饱和碳键上的亲核取代反应
有机化学反应机理总结-超经典!!!
* 3oROH按此反应机理进行酯化。 * 由于R3C+易与碱性较强的水结合，不易与羧酸结合，
故逆向反应比正向反应易进行。所以3oROH的酯化 反应产率很低。
该反应机理也 从同位素方法 中得到了证明
O
CH3C-O18H + (CH3)3COH
O18
CH 3CO -C(C H3)3 + H2O
*3 酰基正离子机理
环氧化合物在酸性条件下开环反应的反应机理
H
CH3
H+
H
CH2CH3
O
H
CH3
H
+ CH2CH3
O+
H
18
H
OH
H
H2O18
OH
CH 3 CH 2CH 3
H
CH3
H
CH2CH3
O+ H
H H
18O+H 2
-H+
OH
CH 3 CH 2CH 3
1,2环氧化合物碱性开环反应的反应机理
H C3H
H H
+O - C 3 1 2 H 开 H 环 + CH 3H
实例：卤代烃单分子亲核取代反应的反应机理（SN1）
R1 R2 C
R3
Br
慢
R1 R2 C
R3
-BrBr
反应物
过渡态
R2 R1
Nu-
C+ 快
R3 中间体
R1
R2 C
Nu
R3
R1
R2
C
R3
过渡态
Nu
Nu
产物
R1
Nu
C R2
R3
过渡态
有机化学中的亲核取代反应
有机化学中的亲核取代反应孙金鱼;赵三虎;赵明根【摘要】亲核取代反应是有机化学中的一类非常重要的反应，可分为四种类型：①饱和碳原子上的亲核取代反应（SN1和SN2）；②不饱和碳原子（主要是芳环）上的亲核取代反应；③经苯炔中间体的亲核取代反应；④底物为羧酸衍生物（酰卤、酸酐、酯、酰胺）的亲核取代反应。
这些亲核取代反应在有机合成上有着极其广泛的应用，但因反应机理的差异性较大，学生学买并掌握起来困难较大。
文章拟将上述四种类型的亲核取代反应进行系统分析和比较，找出反应的规律性，以期帮助学生学习之需要。
%As a kind of very important organic chemistry reactions, nucleophilic substitution reactions are generally di- vided into four types：①nucleophilic substitution reactions on the saturated carbon atoms（SN1 and SN2）;②nucleophilic substitution reactions on the u nsaturated carbon atoms （mainly aromatic ring）; ③nucleophilic substitution reactions through such intermediate as benzyne, ④nucleophilic substitution reactions which substrates are carboxylic derivatives （acyl halides, anhydrides, esters, amides）. These nucleophilic substitution reactions have an extremely wide range of ap- plications, but due to the differences of reaction mechanisms, we have found it difficult for students to learn and master these reactions. In this paper, we will analyse and compare the four types of nucleophilic substitution reactions systemati- cally and find out their regularities so as to meet the need of students.