第四章亲核取代反应
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亲核取代反应
亲核取代反应
亲核取代反应(Nucleophilic substitution)指带有负电或弱负电的亲核体攻击(或撞击)并取代靶分子上带正电或部分正电荷的碳核的反应。
包括两种反应：单分子亲核取代反应(SN1)和双分子亲核取代反应(SN2) 。
在反应过程中，取代基团提供形成新键的一对电子，而被取代的基团则带着旧键的一对电子离去。
卤素连在饱和碳原子上，碳带有部分正电荷，卤素带有部分负电荷，富电子试剂—亲核试剂（nucleophile，简写Nu）进攻带部分正电荷的碳子，亲核试剂与碳原子形成共价键，卤原子则带着一对电子以负离子的形式离去，即卤素被亲核试剂取代，这种有机分子中的原子或基团被亲核试剂取代的反应称为亲核取代反应nucleophilic substitution reaction)，用S N 表示，其反应通式表示如下：
上式中卤代烷R—X为底物（substrate），常用“S”表示，Nu-为亲核试剂，X-为离去基团（leavinggroup），常用“L”表示。
与离去基团相连的碳原子称为中心碳原子。
亲核试剂属于Lewis碱，可以是带负电荷的离子（如OH-、RO-、RCOO-、NO3-、NH2-、RS-、HS-、N3-、CN-、RMgX、X-等），也可以是拥有孤对电子的中性分子（如H2O、ROH、RNH2、R2NH、R3N、PPh3等)。
如果反应中所用的溶剂同时又作为亲核试剂，这样的亲核取代反应也称为溶剂解（solvolysis），如水解、醇解等。
[2]
亲核取代反应又分为单分子亲核取代反应（S N1）与双分子亲核取代反应（S N2）。
4 第四章 亲核取代反应
溶剂介入
RL
+
-
R+ + L Nu SN 1
-
离解的离子 紧密离子对
Nu
Nu 溶剂介入 离子对
构型翻转
翻转（主要）
转化（消旋化） （消旋化产物）
三个阶段：
⑴ 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对 被溶剂化。 ⑵ 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。 ⑶ 离解的离子为自由离子。
亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同 的产物。
C2H5O SN1
-
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 1° C
+
重排
C2H5OH CH C CH 2 CH 3 3 CH 3 C CH 2 CH 3
CH 3
+
C 3°
-H
CH 3 CH 3 C CH CH 3
14
2. 双分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理
K C EtBr
CH2Ph Me CH OK
CH2Ph Me CH OEt
α= +23.5°
24
事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：
H Ph C Br CH3
CH3OH HBr
H CH3O C Ph + CH3
73% 消旋化产物
27 % 构型转化
当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应， Nu:从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构 型转化增多 。
32
当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)， SN 1反应速率明显增大：
C2H5OCH2Cl SN 1反应 109
第四章亲核取代反应
（2）周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂， 电负性大，亲核性小，碱性也小。如：
NH2－ > HO－＞Ｆ－
R3C－ > R2N－ > RO－ > F－
(2) 溶剂效应
溶剂效应对亲核取代反应所起的作用，不仅是重要的， 而且是复杂的，主要是通过影响过渡态的稳定性从而影 响反应活化能，以达到影响反应速率。
表3 1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率
离去基团
k相对
离去基团
k相对
CF3SO3－
p-硝基苯磺酸根
离子
p- 甲 苯 磺 酸 根 离 子
CH3SO3－ I－ Br－
1.4×108 4.4×105
3.7×104
3.0×104 91 14
CF3C2－ Cl－ F－ p-硝基苯甲酸 根离子
CH3CO2－
NaBr
CH3CH2CHCH3 Br
CH3CH2C+ HCH2Br-
(4) 空间效应
SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上 的三角双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：
Nu:- + C L
δ
δ+ δ -
Nu C
L
Nu C
+ L:-
T .S
显然，反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积越 大，过渡态的中心碳原子周围的拥挤程度就越严重， 必然会显著地降低反应速率。对于SN2历程的反应，α 或β碳上有分支、空间位阻愈大，都使反应速率减慢。
7
4
5
3
1
6
+ 2
（1）同烯丙基非经典碳正离子：同烯丙基非经典碳 正离子中的荷正电的碳原子与双键之间有一个碳原
高等有机第四章+饱和碳原子上的亲核取代反应
其反应机理为：
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
1、P533 SN2立体化学（Walden转化）发展历史
2、SN2的进攻方式 进攻试剂从C——X键的反面进攻，电子首先进入C——X键 的反键轨道，在过渡态中，分子呈直线性。
Nu
C
L
P534~535磺酸酯分子间反应，证明直线性反应
苏型
外消旋体
机制：
H H CH 3 S Br R OH 的构型为2R,3S，其稳定构象是 CH 3 CH 3 H S Br R H HO CH 3 H3C 即 Br H HO H CH 3
H3C Br
H HO H + HBr CH 3
H3C
H Br H2O H CH 3 S Br R Br CH 3 +Br CH 3
CH3 CH3
Cl
Cl
烯丙型和苄基型卤代烃的SN2速度加快。
当烯丙型和苄基型卤代烃以SN2历程进行时，由于键的存在， 可以和过渡态电子云交盖，形成p-π共轭，使过渡态能量降 低，从而有利于SN2反应。
