第六章 脂肪族亲核取代反应反应
脂肪亲核取代反应和消除反应
脂肪亲核取代反应和消除反应脂肪亲核取代反应和消除反应是有机化学中两种常见的反应类型。
它们在合成有机化合物和调控分子结构方面都具有重要的意义。
下面将详细介绍这两种反应的原理、机理和应用。
一、脂肪亲核取代反应脂肪亲核取代反应是指一个亲核试剂与一个电子不足的亲电试剂反应，以形成一个新的化学键的过程。
它的原理可以归纳为以下几点：1.亲核试剂：亲核试剂具有孤对电子或自由基的特性，可以与电子不足的亲电试剂发生反应。
常见的亲核试剂包括氨、水、醇、酚、醚等。
2.亲电试剂：亲电试剂是指具有正电荷、部分正电荷、或含有亲电性官能团的化合物。
亲电试剂可以提供一个带正电荷的中心原子或原子团，使其与亲核试剂发生反应。
3.当亲电试剂与亲核试剂接近时，电子密度会发生改变，使得亲电试剂中带有正电荷的原子更容易与亲核试剂的孤对电子或自由基结合。
脂肪亲核取代反应的机理有多种类型，包括S_N2、S_N1、E1、E2等。
其中S_N2和E2是比较常见和重要的类型。
S_N2反应是指亲核试剂在一个步骤中与亲电试剂发生反应，并且亲核试剂的取代基与离开基是同时发生的。
这种反应具有一定的立体化学控制，因为亲核试剂会在空间上与亲电试剂相互作用。
E2反应也是一个一步反应，亲电试剂和亲核试剂同时发生反应，生成的产物通常是具有双键的化合物。
E2反应也具有一定的立体化学控制，因为亲核试剂和亲电试剂通常在反应中产生空间位阻。
脂肪亲核取代反应在有机化合物的合成中具有广泛的应用。
例如，它可以用于合成醇、酚、醚、胺等化合物。
通过选择不同的亲核试剂和亲电试剂，可以在分子中引入不同的官能团，从而实现有机合成的多样性。
二、脂肪消除反应脂肪消除反应是指一个有机化合物分子中的某个原子或原子团被取代，并且同时发生一个新的键的生成，以形成一个双键或三键的反应。
它的原理可以归纳为以下几点：1.碱性条件：脂肪消除反应通常需要在碱性条件下进行，以提供碱性条件下的亲核试剂。
2.去质子化：在脂肪消除反应中，亲核试剂需要先与亲电试剂结合，并从原有的结构中去除一个质子，以形成一个碳碳双键或碳碳三键。
第六章 脂肪族饱和碳原子亲
第六章 脂肪族饱和碳原子亲核取代反应 b-消除
(2) b-消除—E1反应—邻二卤代烷失卤素与E1cb反应
E1cb反应即单分子共轭碱反应；cb 表示共轭碱(conjugate base)
第六章 脂肪族饱和碳原子亲核取代反应 b-消除
卤代烷中卤原子的电负性很强，使C-X键的电子偏向卤原子，碳上 带有部分正电荷，容易受亲核试剂的进攻，卤原子带一对电子离 开，由于反应是亲核试剂进攻带正电荷或带部分正电荷的碳原子， 因此称为亲棱取代反应(Nueleophilic Substitution reaction)
(2) b-消除—E1反应—醇的失水
第六章 脂肪族饱和碳原子亲核取代反应 b-消除
(2) b-消除—E1反应—邻二卤代烷失卤素与E1cb反应
E1cb反应即单分子共轭碱反应；cb 表示共轭碱(conjugate base)
第六章 脂肪族饱和碳原子亲核取代反应 b-消除
(2) b-消除—E1反应—邻二卤代烷失卤素与E1cb反应
CH2=CH—CH2+的p-共轭
第六章 脂肪族饱和碳原子亲核取代反应 b-消除
(1) 亲核取代—手性碳原子的构型保持和翻转—Walden转换
当反应涉及到手性碳原子上的一个旧价键的断裂和新价键的形成时，如果新的 价键在旧价键断裂方向形成，则为构型保持；新价键在旧价键相反方向形成，则称之为 构型翻转轭
(1) 亲核取代—影响因素—离去基团
第六章 脂肪族饱和碳原子亲核取代反应 b-消除
(1) 亲核取代—影响因素—试剂亲核性
第六章 脂肪族饱和碳原子亲核取代反应 b-消除
(1) 亲核取代—影响因素—试剂亲核性
脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应、消除反应
根据反应机理和产物的不同，可以将亲核取代反应和消除反应分为多种类型，如 SN1、SN2、E1、E2等。
反应机理概述
亲核取代反应机理
亲核取代反应可以按照SN1或SN2机理进行。在SN1机理中 ，碳正离子首先形成，然后亲核试剂进攻碳正离子，形成产 物。在SN2机理中，亲核试剂直接从背面进攻碳原子，同时 发生取代反应。
要点二
不同点
亲核取代反应是进攻一个亲核试剂到碳原子上，而消除反 应是进攻一个水分子到碳正离子中间体上；亲核取代反应 的产物是稳定的，而消除反应的产物是不稳定的；亲核取 代反应的反应机理是形成中间体，而消除反应的反应机理 是形成碳正离子中间体。
