脂肪族亲核取代反应
脂肪亲核取代反应和消除反应
脂肪亲核取代反应和消除反应脂肪亲核取代反应和消除反应是有机化学中两种常见的反应类型。
它们在合成有机化合物和调控分子结构方面都具有重要的意义。
下面将详细介绍这两种反应的原理、机理和应用。
一、脂肪亲核取代反应脂肪亲核取代反应是指一个亲核试剂与一个电子不足的亲电试剂反应，以形成一个新的化学键的过程。
它的原理可以归纳为以下几点：1.亲核试剂：亲核试剂具有孤对电子或自由基的特性，可以与电子不足的亲电试剂发生反应。
常见的亲核试剂包括氨、水、醇、酚、醚等。
2.亲电试剂：亲电试剂是指具有正电荷、部分正电荷、或含有亲电性官能团的化合物。
亲电试剂可以提供一个带正电荷的中心原子或原子团，使其与亲核试剂发生反应。
3.当亲电试剂与亲核试剂接近时，电子密度会发生改变，使得亲电试剂中带有正电荷的原子更容易与亲核试剂的孤对电子或自由基结合。
脂肪亲核取代反应的机理有多种类型，包括S_N2、S_N1、E1、E2等。
其中S_N2和E2是比较常见和重要的类型。
S_N2反应是指亲核试剂在一个步骤中与亲电试剂发生反应，并且亲核试剂的取代基与离开基是同时发生的。
这种反应具有一定的立体化学控制，因为亲核试剂会在空间上与亲电试剂相互作用。
E2反应也是一个一步反应，亲电试剂和亲核试剂同时发生反应，生成的产物通常是具有双键的化合物。
E2反应也具有一定的立体化学控制，因为亲核试剂和亲电试剂通常在反应中产生空间位阻。
脂肪亲核取代反应在有机化合物的合成中具有广泛的应用。
例如，它可以用于合成醇、酚、醚、胺等化合物。
通过选择不同的亲核试剂和亲电试剂，可以在分子中引入不同的官能团，从而实现有机合成的多样性。
二、脂肪消除反应脂肪消除反应是指一个有机化合物分子中的某个原子或原子团被取代，并且同时发生一个新的键的生成，以形成一个双键或三键的反应。
它的原理可以归纳为以下几点：1.碱性条件：脂肪消除反应通常需要在碱性条件下进行，以提供碱性条件下的亲核试剂。
2.去质子化：在脂肪消除反应中，亲核试剂需要先与亲电试剂结合，并从原有的结构中去除一个质子，以形成一个碳碳双键或碳碳三键。
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。
二．通式: R—L+Nu: R—Nu+L: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——SN1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——SN2反应。
V=k[R—L][Nu: ]1.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2. 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——SN1, SN2。
3.S N2反应定义、机理、势能图定义: SN2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.............. .和L在同一直线上, 只有这样过渡态能量才能相对低。
脂肪族亲核取代反应
2）比较大的、容易极化的亲核试剂的亲核性比较大。 3）嗜核试剂的体积加大，亲核性差。
4）亲核性与溶剂有关。 甲醇中: I->Br->Cl- DMF中: Cl->Br->I-
Swain和Scott提出了取代速度和亲核性之间的线性 自由能关系。
Swain和Scott亲核性数值
16.2.3 溶剂效应对反应的影响 对SN1反应:
16.1.3 混合SN1和SN2的机理
在一组指定的反应条件下，一个指定的底物的某 些反应表现SN2机理的特征，而另外一些反应确按SN1 机理进行，但是时常有些情况似乎是在边缘区域，不 容易分辨。
对于这种情况曾经有两种解释，一种理论认为这 种情况是由于反应机理不是“纯的”SN1，也不是“纯 的”SN2，而是“在二者之间”的一种机理；另一种理论 认为根本没有中间机理， 这种难以确定的情况是由 于同时进行的SNl和SN2两种机理引起的，亦即在同一 反应混合物中，右的分子按SNl机理进行反应，而另外 一些分子按SN2机理进行反应。
第十六章 脂肪族亲核取代反应
脂肪族亲核取代反应
在亲核取代反应里，带着一对电子的亲核试剂 (Nu：)从底物(R—X)中取代一个被置换的基团(X)，X 带着其成键电子对离，于分子(R—X)。
Nu：可以是中性的，也可以是带负电荷的。 作用物(R—X)中的X可以是中性的，也可以是带正电 荷的。常见的亲核取代有四个类型。
有可能有溶剂化效应：
初期速度快，后期慢。 2）盐效应一般提高反应速度。
3）Ingold等在SO2中用不同浓度的亲核试剂氟负 离子、吡啶和三乙胺处理二苯甲基氯化物．结果在每 一组实验里，校正盐效应以后， 反应的开始速度大 约是相同的。
4）在桥头位置，根本不发生SN1反生，在某些情况 下即使发生，也是进行得很慢的。
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 。