X
HO CH2 CH CH2
Cl
H H
OH
烯丙基氯 的SN2反应
k1
CH 2SEt
SEt + SCN CH 2SCN
S－ 1-氯苯乙烷
H
O
S Ph C Cl H3C O
+ HCl
在乙醚中，HCl不溶，挥发掉。
H O Ph H3C H C O S Ph C Cl H3C O Cl S O H C + SO2 Ph Cl H3C R-1-氯苯乙烷 （构型保持）
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
1、P533 SN2立体化学（Walden转化）发展历史
2、SN2的进攻方式 进攻试剂从C——X键的反面进攻，电子首先进入C——X键 的反键轨道，在过渡态中，分子呈直线性。
Nu
C
L
P534~535磺酸酯分子间反应，证明直线性反应
苏型
外消旋体
机制：
H H CH 3 S Br R OH 的构型为2R,3S，其稳定构象是 CH 3 CH 3 H S Br R H HO CH 3 H3C 即 Br H HO H CH 3
H3C Br
H HO H + HBr CH 3
H3C
H Br H2O H CH 3 S Br R Br CH 3 +Br CH 3
CH3 CH3
Cl
Cl
烯丙型和苄基型卤代烃的SN2速度加快。
当烯丙型和苄基型卤代烃以SN2历程进行时，由于键的存在， 可以和过渡态电子云交盖，形成p-π共轭，使过渡态能量降 低，从而有利于SN2反应。
X
HO CH2 CH CH2
Cl
H H
OH
烯丙基氯 的SN2反应
k1
CH 2SEt
SEt + SCN CH 2SCN
S－ 1-氯苯乙烷
H
O
S Ph C Cl H3C O
+ HCl
在乙醚中，HCl不溶，挥发掉。
H O Ph H3C H C O S Ph C Cl H3C O Cl S O H C + SO2 Ph Cl H3C R-1-氯苯乙烷 （构型保持）
4.亲核取代反应
卤离子互换反应(
RBr + NaI RCl + NaI 丙酮 丙酮
Nu=I-)
RI + NaBr RI + NaCl
卤素相同、烃基结构不同的卤代烷，其活性顺序为： 卤素相同、烃基结构不同的卤代烷，其活性顺序为： 1°>2°>3°。 ° ° ° 此反应也可用于鉴别卤代烃，反应最快的是伯卤代烷， 此反应也可用于鉴别卤代烃，反应最快的是伯卤代烷， 其次是仲卤代烷，反应最慢的是叔卤代烷。 其次是仲卤代烷，反应最慢的是叔卤代烷。
水解反应 ( Nu=H2O )
RX
+
H2 O
ROH
+
HX
生成醇,反应可逆； 生成醇,反应可逆； 强碱( 强碱(KOH,NaOH)水溶液和卤烷共热水解,加快反应 )水溶液和卤烷共热水解, 进程。 进程。
RX
+
NaOH
ROH
+
NaX
与氰化钠作用
RX
( Nu=CN-)
RCN
+
NaCN
+
NaX
增长碳链的方法. 增长碳链的方法.变为羧基等官能团
4.亲核取代反应 4.亲核取代反应
亲核取代反应( 亲核取代反应(SN)—由亲核试剂进攻而引起的取代反应 由亲核试剂进攻而引起的取代反应
Nu-
+
RX
R-Nu
+
X
RX——反应物 底物 反应物(底物 反应物 底物) Nu-——亲核试剂 具有亲正电的性质 带有孤对 亲核试剂(具有亲正电的性质 亲核试剂 具有亲正电的性质),带有孤对 电子的原子或离子。 电子的原子或离子。如：HO-, RO- 等。 离去基团. X-——离去基团. 离去基团
04-亲核取代反应机理
（3）反应中形成的较稳定的碳正离子与乙醇、水作用得到相应 的亲核取代产物；通过脱去 β-H 消除反应得到消除产物。
反应机理
反应机理：
- AgBr
Br + Ag+
甲基迁移 +
伯碳正离子
+
叔碳正离子
+ + H2O+_ H+OH2
OH
比较 稳定
（ 1）
+ + C2H5OH
+
H
_ H+
+
OHC2H5
_ H+
有机化学习题解析
反应机理部分（4）
反应机理
完成下列反应机理：
例7、
H2O Br
解题分析：
（ 1）
OH +
OH
（ 2）
（1）从反应物和产物结构分析，这是溴代烷的亲核取代反应。
OH OH +
（ 1） 正常取代产物
（ 2） 双键移位取代产物
（2）这是烯丙位溴代烷的亲核取代反应，反应按 SN1 反应进行， 经过碳正离子中间体，碳正离子可能发生重排导致双键移位。
OC2H5
（ 2）
（ 3）
反应机理
例9、
O CH2CH2NHCH3
NaNH2
O
Et2O
N
Cl
CH3
解题分析：
（1）从反应物和产物结构分析，得到芳环亲核取代产物， 取代氨基作为亲核试剂。
（2）反应条件是强碱氨基钠，可能会生成苯炔中间体。
（3）芳环亲核取代不是取代芳卤所在的碳原子，而是取代 卤原子相邻的碳原子（可能涉及到苯炔中间体）。
+
+
第4章 亲核取代反应
N N＞RSO3-＞I-＞Br-＞NO3- ～ CI-＞H2O～ Me2S＞F-
§4.4.4 空间效应对亲核取代反应的影响
在SN1反应中， 取代基若能使正碳离子稳定增加则加速反应 在SN2反应中， 体积大的取代基将阻碍亲核试剂的进攻， 使反应速率降低。 碳正离子稳定性： R3C+ > R2CH > RCH2 > CH3 SN1反应速度增加
R L + Nu
(CH3)3S + (CH3)3N
+
+
R Nu + L
(CH3)4N +(CH3)2S
+
+
⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
+ RL Nu
+
R Nu +L
-
CH3OH2+ Cl
+
CH3Cl +H2O
§4.2 亲核取代反应机理
• 亲核取代反应历程曾被广泛地研究，动力学实 验数据，立体化学实验事实，以及反应物结构、 试剂性质、溶剂等对反应速度的影响，证明多 数反应是按两种历程进行的，即亲核取代反应 的SN1和SN2历程。
§4.4.3 离去基团对亲核取代反应的影响
离去基团的碱性越弱，越容易离开中心碳原子，
即反应物越容易被取代。 含氧离去基团活性次序随着碱性的增强而减弱； 例如：RSO3 ＞RCOO ＞C6H5O
-
可极化性越大，其取代活性越强，
例如：I ＞Br ＞CI ＞F ，RS ＞RO
-
以水为介质进行的亲核取代反应，被取代基团的 离去速率为：
R3C-X R2CH-X RCH2-X CH3-X
亲核取代反应
亲核取代反应一．亲核取代反应机理。
亲核取代反应是指有机分子中的与碳相连的原子或原子团被作为亲核试剂的某原子或原子团取代的反应。
反应分为SN1型（单分子取代反应），与SN2型双分子取代反应。
1.SN1型（单分子取代反应）第一步是碳原子上正电荷增加，离去基团负点性增加，经过过渡态（1）并最终解离，生成活性中间体碳正离子与离去基团负离子。
由于这一步反应的活化能较高，速率较慢，所以这一步是反应的决速步。
