第四章亲核取代反应
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）。
高等有机第四章+饱和碳原子上的亲核取代反应
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
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。
《亲核取代反应》课件
定义及反应机理
亲核取代反应：一种有机化学反应，其中亲核试剂（如Nu-）攻击亲电试剂（如RX），形成新的化学键。
反应机理：亲核试剂（如Nu-）攻击亲电试剂（如R-X），形成过渡态，然后释放 出离去基团（如X-），形成新的化学键。
亲核试剂：具有亲核性的原子或分子，如Nu-、OH-、NH2-等。
亲核取代反应
,
汇报人：
目录
01 添 加 目 录 项 标 题 03 亲 核 取 代 反 应 的 类
型
05 影 响 亲 核 取 代 反 应 的因素
02 亲 核 取 代 反 应 的 定 义
04 亲 核 取 代 反 应 的 历 程
06 亲 核 取 代 反 应 的 应 用
Part One
单击添加章节标题
Part Two
应速率
空间位阻和立 体效应的共同 作用：取代基 团的大小、形 状和立体结构 共同影响反应
速率
空间位阻和立 体效应的竞争： 在某些情况下， 空间位阻和立 体效应可能会 相互竞争，影
响反应速率
溶剂效应
溶剂极性：极性溶 剂有利于亲核取代 反应
溶剂酸碱性：碱性 溶剂有利于亲核取 代反应
溶剂浓度：高浓度 溶剂有利于亲核取 代反应
药物合成中的应用
药物合成中， 亲核取代反应 常用于合成药 物分子中的特
定官能团
亲核取代反应 可以改变药物 分子的立体结 构，从而改变 药物的活性和
选择性
亲核取代反应 可以合成具有 特定生物活性 的药物分子， 如抗生素、抗
肿瘤药物等
亲核取代反应 可以合成具有 特定药理作用 的药物分子， 如镇痛药、抗
SN1反应中，亲核试剂首先攻击离去基团，形成碳正离子中间体
亲核取代反应
-碳原子旳阻力增 长
R Br +I 丙酮 R I+ Br
H 烃基构造H 对SN2速C率H旳3 影响 CH3
H C Br > H3C C Br > H3C C Br > H3C C Br
H
H
H
CH3
相对速度：
150
1
0.01
0.001
烃基构造对SN1速率旳影响
在SN1反应中，因为决定反应速度旳环节是生 成正碳离子一步，而正碳离子旳稳定性顺序为：
I
+ CH3CHC6H13
I-
I*
消旋化速度是互换速度旳二倍
H3C
I*-+ H C I
C6H13 S
CH3
I* C H + I -
50%反应物 H3C H CI
C6H13 S
50%产物
CH3 H
I* C
R
C6H13
外消旋体
瓦尔登(Walden)转化
碳正离子越不稳定，构型转变 产物旳百分数也越高。
Cl C* HCH3 丙酮，水
C* HCH3 OH (95%外消旋体，5%构型转化）
CH3C* HCH2(CH2CH2)2CH3
Br
OH
C2H5OH, H2O CH3CHCH2(CH2CH2)2CH3 *
(66%外消旋体，34%构型转化）
H
CH C H 和 CH3(CH2)5CHCH3
如 RBr中旳溴被氢负离子取代 R = CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9
K = 100 1.65 0.022 0.0048
对SN1反应,因为超共轭作用等引起碳正离 子旳稳定性变化而影响反应速度:
亲和取代反应总结
亲核取代反应总结1、反应定义：亲核取代反应（Nucleophilic Substitution Reaction）是指有机分子中与碳相连的某原子或基团被作为亲核试剂的某原子或基团取代的反应。
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.2、反应意义:这类反应是有机化学中非常重要的一类反应，不论在理论研究中还是在有机合成实际中都是极其有用的一类反应.3、反应分类：亲核取代反应的主要类型为脂肪族饱和碳上的亲核取代反应,即饱和卤代烃与亲核试剂的取代反应，较特殊结构的有苄基卤代物、烯丙基卤代物亲核反应。
其他类型还包括与酰氯、磺酸酯、磺酰卤、卤代苯等的取代反应.从电荷类型来分,亲核取代反应只能有四种类型：(1)中性底物和负离子亲核试剂反应(2)中性底物和中性亲核试剂反应(3)正离子底物和负离子亲核试剂反(4）正离子底物和中性亲核试剂反应亲核试剂包括有机和无机两类分子或离子：无机类亲核试剂:OH—、CN-、X—、H2O、NH3等有机类亲核试剂:ROH、RO—、PhO-、RS—、RMgX、RCOO-等4、反应机理类型分类：（1）双分子亲核取代反应（S N2)有两种分子参与了决定反应速率关键步骤的亲核取代反应称为双分子亲核取代反应。
反应过程中，亲核试剂从反应物离去基团的背面向与它连接的碳原子进攻，先与碳原子形成比较弱的键，同时离去基团与碳原子的键有一定程度的减弱，两者与碳原子成一条直线，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变成平面，这需要消耗能量，即活化能，当反应进行和达到能量最高状态即过渡态后，亲核试剂与碳原子之间的键开始形成，碳原子与离去基团之间的键断裂，碳原子上三个键由平面向另一边偏转，整个过程犹如大风将雨伞由里向外反转一样，这时就要释放能量，形成产物，S N2反应机理一般式表示为：Nu-+R X[Nuδ-···R···Xδ- ] NuR+X—例如，溴甲烷与OH—的水解反应：（2)单分子亲核取代反应（S N1)只有一种分子参与了决定反应速率关键步骤的亲核取代反应称为单分子亲核取代反应,反应中，反应物首先解离成碳正离子与带负电荷的离去基团，这个过程需要能量，是控制反应速率的一步，即慢的一部.当分子解离后，碳正离子马上与亲核试剂结合，速率极快，是快的一步。