饱和碳键上的亲核取代反应

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 卤代烷的反应活性顺序是： SN 2反应：
甲基 > 伯 > 仲 > 叔
原因：烷基的空间效应
R X Nu
R k2
- SN2
X R Nu
CH3 30
• B. 试剂浓度对产物构型的影响： • 如果进攻试剂的浓度低，R+大多数都来得及成为平面构 型，并和后来连接的X离子分开，然后才受另一试剂进攻， 主要生成外消旋产物。 • 如浓度高，则增加了试剂对刚刚形成还被X离子遮蔽的R+ 离子进攻机会，因而构型反转的产物的比例会增加。
外消旋(%) 80%丙酮水溶液 98 60%丙酮水溶液 95 纯 水 83
R' CH R X
不被共轭体系稳定的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。 底物的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Fra Baidu bibliotek化
R
+ L-
溶剂介入
RL
+
-
R+ + L Nu SN 1
-
离解的离子 紧密离子对
Nu
反转(%) 2 5 17
SN1历程中的离子对： 在SN1取代反应中，如果游离的碳原子为平面型，试剂从两 面进攻的机会相同，产物应完全外消旋化，但事实上总是伴有 少量反转，这就说明有一些产物不是从游离的碳正离子形成的， 而是由离子对形成的。
SN1反应按下列方式进行：
(I)为紧密离子对；(II)为溶剂分隔离子对，在碳正离子和离去 原子团之间插入一个或数个溶剂分子； (III) 为离解的离子 对，每个离子被溶剂的分子所包围。在反应中紧密离子对 重新结合为原来的被作用物，称为内部反回。亲核试剂在 任何阶段进攻都能形成产物。在紧密离子对中的 R+和 X-之 间还有一定的键连，因此能保持原来的构型。
L Nu R +
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
R L +Nu
-
Bu3P CH2CH3 + I
-
⑵ 亲核试剂带有负电荷：
+ L R Nu
PhCH2Cl + CN
R L + Nu
+
-
Cl + PhCH2CN
⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：
SN1反应： A. 电子效应 a)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
k1 OTs
R+
EtOH
R OEt
相对速率 (k1)
Et i-pr CH2=CH-CH2 PhCH2 Ph2CH Ph3C
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。
d) β位双键的影响 , 当β位有双键时,如烯丙基和苯甲基等使 SN1和SN2反应速度均加快. 使SN1加速是因为由于共轭使生成的碳正离子稳定. 使SN2加速是因为通过 P型轨道(它展现在遭受进攻的碳原子 上)与邻近π体系的重叠使SN2过渡态变稳定的作用.
e) 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：
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 ° °
H C Cl CH3 Ph
OHH2O
H C
+
OH-
H
H C OH HO C Ph CH3 Ph
CH3 Ph
CH3
49%
51%
消旋化 (Racemization) 正碳离子越稳定，消旋化程度越大
• 碳正离子(I)比(II)稳定，在碳正离子(I)中正电荷和苯核相 互作用，使正电荷得到分散而不是定位在一个碳原子上， 因此具有较小的能量，所以有较小的反应性能，即有较大 的稳定性。
(二)亲核试剂的强度
Nu:在 SN2反应中起着重要作用
(a) 电负性对反应的影响 亲核试剂的电负性改变对 SN1 反应速度影响不明显 , 因为 SN1 反应速度取决于慢的离子化过程 , 而此过程亲核试剂不参 加． 但亲核试剂对 SN2 取代反应速度有影响，亲核试剂的电负性 减小，则SN2反应速度加大.
