生的负电性的一端通过空间传递对羧基质 子产生静电场吸引,使之不易离解,从而减小了酸性。 又如顺、反丁烯二酸第一酸式电离常数和第二酸式电离常数的明显差异也是场效应的影 COOH COO COOH COO HOCC、 COOH 3.03 4.34 显然是由于羧基吸电的场效应,使顺式丁烯二酸的酸性比反式高,但在第二次电离时, 却由于COO负离子供电的场效应,使顺式的酸性低于反式。如果单从诱导效应考虑,两 者应没有区别。 再如下列化合物(1)比(2)的酸性弱,也只能由场效应解释。 COOH (2) 场效应与距离的平方成反比,距离越远,作用越小 空间效应 分子中原子之间的相互影响并不完全归结为电子效应,有些则是与原子(或基团)的 大小和形状有关,这种通过空间因素所体现的原子之间的相互影响通常称为空间效应,或叫 立体效应( steric effects) (Ⅰ)的酸性大于(Ⅱ的酸性,这从诱导效应和超共轭效应都无法解释。两个甲基无论从诱 导效应或超共轭效应考虑,在(Ⅰ)中对酚羟基的影响都比在(Ⅱ)中要大得多,因为甲基的 电子效应是减弱酚羟基的酸性的,因此(I)的酸性要比(Ⅱ)的酸性弱,但实际却正好相 反。原因在于硝基的体积较大,当硝基的邻位有两个甲基时,由于空间拥挤而使N=0双键的 p轨道不能与苯环上的p轨道的对称轴完全平行,即硝基N=0双键与苯环的共平面受到破坏, 减弱了硝基、苯环与羟基的共轭离域,致使酸性相对降低,这是甲基空间效应作用的结果 而在(Ⅰ)中两个甲基离硝基较远,没有明显影响,所以产生上述的结果 988 8=8一 图1-3对硝基苯酚的p轨道离域
183 生的负电性的一端通过空间传递对羧基质 子产生静电场吸引，使之不易离解，从而减小了酸性。 又如顺、反丁烯二酸第一酸式电离常数和第二酸式电离常数的明显差异也是场效应的影 响。 pKa1 3.03 1.92 pKa2 4.34 6.59 显然是由于羧基吸电的场效应，使顺式丁烯二酸的酸性比反式高，但在第二次电离时， 却由于 -COO-负离子供电的场效应，使顺式的酸性低于反式。如果单从诱导效应考虑，两 者应没有区别。 再如下列化合物（1）比（2）的酸性弱，也只能由场效应解释。 （1） （2） 场效应与距离的平方成反比，距离越远，作用越小。 二 空间效应 分子中原子之间的相互影响并不完全归结为电子效应，有些则是与原子（或基团）的 大小和形状有关，这种通过空间因素所体现的原子之间的相互影响通常称为空间效应，或叫 立体效应（steric effects）。 pKa=7.16 pKa=8.24 （Ⅰ） （Ⅱ） (Ⅰ)的酸性大于（Ⅱ）的酸性，这从诱导效应和超共轭效应都无法解释。两个甲基无论从诱 导效应或超共轭效应考虑，在(Ⅰ)中对酚羟基的影响都比在（Ⅱ）中要大得多，因为甲基的 电子效应是减弱酚羟基的酸性的，因此(Ⅰ)的酸性要比 （Ⅱ）的酸性弱，但实际却正好相 反。原因在于硝基的体积较大，当硝基的邻位有两个甲基时，由于空间拥挤而使 N=O 双键的 p 轨道不能与苯环上的 p 轨道的对称轴完全平行，即硝基 N=O 双键与苯环的共平面受到破坏， 减弱了硝基、苯环与羟基的共轭离域，致使酸性相对降低，这是甲基空间效应作用的结果。 而在 （Ⅰ）中两个甲基离硝基较远，没有明显影响，所以产生上述的结果。 图 1- 3 对硝基苯酚的 p 轨道离域 C C COOH Cl C Cl C COOH - +δ δ 效效效效 效效效 Cl Cl COOH COOH H H H Cl H Cl OH CH3 NO2 H3C H3C NO2 CH3 OH O O N O H .. C C COOH HOOC H H H COOH C C H COOH H HOOC H COO - C C H COO - C C H COOH
