影响亲核取代反应的因素
摘要亲核取代反应是有机化学中一类重要的反应，饱和碳原子上的亲核取代反应可按S N1和S N2两种不同历程进行。亲核取代反应的两种历程，在反应中同时存在，相互竞争。对同一反应物来说，在不同的反应条件下反应速率是不同的;在相同的条件下，不同的反应物的活性也不同。本文讨论了影响亲核取代反应的因素，并总结了某些规律。
关键词亲核取代反应速率影响因素
卤代烃的亲核取代反应是一类重要的反应。由于这类反应可用于各种官能团的转变以及碳碳键的形成，因此在有机合成中具有广泛用途。本文将以卤代烃的亲核取代反应为例，讨论影响亲核取代反应的因素，即亲核取代反应的反应活性。大量研究表明，亲核取代反应的活性与反应物的结构（包括烃基和离去基团的结构）、亲核试剂的亲核性和溶剂的性质等因素都有密切的联系。
1反应物的结构
1.1烃基的结构
烃基的影响体现在两个方面，一个是电子效应，另一个是空间（立体）效应。一般来说，烃基的电子效应对S N1反应的影响更大，烃基的空间效应对S N2反应的影响更显著。
1.1.1在S N2反应中，烃基的空间效应影响占主导地位，α—碳或β—碳上支链增加，阻碍了亲核试剂从离去基团的背面进攻，且会造成过渡态拥挤程度增加，降低了过渡态的稳定性，使反应速率明显下降。例如，不同的烷基发生S N2反应的平均相对速度如下：
R-CH3-CH3CH2-(CH3)2CH-
相对速度30 1 2.5?10-2
卤代烃按S N2机理进行的活性次序是：
烯丙型、苄基型、甲基卤代烷>伯>仲>叔>乙烯型、芳卤、桥头卤代烷
在烯丙卤、苄卤的S N2反应中，当亲核试剂进攻α-碳原子时，其反应过渡态应该有p轨道的重叠，旁边的碳碳双键能帮助它分散电荷，起稳定作用。在乙烯型、芳卤的S N2反应中，因其分子中存在着p-π共轭，使碳卤键键长缩短，键能增加，卤原子不易离去。桥头卤代烷因桥环的立体障碍，亲核试剂不能从背面进攻α-碳原子，故不易发生S N2反应。
1.1.2在S N1反应中，决定反应速率的步骤是碳正离子的生成，具有+I效应和+C效应的取代基都可以稳定碳正离子，卤代烃RX按S N1反应的活性顺序为：烯丙型，苄基型，叔卤代烷 > 仲 > 伯 > 甲基 > 乙烯型，芳卤，桥头卤代烷。
例如，下列几种溴代烷在甲酸溶液中按S N1机理进行水解，相对反应速率度为：(CH3)3CBr (CH3)2CHBr CH3CH2Br CH3Br
K 108 45 1.7 1.0
在烯丙卤、苄卤的S N1反应中，形成的烯丙型、苄基型正碳离子，因p-π共轭而
有效地分散正电荷，使正碳离子稳定。例如下列碳正离子的稳定性为
(CH 3O-C 6H 5 )2 +C H ＞C 6H 5-+C HCH 3＞C 2H 5CHCH 2CH +
C H 2
CH 3 CH 3
类似地，当杂原子O 、N 、S 原子直接和中心碳原子相连时，按S N 1机理进行反
应，反应速度也非常大。在乙烯型、芳卤的S N 1反应中，形成的乙烯型、苯基型正碳离子不能被有效分散正电荷，正碳离子不稳定。桥头卤代烷因很难形成平面的正碳离子，故不易发生S N 1反应。
1.2离去基团（L ）
卤烃的亲核取代反应中，卤素带着一对电子从碳上离去，因此也把卤素称为离去
基团。无论在S N 1还是S N 2反应中，决定反应速率的一步都包括C —L 的断裂，离去基团的离去倾向越大，对S N 1和 S N 2反应越有利。
一般来说，离去基团碱性越弱，则越容易离去。离去基团离去能力大小次序为：
RSO 3—＞RCOO —＞PhO — >> OR —～OH —＞R 3C —，卤离子的碱性大小顺序为：I - < Br - < Cl -《 F -，卤离子的离去倾向为I - >Br - > Cl - 》F -。
I -是一个好的离去基团,因为C -I 键键能低,而I -又是一个好的亲核试剂,因为其变
形性大,并受溶剂化作用少,所以碘代烷既易形成,又易被其他亲核试剂所取代。因此当一级卤代烷进行S N 2水解反应时，可在溶液中加入少量I -，使反应加快。例如：
慢
RCH 2Cl + H 2O — RCH 2OH + HCl
快
RCH 2Cl + KI — R CH 2 I + KCl
快
RCH 2 I + H 2O — RCH 2OH + HI