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详细描述
E2反应需要离去基团具有较弱的酸性，如醇和酯等。在反应过程中，离去基团与碳原子上的两个氢原 子结合形成不饱和键，同时释放一个氢分子。由于是双分子反应，E2反应的速率主要取决于底物浓度 和催化剂的存在。
E1cb反应
总结词
E1cb反应是一种特殊的单分子消除反应，其中离去基团和碳原子上的一个非邻近氢原 子结合形成不饱和键。
详细描述
E1cb反应需要离去基团具有较强的酸性，如羧酸和酯等。在反应过程中，离去基团与 碳原子上的一个非邻近氢原子结合形成不饱和键，同时释放一个氢离子。由于是单分子
反应，E1cb反应的速率主要取决于底物浓度。
04
CATALOGUE
脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应与消 除反应的比较
反应机理比较
亲核取代反应
应用领域比较
亲核取代反应
在有机合成中广泛应用于碳-碳键的 形成，如酯化、水解等反应。
消除反应
在有机合成中常用于制备不饱和键， 如醇的脱水、卤代烃的脱卤素等反应 。
脂肪族的亲核取代
❖ 结论：SN1历程通过生成碳正离子进行取代反 应时，在发生消旋化的同时，通常还伴随着 部分构型转化
2024/8/7
10
C 重排
CH3
CH3
CH3 C CH2Br CH3
CS2HN15O-CH3
CH3 C CH2 CH3 1°C+
C2H5OH CH3 C CH2OC2H5 CH3
溴溴
脂肪族亲核取代反应 （Nucleophilic Substitution）
1 反应历程 2 反应特点 3 反应的影响因素
2024/8/7
1
反应通式：
dR+－Xd- + Nu-
反应物 底物 亲核试剂
R－Nu + X-
离去基团
d+ d-
亲核试剂(Nu－)可进攻 R－X 中的正电中心，将X－ 取代。
亲核试剂——带有孤对电子或负电荷，对原子核 或正电荷有亲和力的试剂，用Nu：或Nu－表示。
CH3CH2CH2CH2Br + OH
CH3CH2CH2CH2OH + Br SN2 Br
CH3CH2CH2CH2Br + H2O
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16
❖ 卤代烃的反应活性：RI＞RBr＞RCl＞RF
❖ 这与卤素的电负性的大小顺序刚好相反！
❖ 从偶极矩数据可知，C-X的极性为RF＞RCl ＞RBr＞RI
HH 过渡态
H
HO C
+ Br
H
H
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3
SN2反应的立体化学
(1) 异面进攻反应（Nu-从离去基团L的背面进攻 反应中心）
Nu-
C
δ
δ
6章-亲核取代反应
C. 带负电荷亲核试剂 + 正离子底物
R
L + Nu
+
Nu
R
L
Nu R + L
电荷减少
极性溶剂对反应不利。
1
前五章的内容： 1. 序论 2. 取代基效应
3. 有机酸碱理论 4. 立体化学 5. 有机反应机理的研究和描述 接下来的授课内容及形式
2
以典型反应为基础，以结构、反应、机理开展讨论，在相 应的章节介绍一些基本知识，如，
第六章 亲核取代反应，重点介绍经典碳正离子和非经典碳正离子、 其中介绍碳正离子研究的历史和现状，获诺贝尔化学奖者—— 欧拉教授的研究工作; 超酸的应用；两个极端情况下的反应 机理的SN1和SN2 。 第七章 芳香族化合物的反应， 介绍苯炔中间体 重点介绍芳香性概念：芳香性，非芳香性，反芳香性，同芳香性 等概念 第八章 基于羰基化合物的反应，介绍碳负离子。羰基碳的亲核加成， 羰基-碳的亲电加成反应等，并举出实际有用的例子。 第九章 自由基化学，有关自由基研究的简单介绍：结构与稳定性的关系； 自由基反应的特点，自由基反应历程。
CH3 (+) C6H5 C NH2 H
1.3 按双分子历程反应的势能图
依反应机理的分析，这种反应的 势能图也表现出：新键生成，旧键 断裂，有能量的变化。一般认为， 断裂旧键是吸热的，生成新键是放 热的，这种吸热和放热的能量交换 是在分子内完成的，所以，按SN2 历程进行的反应，活化能低。
Y C
反应进程
那些类型化合物？
8
1.3 机理的研究
由于该反应涉及到底物的性质和亲核试剂的性质 ， 基于两者，这类反应按其机理的不同分为两种极 限情况被讨论，如，SN1 和 SN2。