脂肪族的亲核取代
❖ 结论：SN1历程通过生成碳正离子进行取代反 应时，在发生消旋化的同时，通常还伴随着 部分构型转化
2024/8/7
10
C 重排
CH3
CH3
CH3 C CH2Br CH3
CS2HN15O-CH3
CH3 C CH2 CH3 1°C+
C2H5OH CH3 C CH2OC2H5 CH3
溴溴
脂肪族亲核取代反应 （Nucleophilic Substitution）
1 反应历程 2 反应特点 3 反应的影响因素
2024/8/7
1
反应通式：
dR+－Xd- + Nu-
反应物 底物 亲核试剂
R－Nu + X-
离去基团
d+ d-
亲核试剂(Nu－)可进攻 R－X 中的正电中心，将X－ 取代。
亲核试剂——带有孤对电子或负电荷，对原子核 或正电荷有亲和力的试剂，用Nu：或Nu－表示。
CH3CH2CH2CH2Br + OH
CH3CH2CH2CH2OH + Br SN2 Br
CH3CH2CH2CH2Br + H2O
2024/8/7
16
❖ 卤代烃的反应活性：RI＞RBr＞RCl＞RF
❖ 这与卤素的电负性的大小顺序刚好相反！
❖ 从偶极矩数据可知，C-X的极性为RF＞RCl ＞RBr＞RI
HH 过渡态
H
HO C
+ Br
H
H
2024/8/7
3
SN2反应的立体化学
(1) 异面进攻反应（Nu-从离去基团L的背面进攻 反应中心）
Nu-
C
δ
δ
6第六章 脂肪族亲核取代反应
试剂的亲核性与碱性不一致 的情况
周期表中同族元素所产生的负离子或分子视
中心原子可极化度大小评价
RS-＞RO-，RSH＞ROH
SN2反应中Nu-：
外层电子云变形后易接近中心碳原子，降低 了形成过渡态的活化能
SN2 反应亲核试剂的亲核性
在相同的底物和相同的反应条件下比较
Nu + CH 3 - Br
H
C C6H 5
R-溴代乙苯
有重排（H-迁移）发生，也有消去反应发生（E1） (CH3)2CHCH2Br+I-→(CH3)3CI
影响亲核取代反应速度的因素
烃基结构的影响
电子效应
空间位阻
SN1反应活性
对SN1反应第一步生成碳正离子，如碳正离子稳定 （正电荷被分散）反应易进行。 SN1反应活性（+I，+C） 反应活性依次递减 Ar3C-L,Ar2CH-L,ROCH2-L≈R2NCH2-L,R3C-L, ArCH2-L,C=C-CH2-L,R2CH-L,RCH2-L≈R3CCH2-L, ZCH2-L,ZCH2CH2-L,C=C-L,Ar-L (Z=RCO,HCO,ROCO,NH2CO,NC 等)。
N3 - + CH 3CH 2CH 2CH 2 - Br Solvent relative reactivity CH 3OH 1 Less reactive H 2O 7 DMSO 1,300
N3 - CH 2CH2CH 2CH DMF 2,800 CH 3CN 5,000
3
+ Br
-
HMPA 200,000 More reactive
由电荷集中的亲核试剂与底物作用形成电
荷分散的过渡态 亲核试剂的部分负电荷通过R传给X
脂肪族亲核取代反应
高等有机化学
Advanced Organic Chemistry, Congde Huo, College of Chemistry and Chemical Engineering, NWNU
高等有机化学
西北师大
第七章 脂肪族亲核取代反应
Aliphatic Nucleophilic Substitution
Walden翻转 翻转
西北师大
SN2反应机理在 反应机理在1937年由 年由Hughs和Ingold等人提出； 等人提出； 反应机理在 年由 和 等人提出 但早在1893年Walden就发现了这个取代反应中的构型翻转， 就发现了这个取代反应中的构型翻转， 但早在 年 就发现了这个取代反应中的构型翻转 翻转； 所以现在人们又称Walden翻转； 翻转 所以现在人们又称
思考
西北师大
为什么二芳基甲基卤化物的溶剂解反应中有如上现象， 为什么二芳基甲基卤化物的溶剂解反应中有如上现象， 而叔丁基卤化物却无速率下降？ 而叔丁基卤化物却无速率下降？ 二芳基甲基正离子较稳定，可以经受多次溶剂分子碰 二芳基甲基正离子较稳定， 直到遇到更活泼的卤离子， 撞，直到遇到更活泼的卤离子，叔丁基正离子相对活 泼，选择性差，来不及等到活泼的卤离子，就与大量 选择性差，来不及等到活泼的卤离子， 存在的溶剂分子结合。 存在的溶剂分子结合。
其中必有一个反应是发生了构型翻转，但他不知哪一个，测 其中必有一个反应是发生了构型翻转，但他不知哪一个， 定旋光没有帮助，旋光与构型没有绝对关联； 定旋光没有帮助，旋光与构型没有绝对关联；
证明S 中的构型翻转 证明 N2中的构型翻转
西北师大
1923年，Phillips和Kenyan等设计了一系列的实验证明 N2 年 等设计了一系列的实验证明S 和 等设计了一系列的实验证明 中的构型翻转； 中的构型翻转；
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第六章习题1.完成下列反应。
