饱和碳原子上的亲核取代反应

酯快 1011 倍，还得到构型未变的产物都说明 C=Cπ 键的参与： 例 1：
H
OTs
H
H
OAc
反应相对速率
-OTs
OAc
1011
邻基参与
TsO
H
构型保持产物
H
H
H
OAc
-OTs
无邻基参与
H
OTs
H
OAc
构型转化产物
OAc
103.7
-OTs
OAc
1
难
无邻基参与
外消旋化产物
例 2：
OTs
AcO ACOH
CH3CH2CHCH3 + Br OH2
CH3CH2CHCH3 + Br
CH3CH2CHCH3 Br
比较各离去基团离去的难易常用的方法如下： A． 离去基碱性愈弱，愈易离去。而碱性越弱的基团，其共轭酸酸性愈强。例： 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 B． 离去基离去后生成的负离子越稳定（负电荷愈分散），则越易离去。 负离子稳定性及离去倾向：
C2H5OH -H+
(CH3)2C CH2CH3 OC2H5
(CH3)2C=CHCH3
二、SN2 历程 双分子亲核取代反应，即 SN2 反应。它是一步完成的，rds 中涉及两个化学 品种的相互作用，反应速度与反应底物和亲核剂的浓度成正比，即表现出二级反 应动力学行为。 例如：
CH3CH2Cl + NaOH EtOH/H2O CH3CH2OH + NaCl
释。
离子型取代反应，亲核取代：
δ+ δCH3CH2 Br + OH
CH3CH2OH + Br
Cl NO2
+ OC2H5
OC2H5 NO2
+ Cl
NO2
NO2
亲电取代：
CH3 δ+ CH3CH2CH HgBr
+
δ- δ+ Br Br
δ-
Br CH3CH2CHCH3 + HgBr2
H
Br
+ Br2
FeBr3
(CH3)3C Br
80%C2H5OH/H2O
SN1相对速率
1
Br 10-3
Br 10-6
Br 10-12
2．影响 SN2 反应速度的因素 （1）烃基的结构。a-C 的立体障碍越大，RL 越不活泼：CH3L > RCH2L >
R2CHL > R3CL。综合电子效应和空间效应，一级卤代烷易按 SN2 进行，三级卤 代烷易按 SN1 进行，二级卤代烷介乎其间。
取代反应包括自由基取代反应、离子型取代反应，后者又分为亲核取代反应
和亲电取代反应。
自由基取代反应，烷基的氧化：
hν/25oC CH3CH2CH2CH3 + Cl2
CH3CH2CH2CH2Cl (28%) + CH3CH2CH(Cl)CH3 (72%)
实验表明烷烃中三类氢原子的活性为：3o H > 2o H > 1o H，可用超共轭效应来解
(R+
L-)
溶剂分隔离子对 ( R+ L- )
溶剂化自由碳正离子和负离子
(R+ )
+ (L- )
Nu
SOL-OH
NuR SOL-OR 构型转化
Nu
SOL-OH
NuR SOL-OR 构型转化
Nu
SOL-OH
RNu RO-SOL 构型保持或转化
Nu
SOL-OH
RNu RO-SOL NuR SOL-OR
外消旋化
（3）溶剂极性对 SN2 反应的影响，与 SN1 的情况相类似。如果 TS 比反应
底物电荷有所增加，溶剂极性增大，反应速度加快；如果 TS 的电荷比反应物有
所减少，或者更分散，溶剂极性增大，反应速度减慢。
例如：
CH3Br + OH
δ-
δ-
[ HO
CH3
Br ]
TS 比作用物电荷分散，速度减慢。
HOCH3 + Br
Z
a
a
Nu
+
b
Nu Z
b
R'
R'
②
①
邻基参与作用往往显著增加反应速度，这种现象称为邻基促进或邻基协助，这是
由于反应的 rds 是第一步，邻基正处于进攻的有利位置，因此反应的动力学也表
现为一级。
（1） n 参与
邻基以未共用电子对（如 O、S、N、Br、I 上未共享电子对）参与亲核取代反应。
例 1：
CH3
NO2
SO2O- > Br
SO2O- > H
SO2O- > CH3
SO2O- >
H3CO
SO2O- > I-
（3）亲核剂（Nu）的性质对 SN1 反应速度影响不大。 （4）溶剂，溶剂对亲核取代反应的影响，主要是通过溶剂化效应影响过渡
态的稳定性来达到的。 在绝大多数 SN1 反应中，TS 是由中性分子离解形成带电荷的离子，过渡态
