第四章親核取代反應(yīng)

章：親核取代反應(yīng)取代反應(yīng)是指化合物的原子或原子團(tuán)被其它原子或原子團(tuán)所取代的反應(yīng)。（1）親核取代（2）親電取代（3）游離基取代

親核取代反應(yīng)：（A）中性底物+中性親核體（B）中性底物+負(fù)離子親核體（C）正離子底物+中性親核體（D）正離子底物+負(fù)離子親核體2021/5/91

研究表明，叔丁基溴堿性水解速率與叔丁基溴的濃度成正比，而與堿的濃度無(wú)關(guān)。

=k[(CH3)3C-Br]單分子歷程（SN1）4.1單分子歷程（SN1）2021/5/92單分子親核反應(yīng)歷程2021/5/93第一步：叔丁基溴在溶劑中首先離解成叔丁基正碳離子和溴負(fù)離子，這是一步慢反應(yīng)：

(CH3)3C-Br

[(CH3)3C+

···Br-]

(CH3)3C++Br-

（過(guò)渡態(tài)1）正碳離子中間體第二步：生成的叔丁基正碳離子立即與試劑OH-作用生成叔丁醇，這是一步快反應(yīng)：(CH3)3C++OH-

[(CH3)3C+

···OH

-]

(CH3)3C-OH

（過(guò)渡態(tài)2）叔丁基溴的堿性水解反應(yīng)歷程表2021/5/94單分子歷程（SN1）第一步：第二步：總反應(yīng)速率由慢反應(yīng)決定

=k[(CH3)3C-Br]2021/5/95SN1反應(yīng)進(jìn)程能量變化圖過(guò)渡態(tài)1過(guò)渡態(tài)22021/5/96單分子歷程（SN1）生成外消旋的醇手性碳原子2021/5/97SN1歷程反應(yīng)前后分子構(gòu)型的變化HO反應(yīng)前反應(yīng)后S型R型S型2021/5/98單分子歷程（SN1）例：2021/5/99SN1機(jī)理進(jìn)行的取代反應(yīng)

反應(yīng)物決定速度地異裂成一個(gè)之配位的碳正離子和離去基因的方式來(lái)進(jìn)行的，然后是碳正離子與介質(zhì)中的劉易堿（親核試劑）結(jié)合。

2021/5/910第一步為慢過(guò)程，發(fā)生取代反應(yīng)的分子異裂為離子;第二步是形成的碳正離子和取代試劑迅速反應(yīng)得到產(chǎn)物。第一步是反應(yīng)速度的決定步驟，并為單分子反應(yīng)，所以整個(gè)反應(yīng)為單分子反應(yīng)。2021/5/911A.正離子穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)物構(gòu)型的影響：

如果形成的正離子不穩(wěn)定，它立即被第二個(gè)試劑進(jìn)攻，此時(shí)X—還來(lái)不及離開(kāi)正離子，它在一定程度上顯示了“遮蔽效應(yīng)”因而妨礙了試劑A從這方面的進(jìn)攻。所以除得到外消旋產(chǎn)物外，還得到相當(dāng)量的構(gòu)型反轉(zhuǎn)產(chǎn)物。如果形成的正離子比較穩(wěn)定，并能在較長(zhǎng)時(shí)間存在，則X—與它已有相當(dāng)距離，不再表現(xiàn)“遮蔽效應(yīng)”因此得到產(chǎn)物主要為外消旋體，同時(shí)有少量構(gòu)型發(fā)生反轉(zhuǎn)的光活性物質(zhì)。2021/5/912碳正離子越不穩(wěn)定，構(gòu)型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的百分?jǐn)?shù)也越高。2021/5/913碳正離子（I）比（II）穩(wěn)定，在碳正離子（I） 中正電荷和苯核相互作用，使正電荷得到分散而不是定位在一個(gè)碳原子上，因此具有較小的能量，所以有較小的反應(yīng)性能，即有較大的穩(wěn)定性。2021/5/914B.試劑濃度對(duì)產(chǎn)物構(gòu)型的影響：如果進(jìn)攻試劑的濃度低，R+大多數(shù)都來(lái)得及成為平面構(gòu)型，并和后來(lái)連接的X離子分開(kāi)，然后才受另一試劑進(jìn)攻，主要生成處消旋產(chǎn)物。如濃度高，則增加了試劑對(duì)剛剛形成還被X離子遮蔽的R+離子進(jìn)攻機(jī)會(huì)，因而構(gòu)型反轉(zhuǎn)的產(chǎn)物的比例會(huì)增加。2021/5/915