(1)(CH3)2CHCH2CH2Cl2( )(2) (CH3)3N + CH3CHCH2CH3( )∆( )(3)NHC2H5过量CH3I( )( )(H3C)2N OC2H5OH-∆( )(4) 2CH3I + Na2S( )(5) ClCH=CHCH2Cl + CH3COONa( )(6) 2CH3I + NaOOCCOONa( )(7) CH3CSSNa + CH3( )2. 卤代烷在甲醇水溶液中水解的历程为S N1，试推测溴甲烷、溴乙烷、2-溴丙烷和2-溴-2-甲基丙烷在甲醇吹溶液中水解的相对反应速度。
3. 按S N1历程排列下列化合物的相对反应活性。
（1）苄溴、α-溴乙苯、β-溴乙苯(2)BrBrBr4. 按S N2历程排列下列化合物的相对反应活性。
（1）溴甲烷、溴乙烷、2-溴丙烷、2-溴-2-甲基丙烷（2）PhBr、PhCH2Br、PhCHBrCH3（3）CH3CH2Br、CH3CH2Cl、CH3CH2I5. 比较下列各组亲核试剂的亲核性大小。
（1）在质子性溶剂中：I-、Br-、Cl-、F-（2）在非质子性偶极溶剂如DMF和DMSO中：I-、Br-、Cl-、F-（3）CH3CH2-、(CH3)2N-、CH3O-、Cl-（4）CH3O-、C2H5O-、(CH3)2CHO-、(CH3)3CO-6. 写出下列每组反应最可能发生的反应式并指明其历程。
(1) C2H5I + CH3O-CH3OH?(2) CH3Cl + KCN CH3OH?(3) CH2=CHCH2Br + CH3COONa?(4) PhCH2Br + OH-H2O?(5) CH3CCl2 + OH-H2O?7. 解释下列反应结果。
(1) (CH3)2CHCHBrCH3 + Ag+252(CH3)2CHCHOC2H53+ (CH3)2C(OH)CH2CH3(2) (CH 3)3CCH 2Br + Ag +C 2H 5OH H 2O(CH 3)2C(OH)C 2H 5+ (CH 3)2C(OC 2H 5)CH 2CH 3+(CH 3)2C=CHCH 3CH 2Br-2CH 2OH+(3)8. 二战期间德国法西斯使用的战场毒气ClCH 2CH 2SCH 2CH 2Cl 是一种极活泼的烷基化试剂，与人体接触后使人体蛋白质迅速发生烷基化，从而中毒死亡。
脂肪族的亲核取代精品PPT课件
SN1反应除了得到消旋产物外，常伴随着 部分构型转化，还有重排产物。
2021/1/2
12
反应的影响因素
❖ 作用物结构的影响
图 卤代烷烷基对水解速度的影响
2021/1/2
13
1) 对SN1的影响——碳正离子的形成及稳定性
R3C溴 CH2=CHCH2
>
R2CH
> ห้องสมุดไป่ตู้CH2 > CH3
SN1反应的速度是：
2021/1/2
17
❖ 卤代烃的反应活性：RI＞RBr＞RCl＞RF
( )-2-溴溴
α = 34.2
α = 9.9
❖ 结论：按SN2反应历程进行亲核取代反应，
总伴随着构型的翻转。完全的构型转化往往
可作为SN2反应的标志。
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6
单分子历程（SN1）
CH 3 CH 3 C Br + O H -
CH 3
V = K （ C H 3） 3 C - B r
CH 3 CH 3 C OH
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11
C 重排
CH3
CH3
CH3 C CH2Br CH3
CS2HN15O-CH3
CH3 C CH2 CH3 1°C+
C2H5OH CH3 C CH2OC2H5 CH3
溴溴
CH3
CH3 C CH2
CH3
C2H5OH
CH3
3°C+
CH3 C CH2 CH3 OC2H5
-H
CH3
CH3 C CH CH3
❖ 例1（构型翻转 > 构型保持）：
n-C6H13 C Br
H CH3
脂肪族亲核取代反应2021
中心碳原子
RCH2–A + Nu：
RCH2–Nu + A：
底物 （进入基团）
产物 离去基团
受进攻
亲核试剂
的对象
一般是负离子或带孤电
子对的中性分子
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。 离去基团：带着一对电子离去的分子或负离子。
SN1取代反应的立体化学
SN1反应第一步生成的碳正离子为平面构型（正电荷的碳原子为sp2杂化的）。
C
R1
C Br R2
R3
Nu
R1
C a R2 R3 b
HO
第二步亲核试剂向平面任何一面 进攻的几率相等。
R1
R1
HO C
+
C OH
R2 R3
R2 R3
a 构型转化
b 构型保持
外消旋体
SN1反应与SN2反应的区别
邻基参与类型
能发生邻基参与作用的原子团: • 具有未共用电子对的原子或原子团; • 含有碳-碳双键等的不饱和基团； • 具有π键的芳基以及C-C和C-Hσ键。分别称为n电子参与、π电子参与和σ
电子参与.
