亲核取代反应

动力学：v
k1 [ RCl ]
k2 [ RCl ] [ CH3ONa ]
即不是SN1，也不是 SN2
R L Nu SN 2
离子化
R
+ L-
溶剂介入
RL
+ -
R +L Nu SN 1
+
-
离解的离子
Nu 紧密离子对
翻转（主要）
Nu 溶剂介入 离子对
构型翻转
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。
Nu
1、对反应速率的影响
一般，对于给定的反应底物， Nu- 的亲核能力越强， 反应按 SN2 机理形成过渡态所需活化能越低， SN2 反应越快。
Hale Waihona Puke Baidu
2、影响Nu-亲核能力大小的因素
规律： • 带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：
－OH
> H2O,
CH3O- > CH3OH
• 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。
H
C H3
C
C H3
C C H3 C H3 0.000012
相对速率： 1 0.036
当溴乙烷的β位上有一个甲基时,由于碳碳链可以转动, 因此甲
基可以部分的避免空间位阻而进行反应,当β位上有三个甲基时,
相当拥挤,进入基团很难与碳原子接触,反应速率很小。
结论：β- C上烃基↑， SN2反应速率↓。
因此，新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：
4. 分子内亲核取代反应机理 SNi ROH + SOCl2 → RCl 是分子内亲核取 代反应机理 SNi
反应的立体化学特征：构型保持
说明：反应不是 SN1 ------ 外消旋化
SN2 ------ 构型翻转 分子内亲核取代反应定义 ：
有些特殊结构的分子，离去基团的其 中一部分作为亲核体能进攻作用物， 同时该部分和离去基团的其余部分脱 离，形成产物。
+
OC2H5 CH 3 CH 3 C CH CH 3
-H
2. SN2 机理 溴甲烷在80%乙醇溶液中水解速度很慢，若在80%乙 醇溶液中加入碱，水解速率随OH-浓度的增加而加快。
反应速率=k[CH3BRr] [OH-]
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-SN2
Nu- ＋ R'CH2 L
I
-
(2).中性底物 + 负离子亲核体
R L Nu R
-
Nu
L
-
R
I
OH
R
OH
I
-
(3).正离子底物 + 中性亲核体
R
R
L
N CH3
3
Nu
H2S
R
R
Nu
SH2
+
L
N CH3
3
(4).正离子底物 + 负离子亲核体
R
R
L
N CH3
3
Nu
OH
R
R
Nu
OH
L
N CH3
3
2.脂肪族亲核取代反应机理:
1. SN1 机理
SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三角
双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：
Nu C + L:
-
Nu:
-
+
C
L
δ Nu
δ + δ L C T.S
反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积越大， 过渡态的中心碳原子周围越拥挤，反应速率降低。 对于SN2历程的反应，α或β碳上有分支、 空间位阻愈大，都使反应速率减慢。
α碳上有分支
R-Br + KI 反应物 相对速度
H H I C H Br I
丙酮
R-I + HBr ( SN2 反应 ) （CH3） CHBr 2 0.01
C H3 C H3
CH3Br 150
CH3CH2Br 1
H C H3 C H Br
（CH3） -CBr 3 0.001
C H3 C H3
I
C H
CH3
CH 3 C CH 3
+
Br
-
第二步：
CH3 CH 3 C CH 3 + OH
-
过渡态（1）
CH 2 CH 3 C OH CH 3
快
δ CH3 C …… OH CH 3
δ
CH3
2 过渡态 （ ）
