亲核取代与消除

有机化学卤代烃亲核取代与消除反应详细总结，图文并茂，重点突出！希望可以对大家有所帮助。

亲核取代与消除

• 主要是卤代烃
  • 可作为前体
• 亲核与亲电
  • 亲电试剂
    • an electron-deficient center
    • characterized by its ability to react with a negative charge or partial negative charge
    • electrophiles are Lewis acids
    • 路易斯酸不等于酸
    • 分类：空p轨道(c+离子)和诱导效应
  • 亲核试剂
    • an electron-rich center
    • characterized by its ability to react with a positive charge or partial positive charge
    • nucleophiles are Lewis bases
      • 不等于碱，碱性是热力学角度评价
      • A strong nucleophile will give a relatively fast SN2 reaction
    • 强弱
    • 任何具有局域孤对的原子都可以是亲核的
      • π bonds can also function as nucleophiles 但亲核性不是很强
      • 孤电子对
      • 诱导效应
    • attacking atom
• 离去基团的难易
  • a good leaving group is the conjugate base of an acid with a pKa<0
• SN2
  • 仅一二级卤代烃反应
  • 协同反应，无中间体，有一个过渡态 背后攻击back-side attack
  • 动力学
    • Substrate Structure对反应速率的影响
      • 位阻越大，反应速率越慢，三级卤代烃不反应
      • 位阻越大，活化能越高
    • Nucleophilicity
      • 亲核性越强，反应速率越快
      • 强弱
    • Solvent Effects
      • Protic solvents
        • contain a hydrogen atom connected directly to an electronegative atom
        • 质子溶剂具有电负性原子和孤对，可以稳定钠离子，并且质子溶剂还具有与氯离子形成氢键的能力，从而稳定正负离子
      • polar aprotic solvents
        • lack such a hydrogen atom
        • SN2反应在极性非质子溶剂中反应更快
        • 极性非质子溶剂只可以稳定钠离子，但由于位置无法稳定氯离子，导致体系能量高容易反应
          • 极性非质子溶剂通过提高亲核试剂的能量来提高 SN2 过程的速率，从而得到更小的 Ea
  • Stereospecificity
    • 因为back-side attack
      • 为何背后攻击
        • 离去基团的负电子，前面电子密度大，不利于亲核试剂进攻
        • Molecular orbital (MO) theory
    • 所以反转构型 inversion of configuration
• E2
  • β-H消除
  • 协同反应，无中间体
  • 动力学
    • 基体的影响
  • Regioselectivity
    • Zaitsev product
      • 多取代的地方生产烯烃
      • 位阻小的碱易形成
    • Hofmann product
      • 少取代的地方生产烯烃
      • 位阻大的碱易形成，如：
    • 通过选择合适的碱可以得到不同的产物
  • Stereoselectivity
    • 立构选择性是至少得到两种产品，其中某一种占多数
  • Stereospecificity
    • 立构特异性是只得到一种构型的产品
      • 此时只有一个β-H，所有只有一种构型，所以得到一种产品
      • 对比
      • coplanar：C-C键可以旋转，π键形成需要p轨道平行重叠，要求四个基团共平面
        • 反平面产物位阻小更容易形成
        • 形成反式还是顺式共平面的产物取决于卤代烃的构型
        • 有两个β-H，每个都可以反平面，会得到两种产物
    • Substituted Cyclohexanes
      • 取代基位于轴向axial时位阻更小
  • Kinetic Isotope Effects in E2
    • C-D键的键能比C-H键强一些，约1–2 kcal/mol
      • C-D键的断裂需要更多能力，活化能更高，反应速率慢一些
        • deuterium isotope effect
      • • kD is smaller than kH
    • 如果是C−H键断裂是速决步骤，则kH/kD通常在3-8范围内
    • 如果是C−H键断裂不是速决步骤，则kH/kD通常在1-2范围内
• SN1
  • SN1和E1同时出现
  • • 仅三级卤代烃反应
  • 分步反应，C+离子中间体
  • C+离子重排，E1也发生
    • 负氢迁移
    • 甲基迁移
  • rate-determining step
  • 溶剂对离子反应都有显著影响
    • 质子型溶剂中反应更快
      • 质子溶剂更合适，因为它们可以稳定离子中间体和过渡态，从而得到更小的 Ea
    • Substrate on Ionization Rates
  • 烯丙基，苄基可以SN1和E1
• E1
  • • 仅三级卤代烃反应
  • 分步反应，形成C+离子中间体
  • rate-determining step
  • Regiochemical and Stereochemical Outcomes
  • Stereochemistry of SN1
    • both inversion of configuration and retention of configuration
      • 由于离子的位阻反转结构更多
  • Kinetic Isotope Effects in E1
• 总结
  • 三步确定
    • Determine the function of the reagent
    • Analyze the substrate and determine the expected mechanism(s)
    • Consider any relevant regiochemical and stereochemical requirements
  • 亲核性碱性
    • 亲核性是动力学角度，看亲核试剂与底物反应速度快慢
    • 碱性是热力学角度，看共轭酸的强弱或碱的稳定性判断
  • 最强归纳
    • • 位阻大的碱消除为主
  • 其他底物的取代与消除
    • 氰化物NACN
      • strong Nu moderate base
      • CN负离子不是一个强碱，产物以SN2为主
    • Tosylates 苯磺酸酯
      • sulfonate ions (RSO3−)是一个优异的离去基团
        • 种类多用途广
      • 通过对应的醇制备
        • 手性醇会保持构型
      • 类似卤代烃，会发生取代消除
    • 醇
      • hydroxide (HO−)是一个不好的离去基团，不能直接像卤代烃似的发生取代
      • 用强酸将HO-转换为好的离去基团H2O，然后发生取代
      • 强酸下也可发生消除
        • 一二级醇也可以消除
          • • 机理是E2而不是E1过程
  • 合成策略
    • Primary Substrates
    • Tertiary Substrates