类似的现象,如联苯的邻位有较大的取代基时,常常因空间效应的干扰而使σ键的自由 旋转受阻,呈现了对映异构现象 6,6-二硝基-2,2-联苯二甲酸的对映异构体 再如卤代烷在乙醇解的SN2反应中,随着R体积的大小不同,对乙氧基从背面进攻的 难易,由于空间阻碍不同而反应速度各异 CH3CH2OH + RC-Br OH 一CH3CH2O-C、R+HBr 表18 2Br乙醇解的相对速度 R一 H CH3 CH2- (CH3)2CH-(CH3)3C 相对速度 17.6 0.28 0.030 4.2×103 反应物都是伯卤烷,电子效应的差异不大,主要是空间效应的影响,R越大则试剂从 背面进攻的空间阻碍越大,反应速度越小。这类空间效应主要是由于基团的空间大小引起 另一类空间效应是由张力所引起的,根据不同的分子及不同的环境,取代基所引起的 空间张力有B一张力、F一张力和I一张力等。空间效应也并非都是阻碍反应进行,有的也 起促进作用 当反应物转变到过渡态或活性中间体时,如空间拥挤程度降低,则反应速度加快, 若空间拥挤程度增加,反应速度降低。例如卤代烷按SNI历程进行的水解反应,首先离解为 碳正离子,反应总的速率与碳正离子的稳定性有关,按伯、仲、叔的顺序反应速率递增。除 电子效应外,空间效应在这里起了很大作用。由于卤代烷是四面体结构,中心碳原子是sp 杂化状态,键角接近109.5°,而活性中间体正碳离子是平面结构,中心碳原子为sp2杂化 状态,键角为120°,由sp°变为sp2,原子或基团之间的空间张力变小,容易形成,而且原 子或基团的体积越大,sp状态下张力也越大,变为sp杂化状态张力松弛也越明显,形成碳 正离子越容易,碳正离子也越稳定。 RI R R2 这种空间张力叫B一张力( Back Strain,后张力),烷基愈大时对离解速度的 影响愈大,表1-9列出了某些叔烷基氯代物的相对解离速率。 表19某些叔烷基氯代物的相对解高速率 R CH3 CH3 CH 1.0 CH3 CH- CH3 CH2- CH3 CH2- CH3 CH2- CH3CH2 CH3 CH2
184 类似的现象，如联苯的邻位有较大的取代基时，常常因空间效应的干扰而使σ键的自由 旋转受阻，呈现了对映异构现象。 图 1- 4 6，6-二硝基-2，2-联苯二甲酸的对映异构体 再如卤代烷在乙醇解的 SN2 反应中，随着 R 体积的大小不同，对乙氧基从背面进攻的 难易，由于空间阻碍不同而反应速度各异。 表 1- 8 RCH2Br 乙醇解的相对速度 R— H— CH3— CH3CH2— (CH3)2CH— (CH3)3C— 相对速度 17.6 1 0.28 0.030 4.2×103 反应物都是伯卤烷，电子效应的差异不大，主要是空间效应的影响，R 越大则试剂从 背面进攻的空间阻碍越大，反应速度越小。 这类空间效应主要是由于基团的空间大小引起 的。 另一类空间效应是由张力所引起的，根据不同的分子及不同的环境，取代基所引起的 空间张力有 B—张力、F—张力和 I—张力等。空间效应也并非都是阻碍反应进行，有的也 起促进作用。 当反应物转变到过渡态或活性中间体时，如空间拥挤程度降低，则反应速度加快， 若空间拥挤程度增加，反应速度降低。例如卤代烷按 SN1 历程进行的水解反应，首先离解为 碳正离子，反应总的速率与碳正离子的稳定性有关，按伯、仲、叔的顺序反应速率递增。除 电子效应外，空间效应在这里起了很大作用。由于卤代烷是四面体结构，中心碳原子是 sp3 杂化状态，键角接近 109.5°，而活性中间体正碳离子是平面结构，中心碳原子为 sp 2 杂化 状态，键角为 120°，由 sp 3 变为 sp 2，原子或基团之间的空间张力变小，容易形成，而且原 子或基团的体积越大，sp 3 状态下张力也越大，变为 sp 2 杂化状态张力松弛也越明显，形成碳 正离子越容易，碳正离子也越稳定。 