外消旋（%）反轉(zhuǎn)（%）80%丙酮水溶液98 260%丙酮水溶液955純水83 17SN1歷程中的離子對(duì)：在SN1取代反應(yīng)中，如果游離的碳原子為平面型，試劑從兩面進(jìn)攻的機(jī)會(huì)相同，產(chǎn)物應(yīng)完全外消旋化，但事實(shí)上總是伴有少量反轉(zhuǎn)，這就說(shuō)明有一些產(chǎn)物不是從游離的碳正離子形成的，而是由離子對(duì)形成的。2021/5/916SN1反應(yīng)按下列方式進(jìn)行：

（I）為緊密離子對(duì)；（II）為溶劑分隔離子對(duì)，在碳正離子和離去原子團(tuán)之間插入一個(gè)或數(shù)個(gè)溶劑分子；（III）為離解的離子對(duì)，每個(gè)離子被溶劑的分子所包圍。在反應(yīng)中緊密離子對(duì)重新結(jié)合為原來(lái)的被作用物，稱為內(nèi)部反回。親核試劑在任何階段進(jìn)攻都能形成產(chǎn)物。在緊密離子對(duì)中的R+和X-之間還有一定的鍵連，因此能保持原來(lái)的構(gòu)型。

2021/5/9172021/5/918（a）SH直接進(jìn)攻RX得SR（完全反轉(zhuǎn)），即直接發(fā)生SN2過(guò)程。（b）如果形成緊密離子對(duì)，則溶劑在此階段進(jìn)攻，若反應(yīng)（A）不發(fā)生則導(dǎo)致完全的反轉(zhuǎn)，若反應(yīng)（A）與（B）競(jìng)爭(zhēng)，則反轉(zhuǎn)伴隨外消旋化作用。（c）如果形成溶劑分隔離子對(duì)，當(dāng)溶劑殼從前邊崩潰時(shí)，則反應(yīng)中構(gòu)型保持，如從后崩潰時(shí)則構(gòu)型反轉(zhuǎn)，總結(jié)果為部分反轉(zhuǎn)（δ）部分保持（1-δ）。（d）形成游離R+，為平面構(gòu)型，SH從兩面進(jìn)攻的機(jī)會(huì)相同，得外消旋化產(chǎn)物。2021/5/919雙分子歷程（SN2）

研究表明，溴甲烷的堿性水解反應(yīng)速率與鹵代烷的濃度以及堿的濃度成正比。

CH3－Br+OH-

CH3OH＋Br-

v=k[CH3Br][OH-]

4.2雙分子歷程（SN2）2021/5/920

雙分子親核反應(yīng)歷程表溴甲烷的親核取代反應(yīng)機(jī)理2021/5/921

溴甲烷的堿性水解反應(yīng)歷程表親核試劑在離去基和碳原子間價(jià)健的背面進(jìn)攻離去基團(tuán)過(guò)渡態(tài)分子構(gòu)型反轉(zhuǎn)，瓦爾登(Walden)轉(zhuǎn)化Sp3雜化Sp2雜化Sp3雜化2021/5/922過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)2021/5/923瓦爾登(Walden)轉(zhuǎn)化反應(yīng)前反應(yīng)后2021/5/924消旋化速度是交換速度的二倍SR丙酮瓦爾登(Walden)轉(zhuǎn)化2021/5/925SR反應(yīng)進(jìn)行到一半時(shí)：50%反應(yīng)物50%產(chǎn)物外消旋體瓦爾登(Walden)轉(zhuǎn)化2021/5/926瓦爾登(Walden)轉(zhuǎn)化

