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亲核试剂—有机反应机理59

 合成化学与机理 2022-11-07 发布于江苏

亲核试剂具有能量较高的电子对,能用于形成新键。亲核原子可以是电中性的,也可带负电荷。

亲核试剂有三种类型:含孤对电子亲核试剂(lone-pair nucleophiles),s键亲核试剂(s-bond nucleophiles)和p键亲核试剂(p-bond nucleophiles)。

1 含孤对电子亲核试剂

该类亲核试剂含有一对孤对电子,常见的有:醇、氧负离子、胺、氮负离子、卤素负离子、硫醇、硫醚、有机膦等。

如叔胺可以与碘代甲烷发生亲核取代反应,生成对应的季铵盐。

2 s键亲核试剂

s键亲核试剂包含一个非金属原子与金属原子之间的化学键Nu-M

亲核原子可能为杂原子 (NaNH2KOH), 碳原子(格氏试剂、有机锂试剂、铜锂试剂),或氢原子 (NaBH4 LiAlH4)

强极性的金属-非金属键Nu–M常被认为是离子键(NuM),因此PhC≡C–LiH3C–MgBr, LiAlH4 有时也写成 PhC≡CH3CH

按这样的写法s键亲核试剂也是含未共用电子对的亲核试剂。

如四氢铝锂可以作为还原剂进攻丙酮的羰基碳。

3 p键亲核试剂

p键亲核试剂利用p键的电子对与亲电试剂的亲电原子形成s键。如碳正离子可以进攻烯醇结构形成新的C-C键。

亲核烯烃与亲电试剂反应时,总是电子云密度高的双键碳与亲电试剂形成新键。直接与含未共用电子对的杂原子相连的烯烃(烯醇盐、烯胺、烯醇、烯醇醚)b-碳亲核性强,a- (与杂原子直接相连) 亲核性弱。

比如溴只会进攻烯醇盐的b-碳,而不会进攻a-碳,因为b-碳表现出亲核性而a-碳表现出亲电性。通过分析烯醇盐的共振式的稳定性,也可以得出该结论

对于纯烷基取代的烯烃,取代较少的碳亲核性强,优先与亲电试剂结合(马氏规则,碳正离子稳定性)。

4 亲核试剂的亲核性和碱性

亲核试剂的亲核性是根据其在25 ℃的水溶液中与 CH3Br反应的速率来测定的,是动力学性质。

试剂的碱性是其与H+ 反应的能力(用平衡常数的负对数表示), 是热力学性质。

因此,试剂的亲核性与碱性有联系也有区别。由于这些区别,有些强碱可能是弱亲核试剂。

许多亲核反应在碱性条件下进行,了解亲核性与碱性的关系很重要。

在元素周期表中,亲核性增加而碱性降低,如Et2S > Et2OI- > Cl-

较重原子具有较强的亲核性是因为原子半径较大,导致电负性较低,空间可接近性较好,同时被溶剂化的程度小。

亲核原子周围立体位阻增加,亲核性显著降低,碱性则略有增加

例如,EtO-是强碱(pKb = 17)和强亲核试剂, t-BuO-的亲核性则非常小,但碱性却更强(pKb =19)

电荷离域使碱性显著降低,对亲核性影响则较小。

例如,EtO-(pKb= 17)在较低温度下与s-BuBr反应生成消除产物2-丁烯,而AcO- (pKb = 4.7)在较高的温度下与s-BuBr发生SN2反应生成s-BuOAc

5 极性非质子溶剂增加试剂的亲核性

极性非质子溶剂只有很强的极化正离子的能力,因此可以通过选择性极化正离子,降低正离子对于负离子的束缚,提高负离子的亲核性。

DMSONaF的亲核性影响为例,DMSO可以通过选择性极化钠离子,降低钠离子对于氟离子的束缚,提高氟离子的亲核性。

6 非亲核碱

非亲核碱(位置较大的强碱弱亲核试剂)在亲核反应中作为碱催化剂使用,本身不与亲电试剂反应,如叔丁醇钾、DBULDA

7 介质酸度对试剂亲核性的影响

强碱性亲核试剂(RO-RC≡C-RS-R2N-)只能在碱性条件下存在。

比如大多数s-键亲核试剂(PhMgBrCH3LiLiAlH4NaBH4)有相当强的碱性,在酸甚至水存在的条件下容易分解,只能在碱性条件下使用。

弱碱性亲核试剂(卤负离子、R2SR3PRCO2-RSO3-) 在酸性或碱性条件下均可存在。

比如大多数p-键亲核试剂(烯醇、烯醇醚、烯胺以及简单的烷基取代烯烃和芳烃)可在酸性条件,也可在碱性条件下存在,但烯醇盐只能在碱性条件下存在。

水和醇可在碱性也可在酸性条件下存在,碱性条件下与亲电试剂反应前先脱质子,酸性条件下则不可能先脱质子。因此醇在强酸条件下可能失去亲核性。

酸性条件下胺 (R3N)以铵盐形式存在,无未共用电子,不能作亲核试剂起反应。

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