第4章亲核取代反应(AliphaticNucleophilicSubstitution)

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：
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－
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。
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
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
极性 溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。
SN 1反应：
RL
一个中性化合物离解为两
个带电荷的离子，溶剂极性
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。
SN1反应： A. 电子效应 所有能够使正碳离子稳定的因素，都能使SN 1
反应的反应速率增大：
ROTs k1 R+ EtOH R OEt
OTs
R
相对速率 (k1)
Et
i-pr
CH2=CH-CH2 PhCH2 Ph2CH Ph3C
0.26 0.69 0.86 100 ~10 5 ~10 10
当取代基具有＋I、 超共轭效应、＋C效应， SN 1反应速率增大, 反应 活性增大。
当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)， SN 1反应速率明显增大：
C2H5OCH2Cl
ຫໍສະໝຸດ Baidu
C-C-C-C-Cl
C2H5O-CH2CH2Cl
SN 1反应 速率
109
1.0
0.2
当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的 正碳离子，因共轭效应而被稳定。
B. 空间效应
与SN 2反应相反，底物上的取代基的 空间效应使SN1反应速率加快：
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
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%
Unimolecular) ( SN 1)反应机理
R L +Nu- R Nu + L-
ν = k1 R L
反应分两步进行
第一步 正碳离子的生成：
R L 慢 δR δL
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。
例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：
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
碱性： C2H5O- > I-
亲核性： I- > C2H5O-
B. 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱， 负电荷越分散，亲核性越弱：
H2N- > OH- > F-
C. 试剂中的进攻原子为同族原子时，原子的可极化度 越大，试剂的亲核性越强：
F- < Cl- < Br- < I-
R - O - < R - S - < R - Se -
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：
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-
δ
[R
δ
L]
慢
R+
L-
的提高，将稳定正碳离子，
使反应速率加快。
SN 2反应：
Nu- R L
Nu
δ
δ
[Nu C L]
Nu R L-
在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，
溶剂的极性增加，不利于电荷的分散，使反应速稍有
降低。
O H Nu R OH
H OR
R
在质子型溶剂中：亲核 试剂与溶剂形成氢键， 由此降低了试剂的亲核
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
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：
共轭碱 1 共轭酸 2
强酸的共轭碱是 弱碱
重要的离去基团是 pKa < 5的酸的共轭碱，如： I- 是强酸 HI的共轭碱。
R OH Br R Br
TsCl Br
R OTs
O
O2N
SO
TsO
O
O
CH3
S OH
O
TsOH
O CH3 S O
O
MsO-
CF3SO3- 是最好的离去基团。
2) 成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去。
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
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：
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 。
在质子型溶剂中：试剂的亲核性
性，不利于反应进行。
强度顺序为：SH- > CN- > I- > OH- >
N3- > Br- > CH3CO2- > Cl - > F- > H2O
SN 2反应常在极性非质子型溶剂中进行。
极性非质子型溶剂 (Polar Aprotic Solvents) 不能与 Nu:形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化， 使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反 应活性。
Me CH OK
Me CH OEt
α= +23.5°
CH2Ph
Me CH OEt αα==--1199..99°°
SN1机理
L-
CL
C+ Nu-
Nu-
C Nu + Nu C
50%
50%
试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对 外消旋产物。
正碳离子越稳定，消旋化程度越大
H
H H
H
C CH3 Ph
X
的溶剂解的相对速率为：
F
可极
R I > R Br > R Cl > R F
Cl 化度
Br I
依次 增大
（四）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,
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 ( )
亲核性依次减弱，碱性依次增强。
（三）离去基团 (Leaving groups)
C L SN1
SN2
Nu:
Nu
C+ LC +L
离去基团带着一对电子 离开中心碳原子，成为 负离子。
接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大。
1) 较好的离去基团是强酸的共轭碱：
A H+B
共轭酸 1 共轭碱 2
A +B H
D. 当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，则不利于 试剂接近底物分子。因此，对于试剂的亲核性，取 代基的空间效应大于其电子效应：
CO
碱性很强，负电荷也很集中，但由于烷基 具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。
同理：
CH3O
> C2H5O
>
CH3 CH3
CHO
> (CH3)3CO
亲核性依次减小
C2H5NH2> (C2H5)2NH > (C2H5)3N
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：