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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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
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。
脂肪族的亲核取代精品PPT课件
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
12
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。
2021/1/2
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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。
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
脂肪亲核取代反应是有机化学中的一种重要反应类型，通常涉
及亲核试剂与含有卤素的有机化合物发生取代反应。
这类反应可以
通过亲核试剂攻击有机分子中的卤素原子来进行，形成新的化学键。
这种反应在合成有机化合物时具有广泛的应用，例如在制备醇、醚、酯等化合物时经常使用。
消除反应是有机化学中另一种重要的反应类型，它通常指的是
通过消除分子中的部分原子或基团来形成双键或三键。
最常见的消
除反应是β-消除反应，其中一个氢原子和一个邻近的卤素原子或
氢氧基团被去除，形成双键。
消除反应通常会产生不饱和化合物，
如烯烃或炔烃。
这两种反应在有机合成中都具有重要的地位，可以用来构建复
杂的有机分子结构，从而实现特定的化学合成目标。
在设计合成路
线时，化学家通常会考虑使用这些反应来构建目标化合物的分子框架。
饱和碳原子上的亲核取代反应
CCCCCC
LLLLLLL
若是卤素连在 手性碳原子上的卤
烷发生S N 2反应,
则产物的构型与原 来反应物的构型相 反,这称为瓦尔登转 化或瓦尔登反转
举例：溴甲烷碱性水解
反应速率=k[BrCH3][OH-] 举例：2-溴辛烷碱性水解
反应速率=k[C6H13CHBrCH3][OH-]
四、邻基参与作用(分子内亲核取代反应历程) Neighboring group participation
2. 离去基团的影响 在SN1和SN2反应中，C-L键断裂，L带着一对电子离去。若离 去基团L容易离去,那么反应中有较多的碳正离子中间体生成, 反应按SN1历程进行,反之,则按SN2进行.
(1) 离去基团的碱性越弱越易离去 •酸性：HI > HBr > HCl > HF •碱性：I- < Br- < Cl- < F•离去倾向：I- >Br- >Cl- >F•卤代烷的活性：RI > RBr > RCl > RF。
高等有机化学
饱和碳原子上的 亲核取代反应
Substitution Nucleophilic reaction
本章内容
第一节 脂肪族亲核取代反应
一、脂肪族亲核取代反应概述 二、SN1机理及立体化学 三、SN2机理及立体化学 四、邻基参与作用(分子内亲核取代反应历程) 五、离子对机理
第二节 影响亲核取代反应的因素
CH 3CH2CH2Br
SN1
(CH 3)2CHCH 2Br
(CH 3)3CCH 2Br
共同点：都为伯卤代烃。 结论：随着位取代基的增多，反应速率明显下降。 原因：SN2反应是亲核试剂从离去基团的背面进攻中 心碳原子， 位取代基越多，空间阻力越大，亲核试 剂越不容易接近中心碳原子，反应速率减小。说明 空间效应是影响SN2的主要因素。
亲核取代反应
C+ 的稳定性
C+越稳定，对SN1 越有利。
所有使C+稳定的因素，都能使 SN1 的反应速率增大：
电子效应
------主要的
3°C+ ＞ 2°C+ ＞ 1°C+ ＞ CH3+
σ ,p - 超共轭效应
当中心碳原子与苯基或乙烯基直接相连时， 生成的C+稳定，------共轭 SN1反应速率增大, 反应活性增大。
SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三角
双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：
Nu பைடு நூலகம் + L:
-
Nu:
-
+
C
L
δ Nu
δ + δ L C T.S
反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积越大， 过渡态的中心碳原子周围越拥挤，反应速率降低。 对于SN2历程的反应，α或β碳上有分支、 空间位阻愈大，都使反应速率减慢。
SN2 双分子反应 V = K [ R-X ] [ Nu：] 一步反应
SN1
单分子反应 V = K [ R-X ] 两步反应
生成中间体碳正离子
构型翻转 + 构型保持
形成过渡态
构型翻转（瓦尔登转化）
有重排产物
无重排产物
3. 离子对机理 介于 SN1 与 SN2 机理之间，叫做处于“交界状况”的反应。
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 ] ]
亲和取代反应总结
亲核取代反应总结1、反应定义：亲核取代反应（Nucleophilic Substitution Reaction）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.2、反应意义:这类反应是有机化学中非常重要的一类反应，不论在理论研究中还是在有机合成实际中都是极其有用的一类反应.3、反应分类：亲核取代反应的主要类型为脂肪族饱和碳上的亲核取代反应,即饱和卤代烃与亲核试剂的取代反应，较特殊结构的有苄基卤代物、烯丙基卤代物亲核反应。
