《有机化学》课件-8-4

8.4

亲核取代反应机理

在讨论卤代烃取代反应机理之前，先用以下实例介绍几个常用名词。

1-溴丙烷是主要作用物，一般称为反应底物（substmte)。进攻反应底物的试剂OCH3是带着电子对与碳原子结合的，它本身具有亲核性，称为亲核（nucleophile)试剂。亲核试剂一般都是负性基团或者能提供电子对的中性分子。反应底物上的溴原子带着电子对从碳原子离开，所以Br-称为离去基团（leavinggroup)。取代反应是在与溴相连的那个碳原子上进行的，常称为中心碳原子（centeratom)。

这种由亲核试剂进攻中心碳原子而引起的反应称为亲核取代（nucleophilicsubstitution)反应。在亲核取代反应中是一个负性基团（亲核试剂）取代另一个负性基团（离去基团）。长期以来，人们对卤代烃取代反应的机理研究得比较充分，积累了大量的资料，为我们的学习提供了丰富的内容。—、两种主要的机理（Sn1和Sn2)

用不同卤代烃进行水解反应，发现它们在动力学上有不同的表现，例如氯代叔丁烷在氢氧化钠的丙酮和水的混合溶液（OH-为0.05M)中水解的速度与它在纯水（0H-为10-7)中，水解速度是相同的，说明水解速度只与氯代叔丁烷本身的浓度成正比。而与碱（0H-)的浓度无关，在动力学上称为一级反应（firstorderkinetics)。

1.单分子亲核取代机理（Sn1)

氯代叔丁烷水解反应速度只决定于氯代叔丁烷本身的浓度，而与碱的浓度无关，这就是说，在整个反应过程中决定反应速率的关键步骤（慢步骤）与OH-无关。由此可以推想，氯代叔丁烷的水解是按如下机理进行：反应过程中的能量变化如图8-1。

在Sn1反应中由于生成了碳正离子中间体，所以重排是这种反应的重要特征。例如新戊基溴和CH3CH2OH反应，几乎全部得到重排产物：

该反应按SNl机理进行，首先生成的伯碳正离子很容易重排为较稳定的叔碳正离子，后者再与亲核试剂（C2

H50H)结合，去掉质子而得到重排产物。

2.双分子亲核取代机理SN2

与氯代叔丁烷不同，溴甲烷的水解速度同溴甲烷及碱（OH-)的浓度都成正比关系。这个事实使我们想到在决定反应速度步骤中一定包含有两种粒子的碰撞，反应按另一种机理进行:

对反应过程可以这样来描述：亲核试剂OH-首先从离去基团（Br)的背面进攻中心碳原子，在这同时，溴原子携带电子逐渐离开。中心碳原子上的三个氢由于受0H-进攻的影响而往溴原子一边偏转。当它们处于同一平面，且OH-、Br和中心碳原子处在垂直该平面的一条直线上时，即达到所谓的过渡态。这时O—C键部分形成，C—Br键部分断裂。接着亲核试剂0H-与中心碳原子的结合逐渐加强，而溴原子带着电子逐渐远离，最后得到取代产物。反应中能变化如图8-2所示。二、影响反应机理及其活性的因素

前面我们介绍了卤代烃亲核取代一般有两种主要的机理:SNl和SN2。接下来读者所关心的问题可能是:不同结构的卤代烃，其亲核取代反应的相对活性如何？它们到底按哪种机理进行反应？有什么一般的规律？等等。对于这些问题很难给予简单的回答。因为影响因素很多，情况比较复杂。以下先分别讨论不同因素对反应机理及其沽性的影响，然后概括地进行总结，读者可从中找到某些答案。

1.烃基结构的影响

卤代烃分子中的烃基结构主要通过电子效应和空间效应影响亲核取代反应的活性。而这两种效应在不同的反应机理中所起的作用往往是不同的，因此烃基结构对反应活性的影响与反应机理密切相关。(1)在SN1反应中

