饱和碳原子上的取代反应

由此可见，当a-碳原子上连有乙烯基、苯基、酰基时， SN2速度明显加快，也是由于过渡态有共振可能性的 缘故。 即苄基型和烯丙型化合物无论对SN1还是SN2反应都使 反应加快。
按SN 1 机理进行反应的体系： 叔卤代烷及其衍生物和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物
例如： 氯代叔丁烷在丙酮的水解反应：
(CH 3)3CCl + H 2O
丙酮
(CH 3)3COH + HCl
(CH 3)3CCl (CH 3) 3C + + H2O
(CH3)3C +
+
Cl+ H+
(CH 3)3COH
-
ν = k1 R L
反应分两步进行
第一步 正碳离子的生成：
R L
+
慢
δ
R L
δ
L R + +
第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
R + Nu
- 快
R Nu第一步是决定 Fra bibliotek应速率的一步。
例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：
Ph2CH
丙酮 Cl 慢
Ph2CH + Cl
+
Ph2CH
+
H2O
Ph2CH OH
如b-氯代二乙基硫醚的水解比b-氯代二乙基醚快 10000倍。 主要是由于硫与氧相比，其给电子能力和可极化度 大许多，C-S键比C-O键的键长长，硫原子具有较 强的亲核性。且在b-氯代二乙基硫醚分子中，硫原 子处于与反应中心有利的位置，可借助分子内亲核 取代形成张力较大的三元环硫鎓离子中间体，它进 一步水解开环，生成产物。
-O
R OSOCl
R+ Cl
S O
第二步是离去基团的一部分从正面进攻C+，其结 果构型保持。
O R S O Cl
+ -
R Cl
+
SO2
支持这一机理的根据是：光活性的2-辛醇与SOCl2 分别在乙醚和吡啶中进行反应，前者得到的产物构 型保持，后者的产物构型翻转。
H 3C n-C 6 H13 H R-2-辛醇 H3 C n-C6 H 13 H R-2-氯代辛烷 Cl + SO2 OH + SOCl2 - HCl H 3C n-C6 H13 H O S O Cl H3 C n-C6 H 13 H
为碳正离子，因此，反应底物离解的难易及离解生成的 碳正离子的稳定与否，是影响其反应速率的关键因素。
R L + Nu
R Nu + L
-
反应分两步进行
第一步 正碳离子的生成：
R L R L 第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
R+ + Nu
- 快
慢
δ
δ
R+ + L
-
R Nu
第一步是决定反应速率的一步。
A. 电子效应
S Cl S
+
Cl-
H2O S - HCl
OH
如光学活性的a-溴代丙酸在浓NaOH中水解，得到 构型转化为主的产物；但在稀NaOH中水解，由于 羧基的邻位参与作用，得到构型完全保持的产物。
OHBr H 3C H O O- Br H3 C H O O HO H3 C H O O-
三. 反应的立体化学
（3）分子内亲核反应机理（SNi）
光活性的2-辛醇与SOCl2分别在乙醚中进行反应，得到的产 物构型保持。
H 3C n-C 6 H13 H R-2-辛醇 H3 C n-C6 H 13 H R-2-氯代辛烷 Cl + SO2 OH + SOCl2 - HCl H 3C n-C6 H13 H O S O Cl H3 C n-C6 H 13 H
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，形成 溶剂分隔离子对。 ⑶ 离子完全被溶剂包围，形成溶剂化的自由离子。 亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同 的产物。
4. 分子内亲核反应机理（SNi）
有些反应，如醇和SOCl2作用生成氯代烃，该反应 的立体化学特征是a-碳构型保持，不同于SN1和SN2 反应，从而提出反应是在分子内进行的，即分子内 亲核取代反应。
R OH + SOCl2 - HCl R OSOCl R Cl + SO2
氯代亚磺酸烷基酯分解为氯代烷的反应是两步进 行的，第一步与SN1机理相似，生成离子对中间体。
OHBr H 3C H O O- Br H3 C H O O HO H3 C H O O-
四. 影响反应活性的因素
影响亲核取代反应活性的主要因素是：
• 底物的结构
•亲核试剂的浓度与反应活性
•离去基团的性质
•溶剂效应
（一）底物结构的影响
1、SN1反应：
对于SN1反应，决定反应的关键步骤使反应底物离解
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
+ Cl CH3OH2
+
+
R Nu +L
CH3Cl +H2O
二. 反应机理
1. 单分子亲核取代 ( SN 1)反应机理
R L + Nu
-
R Nu + L
第八章 饱和碳原子上的取代反应
取代反应：分子中的任何原子或原子团被其他原子或 原子团取代的反应都可称之为取代反应。 根据反应底物的结构和进攻试剂的性质可分为三种类 型：

