饱和碳原子上的亲核取代机理
亲核取代反应及其影响因素
亲核取代反应及其影响因素摘要：饱和碳原子上的亲核取代反应主要有两种：单分子亲核取代反应(S N1)与双分子亲核取代反应(S N2)。
大多数反应介于这两种极端情况之间。
人们提出离子对机理与邻近基团参与的理论来解释反应情况与构型变化的问题。
亲核取代反应的反应速度，与烃基的数量、离去集团的大小、亲核试剂的活性以及溶剂的极性等有关。
一般来说，烃基数量少，离去基团大，亲核试剂亲核性强，溶剂的极性弱，对S N2反应有利；烃基数量多，离去基团大，溶剂的极性强，对S N1反应有利。
另外，亲核取代反应和对应的消除反应（单分子消除反应E1、双分子消除反应E2与S N1、S N2）互为竞争性反应。
强碱和较高的温度有利于消除，弱碱和强亲核试剂有利于取代；有利于碳正离子生成的条件，有利于按单分子机理进行；不利于底物异裂的条件，有利于双分子反应。
正文：一、烷基结构的影响1．烷基的结构对S N2 反应的影响反应中，如果中心碳原子上连接的取代烷基（支链）越多，它们对亲在卤代烷的SN2核试剂从碳卤键背后进攻中心碳原子的空间位阻就越大，使得发生有效碰撞的概率大为下降；而在过渡态时众多的支链与中心碳原子要保持在同一个平面内，其张力是很大的，这就使形反应的活性下降，反应速成过渡态需要有非常高的活化能，这些都将导致卤代烷进行SN2率减小。
例如，I-与下面各溴代烷的丙酮溶液中于25℃发生S N2 反应时的相对反应速率为：反应的速率也有明显的影响，即卤如果在卤代烷的β- 碳原子上连有支链烷基时，对SN2代烷中心碳( α- 碳)原子上连接的烷基体积越大，其空间位阻越大，不利于亲核试剂的攻击。
反应时，在其它条件相同时，不同结构卤代烷的反应活性综上所述，卤代烷进行SN2次序为：2．烷基的结构对S N1 反应的影响在S N1 反应中，由于决定反应速率的步骤是碳正离子的生成。
因此，烷基子离子越稳，越易形成，生成时的活化能越低，反应速率也越快，由于烷基正离子稳定性的顺序是：(CH3)3C+>(CH3)2CH+>CH3CH2+>CH3+所以，在S反应中，卤代烷的活性顺序为：R3CX > R2CHX > RCH2X > CH3X N1(3°>2°>1°>CH3X)，例如：卤代烷与AgNO溶液的反应被认为是S N1 机理。
有机化学中的亲核取代反应
有机化学中的亲核取代反应孙金鱼;赵三虎;赵明根【摘要】亲核取代反应是有机化学中的一类非常重要的反应，可分为四种类型：①饱和碳原子上的亲核取代反应（SN1和SN2）；②不饱和碳原子（主要是芳环）上的亲核取代反应；③经苯炔中间体的亲核取代反应；④底物为羧酸衍生物（酰卤、酸酐、酯、酰胺）的亲核取代反应。
这些亲核取代反应在有机合成上有着极其广泛的应用，但因反应机理的差异性较大，学生学买并掌握起来困难较大。
文章拟将上述四种类型的亲核取代反应进行系统分析和比较，找出反应的规律性，以期帮助学生学习之需要。
%As a kind of very important organic chemistry reactions, nucleophilic substitution reactions are generally di- vided into four types：①nucleophilic substitution reactions on the saturated carbon atoms（SN1 and SN2）;②nucleophilic substitution reactions on the u nsaturated carbon atoms （mainly aromatic ring）; ③nucleophilic substitution reactions through such intermediate as benzyne, ④nucleophilic substitution reactions which substrates are carboxylic derivatives （acyl halides, anhydrides, esters, amides）. These nucleophilic substitution reactions have an extremely wide range of ap- plications, but due to the differences of reaction mechanisms, we have found it difficult for students to learn and master these reactions. In this paper, we will analyse and compare the four types of nucleophilic substitution reactions systemati- cally and find out their regularities so as to meet the need of students.