第八章 饱和碳原子上的亲核取代反应
亲核取代
R C C X R C C X
R C C R+ C C C+ C
+
R C+ C
R
R 为H, alkyl, aryl时，易发生重排，并可能 形成非经典碳正离子。 当R为R2N、Ph、R、CO2-、Br等基团时， 易发生邻基参与反应。
A Unified Theory of Aliphatic Nucleophilic Substitution
C…X
C…Y
C+ Y+Reaction coordinate
SN2反应为bimolecular反应，表现为二级 动力学方程，动力学方程为： rate=k[Nu][RX] 但是，观察不到二级动力学并不意味着反应不 按双分子基元反应进行，如溶剂解反应。 SN1反应为非基元反应，通常碳正离子的 形成为rate-determining：
Rate = k[HO-][R3N+R']
CH3 HOH3C N+ CH3 CHPh2 Ph2CHOH + N(CH3)3
Rate = k[Ph2CHN(CH3)3+]
SN2(Substitution Nucleophilic Bimolecular) SN1(Unimolecular)
[Y…C…X]
k1k2 [RX][Nuc-] k-1
虽然为二级动力学反应，但不是SN2反应。例如 Ph3CHCl在苯中与甲醇的反应。不过这种情况 很少。
在上述历程中，关键的问题是离去基团的离去 和亲核试剂的进攻的时机(timing)。在溶剂解反 应中，这一问题由于溶剂的亲核参与而变得更 为复杂。为了评价溶剂的电离能力，Grunwald & Winstein 用t-BuCl的溶剂解反应为基准，建立 了溶剂电离能力的线性自由能关系。
亲核取代
CH 3 CH 3 C CH 2Br CH 3
C2H5O SN1
-
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 1° C
+
重排
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 C 3°
+
OC2H5 CH 3 CH 3 C CH CH 3
-H
小结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
相对速度 150
1
0.01
0.001
因而,按SN2历程进行反应时,卤烷活性次序一般为: CH3X > 伯卤烷 > 仲卤烷 > 叔卤烷.
2015年12月9日 15
SN2反应中的空间效应
立体效应：碳原子上的甲基能阻碍亲核试剂的 接近,提高了反应的活化能而使反应速度降低. 电子效应：碳原子上的氢被烷基取代后, 碳原 子上的电子云密度将增加 ,也不利于亲核试剂对反 应中心的接近. 一般认为:立体效应的影响大于电子效应.
R1 R1 C R2 R3 Br
a
C R2 R3 HO
b
R1 HO C R2 R3
a 构型转化
+
R1 C OH R2 R3
b 构型保持 外消旋体
2015年12月9日
7
(2)特点二：反应有重排。
C2H5OH
CH 3 CH 3 C CH 2OC2H5 CH 3 CH 3
C2H5OH CH C CH 2 CH 3 3
>
RCH2
>
CH3
SN1反应的速度是：
R3C-X R CH-X CH2=CHCH2-X > 2
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 。
取代反应机理及应用
从而使产物具有不同程度的旋光性，而某些情况下还能得到构型保持的产物，例如：
5
以上几种情况到底发生哪一种？它与反应底物的结构、 试剂的种类与浓度以及反应环 境等因素有关。如果生成的碳正离子十分稳定，则生成外消旋化的产物，如果生成的碳正 离子不稳定，在离去基团(L)还未完全离开之前，亲核试剂(Nu)就开始进攻中心碳原子，由 于 L 的屏蔽效应，妨碍了 Nu 从 L 离去方向进攻中心碳原子，Nu 只能从 L 的背面进攻中 心碳原子，所以得到的产物往往是外消旋化的同时，还得到部分构型转化的产物。外消旋 化产物与构型转化产物二者的比例取决于碳正离子的稳定性和亲核试剂的浓度， 如果碳正 离子较稳定，亲核试剂的浓度较低，则产物外消旋化所占比例就高，反之，则外消旋化所 占比例就低。例如 Ph-CHClCH3 在不同条件下的水解反应，有如下数据： 虽然在实际的 SN1 反应中，往往只发生部分外消旋化，但这并不影响外消旋化作为 SN1 反应机理的证据， 至于在 SN1 反应中得到构型保持的产物， 则是由于邻基参与的结果。