+ HBr
一、SN1 历程 单分子亲核取代反应 SN1 反应，单分子意指反应的决定速率步骤（rds）中， 发生共价键变化的只有一种分子。
1．历程
(CH3)3C Br
k1慢
(CH3)3C+ + Br-
第一步为 rds
+ (CH3)3C +
OH-
k2快
(CH3)3C+ + Br-
-1
d(t-BuOH) = K1(t-BuBr) 1 +
原子中心的结合能力。试剂亲核性强，浓度大，SN2 反应速度快。 a．试剂中亲核原子相同时，亲核性与碱性次序一致：
RO- > HO- > ArO- > RCOO- > ROH > H2O b．带负电荷的亲核剂比它们的共轭酸亲核性大：
HO- > H2O, RO- > ROH, RS- > RSH c．同周期元素生成的同类型亲核剂，亲核性与碱性顺序基本一致：
（2）离去基团的性质。rds 涉及 R-L 的断裂，因此 L 越易离去，反应速度 越大。离去倾向：I > Br > Cl > F。因为 F 与 C 价轨道能量相近，重叠很有效， C-F 键能大不易断裂；而 I 与 C 价轨道能量相差大，重叠得较差，C-I 键键能较 小，易断裂。—OTs 是很好的离去基团，由于共轭效应所致。
OAc
OTs OAc
AcO ACOH
OAc
K = 2.9X10-7
OAc OAc
K = 1.9X10-4
OAc
五、亲核取代反应在有机合成中的应用 1．RX 的亲核取代
离子对历程认为，反应物在溶液中是分步离解的：1. 紧密离子对；2. 溶剂 分隔离子对；3. 自由正负离子。整个过程是可逆的，反应时亲核剂（Nu-或溶剂 SOL-OH），例如 ROH, HOH 可以在①②③的任何一个阶段开展进攻因而生成各 种不同的动力学特征和立体化学特征的产物。
作用物分子 R-L
紧密离子对
第三章 饱和碳原子上的亲核取代反应
学习要求： 1．熟悉亲核取代反应的几种历程（SN1、SN2、离子对），影响 SN1、SN2 反应速
度的因素，碳正离子重排及亲核性。 2．掌握邻基参与反应（历程、立体化学、非经典碳正离子）。 3．熟悉 RX、ROH、环氧乙烷及其衍生物，碳负离子亲核剂等的亲核取代反应
及其应用。
(CH3)3CO- < (CH3)2CHO- < CH3CH2O- < CH3O-，与碱性大小顺序相反。 3．与 SN2 反应竞争的副反应是消去反应，见第六章。
三、离子对历程 有些化合物的亲核取代反应，其动力学和立体化学特征介于 SN1 和 SN2 之间， 故提出了离子对历程来统一说明亲核取代反应的历程。
（1）烃基的结构。按哈蒙德假设，SN1 反应的 rds 的 TS 类似于中间体 R+， 因此，生成的 R+越稳定，则 RL 越活泼，反应活化能越低，反应速度越大。下列
卤代烃的反应活性顺序为： ArCH2X, CH2 = CH – CH2X > R3CX > R2CHX > RCH2X > RCH2 = CHX, ArX
1．历程
d[CH3CH2OH] = K[CH3CH2Cl][OH-] dt
HO C Br 背后进攻
δ[ HO
δC Br ]
双三角锥形 TS
HO C + Br
瓦尔登转化 构型转化的产物
TS G
H3C
CH3
R
P 反应坐标 SN2反应的位能曲线
TsO 不发生SN2的刚性环进行SN1也是困难 的
因此，刚性桥头碳上不发生 SN2 反应（背后进攻受到空间阻碍，Walden 转化没 有可能），就是发生 SN1 也是困难的，因此生成的碳正离子不能形成平面结构。
dt
K-1[Br-] K2[OH-]
≈ K1[t-BuBr] 因为 K2[OH-] >> K-1[Br-]
(CH3)3C+,Br-,OH-
t-BuBr, OH-
t-BuOH,Br-
因此，由于活性中间体是平面构型，亲核剂从平面两侧进攻碳正离子中心的机会 相等，反应中心若有手性，必将产生构型保持和构型转化产物各半（外消旋化）。 事实上，只有在极限 SN1 的情况下，才会形成非手性的“自由”碳正离子中间体。 如果碳正离子能量较高，活性较强，一经生成便受亲核试剂进攻，此时离去基团 （L）尚未远离反应中心（碳正离子与离去基团处于紧密离子对阶段），它将阻 止亲核剂的正面进攻，结果导致构型转化产物。 2．影响 SN1 反应速度的因素：（R、L、Nu、溶剂）