【期刊名称】《海南师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(025)001【总页数】7页(P109-114,118)【关键词】有机化学;亲核取代反应;机理【作者】孙金鱼;赵三虎;赵明根【作者单位】忻州师范学院化学系,山西忻州034000;忻州师范学院化学系,山西忻州034000;忻州师范学院化学系,山西忻州034000【正文语种】中文【中图分类】O621.13在有机化学中，亲核取代反应是一种特别重要的反应，按照其反应机理可以归纳为四种类型.即①饱和碳原子上的亲核取代（SN1和SN2）；②不饱和碳原子（主要是芳环）上的亲核取代；③经苯炔中间体的亲核取代；④底物为羧酸衍生物（酰卤、酸酐、酯、酰胺）的亲核取代.这些反应本质上都是亲核取代，但由于反应机理的差异性较大，学生学习并掌握起来困难较大.只有从反应机理上彻底认识并掌握各类亲核取代反应，才是解决问题的根本方法.1.1 一般的饱和碳原子上的亲核取代反应这类反应主要涉及卤代烷烃（RX）、醇（ROH）以及饱和碳原子上连有羟基、卤原子等的其他类型的有机物.从反应机理讲，分为SN1和SN2两种极限历程.SN1为单分子亲核取代历程，中间体为碳正离子，整个反应分两步完成，立体化学为外消旋化.SN2为双分子亲核取代历程，经过渡态一步完成，立体化学为瓦尔登（Walden）翻转，即构型翻转.简要表示其通式[1]如下：①SN1的反应通式为：②SN2的反应通式为：在SN1中，反应的快慢取决于离去基团的性质.离去基团的亲核性弱，则易于离去；反之，则不易离去.离去基团的碱性、中心原子的半径大小等影响着它亲核性的强弱.一般来说，碱性弱则亲核性弱，易于离去；中心原子的半径大则变形性大（强），也易于离去.在SN2中，反应的快慢与底物结构、离去基团、亲核试剂的性质有关，有时还与溶剂的极性有关.底物结构简单、试剂的亲核性强，离去基团的碱性弱（即易于离去），都有利于反应的快速进行；反之，反应则不易进行.对于亲核试剂，碱性强则亲核性强；中心原子的半径大则变形性大，亲核性也强.对于离去基团，则与SN1相同.对于那些碱性特别强的离去基团如羟基（-OH）、氨基（-NH2）等，须在酸催化下才能顺利离去，以实现取代.醇分子间脱水成醚的反应属于亲核取代，反应一般按SN2历程进行.例如[2]：Williamson合成法制醚的反应也属于亲核取代，反应一般按SN2历程进行.反应通式为：RX+NaOR′（或NaOAr）→ROR′（或ROAr）因醇钠或酚钠碱性较强而容易引起脱卤化氢的消除反应，反应中所用卤代烃一般要求是一级卤代烃.醚键断裂的反应是重要的亲核取代反应，特别是环氧乙烷衍生物的开环反应更为重要.醚键断裂反应的通式为：反应中氢卤酸的活性顺序为：HI＞HBr＞HCl.一般用HI进行反应，偶尔用HBr进行反应，几乎不用HCl，因其反应活性差.对于脂肪族混合醚，醚键优先在较小烃基一边断裂（SN2机理）[2].对于含有叔烃基的脂肪族混合醚，醚键优先在叔烃基一边断裂，因这种断裂可生成稳定的叔碳正离子（SN1机理）[3].对于芳基烷基混合醚与HX反应，醚键总是在脂肪族烃基一边断裂，这是因为芳基碳氧键结合得很牢固（p-π共轭）.显然，二芳基醚在HI作用下也不会发生断裂反应.环氧乙烷衍生物的开环反应是一种特殊的亲核取代反应.环氧乙烷衍生物因其具有三元环而能与许多含有活泼氢化合物(如水、醇、胺、酚、氢卤酸等)发生反应，可用酸或碱作催化剂.不对称环氧乙烷衍生物的开环反应有一个方向问题.在碱性条件下开环，亲核试剂优先进攻空间位阻较小的环碳原子（SN2机理）.而在酸性条件下开环，亲核试剂优先进攻取代程度高的环碳原子（带有SN1机理性质）[4]：从立体化学上讲，酸性开环和碱性开环反应都属于SN2类型的反应[2]，如下列两个例子：1.2 特殊的饱和碳原子上的亲核取代反应1.2.1 邻近基团参与的亲核取代反应邻近基团参与的亲核取代反应简称邻基参与.当能够提供电子的基团处于底物中心碳原子的邻近位置时，它们通过某种环状中间体先于亲核试剂参与亲核取代反应，其结果不仅加快了反应速率，而且使产物保持原构型（但有时也会得到重排产物）.其反应分两步进行，先发生分子内亲核取代形成环状结构（此时构型已发生翻转），然后亲核试剂沿着离去基团离去路径反方向进攻，发生取代（此时构型再次发生翻转），两次构型翻转（SN2）等于构型不变，即构型保持.反应通式[2]如下：常见的邻近基团有：COO-、O-、S-、OH、OR、NH2、NR2-、SR、Cl、Br、I、以及苯基、烯基等.