其他类型还包括与酰氯、磺酸酯、磺酰卤、卤代苯等的取代反应.从电荷类型来分,亲核取代反应只能有四种类型：(1)中性底物和负离子亲核试剂反应(2)中性底物和中性亲核试剂反应(3)正离子底物和负离子亲核试剂反(4）正离子底物和中性亲核试剂反应亲核试剂包括有机和无机两类分子或离子：无机类亲核试剂:OH—、CN-、X—、H2O、NH3等有机类亲核试剂:ROH、RO—、PhO-、RS—、RMgX、RCOO-等4、反应机理类型分类：（1）双分子亲核取代反应（S N2)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称为双分子亲核取代反应。
反应过程中，亲核试剂从反应物离去基团的背面向与它连接的碳原子进攻，先与碳原子形成比较弱的键，同时离去基团与碳原子的键有一定程度的减弱，两者与碳原子成一条直线，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变成平面，这需要消耗能量，即活化能，当反应进行和达到能量最高状态即过渡态后，亲核试剂与碳原子之间的键开始形成，碳原子与离去基团之间的键断裂，碳原子上三个键由平面向另一边偏转，整个过程犹如大风将雨伞由里向外反转一样，这时就要释放能量，形成产物，S N2反应机理一般式表示为：Nu-+R X[Nuδ-···R···Xδ- ] NuR+X—例如，溴甲烷与OH—的水解反应：（2)单分子亲核取代反应（S N1)只有一种分子参与了决定反应速率关键步骤的亲核取代反应称为单分子亲核取代反应,反应中，反应物首先解离成碳正离子与带负电荷的离去基团，这个过程需要能量，是控制反应速率的一步，即慢的一部.当分子解离后，碳正离子马上与亲核试剂结合，速率极快，是快的一步。
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。
脂肪族饱及碳原子上亲核取代反应消除反应
n-C6H13 H C OH CH3
（R）-2-辛醇 []D=+9.9o
构型保持
一个不对称碳原子上键的变化，将新键在旧键断裂方向形成 的情况称为构型保持，而将新键在旧键断裂的相反方向形成 的情况称为构型翻转, 该翻转也称为Walden转换。
6.4 饱和碳原子上亲核取代反应概述
亲核取代反应：有机分子中原子或者基团被亲核试剂取 代的反应
1.6
Cl (2.8) 0.3
Br (2.7) 0.2
I (2.2) 0.3
极性共价键
共价键
B:- H
消除 X
BH +
+ X-
Nu:-
亲核取代
CX
C Nu + X-
在碱或亲核试剂的作用下发生消除反应或取代反应
C OH
极性共价键，成键电子对偏向O.
在酸的作用下发生消除反应或取代反应
R C C OH H
R–X 作用物
[ ] R +
-
X
‡
R+ + X-
过渡态
产物
溶剂的极性越大，溶剂化的力量越强，电离作用也就越快
6.3 手性碳原子构型保持和构型翻转 Walden转换
n-C6H13 H C Br HOCH3
（R）-2-溴辛烷 []D=-34.6o
n-C6H13 HO C H
CH3
（S）-2-辛醇 []D=+9.9o
H+ R C C OH2+ -H2O H
R C C+ Cl取代
H
R C C Cl H
R C C+ 消除 Cl-
H
RCC
6.1 有机化学中的电子效应 诱导效应， 共轭效应，超共轭效应和场效应
亲核取代反应9
在质子溶剂中，亲核试剂的亲核性大致顺序：
RS-,ArS- > CN- > I- > RNH2 > RO- > Br- > PhO- > Cl- >> H2O > F但在偶极溶剂(价格高）中，顺序常常不同：
F- > Cl- > Br - > I –
（3）α-效应 若亲核原子相邻的原子有未共用电子对时，使得亲核原子亲核能力 增强，即α-效应。如：
三 亲核试剂的影响
• • • 在SN1反应中，因为亲核试剂与底物的反应并不是速率决定步，且 碳正离子反应活性高，所以亲核试剂对SN1反应影响不大。 在 SN2反应中，试剂亲核能力的强弱取决于试剂的碱性和极化性两 个因素。此外，还有α-效应、体积效应。 （1）碱性和极化性 碱性强度取决于试剂与质子结合的倾向，亲核 性指与碳原子结合的倾向，它们之间有所相同，有所不同。同周期或 同一原子其亲核性与碱性相同,如： C2H5NH2 > NH3 > C6H5NH2 > p-O2NC6H4NH2 RO- > HO- > ArO- > RCOO- > ROH > H2O -NH > -OH > FR3C- > R2N- > RO- > F2 但在同族元素中， I- Br- Cl- F- (在质子溶剂) RS- ROR 3 P R3 N
CH3COO
HO
又如环己烯与次氯酸加成，生成反型产物，在氢氧化钠作用下，醇负离子 背面进攻C—X的碳，得环氧化物：
Cl + HOCl OH NaOH OCl O
若—OH与—Cl处于顺型，不符合SN2立体化学要求，不能生成环氧化物， 只能发生E2消除反应，得羰基化合物：
亲核取代反应
2.3.1.2 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
被取代离去基团的影响
（1）被取代离去基（X）接受电子能力越强，越有 利于亲核取代反应的进行。
（2）被取代离去基接受电子的能力取决于X-的稳定 性和碱性。
X-碱性越弱，稳定性越强，越容易被亲 核试剂取代而离去。
好的离去基团：
2.3.3.1 反应历程
双分子历程
X + Y -
X
Y
Y
慢
. - . .. . . .
