高等有机化学第十六章 脂肪族亲核取代反应
亲核取代反应方程式汇总亲核取代反应的多种反应途径整理
亲核取代反应方程式汇总亲核取代反应的多种反应途径整理亲核取代反应是有机化学中常见的反应类型之一，它描述的是一个亲核试剂通过攻击分子中的一个电子欠富的碳原子，将其取代掉的过程。
亲核取代反应涵盖了多种反应途径，本文将对这些反应途径的方程式进行汇总和整理。
1. 外消旋亲核取代反应（SN1）外消旋亲核取代反应是指在反应过程中，生成一个外壳附有正电荷的过渡态，该过渡态具有不对称性，因此反应生成物的立体化学性质不一定会和亲核试剂一致。
下面是一个外消旋亲核取代反应的示例方程式：R-X + Nu- -> R-Nu + X-其中R代表一个有机基团，X代表离去基，Nu代表一个亲核试剂。
2. 内消旋亲核取代反应（SN2）内消旋亲核取代反应是指在反应过程中，亲核试剂直接替代掉离去基，并且该反应过程不生成任何过渡态。
由于亲核试剂直接取代离去基，因此生成物的立体化学性质会和亲核试剂一致。
下面是一个内消旋亲核取代反应的示例方程式：R-X + Nu- -> R-Nu + X-在这个方程式中，亲核试剂Nu-直接取代了离去基X，生成物的立体化学性质与亲核试剂一致。
3. 串联亲核取代反应（SNi）串联亲核取代反应是指在反应过程中，先生成一个带正电荷的碳离子中间体，然后再由亲核试剂取代该碳离子中间体上的离去基。
这种反应途径有一定的局限性，并不适用于所有的亲核取代反应。
下面是一个串联亲核取代反应的示例方程式：R-X -> R+ + X-R+ + Nu- -> R-Nu在这个方程式中，首先通过脱落基团X离去，形成带正电荷的碳离子中间体R+，然后再由亲核试剂Nu-取代碳离子中间体上的离去基团，生成最终的产物R-Nu。
4. α-消极离子亲核取代反应α-消极离子亲核取代反应是指反应过程中产生一个带有负电荷的消极离子中间体，然后由亲核试剂取代该消极离子中间体上的离去基。
这种反应途径通常发生在带有活化基团的化合物上。
下面是一个α-消极离子亲核取代反应的示例方程式：R-X -> X- + R+X- + Nu+ -> R-Nu在这个方程式中，首先通过脱落基团X离去，生成一个消极离子中间体X-，然后再由亲核试剂Nu+取代消极离子中间体上的离去基团，生成最终的产物R-Nu。
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 。
有机化学基础知识点整理亲电取代反应和亲核取代反应的应用案例
有机化学基础知识点整理亲电取代反应和亲核取代反应的应用案例有机化学基础知识点整理亲电取代反应和亲核取代反应的应用案例亲电取代反应和亲核取代反应是有机化学中两种重要的反应类型。
它们在有机合成中起到了关键的作用，广泛应用于药物合成、农药合成、材料合成等领域。
本文将对亲电取代反应和亲核取代反应的基本概念进行简要介绍，并以一些典型的应用案例来说明它们的应用价值。
一、亲电取代反应亲电取代反应是指通过电子云缺陷引起的反应，常见的亲电种有卤素、质子、亚硝基等。
亲电取代反应中，亲电种攻击碳原子上的孤对电子，形成新的化学键。
1. 酰基氯的应用案例酰基氯是一种常用的亲电取代试剂，在有机合成中应用广泛。
例如，在酰基氯的存在下，酮可以发生质子化反应，生成醇。
2. 卤代烷的应用案例卤代烷也是常见的亲电取代试剂，其应用案例较多。
例如，卤代烷可以与亲核试剂（如水、胺等）反应，生成醇、胺等有机化合物。
此外，卤代烷还可用于烯烃的亲电加成反应。
二、亲核取代反应亲核取代反应是指通过亲核试剂攻击亲电中心，形成新的化学键。
常见的亲核试剂包括氢、氨、碱等。
1. 氧化还原反应氧化还原反应是亲核取代反应中的重要类型之一。
例如，烯烃可以和过氧化氢发生氧化反应，生成伯醇。
2. 酯水解反应酯水解是一种常见的亲核取代反应，通过酯与水反应，生成醇和酸。
此反应在合成醇和酸类化合物中具有重要应用价值。
3. 消除取代反应消除取代反应是亲核取代反应的重要反应类型之一。
例如，卤代烃可以和碱反应，发生消除取代反应，生成烯烃。
以上仅是亲电取代反应和亲核取代反应的一些应用案例，实际应用中还存在更多的反应类型和示例。
有机化学基础知识的掌握对于有机合成具有重要意义，不仅需要理解这些反应的基本概念，还需要通过大量的练习和实验掌握它们的应用技巧。
通过本文的整理，希望读者对亲电取代反应和亲核取代反应有更深入的理解，能够在实际应用中灵活运用，并且能够进一步探索和研究有机化学领域中其他的重要反应类型和应用案例。