表1列出了一些离去基团在亲核取代反应中的反应速率比
表1一些离去基团在亲核取代反应中的速率比[1]
至于碱性很强的基团如R 3C -、R 2N -、RO -、HO -等则不能作为离去基团进行亲核
取代反应，由于OH -、OR -具有强的碱性，所以醇和醚本身都不能直接进行亲核取代反应。它们只有在酸性条件下质子化，使离去基团的碱性减弱后，才可能进行亲核取代反应。例如正丁醇不能被Br -取代，但在氢溴酸的酸性条件下，反应能按S N 2反应进行[2]。
Br - + CH 3CH 2CH 2CH 2OH
CH 3CH 2CH 2CH 2Br + OH -
HBr + CH 3CH 2CH 2CH 2
OH CH 3CH 2CH 2CH 2— O H 2 + Br -
S N 2 Br -
CH 3CH 2CH 2CH 2Br + H 2O
2亲核试剂
由于S N 1反应的速度决定于反应物的离解,因此,亲核试剂的性能对S N 1反应速率
没有明显影响, 但是,亲核试剂的性质对S N 2反应的影响较大。一般地讲,试剂的亲核性越强,反应经过S N 2历程过渡态所需活化能就越低，进行S N 2反应速度越快。试剂的亲核性与试剂的碱性,可极化性和空间因素有关,也与试剂所在的溶剂有关。根据亲核试剂在甲醇溶剂中与碘代甲烷反应的相对反应速度，将一些亲核试剂的相对亲核性强弱列于表2
表2亲核试剂的相对亲核性强弱[3]
2.1试剂所带电荷的性质
一个带负电荷的亲核试剂要比相应呈中性的试剂更为活泼。例如，OH ->H 2O ，
RO ->ROH 等。
2.2试剂的碱性
亲核试剂都是带有负电荷或者未共用电子对的，所以它们都是路易斯碱。一般说，
试剂的碱性越强，亲核能力也越强。在很多情况下, 亲核性与碱性强弱顺序一致。但要注意亲核性与碱性是既有区别又有联系的两个不同概念。碱性是指试剂与氢质子的亲和力,通常用试剂共轭酸的pKa 表示。pKa 越大,试剂的共轭碱性越强。亲核性[4]是指碱在过渡态对碳原子的亲和力。这种亲和力没有pKa 那样有具体的数据,可比性要差些。碱性与亲核性的共性,都强调自身提供电子的能力,也就是说与H +或带正电荷的碳原子结合时应有较大的电子云密度。亲质子试剂未成键电子对与氢质子空的ls 轨道的重叠,根据轨道匹配原理,同族内氢化物的pKa ,H 2O(15.7) H 2S(6.97),则共轭碱性
OH - > SH - ,显然OH -中氧原子与氢质子的成键比HS -中碳原子与氢质子成键更为有
效。但亲核性却SH -> OH - ,因为硫原子的供电能力和变形性要大于氧原子。而碱性强
调基团和氢质子的结合能力,况且质子体积又很小,所以不考虑其空间位阻和原子的变形性。
例如：酸性：C2H5OH ＜H2O ＜PhOH ＜CH3COOH
碱性与亲核性：C2H5O-＞OH-＞PhO-＞CH3COO-
酸性：R3CH ＜R2NH ＜ROH ＜HF（同周期元素）
碱性与亲核性：R3C-＞R2N-＞RO-＞F-
但由于空间效应、亲核性与碱性强弱顺序可能不一致。
例如：碱性：(CH3)3CO-＞C2H5O-＞CH3O-
亲核性：(CH3)3CO-＜C2H5O-＜CH3O-
2.3溶剂对亲核性的影响
溶剂对亲核性的强弱也有影响。卤代烷不溶于水，但亲核试剂往往溶于水而不溶或几乎不溶于非极性有机溶剂中，要使亲核取代反应在溶液中进行，常用醇或其他有机溶剂如丙酮中加水，使两者都能溶解。在质子溶剂中，亲核试剂与溶剂间可以形成氢键，即能发生溶剂化作用。带相同电荷的原子，体积小的亲核试剂，形成氢键的能力强，溶剂化作用大，这样削弱了亲核试剂与中心碳原子之间的作用，其亲核性受到溶剂的抑制最为显著。
例如：在非质子溶剂中，亲核性：F-＞Cl- ＞Br-＞I-（与碱性顺序一致）在质子溶剂中，亲核性：F- ＜Cl-＜Br- ＜I-（与离子的极化性和形成氢键能力一致）。
所以对于反应CH3I+ Cl- →CH3Cl + I-
在甲醇中（极性质子性溶剂）反应速度 1
在DMF中（极性非质子性溶剂）反应速度 1.2 106
周期表中同族元素所产生的负离子或分子，体积大的受溶剂的抑制小，亲核性强。RS->RO-，RSH>ROH，I->Br->Cl->F-
3溶剂的影响
