第四章亲核取代反应

+
C
I
+
I
-
C 6H 13
S
R
C 6H 13
瓦尔登(Walden)转化
反应进行到一半时：
50%反应物
H3C H C I
50%产物
CH3 H I* C
C 6H13
S
R
C 6H13
外消旋体
瓦尔登(Walden)转化
如果取代反应发生在旋光性卤代烷的手性碳 原子上，则生成的醇构型与反应物卤代烷的构型 正好相反。如（S）-2-溴辛烷与氢氧化钠的乙醇 水溶液反应得到（R）-2-辛醇。
H13C 6 H C CH3 Br C 6H13
+ NaOH
HO
C
H CH3
+
NaBr
S
R
[α]=-34.6°
[α]=+9.9°
S N 2 反应机理： Nu Nu Nu Nu Nu Nu Nu Nu Nu
C C C C C C
L L L L L L L
SN2历程反应前后分子构型的变化
反应前 反应后
在SN1反应中，由于决定反应速度的步骤是生 成正碳离子一步，而正碳离子的稳定性顺序为： 叔正碳离子仲正碳子离子伯正碳子离子CH3＋
因此在SN1反应中，卤代烷的活性次序为：
叔卤代烷仲卤代烷伯卤代烷 CH3X
H H H H H
C
H
H
H
C C+ C

反应物决定速度地异裂成一个之配位的 碳正离子和离去基因的方式来进行的， 然后是碳正离子与介质中的刘易碱（亲 核试剂）结合。
R R2 R3
1

R X
慢
1
C
R2
C R3
+ X
快
R
A
第一步为慢过程，发生取代反应的
分子异裂为离子; 第二步是形成的碳正离子和取代试 剂迅速反应得到产物。 第一步是反应速度的决定步骤，并 为单分子反应，所以整个反应为单 分子反应。
第一步：叔丁基溴在溶剂中首先离解成叔丁基正碳离子和 溴负离子，这是一步慢反应： (CH3)3C-Br [(CH3)3C+ ··· Br-] (CH3)3C+ + Br （过渡态1）
正碳离子 中间体
第二步：生成的叔丁基正碳离子立即与试剂OH-作用生 成叔丁醇，这是一步快反应：
(CH3)3C+ +OH - [(CH3)3C+ · · ·OH -] (CH3)3C- OH
A. 正离子稳定性对产物构型的影响：


如果形成的正离子不稳定，它立即被第二个试 剂进攻，此时 X— 还来不及离开正离子，它在 一定程度上显示了“遮蔽效应”因而妨碍了试 剂 A从这方面的进攻。所以除得到外消旋产物 外，还得到相当量的构型反转产物。 如果形成的正离子比较稳定，并能在较长时间 存 在 ， 则 X— 与 它 已 有 相 当 距 离 ， 不 再 表 现 “遮蔽效应”因此得到产物主要为外消旋体， 同时有少量构型发生反转的光活性物质。
SR SH RX
SR SH (B) R+X (A)
δ SR + (1-δ )RS SH R X SH R + X 1/2 SR+1/2 RS
XR SH RS
XR
X R
RS
δ RS + (1-δ )SR
（a）SH直接进攻RX得SR（完全反转）， 即直接发生SN2过程。 （b）如果形成紧密离子对，则溶剂在此 阶段进攻，若反应（A）不发生则导致完 全的反转，若反应（A）与（B）竞争， 则反转伴随外消旋化作用。 （c）如果形成溶剂分隔离子对，当溶剂 壳从前边崩溃时，则反应中构型保持， 如从后崩溃时则构型反转，总结果为部 分反转（δ）部分保持（1-δ）。 （ d ）形成游离 R+ ，为平面构型， SH 从 两面进攻的机会相同，得外消旋化产物。

X
β位双键的影响, 当β位有双键时, 如烯丙基和苯甲基等使 SN1 和 SN2 反 应速度均加快. 使 SN1加速是因为由于共轭使生成的 碳正离子稳定. 使 SN2 加速是因为通过 P型轨道 ( 它展 现在遭受进攻的碳原子上 ) 与邻近 π 体系的重叠使SN2过渡态变稳定的作 用.
(c)
C6H13
HO
6
13
S型
R型
SN2反应进程能量变化图
能 量
SN2亲核取代反应
R1 A R
2
R X R3 R2
1
X C A
C
R3
(I)
(II)