这种空间张力叫 B—张力（Back Strain，后张力），烷基愈大时对离解速度的 影响愈大，表 1-9 列出了某些叔烷基氯代物的相对解离速率。 表 1-9 某些叔烷基氯代物的相对解离速率 R1 R2 R3 相对速度 CH3— CH3— CH3— 1.0 CH3— CH3— CH3CH2— 1.7 CH3— CH3CH2— CH3CH2— 2.6 CH3CH2— CH3CH2— CH3CH2— 3.0 NO2 NO2 NO2 NO2 CO2H CO2H CO2H CO2H CH3CH2OH + R C Br H H OH - CH3CH2O C H H R + HBr C R1 R2 R3 R1 R2 R3 Br C 120效 109.5效 + Br - Br - + 效 109.5 效 120 Br C R2 R3 R1 R3 R2 R1 C +
对于SN2反应,情况刚好相反。反应物中心碳原子上的取代基,对亲核试剂进攻中心 碳原子起着阻碍作用。这种由于基团在空间的直接排斥作用所产生的张力叫F一张力(Face Strain,前张力)。这种空间张力也是一种空间阻碍作用。在SM2反应中,与反应物中心碳原 子上所连的烷基体积愈大,F一张力愈大,则反应速度愈小。 胺的碱性顺序也体现了F一张力的影响。如只从电子效应考虑,预期胺的碱性次序应 R3n> R2NH> RNH >NH3 在非水溶剂中,对质子酸确实如此。因为质子体积小,空间因素的影响不大。如果以 体积较大的 Lewis酸测定,则F一张力的空间效应就非常明显,例如以三烷基硼BR'为 Lewis酸与胺作用,R与R'都足够大时,RN与BR'3靠近时会发生相互排斥,上述胺的碱 性次序将完全倒转。 R BMe3 BMes t BMe 不反应 图1-5F一张力对胺碱性的影响 某些环状化合物中,由于键的扭曲所产生的分子内部固有张力叫做I一张力( Internal Strain,内张力),主要表现为角张力( Angle Strain),如小环烷烃不稳定,容易开环加成, CH2单元燃烧热较高,这是Ⅰ一张力作用的结果。但某些小环化合物与类似较大环或链状化 合物比较,I一张力还有另外一种表现形式,如环丙烷衍生物1-甲基1-氯环丙烷离解为碳正 离子比相应的开链化合物叔丁基氯要慢,虽然其中心原子表面上看都是由sp杂化状态转变 为sp2杂化状态,但由于环丙烷较大的角张力存在使卤代衍生物的解离变得极其不利。 CH3 CH CH3 cr cH2+ cr CH: CH3 因为几何形状的限制,环丙烷键角(60°)与sp3杂化的键角(109.5°)相差比与sp2 杂化的键角(120°)之差要小,在sp2杂化的碳原子中的扭曲程度更大,张力更大,碳正离 子难以形成,离解速度小。又如对甲苯磺酸环丙酯,在60℃于醋酸中的溶剂解,比对甲苯 磺酸环丁酯的速度小10°倍,也是角张力的影响。 桥环化合物的桥头碳(*)上难形成碳正离子也是由于相应的碳正离子角张力较大,难 以离解所至 困难 通过上面的例子不难看出,与电子效应相似,空间效应对化合物的性质,尤其在反应 过程中形成活性中间体的稳定性的影响较大,对有机反应的进程起着重要的作用。 第五节立体电子效应 对于立体电子效应的认识起源于构象分析,通常开链饱和体系的优势构象是对位交叉