6
该反应显然是通过 SN1 反应机理先离解成一级碳正离子，但一级碳正离子很不稳定， 立即发生重排，得到比较稳定的三级碳正离子，然后3)3C++Br-
如果外加一些与离解的离子相同的离子，例如 Br-离子，就会使平衡向左移动，这样对叔 丁基溴的离解起到了抑制作用，使反应速度减慢，这种作用叫做同离子效应，同离子效应 是反应的一个特征。 1.3 桥头碳上的 SN1 反应 对桥头碳上带有潜离去基团的化合物进行动力学研究，也能为 SN1 机理提供证据[3]。 例如， 将 1-氯代阿朴莰烷在 80%乙醇和 30%KOH 溶液中煮沸 2h 或者在硝酸银的乙醇水溶 液中煮沸 48h，都不发生反应，而类似的开链体系化合物则很容易反应。这是因为在 SN1 反应中反应底物首先离解成碳正离子，碳正离子为平面 (或近乎平面)结构，而桥头碳原子 上因空间效应的阻碍，它不能或很难伸展成平面结构，因此桥头碳正离子很难形成，以致 使该化合物在条件下不能发生反应，这就从反面为 SN1 反应机理提供了证据，见图 2：
有机化学基础知识点碳原子的亲核取代反应
有机化学基础知识点碳原子的亲核取代反应亲核取代反应是有机化学中重要的反应类型之一。
在这篇文章里，我将介绍碳原子的亲核取代反应的基础知识点。
亲核取代反应是一种化学反应，涉及到一个亲核试剂攻击一个电子云密度较低的碳原子，并将其取代。
这种反应可以发生在饱和碳原子上，也可以在环上的碳原子上发生。
1. 亲核试剂的选择亲核试剂是亲核取代反应中至关重要的一部分。
常见的亲核试剂包括卤代烷、醇、胺等。
选择适当的亲核试剂可以有效地促进反应的进行。
2. 亲核试剂的攻击在亲核取代反应中，亲核试剂攻击碳原子的位置非常重要。
碳原子可以通过两种方式进行亲核攻击：SN1和SN2机理。
- SN1机制：这是一种两步反应，首先，亲核试剂离去一个离子，形成一个带电的中间体。
然后，亲核试剂攻击中间体上的位点，取代离去的离子。
- SN2机制：这是一种一步反应，亲核试剂直接攻击碳原子，并同时取代离去的基团。
3. 碳原子的离去基团在亲核取代反应中，碳原子上的离去基团是影响反应速率和反应机理的重要因素。
常见的离去基团包括卤素原子、氨基和醇基等。
不同的离去基团会导致不同的反应速率和产物选择。
4. 反应条件的影响亲核取代反应的条件也会对反应的进行产生影响。
常见的反应条件包括溶剂的选择、温度和反应时间等。
选择合适的反应条件可以提高反应的收率和选择性。
5. 反应机理的解释了解亲核取代反应的机理对于理解反应过程和预测产物是非常重要的。
通过观察亲核试剂攻击碳原子的位置、反应速率以及产物选择等因素，可以确定反应机理。
在总结中，亲核取代反应是有机化学中基本的反应类型之一。
了解碳原子的亲核取代反应的基础知识点可以帮助我们理解反应机理、预测产物以及进行有机合成的设计。
当然，亲核取代反应还有很多细节和应用等待我们深入探索和学习。
亲核取代
CH2C6H5 C CH3 H OH TsCl
CH2C6H5 C CH3 H O H Cl
O S O Me
A R
R
AcO B
CH 2 C 6 H 5 AcO C H
S
CH 2 C 6 H 5 OH HO C H
S
CH 3
C
CH 3
H Br H OH CH3 CH3 H H
Br H CH3 CH3 Br CH3 CH3 H Br H CH3 Br
H Br
-
CH3
OH
H Br H OH CH3 CH3 H H
Br H CH3 CH3 Br CH3 Br H CH3 Br
-
H CH3 Br H
CH3
OH
内消旋体
第
六
章
饱和碳原子上的亲核取代反应
NMe 3 NMe 3
R
R
第
六
章
饱和碳原子上的亲核取代反应
Aliphatic Nucleophilic Substitution
如：
第
六
章
饱和碳原子上的亲核取代反应
Aliphatic Nucleophilic Substitution
二. 反应机理与反应中的立体化学 1 SN1与SN2机理 (1)．单分子亲核取代（SN1）
CH 2 ph CH 3 a=( + OAc B a=( CH
33
o
OH )
TsCl A CH 2 ph
