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第三章第三章 饱和碳原子上亲核取代反应饱和碳原子上亲核取代反应(Aliphatic Nucleophilic Substitution)一一. 反应类型反应类型 二二. 反应机理反应机理三三. 立体化学立体化学四四. 影响反应活性的因素影响反应活性的因素五五. 邻基参与作用邻基参与作用1. SN1机理机理 2. SN2机理机理 3. 离子对机理离子对机理 1. 底物的烃基结构底物的烃基结构2. 离去基团离去基团 (L)3. 亲核试剂亲核试剂 (Nu:)4. 溶剂溶剂一、一、亲核取代的亲核取代的反应类型反应类型亲核试剂亲核试剂带着一对电子进攻中心碳原子，带着一对电子进攻中心碳原子，离去基团带着一对电子离开离去基团带着一对电子离开⑴⑴ 中性底物，亲核试剂带孤对电子：中性底物，亲核试剂带孤对电子：⑵⑵ 中性底物，带负电亲核试剂：中性底物，带负电亲核试剂：⑶⑶ 带正电底物，亲核试剂带孤对电子：带正电底物，亲核试剂带孤对电子：⑷⑷带正电底物，带负电亲核试剂：带正电底物，带负电亲核试剂：二、反应机理二、反应机理1. 单分子亲核取代单分子亲核取代 ( SN1) （（Substitution Nucleophilic Unimolecular)反应分两步进行反应分两步进行第一步第一步 正碳离子的生成：正碳离子的生成：第二步第二步 亲核试剂进攻亲核试剂进攻C+：：第一步是决速的一步。

第一步是决速的一步例如：例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：SN 1 机理反应的底物特征：机理反应的底物特征：叔卤代烷及其衍生物叔卤代烷及其衍生物被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物2. 双双分子亲核取代分子亲核取代 ( SN2) （（Substitution Nucleophilic Bimolecular)二级反应二级反应机理：机理：亲核试剂亲核试剂从离去基团的背面接近中心从离去基团的背面接近中心C原子，原子，同时，离去基团也逐步地离开底物分子同时，离去基团也逐步地离开底物分子新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂所需能量，新键的形成与旧键的断裂是同时发生的，旧键断裂所需能量，由新键形成所放出的能量提供由新键形成所放出的能量提供两者达平衡时，体系能量最高其状态为过渡态两者达平衡时，体系能量最高其状态为过渡态 TS N 2 反应机理：反应机理：LNuLNuLNuLNuLNu过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心C原子的原子的 p轨道交盖的程度轨道交盖的程度=离去基团与中心碳原子的离去基团与中心碳原子的 p轨道的交盖程度轨道的交盖程度按按 SN 2 机理进行的底物特征：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不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物3. 离子对机理离子对机理介于介于SN1 与与 SN2 之间的机理，建立在之间的机理，建立在SN1机理基础上。

机理基础上⑴⑴ 解离的正负离子形成紧密离子对，整个离子对被溶剂化解离的正负离子形成紧密离子对，整个离子对被溶剂化⑵⑵ 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开 ⑶⑶ 离解的离子为自由离子离解的离子为自由离子三个阶段：三个阶段：亲核试剂可以进攻三种状态的底物，从而得到不同的产物亲核试剂可以进攻三种状态的底物，从而得到不同的产物紧密离子对紧密离子对 溶剂分割离子对溶剂分割离子对 离解的离子离解的离子构型翻转构型翻转消旋化消旋化三、反应的立体化学三、反应的立体化学反应的立体化学与反应机理相关反应的立体化学与反应机理相关SN2机理：机理：试剂从离去基的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化试剂从离去基的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化－－Walden转化Nu:L+ L-Nu(R)-(-)-2-辛烷辛烷[ ]25D= -34.25°对映体纯度对映体纯度=100%(S)-(-)-2-辛醇辛醇[ ]25D= -9.90°对映体纯度对映体纯度=100%  = +33.0°  = +31.1°  = -19.9°  = +23.5°SN1机理机理试剂从试剂从C+的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物C+越稳定，消旋化程度越大。