列举三例如下：例1 （S）-α-溴代丙酸盐的水解反应例2 β-苯基溴代烷的水解反应例3 β-碘代醇的溴化反应1.2.2烯胺为亲核试剂的亲核取代反应烯胺与活泼卤代烃可进行亲核取代反应.五元环酮或六元环酮形成烯胺后可与活泼卤代烃进行亲核取代，在羰基α-位引入烷基（烃基），生成取代环酮.其反应通式[2]如下：R′X=CH2=CHCH2Cl，BrCH2COOC2H5，RCOCl，CH3I，BrCH2COR等1.2.3 丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯中活泼亚甲基为亲核试剂的亲核取代反应丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯作为特殊的试剂在有机合成上非常有用，可合成众多有机化合物.它们的反应是在强碱作用下形成碳负离子，并作为亲核试剂进行亲核取代反应，从而引入各种不同的基团，再经酮式或酸式分解，可得到不同结构的酮、酸或二酸等.应该特别指出的是，如果引入两个相同的烃基，丙二酸二乙酯可一次完成，而乙酰乙酸乙酯由于无法形成双钠盐，必须分步进行才能完成.1.2.3.1 丙二酸二乙酯在有机合成上具体应用反应通式：其中R1X或R2X=使用二卤代烃还可合成环状产物：1.2.3.2 乙酰乙酸乙酯在有机合成上具体应用反应通式：2.1 苯环上的亲核取代反应当芳环上连有强拉电子基时可使环上的电子云密度降低，不利于发生亲电取代反应，有利于发生亲核取代反应.亲核试剂首先同芳环加成，然后离去基团离去，重新恢复环的芳香性，反应机理为加成-消除历程[1]：当环上连有拉电子基，尤其是在邻、对位有拉电子基时，会使反应速率加快.因邻对位拉电子基通过共轭效应，使连有离去基团的碳原子上的电子云密度降低，有利于亲核试剂进攻，也有利于碳负离子中间体的稳定.当卤原子的邻对位有拉电子基团存在时，可以发生水解、醇解、氰解、氯解等亲核取代反应.例如[2]：应该指出：①乙酰乙酸乙酯亚甲基上的取代产物可以分别在稀碱或浓碱的作用下发生酮式分解或酸式分解.由于在浓碱的作用下酸式分解时往往伴随有酮式分解，因此，合成羧酸最好使用丙二酸二乙酯.②由于乙酰乙酸乙酯不像丙二酸二乙酯那样能形成双钠盐，因此不能合成三四元环.③如果反应底物为卤代烃、α-卤代酮、α-卤代酸酯等，则机理一般为SN2；如果反应底物为酰卤，则机理为加成-消除历程. 反应活性顺序与脂肪族卤代烃的亲核取代反应活性顺序正好相反，原因在于反应机理为加成-消除机理，与饱和碳原子上的亲核取代反应机理不同.一个典型的例子是氯苯水解时随着环上硝基数目的增多，取代反应越来越易[3，5]：拉电子基主要活化其邻、对位，对间位的活化作用很弱.例如：在制备脂基芳基混合醚（Williamson合成法）时，一般选择酚钠和脂肪族卤代烃进行反应.但在芳环上邻、对位连有拉电子基的卤代芳烃，可以和醇钠作用，生成脂基芳基混合醚.例如：2.2 吡啶环上的亲核取代反应吡啶具有芳香性，属于含氮芳杂环化合物.由于环上氮原子的拉电子作用，在2-位或4-位上容易发生亲核取代反应.例如齐齐巴宾（Chicibabin A E）反应：反应机理：当吡啶的2-位或4-位上有易离去基团（如Cl、Br、NO2等）时能与亲核试剂发生亲核取代反应.例如：反应机理为加成-消除历程：2.3 经苯炔中间体的亲核取代反应苯炔（benzyne）是许多芳族亲核取代反应中的中间体.例如，用强碱（如KNH2）处理不活泼芳卤，在生成正常取代产物的同时，也会得到变位（cine）取代的异构产物.这些反应的机理均为消除-加成历程.一般是未被活化的芳基卤代物在强碱作用下发生消除反应生成苯炔中间体，而后亲核试剂再对苯炔进行加成反应得到产物：当生成的苯炔不对称时，就产生苯炔的生成方向及加成方向问题.以芳卤的氨解反应为例讨论如下.2.3.1 苯炔的生成方向取决于取代基Z的诱导效应上述反应可能生成的苯炔中间体为：式（3）中生成两种苯炔中间体.到底哪一种占优势，取决于碳负离子的稳定性，而碳负离子的稳定性又与取代基的诱导效应有关.当Z为拉电子基时，（1）比（2）要稳定，因为前者负电荷更靠近拉电子基Z，相应的主要生成苯炔（1′）.