CH 2 ph CH 3 CH OTs a=( + 31.1o ) OH C CH 3 a=( CH 2 ph CH
有机化学：第八章 sp3杂化碳原子的亲核取代反应
31
底物中烃基结构的影响
表8-4 SN2反应过渡态和SN1活性中间体结构特点对比
SN2反应过渡态 电荷离域
中心碳原子空间较拥挤
SN1活性中间体 电荷定域
中心碳原子空间不拥挤
32
应取决于过渡态结构与能量，而SN1反应则取决于活性 中间体的结构与能量。
29
离去基团的影响
反应活性：碘代烷 > 溴代烷 > 氯代烷 > 氟代烷 因为不同的卤素负离子碱性强弱不同。
FH
pKa
3.2
Cl H -7
Br H -9
IH -10
不同类型化合物进行亲核取代反应的活性顺序如 下：
磺酸酯，碘代烷 > 溴代烷 > 氯代烷 > 氟 代烷 >> 醇 > 醚
一步协同反应双分子机理sn215亲核取代反应的两种机理?双分子亲核取代反应sn2?单分子亲核取代反应sn1nucx????cx????cxcnucnu协同同分步步碳正离子中间体cnux16两种不同的亲核取代反应机理nucx????cnuxcx????cxcnucnu?动力学二级反应?双分子反应?反应过渡态能量高低影响活性?动力学一级反应?单分子反应?活性中间体能量高低影响活性?立体化学特征
3
7. 质子性溶剂SN2和SN1反应分别有何影响？ 8. 亲核性与原子半径有什么关系？， 9. SN2反应进行的方向与碱性强弱有何关系？ 10. SN1 反应中，亲核试剂对反应速率有无影 响？ 11. 亲核反应的两种反应历程中，那种易发生 碳正离子重排产物，那种发生构型反转？ 12. 什么是亲核取代反应中的邻基参与效应？
影响亲核取代反应的因素
影响亲核取代反应的因素摘要亲核取代反应是有机化学中一类重要的反应，饱和碳原子上的亲核取代反应可按S N1和S N2两种不同历程进行。
亲核取代反应的两种历程，在反应中同时存在，相互竞争。
对同一反应物来说，在不同的反应条件下反应速率是不同的;在相同的条件下，不同的反应物的活性也不同。
本文讨论了影响亲核取代反应的因素，并总结了某些规律。
关键词亲核取代反应速率影响因素卤代烃的亲核取代反应是一类重要的反应。
由于这类反应可用于各种官能团的转变以及碳碳键的形成，因此在有机合成中具有广泛用途。
本文将以卤代烃的亲核取代反应为例，讨论影响亲核取代反应的因素，即亲核取代反应的反应活性。
大量研究表明，亲核取代反应的活性与反应物的结构（包括烃基和离去基团的结构）、亲核试剂的亲核性和溶剂的性质等因素都有密切的联系。
1反应物的结构1.1烃基的结构烃基的影响体现在两个方面，一个是电子效应，另一个是空间（立体）效应。
一般来说，烃基的电子效应对S N1反应的影响更大，烃基的空间效应对S N2反应的影响更显著。
1.1.1在S N2反应中，烃基的空间效应影响占主导地位，α—碳或β—碳上支链增加，阻碍了亲核试剂从离去基团的背面进攻，且会造成过渡态拥挤程度增加，降低了过渡态的稳定性，使反应速率明显下降。
例如，不同的烷基发生S N2反应的平均相对速度如下：R-CH3-CH3CH2-(CH3)2CH-相对速度30 1 2.5⨯10-2卤代烃按S N2机理进行的活性次序是：烯丙型、苄基型、甲基卤代烷>伯>仲>叔>乙烯型、芳卤、桥头卤代烷在烯丙卤、苄卤的S N2反应中，当亲核试剂进攻α-碳原子时，其反应过渡态应该有p轨道的重叠，旁边的碳碳双键能帮助它分散电荷，起稳定作用。
在乙烯型、芳卤的S N2反应中，因其分子中存在着p-π共轭，使碳卤键键长缩短，键能增加，卤原子不易离去。
桥头卤代烷因桥环的立体障碍，亲核试剂不能从背面进攻α-碳原子，故不易发生S N2反应。
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。
华中科技大学有机化学第八章 卤代烃
(3) SN1与SN2反应影响因素的比较 它们都属取代反应，但历程不同，因此影响反应速度的因素也各异。 扼要归纳于下表。
如何判断亲核取代反应按SN1还是SN2历程进行，由卤代烃的烃基 部分决定。烃基为伯基或者甲基一般按SN2历程，为叔丁基按SN1历 程，为仲基，烯丙基或者苄基可以是SN1或者SN2。
由实验得知该反应的反应速度与卤代烷和碘负离子的乘积成正比：
同时产物的构型发生转换，即由R转换成S。而叔丁基溴与乙醇加热回流得 到乙基叔丁基醚的反应速度，与乙醇浓度无关，只与叔丁基溴浓度有关。
