第三章-亲核取代反应

离子型反应机理离子型反应机理是有机化学中最早研究的一类，近年来研究的主要特点是对象与范围的扩大以及对离子型与自由基反应或协同反应竞争机理的研究。例如近来受到重视的一个新反应——亲卤反应，亲核试剂可能从正面进攻卤原子（亲卤反应）。国内研究的亲卤反应，受体主要是全卤型氟卤烷及多卤代烷烃，包括尚未见文献报道的C－Cl的亲氯反应；氧亲核试剂对C－Br、C－Cl键以及中性与负离子型氮亲核试剂对C－Br的亲卤反应、磷叶立德和羰基叶立德的亲卤反应等。内容提要§3-1亲核取代反应的类型§3-2亲核取代反应的机理§3-3亲核取代反应的影响因素

一、底物的结构

二、亲核试剂

三、离去基团

四、溶剂§3-4邻基参与效应§3-5亲核取代反应实例第三章亲核取代反应

(NucleophilicSubstitutionReaction)第三章亲核取代反应

(NucleophilicSubstitutionReaction)§3-1亲核取代反应的类型

1.中性底物与带孤电子对的中性亲核试剂3.带正电荷底物与带孤电子对的亲核试剂2.中性底物与带负电荷亲核试剂4.带正电荷底物与带负电荷的亲核试剂§3-2亲核取代反应的机理基本内容一级反应和二级反应构型保持和构型翻转反应机理：SN2，SN1，离子对溶剂解反应

一、一级反应和二级反应反应速率只取决于一种反应物浓度的反应，在动力学上称为一级反应。v=k[A]反应速率取决于两种反应物浓度的反应，在动力学上称为二级反应。v=k[A][B]

二、构型保持和构型翻转(R)-2-溴辛烷[]D=-34.6o(S)-2-辛醇[]D=+9.9o构型保持构型翻转HO-(R)-2-辛醇[]D=-9.9o三、双分子亲核取代反应

SN2δ+δ-慢δ-δ-过渡态快sp3sp2

SN2的特点之一动力学之二过渡态结构之三产物构型用碘原子直接与手性碳原子相连的2-碘辛烷为底物，在溶液中加入128I-，进行同位素交换反应，发现溶液的旋光度逐渐降低——外消旋化。根据溶液旋光度随时间的变化，测定出外消旋化的速率常数k2

。用同位素示踪仪测定碘代烷的放射性，根据放射性随时间的变化测定出同位素交换反应的速率常数k2。同位素标记法对SN2机理的研究其结果为：k2

=2k2。由此证实在SN2反应中，只有亲核试剂从离去基团的背面进攻碳原子，才能引起具有手性的碳原子的构型发生改变。一个反应的反应物构型与生成物的构型完全相反，这个过程称为“构型翻转”——Walden转化。(S)-2-碘辛烷(R)-2-碘(128I)辛烷

四、单分子亲核取代反应

SN1-Br-:Nu反应物过渡态1慢产物中间体-Br-过渡态2-1Nu-快过渡态2-2

SN1的特点之一动力学；之二中间体结构之三产物构型外消旋产物↑；反之，构型翻转产物↑碳正离子稳定性↑离去基团离去倾向↑亲核试剂亲核能力↓亲核试剂浓度↓溶剂极性↑例1例2五

重排和消除产物

当化学键的断裂和形成发生在同一分子中时，引起组成分子的原子的连接方式发生改变，从而形成组成相同，结构不同的新分子，这种反应称为重排反应。

(1)反应机理

伯碳正离子重排在碳正离子中氢原子、烷基或芳基基团的迁移称为Wagner-Meerwein重排叔碳正离子重排产物消除产物

(2)特点

Wagner-Meerwein重排为同面、迁移基团构型保持的[1,2]-迁移。例如：

98%构型保持

六、溶剂解反应溶剂作为试剂与底物发生反应——溶剂解反应。-+++(CH3)3C－OC2H5+HBr(CH3)3C－Br+C2H5OH溶剂解反应的特点

溶剂解反应速度慢，主要用于研究反应机理；在低亲核性溶剂中碳正离子发生重排的趋势增加，光学活性作用物外消旋化程度增加.