快
+ X
-
单分子历程
ArN 2 X
+ -
慢
Ar
+
+ N2 + X ArOH + H
+
Ar
+
+ H2O
去氢苯历程
2.3.3.2 芳环上已有取代基对反应的影响
离去基团共轭位（邻、对位）有吸电子取 代基存在，对反应有利。
NO 2 + NaCl + H 2 O
离去基团共轭位有供电子取代基，对反应不 利。 芳环上同时有多个离去基团（-Cl，-SO3H， -NO2，-CN，-N=N-等）同时存在时，Cl优先 被置换。
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 H C X
慢
δ-
H C H
H
δ-
H HO C H
亲核取代反应9
CH3
27%构 型 反 转 73%外 消 旋 化
SNi反应 Internal Nuclephilic Substitution
醇和SOCl2在醚类溶剂中作用生成氯代烃，该反应立体化学特征是构型保 持，表明既不是SN2又不是SN1反应，从而提出SNi反应机制：
diox SNi O S Cl Cl O Py OSCl 氯代亚硫酸酯
结
论
影响脂肪族SN反应的因素
一 离去基团结构的影响
一个良好的离去基团X应能与碳原子形成高度极化的键，并倾向 于以异裂的方式离去，还应带有低能量的σc-x*轨道。 表面上看是电负性强，离去基团越易离去，如：
CF3COO->CH3COO->(CH3)3CCOOO2N SO3-> SO3- > CH3 SO3-
CH3
+ CH3 C CH2
CH3 CH3 C CH2CH3 +
CH3 C2H5OH CH3 C CH2CH3
CH3
CH3 CH3 C + CH2CH3 CH3
OC2 H5 CH3 C CHCH3
共轭酸的pKa <5的基团都比较容易离去，而强碱性基团难 以离去 。比如：HO-、CH3O-，而更强的碱NH2-、CH3-就很难 离去。 离去基团在质子型溶剂中相对速率的近似顺序为： —N2+ > —OSO2R > —I > —Br,—+OH2 > —Cl > —ONO2 > —+SR2 > —F > —+NR3 > —OAr > —OH > —OR > —H > — NH2 越是好的离去基团越倾向于发生单分子取代反应，好的离 去集团使碳正离子的形成比SN2反应更快。由于SN1反应无立体 选择性，且碳正离子容易发生重排或去质子化成烯，通常选择 中等活性的离去基团。如烷基三氟甲基磺酸酯（ROSO2CF3)或 重氮盐，都按SN1机理进行，常常与溶剂作用或不生成取代产物 而发生消除反应。
1有机合成反应理论
脂肪族亲核反应历程分类
• SN2反应历程：双分子亲核取代 • SN1反应历程：单分子亲核取代 • SNi反应历程：自位亲核取代
SN2反应
慢 R X + Nu-
δ-
δ-
Nu R X
快 R Nu + X-
进攻与离去同时进行 二级反应动力学
例如：溴甲烷（R1=R2=R3=H）在碱中的水解
R1
R2 HO- +
–碳正离子越稳定，越偏向于SN1反应历程；反 之就越偏向于SN2反应。
–反应碳原子上取代基越多，一般来说越有利于 SN1反应发生。
• 对烷基取代基而言，稳定碳正离子是通过较多 C-H键对碳正离子的空轨道发生超共轭作用使正
电荷分散来实现的；
• 对烯基或芳基取代基来说，则是通常-电子与 碳正离子的空轨道共轭来稳定碳正离子的。
反应举例
在低于0.15mol·L-1的NaOH溶液中水解时
CH3Br + NaOH bromomethane methyl bromide
C2H5Br + NaOH bromoethane
CH3OH + NaBr methanol
C2H5OH + NaBr ethanol
SN2
Br + NaOH tert-butyl bromide
EtOH - H+
O + H+
（3）进攻基团
• 进攻基团给电子能力越强，成键就越快，其亲 核性就越强。
• 亲核性强一般其碱性也强，但二者有区别：碱
性是对质子的亲合能力；亲核性是碱在过渡态 对碳原子的亲合能力。
• 亲核能力取决于两个因素：碱性和可极化性。 一般第三、四周期元素亲核性强，第二周期元 素碱性强。
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>H 2OCH 3O -O -O -Cl NO 2O ->>>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。
R 3C > R 2N - >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 CH 3O -<(CH 3)3CO - 亲核性 CH 3O ->(CH 3)3CO -NR +CH 3I NCH 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。
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。
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4
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
18
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
12
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。
1
2
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3
4
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。
5
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。
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
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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:
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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。
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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。