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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❖ 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
05 脂肪族取代反应(1)
应中心进攻，如果中心碳原子是手性的，产物的
构型必然引起Walden转换。
a
Nu- + d
C
L
b
a
δ-
δ-
Nu C L
d
b
a
Nu C
+ L-
d
b
§5.3 亲核取代反应的影响因素
影响亲核取代反应历程和速率的因素主要是作用 物的结构、亲核试剂、离去基团和溶剂的性质等，它 们之间是相互联系的。
一 反应物烃基的结构
碳正离子能量降低的因素，即稳定碳正离子的因素，必
然降低过渡态的活化自由能，从而增加反应速率；反之，
就会降低反应速率。实验结果证明确是如此。
a. 供电子和吸电子基团的影响
苄基型化合物 ：
Z
CH2 X
B： α位的双键、三键及芳基的影响
反应物R—X中R为乙烯基、乙炔基和芳基时，无
论SN1或SN2反应都很慢或完全不反应。不活泼的原因 有二：一、sp杂化和sp2杂化碳原子的电负性较sp3杂
ＲＯＨ＋Ｎ(CH3)３
（４）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。
如：RN+(CH3)3＋Ｈ2S
RS+H2＋Ｎ(CH3)３
类型（1）和（4）反应前后无电荷变化，类型
（2）和（３）反应1）历程
这是一种极限的情况，反应进程中离去基团Ｌ的 离去先于亲核试剂Ｎu的进攻，反应分两步进行：第一 步为慢过程，作用物分子离解，生成一个碳正离子中 间体；第二步是这个高能量的碳正离子中间体和亲核 试剂迅速结合得到产物。
图示中，S-H表示质子型溶剂。
§ 5.2 亲核取代反应的立体化学
一 SN1反应
面结S构N1。历可程以离预解料慢，反试应剂形Ｎ成u的从碳平正面离两子侧中进间攻体的具机有会平均
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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。
2021/1/2
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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
2021/1/2
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
高等有机化学第十六章 脂肪族亲核取代反应
诱导效应、共轭效应越强，分子的离解能低。 苄基,叔丁基离子>烯丙基离子>仲丙基离子>伯正离子
（2）空间效应
14
2-溴异丁烷反应性能比溴甲烷的小约2×104倍， 而溴代新戊烷的则小约2.5 × 106倍。 桥头化合物，如双环[2．2．1)衍生无论在SN2 条件(强亲核试剂和高浓度)下，或是在SN1条件(银离 子亲电催化)下，都是非常不活泼的。
9
例1:
中间体
例2:
反应机理
10
例3:
溶剂解产物构型不变
例4:
11
例5，仲丁醇的对甲苯磺酸酯(A)在三氟乙酸中溶剂 解，形成等摩尔的B和C，但是没有D和E。
中间体
16.1.5 SNi机理 醇与氯化亚硫酰作用形成烷基氯就是通过SNi机理 进行的。在反应过程中，首先形成ROSOCl (ROH+ SOCl2 →ROSOCl)，然后进一步反应形成烷基氯。
7
例1： 光学活性甲烷磺酸-2-辛酯在25%1，4—二氧六环 水溶液中溶剂解，形成2-辛醇，大约95％构型转化。
加入0．0462M叠氮离子，得到产品的31%是2-辛 基叠化合物(其他69%是构型转化了的2-辛醇)，但是 对溶剂解速度(原料磺酸脂消失的速度)也没影响。
可行的机理
8
例2： 对溴苯磺酸2-辛酯在75％1,4—二氧六环水溶液 中，形成构型转化的辛醇-2，光学纯度77%。加入叠氮 钠，则得到2-辛基叠氮化合物和辛醇-2，但是后者化合 物100%构型转化。
6