如果取代反應(yīng)發(fā)生在旋光性鹵代烷的手性碳原子上，則生成的醇構(gòu)型與反應(yīng)物鹵代烷的構(gòu)型正好相反。如（S）-2-溴辛烷與氫氧化鈉的乙醇水溶液反應(yīng)得到（R）-2-辛醇。

SR[α]=-34.6°[α]=+9.9°2021/5/927SN2反應(yīng)機(jī)理：LNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNu2021/5/928S型R型HOC6H136反應(yīng)前反應(yīng)后SN2歷程反應(yīng)前后分子構(gòu)型的變化132021/5/929SN2反應(yīng)進(jìn)程能量變化圖能量2021/5/930SN2親核取代反應(yīng)

在SN2歷程中親核試劑由背面進(jìn)攻，構(gòu)型反轉(zhuǎn)，因過(guò)渡態(tài)（I）比保持原來(lái)構(gòu)型的過(guò)渡態(tài)（II）的能量小得多。2021/5/931C-A鍵形成的同時(shí)C-X鍵發(fā)生破裂，反應(yīng)為一步過(guò)程，沒(méi)有中間體，C-X破裂所需要的能量由形成的C-A鍵供給。在過(guò)渡態(tài)時(shí)中心原子由SP3雜化軌道轉(zhuǎn)變?yōu)镾P2雜化軌道，并以P軌道的一個(gè)葉與親核試劑A重疊，而另一個(gè)葉與離去原子團(tuán)重疊。

2021/5/932SN1：①反應(yīng)分步進(jìn)行，有中間體生成；②反應(yīng)速率僅取決于鹵代烷的濃度；③在決定反應(yīng)速率的這一步驟中，發(fā)生共價(jià)鍵變化的只有一種分子；④產(chǎn)物構(gòu)型一半保持，一半翻轉(zhuǎn)SN2和SN1反應(yīng)的特點(diǎn)SN2：①反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，無(wú)中間體生成；②反應(yīng)速率與鹵代烷及親核試劑的濃度成正比；③在決定反應(yīng)速率的這一步驟中，發(fā)生共價(jià)鍵變化的有二種分子；④反應(yīng)前后分子構(gòu)型發(fā)生翻轉(zhuǎn)2021/5/9334.3影響親核取代反應(yīng)歷程的因素

某一化合物主要按哪一種歷程進(jìn)行反應(yīng)，決定于R—X分子中R和X的性質(zhì)（電子效應(yīng)和空間效應(yīng)）及親核試劑的性質(zhì)以及反應(yīng)條件（溶劑，催化劑等）

2021/5/934R的電子效應(yīng)

（a）排斥電子和吸引電子原子團(tuán)的影響，如：Z為吸引電子的原子團(tuán)時(shí)，SN1反應(yīng)速度減慢，α-鹵代酮、酸、酯等與此類似；Z為排斥電子的原子團(tuán)時(shí)，使SN1反應(yīng)速度增加，Z排斥電子使碳正離子的正電荷分散，使碳正離子穩(wěn)定。（b）位于α位的雙鍵、叁鍵及芳基的影響無(wú)論SN1或SN2都很慢或不反應(yīng)。2021/5/935原因之一：是由于SP雜化碳原子和SP2雜化碳原子的電負(fù)性高，對(duì)電子有較大的引力，在親核取代作用中離去原子團(tuán)帶著它的一對(duì)成鍵電子離去，因此SP3雜化碳原子相對(duì)來(lái)說(shuō)比SP2雜化碳原子及SP雜化碳原子更容易失去離去原子團(tuán)和電子對(duì)。原因之二：離去原子團(tuán)具有未共享電子對(duì)，則分子中離去原子團(tuán)的未共享電子對(duì)與л鍵發(fā)生共軛作用，即離去原子團(tuán)的電子云密度一部分轉(zhuǎn)移到C—X鍵，因而使C—X鍵大大加強(qiáng)。其結(jié)果使C—X鍵的鍵長(zhǎng)變短。2021/5/936(c)β位雙鍵的影響,當(dāng)β位有雙鍵時(shí),如烯丙基和苯甲基等使SN1和SN2反應(yīng)速度均加快.使SN1加速是因?yàn)橛捎诠曹検股傻奶颊x子穩(wěn)定.使SN2加速是因?yàn)橥ㄟ^(guò)P型軌道(它展現(xiàn)在遭受進(jìn)攻的碳原子上)與鄰近π體系的重疊使SN2過(guò)渡態(tài)變穩(wěn)定的作用.2021/5/937R的空間效應(yīng)