在SNl反应中，决定反应速度步骤是C—X键断裂生成碳正离子，反应活性的高低主要决定于碳正离子生成的难易。（2）在SN2反应中

Sn2是一步反应，反应速度主要决定于过渡态的相对稳定性（过渡态的能量决定反应的活化能）。从反应物到过渡态，中心碳原子由四价态变为五价态，空间排布变得更加拥挤，所以卤代烃分子中烃基的空间因素对反应活性有重要影响。

中心碳原子上所连烃基数目越多，体积越大，过渡态就越拥挤，能量就越高，SN2反应活性就越低。由上式可以看出，在从反应物到过渡态，中心碳原子的电荷没有明显的变化。所以卤代烃分子中α-或β-位上所连基团的电子效应对反应速度的影响不大。

烃基对SN2反应的空间效应也可以用另一种方式加以说明。在进行SN2反应时，亲核试剂需要主动进攻中心碳原子，如果中心碳原子上连有多个烃基（体积比氢大），显然会阻碍亲核试剂与中心碳的接近，因而不利于反应。中心碳上所连烃基越多，体积越大，这种阻碍作用就越突出，SN2反应活性就越低。不同卤代烃的SN2相对活性顺序为：

烯丙型和苄基型卤代烃在SN2反应中所形成的过渡态可以通过邻近π键对它们起稳定作用（图8-3)。

总的来说，不同烃基的卤代烃的相对活性规律是:在SN1反应中，叔卤>仲卤>伯卤>甲基卤;在SN2反应中，叔卤<仲卤<伯卤<甲基卤。

2.离去基团的影响

在卤代烃的亲核取代反应中，带着电子对从中心碳原子离开的卤负离子是离去基团。一般来说，离去基团的碱性弱（不易给出电子,有较强的承受负电荷的能力），离开中心碳原子的倾向强（称为较好的离去基团），亲核取代反应的活性高。反之，离去基团碱性强，离开中心碳原子的倾向小（称为较差的离去基团），亲核取代反应的活性就低。

离去基团的好差可以根据它们的碱性强弱来判断。但由于各种负离子（包括中性分子)的碱性不容易直接辨认，因此往往需要比较它们的共轭酸的酸性。X-的共扼酸为HX,酸性序为：HI＞HBr＞HC1＞HF。那么X-的碱性顺序则为：F-＞C1-＞Br-＞I-。X-作为离去基团的离去倾向为:I-＞Br-＞C1-＞F-。所以卤代烃的亲核取代反应相对活性是:

3.亲核试剂的影响

在SN1反应中，反应速度只决定于RX的解离，而与亲核试剂无关。因此亲核试剂的性质对SN1的反应活性无明显影响。而在SN2反应中，亲核试剂的亲核性越强，浓度越大，其反应速度就越快。

一般来说，试剂的亲核性主要与以下几个因素有关。

（1）试剂的碱性

试剂的亲核性指的是提供电子对，与带正电荷碳原子结合的能力。试剂的碱性指的是提供电子对与质子（或其他路易斯酸)结合的能力。由于它们都是提供电子，和一个带正电荷实体相结合的能力，所以在很多情况下，试剂的亲核性和碱性是一致的。即试剂的碱性强，其亲核性也强；反之亦然。因此我们常常可以根据碱性强弱来判断它们亲核性的强弱。例如在下列两种情况下，亲核性顺序和碱性顺序总是一致的。（2）试剂的可极化性

亲核试剂的可极化性是指它的外层电子在外界电场作用下电子云发生变形的难易程度。亲核试剂的可极化性越大，它进攻中心碳原子时，其电子云就越易变形而伸向中心碳。试剂的可极化性越大，其亲核性就越强。

试剂的可极化性与进攻原子的体积有密切关系。原子的体积越大，其核对外层电子的束缚越小，在外电场作用下，电子云就越容易发生变形。所以对同主族元素来说，从上至下，试剂的亲核性随着增大。例如：

RS->RO-；

RSH>ROH（3）溶剂的影响亲核试剂的强弱与溶剂还有一定的关系，这主要是溶剂化作用的影响。例如卤负离子(X-)在非质子性溶剂二甲基甲酰胺（DMF)中，亲核性顺序与它们的碱性是一致的：但在质子性溶剂（如乙醇，水）中，则改变了它们的亲核性顺序：