【期刊名称】《海南师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(025)001【总页数】7页(P109-114,118)【关键词】有机化学;亲核取代反应;机理【作者】孙金鱼;赵三虎;赵明根【作者单位】忻州师范学院化学系,山西忻州034000;忻州师范学院化学系,山西忻州034000;忻州师范学院化学系,山西忻州034000【正文语种】中文【中图分类】O621.13在有机化学中，亲核取代反应是一种特别重要的反应，按照其反应机理可以归纳为四种类型.即①饱和碳原子上的亲核取代（SN1和SN2）；②不饱和碳原子（主要是芳环）上的亲核取代；③经苯炔中间体的亲核取代；④底物为羧酸衍生物（酰卤、酸酐、酯、酰胺）的亲核取代.这些反应本质上都是亲核取代，但由于反应机理的差异性较大，学生学习并掌握起来困难较大.只有从反应机理上彻底认识并掌握各类亲核取代反应，才是解决问题的根本方法.1.1 一般的饱和碳原子上的亲核取代反应这类反应主要涉及卤代烷烃（RX）、醇（ROH）以及饱和碳原子上连有羟基、卤原子等的其他类型的有机物.从反应机理讲，分为SN1和SN2两种极限历程.SN1为单分子亲核取代历程，中间体为碳正离子，整个反应分两步完成，立体化学为外消旋化.SN2为双分子亲核取代历程，经过渡态一步完成，立体化学为瓦尔登（Walden）翻转，即构型翻转.简要表示其通式[1]如下：①SN1的反应通式为：②SN2的反应通式为：在SN1中，反应的快慢取决于离去基团的性质.离去基团的亲核性弱，则易于离去；反之，则不易离去.离去基团的碱性、中心原子的半径大小等影响着它亲核性的强弱.一般来说，碱性弱则亲核性弱，易于离去；中心原子的半径大则变形性大（强），也易于离去.在SN2中，反应的快慢与底物结构、离去基团、亲核试剂的性质有关，有时还与溶剂的极性有关.底物结构简单、试剂的亲核性强，离去基团的碱性弱（即易于离去），都有利于反应的快速进行；反之，反应则不易进行.对于亲核试剂，碱性强则亲核性强；中心原子的半径大则变形性大，亲核性也强.对于离去基团，则与SN1相同.对于那些碱性特别强的离去基团如羟基（-OH）、氨基（-NH2）等，须在酸催化下才能顺利离去，以实现取代.醇分子间脱水成醚的反应属于亲核取代，反应一般按SN2历程进行.例如[2]：Williamson合成法制醚的反应也属于亲核取代，反应一般按SN2历程进行.反应通式为：RX+NaOR′（或NaOAr）→ROR′（或ROAr）因醇钠或酚钠碱性较强而容易引起脱卤化氢的消除反应，反应中所用卤代烃一般要求是一级卤代烃.醚键断裂的反应是重要的亲核取代反应，特别是环氧乙烷衍生物的开环反应更为重要.醚键断裂反应的通式为：反应中氢卤酸的活性顺序为：HI＞HBr＞HCl.一般用HI进行反应，偶尔用HBr进行反应，几乎不用HCl，因其反应活性差.对于脂肪族混合醚，醚键优先在较小烃基一边断裂（SN2机理）[2].对于含有叔烃基的脂肪族混合醚，醚键优先在叔烃基一边断裂，因这种断裂可生成稳定的叔碳正离子（SN1机理）[3].对于芳基烷基混合醚与HX反应，醚键总是在脂肪族烃基一边断裂，这是因为芳基碳氧键结合得很牢固（p-π共轭）.显然，二芳基醚在HI作用下也不会发生断裂反应.环氧乙烷衍生物的开环反应是一种特殊的亲核取代反应.环氧乙烷衍生物因其具有三元环而能与许多含有活泼氢化合物(如水、醇、胺、酚、氢卤酸等)发生反应，可用酸或碱作催化剂.不对称环氧乙烷衍生物的开环反应有一个方向问题.在碱性条件下开环，亲核试剂优先进攻空间位阻较小的环碳原子（SN2机理）.而在酸性条件下开环，亲核试剂优先进攻取代程度高的环碳原子（带有SN1机理性质）[4]：从立体化学上讲，酸性开环和碱性开环反应都属于SN2类型的反应[2]，如下列两个例子：1.2 特殊的饱和碳原子上的亲核取代反应1.2.1 邻近基团参与的亲核取代反应邻近基团参与的亲核取代反应简称邻基参与.当能够提供电子的基团处于底物中心碳原子的邻近位置时，它们通过某种环状中间体先于亲核试剂参与亲核取代反应，其结果不仅加快了反应速率，而且使产物保持原构型（但有时也会得到重排产物）.其反应分两步进行，先发生分子内亲核取代形成环状结构（此时构型已发生翻转），然后亲核试剂沿着离去基团离去路径反方向进攻，发生取代（此时构型再次发生翻转），两次构型翻转（SN2）等于构型不变，即构型保持.反应通式[2]如下：常见的邻近基团有：COO-、O-、S-、OH、OR、NH2、NR2-、SR、Cl、Br、I、以及苯基、烯基等.