高等有机第五章饱和碳原子上的亲核取代反应

对叔代烷水解有下列实验事实：
C 2H5
C2H5 2 + HO C CH3 + HCI H3C C CI C2H5OH H3C C OH (CH2)3CH(CH3)2 (CH2)3CH(CH3)2 (CH2)3CH(CH3)2 C 2H5
... H O.
R-2,6-二甲基-6-氯辛烷
构型保持
构型翻转
三、离子对历程
除了SN1、SN2两种极限情况的历程以外，还有很多亲 核取代反应测定的数据既不符合SN1又不符合SN2历程，而 是介于两种极限历程之间，叫做处于“交界状况”的反应。 对于“交界状况”的亲核取代反应，有几种反应机理假 说，其中最有影响的有： 1）同时并存的、竞争或混合的SN1—SN2历程； 2）二元化离子对历程及统一的离子对历程。 但离子对历程对亲核取代反应的解释已逐渐为人们所 接受。Sneeen等人在Winstein等人二元化离子对历程的基 础上提出了统一的离子对历程（又称一元化离子对历程）， 来说明亲核取代反应。
-
H Br
-
HO +
C H
HO
C
H H
+ Br
H
过渡态 (transition state)
HO C Br
能 量
OH +
-
ΔE
H H
C Br H
HO C
H H H
+
Br
反应进程
溴甲烷水解反应的能量曲线
双分子亲核取代反应机理
SN2历程的立体化学
发生Walden转化即伞型效应
n-C6H13 C H CH3 Br
协助或邻基促进。
能发生邻基参与作用的原子团: ①具有未共用电子对的原子或原子团; ②具有π键的碳-碳双键、芳基； ③ C-C和C-Hσ键。 分别称为n电子参与、π电子参与、σ电子参与。
结果: ①生成环状化合物或环状中间体; ②限制产物的构型; ③反应速度异常增大。
1. n参与
（1）氧参与
O O- ,
反应机理：
第一步 叔丁基溴解离成叔丁基正离子和 溴负离子:
(CH3)3C Br
慢
δ (CH3)3C
Br
δ
(CH3)3C + Br
过渡态 T1
第二步 叔丁基正离子与亲核试剂 OH-作用：
(CH3)3C + OH
快
δ (CH3)3C
δ
OH
(CH3)3C OH
过渡态 T2
第一步是决定反应速率的一步。
T1
邻基参与，构型翻转
SN2反应，构型翻转
3和1与底物构型相同，邻基参与和SN2反应的总结果为构型保持。
例2
H Me
Br C C O O
-
-Br
-
H Me C O C
O
HO
OH-
O C C O-
构型翻转
H
构型翻转
Me
（2）硫参与
ClCH2CH2 S CH2 Cl ClCH2CH2 S
总结果为构型保持
CH2
C
3
C
H CH3
(2R,3R)
OAc Ph
H CH3 H
进攻C3
C OAc
C H CH3
(2R,3R)
构型保持不变
(3) 环丙基的参与作用
环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当 位置时也可能发生邻基参与作用。
H OCOC6H4NO2-p p-O2NC6H4OCO H
(I)
(II)
（Ⅰ）的溶剂解速率比化合物（Ⅱ）的溶剂解速率 快1014倍。
OH-
CH2
邻基参与
CH2
SN2
ClCH2CH2S
CH2OH CH2
（3）卤素参与
Br H H CH3 CH3 OH
H+
Br
Br
H H CH3 CH3 OH2
-H2O
H CH3
C
Br-
C
H CH3
(2S,3S)
(2S,3S)
H Br Br H
(2R,3S)
CH3 CH3 + Br Br H H
CH3 CH3
-
CH3Cl +H2O
4.底物为正离子，亲核试剂为中性分子。
如：RN+(CH3)3＋Ｈ2S RS+H2＋Ｎ(CH3)３
类型1和4反应前后无电荷变化，类型2和３反应前后有 电荷变化，但两者相反。
5.1 亲核取代反应历程
一、 双分子亲核取代反应历程（SN2）
协同的一步反应，新键的形成和旧键的断裂是同 时进行的，亲核试剂从离去基背面进攻中心碳原子， 过渡态为五配位的三角双锥构型。
T2
ΔE1