旅光性的R-2-溴辛烷与水反应得到外消旋的dl-2-辛醇。 从上述实验结果看出，它们用于两种不同的反应过程。推断其历程如下：
这种起始于亲核试剂的进攻而发生的取代反应．称为亲核取代反应， 常用SN来表示(S代表取代反应，N代表亲核试剂进攻)。 亲核取代反应种类很多，在合成上很有用，一些常见的取代反应类 型与取代反应产物的种类如下表。
(1)取代反应历程 SN2与SN1取代反应。反应历程一般是通过测定反应速度与反应物浓度的关 系，以及分析产物构型来推断的。卤代烷与碘化钠在丙酮溶液中的取代反应 是这类反应的典型例子：
从AgX沉淀的速度可以判断此反应的速度，而卤代烷进行SN1与E1反应的 速率为：
NaI-丙酮溶液与卤代烷的反应是按SN2历程进行的, 因此卤代烷的活性次序为：
在卤代烷中加NaI丙酮溶液, 在室温，立即有沉淀产生的为一级溴代烷， 苯甲基卤，烯丙基卤；在50℃，放置3min，有沉淀的为一级氯代烷、二级溴 代烷；50℃，放置长时间出现沉淀的为三级卤代烷、氯代环己烷等。所以， NaI-丙酮与AgNO3-乙醇溶液的测试是很方便的鉴定卤代烷结构的方法。
反应温度升高不利于取代反应。如
亲核取代反应
Me Ph C Et
OCOC6H4NO2-p
OMe N3 (56 _ 1)% 构型反转 14 % 构型反转 +
Me Ph C Et
MeOH + H2O 65 oC OCOC6H4NO2-p
Me Ph C Et OH 38 % 构型保持
σ* Nu C X Nu C sp2 过渡态 X
对这个解释的一个极好的证明是一个气相的反应。在回旋加速 器中的高真空气相条件下，如下的底物在用碱夺取一个质子成 为碳负离子后，本来应该很容易进行分子内的SN2亲核取代：
SO2
O
SO2 B -BH
O
CH2 CH 3 SO2
CH CH 3 SO2
O CHCH3 SO2
因为在其它各步反应中，与中心碳原子直接相连的键都没涉及 到：
Me Me AcO C H C6H13
(-)-乙酸-2-辛酯
Ac2O
O ArSOCl
Me
HO C H C6H13
(-)-2-辛酯
ArSO C H C6H13
对甲苯亚磺酸-2-辛酯
[O] Me H C OAc C6H13
(+)-乙酸-2-辛酯
§22.2 邻基参与
底物分子中离去基邻位有亲核性的基团时，常常观察到亲核取 代反应的动力学和立体化学都受到强烈影响，原因是邻位的亲 核基团介入了反应，这种现象称为邻基参与。 §22.2.1 含杂原子取代基 顺-和反-2-乙酰氧基环己醇对甲苯磺酸酯在乙酸中溶剂解都得到 反-1,2-环己二醇的二乙酸酯，但反式异构体溶剂解的速率为顺 式的670倍：
产率22%, 100%构型反转 产率78%, 100%构型反转
酯缩合反应反应机理
反应机理是对一个反应过程的详细描述，在表述反 应机理时，必须指出电子的流向，并规定用箭头表示一 对电子的转移，用鱼钩箭头表示单电子的转移。 反应机理是根据很多实验事实总结后提出的，它有 一定的适用范围，能解释很多实验事实，并能预测反应 的发生。如果发现新的实验事实无法用原有的反应机理 来解释，就要提出新的反应机理。反应机理已成为有机 结构理论的一部分。
反应机理
HNO3 + H2SO4 H2O+NO2 H2SO4 + H2O HSO4- + H2O+NO2 H2O + +NO2 H3+O + HSO4-
(1) HNO3 + 2H2SO4
(2) + +NO2
H
+
H3O+ +
H
+
+NO 2
+ 2 HSO4-
NO2
NO2
(3)
NO2 + HSO 4
+ H2SO4
+
这步反应 不会逆转
PBr3
O RCH2CBr
互变异构
OH RCH=CBr
Br-Br
OH
-HBr
O RCH-CBr Br
RCH-CBr + Br Br
RCH2COOH
Br
O
催化剂的作用是将羧酸转化为酰 卤，酰卤的α-H具有较高的活性而易 于转变为烯醇式，从而使卤化反应 发生。所以用10%~30%的乙酰氯或 乙酸酐同样可以起催化作用。
RCHCOOH + RCH2CBr
控制卤素用量可得一元 或多元卤代酸。 碘代酸由α-氯（或溴） 代酸与KI反应来制备。
有机化学概论课件第八章 亲核取代反应
NNOO((2211))NNaa 22 CCOO33 ,, HH22 OO ,, 110000℃ ℃
NNOO22
((22))