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。
6第六章 脂肪族亲核取代反应
试剂的亲核性与碱性不一致 的情况
周期表中同族元素所产生的负离子或分子视
中心原子可极化度大小评价
RS-＞RO-，RSH＞ROH
SN2反应中Nu-：
外层电子云变形后易接近中心碳原子，降低 了形成过渡态的活化能
SN2 反应亲核试剂的亲核性
在相同的底物和相同的反应条件下比较
Nu + CH 3 - Br
H
C C6H 5
R-溴代乙苯
有重排（H-迁移）发生，也有消去反应发生（E1） (CH3)2CHCH2Br+I-→(CH3)3CI
影响亲核取代反应速度的因素
烃基结构的影响
电子效应
空间位阻
SN1反应活性
对SN1反应第一步生成碳正离子，如碳正离子稳定 （正电荷被分散）反应易进行。 SN1反应活性（+I，+C） 反应活性依次递减 Ar3C-L,Ar2CH-L,ROCH2-L≈R2NCH2-L,R3C-L, ArCH2-L,C=C-CH2-L,R2CH-L,RCH2-L≈R3CCH2-L, ZCH2-L,ZCH2CH2-L,C=C-L,Ar-L (Z=RCO,HCO,ROCO,NH2CO,NC 等)。
N3 - + CH 3CH 2CH 2CH 2 - Br Solvent relative reactivity CH 3OH 1 Less reactive H 2O 7 DMSO 1,300
N3 - CH 2CH2CH 2CH DMF 2,800 CH 3CN 5,000
3
+ Br
-
HMPA 200,000 More reactive
由电荷集中的亲核试剂与底物作用形成电
荷分散的过渡态 亲核试剂的部分负电荷通过R传给X
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第六章习题1.完成下列反应。
(1)(CH3)2CHCH2CH2Cl2( )(2) (CH3)3N + CH3CHCH2CH3( )∆( )(3)NHC2H5过量CH3I( )( )(H3C)2N OC2H5OH-∆( )(4) 2CH3I + Na2S( )(5) ClCH=CHCH2Cl + CH3COONa( )(6) 2CH3I + NaOOCCOONa( )(7) CH3CSSNa + CH3( )2. 卤代烷在甲醇水溶液中水解的历程为S N1，试推测溴甲烷、溴乙烷、2-溴丙烷和2-溴-2-甲基丙烷在甲醇吹溶液中水解的相对反应速度。
3. 按S N1历程排列下列化合物的相对反应活性。
（1）苄溴、α-溴乙苯、β-溴乙苯(2)BrBrBr4. 按S N2历程排列下列化合物的相对反应活性。
（1）溴甲烷、溴乙烷、2-溴丙烷、2-溴-2-甲基丙烷（2）PhBr、PhCH2Br、PhCHBrCH3（3）CH3CH2Br、CH3CH2Cl、CH3CH2I5. 比较下列各组亲核试剂的亲核性大小。
（1）在质子性溶剂中：I-、Br-、Cl-、F-（2）在非质子性偶极溶剂如DMF和DMSO中：I-、Br-、Cl-、F-（3）CH3CH2-、(CH3)2N-、CH3O-、Cl-（4）CH3O-、C2H5O-、(CH3)2CHO-、(CH3)3CO-6. 写出下列每组反应最可能发生的反应式并指明其历程。
(1) C2H5I + CH3O-CH3OH?(2) CH3Cl + KCN CH3OH?(3) CH2=CHCH2Br + CH3COONa?(4) PhCH2Br + OH-H2O?(5) CH3CCl2 + OH-H2O?7. 解释下列反应结果。
(1) (CH3)2CHCHBrCH3 + Ag+252(CH3)2CHCHOC2H53+ (CH3)2C(OH)CH2CH3(2) (CH 3)3CCH 2Br + Ag +C 2H 5OH H 2O(CH 3)2C(OH)C 2H 5+ (CH 3)2C(OC 2H 5)CH 2CH 3+(CH 3)2C=CHCH 3CH 2Br-2CH 2OH+(3)8. 二战期间德国法西斯使用的战场毒气ClCH 2CH 2SCH 2CH 2Cl 是一种极活泼的烷基化试剂，与人体接触后使人体蛋白质迅速发生烷基化，从而中毒死亡。
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SN1反应除了得到消旋产物外，常伴随着 部分构型转化，还有重排产物。
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反应的影响因素
❖ 作用物结构的影响
图 卤代烷烷基对水解速度的影响
