亲核取代反应

事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：
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 。
请思考：
H3C
H
CH3 Br
H2O SN 1
环氧乙烷
这种分子内的SN2反应速度远比分子间的SN2反应速度快，这是由 于分子内的氧负离子距中心碳原子最近，位置最有利——反式共平面，
更容易进攻中心碳原子：
Cl CH2 OH CH2
OH -H 2O
Cl CH2 OCH2
-Cl -
CH2 O
CH2
反式共平面构象
邻基参与——同一分子内，一个基团参与并制约和反应
两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态 T.
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
SN1反应的能量变化过程：
Ü Á Ä ¿
(B) (D) (C) E1 E2
(A)
H
(E)
´ Ó · ¦ ½ ø ³ Ì
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
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
R L Nu SN 2
离子化
R
+ L-
溶剂介入
RL
+
-
L R + +
离解的离子
Nu
紧密离子对
Nu 溶剂介入 离子对
Nu SN 1
构型翻转
翻转（主要）
转化（消旋化） （消旋化产物）
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
二级动力学证明是SN2机理，但是旋光构型发生改变
SN2反应的特点：
① 一步完成，OH－与CH3Br都参与； ② C－O键的生成与C－Br键的断裂同时进行，有过渡态； ③ 有 Walden转化，手性分子发生SN2反应时，构型翻转。
13. 1.4 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：
例： CH3CH2-S-CH 2CH2Cl + H 2O 机理：
CH3CH2-S-CH 2CH2OH
-羟基二乙硫醚
C2H5- S CH2 CH2 Cl
C2H5- S
-Cl-
CH2
+
CH2
OH2
C2H5- S CH2 CH2 +OH2
C2H5- S
-H+
CH2
CH2 OH
条件：当邻近基团具有未共用电子对时，在与反应中
R'CH2 Nu ＋L-
T
13.1.2 双分子亲核取代反应(SN2)机理
Ò CH3Br
NaOH-H2O
CH3OH + Br- ÒÒÒ SN2能量曲线：
(B)
Ü Á Ä ¿
反应速率方程：
v=k [CH3Br][OH-]
(A)
E H (C)
´ Ó · ¦ ½ ø ³ Ì
反应机理：
sp 2
d
+
OH +
-
反应机理： 第一步，C－Br键解离：
CH3
CH3
C
CH3
Br
慢
CH3
CH3
CH3
C
CH3
Br
CH3
C + + BrCH3
(A)
(B)
过渡态I
(C)
活性中间体
第二步,生成C－O键：
CH3
CH3
C + + OHCH3
快
CH3
CH3
CH3
C
CH3 (D)
OH
CH3
C
CH3 (E)
OH
(C)
活性中间体
过渡态 I I
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。
在SN1反应中，有一些产物不是从自由的碳正离子中间
MeO
OTs
CH3COO-
Me
OAc
k 反 /k 顺 ＝ 6
反式的产物构型保持不变 氧甲基的孤对电子从离去 基团的OTs的背面进攻
MeO
OTs
反式
Me O+
AcO-
反式
MeO OAc
AcO－从内盐的背面进攻，经过 两次SN2，构型保持不变
H
H
CH3COOCH3COOH
H
OAc
k1=2.9× 10－7L.mol-1.S-1
-
⑵ 亲核试剂带有负电荷：
R Nu + L R L +Nu Cl + PhCH2CN PhCH2Cl + CN
⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：
-
-
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：
稀溶液中，无水乙醚与HCl形成氢键，有利于SN1反应和双键重排
SOCl2
Py
o
CH2OH
o
CH2Cl
HCl与吡啶成盐，Cl离子从反位进攻，SN2反应
13.1.5 分子内亲核取代反应机理 邻基效应
氯代醇在碱的作用下进行分子内的SN2反应，得到环醚：
OH CH2 CH 2 Cl
CaO H2O
O CH2 CH 2
OAcOAc H H OAc
+
H
OAc
OAc H 50%
50%
外消旋体
C 6H 5 H C Br H
ý Â -Br
-
C6H5 C+ CH3 a
OH ì ¿
-
C6H5
H C
¹ Ð Í ± £ ³ Ö â Ï Í û Ð ý Ì å
H OH + HO C
C 6H 5
H3C
H3C
CH3
¹ Ð Í × ª » ¯
b
OH-
SN1反应常伴随着C+的重排：
CH3 CH3C CHCH3 CH3 Br
2. 双分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理 动力学研究表明：有一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：
ν = k [R L][Nu]
其反应机理为：
H H
δ
二级反应
Nu ＋ R'CH2 L
-源自文库
δ
Nu C L R'
体形成的，而是从离子对形成。
一起被溶 底物的离解分为三步 剂化 有屏蔽作 用 X-对Nu-
离子对历程
R
正负离子有 作用，但被 溶剂分隔开