亲核取代反应

亲电取代反应

自由基取代反应
H 2C C CH 2 H + Cl2 H2C C CH2Cl + Cl H
一. 脂肪族亲核取代反应
反应的立体化学与反应机理相关 （1）SN2机理：
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
H
C6H13 C Br CH3
NaOH SN 2
C6H13 HO C H CH3
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° 对映体的纯度=100%
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 Et i-pr CH2=CH-CH2 PhCH2 Ph2CH Ph3C
k1 OTs
R
+ EtOH
R OEt
相对速率 (k1)
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。
R'
R C X R''
X-
R C R' R''
平面三角型
键角增大，取代基空间效应越 大，基团的空间拥挤程度减小 越大。
四面体
2、SN 2反应：
烃基对SN2反应的影响依然是电子效应与空间效应。虽然
中心碳原子上连有的烷基增多，会使中心碳原子的正电荷 减少，从而不利于亲核试剂的进攻，但在SN2反应的过渡 态中，电荷变化不大，因而，电子效应并不是影响反应速 率的主要因素。
H C X H
H
Nu:
Nu C L H
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。
虽然电子效应对SN2反应的影响不大，但在某些情况
下其影响却很明显。
H2 H3C C Cl K相对 1 H2 H 2 H 3C C C Cl 0.4 H2C C H 40 H2 C Cl 120 CH2Cl O H 2 H3C C C Cl 13200
按SN 1 机理进行反应的体系： 叔卤代烷及其衍生物和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物
2. 双分子亲核取代 ( SN 2)反应机理
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂时 所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的。 • 动力学研究表明：此类亲核取代反应的速率与底 物的浓度和试剂的浓度同时相关：
H3 C n-C6 H 13 H R-2-辛醇 + HCl N OH + SOCl2 HCl
H3 C n-C 6H 13 H O S O Cl
H3 C Cl H S-2-氯代辛烷 n-C 6H 13 + SO2
N + HCl-
例：氯甲酸烷基酯受热分解成RCl和CO2同样是分 子内亲核取代反应机理。
不被共轭体系稳定的伯、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
Nu 溶剂介入 离子对
ν = k [R L][Nu]
二级反应
S N 2 反应机理：
Nu Nu Nu NuNu
C C C C
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：
R' CH R X
-O
S O Cl
以乙醚为溶剂，其极性弱，在醇与亚硫酰氯反应生成氯代亚 磺酸烷基酯和氯化氢后，大部分的氯化氢逸出，在取代反应一 步，Cl来自氯代亚磺酸烷基酯的分解，同样因为乙醚的极性弱， 不利于电荷的分离，在离子对中，Cl带着一对电子从正面进攻 烷基正离子，得到构型保持的产物。
（4）邻位参与机理
如光学活性的a-溴代丙酸在浓NaOH中水解，得到 构型转化为主的产物；但在稀NaOH中水解，由于 羧基的邻位参与作用，得到构型完全保持的产物。
(R) - (-) - 2 - 辛烷 [α]25D= -34.25° 对映体的纯度=100%
（2）SN1机理
L-
C L Nu-
C+
Nu-
C Nu + Nu C
50 % 50 %
试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对 外消旋产物。
正碳离子越稳定，外消旋化程度越大
H
OHH2O OH-
H C Cl CH3 Ph
亲电试剂从前面进攻称为s构型翻转如汞盐与二烃基汞作用发生hgc键断裂结果构型保持不变就是s此外当亲电试剂从前面进攻时还有第三种可能即在反应过程中亲电试剂的一部分可以与即将离去的基团成键协助离去基团脱离中心碳原子与此同时形成新的ca键这种机理称为s构型保持如光学活性的1甲基2溴环丙烷与丁基锂作用生成2甲基环丙烷羧酸其构型不变就是slibu1相似它是两步反应首先是缓慢地离解然后迅速地结合
C
+
H
H C OH HO C Ph CH3 Ph
CH3 Ph
CH3
外消旋化
49%
51%
事实上，SN1反应往往也会伴随构型转化产物：
H Ph C Br CH3
CH3OH HBr
H CH3O C Ph + CH3
73% 消旋化产物
27 % 构型转化
当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应， Nu:从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构 型转化增多 。
CH3 O
CH2
CH3O
CH2
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：
C2H5OCH2Cl
SN 1反应速率
C-C-C-C-Cl
1.0
C2H5O-CH2CH2Cl
0.2
109
当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的正碳离子，因共 轭效应而被稳定。
B. 空间效应
底物上的取代基的空间效应使SN1反应速率加快： RBr在水中的溶剂解相对速度 RBr MeBr EtBr i-prBr t-BuBr 在50oC水中时 1.00 1.00 11.6 1.2×106
-O
S O Cl
以乙醚为溶剂，其极性弱，在醇与亚硫酰氯反应生成氯代亚 磺酸烷基酯和氯化氢后，大部分的氯化氢逸出，在取代反应一 步，Cl来自氯代亚磺酸烷基酯的分解，同样因为乙醚的极性弱， 不利于电荷的分离，在离子对中，Cl带着一对电子从正面进攻 烷基正离子，得到构型保持的产物。
然而以吡啶为溶剂，醇与亚硫酰氯反应生成的氯化氢会与 吡啶发生酸碱反应而生成盐，从而使Cl-游离出来，成为有效 的进攻试剂，它从离去基团的背后进攻氯代亚磺酸烷基酯的 中心碳原子，发生SN2反应，得到构型翻转的产物。
-O
R
O
C O Cl
R
+
C O
RCl
+
CO 2
Cl
5. 邻位参与机理
在某些亲核取代反应中常遇到这样两种情况： ①实际反应速度比预测反应速度明显增加；
②反应物手性碳原子在反应前后构型保持不变。
而这两种情况的发生，常常是因为在离去基团的b-位 （或更远的位置）有一个带有未共用电子对基团所 致，称为邻位参与机制。
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
卤代烷的反应活性顺序是： 甲基 > 伯 > 仲 > 叔 原因：烷基的空间效应
R X Nu
R k2 CH3 30
- SN2
R Nu X
-
CH3CH2 1
(CH3)2CH 0.03
(CH3)3C 0
新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：
亲核取代反应的通式：
Nu + R L
L Nu R +
⑴ 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：
Bu3P + CH3CH2I
Bu3P CH2CH3 + I
-
⑵ 底物为中性，亲核试剂带有负电荷：
R L +Nu
-
+ L R Nu
PhCH2Cl + CN
-
PhCH2CN+Cl
-
⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：