溶剂的性质对亲核取代反应也有一定的影响，溶剂主要是通过影响过渡态的稳定性，从而影响反应活化能而影响反应速率。
在溶剂中，分子或离子都可以通过静电力与溶剂分子相互作用（溶剂化效应），这种相互作用的强弱取决于两方面：溶剂的极性和分子或离子的极性。溶剂的极性越强, 溶剂化作用越强；分子或离子的极性越强,溶剂化作用也越强。离子的电荷高度集中,当然，溶剂化作用也大。而另一方面,溶剂化作用能增加分子或离子的稳定性, 溶剂化作用大,分子或离子的稳定性也大。
增大溶剂的极性有利于S N1反应而不利于S N2反应。因为在S N1反应中, 决速步骤中过渡态的电荷比反应物集中,增加溶剂极性,能稳定过渡态而降低活化能,有利于RX离解为R+和X-.例如溴代叔丁烷的溶剂解随溶剂的极性增加而加速。
S N1
(CH3)3CBr + Sol_OH —(CH3)3COSol + HBr
Sol_OH 乙醇20%水，80%乙醇50%水，50%乙醇水
相对速率 1 10 20 1450但在S N2反应中,反应物电荷集中,而过渡态电荷较分散,虽然,溶剂化作用对反应物和过渡态都有稳定作用,但对反应物的稳定化作用更大。因此,增加溶剂化作用, 对进攻试剂比对反应过渡态更有利。因此,在非极性溶剂中和极性小的溶剂中,对S N2有利,而极性大的溶剂对S N2不利。通常,溶剂的极性和离子化能力增加,有助于使机理从S N2向S N1转化,而从质子化溶剂向非质子化溶剂转变则有利于S N2。例如下列反应加入18-冠-6有利于S N2反应的进行[5]
RY + KX RX + KY
RX = C6H5CH2Cl，C8H17Br；Y = CN，F，OAc，NO2
4结束语
通过上述讨论可以得出影响亲核取代反应活性的主要因素有反应底物的结构（包括烃基和离去基团的结构）、亲核试剂的亲核性和溶剂的性质等。掌握亲核取代反应的相关规律可以对有机合成有更大的指导作用。
参考文献：
[1]曾绍琼,李景宁.有机化学[M].北京:高等教育出版社,2009,245
[2]王积涛.高等有机化学[M].北京:人民教育出版社,2009,178
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The Factors of Affecting Nucleophilic
Substitution Reaction
Chemistry and Environment Science College，Inner Mongolia Normal University Chemistry Education Grade 2009，Zhang Dongling
20091103566
Advisor: Huang Y anchun Lecturer
Abstract: Nucleophilic substitution reaction is an important organic chemistry reaction. Nucleophilic substitution reaction on saturated carbon atom conducts in term of two different kinds of approaches, S N1 and S N2. The two kinds of approaches of the nucleophilic substitution reaction both exist in the reaction and compete each other. To the same reactant, in different reaction conditions, reaction velocity is different; while in the same condition, different reactants’activities are different too.This paper has discussed the factors that affect nucleophilic substitution reaction and summarized some related law.