列举三例如下：例1 （S）-α-溴代丙酸盐的水解反应例2 β-苯基溴代烷的水解反应例3 β-碘代醇的溴化反应1.2.2烯胺为亲核试剂的亲核取代反应烯胺与活泼卤代烃可进行亲核取代反应.五元环酮或六元环酮形成烯胺后可与活泼卤代烃进行亲核取代，在羰基α-位引入烷基（烃基），生成取代环酮.其反应通式[2]如下：R′X=CH2=CHCH2Cl，BrCH2COOC2H5，RCOCl，CH3I，BrCH2COR等1.2.3 丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯中活泼亚甲基为亲核试剂的亲核取代反应丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯作为特殊的试剂在有机合成上非常有用，可合成众多有机化合物.它们的反应是在强碱作用下形成碳负离子，并作为亲核试剂进行亲核取代反应，从而引入各种不同的基团，再经酮式或酸式分解，可得到不同结构的酮、酸或二酸等.应该特别指出的是，如果引入两个相同的烃基，丙二酸二乙酯可一次完成，而乙酰乙酸乙酯由于无法形成双钠盐，必须分步进行才能完成.1.2.3.1 丙二酸二乙酯在有机合成上具体应用反应通式：其中R1X或R2X=使用二卤代烃还可合成环状产物：1.2.3.2 乙酰乙酸乙酯在有机合成上具体应用反应通式：2.1 苯环上的亲核取代反应当芳环上连有强拉电子基时可使环上的电子云密度降低，不利于发生亲电取代反应，有利于发生亲核取代反应.亲核试剂首先同芳环加成，然后离去基团离去，重新恢复环的芳香性，反应机理为加成-消除历程[1]：当环上连有拉电子基，尤其是在邻、对位有拉电子基时，会使反应速率加快.因邻对位拉电子基通过共轭效应，使连有离去基团的碳原子上的电子云密度降低，有利于亲核试剂进攻，也有利于碳负离子中间体的稳定.当卤原子的邻对位有拉电子基团存在时，可以发生水解、醇解、氰解、氯解等亲核取代反应.例如[2]：应该指出：①乙酰乙酸乙酯亚甲基上的取代产物可以分别在稀碱或浓碱的作用下发生酮式分解或酸式分解.由于在浓碱的作用下酸式分解时往往伴随有酮式分解，因此，合成羧酸最好使用丙二酸二乙酯.②由于乙酰乙酸乙酯不像丙二酸二乙酯那样能形成双钠盐，因此不能合成三四元环.③如果反应底物为卤代烃、α-卤代酮、α-卤代酸酯等，则机理一般为SN2；如果反应底物为酰卤，则机理为加成-消除历程. 反应活性顺序与脂肪族卤代烃的亲核取代反应活性顺序正好相反，原因在于反应机理为加成-消除机理，与饱和碳原子上的亲核取代反应机理不同.一个典型的例子是氯苯水解时随着环上硝基数目的增多，取代反应越来越易[3，5]：拉电子基主要活化其邻、对位，对间位的活化作用很弱.例如：在制备脂基芳基混合醚（Williamson合成法）时，一般选择酚钠和脂肪族卤代烃进行反应.但在芳环上邻、对位连有拉电子基的卤代芳烃，可以和醇钠作用，生成脂基芳基混合醚.例如：2.2 吡啶环上的亲核取代反应吡啶具有芳香性，属于含氮芳杂环化合物.由于环上氮原子的拉电子作用，在2-位或4-位上容易发生亲核取代反应.例如齐齐巴宾（Chicibabin A E）反应：反应机理：当吡啶的2-位或4-位上有易离去基团（如Cl、Br、NO2等）时能与亲核试剂发生亲核取代反应.例如：反应机理为加成-消除历程：2.3 经苯炔中间体的亲核取代反应苯炔（benzyne）是许多芳族亲核取代反应中的中间体.例如，用强碱（如KNH2）处理不活泼芳卤，在生成正常取代产物的同时，也会得到变位（cine）取代的异构产物.这些反应的机理均为消除-加成历程.一般是未被活化的芳基卤代物在强碱作用下发生消除反应生成苯炔中间体，而后亲核试剂再对苯炔进行加成反应得到产物：当生成的苯炔不对称时，就产生苯炔的生成方向及加成方向问题.以芳卤的氨解反应为例讨论如下.2.3.1 苯炔的生成方向取决于取代基Z的诱导效应上述反应可能生成的苯炔中间体为：式（3）中生成两种苯炔中间体.到底哪一种占优势，取决于碳负离子的稳定性，而碳负离子的稳定性又与取代基的诱导效应有关.当Z为拉电子基时，（1）比（2）要稳定，因为前者负电荷更靠近拉电子基Z，相应的主要生成苯炔（1′）.当Z为推电子基时，（2）比（1）要稳定，主要生成苯炔（2′）.2.3.2 苯炔的加成方向也取决于取代基Z的诱导效应羧酸衍生物（酰卤、酸酐、酯、酰胺）的结构特点是：分子中都有酰基，而且酰基都直接与带有未共用电子对的原子或基团相连，既存在诱导效应，又存在p-π共轭效应.这类化合物发生亲核取代反应的一般通式为：羧酸衍生物的水解、醇解、氨解均属于这类亲核取代，反应活性次序为：酰氯＞酸酐＞酯＞酰胺.此外，酯缩合反应也属于羧酸衍生物的亲核取代反应，其机理加成-消除历程，并且非常重要.