含杂原子邻近基团参与反应
含杂原子基团如COO- 、OH 、OR、NH2、NR2、SR、S- 、0- 、CI 、Br、I等，作为邻基可借助于杂 原子上的负电荷或未共用电子对同中心碳原子作用而参与亲核取代反应。前边所提到的S-2-溴丙酸在 Ag2O存在下的稀NaOH溶液中的水解反应属于这种类型。
• 通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为邻基协助或邻基促进。 若邻基参与作用发生在决速步骤之后，只有邻基参与作用而无邻基促进。
脂肪族亲核取代反应
第六章 脂肪族亲核取代反应R L +Nu-R Nu +L -底物 亲核试剂 离去基6.1试剂与亲核性具有亲核性的试剂叫亲核试剂，亲核性是指试剂与正电性碳原子的成键能力，亲核试剂可以是中性分子和离子。
不同亲核试剂的亲核性不同，亲核试剂均为路易斯碱，而碱性(质子理论)是指试剂与质子的结合能力，多些情况下二者的强度一致。
1、 亲核原子相同时，亲核性大小与碱性一致。
R O ->H O ->Ar O ->RCO O ->R O H>H 2OCH 3O -O -O -Cl NO 2O ->>>取代基的供电性越强，亲核性和碱性越强。
2、 亲核性原子为同周期元素的原子时，其亲核性与碱性大致一致。
R 3C > R 2N - >RO - > F -3、 同族元素原子的亲核性大小与碱性相反，即原子半径较小者，碱性较大，而亲核性则较小。
PhSe ->PhS ->PhO - I ->Br ->Cl ->F -(溶剂化最强)亲核性 亲核性（这是质子性溶剂中） 4、 空间效应碱性 CH 3O -<(CH 3)3CO - 亲核性 CH 3O ->(CH 3)3CO -NR +CH 3I NCH 3R I -亲核性NCH 3NNCH 3NCH 3CH 3NC(CH 3)3>>>>相对速度2.3 1.0 0.5 0.04 0.0002空阻6.2亲核取代反应历程（S N 2）为协同的一步反应，新键的形成和旧键的断裂是同时进行的，亲核试剂从离去基背面进攻中心碳原子，过渡态为五配位的三角双锥构型。
NuC [Nu C X R2δ-]NuC RR 12+X -δ-+动力学上为二级反应。
单分子亲核取代反应历程（S N 1）动力学上为一级反应，因而反应速度只与反应底物有关而与亲核试剂的性质和浓度无关。
v =k 1[RX]R +＋Nu-[R Nu]δ+δ-R Nu快R X[R X]R ++X-δ+δ-TS 1TS 2I两个过渡态和一个中间体。
高等有机化学-2亲核取代反应
比较SN2反应机理
构型翻转产物
中间态轨道描述为：
在发生SN2反应时，亲核试剂以最高占据轨道 与C-L键的反键轨道相作用。并且Nu是从C-L 键的背面向C靠近，即背面进攻。
Nu
-
C
+
-
L
+
18
上面的过渡态可以描述为：
a. 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在同一平面面上。
+
Nu
R
L
11
例如下列反应
CH3
+
S
o
CH3 C
P h C H S (C H 3)2 + ( H 2N )2C
60 C a c e t o n itr ile P h C H S
NH2 NH2
+
+
P h 2C = N = N
T sO H
+
P h 2C H N N
H
+
C 2H 5O H N2
Nu = 亲核试剂：OH，OR….. 等。
3
1.2 亲核取代反应的重要性
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。
以卤代烃为例，进行亲核取代反应可以得到 那些类型化合物？
4
1.3 机理的研究
由于该反应涉及到底物的性质和亲核试剂的性质， 基于两者，这类反应按其机理的不同分为两种极 限情况讨论，如，SN1 和 SN2。
DM F
C H 2= C H C H 2C H 2I
O C
+
N C H 2N (C H 3) + N a C N C O O C
gj9
Ｎu︰ + R—L
Nu—R + 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－ 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。
离子化
溶剂介入 溶剂分隔离子对
离解
R-L
作用物
［Ｒ＋ Ｌ－］ ［Ｒ＋|| L－］
紧密离子对
Ｒ＋＋Ｌ－
自由正负离子