正负离子无 作用，分别 被溶剂化
R X
底物
内返
R X
+ -
+
X
-
R+ + X 自由碳正离子
紧密离子对
溶剂分离子对
NuSN 2
构型翻转
Nu
-
Nu
-
NuSN1
构型翻转
构型翻转 > 构型保持 （部分外消旋化的同时，外消旋化（100％） 有部分构型翻转）
Cl
Cl C 构 型 反 转
SN1
C Cl
C Cl
外消旋
无溶剂下，酯直接分解，得到离子对形式，得到外消旋体
烯丙位发生重排，与SOCl2浓度有关
CH3-CH=CH-CH2OH CH3CH-CH=CH3 Cl 5.6 molSOCl2/Et2O 0.7 molSOCl2/Et2O 76% 99% + CH3-CH=CH-CH2Cl 24% 1%
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° 对映体的纯度=100%
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 ° °
一. 反应类型
Nu + R L
离去基团 带着
第13章 亲核取代反应 Nucleophilic Substitution)
L R Nu +
亲核取代反应的通式：
亲核试剂 带着 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
Bu3P CH2CH3 + I
13.1.5. 反应的立体化学
反应的立体化学与反应机理相关 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
NaOH SN 2
H
C6H13 C Br CH3
C6H13 HO C H CH3
H
H H
C
Br
d
-
HO
d
-
H C H
H
d
-
Br
H HO C H (C)
H
+ Br-
(A)
(B)
ý ¶ ¹ É Ì ¬
其反应机理为：
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L
R'CH2 Nu ＋L-
T 亲核试剂 接近 背后 中心碳原子
R'
－从离去基团的背面
与此同时
离去基团也正在逐步地离开底物分子 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。
心的距离适当时，就能发生邻基参与。
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。 13.1.5 n参与:反应底物中心碳原子附近有给电子基团
1．氧参与
O O- , OH , OCH3 , OCR , O C-OR , CHO , O CAr
利用杂原子上的负电荷或者未共用电子对进攻中 心碳原子参与反应
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
SN2反应的立体化学： Walden转化是SN2反应的重要标志。
H H Br + NaOH 。
构型转化
例1： H13 C6 C
H 3C
HO
-34.6
C6H13 + NaBr CH3 。 + C
中心相连的另一个基团所发生的反应，称为邻基参与。
邻基参与又称为邻基效应，它是分子内基团之间的特
殊作用所产生的影响。
KOH H2O
ClCH2CH2CH2CH2
NH2
N H
离去基Cl-的离去是由氧负离子（或氮原子）的帮助 下完成的，通常称为邻基协助，邻基参与或邻基效 应（分子内的SN2）。
存在邻基参与的有机分子，其亲核基团与离去基团的距离并不限于 邻位，反应后的产物也不一定是环状的。
H2O S N1
CH3
+
CH3C CHCH3 CH3C CHCH3 2+ -H CH3-迁移 CH3 CH3 。+ 。+ 2 C 3 C
重排
+
CH3
HO
OH CH3 CH3C CHCH3 CH3
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。
K C EtBr
CH2Ph Me CH OK
CH2Ph Me CH OEt
α= +23.5°
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，消旋化程度越大
H C Cl CH3 Ph
OHH2O
H C
RL + Nu+ Cl CH3OH2
+
+
R Nu +L
CH3Cl +H2O
13.1.1 单分子亲核取代反应(SN1)机理
Ò (CH3)3C-Br + OH反应速率方程：
(CH3)3C-OH + Br- ÒÒÒ
v=k[(CH3)3Br]
这说明决速步骤与 OH－无关，而仅与 RX 的浓度及 C－X 的强 度有关。因此，该反应是分步进行的 。
+
OH-
H
H C OH HO C Ph CH3 Ph
CH3 Ph
CH3
消旋化 (Racemization)
49%
51%
SN1反应的立体化学
OH－从两个方
向靠近中心 碳原子的机 率相同
b
H3C C+
CH3 CH3 a
a b
H3C H3C C H3C
OH
OH
-
HO
CH3 C CH3 CH3
如果一个手性分子进行SN1时，其产物为外消旋体：
?
13.1.5 分子内的亲核取代反应（SNi）历程
氧原子的未共用电子对从酯的反位形 成微弱的键，增加反位的位阻
C OH
SOCl2
O C O S Cl
O O
SNi
O
O O
C O S Cl O C O S Cl
C
Cl 构 型 保 持
氯化亚硫酸酯
HCl与吡啶成盐，Cl离子从反 位进攻，SN2反应
Py HCl SN2 无溶剂 -SO2
OAcOTs
OAc H
SN2历程，由于AcO-的吸电子使得碳正离子的形成较困难。
OAc H CH3COOCH3COOH H OTs H OAc OAc H H
－4 -1 -1 OAc k2=1.9× 10 L.mol .S
+
OAcH
外消旋体
Me C O O H
O
2
Me C O
H
OTs
H
1
H
镜面对称性 （非手性分子）