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13
1) 对SN1的影响——碳正离子的形成及稳定性
R3C溴 CH2=CHCH2
>
R2CH
> ห้องสมุดไป่ตู้CH2 > CH3
SN1反应的速度是：
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❖ 卤代烃的反应活性：RI＞RBr＞RCl＞RF
( )-2-溴溴
α = 34.2
α = 9.9
❖ 结论：按SN2反应历程进行亲核取代反应，
总伴随着构型的翻转。完全的构型转化往往
可作为SN2反应的标志。
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单分子历程（SN1）
CH 3 CH 3 C Br + O H -
CH 3
V = K （ C H 3） 3 C - B r
CH 3 CH 3 C OH
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C 重排
CH3
CH3
CH3 C CH2Br CH3
CS2HN15O-CH3
CH3 C CH2 CH3 1°C+
C2H5OH CH3 C CH2OC2H5 CH3
溴溴
CH3
CH3 C CH2
CH3
C2H5OH
CH3
3°C+
CH3 C CH2 CH3 OC2H5
-H
CH3
CH3 C CH CH3
❖ 例1（构型翻转 > 构型保持）：
n-C6H13 C Br
H CH3
第6章 脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应 消除反应
烷基结构对SN1的影响
V3 o RX > V2 RX > V1 RX > VCH X
o o 3
R-Br + H2O R: CH3 1
甲酸
R-OH + HBr (CH3)2 CH 45 R2CHX S N1 ， S N2 (CH3)3 C 108 R3CX S N1
CH3CH2 1.7 RCH2X S N2
C C C O
特点 1 只能在共轭体系中传递。
2 不管共轭体系有多大，共轭效应能贯穿于整个共轭体系中。
6.1.3 超共轭效应
定义：当C-H 键与键（或p电子轨道）处于共轭位置时，也会 产生电子的离域现象，这种C-H键 电子的离域现象叫
做超共轭效应。
H H C H
H
+
R R
CH
CH2
H H
C
C
C2H5OH SN1
CH3
C2H5ONa, C 2H5OH SN2
CH3CCH2OC2H5 + Br
CH3 CH3 + CH3C=CHCH3
CH3CCH2CH3 OC2H5 (2)
(3)
重排产物
消除产物
重排反应
当化学键的断裂和形成发生在同一分子中时， 引起组成分子的原子的连接方式发生改变， 从而形成组成相同，结构不同的新分子，这 种反应称为重排反应。
V=K1[ CH3Br] 一级反应
R1 R2 R3
-Br -
R1 C Br + :Nu
R2 R1
R2 R3
R3 :Nu
C
Nu + Br-
(+) -
定义：只有一种分子参与了决定反应速度关键步骤 的亲核取代反应称为SN1 反应。
亲核取代反应
10% NaOH 350-400℃,20-30MPa
ONa
+ NaCl + H2O
Cl + 2NaOH NO 2 Cl NO 2 + 2NaOH NO 2
10% NaOH 160℃,0.6MPa
NO 2 ONa
+ NaCl + H2O
10% NaOH 100℃,常压
NO 2
NO 2 + NaCl + H2O
双分子历程（SN2）
Nu : + R－X
亲核试剂
[Nu··R··X] ·· ·· ·· ··
过渡态
Nu－R + X
-
离去基团
H OH-: + H C X H
慢
H H δHO C X
δ-
H
HO C H + X: H
H
单分子历程（SN1）
第一步 R－X
慢
+ R +X
快
第二步
+ R + Nu :
R－Nu
2.3 亲核取代反应
反应通式： R-H ＋ ZR-H ＋ Z-Y R-Z ＋ HR-Z ＋ H-Y
脂肪族化合物的亲核取代 芳香族化合物的亲核置换
芳环上氢的亲核取代
2.3.1 脂肪族化合物的亲核取代反应
反应历程：双分子历程 单分子历程
反应的影响因素：作用物结构
被取代离去基团 亲核试剂 溶剂
2.3.1.1 反应历程
2.3.3.1 反应历程
双分子历程
X + Y
X
Y
Y
慢
. - . .. . . .