NNOO22 CCll
HH22 OO,, HH++ ℃ ℃
NNOO22 OOHH
NNOO22
NNOO22
(1) NNaa 22 CCOO33 ,, HH22 OO
Hale Waihona Puke (2)HH22 OO,, HH++
（1）被 -OH 取代
SO3Na
ONa
OH
NaOH( l )
~ 300 ℃
H2 O,H+
注：共熔、芳环上无-NO2，-X
（2）CN-，NH3，RNH2。
SO3Na
OCNa
NaCN
~ 300 ℃
O
O
SO3K
NH3
NH2
heat, pressure
O
O
（2） 势能图 P254 （3） 特征：v ， 构型（外消旋化），重排。
C C C CC
C Br
+ OH
CC C C CC
OH
2.3 分子内亲核取代反应 邻基效应
CH3CH2
Cl
OHH2O , Δ
CH3CH2
OH
R-X
R`ONa
R-O-R`
ROH
CH2 OH
CH2 Cl
O H- ，H2O, Δ
或Ca(OH)2, Δ
C2 H5 S
C2 H5 S
CH2 CH2 -H + + OH2
CH2 CH2 OH
Br
CH3 -OH
CC
CH3 H
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。
影响亲核取代反应的因素
影响亲核取代反应的因素2010-04-27 08:55饱和碳原子上的亲核取代反应可按SN1和SN2两种不同历程进行。
亲核取代反应的两种历程，在反应中同时存在，相互竞争。
但对一种反应物来说, 在一定条件下, 与亲核试剂作用时, 我们能否知道, 反应究竟按什么历程进行？如果对不同的反应物, 我们能否预计哪一个快, 哪一个慢？对于这样类似的一系列问题, 通过许多科学家的研究, 现在已经找到明确而肯定的答案。
研究表明, 反应历程和反应活性与反应物中的烃基结构, 离去基团性质, 亲核试剂性质以及溶剂性质等因素都有关系, 下面分别讨论。
5.5.1烃基结构的影响影响反应历程的因素很多，卤代烃本身结构是主要因素之一。
在卤代烃分子中，反应中心是a-C原子。
a-C原子上电子密度的高低，直接影响反应历程。
如果a-C原子上电子密度低，则有利于Nu－进攻，有利于反应按双分子历程进行。
反之，如果a-C原子上电子密度高，则有利于卤素夺取电子而以X－的形式离解，所以有利于按单分子历程进行反应.从反应中间体来看如果能形成稳定的正离子，则有利于反应按SN1历程进行。
反之，则有利于SN2历程。
烃基结构对亲核取代反应的影响, 可以通过分析烃基的电子效应和空间效应来确定。
先看看SN1和SN2两个决速步骤中过渡态的结构(见表5.8)。
表5.8 SN1和SN2过渡态结构反应历程SN2SN1过渡态结构电荷分散集中体积比反应物拥挤比反应物宽松在卤代烃的亲核取代反应中, 烃基的立体效应和电子效应对SN1和SN2影响程度不同。
对SN2历程，烃基的立体效应是主要的，而对SN1历程，烃基的电子效应是主要的。
5.5.1.1 烃基的立体效应由于SN2历程中形成的过渡态比较拥挤, 所以SN2历程对烃基的立体效应比较敏感。
（1）当中心碳原子上的支链增多时, 不利于SN2反应, 有利于SN1反应。
考虑立体因素时，伯卤代烃有利于SN2反应，叔卤代烃有利于SN1反应。
第八章卤代烃亲核取代反应(6学时)
+ Me 3C
③ 反应过程的能量变化
O H M CBr e+ 3
-
④ 中心C原子的变化
3 C ： S P 2 s p 3 S P
反应进程
+ M CO e B 3
玲 制作
+ + + + H C CH ＞ H C CH ＞ CH 3 2 H C C ＞ 3 3 3
CH 3 CH 3
CH 3
＃ 14
⑤ 烃基结构对SN1的影响 RX RX 1 ° 2 ° RX RX ： 3 ° CH X 3
外 消 旋 体
16
R 2
R 3
玲 制作
＃
三、亲核取代与消除反应的关系
单分子E1历程消除反应：
1 1 R R 慢 + +X R-CH -C R-CH -C-X 2 2 2 R 2 R
1 1 HR R - + β α +快 +H R CC O OH R-CH=C 2 2 2 R H 或 H C R 或 H C OH 25 2 5
SN2，由于环的影响，亲核试剂不得从背面进攻中心C原子； SN1，由于环的限制，要离解成碳正离子的平面结构，比较困难。 ＃
15