α或β碳有分支,使SN2的反應(yīng)速度減慢,使SN1的反應(yīng)速度增加.因SN2的過(guò)渡態(tài)特別擁擠,所以空間阻礙對(duì)SN2的影想比SN1大.如RBr中的溴被氫負(fù)離子取代R=CH3C2H5i-C3H7t-C4H9K=1001.650.0220.00482021/5/938對(duì)SN1反應(yīng),由于超共軛作用等引起碳正離子的穩(wěn)定性改變而影響反應(yīng)速度:三級(jí)碳正離子>二級(jí)碳正離子>一級(jí)碳正離子同時(shí),對(duì)某些三級(jí)作用物,碳正離子形成過(guò)程中張力消除,使反應(yīng)加速.β位的分支對(duì)SN1歷程的速度有較小的影響:某些三級(jí)鹵代烷的相對(duì)離解速度:2021/5/939橋頭化合物

在SN2和SN1反應(yīng)條件下都極不活潑，在SN2條件下，進(jìn)攻親核試劑不可能從背后進(jìn)攻而使構(gòu)型發(fā)生反轉(zhuǎn)．而在SN1反應(yīng)條件下，平面構(gòu)型碳正離子的形成引起較大的張力．

2021/5/940在SN2反應(yīng)中，由于親核試劑是從鹵原子的背后進(jìn)攻鹵代烷的

-碳原子的，如果

-碳的取代基增多，

-碳原子周圍將變得擁擠，進(jìn)攻試劑接近

-碳原子的阻力增加，因此活性也就降低。在SN2反應(yīng)中，鹵代烷的活性次序?yàn)椋?/p>

CH3X

伯鹵代烷

仲鹵代烷

叔鹵代烷烴基結(jié)構(gòu)對(duì)SN2速率的影響2021/5/941

-碳上的基團(tuán)體積較小，進(jìn)攻試劑接近

-碳原子的阻力較小

-碳上取代基增加，進(jìn)攻試劑接近

-碳原子的阻力增加2021/5/942丙酮15010.010.001相對(duì)速度：烴基結(jié)構(gòu)對(duì)SN2速率的影響2021/5/943烴基結(jié)構(gòu)對(duì)SN1速率的影響在SN1反應(yīng)中，由于決定反應(yīng)速度的步驟是生成正碳離子一步，而正碳離子的穩(wěn)定性順序?yàn)椋菏逭茧x子

仲正碳子離子

伯正碳子離子

CH3＋因此在SN1反應(yīng)中，鹵代烷的活性次序?yàn)椋菏妍u代烷

仲鹵代烷

伯鹵代烷

CH3X2021/5/944正碳離子穩(wěn)定性叔正碳離子>仲正碳離子>伯正碳離子>甲基正碳離子2021/5/945甲酸相對(duì)速度：108451.71.0烴基結(jié)構(gòu)對(duì)SN1速率的影響2021/5/946主要按SN1歷程進(jìn)行叔鹵代烷伯鹵代烷主要按SN2歷程進(jìn)行仲鹵代烷主要按哪種歷程取決于具體反應(yīng)條件介于二者之間容易較大形成正碳離子

-碳原子空間位阻不容易較小2021/5/947（３）離去原子團(tuán)的效應(yīng)