§3-3亲核取代反应的影响因素影响亲核取代反应的主要因素包括：底物的结构、亲核试剂、离去基团和溶剂。

一、底物的结构

1.电子效应电子效应主要影响SN1反应2.空间效应空间效应主要影响SN2反应

二、亲核试剂试剂的亲核能力主要影响SN2反应1.试剂的亲核性

(1)试剂的亲核性

在有机反应中，试剂的亲核性和碱性两个概念有一定的联系，亲核性侧重于速率即动力学现象，而碱性则侧重于平衡即热力学现象。亲核性碱性代表与质子的结合能力或提供电子对的能力代表热力学平衡状况很少受空间因素影响代表试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能力，包括：给电子能力和可极化性代表动力学过渡态状况易受空间因素影响

(2)影响试剂亲核性的主要因素

①试剂进攻原子的电负性

进攻原子的电负性↑→与其电子结合程度↑→给电子能力↓→亲核活性↓②试剂进攻原子的可极化度

进攻原子的可极化度↑→亲核活性↑

③试剂与碳原子2p轨道结合的键强度

键强度↑→过渡态稳定性↑→反应活性↑

④Lewis碱的溶剂化能量

溶剂化能量↑→基态能量↓→v↓⑤试剂有效体积的大小

有效体积↑→亲核活性↓

2.试剂亲核性的判断

(1)在偶极溶剂中亲核性的变化规律H3C-H2N-HO-F-Cl-Br-I-2.53.13.54.12.82.72.2可极化性减弱碱性逐渐减弱亲核性逐渐减弱溶剂对可极化性很高、但碱性弱的试剂的亲核性影响不大（例如I-）。

(2)在质子溶剂中亲核性的变化规律H3C-H2N-HO-F-Cl-Br-I-2.53.13.54.12.82.72.2可极化性减弱亲核性逐渐减弱碱性逐渐减弱溶剂对可极化性小，但碱性强的试剂的亲核性影响大（例如F-、Cl-、Br-）

(3)质子溶剂中常用亲核试剂的排列顺序与溶剂形成氢键的能力↑→亲核性↓RS-ArS->CN->I->NH3

(RNH2)>RO-HO->Br->PhO->Cl->>H2O>F-中心原子相同：碱性↑→亲核性↑RO->HO->PhO->RCOO->ROH>H2O空间效应：体积↓→亲核性↑CH3O-＞CH3CH2O-＞(CH3)2CHO-＞(CH3)3CO-

三、离去基团离去基团的离去能力↑→有利于SN1和SN2反应，且离去能力在这两类反应中顺序相同，但对SN1反应的影响比SN2反应更明显。键能↓→离去倾向↑；离去基团碱性↓→形成的负离子稳定性↑→离去倾向↑。例如：基团键能(C－X)1-苯基-1-卤乙烷溶剂解相对速率F485.3910-6Cl339.01.0Br284.514I217.091碱性：F->Cl->Br->I-离去倾向：I->Br->Cl->F-水溶液中进行亲核取代反应时，离去基团的离去能力顺序：>HO->

CH3O->>NH2->CH3-

>

CF3CO2->

H2PO4->

NO3->

F->

RCO2->

CN->

NH3>PhO->R3N,RNH2>

RS-N2>>RSO3->

ROSO3->

I->Br->

H2O>Me2S>Cl-最好的好的中等的次等的差的最差的磺酸酯具有高度的反应活性，在亲核取代反应中是极为有用的反应物，。最常用的有对甲苯磺酸酯（ROTs），对溴苯磺酸酯（ROBs），对硝基苯磺酸酯（RONs）和甲磺酸酯(ROMs)。其磺酸根氧原子上的负电荷能通过硫离域到整个酸根上，因而是比卤离子更好的离去基团。

醇羟基是较差的离去基团，亲核取代反应较为困难，在有机合成上常采用以下方法：方法一Lewis酸催化，促使OH－离去。-+方法二

得到的磺酸酯可以保持醇R—原有的结构完整和立体化学特征，同时可以醇为原料，利用离去能力强的磺酸根制备其它化合物。四、溶剂溶剂效应主要是通过影响过渡态的稳定性从而影响反应活化能，最终影响反应速率。SN1RX—[R·······X]R++X--+SN2Nu-+RX—[Nu······R······X]NuR+X-