当Z为推电子基时，（2）比（1）要稳定，主要生成苯炔（2′）.2.3.2 苯炔的加成方向也取决于取代基Z的诱导效应羧酸衍生物（酰卤、酸酐、酯、酰胺）的结构特点是：分子中都有酰基，而且酰基都直接与带有未共用电子对的原子或基团相连，既存在诱导效应，又存在p-π共轭效应.这类化合物发生亲核取代反应的一般通式为：羧酸衍生物的水解、醇解、氨解均属于这类亲核取代，反应活性次序为：酰氯＞酸酐＞酯＞酰胺.此外，酯缩合反应也属于羧酸衍生物的亲核取代反应，其机理加成-消除历程，并且非常重要.如Claisen酯缩合反应和Dieckmann缩合反应.Claisen酯缩合反应[2]：例1 完成反应（中南大学2007年硕士研究生招生试题）例2 完成反应（上海师大2007年硕士研究生招生试题）例3 完成反应（江苏大学2009年硕士研究生招生试题）Dieckmann缩合反应[2]：反应机理为：例4 完成反应（四川大学2008年、天津大学2007年硕士研究生招生试题）【相关文献】[1]高鸿宾.有机化学[M].北京:高等教育出版社,2005:243,252.[2]王积涛,张宝申,王永梅,等.有机化学[M].2版.天津:南开大学出版社,2003:313,318,332,239,550,507,508.[3]曾昭琼.有机化学(下册)[M].北京:高等教育出版社,2004:299-300,81.[4]王永梅,王桂林.有机化学提要·例题和习题[M].天津:天津大学出版社,1999:125.[5]曾昭琼.有机化学(上册)[M].北京:高等教育出版社,2004:293.。
亲核取代
R C C X R C C X
R C C R+ C C C+ C
+
R C+ C
R
R 为H, alkyl, aryl时，易发生重排，并可能 形成非经典碳正离子。 当R为R2N、Ph、R、CO2-、Br等基团时， 易发生邻基参与反应。
A Unified Theory of Aliphatic Nucleophilic Substitution
C…X
C…Y
C+ Y+Reaction coordinate
SN2反应为bimolecular反应，表现为二级 动力学方程，动力学方程为： rate=k[Nu][RX] 但是，观察不到二级动力学并不意味着反应不 按双分子基元反应进行，如溶剂解反应。 SN1反应为非基元反应，通常碳正离子的 形成为rate-determining：
Rate = k[HO-][R3N+R']
CH3 HOH3C N+ CH3 CHPh2 Ph2CHOH + N(CH3)3
Rate = k[Ph2CHN(CH3)3+]
SN2(Substitution Nucleophilic Bimolecular) SN1(Unimolecular)
[Y…C…X]
k1k2 [RX][Nuc-] k-1
虽然为二级动力学反应，但不是SN2反应。例如 Ph3CHCl在苯中与甲醇的反应。不过这种情况 很少。
在上述历程中，关键的问题是离去基团的离去 和亲核试剂的进攻的时机(timing)。在溶剂解反 应中，这一问题由于溶剂的亲核参与而变得更 为复杂。为了评价溶剂的电离能力，Grunwald & Winstein 用t-BuCl的溶剂解反应为基准，建立 了溶剂电离能力的线性自由能关系。
亲核取代
CH 3 CH 3 C CH 2Br CH 3
C2H5O SN1
-
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 1° C
+
重排
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 C 3°
+
OC2H5 CH 3 CH 3 C CH CH 3
-H
小结SN1的特点： ①分步进行 ②决速步骤为C－X解离，单分子反应，有 v=k[RX] ③有C＋中间体，构型保持与构型转化机率相同 ④常伴有C＋的重排
相对速度 150
1
0.01
0.001
因而,按SN2历程进行反应时,卤烷活性次序一般为: CH3X > 伯卤烷 > 仲卤烷 > 叔卤烷.
2015年12月9日 15
SN2反应中的空间效应
立体效应：碳原子上的甲基能阻碍亲核试剂的 接近,提高了反应的活化能而使反应速度降低. 电子效应：碳原子上的氢被烷基取代后, 碳原 子上的电子云密度将增加 ,也不利于亲核试剂对反 应中心的接近. 一般认为:立体效应的影响大于电子效应.
