第4章亲核取代反应(AliphaticNucleophilicSubstitution)

请思考：
H3C H
CH3 H2O Br SN 1
?
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
SN 2反应：
卤代烷的反应活性顺序是：
甲基 > 伯 > 仲 > 叔
原因：烷基的空间效应
R X Nu- SN2 R Nu X-
R+L- 溶剂介入
+-
RL
R+ + L-
离解的离子
Nu 紧密离子对
翻转（主要）
Nu
溶剂介入 离子对
Nu SN 1
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。
翻转
C6H13 HO C H
CH3
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° 对映体的纯度=100%
CH2Ph
Me
CH
OH
TsCl A
αα==++3333..00°°
KC
CH2Ph
Me CH OTs αα==++3311..11°°
EtOH K2CO3
B
CH2Ph EtBr
CH2Ph
R CH3 k2 30
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 Nu:
H
H Nu C L
H
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。
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。
RBr在水中的溶剂解相对速度
RBr MeBr EtBr i-pBr t-BuBr
在水中50°时 1.00 1.00 11.6 1.2×106
R
R
CX
C
R' R''
X- R' R''
四面体 平面三角型
键角增大， 取代基空间 效应越大， 基团的空间 拥挤程度减 小。
（二）亲核试剂的强度
Nu:在 SN2反应中起着重要作用 规律：
Nu Nu-: CH3O-, HO-, INu: H2O:
1〕带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： －OH > H2O, CH3O- > CH3OH
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。
A. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：
四. 影响反应活性的因素 ( ) 1. 底物的烃基结构 2. 离去基团 (L) 3. 亲核试剂 (Nu:) 4. 溶剂
五. 正碳离子 (Carbocations)非经典正碳离子 六. 邻基参与作用
一.亲核取代反应反应类型
连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基
团取代的化学过程。为了叙述方便，我们称这个饱和碳原子为反应的中心碳原子 ，被取代的原子或基团叫离去基团（Leaving Group，用Ｌ表示）。在反应过程 中，带着一对电子的亲核试剂（Nu︰）从作用物中取代一个离去基团，并与中心 碳原子形成新键，而离去基团则带着一对原键合电子离去：
RO- > HO- >> RCO2- > ROH > H2O CH3O- > PhO- > CH3CO2- > NO2-
碱性是试剂与 质子结合的能力； 亲核性是试剂与带 有部分正电荷的碳 原子结合的能力。
CH3
NO2 Cl
>
>
>
OO
O
O
当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度 顺序与碱性有时不同：
Nu + R L
R Nu +L-
亲核取代反应可以分为以下四种类型：
• （１）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。
•
如：Ｒ－Ｉ＋ＯＨ－
Ｒ－ＯＨ＋Ｉ－
• （２）作用物与亲核试剂都是中性分子。
• 如：Ｒ－Ｉ＋Ｎ(CH3)3
RN+(CH3)3 ＋Ｉ－
• （３）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。
•
如：RN+(CH3)３＋ＯＨ－
第4章 亲核取代反应
(Aliphatic Nucleophilic Substitution)
一.亲核取代反应反应类型 二.亲核取代反应反应机理 (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 ( )
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：
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离子化
Nu SN 2
构型翻转
ＲＯＨ＋Ｎ(CH3)３
• （４）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。
• 如：RN+(CH3)3＋Ｈ2S
RS+H2＋Ｎ(CH3)３
•
类型（1）和（4）反应前后无电荷变化，类型（2）和（３）反应前后有电荷
变化，但两者相反。
二. 亲核取代反应机理 1. 单分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic
F - > Cl - > Br - > I -
这与在质子型溶剂中的顺序相反。
质子型溶剂与非质子型溶剂对SN 2反应的影响：
CH3I + NaN3 k2 CH3N3 + NaI
溶剂
DMF CH3OH
k2
3 × 103 3 × 10-2
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： Nu- ＋ C L
δ
δ
Nu C L
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
C6H13
H
C
Br NaOH
SN 2
CH3
(R) - (-) - 2 - 辛烷 [α]25D= -34.25° 对映体的纯度=100%
Cl
OHH2O
C+
CH3
OH-
Ph CH3
C Ph
OH
HO
C PhCH3
49%
51%
消旋化 (Racemization)
事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：
H
H
Ph C Br CH3OH CH3O C Ph + 73% 消旋化产物
CH3
HBr
CH3
27%构型转化
当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应， Nu:从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构 型转化增多 。
常见的极性非质子型溶剂有：
O
HC N
CH3 CH3
O CH3 S CH3
N, N-二甲基甲酰胺 DMF
(Dimethylformamide)
二甲亚砜 DMSO
(Dimethylsulfoxide)
O N PN
N
六甲基磷酰胺 HMPT
(Hexamethyl phosphorictriamide)
在极性非质子型溶剂中，X - 的反应活性顺序为：
X
的溶剂解的相对速率为：
F
可极
R I > R Br > R Cl > R F
溶剂效应 溶剂的性质：
介电常数 ε越大， 溶剂的极性越大。
介电常数是衡量溶剂 隔离正负离子的能力， 即：溶剂稳定离子的 能力。
非极性溶剂：CCl4,, CS2,
（μ＝ 0）
质子型：EtOH, H2O,
Ph2CH
丙酮
Cl 慢
Ph2C+H + Cl
Ph2C+H 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) ( SN 2)反应机理
Nu- ＋ R'CH2 L
HH
δ
Nu
C
δ
L
R'
R'CH2 Nu ＋L-
典型的SN2反应是协同历程，R－Ｌ键的断裂和R－Ｎu键的形成协同进行。 动力学研究表明：这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
Nu C
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
L 子的 p轨道交盖的程度与离去基
极性溶剂
CH3COOH
μ－ 偶极距
氢原子键合在电负性 较大的原子上。
（μ≠ 0）
非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT
质子型溶剂
通过氢键缔合
R O H Nu
非质子型溶剂
通过偶极与偶极相互作用