--质子溶剂对SN1反应有利，对SN2的影响要作具体分析；偶极溶剂对SN2反应有利(相对于SN1、质子溶剂而言)，可能使SN1机理→SN2机理；极性溶剂对SN1反应有利，对SN2反应多数情况不利(因为SN1反应过渡态极性增大，SN2反应过渡态极性减小)，可能使SN2机理→SN1机理；非极性溶剂对SN1、SN2反应都不利(RX不溶于非极性溶剂）。

§3-4邻基参与效应

一、邻基参与效应

邻基参与效应（neighboringassistance）指在分子中的亲核取代基参与了同一分子中另一部位上的取代反应，使反应的动力学和立体化学受到强烈的影响。

二、邻基参与效应的条件

取代基在分子中位于适当的位置，能够与反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体。

三、邻基参与效应的特点

(1)反应速率明显加快邻基参与的反应中由于取代基处于有利位置使反应熵变很小，从而明显降低活化能。但只有发生在反应决速步骤的邻基参与作用，才能使反应加速，此现象称为邻基促进或邻基协助，否则只有邻基参与而无邻基促进。例1，-氯代二乙基硫醚的溶剂解反应比相应的氧醚快104倍以上。硫鎓离子例2，芥子气：ClCH2CH2SCH2CH2Cl鎓离子稳定性开链正离子和相应的氧鎓离子→v↑

(2)反应中心的立体化学得到保留例1光学活性-溴代丙酸在浓NaOH溶液中主要得到构型转化水解产物，但在稀NaOH溶液/Ag2O中得到构型完全保持的水解产物。S-R-S-***

例

(3)生成分子重排产物

四、邻基参与效应的种类

能发生邻基参与效应的基团包括：具有未共享电子对的原子或基团；含有C－C双键等不饱和基团、具有π键的芳基以及C－C和C－Hσ键，分别称为n-参与、π-电子参与和σ-参与。

(1)n-参与化合物分子中具有孤电子对的基团位于离去基团的β位或更远时，此化合物在取代反应过程中得到构型保持产物。这些基团包括：COO-、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl。HBr+邻基Z由于所处的位置有利，比Nu-更易进攻中心碳原子；邻基参与作用的熵变更为有利实例：

卤素作为邻基参与的能力大小次序一般为I>Br>Cl，这与原子的亲核性和可极化性大小顺序是一致的。F电负性太强，不易给出电子，亲核性和可极化性太小，一般不发生邻基参与作用。Cl的亲核性较弱，其邻基参与只有在溶剂不发生干扰时才显示出来。若邻基参与作用形成的中间体是稳定的或由于其它方式而稳定，亲核试剂Nu－亲核进攻能力不足，只能形成环状产物。这是简单的分子内SN2反应。例1

对溴苯磺酸-4-甲氧基戊酯和对溴苯磺酸-5-甲氧基-2-戊酯的乙酸解，给出同样比率产物的混合物例2

-卤代醇在NaOH溶液中的分子内SN2反应(2)π参与

①C=Cπ键、C=Oπ键邻基参与作用例1反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解速率比相应的饱和化合物大1011倍，得到反式乙酸酯，比顺式异构体（得到反式乙酸酯）速度快107倍。其原因是双键的π电子向7位碳原子的空2p轨道作用(轴向重叠，部分π性质，部分性质)形成同烯丙基非经典碳正离子。+同烯丙基非经典碳正离子轨道示意图例2外向和内向-原冰片烯基卤化物在水醇溶液中进行溶剂解得到同样产物(III)。外向化合物(I)比内向化合物(II)的溶剂解速度大约快10倍。研究表明在化合物(I)的离解作用中能发生背后的邻基参与作用，经过渡态生成中间体(Ⅳ)；而在化合物(II)中则不能发生这种邻基参与作用，先生成碳正离子，再重排得中间体(Ⅳ)。(a)

外向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道(b)

内向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道

②芳基参与作用

β位的芳基能发生邻基参与作用。例1：对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反应如果用(2R,3S)-或(2S,3R)-苏型异构体为反应物，生成外消旋混合物；如果用(2S,3S)-或(2R,3R)-赤型异构体进行反应，则生成构型保持产物。这说明反应物的两个手性中心之间的单键相对旋转在反应过程中受到限制，因而产生各自的立体化学产物。其原因是：带着π电子的苯基按照SN2反应机理参与反应，促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯鎓离子（phenoniumion）中间体。其中苏式异构体与苯鎓离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个中间体有一个对称面，没有手性，亲核试剂乙