R1 R1 C R2 R3 Br
a
C R2 R3 HO
b
R1 HO C R2 R3
a 构型转化
+
R1 C OH R2 R3
b 构型保持 外消旋体
2015年12月9日
7
(2)特点二：反应有重排。
C2H5OH
CH 3 CH 3 C CH 2OC2H5 CH 3 CH 3
C2H5OH CH C CH 2 CH 3 3
>
RCH2
>
CH3
SN1反应的速度是：
R3C-X R CH-X CH2=CHCH2-X > 2
邢其毅《基础有机化学》笔记和课后习题(含真题)详解(脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应 β-消除反应)
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超共轭效应的大小不碳上 C-H 键的多少有关，C-H 键越多，超共轭效应越大。超共轭 效应的大小次序为
CH3-＞RCH2-＞R2CH-＞ R3C4．场效应 叏代基在空间可以产生一个电场，对另一头的反应中心有影响，这就是场效应。距离越 进，场效应越小。
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定程度的减弱，亲核试剂、离去基团不碳原子成一直线，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转 发成平面，亲核试剂不碳原子间的键开始形成，碳原子不离去基团间的键断裂，碳原子上三 个键由平面向另一边偏转。若中心碳原子为手性碳原子，在生成产物时，中心碳原子的构型 完全翻转，这也是 SN2 反应在立体化孥上的重要特性。
（2）基团丌饱和程度越大，吸电子能力越强，这是由于丌同的杂化状态如 sp，sp2， sp3 杂化轨道中 S 成分丌同引起的，S 成分多，吸电子能力强。
（3）带正电荷的基团具有吸电子诱导效应，带负电荷的基团具有给电子诱导效应。不 碳直接相连的原子上具有配价键，亦有强的吸电子诱导效应。
（4）烷基有给电子的诱导效应，同时又有给电子的超共轭效应。 一些常见基团的诱导效应顺序如下： 吸电子诱导效应： NO2＞CN＞F＞Cl＞Br＞I＞C≡C＞OCH3＞OH＞C6H5＞C=C＞ H 给电子诱导效应： （CH3）3C＞（CH3）2CH＞CH3CH2＞CH3＞H 2．共轭效应 共轭效应：在共轭体系中，由于原子间的相互影响而使体系内的 π 电子（或 p 电子） 分布収生发化的一种电子效应。 吸电子的共轭效应用-C 表示，给电子的共轭效应用+C 表示。叏代基的共轭效应和诱导 效应方向有时丌一致。共轭效应只能在共轭体系中传递，且贯穿于整个共轭体系中。 3．超共轭效应 当 C-Hσ 键不 π 键（或 p 轨道）处于共轭位置时，也会产生电子的离域现象，这种 C-H 键 σ 电子的离域现象叫做超共轭效应。
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。
取代反应机理及应用
从而使产物具有不同程度的旋光性，而某些情况下还能得到构型保持的产物，例如：
5
以上几种情况到底发生哪一种？它与反应底物的结构、 试剂的种类与浓度以及反应环 境等因素有关。如果生成的碳正离子十分稳定，则生成外消旋化的产物，如果生成的碳正 离子不稳定，在离去基团(L)还未完全离开之前，亲核试剂(Nu)就开始进攻中心碳原子，由 于 L 的屏蔽效应，妨碍了 Nu 从 L 离去方向进攻中心碳原子，Nu 只能从 L 的背面进攻中 心碳原子，所以得到的产物往往是外消旋化的同时，还得到部分构型转化的产物。外消旋 化产物与构型转化产物二者的比例取决于碳正离子的稳定性和亲核试剂的浓度， 如果碳正 离子较稳定，亲核试剂的浓度较低，则产物外消旋化所占比例就高，反之，则外消旋化所 占比例就低。例如 Ph-CHClCH3 在不同条件下的水解反应，有如下数据： 虽然在实际的 SN1 反应中，往往只发生部分外消旋化，但这并不影响外消旋化作为 SN1 反应机理的证据， 至于在 SN1 反应中得到构型保持的产物， 则是由于邻基参与的结果。
6
该反应显然是通过 SN1 反应机理先离解成一级碳正离子，但一级碳正离子很不稳定， 立即发生重排，得到比较稳定的三级碳正离子，然后3)3C++Br-
如果外加一些与离解的离子相同的离子，例如 Br-离子，就会使平衡向左移动，这样对叔 丁基溴的离解起到了抑制作用，使反应速度减慢，这种作用叫做同离子效应，同离子效应 是反应的一个特征。 1.3 桥头碳上的 SN1 反应 对桥头碳上带有潜离去基团的化合物进行动力学研究，也能为 SN1 机理提供证据[3]。 例如， 将 1-氯代阿朴莰烷在 80%乙醇和 30%KOH 溶液中煮沸 2h 或者在硝酸银的乙醇水溶 液中煮沸 48h，都不发生反应，而类似的开链体系化合物则很容易反应。这是因为在 SN1 反应中反应底物首先离解成碳正离子，碳正离子为平面 (或近乎平面)结构，而桥头碳原子 上因空间效应的阻碍，它不能或很难伸展成平面结构，因此桥头碳正离子很难形成，以致 使该化合物在条件下不能发生反应，这就从反面为 SN1 反应机理提供了证据，见图 2：
有机化学基础知识点取代反应的机理和规律