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H NCS
NCS
环丙烯阳离子
环庚三烯阳 离子
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（4）结构上的影响 越趋于平面构型则碳正离子越 稳定, 某些情况如桥环化合物的桥头碳上由于结构 上的刚性难以形成平面构型, 故桥头碳正离子极不 稳定, 难以生成。下面桥环化合物从左到右, 随着 环的变小, 刚性增加, 桥头碳变成平面构型愈来愈 难, 故生成碳正离子越来越难。
33
(iii) 同一族从上到下亲核性增加 I－ > Br－ > Cl－ > F－
（2）溶剂效应 极性溶剂使反应后正负电荷增加 的反应速率加快。极性溶剂对亲核取代反应速 率的影响有以下四种情况：
( i ) SN1 R-Cl → R+ + Cl - (电荷增加)大大加速 ( ii ) SN2 HO - + R-Cl → ROH + Cl - (电荷未变)影响不大 ( iii ) SN2 R´3N + R-Cl → RN+R´3 + Cl - (电荷增加)大大加速 ( iv ) SN2 HO - + R3S+ → ROH + R2S (电荷减少)缓慢减速
（4）重氮盐的分解。
HON O H
类 烯 醇 化
R N2 H
RNNO
R
N
N
- OH -
OH
R
N
N
R + 2N
（5）质子或其他带正电的原子团与不饱和键加成。
+ R+
(CH3)3C=CH2 + H+ CH3 + H+
R (CH3)3C+-CH2 CH3CH-CH2CH3
27
6. 碳正离子的反应
亲核取代消除
CC BBr r
RR2 2 RR3 3
（1）
RR1 1 CC RR2 2RR3 3
RR1 1
RR1 1
HHOO CC
++
CC OOHH
（2）
RR2 2 RR3 3
RR2 2 RR3 3
OH-
（1）构型翻转 （2）构型保持
外消旋化 旋光性为零
2）大部分情况下发生部分外消旋化（构型翻转 > 构型保持）
δ-
Br
δ+
(CH3)3C
δ-
OH Ea2
放热反应
Ea1 (CH3)3C+
+ Br- + H2O
Ea 1
Ea 2
碳正离子的形成是
决定反应速度的一步
Ф
(CH3)3C Br
H m
+ H2O
(CH3)3C OH + HBr
能量
反应进程
3）. SN1立体化学
1）外消旋化（构型翻转 ：构型保持=1：1）
RR1 1
SN2反应特点
1. 一步反应，无反应中间体，旧键的断裂和新键的 生成同时进行，属于协同反应；
2. 双分子反应--- k[R X][Nu-] ；
3. 发生Walden构型转化； 4. 有邻助作用的反应保持构型；
5. 反应活性： CH3X ＞ 1o RX ＞ 2o RX ＞ 3o RX ； 6. 不发生重排反应。
例如：
（CH3)3C+ ＞
+＞
+
＞
+
§6.3 亲核取代反应的机理
亲核取代：有机化合物分子中的原子或原子团被亲核试剂 取代的反应称为亲核取代反应，用SN表示。
第六章 脂肪族亲核取代反应
第六章脂肪族亲核取代反应R L+Nu-R Nu+L-底物亲核试剂离去基6.1试剂与亲核性具有亲核性的试剂叫亲核试剂，亲核性是指试剂与正电性碳原子的成键能力，亲核试剂可以是中性分子和离子。
不同亲核试剂的亲核性不同，亲核试剂均为路易斯碱，而碱性(质子理论)是指试剂与质子的结合能力，多些情况下二者的强度一致。
1、亲核原子相同时，亲核性大小与碱性一致。
R O->H O->Ar O->RCO O->R O H>H2OCH3O-O-O-ClNO2O->>>取代基的供电性越强，亲核性和碱性越强。
2、亲核性原子为同周期元素的原子时，其亲核性与碱性大致一致。
R3C > R2N- >RO- > F-3、同族元素原子的亲核性大小与碱性相反，即原子半径较小者，碱性较大，而亲核性则较小。
PhSe->PhS->PhO-I->Br->Cl->F-(溶剂化最强) 亲核性亲核性（这是质子性溶剂中）4、空间效应碱性CH3O-<(CH3)3CO-亲核性 CH 3O ->(CH 3)3CO -NR +CH 3I N CH 3R I -亲核性NCH 3NNCH 3NCH 3CH 3NC(CH 3)3>>>>相对速度2.3 1.0 0.5 0.04 0.0002空阻6.2亲核取代反应历程（S N 2）为协同的一步反应，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。