二、SN1和SN2的立体化学
1．SN2的立体化学（Walden转化）
R 1 CL N u+ R 2 R 3 N u
δ
-
R 1
C L
δ
-
R 1 C N u R 2 R 3
R 2 R 3
第六章 卤代烃 亲核取代反应（4学时） [目的要求]：
１. 掌握卤代烃的命名 , 了解卤代烃的分类。 ２. 掌握卤代烃的性质和制备； 3. 理解亲核取代反应历程； ４. 了解一些重要的卤代烃的用途。
亲核取代反应
ν = k [R L][Nu]
二级反应
SN2反应的能量变化
δ δ [ HO …CH3 … Br ]
位 能
HO + CH3Br
E H CH3OH + Br
反应进程 SN2 反应进程中的能量变化
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，伯卤代烷。
SN1反应与SN2反应的区别
SN1反应的特征——有重排产物生成
C2H5OH
CH 3 CH 3 C CH 2OC2H5 CH 3 CH 3
C2H5OH CH C CH 2 CH 3 3
CH 3 CH 3 C CH 2Br CH 3
C2H5O SN1
-
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 1° C
+
重排
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 C 3°
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 ] ]
离子对中间体
OR
+
S Cl
O
R
Cl
SO2
离去基团的一部分从正面进攻C+，保持构型。
支持这一机理的依据：
乙醚 2 - 辛醇 SOCl2 吡啶 R R Cl Cl
构型保持
SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三 + L:
-
Nu:
-
+
C
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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
亲核取代反应的通式：
中心碳原子（饱和碳原子）
Nu- + C X
Nu C + X-
亲核试剂
底物
产物
离去基团 L
亲核试剂 (Nu)：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。
底物：
反应中接受试剂进攻的物质。
HH δNu C δL
R'
T
协同反应
R'CH2 Nu ＋LSN2反应 的能量变 化曲线
8
S N 2 反应机理：
Nu
C
L
Nu
C
Nu
C
L
过渡态为线性结构
L
Nu
C
L
在过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道和中心碳原子的 p轨 道交盖的程度，与离去基团和中心碳原子的 p轨道的交盖程度相同。
9
• SN2机理的溶剂解反应是双分子历程，但实验测得的结果是动力学一级，
• 当Nu是溶剂时，所发生的亲核取代反应称为溶剂解反应 (Solvolysis)，属于 (1) 型。
• 根据作用物（底物）、亲核试剂、离去基团和反应条件的 不同，脂肪族亲核取代反应可以按不同的历程进行。两种极 限的情况是SN1和SN2历程。
4
二、 亲核取代机理
1、单分子亲核取代 Unimolecular Nucleophilic Substitution
第八章 饱和碳原子上的亲核取代反应
(Aliphatic Nucleophilic Substitution)
1 亲核取代反应类型 2 亲核取代反应机理 SN1机理SN2机理 3 亲核取代反应的立体化学 4 影响反应活性的因素 5 邻基参与反应 6 分子内亲核取代反应 7 亲核取代反应的应用
1
一、亲核取代反应类型
实验二：
n-C6H13H
128I- +
CI
CH3
翻转
C6H13 HO C H
CH3
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90°
对映体的纯度=100%
128I
HC6H13-n
转化（消旋化） （消旋化产物）
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。
