第四章 亲核取代反应

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) ( 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]
78.5 32.6 24.3 20.1 18.3 6.15 58 84 109 115
46.3 37.0 20.7 4.8 4.3 2.38 2.2 5.7 36 37
上述分析表明，增加溶剂的极性和溶剂化 能力，使多数SN1反应速率加快，使多数SN2反 应速率减慢。对于同一反应，改变溶剂极性甚 至可以改变反应历程。在SN1反应中，决定反应 速率的步骤是Ｃ－Ｌ键的离解，所以溶剂的离 子化能力越强越容易离解，因此增大溶剂的极 性和离子溶剂化能力，可使反应历程由SN2向极 限的SN1方向转变。同理，如将质子溶剂改变为 非质子溶剂时，则常使极限的SN1向SN2反应历 程方向转变，这是因为体系中亲核体的亲核性 得到了增强的缘故。
CH3CH2CHCH2Br-
+
O+H2
NaBr
(4) 空间效应
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：
δ Nu δ + δ L C T .S Nu C + L:
-
Nu:
-
+
C
L
显然，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的拥挤程度就越严重， 必然会显著地降低反应速率。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。
+
⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
+ NuRL
+ ClCH3OH2
+
+
R Nu +L
CH3Cl +H2O
4.2 亲核取代反应的机理
1. 单分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( SN 1)反应机理 + LR Nu R L + Nu
一些碱性强的基团如-OH、–OR、–NH2、–NHR、– NR2则是很差的离去基团，难以离去。但在酸性条件 下被质子化后，变成相应的共轭酸HOH、HOR、HNH2、 RNH2，大大增强了离去能力，因此，醇、醚、胺能在 酸性溶液中起取代反应。如：
CH3CH2CHCH 3 Br
HBr CH3CH2CHCH3Br - H2O
具有正电荷的三价碳原子称为碳正离子，它 以SP2 杂化轨道与其它三个原子或原子团键 连，利用拉曼光谱，红外光谱和核磁共振的 研究表明简单的烷基正离子为平面构型，三 苯甲基正离子利用核磁共振谱证明为螺旋浆 结构
+
C
如果能用个别的路易斯结构式来表示,其碳正 离子的价电子层有六个电子，与三个原子或原 子团键连，如 +CH3 ，R3C+ 等称为经典碳正离 子。相反地，如果不能用个别的路易斯结构式 来表示，这类碳正离子具有一个或多个碳原子 或氢原子桥连两个缺电子中心，这些桥原子具 有比一般情况高的配位数的碳正离子称非经典 碳正离子： 7
对于SN1反应来说，在速度控制步骤的解 离过程中，中心碳原子由原来的sp3 杂化的 四面体变为sp2 杂化的平面或近于平面的碳 正离子，一定程度解除了拥挤状态（Ｂ张力 的解除）。中心碳原子上取代基越多，取代 基体积越大，过渡态中拥挤状态减轻的相对 程度就更大，速率的增加也就更显著。 按SN1历程进行的反应，α碳原子的分支 使反应速率增加。主要原因是碳正离子的稳 定性，通常叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳正 离子。β位的分支对于SN1反应速率的影响 较小，通常是β分支加大，SN1反应速率仅 略有增加。
Bu3P + CH3CH2I
+ IBu3P CH2CH3
⑵ 亲核试剂带有负电荷：
R Nu + L R L +Nu PhCH2CN+ Cl 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
2.1 1.0 9×10-6 5.5×106
1.4×106
卤素离子的活性顺序为I － >Br->Cl->F-,恰好与其电 负性顺序相反，而与它们的亲核性顺序相同。这种现 象一方面是由于Ｃ－Ｘ键的键能，另一方面是由于它 们的可极化性，因为一个较易极化的离去基团将使它 与碳所成的键断裂时的过渡态变得稳定。 SN1和SN2反应中离去基的离去能力顺序是相同的， 但它们对离去基好坏的敏感性是不同的。SN1历程对 离去基离去能力的依赖性比SN2要明显得多。 磺酸酯具有高度的反应活性，在亲核取代反应中是 极为有用的反应物。最常用的有对甲苯磺酸酯 （ROTs）、对溴苯磺酸酯(ROBs)、对硝基苯磺酸酯 (RONs) 和甲磺酸酯(ROMs)。这些磺酸根离子都是比 卤离子更好的离去基团。更重要的是可以将进行亲核 取代反应较为困难的醇与磺酰氯在吡啶存在下反应来 制备相应的磺酸酯。
第4章 亲核取代反应
4.1 亲核取代反应的类型 4.2 亲核取代反应的机理 4.3 碳正离子与非经典碳正离子 4.4 影响亲核取代反应速率的因素 4.5 邻基参与作用 4.6 亲核试剂的类型和反应
4.1 亲核取代反应的类型
亲核取代反应的通式：
Nu + R L
R Nu + L
-
亲核试剂带着一对电子进攻中心碳原子,离去 基团带着一对电子离开 ⑴ 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：
电荷分散
电荷分散
速率减慢
速率减慢
常用溶剂的极性可以它们的介电常数来表示. 表2 常用质子性和非质子性溶剂的介电常数ε
质子性溶剂 ε 非质子性溶 剂 二甲亚砜 N,N-二甲基 亚酰胺 丙酮 氯仿 乙醚 苯 四氯化碳 氯苯 硝基苯 乙腈 ε
水 甲醇 乙醇 1-丙醇 2-丙醇 醋酸 甲酸 氢氟酸 甲酰胺 氢氰酸
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(3) 离去基团 不论SN1还是SN2历程，它们的反应速率都是 受离去基团性质的影响。由于离去基团在两种历 程中的速度制步骤中都是带着与作用物成键的电 子对离开，故离去基团接受电子的能力越大，离 去的倾向越大，亲核取代反应的速率越快。 表5-5列出了1-苯基乙酯和卤化物在80%乙醇水 溶液中75℃时溶剂解反应的速率。
4 5 6 1 + 2 3