NuC [Nu C X R2δ-]NuC RR 12+X -δ-+动力学上为二级反应。
6.2.2单分子亲核取代反应历程（S N 1）动力学上为一级反应，因而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 =k 1[RX]R +＋Nu-[R Nu]δ+δ-R Nu快R X[R X]R ++X-δ+δ-TS 1TS 2I两个过渡态和一个中间体。
饱和碳原子上的亲核取代机理
Nu +C LNu CNu C L 亲核取代反应一．概说：脂肪族亲核取代反应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（带着一对电子来，带着一对电子去）。
底物：受亲核试剂进攻的对象。
Nu：是亲核试剂，带有一对孤对电子。
与离去基团相连的碳原子叫做中心碳原子。
通式：R—L+Nu：R—Nu+L：二．亲核取代的反应速率与分类：按照机理的不同：如果反应速率只与底物浓度有关，那么这个反应是一级反应——S N1反应。
V=k[R—L]如果反应速率除了与底物浓度有关外，还与亲核试剂的浓度有关——S N2反应。
V=k[R—L][Nu：]按照底物一亲核试剂的性质来分：1.中性底物+ 中性亲核试剂2．中性底物+ 负离子亲核体3.正离子底物+ 中性亲核体4．正离子底物+ 负离子亲核体三.亲核取代的机理：反应速率呈现出两种情况，为了解释这两种情况，提出了两种机理——S N1，S N2。
1.S N2反应定义、机理、势能图定义：S N2反应又叫做双分子亲核取代反应。
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叫做双分子亲核取代反应。
可见该定义是从动力学角度来定义的。
机理：如图：亲核试剂从离去基团的背面进攻底物的中心碳原子，随着Nu：不断接近碳原子，Nu 上的负电荷逐渐减少到部分负电荷δ-，此时由于Nu：的不断接近C—L键不断延长L上有部分正电荷δ+，即在Nu…C键逐渐形成，C-L键逐渐裂解这时就形成了过渡态，这个过渡态由于5个原子所以很拥挤，可想该过渡态的能量很高。
随着反应进行，Nu和C成键，L作为离去基团从中心碳原子上离去，中心碳原子的杂化态也由sp2回到sp3。
特点：1) 从离去基团的背面进攻底物，协同的一步反应。
２）没有中间体产生。
3）旧键的断裂和新键的形成几乎同时发生对过渡态的描述：1. 当Nu向C逐渐进攻的同时，L以相反的方向逐渐离去，此过程中，Nu、C 和L在同一直线上，只有这样过渡态能量才能相对低。
第六章 脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应和
氰基对于一级、二级卤代烃发生亲核取代反应，但由于氰基是弱酸的共轭碱，是强碱，因此与三级卤代烃主要发生消除反应。 极纯的腈具有香味，但普通腈总夹杂有少量具有恶臭的异腈，所以也是臭味。 ④溶剂的影响 ：质子性溶、偶极溶剂（非质子性溶剂） 、非极性溶剂 偶极溶剂（非质子性溶剂） ：这类溶剂介电常数大于 15，偶极矩大于 8.34× 10-30C· m（或以吡啶为界） ，分子中的氢与内 原子结合牢固，不易给出质子。 偶极溶剂的结构特征是偶极负端露于分子外部，偶极正端藏于分子内部。 （右图为 DMSO，189 ℃） 非极性溶剂 ：包括介电常数小于 15，偶极矩大于 0~6.67× 10-30C· m（或以吡啶为界）的溶剂，这类溶剂不给出质子，与溶质的作用力弱。 质子性，大极性溶剂对 S N1 有利，非质子性，弱极性溶剂对 S N2 有利。①因为质子溶剂中的质子，可以与反应中产生的负离子特别是氧与氮 形成的负离子通过氢键溶剂化，这样使负电荷分散，使分离子稳定，因此有利于解离反应，有利于 S N1 反应的进行。例如，用甲酸作溶剂时，有 利于反应按 S N1 机理进行。②而非质子性溶剂对于负离子很少溶剂化，亲核试剂一般可以不受非质子溶剂分子包围，因此 S N2 反应在非质子溶剂 中更有利。③因为 S N1 反应的过渡态比底物极性大，所以极性溶剂对 S N1 反应有利④而 S N2 反应的过渡态比底物电荷分散，因此过渡态的极性比 底物极性小，所以弱极性溶剂对 S N2 反应有利。
2. 碳正离子
碳正离子的稳定性次序为： 3 >2，烯丙基 >1 >CH3+。碳正离子稳定性主要考虑取代基的给电子效应和超共轭效应。 桥头碳原子由于桥的刚性结构，不易形成具有平面三角形 sp2 轨道的碳正离子，即使能形成碳正离子也非常不稳定。 3.