亲核性：F-

<C1-

<Br-<1-

综合各种因素对试剂亲核性的影响，在质子性溶剂中亲核性的强弱顺序是：

在卤代烃的亲核取代反应中，用强的亲核试剂倾向于SN2机理；用弱的亲核试剂倾向于SN1机理。例如，新戊基溴与NaOC2H5反应是SN2机理，而与HOC2H5反应则是SN1机理。强亲核试剂（如OC2H5)可把卤素从分子中推开（SN2)，而弱亲核试剂（如C2H5OH)则等待着被请进去（SN1)。4.溶剂效应

溶剂对亲核取代反应的影响也随不同的反应机理而异。在Sn1反应中，从反应物至碳正离子的变化过程中，正负电荷集中，使体系极性增强，所以极性溶剂有利于稳定它们的过渡态，降低活化能，使反应速度加快。

使用不同溶剂不仅影响SnI和Sn2反应的活性，有时甚至能够完全改变它们的机理。例如，氯化苄在水中水解按Sn1机理，而在丙酮中水解则按Sn2机理:

至此已分别讨论了烃基的结构、离去基团、亲核试剂和溶剂对卤代烃亲核取代反应机理及其活性的影响，并简单概括了一般的规律。这些规律基本上也适合于有机化学中其他的亲核取代反应。三、SN2和SNI的立体化学

1.SN2的立体化学

英果尔德（C.Ingold，1893—1970)等用旋光性的2-碘辛烷与放射性碘负离子进行卤素交换反应，发现在反应过程中外消旋化的速度是同位素交换速度的2倍由此可以说明，亲核试剂是背面进攻（如同前边对SN2过程的描述那样）。

可以设想，如果I-*是前面进攻（即从离去基团的同面接近中心碳原子），反应产物是保持构型，不会发生消旋。如果I-*的背面进攻和前面进攻的机会均等，那么，外消旋速度和同位素交换速度应该相等。显然这两种设想与实验事实是不符的。

左旋的2-溴辛烷在氢氧化钠的含水乙醇中反应，得到右旋的2-辛醇：

瓦尔登转化是化SN2反应的立体化学特征。产生这种特征的原因是亲核试剂的背面进攻。读者或许会进一步问：为什么亲核试剂总是从离去基团背面进攻碳原子呢？在此有两个理由来回答这个问题:第一，当亲核试剂从前面进攻中心碳原子时，会受到携带电子离开的离去基团的排斥，而背面进攻可以避免这种排斥。第二，背面进攻能形成较稳定的过渡态，降低反应的活化能。2.SN1的立体化学

具有旋光性的反应底物（中心碳原子为手性碳）进行SN1反应时，由于生成的碳正离子具有sp2平面构型，亲核试剂可以从平面两侧与其结合，取代产物为几乎等量的一对对映体。

对于理想的SN1来说，确实应得到完全消旋化产物，但实际上往往只能得到部分消旋产物。例如，

α-苯基氯乙烷水解时，87%发生外消旋化，13%发生构型转化：

关于SN1反应产生部分外消旋化的原因比较复杂，在此可以简单地解释为:SN1反应中的碳正离子不稳定，在它生成的瞬间，就会立即受到亲核试剂的进攻，这时卤负离子可能还来不及离开中心碳原子到相当的距离，因而在一定程度上阻碍了亲核试剂从卤原子这一边的进攻，结果生成较多的构型转化产物。

外消旋化的比例在不同反应中各不相同，其比例高低主要决定于碳正离子的稳定性和亲核试剂的浓度。一般来说，碳正离子的稳定性较高，亲核试剂的浓度较小，则外消旋比例就高。反之，碳正离子稳定性较低，亲核试剂的浓度较大，则外消旋比例就低。例如，α-卤代乙苯和2-卤代辛烷按化SN1机理水解，由于前者解离生成的碳正离子比后者的稳定，水解结果，旋光性的α-氯代乙苯生成83%〜98%外消旋产物，而2-溴代辛烷仅得34%外消旋产物。四、离子对机理