ΔE2
C + Br
ΔE1 > ΔE2
碳正离子为 反应中间体
(CH3)3COH + HBr
(CH3)3CBr + H2O
反应进程
叔丁基溴水解反应的能量曲线
SN1历程的立体化学: 碳正离子中心碳为sp2杂化，平面结
构，有空p轨道，理论上产物外消旋化。
R C+ R1 R2
R C R1 R2 50% Nu 构 1. 对SN1影响
凡是能稳定C+的各种因素均有利于SN1的进攻，中心碳原 子上连接的供电基团，能分散碳正离子上的正电荷，提高碳正
离子的稳定性。
（1）电子因素 稳定性： 3°R+ > 2°R+ > 1°R+ 烷基：+I和+C’效应
SN1的速度：3°RX > 2°RX > 1°RX
R L + Nu
底物
-
+ R Nu L
亲核试剂
离去基团
亲核取代反应可以分为以下四种类型：
1.底物为中性分子，亲核试剂为负离子。
如：Ｒ－Ｉ＋ＯＨ－ Ｒ－ＯＨ＋Ｉ－
2.底物与亲核试剂都是中性分子。
如：Ｒ－Ｉ＋Ｎ(CH3)3
如：
CH3OH2+ Cl
+
RN+(CH3)3 ＋Ｉ－
3.底物为正离子，亲核试剂为负离子。
OH-
C6H13-n HO C H CH3 + Br-
[]＝-34.6
[]=49.9
H3C H
Cl H
+
OH
H3C H
H OH
+ Cl
二、单分子亲核取代反应历程（SN1）
动力学上为一级反应，反应速度只与反应底物有关 而与亲核试剂的性质和浓度无关。 v = k1[RX]
R X
慢
δ+ [R
δX]
TS1
R R1
R2 50%
Nu同时存在。
dl
这取决于底物结构和试剂性质，通常情况是外消旋化与构型翻转
有以下几种情况：
（1）当形成的碳正离子稳定性较小时，被试剂进攻时，离去基
尚未完全离开，在一定程度上产生了遮蔽效应，妨碍了Nu-从离 去基的方向进攻，主要得构型反转的产物； （2）如果试剂浓度低，碳正离子稳定性大，可顺利成为自由离 子，与离去基X-分开后才接受Nu-进攻，这时产物为外消旋化； （3）如果进攻试剂的浓度较高，被X-遮蔽的碳正离子受试剂背 面进攻的机会增加，构型反转比例增加。
当一个进行亲核取代反应的底物分子上还带有一个能 作为亲核体的基团 , 并位于分子的适当位置时，能够和反应 中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体，从而影响反 应 的 进 行 ， 这 种 现 象 称 为 邻 基 参 与 作 用 （ Neighboring group participation）。 通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为 邻基
苯环上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。
位于α位的双键、叁键及芳基的影响无论SN1或SN2 都很 慢或不反应。
X,
(2R,3R)
(2S,3S)
Br H CH3 H OH2 (2R,3S) CH3
Br
-H2O
CH3
C H CH3
CH3 H
C
Br-
H H
Br Br
(2S,3S)
meso
CH3
手性中间体
2 .π参与
（1）C=C的参与
H
OTs
构型不变
AcOAcOH
H
OAc
反式
-TsO-
反式
AcO-
+
H
OTs
H
OTs
H CH3 OAc
50%
(2R,3S)
H CH3
进攻C3
Ph C C H CH3
OAc
(2S,3R)
50%
50%构型转化，50%构型翻转，结果为外消旋化。
Ph CH3 H 赤式(2R,3R) C C H CH3
-OTs
-
+
CH3 H
OTs
C3
C 2
H CH3
(2S,3S) 手性
OAc-
Ph
进攻C2 CH
OAc H OAcOTs SN1历程,不存在邻基参与，由于AcO-的吸电子使得碳正离子 的形成较困难。
OAc H
CH3COOCH3COOH
OAc H
+
H
－4 -1 -1 OAc k2=1.9× 10 L.mol .S
H
OTs
H
OAc
OAcH
外消旋体
Me C O O H