反应的第一步是卤代烃电离生成活性中间体碳正离子，碳正 离子，再与碱进行第二步反应生成产物。故SN1反应中有活性 中间体——碳正离子生成。
SN1反应的能量变化:
（CH3）3C…Br OH （CH3）3C …
位 能
（CH3）3C-Br + HO
-
（ CH3 3C ）
（CH3）3C-OH
反应进程
第一步反应的活化能ΔE1，比第二步反应的活化能ΔE2 大得多，因此第一步是决定反应速率的慢步骤。在慢步骤中 只有叔丁基溴参加，称为单分子亲核取代反应，用SN1表示。
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：是决定反应速率的一步。
R L
慢
δ
R
δ
L
+ LR
+
第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
NuR +
+
快
R Nu
例如:溴代叔丁烷的水解
第一步：
CH3 CH 3 C Br CH 3
慢
δ δ CH3 C …… Br
CH 2 CH 3
2、对SN1反应是3°RX > 2°RX > 1°RX > CH3X
。 。
SN2
。
3 RX
2 RX
SN1
1 RX
C H3X
3、叔卤代烷主要进行SN1反应，伯卤代烷SN2反应，仲卤代 烷两种历程都可，由反应条件而定。 4、烯丙基型卤代烃既易进行SN1反应，也易进行SN2反应。 5、 桥头卤代的桥环卤代烃既难进行SN1反应，也难进行SN2反
① 碱性
亲核试剂都有未共用电子对，是路易斯碱。
一般说来，试剂的碱性强，亲核能力也强，
构型保持
构型翻转
乙醚
由于乙醚弱极性，在开始生成的HCl，大部分溢出，未以离子状态存在； 取代一步：Cl 来自氯代亚磺酸烷基酯的分解在乙醚中，不利于电荷的分离，在离
子对中， Cl 将带着一对电 子从正面进攻R+的中心碳原子，从而保持构型不变。
吡啶
开始生成的HCl，会与吡啶结合成盐 { 使Cl – 游离出来成为有效的亲核试剂； 取代一步： Cl – 从离去基团的背面进攻中心碳原子，从而使构型翻转。
C+ 的稳定性
C+越稳定，对SN1 越有利。
所有使C+稳定的因素，都能使 SN1 的反应速率增大：
电子效应
------主要的
3°C+ ＞ 2°C+ ＞ 1°C+ ＞ CH3+
σ ,p - 超共轭效应
当中心碳原子与苯基或乙烯基直接相连时， 生成的C+稳定，------共轭 SN1反应速率增大, 反应活性增大。
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°
CH 3 （ 3）C-Br 10
8
按SN1历程进行的反应，α 碳原子的分支使反应速率 增加。主要原因是碳正离子的稳定性，通常 3°C+ ＞ 2°C+ ＞ 1°C+ ＞ CH3+
β 位的分支对于SN1反应速率的影响较小，通常是
β 分支加大，SN1反应速率仅略有增加。
2、对于SN 2反应：
① 空间效应 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
、酰基时，
实际：苄基型、烯丙基型化合物无论对 SN1、 SN2 都有利，
反应视具体情况而定， 一般说来，更容易进行 SN1 反应 较强的 Nu- 更有利于 SN2 反应 较特殊的是α-卤代酮，只有利于 SN2 反应
归纳：普通卤代烃的SN反应
1、对SN2反应是CH3X > 1°RX > 2°RX > 3°RX
亲核取代反应
姜少平
一、脂肪族的亲核取代反应
• 连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一 个带负电或带有孤对电子的中性的原子或基团取 代的过程。
Nu: + R-L → Nu-R + L:
1.脂肪族亲核取代反应分类：
(1).中性底物 + 中性亲核体
R L Nu R
3
Nu+
L3
R
I
N
CH3
RN
CH3
应。
对于桥环卤代烷，当X位于桥头碳上时， 无论是SN1反应， 还是SN2反应，均难以发生。如：
空间位阻较大，难以从 C X 键 的背后接近反应中心碳原子。
S N2
Cl
SN1
+
受桥原子的牵制作用， 难以伸展成平面构型。
二、亲核试剂的影响
• 对于SN1反应，亲核试剂不参与速率控制步骤， 因此影响较小。 • 对于SN2反应，亲核试剂亲核性能的强弱将对 SN2反应的速率产生极大的影响。 Nu-: CH3O-， HO-，INu: H2O:
H C X H
Nu:
H Nu C H X
② 电子效应
电子效应不是影响 SN2 反应速率的主要因素 但在某些情况下，其影响却是明显的
CH3CH2Cl
CH3CH2CH2Cl
CH2=CHCH2Cl
PhCH2Cl
CH3COCH2Cl
K相对 1
0.4
40
120
13200
α-C 上连有 CH2 CH 、 SN2 反应速度明显加快。
ph CH3 C H Cl ph CH3 C H OH
40%水/丙酮
动力学： v
k [RCl ]
一级反应
立体化学产物：95% 外消旋化，属SN1 ，5% 构型转化，属SN2
提高亲核试剂浓度
ph CH3 C H Cl CH3OH 溶剂分解 CH3 ph C H OH
加入CH3ONa，使反应速度加快，应是SN2
C H3 C H3 C H3 C Br +
C H3 C
C H3 C H3
基团拥挤
拥挤程度减少
SN1反应的速度是：
R3C-X > R2CH-X CH2=CHCH2-X
例如：实验测得
> RCH2-X
>
CH3-X
R-Br + H2O
反应物 相对速度
甲酸
R-OH + HBr （SN1 反应 ）
CH 2 （ 3）CH-Br 45 CH3CH2-Br 1.7 CH3-Br 1
NH + Cl -
}，
4.影响亲核取代反应因素:
•烃基的结构
•亲核试剂的浓度与反应活性
•离去基团的性质
•溶剂效应
一、烃基结构的影响
一般，电子效应对SN1机理影响更大 空间效应对SN2机理影响更显著
1、对于 SN1 反应：
影响反应速率的重要因素：
反应物解离的难易程度
生成的C+的稳定性
①电子效应
δ
H H C R'
δ
Nu
L
R'CH2 Nu ＋L-
亲核试剂从离去基 团背面进攻碳原子
Nu
C
L
Nu-与碳原子形成较弱键， C-L键减弱，Nu-、L、C 成直线，碳原子另外三键 从伞形变成平面。
Nu
C
L L
Nu-C键形成，C-L键断裂，碳原子 另外三键向翻转。
Nu
C
新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂 时所需的能量，是由新键形成所放出的能量提供的。 两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为过渡态。
SN2 双分子反应 V = K [ R-X ] [ Nu：] 一步反应
SN1
单分子反应 V = K [ R-X ] 两步反应
生成中间体碳正离子
构型翻转 + 构型保持
形成过渡态
构型翻转（瓦尔登转化）
有重排产物
无重排产物
3. 离子对机理 介于 SN1 与 SN2 机理之间，叫做处于“交界状况”的反应。
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： 不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物，伯卤代烷。
R' CH R X
SN1反应与SN2反应的区别
Br
I
C C H3
Br
从左至右，随着烃基的增多，过渡状态的拥挤程度增大， 达到过渡状态所需的活化能增加，因此，反应速率降低。
结论： α - C上烃基↑， SN2反应速率↓。
β碳上有分支
H H
β α
C H
Br C H3
H H α C
β
H H Br
β
α
H H Br
β
α
C H C H3
C
Br
H
C H
C H 0.82
当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)，SN1反应 速率明显增大：
C2H5OCH2Cl C-C-C-C-Cl 1.0 C2H5O-CH2CH2Cl 0.2
SN 1反应速率
109
正碳离子因共轭效应而被稳定。
② 空间效应
对于SN1反应来说，在速度控制步骤的解离过程中，中心碳 原子由原来的sp3 杂化的四面体变为sp2 杂化的平面或近于 平面的碳正离子，一定程度解除了拥挤状态,中心碳原子上 取代基越多，取代基体积越大，过渡态中拥挤状态减轻的 相对程度就更大，速率的增加也就更显著。
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