(a)

離去原子團(tuán)的親電子性能（接受負(fù)電荷的能力）愈大，則R—X分子愈易離子化,從而按SN1歷程進(jìn)行反應(yīng),并且反應(yīng)進(jìn)行得更迅速．也同樣使SN2反應(yīng)速度增加．表:1-苯基乙酯和鹵化物溶劑解反應(yīng)的相對(duì)速率離去基團(tuán)k相對(duì)離去基團(tuán)k相對(duì)CF3SO3－1.4×108CF3CO2－2.1p-硝基苯磺酸根離子4.4×105Cl－1.0p-甲苯磺酸根離子3.7×104F－9×10-6CH3SO3－3.0×104p-硝基苯甲酸根離子5.5×10-6I－91CH3CO2－1.4×10-6Br－14

2021/5/948(b)鹵素離去基團(tuán)的反應(yīng)活性順序?yàn)镮->Br->Cl->F-這與Ｃ－Ｘ鍵的鍵能和可極化性有關(guān)，因?yàn)橐粋€(gè)較易極化的離去基團(tuán)將使它與碳所成的鍵斷裂時(shí)的過(guò)渡態(tài)變得穩(wěn)定。(c)

空間因素對(duì)于離去原子團(tuán)離去能力有一定的影響,如巨大的離去原子團(tuán)和烴基間的非鍵連相互作用,有利于SN1歷程.表:RX在80%乙醇中的溶劑解時(shí)對(duì)甲苯磺酸酯/溴化物的速度比

R甲基乙基異丙基叔丁基1-金剛烷基kOTs/kBr111040400097502021/5/949離去基團(tuán)對(duì)親核取代反應(yīng)的影響在鹵代烷的親核取代反應(yīng)中，碳鹵鍵極化度越大，則鹵素的離去傾向也越大，對(duì)C－X鍵而言，極化度順序?yàn)椋篟-I>R-Br>R-Cl

無(wú)論是SN2或是SN1反應(yīng)，都要發(fā)生C－X鍵斷裂，鹵素的離去傾向越大，反應(yīng)速率也越大，因此鹵代烷的反應(yīng)活性為：

R-I>R-Br>R-Cl。

2021/5/950(4)親核試劑對(duì)反應(yīng)的影響

(a)

電負(fù)性對(duì)反應(yīng)的影響親核試劑的電負(fù)性改變對(duì)SN1反應(yīng)速度影響不明顯,因?yàn)镾N1反應(yīng)速度取決于慢的離子化過(guò)程,而此過(guò)程親核試劑不參加．但親核試劑對(duì)SN2取代反應(yīng)速度有影響，親核試劑的電負(fù)性減小，則SN2反應(yīng)速度加大.2021/5/951（b)親核試劑分子的立體結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)的影響

親核試劑分子加大,使SN2取代反應(yīng)速度降低2021/5/952親核試劑的影響

在SN1反應(yīng)中，決定反應(yīng)速度的步驟是R-X的離解，而與親核試劑的親核性和濃度的改變，對(duì)SN1反應(yīng)無(wú)明顯影響。在SN2反應(yīng)中，由于親核試劑試劑參與了過(guò)渡態(tài)的形成，因此，親核試劑的親核性和濃度越大，反應(yīng)按SN2歷程進(jìn)行的趨勢(shì)越大，在其它條件相同時(shí)，反應(yīng)速度也越快。在質(zhì)子溶劑中，一般常見(jiàn)的親核試劑的親核能力的次序是：2021/5/953(5)溶劑的影響

(a)

溶劑極性的影響易使RX離子化的溶劑有利于SN1反應(yīng):如C6H5-Cl的水解作用,在水中反應(yīng)按SN1歷程進(jìn)行,在丙酮中按SN2進(jìn)行.(b)