S-H Nu—
S-R Nu-R 构型转化
S-H
S-R
Nu—
Nu-R
S-H
Nu—
S-H
Nu—
构型转化
R-S R-Nu S-R Nu-R 或S-R 或Nu-R 或R-S 或R-Nu 构型保持或转化 外消旋化
反应物烃基R的结构对S 反应速率的影响， 反应物烃基R的结构对SN1和SN2反应速率的影响， 起因于电子效应和空间效应。一般说来， 起因于电子效应和空间效应。一般说来，电子效应对 历程的影响更大，空间效应对S SN1历程的影响更大，空间效应对SN2历程的影响更显 著。
1
电子效应
反应中， 对反应速率的影响似乎应该不大； SN2 反应中 ， 对反应速率的影响似乎应该不大 ； 然 反应的速度控制步骤是碳正离子中间体的形成： 而SN1反应的速度控制步骤是碳正离子中间体的形成： 反应中，原则上， SN1反应中，原则上，形成碳正离子中间体的解离 速率是依赖于作用物和过渡态之间的自由能差。凡能使 速率是依赖于作用物和过渡态之间的自由能差。 碳正离子能量降低的因素，即稳定碳正离子的因素， 碳正离子能量降低的因素，即稳定碳正离子的因素，必 然降低过渡态的活化自由能，从而增加反应速率；反之， 然降低过渡态的活化自由能，从而增加反应速率；反之， 就会降低反应速率。实验结果证明确是如此。 就会降低反应速率。实验结果证明确是如此。 a. 供电子和吸电子基团的影响 苄基型化合物 ：
第五章脂肪族亲核取代反应
OH
CH3COO
Me
C
PhCH2
OTs
H
[ a ] = - 31.10
TsCl
Me
C
PhCH2
OH
H
[ a ] = - 33.00
7
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二. 影响SN反应的因素
溶剂
Nu + R L
R Nu + L
SN1历程中的慢步骤 R L
δδ RL
SN2历程 C L + Nu
δ
δ
Nu C L
R +L Nu C + L
3
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第二节 SN1和SN2历程
一. SN1和SN2历程
SN2历程
R L + Nu
δ
δ
Nu R L
R Nu + L
1.动力学特征： v=k[RX][Nu- ]
2.重排现象：
无
3.立体化学： 构型转化
I
H3C
+
C
H
I 丙酮 300C
Et
CH3
IC
+I
H
Et
SN1历程
R L 慢 R +L R + Nu 快 R Nu
第五章 脂肪族亲核取代反应
第一节 亲核取代反应类型 第二节 SN1和SN2历程 第三节 离子对历程 第四节 邻基参与历程 第五节 分子内亲核取代历程 第六节 在合成上的应用
习题
1
下页 退出
第一节 亲核取代反应类型
Nu + R L
R Nu + L
亲核试剂： 中性分子 负离子
底物或基质： 中性分子 正离子
第五章脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应和β消除反应
C
Br
HO
C
（R）-2-溴辛烷
[]D=-34.6o
（S）-2-辛醇 []D=+9.9o
构型翻转：产物的构型与底物的构型相反——瓦尔登 Walden转化
18
（2）反应机理
H H H H
OH- +
H H
δBr HO
δBr HO
H
+ BrH
H
H
H
HO
Br
H
19
（3）SN2反应的能量变化
C16H33
+ 88%
C16H33 OC(CH3)3
12%
47
3、E2反应机理和SN2反应机理的比较
E2反应机理
C H3 C2H5O + CH3
-
进攻-H
CH3
C Br
[
C2H5O
-
H C H2
C H3 C Br CH 3
]
=
CH3 CH3 C =CH2 + C2H5OH + Br-
试剂亲核性强，碱性弱，体积小，利于SN2。 试剂碱性强，浓度大，体积大，升温利于E2。
少量
H CH3
-HBr
H3C H
-HBr
H H H
CH3 CH3
H H
CH3 CH3
注意构象的稳定性
45
环状化合物的消除反应
CH3 H H H CH3 Br H3C CH3
H
CH3 H H H
必须是反式消除
H3C Br
46
（3）E2反应和SN2反应的并存和竞争
C16H33 Br H
(CH3)3COK (CH3)3COH, 40oC
第5章脂肪族取代
SN 1：
α-C取代增加使反应明显加速