有机化学基础知识点取代反应的机理和规律有机化学是研究有机物（含碳元素）的合成、性质和结构等方面的科学。
在有机化学中，取代反应是一种常见的反应类型，它涉及到一个原子或基团取代另一个原子或基团的过程。
了解取代反应的机理和规律是掌握有机化学基础知识的重要一环。
一、取代反应的机理1. 亲核取代反应机理亲核取代反应是指一个亲核试剂（如NH3、Br-等）攻击一个有机化合物中的亲电中心，使其离开并被亲核试剂取代的反应。
亲核试剂中的亲核部分在反应中发挥了重要作用。
亲核取代反应机理主要包括以下几个步骤：（1）亲核试剂攻击：亲核试剂中的亲核部分与有机化合物中的亲电中心发生攻击反应，形成一个中间体。
（2）中间体重排：中间体发生重排反应，使得取代基得以稳定排列。
（3）离去基离去：离去基离开中间体，并与溶剂或离去基之间形成新的化学键。
（4）生成产物：最后生成的产物是一个被亲核试剂取代了一个原有基团的化合物。
2. 亲电取代反应机制亲电取代反应是指一个亲电试剂（如H+, Br+, AlCl3等）攻击一个有机化合物中的亲核中心，使其离开并被亲电试剂取代的反应。
亲电试剂中的亲电部分在反应中发挥了重要作用。
亲电取代反应机制主要包括以下几个步骤：（1）亲电试剂攻击：亲电试剂中的亲电部分与有机化合物中的亲核中心发生攻击反应，形成一个中间体。
（2）中间体重排：中间体发生重排反应，使得取代基得以稳定排列。
（3）离去基离去：离去基离开中间体，并与溶剂或离去基之间形成新的化学键。
（4）生成产物：最后生成的产物是一个被亲电试剂取代了一个原有基团的化合物。
二、取代反应的规律1. Sn1和Sn2反应Sn1反应和Sn2反应是亲核取代反应中的两种常见机制。
Sn1反应是典型的两步反应，第一步是亲电离子形成，第二步是亲核试剂攻击。
Sn2反应是典型的一步反应，在反应中，亲核试剂直接攻击有机化合物中的亲电中心，并与离去基同时发生。
Sn1反应适用于三级卤化合物等离子体生成较容易的化合物；Sn2反应适用于一级卤化合物等亲电离子形成较困难的化合物。
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Nu
-
＋
C L
Nu C L
δ
δ
Nu C
Walden 转化
由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以产物发生 构型转化－Walden转化。
Nu:
L
Nu
+ L-
构型
翻转
NaOH SN 2
H
C6H13 C Br CH3
C6H13 HO C H CH3
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° 对映体的纯度=100%
第五章 饱和碳原子上亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution)
一. 反应类型 二. 反应机理 (Reaction Mechanism) 1. SN1机理 2. SN2机理 3. 离子对机理 三. 立体化学 1. SN2反应 2. SN1反应
四. 影响反应活性的因素
R Nu++ L
(CH3)4N++(CH3)2S
(CH3)3S + (CH3)3N
+
+
⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
R Nu +L RL + Nu+ + Cl CH3Cl +H2O CH3OH2
二. 反应机理
1. 单分子亲核取代 (Substitution Nucleophilic Unimolecular) (SN1)反应机理 + L Nu R R L + Nu ν = k1 R L
b)排斥电子和吸引电子原子团的影响，如：
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。
c)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。
(b) 亲核试剂分子的立体结构对反应的影响 亲核试剂分子加大, 使SN2取代反应速度降低
规律： 1)带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： －OH > H O, CH O- > CH OH 2 3 3
2)带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强； 中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强。
1. 底物的烃基结构 2. 离去基团 (L) 3. 亲核试剂 (Nu:) 4. 溶剂
五. 邻基参与反应
六. 亲核取代反应实例
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
一. 反应类型
亲核取代反应的通式：
Nu + R L
亲核试剂 离去基团 带着 带着
• 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， 主要生成外消旋产物。 • 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。