如Claisen酯缩合反应和Dieckmann缩合反应.Claisen酯缩合反应[2]：例1 完成反应（中南大学2007年硕士研究生招生试题）例2 完成反应（上海师大2007年硕士研究生招生试题）例3 完成反应（江苏大学2009年硕士研究生招生试题）Dieckmann缩合反应[2]：反应机理为：例4 完成反应（四川大学2008年、天津大学2007年硕士研究生招生试题）【相关文献】[1]高鸿宾.有机化学[M].北京:高等教育出版社,2005:243,252.[2]王积涛,张宝申,王永梅,等.有机化学[M].2版.天津:南开大学出版社,2003:313,318,332,239,550,507,508.[3]曾昭琼.有机化学(下册)[M].北京:高等教育出版社,2004:299-300,81.[4]王永梅,王桂林.有机化学提要·例题和习题[M].天津:天津大学出版社,1999:125.[5]曾昭琼.有机化学(上册)[M].北京:高等教育出版社,2004:293.。
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。
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。
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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 。
饱和碳键上的亲核取代反应
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%
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
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
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。
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：
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，即饱和卤代坯与亲核试剂的取代反应，较特殊结构的有节基卤代物、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R-I + OH「 -------- — R-OH + r-(2)中性底物和中性亲核试剂反应R-I + N(M C)3R・N 十(M C)3+V(3)正离子底物和负离子亲核试剂反RN(Me )3 + OFT —(4) 正离子底物和中性亲核试剂反应 RN(Me )3 +H 2S 一 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-、出0、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 N 2)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 而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 键由平而向另一边偏转，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 N 2反应机理一般式表示为：Nu ■+ R)C-> [Nu 6 -R -X 6 卄 NuR + X"例如，澳甲烷与OH-的水解反应:R-OH + N(Me)3R-S +H 2 + N(M C )3OH' + C—Br(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。
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
卤代烃及亲核取代反应
偶极距 μ
C-X键在化学反应过程中有 更大的极化度；
CH3CH2Cl
CH3CH2Br
CH3CH2I
2.05 D
2.03D
1.91D
C-X键能比较小,化学性质活泼。 C-X是官能团,反应发生在C-X键上
8.4.1 亲核取代反应
亲核取代反应(SN)—由亲核试剂进攻而引起的取代反应
Nu- + RX
R-Nu + X
CH 3 1。C+
重排
CH 3 CH 3-C+-CH2CH 3
3
。+ C
C2H5OH
CH 3 CH 3-C-CH 2CH3
OC 2H5
8.5.3 邻近基团参与
OH CH2-CH2 OH-
Cl
OCH2-CH2
Cl
O CH2-CH2
+ Cl -
同一分子内一个基团参与并制约另一基团发生 的反应，称为邻近基团参与（简称邻基参与）。