16.1.3 混合SN1和SN2的机理 在一组指定的反应条件下，一个指定的底物的某 些反Байду номын сангаас表现SN2机理的特征，而另外一些反应确按SN1 机理进行，但是时常有些情况似乎是在边缘区域，不 容易分辨。 对于这种情况曾经有两种解释，一种理论认为这 种情况是由于反应机理不是“纯的”SN1，也不是“纯 的”SN2，而是“在二者之间”的一种机理；另一种理论 认为根本没有中间机理， 这种难以确定的情况是由 于同时进行的SNl和SN2两种机理引起的，亦即在同一 反应混合物中，右的分子按SNl机理进行反应，而另外 一些分子按SN2机理进行反应。
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3）直线过渡态的证据。 Eschenmoser等提供的实验结果有力地证明在 SN2反应中过渡状态(Nu…C…X) 是直线型的。
交叉实验表明带负电荷的碳原子袭击另外一个分 子的甲基，而不袭击分子内的甲基，亦即反应发生在 分子之间，而不发生在分子内部。
16.1.2 单分子SN1机理
烷基正离子的稳定性越大，作用物(R-X)按单分子 机理进行反应的倾向越大。
16.1.4 邻位基团机理(非经典碳正离子机理) 在某些作用物的亲核取代反应里：(1)反应速度比 预期的大，(2)在手征性碳原子上，构型保持不变，既 不转化也不消旋。在这些情况里，时常是在离去基团 的β-位置(有时更远—·些)有一个带有未共用电子对的 基团。在这种反应里，运行的机理叫作邻位基团机 理。
4）亲核性与溶剂有关。 甲醇中: I->Br->ClDMF中: Cl->Br->I-
Swain和Scott提出了取代速度和亲核性之间的线性 自由能关系。
Swain和Scott亲核性数值
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16.2.3 溶剂效应对反应的影响 对SN1反应:
提高溶剂极性有利于SN1反应进行。 对SN2反应，由于底物和试剂的电性可分为四种情况:
加入吡啶反应破坏
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第二节 脂肪族亲核取代反应的影响因素 16.2.1 底物结构对反应的影响 SN1和SN2之间没有明显的界限，常放在一起讨论。 （1）电子效应 SN1机理取决于碳正离子的稳定性。分子的离解能 低和离去基团的电子亲和力大有利于单分子机理。
在R-X→R++X-过程中碳正离子的形成能
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诱导效应、共轭效应越强，分子的离解能低。 苄基,叔丁基离子>烯丙基离子>仲丙基离子>伯正离子
（2）空间效应
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2-溴异丁烷反应性能比溴甲烷的小约2×104倍， 而溴代新戊烷的则小约2.5 × 106倍。 桥头化合物，如双环[2．2．1)衍生无论在SN2 条件(强亲核试剂和高浓度)下，或是在SN1条件(银离 子亲电催化)下，都是非常不活泼的。
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溶剂极性对不同电荷类型的反应的效应
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Sneen提出一个基本机理(离子对机理)可以把所 有的SN1和SN2反应都容纳进去。作用物首先离解成为 中间离子对，然后再转变为产品：
SN1和SN2机理之间的区别在于：在SNl机理中离 子对的形成(k1)是速度决定步骤，而在SN2机理中离子 对的“消失’(k2)是速度决定步骤。离子对的形成速度 和消失速度在同一数量级时，则出现边缘表现。
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机理的证明： 1）一级动力学： 有可能有溶剂化效应：
初期速度快，后期慢。 2）盐效应一般提高反应速度。
3）Ingold等在SO2中用不同浓度的亲核试剂氟负 离子、吡啶和三乙胺处理二苯甲基氯化物．结果在每 一组实验里，校正盐效应以后， 反应的开始速度大 约是相同的。 4）在桥头位置，根本不发生SN1反生，在某些情况 下即使发生，也是进行得很慢的。
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例1： 光学活性甲烷磺酸-2-辛酯在25%1，4—二氧六环 水溶液中溶剂解，形成2-辛醇，大约95％构型转化。