外消旋(%) 80%丙酮水溶液 98 60%丙酮水溶液 95 纯 水 83
R' CH R X
不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物
3. 离子对机理
介于SN1 与 SN2 之间的机理，建立在SN1机理基础之上。 底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同的离子对：
R L Nu SN 2
离子化
R
+ L-
溶剂介入
RL
+
-
R+ + L Nu SN 1
-
离解的离子 紧密离子对
Nu
A. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致： RO- > HO- >> RCO2- > ROH > H2O CH3O- > PhO- > CH3CO2- > NO2-
L Nu R +
一对电子 一对电子
进攻 离开
中心碳原子
⑴ 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：
Bu3P + CH3CH2I
R L +Nu
-
Bu3P CH2CH3 + I
-
⑵ 亲核试剂带有负电荷：
+ L R Nu
PhCH2Cl + CN
R L + Nu
+
-
Cl + PhCH2CN
⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：
d) 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.
e) 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：
• (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。
H C Cl CH3 Ph
OHH2O
H C
+
OH-
H
H C OH HO C Ph CH3 Ph
CH3 Ph
CH3
49%
51%
消旋化 (Racemization) 正碳离子越稳定，消旋化程度越大
• 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。
(二)亲核试剂的强度
Nu:在 SN2反应中起着重要作用
(a) 电负性对反应的影响 亲核试剂的电负性改变对 SN1 反应速度影响不明显 , 因为 SN1 反应速度取决于慢的离子化过程 , 而此过程亲核试剂不参 加． 但亲核试剂对 SN2 取代反应速度有影响，亲核试剂的电负性 减小，则SN2反应速度加大.
SN1反应： A. 电子效应 a)所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN 1反应的反应 速率增大：
ROTs
R
k1 OTs
R+
EtOH
R OEt
相对速率 (k1)
Et i-pr CH2=CH-CH2 PhCH2 Ph2CH Ph3C
0.26 0.69 0.86 100 ~10 5 ~10 10
当取代基具有＋I、 超共轭效应、＋C效应， SN 1反应速率增大, 反应 活性增大。
CH3CH2 1
(CH3)2CH 0.03
(CH3)3C 0
新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：
H C X H
H
Nu:Nu C L HFra bibliotek转变过程中，中心碳原子 由底物同 4 个基团相连转变 为由过渡态的同 5 个碳原子 相连，空间拥挤程度增大 。
当底物中心碳原子连有较大基团时， Nu:难于从背后接近底物。
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
L L
Nu
C
L
在过渡态中，亲核试剂的孤对电子所 占有的轨道与中心碳原子的 p轨道交 盖的程度与离去基团与中心碳原子的 p轨道的交盖程度相同
按 SN 2 机理进行的底物特征：
反转(%) 2 5 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：
(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。
EtOH K2CO3 B
(R) - (-) - 2 - 辛烷 [α]25D= -34.25° 对映体的纯度=100%
CH2Ph
CH2Ph
CH2Ph Me CH OEt α= α=-19.9 -19.9 ° °
Me CH OH TsCl Me CH OTs A α= α=+33.0 +33.0 ° ° α= α=+31.1 +31.1 ° °
反应分两步进行
R L
慢
第一步 正碳离子的生成：
R+ + L
-
δ
R L
δ
第一步是决定反应速率的一步。
第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
R+ + Nu
- 快
R Nu
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。
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。