越稳定，消旋化程度越大消旋化消旋化 (Racemization)事实上，事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：反应往往伴随构型转化产物：当当C+不是足够稳定时，由于不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应，的屏蔽效应，Nu:从从 L 背后进背后进攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多攻中心碳原子的机会增大，故构型转化增多四四. 影响反应活性的因素影响反应活性的因素• 底物的结构底物的结构• 亲核试剂的浓度与反应活性亲核试剂的浓度与反应活性• 离去基团的性质离去基团的性质• 溶剂效应溶剂效应（一）底物结构的影响（一）底物结构的影响SN 2反应：反应： 卤代烷的反应活性顺序是：卤代烷的反应活性顺序是：甲基甲基 > 伯伯 > 仲仲 > 叔叔原因：烷基的空间效应原因：烷基的空间效应新戊基卤代烷几乎不发生新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应：反应：转变过程中，中心碳原子由底物同转变过程中，中心碳原子由底物同4个基团相连转变为个基团相连转变为过渡态的同过渡态的同5个碳原子相连，空间拥挤程度增大个碳原子相连，空间拥挤程度增大当底物中心碳原子连有较大基团时，当底物中心碳原子连有较大基团时，Nu:难于从背后接近底物。

难于从背后接近底物SN1反应：反应： A. 电子效应电子效应所有能使碳正离子稳定的因素，都能使所有能使碳正离子稳定的因素，都能使SN1反应的速率增大：反应的速率增大：当取代基具有＋当取代基具有＋I、、超共轭效超共轭效应、＋应、＋C效应，效应，SN1反应速率反应速率增大，反应活性增大增大，反应活性增大R相对速率相对速率 (k1)Et0.26i-pr0.69CH2=CH-CH2-0.86PhCH2100Ph2CH~105Ph3C~1010当中心碳原子与杂原子直接相连时，当中心碳原子与杂原子直接相连时，SN1反应速率明显增大：反应速率明显增大：C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN 1反应速率反应速率109 1.0 0.2所形成的碳正离子，因共轭效应而被稳定所形成的碳正离子，因共轭效应而被稳定B. 空间效应空间效应底物取代基的空间效应使底物取代基的空间效应使SN1反应速率加快，与反应速率加快，与SN 2反应相反反应相反RBr在水中的溶剂解相对速度在水中的溶剂解相对速度RBr 在水中在水中50°时时MeBr 1.00EtBr 1.00i-pBr 11.6t-BuBr 1.2×106四面体四面体平面三角型平面三角型键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度越减小。

键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度越减小（二）亲核试剂（二）亲核试剂Nu:在在 SN2反应中起着重要作用反应中起着重要作用规律：规律：1、带负电荷的试剂、带负电荷的试剂 > 它的共轭酸：它的共轭酸：OH- > H2O, CH3O- > CH3OH2、带负电：负电荷越集中，亲核性越强；、带负电：负电荷越集中，亲核性越强； 中性：进攻原子的电子云密度越集中，亲核性越强中性：进攻原子的电子云密度越集中，亲核性越强A. 当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：RO- > HO- >> RCOO- > ROH > H2OCH3O- > PhO- > CH3COO- > NO2-碱性是试剂与质子结合的能力；碱性是试剂与质子结合的能力；亲核性是试剂与亲核性是试剂与C+或或C +结合的能力结合的能力试剂中进攻的原子不同时，亲核性强度顺序与碱性有时不同：试剂中进攻的原子不同时，亲核性强度顺序与碱性有时不同：碱性：碱性： C2H5O- > I-亲核性：亲核性： I- > C2H5O-B. 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱， 负电荷越分散，亲核性越弱：负电荷越分散，亲核性越弱：H2N- > OH- > F-C. 进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大，进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大， 试剂的亲核性越强：试剂的亲核性越强：F- < Cl- < Br- < I-R-O - < R-S - < R-Se -D. 当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，当亲核试剂中取代基的空间效应较大时， 则不利于试剂接近底物分子。