185 对于 SN2 反应，情况刚好相反。反应物中心碳原子上的取代基，对亲核试剂进攻中心 碳原子起着阻碍作用。这种由于基团在空间的直接排斥作用所产生的张力叫 F—张力（Face Strain，前张力）。这种空间张力也是一种空间阻碍作用。在 SN2 反应中，与反应物中心碳原 子上所连的烷基体积愈大，F—张力愈大，则反应速度愈小。 胺的碱性顺序也体现了 F—张力的影响。如只从电子效应考虑，预期胺的碱性次序应 为： R3N > R2NH > RNH2 > NH3 在非水溶剂中，对质子酸确实如此。因为质子体积小，空间因素的影响不大。如果以 体积较大的 Lewis 酸测定，则 F—张力的空间效应就非常明显，例如以三烷基硼 BR’ 3 为 Lewis 酸与胺作用，R 与 R’都足够大时，R3N 与 BR’3 靠近时会发生相互排斥，上述胺的碱 性次序将完全倒转。 图 1- 5 F—张力对胺碱性的影响 某些环状化合物中，由于键的扭曲所产生的分子内部固有张力叫做 I—张力（Internal Strain，内张力），主要表现为角张力（Angle Strain），如小环烷烃不稳定，容易开环加成， CH2 单元燃烧热较高，这是 I—张力作用的结果。但某些小环化合物与类似较大环或链状化 合物比较，I—张力还有另外一种表现形式，如环丙烷衍生物 1-甲基-1-氯环丙烷离解为碳正 离子比相应的开链化合物叔丁基氯要慢，虽然其中心原子表面上看都是由 sp3 杂化状态转变 为 sp2 杂化状态，但由于环丙烷较大的角张力存在使卤代衍生物的解离变得极其不利。 因为几何形状的限制，环丙烷键角（60°）与 sp 3 杂化的键角（109.5°）相差比与 sp 2 杂化的键角(120°)之差要小，在 sp 2 杂化的碳原子中的扭曲程度更大，张力更大，碳正离 子难以形成，离解速度小。又如对甲苯磺酸环丙酯，在 60℃于醋酸中的溶剂解，比对甲苯 磺酸环丁酯的速度小 106 倍，也是角张力的影响。 桥环化合物的桥头碳（）上难形成碳正离子也是由于相应的碳正离子角张力较大，难 以离解所至。 通过上面的例子不难看出，与电子效应相似，空间效应对化合物的性质，尤其在反应 过程中形成活性中间体的稳定性的影响较大，对有机反应的进程起着重要的作用。 第五节 立体电子效应* 对于立体电子效应的认识起源于构象分析，通常开链饱和体系的优势构象是对位交叉 N R R R R' R' B R' : BMe N BMe3 3 + N: + + BMe3 不反应 Me N Me Cl C - CH3 C + C + l CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 + + CH3 CH3 Cl - Cl Cl Cl - + + 困难 * *
式,但对于含有高电负性原子或强吸电基团的分子如氯乙醇、氟乙醇、氟甲醇、1,2-二氟乙 烷,它们的优势构象不是对位交叉式,而是邻位交叉式,这一现象叫邻位交叉效应(见第二 章)。在硏究糖及其衍生物的构象时也发现,卤素、酰氧基或烃氧基等吸电子基位于吡喃糖 的异头位即C(1)位时,直立式比平伏式取代的糖稳定,这叫异头效应( anomeric effect), 异头效应其实是六员杂环化合物中的邻位交叉效应。此后发现不仅糖,其它的六员杂环化合 物如取代的1,4-二氧六环、1,3-二噻烷也存在异头效应。 邻位交叉效应曾归因于偶极-偶极相互作用,但理论计算表明偶极-偶极相互作用不足以 大到这种地步。分子轨道理论计算揭示,氧或高电负性杂原子上的孤对电子与C-O或C一 X0*反键间的相互作用(n-0*相互作用)对邻位交叉式具有较强的稳定化作用。对邻位交 叉效应的研究引伸出了立体电子效应( stereoelectronic dffect的概念。 立体电子效应还没有统一严密定义,它的含义是:分子的电子对(成键的或非键的)在空 间的特定方向产生的轨道相互作用引起分子的结构(包括键长、键角、构象)、能量及反应活 性的改变叫做立体电子效应。立体电子效应不同于诱导效应、共轭效应、超共轭效应等电子 效应,也不同于一般的立体效应。