1.物理性质
在室温下，含1-3个碳原子的一氟代烷，含1-2个碳原子 的氯代烷和溴甲烷为气体，其余的一卤代烷为液体，
高级卤代烷为固体。
CF3Br
CH3Br
卤原子是电负性比较大的原子，不是亲水基团，卤代烷都 不溶于水而溶于有机溶剂。
卤代烷的密度大于1（除一氯 代烷），
并随烃基加长而减小
分子中卤原子数目增多，熔、 沸点升高。
NaOH
HX
C2H5OH
R-CH=CH2 + H2O +NaX
具有β-H的卤代烷在强碱的作用下，可以发生 消除反应，生成烯烃
Saytzeff规则
如果分子内含有几种β-H时，主要消除含氢较少的碳上 的氢，生成双键碳上连有较多取代基的烯烃，这一经验
高等有机第四章+饱和碳原子上的亲核取代反应
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
1、P533 SN2立体化学（Walden转化）发展历史
2、SN2的进攻方式 进攻试剂从C——X键的反面进攻，电子首先进入C——X键 的反键轨道，在过渡态中，分子呈直线性。
Nu
C
L
P534~535磺酸酯分子间反应，证明直线性反应
苏型
外消旋体
机制：
H H CH 3 S Br R OH 的构型为2R,3S，其稳定构象是 CH 3 CH 3 H S Br R H HO CH 3 H3C 即 Br H HO H CH 3
H3C Br
H HO H + HBr CH 3
H3C
H Br H2O H CH 3 S Br R Br CH 3 +Br CH 3
CH3 CH3
Cl
Cl
烯丙型和苄基型卤代烃的SN2速度加快。
当烯丙型和苄基型卤代烃以SN2历程进行时，由于键的存在， 可以和过渡态电子云交盖，形成p-π共轭，使过渡态能量降 低，从而有利于SN2反应。
X
HO CH2 CH CH2
Cl
H H
OH
烯丙基氯 的SN2反应
k1
CH 2SEt
SEt + SCN CH 2SCN
S－ 1-氯苯乙烷
H
O
S Ph C Cl H3C O
+ HCl
在乙醚中，HCl不溶，挥发掉。
H O Ph H3C H C O S Ph C Cl H3C O Cl S O H C + SO2 Ph Cl H3C R-1-氯苯乙烷 （构型保持）
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。
高等有机化学1
通过亲核取代形成 键
含氮亲核试剂参与的 反应
卤代烷与氨或胺的取代反应
HCO2Et EtONa
OO
-
X
+
minor OO
major O
NaOH H3O+
EtONa
通过形成 二羰基化合物再烷基化可以得到不同位置烷基化的产物
通过亲核取代形成 键
含碳亲核试剂参与的 反应
卤代烷与烯胺的取代反应 酮经烯胺a 位烃基化
O
+
NH
T sOH
N
MeI
OO
N+ I- +
N+ Me I-
H3O+
一反应
翻转
为一步反应 过渡态中心碳
原子为 杂化
饱和碳上的亲核取代反应
烷基结构对 反应的影响
支链影响 a
主要发生 反应 与亲核性强的亲核试剂发生 反应
饱和碳上的亲核取代反应
双分子亲核取代反应
溴辛烷 a
辛醇 a
构型翻转产物
构型保持产物
亲核试剂与离去基团相同时 反应达到一半时达到了消旋化 消旋化 反应
n-C6H13 I*- + H C I
Cl- 碱 Br- 性
增 I- 强
Me3C-X + H2O
FClBrITsO-
10-5
1
39
99 >105
离去基团 相对速度
Me3C-OH + HX (SN1)
特点 为好的离去基团， 为弱亲核试剂，也是弱碱 为两步反应 形 成稳定中间体碳正离子 第一步是速控步 是一级反应 得到等量的 构型翻转和构型保持两种产物 有时可以得到重排和消除产物
有机化学
亲核加成：如果进攻试剂本身已不具有获取电子倾向，反而有提供电子能力，如醇、-SH（巯）、胺基与炔反应时，是有提供电子能力的RO-（不是离子，未达到电离程度）先进攻炔键，称亲核加成。此反应是由亲核试剂与底物发生的加成反应。反应发生在碳氧双键、碳氮叁键、碳碳叁键等等不饱和的化学键上。最有代表性的反应是醛或酮的羰基与格氏试剂加成的反应。水、醇、胺类以及含有氰离子的物质都可以与羰基加成。碳氮叁键(氰基)的亲核加成主要表现为水解生成羧基。 此外，端炔的碳碳叁键也可以与HCN等亲核试剂发生亲核加成，如乙炔和氢氰酸反应生成丙烯腈(CH=CH-CN)。其他重要的亲和加成反应有：麦克尔加成、醇醛加成/缩合、Mukaiyama反应等等。
2、定量分析：由反应中量的关系确定官能团的个数；
常见反应的定量关系：
(1)与X2、HX、H2的反应：取代（H~X2）；加成（C═C~X2或HX或H2；C≡C~2X2或2HX或2H2； ~3H2）
(2)银镜反应：—CHO~2Ag；（注意：HCHO~4Ag）