Keywords: substitution nucleophilic reaction velocity impact factor
教学目标：掌握各种因素对亲核取代反应机理的影响。 教学重点：烷基结构、亲核试剂、溶剂等因素对S N1 和S N2 反应的影响 教学安排：H 1，H3 —>H4；40min 基本概念：溶剂解：溶剂作为亲核试剂的亲核取代反应，称为溶剂解或溶剂解反应。溶剂解反应可根据所用的溶剂是水、乙醇还是乙酸，分别称为水解、乙醇解，乙酸解等。 卤代烷的亲核取代反应，既可按S N2 亦可按S N1 机理进行，但究竟按何种机理进行呢？这与卤代烷结构，离去基团亲核试剂和溶剂的性质等诸因素有关，下面分别讨论。 一、烷基结构的影响 1．烷基的结构对S N2 反应的影响 在卤代烷的S N2 反应中，如果中心碳原子上连接的取代烷基（支链）越多，它们对亲核试剂从碳卤键背后进攻中心碳原子的空间位阻就越大，使得发生有效碰撞的概率大为下降；而在过渡态时众多的支链与中心碳原子要保持在同一个平面内，其张力是很大的，这就使形 成过渡态需要有非常高的活化能，这些都将导致卤代烷进行S N2 反应的活性下降，反应速率减小。例如，I-与下面各溴代烷的丙酮溶液中于25℃发生S N2 反应时的相对反应速率为： 如果在卤代烷的β- 碳原子上连有支链烷基时，对S N2 反应的速率也有明显的影响，即卤代烷中心碳( α- 碳)原子上连接的烷基体积越大，其空间位阻越大，不利于亲核试剂的攻 击。例如，在C 2H5 OH 溶剂中C2H5ONa 与下面各溴代烷于55℃发生S N2 反应的相对反应速率为： 反应物CH3CH2B r CH3CH2CH2B r (CH3)2CHCH2B r (CH3)3CCH2B r 相对速 率 100 28 3.0 4.2×10-4 综上所述，卤代烷进行S N2 反应时，在其它条件相同时，不同结构卤代烷的反应活性次序为：
亲核取代反应及其影响因素 摘要：饱和碳原子上的亲核取代反应主要有两种：单分子亲核取代反应(S N1)与双分子亲核取代反应(S N2)。大多数反应介于这两种极端情况之间。人们提出离子对机理与邻近基团参与的理论来解释反应情况与构型变化的问题。亲核取代反应的反应速度，与烃基的数量、离去集团的大小、亲核试剂的活性以及溶剂的极性等有关。一般来说，烃基数量少，离去基团大，亲核试剂亲核性强，溶剂的极性弱，对S N2反应有利；烃基数量多，离去基团大，溶剂的极性强，对S N1反应有利。另外，亲核取代反应和对应的消除反应（单分子消除反应E1、双分子消除反应E2与S N1、S N2）互为竞争性反应。强碱和较高的温度有利于消除，弱碱和强亲核试剂有利于取代；有利于碳正离子生成的条件，有利于按单分子机理进行；不利于底物异裂的条件，有利于双分子反应。 正文： 一、烷基结构的影响 1．