利用冠醚提高負(fù)離子的活性2021/5/954對(duì)于SN2反應(yīng)：

Nu-+C-X[Nu…C…X]δ-

溶劑的影響極性減小反應(yīng)物過(guò)渡態(tài)-+-+-+-+-+-+-+-+-極性溶劑對(duì)它的穩(wěn)定化作用比反應(yīng)物差2021/5/955

請(qǐng)比較下列各組化合物進(jìn)行SN1反應(yīng)時(shí)的速率課堂練習(xí)1②①③2021/5/956（4）增加溶劑的含水量，反應(yīng)速率明顯加快。

鹵代烴與氫氧化鈉在水與乙醇的混合物中進(jìn)行反應(yīng),指出下列哪些屬于機(jī)理，哪些屬于SN1機(jī)理。（1）產(chǎn)物的構(gòu)型完全轉(zhuǎn)變；（2）堿濃度增加，反應(yīng)速率加快；（3）叔鹵代烴的反應(yīng)速率大于仲鹵代烷的反應(yīng)速率；SN2SN2SN1SN1課堂練習(xí)22021/5/9574.4.親核取代反應(yīng)的立體化學(xué)

瓦爾登反轉(zhuǎn)(Walden)具有旋光性化合物的不對(duì)稱碳原子直接相連的原子或原子團(tuán)取代時(shí),常常得到外消旋產(chǎn)物2021/5/9585.鄰基參與

當(dāng)一個(gè)進(jìn)行親核取代反應(yīng)的底物分子上還帶有一個(gè)能作為親核體的基團(tuán),并位于分子的適當(dāng)位置時(shí)，能夠和反應(yīng)中心部分地或完全地成鍵形成過(guò)渡態(tài)或中間體，從而影響反應(yīng)的進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱為鄰基參與作用（Neighboringgroupparticipation）。通常把由于鄰基參與作用而使反應(yīng)加速的現(xiàn)象稱為鄰基協(xié)助或鄰基促進(jìn)。2021/5/959鄰基參與若鄰基參與作用發(fā)生在決速步驟之后，只有鄰基參與作用而無(wú)鄰基促進(jìn)。能發(fā)生鄰基參與作用的原子團(tuán):具有未共用電子對(duì)的原子或原子團(tuán);含有碳-碳雙鍵等的不飽和基團(tuán)、具有π鍵的芳基以及C-C和C-Hσ鍵。分別稱為n電子參與、π電子參與和σ電子參與.2021/5/960(a)n參與作用

化合物的分子中具有未共用電子對(duì)的基團(tuán)位于離去基團(tuán)的β位置或更遠(yuǎn)時(shí)，此化合物在取代反應(yīng)過(guò)程中構(gòu)型保持。COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl(I>Br>Cl)2021/5/961經(jīng)過(guò)兩次SN2反應(yīng),總結(jié)果是構(gòu)型保持

第一步第二步鄰基原子更易，更近,外加的Nu必須和作用物碰撞才能發(fā)生反應(yīng)，而鄰基Z由于所處的位置有利，即刻就能進(jìn)攻中心碳原子；再者鄰基參與作用的熵變更為有利，反應(yīng)中心與Z反應(yīng)和與Nu反應(yīng)相比，前者ΔS降低得較少。2021/5/962例如：當(dāng)3-溴-2-丁醇的蘇型（Threo）外消旋體（±）用HBr處理時(shí)，得到外消旋體（±）-2,3-二溴丁烷2021/5/963鹵素作為鄰基參與的能力大小次序一般為I>Br>Cl，這與原子的親核性和可極化性大小順序是一致的。F電負(fù)性太強(qiáng)，不易給出電子，親核性和可極化性太小，一般不發(fā)生鄰基參與作用。若鄰基參與作用形成的中間體是穩(wěn)定的或由于其它方式而穩(wěn)定，親核試劑Nu－親核進(jìn)攻能力不足，只能形成環(huán)狀產(chǎn)物。這是簡(jiǎn)單的分子內(nèi)SN2反應(yīng)。2021/5/964氮原子也起鄰基參與作用。例如，氨與1，4-二氯丁烷作用形成氫化吡咯：

2021/5/965