亲核取代反应
ν = k [R L][Nu]
二级反应
SN2反应的能量变化
δ δ [ HO …CH3 … Br ]
位 能
HO + CH3Br
E H CH3OH + Br
反应进程 SN2 反应进程中的能量变化
按 SN 2 机理进行的底物特征：
R' CH R X
不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物，伯卤代烷。
SN1反应与SN2反应的区别
SN1反应的特征——有重排产物生成
C2H5OH
CH 3 CH 3 C CH 2OC2H5 CH 3 CH 3
C2H5OH CH C CH 2 CH 3 3
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°
ROH
SOCl2
HCl
R
OSOCl
分解
R
Cl
SO2
氯代亚磺酸烷基酯
氯代亚磺酸烷基酯的分解过程分两步
R
OSOCl
[
R+ OCl
S
O ] ]
离子对中间体
OR
+
S Cl
O
R
Cl
SO2
离去基团的一部分从正面进攻C+，保持构型。
支持这一机理的依据：
乙醚 2 - 辛醇 SOCl2 吡啶 R R Cl Cl
构型保持
SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三 + L:
-
Nu:
-
+
C
物理有机化学浙江大学2010年第六章脂肪素亲核取代反应
Evidence from products
溶剂解反应常常得到取代和消除的混合物。如果是纯粹的 SN1 机理，离去基完全与碳正分离，则离去基的性质就不应影响到 产物的取代与消除的比例，这个比例应仅与介质有关。
H C CH3 OS H3C H3C H C C H CH3 C + X CH3
Ion Pairs as Intermediates in Nucleophilic Substitution 现在有很多证据证明在绝大多数的SN1反应中，a carbocation electrostatically removed from its leaving group is never formed but instead the nucleophile attacks an ion pair．
k log k 0
t-BuCl
= mYCl + lN
其中0.3Y用于校正溶剂的电离能力对于对甲苯 磺酸甲酯溶剂解速率的敏感性，l是底物对溶剂 的亲核性的敏感性参数。
k N = log k -0.3Y 0 CH OTs
3
原以为这样设计的Y值可以很好地表示溶剂的极性而与底物无关。 但实际上发现溶剂的电离能力还与底物的离去基有关。例如， 对甲苯磺酸-1-金刚烷酯的溶剂解速率与1-氯金刚烷的溶剂解速 率不成线性关系。这样就要建立不同离去基的不同的Y值。
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例：与卤化磷的反应
P B r3 R R OH + P I3 or P , I2 R I Br
PCl3反应产率低
• 机理
Br R OH P Br Br Br
好离去基团
Br R OH P Br
(S N 2 )
R
Br
+
HO
P B r2
例：与氯化亚砜（SOCl2）的反应
R S O C l2 Cl R R' H R' OH +
反应进程
实验证据：
R X + Nu R Nu + X
动力学证据
反应速率
立体化学证据 对手性底物， 产物的立体化学
重排 现象
反应类型
I
[RX][NuΘ]
构型翻转
无
双分子机理 SN2
II
[RX]
消旋化
有
单分子机理 SN1
构型转换型反应
C 6H 13 C 6H 13 + Br NaO H H CH3 构型发生转换 + NaBr
CH3 ~ CH3 C CH3 CH2 H 3C
CH3 C C H 2C H 3
C 2H 5O H CH3 H 3C C H C H 2C H 3 H N O 3 H 3C CH3 C C H 2C H 3
C 2H 5O
O C 2H 5 NO3
邻基参与
手性碳 构型保持
内消旋体
和
外消旋体
单纯的SN2或SN1机理 不能解释上述立体专一性
R
O
C
R'
酯
R
X
+
Nu
R
Nu
CN
R
CN
腈
C
C
R'
R
C
C
R'
高级炔
炔基负离子
C H (C O 2 E t)2 丙二酸酯负离子
R
C H (C O 2 E t)2
烷基丙二酸酯
I
R
I
碘代烷
与分子型亲核试剂的反应
R X + H－ Nu R Nu
H－ OH H－ OR'
(水 ) (醇 )
R－ OH R OR'
C H 3C CH3
H 2O
CH3 H
Br + HBr
CH3 C 2H 5O H H 3C C CH3 C H 2B r AgNO3 H 3C
CH3 C C H 2C H 3
CH3
+
H 3C
C CH3
C H 2O C 2H 5
O C 2H 5
主要产物
CH3 H 3C C CH3 CH2 Br
