的反应动力学 称为假一级

1.S~2反应历程特点NuINu过渡态新键的形成与旧键的断裂是协同发生的，没有中间体生成。在过渡态时，中心碳原子由五配位过渡态sp3杂化转变为sp?杂化Nu--R--L]1）背面进攻2）线型过渡态WE势能△HNu+RLNal一丙酮溶液Nu-R + L不反应。类似开链化合物反反应进程Br应。Sn2反应中的能量变化

1. SN2反应历程特点 新键的形成与旧键的断裂是协同发生的，没有中间体生成。 Nu C L 1）背面进攻 2）线型过渡态 O Br NaI—丙酮溶液 不反应。类似 开链化合物反 应。 五配位过渡态 在过渡态时，中心碳原子由 sp3杂化转变为sp2杂化

S~2机理的底物特征：不被共轭体系稳定的伯卤代烷及其衍生物。2.S~2反应的立体化学PlanarTetrahedralTetrahedral由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型翻转一Walden转化（伞型翻转）。CO,HCO,HCO,HH-CICI-HH-OHSOCl2PCIsCH,CO,HCH,CO,HCH,CO,H(+)-氯代琥珀酸(-)-氯代琥珀酸(+)-苹果酸

SN2 机理的底物特征：不被共轭体系稳定的伯卤代烷及其衍生物。 2. SN2反应的立体化学 Nu + Nu Nu + Tetrahedral Planar Tetrahedral 由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构 型翻转－Walden转化（伞型翻转）

下列实验事实说明S~2反应中，亲核试剂是从离去基团的背后进攻，底物构型发生翻转HHCH,PhCH,PhCH,PhEtOH,K2CO3TsCIMeOTsOHMeAMeBOEt构型发生翻转a=+31.10a=-19.90a= +33.00HCH,PhHCH,PhEtBrDOK+MeMeOEta=+23.50-Walden翻转S~2反应历程立体化学上的显著特征H13HCeH13OH+H,C"HOBHOB"CH3HHHaCS-(+)-2-溴辛醇R-(-)-2-溴辛烷注意：构型翻转，构型符号未必改变！

+ C Br C6H13 H H3C OH C6H5 C H3C H HO Br δ δ C C6H13 H CH3 HO R-(-)-2-溴辛烷 S-(+)-2-溴辛醇 Me C OH H CH2Ph Me C OTs H CH2Ph TsCl EtOH, K2CO3 Me C OEt H CH2Ph a = + 33.0 o a = + 31.1 o a = - 19.9 o Me C O - K + H CH2Ph EtBr Me C OEt H CH2Ph A B C D a = + 23.5 o 下列实验事实说明SN2反应中，亲核试剂是从离去基团的背后 进攻，底物构型发生翻转。 SN2反应历程立体化学上的显著特征——Walden翻转 构型发生翻转 注意：构型翻转，构型符号未必改变！

4.2.2S1反应(UnimolecularNucleophilic Substitution)只有一种分子参与了决速步骤的亲核取代反应。slowR+ + LR-LfastR+ + NuRNuv=ki[R-L]动力学上表现为：一级反应1.S~1反应历程特点R--Nu反应分两步进行：第一步底物离子化过程势R+能第二步亲核试剂进攻正碳离子：+ L+ NuR-L+NuRNu + L反应整体经历了两个过渡态，一个中间体。反应进程第一步为决速步骤。S~1反应中的能量变化

4.2.2 SN1反应(Unimolecular Nucleophilic Substitution) 1. SN1反应历程特点 ν = k1 R L 反应分两步进行： 第一步 底物离子化过程 第二步 亲核试剂进攻正碳离子： 第一步为决速步骤。 ——只有一种分子参与了决速步骤的亲核取代反应。 动力学上表现为：一级反应 反应整体经历了两个过渡态， 一个中间体

S1机理的底物特征：叔卤代烷和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物。H20慢例如：Ph2CH+ + CIPh,CH-OHPhCH—CI2.S~1反应的重排(Rearrangement)HOAcCH,CH,CHCH3CH,CH,CHCH3 +CH,CHCH,CH3OTsOAcOAc91%9%有重排产物的生成是S~1机理的重要判据之一重排动力：生成更稳定的碳正离子迁移趋势：1°C+→2°C+→30C+重排反应可以通过烷基、芳基或氢的迁移而发生，最常见的是1,2-迁移重排。一般迁移能力H>Ar>R

例如： SN1 机理的底物特征：叔卤代烷和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物。 Ph2 CH Cl 慢 Ph2CH + + Cl - H2O Ph2 CH OH 2. SN1反应的重排(Rearrangement) 重排动力：生成更稳定的碳正离子 迁移趋势：1 o C+→ 2 o C+ → 3 o C+ ——有重排产物的生成是SN1机理的重要判据之一。 重排反应可以通过烷基、芳基或氢的迁移而发生，最常见的是1,2- 迁移重排。一般迁移能力 H > Ar > R

CH,CH请思考：H,0SN1HBr3.S~1反应的立体化学NuNuNuNI平面型50%构型翻转50%构型保持HHHH1OHOHC+-OH+HO-MeMeMeH,0H,0PhPhPhMePh49%51%构型保持构型翻转

请思考： CH3 H CH3 Br H2O SN1 ? 3. SN1反应的立体化学