CH3
H
Br HBr
HO
H
CH3
苏式
CH3
CH3
H
Br
Br
H
+
Br
H
H
Br
CH3
CH3
外消旋体
CH3
Br
H
Br
H
CH3
内消旋体
CH3
H
Br
HO
H
CH3
H+ H
H2O
CH3 Br H
CH3
-H2O
a
CH3
CH3
CH3
H Br
H
CH3
Br Br
H
H
Br
+
H
Br
Br
H
b
CH3
CH3
(a)
(b)
（2） π 参与 C=O、C=C 的 π 键作为邻基参与反应。 反式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解比顺式异构体快 107 倍，比相应的饱和
四、邻基参与历程，非经典碳正离子 在亲核取代反应中，在离去基团的 β-位（或更远）上有一带有未共享电子对 或带有负电荷的原子或原子团以及 π 体系等参与了反应，对亲核取代反应的速 度、立体化学等都产生很大影响，这种作用称为邻基参与。其历程一般可表示为：
R
R
①
R
R
Z
a百度文库
r.d.s
b
L
R'
a
Nu
Z
b
②
R'
80%C2H5OH 0.659
H2O 0.32
3．竞争反应
与 SN1 竞争的副反应有消去反应和重排反应。重排总是形成更稳定的碳正离 子，再与亲核剂反应。
(CH3)3CCH2Br C2H5OH/H2O (CH3)3CCH2+ 重排 1o
+ (CH3)2C CH2CH3
3o
H2O
OH (CH3)2C CH2CH3
又如，
(CH3)3N + CH3Cl
δ-
δ-
[ (CH3)3N
CH3
Cl ]
(CH3)4N+ + Cl-
与中性作用物(CH3)3N 和 CH3Cl 相比，TS 出现一定程度的电荷分散，溶剂极性
增大，反应速度加快。
（4）亲核剂对 SN2 反应速度影响很大。亲核剂是都具有未共享电子对的路 易斯碱，有碱性和亲核性。碱性是其与 H+结合的能力；亲核性是其与缺电子碳
Br
H
+ HBr
HO
H
CH3
赤式
CH3
Br
H
+ H2O
Br
H
CH3
(meso)
CH3
Br
H
HO
H
CH3
Br H
HO
H CH3 CH3
Br CH3
H
H+
Br CH3
H
-H2O
H
CH3
OH
H
CH3
O+H2
Br
Ha
Br
CH3CH3
H
b
H3C
Br
H
H
Br
CH3
(a)
Br
H CH3 CH3 H
Br
(b)
例 2：
的电荷比作用物有所增强。因此，溶剂极性增强，对 TS 稳定化作用大，使 TS 能量降低，反应速度增大。与此相反的是，TS 与作用物相比电荷减少，则溶剂 极性增加，更稳定作用物，反应速率减慢。 例：
(CH3)3C S (CH3)2 + SOL-OH
(CH3)3C SOL + H+ + S(CH3)2
SOL-OH： C2H5OH 相对速度： 1
O
ROS
CH3
O
R+
O OS
O
CH3 (即 OTs)
(CH3)3C X + H2O
X：
F
80%C2H5OH-H2O (CH3)3C OH + X
Cl
Br
I
OTs
相对速率：10-5
1.0
39
99
>105
因此，可以理解，当离去基团为 OH、OR、NR2 时，亲核取代反应受到质子酸催
化。
CH3CH2CHCH3 + HBr OH
H2N- > HO- > F-, R3C- > R2N- > RO- > Fd．同族元素生成的负离子或分子，在质子溶剂中，中心原子体积大的亲核性大，
恰与碱性次序相反，而与可极化性的大小次序一致：
RS- > RO-, RSH > ROH, I- > Br- > Cl- > F-
e．空间因素对亲核性的影响，亲核剂体积大，按 SN2 历程，从 L 的背后进攻反 应中心是有困难的。因此，亲核性的次序有：
CH2X RCH = CHCH2X
烯丙型
> RX
X >
RCH = CHX
卤代烷
乙烯型
（2）离去基团的性质。SN2 的 rds 也涉及 R-L 键的断裂，与 SN1 反应一样，
L 离去能力增强将加速反应。如反应物既可能起 SN2，也可能起 SN1 反应（含仲
烷基的化合物），离去倾向增大更有利于 SN1。