AgNO3 H 3C A g B r
1
Nu R
1
R
3
X
R
1
R
( )
2
Nu
C R
2
R
3
X R
3
R
R
2
平面型（Sp2杂化）
CH3 C H 3C CH3 Br
乙醇 + H 2O
CH3 C H 3C CH3 OH
+
HBr
机理：
CH3 C H 3C CH3 CH3 C H 3C CH3 OH Br CH3 CH3 C H 3C OH
－ Br
SN1 机理
极性较小
极性增加
极性溶剂对稳定 过渡态有利
溶剂分类
质子性溶剂
具有可解 离活泼氢
O CH3 H C N CH3
二甲亚砜 N , N 二 甲 基 甲 酰 胺 DMF ( N , N D im e t h y lf o r m a m id e )
ROH
H 2O
RCOOH
O
极 性 溶 剂
CH3
相对 速率
H 3C
CH2
Cl
<
H 3C
CH
Cl
<
H 2C
CH
CH2
Cl
<
v e r y s m a ll
1 .0
CH3
74
CH2
Cl
<
H 3C
C CH3
Cl
140
12000
苄基与烯丙基卤代烃易发生SN1
桥头卤素难被取代
30% K O H , 21 h
不反应
SN2
Cl E tO H , A g N O 3 , 4 8 h
SN2
机理
Nu
R
X
R
Nu
+
X
有利因素
R 的空间位阻小 a碳正电性大 C－X键易解离
Nu
SN1
机理
X R X 慢 R 快 R Nu
有利因素
生成的正碳离子稳定 C－X键易解离
SN2机理与烷基的结构
80% 乙 醇 水 溶 液 R Br + OH 55 C
CH3 H 3C Br CH3 Br
均难被取代
转变为好的离去基团
例：醇与氢卤酸反应
HBr R OH R OH2 Br R Br + H 2O
质子化羟基
SN2 or SN1
弱碱 好离去基团
HCl R OH Z n C l2 R
H O
Cl Z n C l2 R Cl + HO Z n C l2
金属的络合物
SN2 or SN1
稳定的络合物 好离去基团
~
CH3 CH3 H 3C C CH2 CH3 CH3
R 'O H H 3C
CH3 C OR' H NO3 CH2 CH3
H N O 3 H 3C
C OR'
CH2
CH3
2 亲核试剂对机理的影响
SN2
亲核试剂
亲核能力
浓度
机理
R Nu
X
R
Nu
+
X
SN2速率 ＝ k[RX][Nu]
有利因素
R 'O H CH3 H 3C CH2 Br CH3 C CH3 CH3 H 3C AgNO3 C OR' CH2 CH3 CH2 OR'
很慢
H 3C
C CH3
R 'O H
重排产物，
SN1机理
CH3 H 3C C CH3 CH2 Br A g B r AgNO3 H 3C CH3 C CH3 CH2
亲核能力强 浓度大
SN1
机理
X R X 慢 R
Nu R 快 Nu
SN1速率 ＝ k[RX]
亲核能力、浓度与决速步骤无关
所有的亲核试剂都是碱， 所有的碱也都是亲核试剂
OH
如
RCOO2
OR
CN
I
NH3
H 2O
同种或同周期中心原子试剂的亲核性与碱性顺序相同
未共用电子对在氧原子上
RO
>
HO
>
A rO
R Nu
X
Nu
R 过渡态
X
R
Nu
+
X
R X
势 能
Nu
反应一步完成， 不经过任何其它 中间体
R Nu
+
X
Nu
+
R
X
反应进程
C－X 键先解离，再与亲核试剂成键（二步机理）
Nu 慢 R X R + X 快 R Nu
碳正离子
X R
势 能
R
+
X
R R X
Nu
反应经过碳正 离子中间体。 第一步应为决 速步骤
NaI R I
Nu
碘离子的高亲核 性和好离去性
通过卤素交换制备碘代物 溶于丙酮
N aI R C l ( B r) 丙酮 R I + N a C l (N a B r)
溶解性能的差别
不溶于丙酮
SN2
Nu R OH R Nu + OH
醇的羟基难取代
差离去基团 （碱性强）
R R R
O C 2H 5 NH2 CN
CH3 H 3C Br
OH
+
HBr
CH3
<
H 3C
CH2
Br
<
H 3C
C H
Br
<
H 3C
C CH3
Br
相对 速率
1 .0
1 .7
45
10
8
苄基（benzyl）与烯丙基（allyl）卤代烃的亲核取代
SN2
R Cl + N aI
A c e to n e R I + NaCl
CH3
相对 速率
H 3C
CH3
CH3 H H CH3 CH3 Br Br
Br
例: 氧参与
和
外消旋体
-TsO
和
例: C=C参与
例: 苯基参与
和
二、影响亲核取代反应的因素
对亲核试剂的影响 对反应的影响
溶剂
R X + Nu R Nu + X
R的结构 体积
亲核能力 浓度
C－X键强度
浓度
1 底物结构对机理的影响
50％构型全保持
50％构型全翻转
例：卤素参与
CH3 H H CH3 Br OH H Br H H CH3 CH3 Br OH2 H 3C H H Br