取代越多，碳正离子越稳定，越易生成，反应越 快: 取代越多，后张力越大，生成碳正趋势越强
稳定性：三级碳正>二级碳正>一级碳正
β-C取代增加影响不明显
CH3 Cl H3CH2C C CH3
2.06
CH3 H3C C CH3
1.00
H3C Cl H3C CH
X
3、β-双键的影响：促进SN1和SN2 如烯丙基卤和苄基卤 SN1 和 SN2 反应速度都 很快。
SN1 R2 R3 X R2 R3
p-conjugation
SN1 ： 共 轭 稳 定 碳 正离子而使决速步 骤加快。
R2 R3
X
SN2
R1 A C R R3
2
R2 R3
X A
p-conjugation
SN2 ： 共 轭 降 低 过 渡态能量而使决速 步骤加快。
5.3.1.2 R基空间效应的影响
1、α-C或β-C的烷基取代增加,会使SN2的反应 速度明显减慢,使SN1的反应速度有所增加。
SN2：过渡态拥挤程度增加,过渡态生成更难，所以 空间阻碍对SN2的影想更显著。
例 R-Br中的Br被NaH（H-）取代相对速度： R = CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9 K = 100 1.65 0.022 0.0048
CH3 C CH3
1.75
CH3 CH3 Cl H3C C C Cl
CH3 CH3
2.43
2、桥头化合物： SN2和SN1都不活泼
SN2：背面进攻不可能 SN1：桥头碳张力难于生成平面构型的碳正离子
第四章 饱和碳原子上的亲核取代反应
碱性条件下开环：亲核试剂直接进攻三元环。 碱性条件下开环：亲核试剂直接进攻三元环。按SN2 反应（亲核试剂进攻取向？）。 反应（亲核试剂进攻取向？）。
β-氯乙醇与 氯乙醇与OH-反应是用取代反应合成环氧化合物的 氯乙醇与 最早例子，相当于分子内的威廉姆森合成醚反应： 最早例子，相当于分子内的威廉姆森合成醚反应：
反应活性：甲基卤>伯卤>仲卤>叔卤( 反应活性：甲基卤>伯卤>仲卤>叔卤(中心碳原子由 杂化形成五价过渡态，所以α位烃基越多， sp3杂化形成五价过渡态，所以α位烃基越多，体积越 空间拥挤程度提高，稳定性下降， 活性降低) 大，空间拥挤程度提高，稳定性下降，SN2活性降低) 活性降低
SN1
CH3CH2CH2Br (CH3)2CHCH2Br (CH3)3CCH2Br
2.亲核取代反应的类别 (1) 中性底物 + 中性亲核体
(2)中性底物 + 负离子亲核体 中性底物
(3)正离子底物 + 中性亲核体 正离子底物 (4) 正离子底物 + 负离子亲核体
二、SN1反应机理 反应机理 1.反应机理及立体化学 1.反应机理及立体化学
Nu:
反应速率=k[反应底物] 反应速率=k[反应底物] =k[反应底物 注意：反应分步进行； 注意：反应分步进行；反应速率只与反应底物浓度 有关；生成平面型的中间体碳正离子； 有关；生成平面型的中间体碳正离子；产物为外消 旋体。 旋体。
2.ROH的亲核取代反应 的亲核取代反应 2. ROH是易得而常用的起始原料。但在亲核取代反应 是易得而常用的起始原料。 是易得而常用的起始原料 不是好的离去基团， 中，-OH不是好的离去基团，醇常被变成 及ROTs 不是好的离去基团 醇常被变成RX及 再用。 再用。
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第六章 脂肪族亲核取代反应RL +Nu-R Nu +L -底物 亲核试剂 离去基6.1试剂与亲核性具有亲核性的试剂叫亲核试剂，亲核性是指试剂与正电性碳原子的成键能力，亲核试剂可以是中性分子和离子。
不同亲核试剂的亲核性不同，亲核试剂均为路易斯碱，而碱性(质子理论)是指试剂与质子的结合能力，多些情况下二者的强度一致。
1、 亲核原子相同时，亲核性大小与碱性一致。
R O ->H O ->Ar O ->RCO O ->R O H>H 2OCH 3O -O -O -Cl NO 2O ->>>取代基的供电性越强，亲核性和碱性越强。
2、 亲核性原子为同周期元素的原子时，其亲核性与碱性大致一致。
R 3C > R 2N - >RO - > F -3、 同族元素原子的亲核性大小与碱性相反，即原子半径较小者，碱性较大，而亲核性则较小。