11
机理相关
SN2机理：
Nu- ＋ C L
δ
Nu
C
Lδ
R L +Nu- R Nu + L-
( SN1)
反应分两步进行：
ν = k1 R L
第一步 正碳离子的生成：
R L慢
δR δL
动力学上为一级反应
R+ + L-
第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
R+ + Nu- 快 R Nu
• 第一步是决定反应速率的一步。 5
SN1反应的能量变化曲线
例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：
10
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 离子化
Nu SN 2
构型翻转
三个阶段：
R+L- 溶剂介入 R+ L-
R+ + L-
离解的离子
Nu 紧密离子对
Nu 溶剂介入 离子对
Nu SN 1
翻转（主要）
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-
12
SN2的立体化学
过渡态
构型相反 • 瓦尔登转化
13
实验一：
构型
H
C6H13 C Br
NaOH SN 2
CH3
(R) - (-) - 2 – 溴辛烷
[α]25D= -34.25° 对映体的纯度=100%
1
3
• 20世纪30年代起，Ingold C. K. 和Hughes E. D. 在亲核取代反 应的理论研究中做了大量的工作。
• 饱和碳原子上的亲核取代反应是脂肪族化合物的主要反应， 也是研究的最多、最系统的有机反应。对脂肪族亲核反应的 研究，不仅在理论上有重要的意义，在有机合成上也有实际 意义。
离去基团： 带着一对电子离去的分子或负离子。 2
2
3
亲
核
⑴ 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：
取 代 反
R L + Nu:
RNu+ + L-
Bu3P + CH3CH2I
Bu3P+ CH2CH3+ I-
应
⑵ 底物为中性，亲核试剂带有负电荷：
R L +Nu- R Nu + L-
PhCH2Cl + CN- PhCH2CN+Cl-
4
和
类 型
反 应
和
前
后
有反
电应
荷前
⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：
变后 化无
R L+ + Nu
R Nu++L
电 但荷
(CH3)3S++ (CH3)3N
(CH3)4N++(CH3)2S
两变 者化
相
⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
反类
RL++Nu- R Nu +L
型
CH3O+ H2+ Cl- CH3Cl +H2O
ν = k1 R L
因为亲核试剂（溶剂）大大过量，不显示浓度变化。这种现象在动力学上 称为“假一级”。
• Eschenmoser等人通过实验，对SN2反应的过渡态必须是线性结构提供了强 有力的证据：
SO2
O base
CH2 CH3 Ts
SO2 O CH3
CH Ts
SO3
CH CH 3 Ts
交叉实验证明，带阴离子的碳进攻另一分子的甲基，而不是同一分子中附近 的甲基，即反应是分子间进行，而不是分子内。
Ph2CH
Cl
丙酮 慢
Ph2C+H + Cl
Ph2C+H
H2O -H+
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。
6
2、双分子亲核取代 Bimolecular Nucleophilic Substitution ( SN 2)
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：
R L +Nu- R Nu + L-
ν = k[R L][Nu]
二级反应
SN2 机理表现为二级动力学，对反应物和亲核试剂都是 一级。这种反应物和亲核试剂两种分子都参与了过渡态的过 程叫双分子亲核取代反应，记为SN2。
7
其反应机理为：
Nu- ＋ R'CH2 L
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，体系能量高。 其状态为过渡态 T.