从本质上讲立体电子效应属于一类电子相互作用,但表现 出立体效应的特征 立体电子效应也分为静态立体电子效应和动态立体电子效应,邻位交叉效应就是静态立 体电子效应,除了上述的邻位交叉效应及异头效应事例以外,酯、缩醛、酰胺、原羧酸酯、 原羧酰胺的环状或开链化合物均显示类似的静态立体电子效应。例如酯基是平面基团,有Z 和E式两种构象,通常Z式为优势构象,即使象甲酸叔丁酯,它的羰基氧与叔丁基间的空 间斥力也不能使之改变。只有小环内酯才被迫以E式存在,然而环增大到一定程度,内酯 也将采取Z式构象。原因是Z式酯比E式酯多出一个n-0*相 20 R O-R Z式酯,有两个n-0*相互作用 E式酯,有一个n-0*相互作用 动态立体电子效应又称立体电子效应控制的反应,就是指由立体电子效应制约其立体化 学进程、反应活性及选择性的这一类反应。缩醛中CH键的臭氧化,酯、酰胺、原羧酸酯 的水解,都存在n-0*相互作用引起的动态立体电子效应。 与离去基团相邻的环系叔醇在碱存在下重排生成缩环或扩环产物,立体电子效应也在这 些反应中起着重要作用,氧上的孤对电子促进了重排的发生。环己酮、环己烯酮、二烯酮类 衍生物的亲核加成,a-取代酮类衍生物的用金属Li、Ca、Zn等还原氢解,也受到立体电子 效应的影响 生物体内的各种生化反应、酶催化反应能在常温常压下高选择性地进行,立体电子效应 起着相当重要的作用,这些都有待于我们去探索和认识。 关于“立体电子效应”的详细内容可参阅傅相锴,立体电子效应,化学通报,1989(6): 第十五章饱和碳原子上的亲核取代效应 教学目的和要求 1.理解 SNI SN2SN1和邻基参与机理
186 式，但对于含有高电负性原子或强吸电基团的分子如氯乙醇、氟乙醇、氟甲醇、1,2-二氟乙 烷，它们的优势构象不是对位交叉式，而是邻位交叉式，这一现象叫邻位交叉效应（见第二 章）。在研究糖及其衍生物的构象时也发现，卤素、酰氧基或烃氧基等吸电子基位于吡喃糖 的异头位即 C（1）位时，直立式比平伏式取代的糖稳定，这叫异头效应（anomeric effect）， 异头效应其实是六员杂环化合物中的邻位交叉效应。此后发现不仅糖，其它的六员杂环化合 物如取代的 1,4-二氧六环、1,3-二噻烷也存在异头效应。 邻位交叉效应曾归因于偶极-偶极相互作用，但理论计算表明偶极-偶极相互作用不足以 大到这种地步。分子轨道理论计算揭示，氧或高电负性杂原子上的孤对电子与 C—O 或 C— Xσ*反键间的相互作用（n-σ*相互作用）对邻位交叉式具有较强的稳定化作用。对邻位交 叉效应的研究引伸出了立体电子效应（stereoelctronic dffect）的概念。 立体电子效应还没有统一严密定义，它的含义是：分子的电子对(成键的或非键的)在空 间的特定方向产生的轨道相互作用引起分子的结构(包括键长、键角、构象)、能量及反应活 性的改变叫做立体电子效应。立体电子效应不同于诱导效应、共轭效应、超共轭效应等电子 效应，也不同于一般的立体效应。从本质上讲立体电子效应属于一类电子相互作用，但表现 出立体效应的特征。 立体电子效应也分为静态立体电子效应和动态立体电子效应，邻位交叉效应就是静态立 体电子效应，除了上述的邻位交叉效应及异头效应事例以外，酯、缩醛、酰胺、原羧酸酯、 原羧酰胺的环状或开链化合物均显示类似的静态立体电子效应。例如酯基是平面基团，有 Z 和 E 式两种构象，通常 Z 式为优势构象，即使象甲酸叔丁酯，它的羰基氧与叔丁基间的空 间斥力也不能使之改变。只有小环内酯才被迫以 E 式存在，然而环增大到一定程度，内酯 也将采取 Z 式构象。原因是 Z 式酯比 E 式酯多出一个 n-σ*相互作用。 Z 式酯，有两个 n-σ*相互作用 E 式酯，有一个 n-σ*相互作用 动态立体电子效应又称立体电子效应控制的反应，就是指由立体电子效应制约其立体化 学进程、反应活性及选择性的这一类反应。