PhSe ->PhS ->PhO - I ->Br ->Cl ->F -(溶剂化最强)亲核性 亲核性（这是质子性溶剂中） 4、 空间效应碱性 CH 3O -<(CH 3)3CO - 亲核性 CH 3O ->(CH 3)3CO -NR +CH 3I NCH 3R I -亲核性NCH 3NNCH 3NCH 3CH 3NC(CH 3)3>>>>相对速度2.3 1.0 0.5 0.04 0.0002空阻6.2亲核取代反应历程（S N 2）为协同的一步反应，新键的形成和旧键的断裂是同时进行的，亲核试剂从离去基背面进攻中心碳原子，过渡态为五配位的三角双锥构型。
NuC [Nu C X R2δ-]NuC RR 12+X -δ-+动力学上为二级反应。
6.2.2单分子亲核取代反应历程（S N 1）动力学上为一级反应，因而反应速度只与反应底物有关而与亲核试剂的性质和浓度无关。
v =k 1[RX]R +＋Nu-[R Nu]δ+δ-R Nu快R X[R X]R ++X-δ+δ-慢TS 1TS 2I两个过渡态和一个中间体。
6.3亲核取代反应的立体化学 1．S N 2历程发生Walden 转化即伞型效应C n-C 6H 13BrOH -HO CC 6H 13-nH 3+Br -[α]＝－34.6 [α]=49.9+I-128I-+C n-C 6H CH 3I128IC 6H 13-nCH 3S-2-碘辛烷 R-2-碘辛烷-128I反应过程中，旋光性逐渐渐降低到零，即外消旋化v 外＝2v 取2、S N 1历程碳正离子，sp 2杂化,平面结构,空p 轨道，理论是产物外消旋化.这取决于底物结构和试剂性质，通常情况是外消旋化与构型翻转同时存在。
C R 2Nu 12Nu+50%50%当形成的碳正离子稳定性较小时，当被试剂进攻时，此时离去基尚未离开，在一定的程度上产生了遮蔽效应，因而妨碍了Nu-从离去基的方向进攻，故主要得构型反转的产物；如果试剂浓度低，碳正离子可顺利成为自由离子，和离去基X -分开后才接受Nu -进攻，这时产物外消旋化。
如果进攻试剂的浓度较高，被X -遮蔽的碳正离子受试剂进攻的机会增加构型反转比例增加，在SN 1反应中，还有一些产物不是从离域的碳正离子中间体形成的，而是有离子对形成的。
离子对历程RXR +X-R +X -R ++X --N 2构型翻转紧密离子对构型翻转自由碳正离子外消旋化（100％）构型翻转 > 构型保持（部分外消旋化的同时，有部分构型翻转）溶剂分离对--Nu -S N 1底物6.4邻基参与如果亲核试剂与离去基共处于同一分子中，则发生分子内S N 2。
HO CH 2CH 2ClCa(OH)2CH 2CH 2Cl O -CH 2CH 2OClCH 2CH 2CH 2CH 2NH 2N HKOH 2离去基Cl 的离去是由氧负离子（或氮原子）的帮助下完成的，通常称为邻基协助，邻基参与或邻基效应（分子内的S N 2）条件：当邻近基团具有未共用电子对时，在与反应中心的距离适当时，就发生邻基参与。
结果：①生成环状化合物，②限制产物的结构，③反应速度异常增大。
6.4.1 n 参与 1．氧参与 包括：O -OH OCH 3OCR OC-OR O CHO CArO ,,,,,,MeO OTs CH COO -Me OAck 反/k 顺＝6 反式的产物构型保持不变MeOOAc-H H OAcOTsH OAc HOAcCH 3COO -CH 3COOHk 1=2.9×10－7L.mol -1.S -1这是一个S N 2历程，由于AcO 的吸电子作用使得碳正离子的形成较困难。
OAc HHOTsOAc HHOAc CH 3COO -CH 3COOH+HOAcHOAc外消旋体k 2=1.9×10－4L.mol -1.S-1+MeOAc H HOAc H OAc OAcH OC Me50%50%镜面对称性（非手性分子）只有一个手性碳且反应中心为手性碳时，邻基参与的结果将是构型保持。
C EtEtHO C -C Et Et-OCl-Cl -C EtOMeCEtEt -O C OH 1231变成2为邻基参与（构型翻转），2变成3为S N 2反应（构型翻转，3的构型和1与底物相同）。
因此邻基参与和S N 2反应的总结果为构型保持。