(3)与新制的Cu(OH)2反应：—CHO~2Cu(OH)2；—COOH~ Cu(OH)2
(8) 引入—COOR：醇酯由醇与羧酸酯化。
(9) 引入高分子：①含C═C的单体加聚；②二元羧酸与二元醇（或羟基酸）酯化缩聚、二元羧酸与二元胺（或氨基酸）酰胺化缩聚。
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 -、H 2O 、NH 3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 N 2)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 N 2反应机理一般式表示为：Nu -+ R X [Nuδ-···R···X δ- ] 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 N 1)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。
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。
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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Nu +C L
Nu C L
Nu 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。
2. 在与C相连的三个原子在空间排布上发生了变化，由原来处于在以C 为中心的四面体的三个顶点上，变成在过渡态中与C处在同一平面上，有sp3 到sp2的瞬间过渡的存在，中心sp2的碳原子的p轨道分别与Nu和L重叠。
3. 反应后，反转了这个平面，处在原来四面体三个顶点相对应的位置上，即构型反转了，这种翻转称瓦尔登翻转（Walden）。
势能图：如左图，可见拥挤的过渡态有较高的能量，反应由C —Br 键生成C —O 键，碳氧键的键能大，即由弱键生成了强键，对ΔG 有了个负的贡献，反应放热，产物比生成物稳定。
2.S N 1反应的定义、机理和能线图
定义：S N 1反应又叫做单分子亲核取代反应。
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叫做单分子亲核取代反应。
可见该定义也是从动力学角度来定义的。
取代形式：中性分子底物、带正电荷底物。
机理：
如图：这个反应不是一步的反应而是一个两步的反应。
反应物首先理解为碳正离子与带负电荷离去基团，这个过程需要能量，是控制反应速率的第一步，即慢的一步。
当分子解离后由于碳正离子是缺电子中间体马上与亲核试剂结合，放出能量，是一个非常易于进行的一个放热反应，速率极快，是快的一步。
特点：1）有中间体生成(常常伴随有碳正离子的重排)。
2）两步反应，两个过渡态一个中间体。
3）Ｎu 可从碳正离子平面的两边进攻(外消旋化) 4）可能发生重排，由于有碳正离子的生成。
5）由于碳正离子是平面结构2侧位阻相同，所以生成的是“构型保持”“构型翻转”两种产物，是外消旋体。
反应势能图：有两个过渡态和一个中间体，过渡态1的活化能比过渡态2的大。
由于过渡态是RL 的电荷分离，故SN1反应比SN2 反应需要高的活化能，即反应条件要苛刻些。
R X [R X]δ+δ-R ++X -慢R +＋Nu
-[R Nu]δ+δ-R Nu
3.分子内的亲核取代（邻基参与）另见专题。
4.温斯坦离子对机理：前面已经提到在S N 1反应中，如果中心碳原子是手性碳原子，则构型翻转和构型保持的产物是相等的，但也有不少例子表明，构型转化的产物多于构型保持的产物，最后没有得到外消旋体。
温斯坦用离子对机理对这个结果进行了解释。
他认为在S N 1反应中，至少某些产物并不是通过碳正离子而是通过离子对进行的，按照这个概念，在进行S N 1反应时底物按照下列方式解离： 底物的解离分为三步：
内返：紧密离子对重新结合成底物。
溶剂分离子对：中间有溶剂介入离子对之中，扩大了正负离子间的距离。
外返：溶剂分离子对回到紧密离子对。
解离的方式即与底物有关，也与溶剂有关，在非极性溶剂中倾向于生成紧密离子对和溶剂分离子对，在强极性溶剂中易生成自由碳正离子。
在S N 1反应中，亲核试剂可以在其中任何一个阶段进攻而发生亲核取代反应。
R X
R +X -R +X -R ++X -紧密离子对
自由碳正离子
溶剂分离子对
底物内返外返 Nu -Nu -Nu
-Nu -S N 2构型翻转构型翻转 > 构型保持
（部分外消旋化的同时，有部分构型翻转）外消旋化（100％）
S N 1构型翻转。