则不利于试剂接近底物分子 因此，对试剂的亲核性，取代基的空间效应因此，对试剂的亲核性，取代基的空间效应 > 其电子效应：其电子效应：碱性很强，负电荷也很集中，但烷基具有较碱性很强，负电荷也很集中，但烷基具有较大的空间效应，故其亲核性很弱大的空间效应，故其亲核性很弱亲核性依次减小亲核性依次减小亲核性依次减弱，亲核性依次减弱，碱性依次增强碱性依次增强（三）离去基团（三）离去基团 (Leaving groups)离去基团带着一对电子离开离去基团带着一对电子离开中心中心C，成为负离子成为负离子接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大接受负电荷的能力越强，亲核取代反应速率越大1、、 较好的离去基团是强酸的共轭碱：较好的离去基团是强酸的共轭碱：pKa < 5的酸的共轭碱，如：的酸的共轭碱，如：I- 是强酸是强酸 HI的共轭碱的共轭碱CF3SO3- 是最好的离去基团是最好的离去基团TsOH2、、 成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去的溶剂解的相对速率为：的溶剂解的相对速率为：F Cl Br I可极化度依次增大可极化度依次增大（四）溶剂效应（四）溶剂效应溶剂的性质：溶剂的性质：介电常数介电常数  越大，溶剂的极性越大。

越大，溶剂的极性越大 是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即溶剂稳定离子的能力是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即溶剂稳定离子的能力 －－ 偶极距偶极距非极性溶剂非极性溶剂（（ ＝＝0）） ：：CCl4，，CS2，，C6H6极性溶剂极性溶剂（（ ≠0））质子型：质子型：EtOH, H2O, H3COOH非质子型：非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO质子型溶剂质子型溶剂通过氢键缔合通过氢键缔合非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子SN 1反应：反应：中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定碳正离子，使反应速率加快将稳定碳正离子，使反应速率加快SN 2反应：反应：在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，在过渡态中不产生新的电荷，而且还使电荷分散，溶剂极性的提高，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低溶剂极性的提高，不利于电荷的分散，使反应速稍有降低在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。

由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行在质子型溶剂中，试剂的亲核顺序为：在质子型溶剂中，试剂的亲核顺序为：SH- > CN- > I- > OH- >N3- > Br- > CH3COO- > Cl - > F- > H2OSN 2反应常在极性非质子型溶剂中进行反应常在极性非质子型溶剂中进行极性非质子型溶剂不与极性非质子型溶剂不与 Nu:形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性常见的极性非质子型溶剂有：常见的极性非质子型溶剂有：N, N-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺六甲基磷酰胺HMPT (Hexamethylphosphorictriamide)在极性非质子型溶剂中，在极性非质子型溶剂中，X - 的反应活性为：的反应活性为：F - > Cl - > Br - > I -这与在质子型溶剂中的顺序相反这与在质子型溶剂中的顺序相反质子型溶剂与非质子型溶剂对质子型溶剂与非质子型溶剂对SN 2反应的影响：反应的影响：溶剂溶剂 k2DMF 3 × 103CH3OH 3 × 10-2在哪种溶剂中易于进行，是在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是还是CH3OH? 五五. 邻基参与作用邻基参与作用邻基：多带有孤电子对或邻基：多带有孤电子对或 电子，在分子内起亲核试剂作用。

如：电子，在分子内起亲核试剂作用如：COO-、、COOR、、OH、、OR、、NH2等邻基参与作用：分子内亲核的取代基参与了另一部位上的取代反应邻基参与作用：分子内亲核的取代基参与了另一部位上的取代反应是分子内的发生是分子内的发生2次的次的SN2过程邻基参与作用的结果：取代产物构型保持，且反应加速邻基参与作用的结果：取代产物构型保持，且反应加速。