第二步是活性中间体的碳正离子与亲和试剂作用，生成反应产物。
这一步仅需少量能量，速率很快。
反应特点：(1)SN1反应的决速步是中心碳原子与离去基团之间化学键的异裂。
反应速率只取决于一种分子的浓度，因此，它在动力学上是一级反应。
(2)一般是一个两步反应。
第一步生成的碳正离子采取SP2杂化，是平面构型。
故若反应物的中心碳原子是手性碳，反应产物一般是一对等量的对映异构体的混合物——外消旋体。
(3)反应中间体生成的碳正离子导致反应有重排的趋势。
2.SN2型（双分子取代反应）反应中，离去基团离开中心碳原子的同时，亲核试剂与中心碳原子发生部分键合，无中间体生成。
有机反应中，将两种分子参与决速步的亲核取代反应陈伟双分子亲核取代反应。
反应特点：(1)SN2反应是一步反应，只有一个过渡态。
(2)在SN2反应中，亲核试剂进攻中心碳原子是总是从离去基团溴原子的背面沿着碳原子和离去基团连接的中心线方向进攻。
这个过程会使得碳原子与三个未参与反映的键发生翻转，这种翻转称为瓦尔登翻转，又称构型翻转。
二．影响亲核取代反应的因素1.烃基结构的影响。
对SN1反应，主要考虑碳正离子的稳定性。
对SN2反应，主要取决于过渡态形成的难易，也就是空间效应的影响。
2.离去基团的影响。
离去基团的性质对SN1和SN2将产生相似的影响:离去基团的离去能力越强，亲核取代反应越易进行。
对于离去基团:键能越弱，离去基团的稳定性越好，该离去基团的离去能力就越强。
3.亲核试剂的影响仅对SN2有影响。
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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
-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
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
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。
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
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
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。
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。
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
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
1Hale Waihona Puke X C ACR3
(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
+
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。
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
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
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
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
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
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．
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
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。
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
-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
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
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。
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
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
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。
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。
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
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
1Hale Waihona Puke X C ACR3
(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
+
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。
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
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
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
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
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
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．
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
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。