C Br C O CO C CHO O -O总结果为构型保持 2．硫参与ClCH 2CH 2SCH 22ClCH 2CH 2CH CH 2-S N 22CH 2SCH 2CH 2OH 邻基参与反应速度较快3．卤素参与CH 3H OH Br HCH 3HCH 3OH Br CH 3HH CH 3Br Br CH 3H赤式dl 对赤式meso+HCH 3OH Br HCH 3H CH 3Br Br HCH 3CH 3HOH Br CH 3HCH 3HBr Br CH 3HHBr++苏式dl 对苏式dl 对H CH 3BrBr HCH 3CH 3HBr Br CH 3H+Br H CH 3HCH 3OH 3H +CH 32(2S,3S)(2S,3S)(2R,3S)(2R,3R)(2S,3S)对称性23CH (2R,3S)(2S,3S)H Br HBrCH 3CH 3mesoBrCH H 36.4.2 π参与 1．C=C 的参与AcO-AcOH构型不变k 乙酸解10111k 乙酸解113.2H 3H 3148π供电性增加，速度增加。
CONO 2NB ：2．苯基参与苏式(2R,3S)进攻C进攻C3CH C C3PhOAcCH 3苏式dl(2S,3R)meso(2R,3S)(2S,3R)50%50%50%构型转化，50%构型翻转，结果为外消旋化。
赤式(2R,3R)进攻C进攻C3CCH 3C C 3PhOAcC 3赤式(2S,3S)(2R,3R)-H CH手性(2R,3R)构型保持不变。
6.5影响亲核取代反应的因素 6.5.1烃基的结构 1．对S N 1影响凡是能稳定C +的各种因素均有利于S N 1的进攻，中心碳原子上连接的供电基团，能分散碳正离子上的正电荷，提高碳正离子的稳定性。
（1）电子因素稳定性：3°R + > 2°R + > 1°R + 烷基的+I 和+C ’ S N 1的速度：3°RX > 2°RX > 1°RX (2)空间因素C XR 慢sp 2张力得到了释放sp3R'（3）苯基或乙烯基取代的卤甲烷按S N 1进行R Cl +CH 3CH 2OHS 1R OC 2H 5+HCl(4)当杂原子如O,N,S 等原子直接与中心碳相连时，按S N 1进行C 2H 5O CH 2Cl CH 3CH 2CH 2CH 2Cl C 2H 5O CH 2CH 2Clk 相对10910.2+C>-I ，有利于碳正离子的形成杂原子上的孤对电子与中心碳的空p 轨道交盖形成离域π键，使碳正离子稳定。
（5）卤原子位于桥头碳上时，只能按S N 1进行，但反应速度极慢。
25℃，80％ H 2O-C 2H 5OHk 相对Me 3CBrBr110-310-710-13桥头碳难于形成平面碳正离子，刚性越大（桥原子数减小），反应速度越小。
2．S N 2的影响主要影响因素为空间效应Nu -+C RX慢(Nu C X R δ-δ-)NuC RR''+X -过渡态为五配位，张力增大因此不论是α-C 还是β-C 上的取代基增多均不利于S N 2反应。
Nu-S 2Nu R +X -R X +3空阻很大6.5.2离去基的影响不论S N 1还是S N 2的定速步骤中均存在C-X 断裂，故C-X 愈易断裂，反应速度愈快。
稳定性 F -<Cl -<Br -<I - (I -原子半径大，负电荷愈分散) 离去能力I ->Br ->Cl ->F -OH -R OH +Br -R Br +OH -为不好的离去基H +R OHR OH 2Br -R Br +H 2OH 2O 为好的离去基6.5.3试剂的影响试剂的亲核性对S N 1几乎无影响，对S N 2影响较大。
（1）亲核性越大，越有利于S N 2；（2）亲核试剂的体积越小越有利于S N 2；（3）强亲核试剂导致产物构型反转，故弱亲核试剂导致产物部分外消旋化。
6.5.4溶剂的影响1．对S N 1反应，增加溶剂极性和溶剂的离子—溶剂化能力，导致反应速度显著增大。
（1）在定速步骤中，反应物电离成过渡态所需的大部分能量可由在溶剂和极性过渡态之间形成偶极－偶极键来供给。
溶剂的极性越大，则溶剂化能力越强，电离作用越快。
（2）碳正离子或定速步骤的过渡态极性大于反应物，前者因溶剂化而稳定，极性溶剂有利于S N 1，且随着溶剂极性增强而加速。
2．对于S N 2L -Nu -+R L(Nu R L)Nu R +δ+δ－电荷分离溶剂极性增大，不利于反应；极性减小，有利于反应。
L -Nu +R L(Nu R L)NuR +δ+δ－极性增加溶剂极性增大，有利于反应。
极性降低Nu -L+R L +(Nu R L)Nu R +δ-δ+溶剂极性增大，不利于反应3．极性质子性溶剂使亲核试剂溶剂化增加亲核试剂的稳定性，降低其亲核活性。
NuR RO HNu -H H OR OR△G'3ROH Nu -+(NuR L)+δ-δ-R L △G''L△G'+△G''=△G这不利于S N 24．极性非质子溶剂如DMF,DMSO,HMPT 等，这时亲核试剂完全暴露未溶剂化，对S N 2有利的。