离子对机理最早是在解释SN1的部分外消旋化现象时引起注意的。它能说明很多有关亲核取代反应机理的现象，因此越来越受到化学家的重视。

离子对机理认为反应底物在溶剂的作用下，解离是分步的，并按如下方式形成离子对：

第一步是电离，即共价键断裂，生成碳正离子和负离子。但这两个相反电荷的离子在静电引力作用下仍靠在一起，形成紧密离子对。第二步是少数溶剂分子进入到两个离子的中间，把它们分割开来，但它仍是一个离子对，称为溶剂分割离子对。在第三步中，离子完全被溶剂包围，形成了溶剂化的碳正离子和负离子。

形成离子对的各步都是可逆的，每步的反应速度大小取决于溶剂的性质和反应底物的结构。实际的反应体系是这些不同离子对及其自由离子的平衡混合物。如果亲核试剂与分子或紧密离子对作用，则必然是从背面进攻中心碳原子，发生构型转化，得到瓦尔登转化产物。如果亲核试剂与溶剂分割离子对作用，则亲核试剂既可从背面进攻得到构型转化产物，也可代替溶剂的位置得到构型保持产物。一般来说，前者多于后者，在这一阶段的取代结果是部分消旋化的。当亲核试剂和碳正离子作用时，则它们以相等的几率从碳正离子平面的两侧进攻，完全消旋化。取代反应的宏观结果是各个不同阶段亲核试剂与各种离子对（包括分子和离子）反应的总和。上述过程可用下列图式来表示：五、邻基参与

1.邻基参与的提出

2.邻基参与及其主要特征

从许多实验中发现，当能够提供电子的基团处于中心碳原子邻近位置时，它们通过某种环状中间体参与亲核取代反应，其结果不仅加快了反应速度，而且使产物具有一定的立体化学特征，有时还会得到重排产物。这种过程叫做邻基参与，它是亲核取代机理的重要组成部分。可以用下列通式来表示邻基参与的一般过程：

在邻基参与反应中，有时外加亲核试剂也可以进攻环状中间体原来连有参与基团的碳原子，这时则得到重排产物：

归结起来，邻基参与反应的特点是:反应速度加快、构型保持，有时得到一定构型的重排产物，对反应有加速作用。3.邻基参与的主要类型

根据参与基团的结构，可将常见的邻基参与分为以下几种主要类型：（1）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-、O-、Cl、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Ag20存在下的稀NaOH溶液中的水解反应属于这种类型。(2)邻近双键参与

对甲苯磺酸酯中磺酸根负离子为好的离去基团，它像卤代烃一样易发生亲核取代反应和消去反应（参阅9.3节）。下列2-(3-环戊烯基）乙醇的对甲苯磺酸酯进行醋酸解得到桥环醋酸酯的反应为碳碳双键参与的亲核取代反应。

(3)邻近芳基参与

芳基提供它的大π键作为邻近参与基的反应可以由产物的结构和立体化学特征得到证实。例如，下列卤代烃水解生成两种产物，是由于苯基参与的结果：

最后概括说明邻基参与的一般条件：a.在反应底物中心碳原子附近有能提供电子的基团，这是最基本的条件。b.反应时离去基团先有一定的离去倾向，使中心碳原子显出部分正电荷，这可以为邻基参与创造较好的条件。但离去基团的离去倾向不能过强，如果离去基团很容易离开中心碳原子，就无须邻基协助，即可按化SN1机理反应。c.外加亲核试剂的浓度不宜过大，因为高浓度的亲核试剂进攻中心碳原子的机会多，往往导致反应按SN1机理进行。

d.邻基与离去基团必须处于反平行位置，这种空间关系有利于邻基对中心碳原子的进攻(背面进攻）。在开链化合物中，由于C—Cσ键可以自由旋转，总是能够满足这种空间要求，但在某些环状化合物中却不一定都能达到。

还有一点要注意的是，具有一定构型的开链化合物，有可能发生邻基参与反应时，必须在构型式中把参与基团和离去基团放在反平行位置，否则，很难写出正确的产物。例