4.2亲核取代反应

I
反转的速度2.88+_ 0.03 x10-5
*I
CH3(CH2)5
CH3 + I
H
反转的速度3.00+_ 0.25x10-5
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。
H
O
R'
R
Cl
Cl
OSN
H
R'
O
R
O
Cl
OS
H
N
R'
（SN2） Cl 好离去基
R
SO2 H R'
N
• 与SOCl2反应机理 2（醚为溶剂，构型保持）
R
Cl
OS
Байду номын сангаас
H
O
R'
R
Cl
C
H R'
SO O
紧密离子对
R
C Cl + SO2 H
R'
SNi机理（ Substitution Nucleophlic internal, 分子内取代机理）
第4章： 亲核取代反应
1. 亲核取代反应的类型 2. 亲核取代反应的机理 3. 亲核取代反应的影响因素 4. 邻基参与作用
4.1取代反应的类型
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 （SN） （2）亲电取代 (SE) （3）自由基取代 (SH)
4.1亲核取代反应的类型
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碱（亲核试 剂）结合。
R1
R2 C R3
X慢
R1
C
+X
R2
R3
R+A
快RA
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。
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.
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.
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。
X
(c) 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.
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
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
（３）离去原子团的效应
(a) 离去原子团的亲电子性能（接受负电荷的能力）愈 大，则R—X分子愈易离子化, 从而按SN1历程进行反应, 并且反应进行得更迅速．也同样使SN2反应速度增加． 表:1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率
离去基团
CF3SO3－ p-硝基苯磺酸根离子
k相对 1.4×108
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。
SR SH
RX
XR SH
RS
SR SH (B)
R+X
(A)
XR
RS
δ SR + (1-δ )RS SH RX
XR
SH 1/2 SR+1/2 RS
碳正离子越不稳定，构型转变 产物的百分数也越高。
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
（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
R + CH3I
N
>
>
N
N
CH3
N
R
N
CH3
> C2H5
N
CH(CH3)2
(5) 溶剂的影响
(a) 溶剂极性的影响 易使RX离子化的溶剂有利于SN1反
应: 如C6H5-Cl的水解作用, 在水中反 应按SN1历程进行, 在丙酮中按SN2进 行. (b) 利用冠醚提高负离子的活性
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。
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
RX ++ Y:
RY+ + X:
（D）正离子底物 + 负离子亲核体
RX ++ Y:-
RY + X:
4.2 SN1机理进行的取代反应
(a) n参与作用
化合物的分子中具有未共用电子对的基 团位于离去基团的β位置或更远时，此化 合物在取代反应过程中构型保持。
COO-（但不是COOH）、OCOR、 COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、 NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、 Br、I及Cl (I>Br>Cl)
经过两次SN2反应, 总结果是构型保持
4.4×105
离去基团
CF3CO2－ Cl－
k相对 2.1 1.0
p-甲苯磺酸根离子 3.7×104 F－
9×10-6
CH3SO3－ I－
Br－
3.0×104 91 14
p-硝基苯甲酸根离子 CH3CO2－
5.5×10-6 1.4×10-6
(b) 卤素离去基团的反应活性顺序为
I->Br- >Cl- >F-
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 R+X (I)
离解作用 RX
(II)
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
H
(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。
CH CH3 水解反应
Cl
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
第一步
R
R
:Z C R |
RC L
CR
+Z | C
R + L-
R
R
第二步
R
R
CR
+Z | C
R
Nu:-
:Z C R |
R C Nu
R
R
邻基原子更易，更近, 外加的Nu必须和作用物碰撞才能
发生反应，而邻基Z由于所处的位置有利，即刻就能
进攻中心碳原子；
再者邻基参与作用的熵变更为有利，反应中心与Z反应 和与Nu反应相比，前者ΔS降低得较少。
K F + CH3(CH2)6CH2Br 18-冠-6醚 CH3(CH2)6CH2F
4.4 邻基参与作用
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）。
（b）位于α位的双键、叁键及芳基的影响
X,
X, ArX
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。
（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。
SN2亲核取代反应
R1
A
C
X
R2
R3
R1
X
R2 C
R3
A
(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
A
X CH3(CH2)5
CH3 + *I
通常把由于邻基参与作用而使反应加速 的现象称为邻基协助或邻基促进。
邻基参与作用
若邻基参与作用发生在决速步骤之后， 只有邻基参与作用而无邻基促进。
能发生邻基参与作用的原子团: 具有未共用电子对的原子或原子团; 含有
碳-碳双键等的不饱和基团、具有π键的 芳基以及C-C和C-Hσ键。分别称为n电 子参与、π电子参与和σ电子参与.
kOTs/kBr 11 10
40
4000
9750
(4) 亲核试剂对反应的影响
(a) 电负性对反应的影响 亲度决于核影慢试响的剂不离的明子电显化负, 因过性程为改,S变N而1对反此S应N过1速反程度应亲取速核
试剂不参加． 但响反亲，应核亲速试核度剂试加对剂大的S. N电2取负代性反减应小速，度则有S影N2
SNi亲核取代反应
反应有两种立体选择性 （与溶剂有关）
R
H
OH +
R'
SOCl2
N
SOCl2 醚为溶剂
R
Cl
H
R'
R
H
Cl
R'
构型翻转 构型保持
• 与SOCl2反应机理 1（有吡啶参与，构型翻转）
R
OH H
R'
Cl SO
Cl
R
Cl
OSO H
R' H Cl
R
Cl
OS
H
O
R'
氯代亚硫酸酯
R
Cl
N
OS
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 Cl
CH3
1.00
CH3
H3CH2C C Cl
CH3
2.06
H3C
CH3
CH C Cl H3C
H3C
CH3
1.75
CH3 CH3 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．
R+X
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）。
这与Ｃ－Ｘ键的键能和可极化性有关，因为一个 较易极化的离去基团将使它与碳所成的键断裂时 的过渡态变得稳定。
(c) 空间因素对于离去原子团离去能力有一定的 影响,如巨大的离去原子团和烃基间的非键连相 互作用, 有利于SN1历程.
表: RX在80%乙醇中的溶剂解时对甲苯磺酸酯/ 溴化物的速度比
R 甲基 乙基 异丙基 叔丁基 1-金刚烷基
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。