在SN2历程中亲核试剂由背面进攻，构型 反转，因过渡态（I）比保持原来构型的 过渡态（II）的能量小得多。
H
*I
CH3 + * I
A
X
CH3(CH2)5
-碳上取代基增加， 进攻试剂接近 -碳原子的阻力增 加
R
Br +I
丙酮
R
I + Br
H
H C Br > H3 C C Br > H3 C C Br > H3 C C Br CH3 H H H
H CH3 烃基结构对 SN2速率的影响
CH3
相对速度：
150 1
0.01
0.001
烃基结构对SN1速率的影响
R的空间效应
α 或 β 碳有分支 , 使 SN2 的反应速度减慢 , 使 SN1的反应速度增加. 因SN2的过渡态特别 拥挤,所以空间阻碍对SN2的影想比SN1大. 如 RBr中的溴被氢负离子取代 R = CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9 K = 100 1.65 0.022 0.0048
SN2和SN1反应的特点 SN2：
①反应连续进行，无 中间体生成；②反应 速率与卤代烷及亲核 试剂的浓度成正比； ③在决定反应速率的 这一步骤中，发生共 价键变化的有二种分 子；④反应前后分子 构型发生翻转
SN1：
①反应分步进行，有 中间体生成；②反应 速率仅取决于卤代烷 的浓度；③在决定反 应速率的这一步骤中， 发生共价键变化的只 有一种分子；④产物 构型一半保持，一半 翻转
碳正离子越不稳定，构型转变 产物的百分数也越高。
Cl CHCH3
* * CHCH 3 丙酮，水
OH
(95%外消旋体，5%构型转化）
* CH3CHCH2(CH2CH2)2CH3
OH
C2H5OH, H2O CH3CHCH2(CH2CH2)2CH3 * (66%外消旋体，34%构型转化）
Br
H CH C H H 和 CH (CH ) CHCH 3 2 5 3
(I)
(II)
碳正离子（I）比（II）稳定，在
碳正离子（I） 中正电荷和苯核 相互作用，使正电荷得到分散而 不是定位在一个碳原子上，因此 具有较小的能量，所以有较小的 反应性能，即有较大的稳定性。
RX + Y:

-
RY +X:
-
B. 试剂浓度对产物构型的影响： 如果进攻试剂的浓度低，R+大多数都来 得及成为平面构型，并和后来连接的X离 子分开，然后才受另一试剂进攻，主要 生成处消旋产物。 如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还 被X离子遮蔽的R+离子进攻机会，因而 构型反转的产物的比例会增加。
（过渡态2）
单分子历程 （SN1）
总反应速率由 慢反应决定 第一步：
第二步：
=k[(CH3)3C-Br ]
SN1反应进程能量变化图
过渡态1
过渡态2
单分子历程 （SN1）
手性碳原子
生成外消旋的醇
SN1历程反应前后分子构型的变化
反应前 反应后
HO
S型
R型
S型
单分子历程 （SN1）
例：
SN1机理进行的取代反应
Sp3杂化
亲核试剂在离去 基和碳原子间价 健的背面进攻
过渡态
分子构型反转， 瓦尔登(Walden) 转化
过渡态结构
瓦尔登(Walden)转化
反应前 反应后
瓦尔登(Walden)转化
CH3CHC 6H13 + I *- 丙酮 I CH3CHC 6H13 I*
+
I
-
消旋化速度是交换速度的二倍
H 3C I *H CH 3 H I* C
烃基结构对SN2速率的影响
在SN2反应中，由于亲核试剂是从卤原子的背 后进攻卤代烷的-碳原子的，如果-碳的取代基增 多， -碳原子周围将变得拥挤，进攻试剂接近碳原子的阻力增加，因此活性也就降低。
在SN2反应中，卤代烷的活性次序为：
CH3X伯卤代烷仲卤代烷叔卤代烷
-碳上的基团体 积 较小，进攻试 剂接近-碳 原子的阻力较小
I
CH3(CH2)5
H
CH3 + I
+ 0.03 x10-5 反转的速度2.88 _
+ 0.25x10-5 反转的速度3.00 _
C-A键形成的同时C-X键发生破裂，
反应为一步过程，没有中间体，C-X 破裂所需要的能量由形成的C-A键供 给。在过渡态时中心原子由SP3杂化 轨道转变为SP2杂化轨道，并以P轨 道的一个叶与亲核试剂A重叠，而另 一个叶与离去原子团重叠。
RX ++ Y: RY+ + X:
RY + X:

（D）正离子底物 + 负离子亲核体
RX ++ Y:-
4.1单分子历程 （SN1）
研究表明，叔丁基溴碱性水解速率与 叔丁基溴的浓度成正比，而与碱的浓度无 关。
单分子历程 （SN1）
=k[(CH3)3C-Br ]
单分子亲核反应历程
叔丁基溴的碱性水解反应历程表
对SN1反应,由于超共轭作用等引起碳正离 子的稳定性改变而影响反应速度: 三级碳正离子>二级碳正离子>一级碳正离 子 同时 , 对某些三级作用物 , 碳正离子形成过 程中张力消除 ,使反应加速 . β位的分支对 SN1历程的速度有较小的影响: 某些三级卤代烷的相对离解速度:
CH3 H3C C CH3
来自百度文库
无论SN1或SN2 都很慢或不反应。
原因之一：是由于SP杂化碳原子和SP2杂化碳原 子的电负性高，对电子有较大的引力，在亲核 取代作用中离去原子团带着它的一对成键电子 离去，因此 SP3 杂化碳原子相对来说比 SP2 杂化 碳原子及 SP杂化碳原子更容易失去离去原子团 和电子对。 原因之二：离去原子团具有未共享电子对，则 分子中离去原子团的未共享电子对与 л键发生共 轭作用，即离去原子团的电子云密度一部分转 移到 C—X 键，因而使 C—X 键大大加强。其结 果使C—X键的键长变短。
1.00
CH3 Cl H3CH2C C CH3
2.06
H3C Cl H3C CH
CH3 C CH3
1.75
CH3 CH3 Cl H3C C C Cl
CH3 CH3
2.43
桥头化合物
Br

在SN2和SN1反应条件下都极不活泼，在 SN2条件下，进攻亲核试剂不可能从背后 进攻而使构型发生反转．而在SN1反应条 件下，平面构型碳正离子的形成引起较 大的张力．

4.2双分子历程 （SN2）
研究表明，溴甲烷的碱性水解反应速率与 卤代烷的浓度以及碱的浓度成正比。
双分子历程 （SN2）
CH3－Br + OH- CH3OH ＋ Br-
v=k[CH3Br][OH- ]
双分子亲核反应历程表
溴甲烷的亲核取代反应机理
离去基团
Sp2杂化
Sp3杂化
溴甲烷的碱性水解反应历程表
第四章： 亲核取代反应



取代反应是指化合物的原子或原子团被其它原子或原 子团所取代的反应。 （1）亲核取代 （2）亲电取代 （3）游离基取代 亲核取代反应： （A）中性底物 + 中性亲核体
RX + Y: RY+ + X:（B）中性底物 + 负离子亲核体

RX + Y:

-
RY +X:-
（C）正离子底物 + 中性亲核体
CH Cl
CH3
水解反应
外消旋（%） 反转（%） 80%丙酮水溶液 98 2 60%丙酮水溶液 95 5 纯 水 83 17 SN1历程中的离子对： 在SN1取代反应中，如果游离的碳原子为平面 型，试剂从两面进攻的机会相同，产物应完全 外消旋化，但事实上总是伴有少量反转，这就 说明有一些产物不是从游离的碳正离子形成的， 而是由离子对形成的。
SN1反应按下列方式进行：
R
X
电离作用
RX (I)
+
R (II)
X
离解作用
R + X (III)

（I）为紧密离子对；（II）为溶剂分隔 离子对，在碳正离子和离去原子团之间 插入一个或数个溶剂分子；（III）为离 解的离子对，每个离子被溶剂的分子所 包围。在反应中紧密离子对重新结合为 原来的被作用物，称为内部反回。亲核 试剂在任何阶段进攻都能形成产物。在 紧密离子对中的R+和X-之间还有一定的 键连，因此能保持原来的构型。
4.3影响亲核取代反应历程的因素
R

X + A
RA + X
某一化合物主要按哪一种历程进行反应， 决定于R—X分子中R和X的性质（电子 效应和空间效应）及亲核试剂的性质以 及反应条件（溶剂，催化剂等）
R的电子效应
（a）排斥电子和吸引电子原子团的影响，如：
Z CH2 X
Z为吸引电子的原子团时，SN1反应速度减慢，α卤代酮、酸、酯等与此类似；Z为排斥电子的 原子团时，使SN1反应速度增加，Z排斥电子使 碳正离子的正电荷分散，使碳正离子稳定。 （b）位于α位的双键、叁键及芳基的影响 X, X, ArX