1. 底物的烃基结构 2. 离去基团 (L) 3. 亲核试剂 (Nu:) 4. 溶剂
五. 邻基参与反应
六. 亲核取代反应实例
取代反应是指化合物的原子或原子团被其它原子或原子团所
取代的反应。 (1)亲核取代 (2)亲电取代 (3)游离基取代
一. 反应类型
亲核取代反应的通式：
Nu + R L
亲核试剂 离去基团 带着 带着
SN 1反应 109 1.0 0.2 速率 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 与SN 2反应相反，底物上的取代基的空间效 应使SN1反应速率加快：
C2H5OCH2Cl
C-C-C-C-Cl
C2H5O-CH2CH2Cl
RBr在水中的溶剂解相对速度 RBr MeBr EtBr i-pBr t-BuBr
反应分两步进行
R L
慢
第一步 正碳离子的生成：
R+ + L
-
δ
R L
δ
第一步是决定反应速率的一步。
第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
R+ + Nu
- 快
R Nu
第一步为慢过程，发生取代反应的分子异裂为离子; 第二步是形成的碳正离子和取代试剂迅速反应得到产物。 第一步是反应速度的决定步骤，并为单分子反应，所以整个 反应为单分子反应。
第五章 饱和碳原子上亲核取代反应 (Aliphatic Nucleophilic Substitution)
一. 反应类型 二. 反应机理 (Reaction Mechanism) 1. SN1机理 2. SN2机理 3. 离子对机理 三. 立体化学 1. SN2反应 2. SN1反应
四. 影响反应活性的因素
A. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致： RO- > HO- >> RCO2- > ROH > H2O CH3O- > PhO- > CH3CO2- > NO2-
b)排斥电子和吸引电子原子团的影响，如：
Z 为吸引电子的原子团时， SN1 反应速度减慢， α- 卤代酮、 酸、酯等与此类似； Z为排斥电子的原子团时，使 SN1 反 应速度增加，Z排斥电子使碳正离子的正电荷分散，使碳 正离子稳定。
c)位于α位的双键、叁键及芳基的影响 无论SN1或SN2 都很慢或不反应。
CH3CH2 1
(CH3)2CH 0.03
(CH3)3C 0
新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：
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。
• (a)SH直接进攻RX得SR(完全反转)，即直接发生SN2过程。 • (b) 如果形成紧密离子对，则溶剂在此阶段进攻，若反应 (A) 不发生则导致完全的反转，若反应 (A) 与 (B) 竞争，则反转伴 随外消旋化作用。 • (c)如果形成溶剂分隔离子对，当溶剂壳从前边崩溃时，则反 应中构型保持，如从后崩溃时则构型反转，总结果为部分反 转(δ)部分保持(1-δ)。 • (d) 形成游离 R+ ，为平面构型， SH 从两面进攻的机会相同， 得外消旋化产物。
例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：
Ph2CH Cl
丙酮 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 2. 双分子亲核取代 (Substitution Nucleophilic Bimolecular) (SN2) 反应机理
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
按 SN 2 机理进行的底物特征：
键角增大，取 代基空间效应 R R o 在水中50 时 越大，基团的 1.00 C C X 空间拥挤程度 R' 1.00 X R' R'' 减小。 R'' 11.6 平面三角型 1.2×106 四面体
同时, 对某些三级作用物,碳正离子形成过程中张力消除,使反 应加速.
桥头化合物
在SN2和SN1反应条件下都极不活泼，在SN2条件下，进攻 亲核试剂不可能从背后进攻而使构型发生反转．而在 SN1反应条件下，平面构型碳正离子的形成引起较大的 张力．
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。
A. 正离子稳定性对产物构型的影响：
• 如果形成的正离子不稳定，它立即被第二个试剂进攻，此 时X—还来不及离开正离子，它在一定程度上显示了“遮蔽 效应”因而妨碍了试剂 A 从这方面的进攻。所以除得到外 消旋产物外，还得到相当量的构型反转产物。 • 如果形成的正离子比较稳定，并能在较长时间存在，则X— 与它已有相当距离，不再表现“遮蔽效应”因此得到产物 主要为外消旋体，同时有少量构型发生反转的光活性物质。
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]
二级反应
其反应机理为：
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
T 亲核试剂 从离去基团的背面 接近 中心碳原子
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。 两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态 T.
原因之一：是由于 SP杂化碳原子和 SP2杂化碳原子的电负性 高，对电子有较大的引力，在亲核取代作用中离去原子团 带着它的一对成键电子离去，因此 SP3 杂化碳原子相对来 说比SP2杂化碳原子及SP杂化碳原子更容易失去离去原子 团和电子对。
原因之二：离去原子团具有未共享电子对，则分子中离去 原子团的未共享电子对与 л 键发生共轭作用，即离去原 子团的电子云密度一部分转移到 C—X键，因而使 C—X 键大大加强。其结果使C—X键的键长变短。
(b) 亲核试剂分子的立体结构对反应的影响 亲核试剂分子加大, 使SN2取代反应速度降低
规律： 1)带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： －OH > H O, CH O- > CH OH 2 3 3
2)带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强； 中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强。
R Nu++ L
(CH3)4N++(CH3)2S
(CH3)3S + (CH3)3N
+
+
⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
R Nu +L RL + Nu+ + Cl CH3Cl +H2O CH3OH2
二. 反应机理
1. 单分子亲核取代 (Substitution Nucleophilic Unimolecular) (SN1)反应机理 + L Nu R R L + Nu ν = k1 R L
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
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° 对映体的纯度=100%
Nu 溶剂介入 离子对
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。
三. 反应的立体化学
反应的立体化学与反应机理相关 SN2机理：