烷基的结构对S N2 反应的影响 反应中，如果中心碳原子上连接的取代烷基（支链）越多，它们对亲在卤代烷的S N2 核试剂从碳卤键背后进攻中心碳原子的空间位阻就越大，使得发生有效碰撞的概率大为下降；而在过渡态时众多的支链与中心碳原子要保持在同一个平面内，其张力是很大的，这就使形 反应的活性下降，反应速成过渡态需要有非常高的活化能，这些都将导致卤代烷进行S N2 率减小。例如，I-与下面各溴代烷的丙酮溶液中于25℃发生S N2 反应时的相对反应速率为： 反应的速率也有明显的影响，即卤如果在卤代烷的β- 碳原子上连有支链烷基时，对S N2 代烷中心碳( α- 碳)原子上连接的烷基体积越大，其空间位阻越大，不利于亲核试剂的攻击。 反应时，在其它条件相同时，不同结构卤代烷的反应活性综上所述，卤代烷进行S N2 次序为：
亲核取代反应及其影响因素 航03班 林三春 2010011556 摘要： 本文分为四部分。第一部分论述了亲核取代反应的组成部分：亲核试剂、离去基团、反应底物，特地列出了常见的亲核试剂、常见的离去基团。第二部分论述了亲核取代反应机理，主要论述了四种：SN1、SN2、离子对机理和邻近基团参与机理，其中还包括各种机理的实验现象验证，以及对反应产物的影响，如对构型的影响。第三部分论述了亲核反应的影响因素，主要有烃基、离去基团、溶剂和亲核试剂四种，详细地说明了这四种因素如何影响反应。给出了判断离去基团的好坏，以及比较亲核试剂的亲核性的方法。最后一部分论述了亲和取代反应与消除反应的竞争关系，其中包括SN1与E1竞争，SN2与E2竞争。主要以卤代烃为例阐述的。 在论述的同时，还附有适当的图示，以及实验数据，通过比较等手段，使得论述更加有说服力。 全文通过这四个部分，详细、全面地介绍了亲核取代反应。 正文： 亲核取代反应，简称SN 亲核取代反应，通常发生在带有正电或部分正电荷的碳上，碳原子被带有负电或部分负电的亲核试剂（Nu:-）进攻而取代。 一、亲核取代反应的重要组成成分： 亲核取代反应中涉及到的三个重要组成成分为：亲核试剂、离去基团、反应底物。 称为反应底物。进攻反应底物的试剂CH30Na (或 CH3O —)是带着电子对与碳原子结合成键的，它本身具有亲核性，称为亲核试剂，一般用Nu 表示。这类反应之所以称为亲核取代也正是因为它是由亲核试剂进攻反应底物而引起的取代反应。反应底物上的溴原子带着电子对从碳原子上离去，所以Br-；称为离去基团，一般用L 表示。该取代反应是在与溴相连的那个碳原子上进行的，常称该碳原子为中心原子，或反应中心。 ．一般的亲核取代反应可以用如下的通式表示： 。其中R —L 为反应底物，L —为离去基团，Nu —为亲核试剂，弯箭头表示电子转移的方向。 1、亲核试剂： 亲核性是指：带负电荷或孤对电子的试剂即亲核试剂对亲电子原子的进攻的能力。 具有亲核性的物质叫做亲核试剂。凡是带有未共享电子对的物质(如Lewis 碱)都具有一定的亲核性，它们都可能作为亲核试剂。亲核试剂可以是中性分子，也可以是带负电的阴离子。下表列出的是亲核取代反应中常见的一些亲核试剂：