（1）同烯丙基非经典碳正离子：同烯丙基非经典碳 正离子中的荷正电的碳原子与双键之间有一个碳原 子： 外向和内向-降冰片烯基卤化物在水醇溶液中进行溶 剂解得到同样产物（III）。外向化合物（I）比内向 化合物（II）的溶剂解速度大约快10倍。Roberts认 为在化合物（I）的离解作用中能发生背后的同烯丙 基参与作用，而在化合物（II）中则不能发生这种同 烯丙基参与作用。
试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况：
（1）试剂中亲核原子相同时（如Ｏ），其亲核性与碱 性顺序都是： RO－ > HO－ > ArO－ > RCOO－ > ROH > H2O 带负电荷试剂的亲核性比其共轭酸大，碱性也强。 ArO－小于HO－ ，是因为芳环与氧共轭，电子平均化使 负电荷分散的结果。RCOO－小于ArO－是因为C=O吸电子 的缘故。 （2）周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂， 电负性大，亲核性小，碱性也小。如： NH2－ > HO－＞Ｆ－ R3C－ > R2N－ > RO－ > F－
表1
反应类型
SN2反应中溶剂极性影响情况
过渡态相对 于作用物的 电荷变化
电荷增加 电荷减少
增加溶剂 极性后速 率变化
速率加快 速率减慢
δδ+ Nu+R-L→[Nu…R…L]→Nu-R+L δδ+ Nu-+R-L+→[Nu…R…L]→Nu-R+L δ- δNu-+R-L→[Nu…R…L]→Nu-R+Lδ+ Nu+R-L+→[Nu…R…L]→Nu+-R+L
溶剂 相对速率 乙醇 １ 80%乙醇+20%水 10 50%乙醇+50%水 水 2０ 1450
在SN2反应中，溶剂的影响情况比较复杂。如 果过渡态的电荷比反应物有所增加，溶剂极性 加大，更能稳定过渡态，使反应速率加快；如 果过渡态的电荷比作用物有所减少或过渡态的 电荷更加分散，则溶剂极性增加更能稳定反应 物分子，不利于过渡态的生成，使反应速率减 慢（见下表）。
HO
+
X
(I)
( II )
X
( III )
( IV )
Cl (a) (b) Cl
(a) 外向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道 (b) 内向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道
H
OTs
HOAc +
保持构型
TsO
H
O
Ac H H
构型反转
OAc
反式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解反应比相应 的饱和化合物快1011倍，得到唯一产物反式乙酸酯， 比顺式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解速度快 107倍，是由于反式产生了强有力的邻基促进而形成同 烯丙基非经典碳正离子。
在双环烯烃（V），（VI）和（VII）中较低级同 系物的五员环比较高级同系物的五员环折叠程度 更大，π键与展开的正电荷间的距离缩短，有利 于背面参与作用。
X X X
(V) k
相对
( VI ) 5× 10
2
( VII ) 2.5× 106
:
1
4.4 影响亲核取代反应速率的因素
(1)试剂的亲核性
对于SN1反应，亲核试剂不参与速率控制步骤，因 此影响较小。但对于SN2反应，亲核试剂亲核性能的强 弱将对SN2反应的速率产生极大的影响。 亲核试剂都有未共用电子对，是路易斯碱。一般 说来，试剂的碱性强，亲核能力也强，但碱性与亲核 性不完全等同。碱性是指试剂对质子的亲合能力，而 亲核性则是指试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能 力；第二，碱性是指对热力学平衡的影响，与平衡常 数有关；而亲核性则意味着对动力学过渡态情况，直 接影响反应速率；第三，碱性很少受到空间因素影响， 而亲核性对空间效应的影响很敏感。
-
离解的离子 紧密离子对
Nu
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。
4.3 碳正离子与非经典碳正离子
表3
1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率
k相对 离 去 基 团 k相对
离 去 基 团
CF3SO3－
p-硝基苯磺酸根 离子 p- 甲 苯 磺 酸 根 离 子
1.4×108 4.4×105 3.7×104 3.0×104 91 14
CH3SO3－ I－ Br－
CF3C2－ Cl－ F－ p-硝基苯甲酸 根离子 CH3CO2－
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
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
离子化
R
+ L-
溶剂介入
RL
+
-
R+ + L Nu SN 1
二级反应
其反应机理为：
H H
δ
Nu ＋ R'CH2 L
-
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 两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为 过渡态 T.
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
(2) 溶剂效应
溶剂效应对亲核取代反应所起的作用，不仅是重要的， 而且是复杂的，主要是通过影响过渡态的稳定性从而影 响反应活化能，以达到影响反应速率。 绝大部分SN1反应是由中性分子离解成带电荷的离子， 过渡态的电荷比反应物有所增加。溶剂极性增加，使过 渡态的能量降低，从而降低反应的活化能，使反应加速。 δ+ δＲ－Ｌ ［Ｒ…Ｌ］ Ｒ＋＋Ｌ－ 例如叔卤代烷的溶剂解反应随溶剂极性增加而加速。 SN1反应： (CH3)3C-Br + Sol-OH (CH3)3C-O-Sol + HBr
ν = k1 R L
反应分两步进行
慢
第一步 正碳离子的生成：
R+ + L
-
R L R L 第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
δ
δ
R+ + Nu
- 快
R Nu
第一步是决定 反应速率的一步。
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