缩醛中 C—H 键的臭氧化，酯、酰胺、原羧酸酯 的水解，都存在 n-σ*相互作用引起的动态立体电子效应。 与离去基团相邻的环系叔醇在碱存在下重排生成缩环或扩环产物，立体电子效应也在这 些反应中起着重要作用，氧上的孤对电子促进了重排的发生。环己酮、环己烯酮、二烯酮类 衍生物的亲核加成，α-取代酮类衍生物的用金属 Li、Ca、Zn 等还原氢解，也受到立体电子 效应的影响。 生物体内的各种生化反应、酶催化反应能在常温常压下高选择性地进行，立体电子效应 起着相当重要的作用，这些都有待于我们去探索和认识。 关于“立体电子效应”的详细内容可参阅傅相锴，立体电子效应，化学通报，1989,(6)： 28 第十五章 饱和碳原子上的亲核取代效应 教学目的和要求 1. 理解 SN1 SN2 SN1 和邻基参与机理 C O R' R O ∶ ∶ R C ∶O O R
2.结构,离去基团,亲和试剂对 SNI SN2反应的影响 3.理解芳核上的加成一消去,消去一加成和SNAr机理 4.立体化学对机理的启发 教学重点 1.SN1SN2和邻基参与机理对反应速率的影响因素 2.苯烃芳烃负离子机理 教学难点 1.SNl和邻基参与机理的立体化学问题 2.溶剂对反应机理的影响 第一节亲核取代反应机理 脂肪族亲核取代反应类型 单分子亲核取代反应(SN1)机理 双分子亲核取代反应(SN2)机理 四.离子对机理 五.SN2反应 第二节亲核取代反应的立体化学 SN反应的立体化学 二.SN2反应的立体化学 三.SN2和SN1反应的立体化学 第三节影响亲核取代反应的因素 反应物的烃基结构 1.电子效应 2.空间效应 二.亲核试剂 三.离去集团 四.溶剂的性质 第四节邻基参与机理 n参与 参与 1.碳碳双键参与作用 2.环丙基的参与作用 3.苯基的参与作用 第五节亲核取代反应在合成上的应用 碳氧键的形成 二.碳硫键的形成 三.碳卤键的形成 四.碳氮键的形成 第十五章饱和碳原子上的亲核取代反应 取代反应根据断裂的R—X键的性质可以分为三种类型,而键断裂的性质又取 决于作用物R—X的结构和进攻试剂的性质。以:Nu表示亲核试剂,E代表亲电试剂,·A 表示自由基,分类如下: (1)亲核取代反应(SN)
187 2. 结构，离去基团，亲和试剂对 SN1 SN2 反应的影响 3. 理解芳核上的加成—消去，消去—加成和 SN1 Ar 机理 4. 立体化学对机理的启发 教学重点 1. SN1 SN2 和邻基参与机理对反应速率的影响因素 2. 苯烃芳烃负离子机理 教学难点 1. SN1 和邻基参与机理的立体化学问题 2. 溶剂对反应机理的影响 第一节 亲核取代反应机理 一. 脂肪族亲核取代反应类型 二. 单分子亲核取代反应（SN1）机理 三. 双分子亲核取代反应（SN2）机理 四. 离子对机理 五. SN2 反应 第二节 亲核取代反应的立体化学 一. SN1 反应的立体化学 二. SN2 反应的立体化学 三. SN2 和 SN1 反应的立体化学 第三节 影响亲核取代反应的因素 一. 反应物的烃基结构 1. 电子效应 2. 空间效应 二. 亲核试剂 三. 离去集团 四. 溶剂的性质 第四节 邻基参与机理 一. n 参与 二. ∏参与 1. 碳碳双键参与作用 2. 环丙基的参与作用 3. 苯基的参与作用 第五节 亲核取代反应在合成上的应用 一. 碳氧键的形成 二. 碳硫键的形成 三. 碳卤键的形成 四. 碳氮键的形成 第十五章 饱和碳原子上的亲核取代反应 取代反应根据断裂的Ｒ—X 键的性质可以分为三种类型，而键断裂的性质又取 决于作用物 R—X 的结构和进攻试剂的性质。以：Nu-表示亲核试剂，E +代表亲电试剂，·A 表示自由基，分类如下： （1） 亲核取代反应（SN） R —X + ：Nu- R—Nu + ：X-