加入0．0462M叠氮离子，得到产品的31%是2-辛 基叠化合物(其他69%是构型转化了的2-辛醇)，但是 对溶剂解速度(原料磺酸脂消失的速度)也没影响。
可行的机理
8
例2： 对溴苯磺酸2-辛酯在75％1,4—二氧六环水溶液 中，形成构型转化的辛醇-2，光学纯度77%。加入叠氮 钠，则得到2-辛基叠氮化合物和辛醇-2，但是后者化合 物100%构型转化。
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例1:
中间体
例2:
反应机理
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例3:
溶剂解产物构型不变
例4:
11
例5，仲丁醇的对甲苯磺酸酯(A)在三氟乙酸中溶剂 解，形成等摩尔的B和C，但是没有D和E。
中间体
16.1.5 SNi机理 醇与氯化亚硫酰作用形成烷基氯就是通过SNi机理 进行的。在反应过程中，首先形成ROSOCl (ROH+ SOCl2 →ROSOCl)，然后进一步反应形成烷基氯。
16.2.2 亲核试剂对反应的影响 一个分子或负离子从碳原子取代离去基团的能力 叫作亲核性。亲核性是给电子能力的函数，也是使亲 核试剂脱离溶剂化需要的能量的函数。
1）碱性强度与嗜核性大小可能不一致。例如， 乙氧 离子的碱性比碘离子的强，而碘离子的嗜核性比乙氧 离子的大。
17
2）比较大的、容易极化的亲核试剂的亲核性比较 大。 3）嗜核试剂的体积加大，亲核性差。
综合电子效应和空间效应各类型结构SN活性
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基团的SNl和SN2机理反应活性递降次序
（3）离去基团效应 离去基团接受负电荷能力越强，越有利于SN1机 理。 1-金刚醇的芳基磺酸酯在乙醇中和2-取代异丁烷
在80%乙醇中，取代基的相对离去能力
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影响离去基团离去能力的因素在SN2中的作用和在 SN1中的作用相似。离去基团承受负电有的能力增加， 则提高反应速度。 离去基团对SNl和SN2反应的影响
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关键过渡态
机理的证明： 1）二级动力学： 虽然可能出现假一级动力学。 2）光学活性物质会发生构型转变。
Hughes，Ingo1d利用对称的取代反应证实Nu的 背后进攻。而非下图的前面进攻。
3
光学活性2-碘代辛烷和标记碘负离子作用，形成 含有标记碘的对映体。
Hughes，Ingold等用光学活性1-苯基氯乙烷通过 以下两个系列的反应证明了在这个类型的反应里亲核 试剂也是从背后袭击的。
第十六章 脂肪族亲核取代反应
在亲核取代反应里，带着一对电子的亲核试剂 (Nu：)从底物(R—X)中取代一个被置换的基团(X)，X 带着其成键电子对离，于分子(R—X)。
Nu：可以是中性的，也可以是带负电荷的。 作用物(R—X)中的X可以是中性的，也可以是带正电 荷的。常见的亲核取代有四个类型。
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第一节 脂肪族亲核取代反应机理 脂肪族亲核取代反应，依据底物、亲核试剂、离 去基团和反应条件可以按几种不同的机理进行。在饱 和碳原子上的亲核取代反应中，最常见的是SNl和SN2 机理。 16.1.1 双分子SN2机理
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16.1.3 混合SN1和SN2的机理 在一组指定的反应条件下，一个指定的底物的某 些反应表现SN2机理的特征，而另外一些反应确按SN1 机理进行，但是时常有些情况似乎是在边缘区域，不 容易分辨。 对于这种情况曾经有两种解释，一种理论认为这 种情况是由于反应机理不是“纯的”SN1，也不是“纯 的”SN2，而是“在二者之间”的一种机理；另一种理论 认为根本没有中间机理， 这种难以确定的情况是由 于同时进行的SNl和SN2两种机理引起的，亦即在同一 反应混合物中，右的分子按SNl机理进行反应，而另外 一些分子按SN2机理进行反应。