第18讲——亲核取代和β-消除反应机理

亲核取代反应历程卤代烃的亲核取代反应是一类重要反应，由于这类反应可用于各种官能团的转变，在有机合成中具有广泛的用途，因此，对其反应历程的研究也就比较重要。

在亲核取代反应中，研究最多的是卤代烃的水解，在反应的动力学、立体化学，以及卤代物的结构，溶剂等对反应速率的影响等都有不少的资料。

根据化学动力学的研究及许多实验表明，卤代烃的亲核取代反应是按两种历程进行的，即双分子亲核取代反应（S N 2反应）和单分子亲核取代反应（S N 1反应）。

一、双分子亲核取代反应（S N 2反应）实验证明：伯卤代烃的水解反应为S N 2历程。

RCH 2Br+OH -→RCH 2OH+Br -，v =k [RCH 2Br]·[OH -]，v 为水解速率，k 为水解常数。

因为RCH 2Br 的水解速率与RCH 2Br 和OH -的浓度有关，所以叫做 双分子亲核取代反应（S N 2反应）。

1.S N 2反应机理：亲核试剂(Nu -)从离去基团(L)的背面进攻中心碳原子。

当亲核试剂与中心碳原子之间逐渐成键时，离去基团与中心碳原子之间的键逐渐断裂，新键的形成和旧键的断裂是同步进行的协同过程，其反应过程如下所示。

反应物(sp 3) 过渡态(sp 2)产物(sp 3) 2.S N 2反应的能量变化，可用反应进程-势能曲线图表示如下：S N 2反应进程中的能量变化3.S N 2反应的立体化学：背面进攻和构型翻转。

（1）背面进攻反应：在S N 2反应中，亲核试剂Nu -可以从离去基团的同一边或离去基团的背面进攻中心碳原子(C δ+)。

若从离去基团的同一边进攻，则亲核试剂与带负电荷的离去基团(L δ-)之间，除空间障碍外，还因同种电荷相互排斥使反应活化能升高，不利于反应的进行。

若从离去基团的背面进攻，则反应活化能较低，容易形成相对较稳定的过渡态，反应易于进行。

（2）构型翻转：在S N 2反应中，中心碳原子由反应底物时的sp 3杂化转变为过渡态时的sp 2杂化，这时亲核试剂与离去基团分布在中心碳原子的两边，且与中心碳原子处在同一直线上，中心碳原CδδNu C + L -δδNu C + L δδNu C + L -Nu子与它上面的其他三个基团处于同一平面内。

亲核取代反应一．亲核取代反应机理。

亲核取代反应是指有机分子中的与碳相连的原子或原子团被作为亲核试剂的某原子或原子团取代的反应。

反应分为SN1型（单分子取代反应），与SN2型双分子取代反应。

1.SN1型（单分子取代反应）第一步是碳原子上正电荷增加，离去基团负点性增加，经过过渡态（1）并最终解离，生成活性中间体碳正离子与离去基团负离子。

由于这一步反应的活化能较高，速率较慢，所以这一步是反应的决速步。

第二步是活性中间体的碳正离子与亲和试剂作用，生成反应产物。

这一步仅需少量能量，速率很快。

反应特点：(1)SN1反应的决速步是中心碳原子与离去基团之间化学键的异裂。

反应速率只取决于一种分子的浓度，因此，它在动力学上是一级反应。

(2)一般是一个两步反应。

第一步生成的碳正离子采取SP2杂化，是平面构型。

故若反应物的中心碳原子是手性碳，反应产物一般是一对等量的对映异构体的混合物——外消旋体。

(3)反应中间体生成的碳正离子导致反应有重排的趋势。

2.SN2型（双分子取代反应）反应中，离去基团离开中心碳原子的同时，亲核试剂与中心碳原子发生部分键合，无中间体生成。

有机反应中，将两种分子参与决速步的亲核取代反应陈伟双分子亲核取代反应。

反应特点：(1)SN2反应是一步反应，只有一个过渡态。

(2)在SN2反应中，亲核试剂进攻中心碳原子是总是从离去基团溴原子的背面沿着碳原子和离去基团连接的中心线方向进攻。

这个过程会使得碳原子与三个未参与反映的键发生翻转，这种翻转称为瓦尔登翻转，又称构型翻转。

二．影响亲核取代反应的因素1.烃基结构的影响。

对SN1反应，主要考虑碳正离子的稳定性。

对SN2反应，主要取决于过渡态形成的难易，也就是空间效应的影响。

2.离去基团的影响。

离去基团的性质对SN1和SN2将产生相似的影响:离去基团的离去能力越强，亲核取代反应越易进行。

对于离去基团:键能越弱，离去基团的稳定性越好，该离去基团的离去能力就越强。

3.亲核试剂的影响仅对SN2有影响。

溴乙烷与氢氧化钠水溶液反应机理溴乙烷是一种常见的有机卤素化合物，其化学式为C2H5Br。

氢氧化钠水溶液是一种强碱性溶液，能够与酸性物质反应。

当溴乙烷与氢氧化钠水溶液反应时，会发生一系列的化学反应，这些反应的机理可以通过以下几个方面来详细解释。

1. 溴离子的亲核取代反应在氢氧化钠水溶液中，OH-离子是一个强碱性亲核试剂。

当它与溴乙烷反应时，OH-离子会攻击C-Br键上的Br原子，从而产生一个亚胺离子中间体。

这个中间体是不稳定的，因为它具有正电荷和负电荷两个极性部分。

因此，在中间体形成后不久，它就会失去一个负电荷（即Br-离子），从而形成了一个醇类产物（C2H5OH）和一个卤素离子（Br-）。

这个过程称为亲核取代反应。

2. 烷基迁移在上述亲核取代反应中，生成的亚胺离子中间体是不稳定的。

因此，它会发生一个烷基迁移反应，即C2H5基团从C原子迁移到N原子上。

这个过程中，亚胺离子中间体的结构发生了变化，从而产生了一个新的中间体。

3. β-消除反应在烷基迁移反应之后，生成的新中间体是一个季铵盐。

这个季铵盐具有三个C-H键和一个C-N键。

由于C-N键比C-H键更容易断裂，因此在碱性条件下，它会发生β-消除反应。

这个反应会导致季铵盐分解成为一个亚胺和一个碱金属盐（如NaBr）。

在这个过程中，C-N键断裂，并且从季铵离子上脱落了一个H+离子。

4. 离子交换反应最后，在β-消除反应之后，生成的亚胺与氢氧化钠水溶液中的NaOH 分子进行离子交换反应。

这个过程产生了Na+离子和亚胺-Na+盐。

由于亚胺-Na+盐是不稳定的，因此它会进一步分解成为醇类产物和Na2CO3。

综上所述，溴乙烷与氢氧化钠水溶液反应的机理包括了亲核取代反应、烷基迁移、β-消除反应和离子交换反应。

这些反应的发生顺序是相互关联的，并且每一步都会导致中间体结构的变化。

整个反应过程是复杂而多步骤的，但可以通过详细分析每一个步骤来理解其机理。

有机合成中的β-消除反应摘要：本文阐述了消除反应的类型和各类型反应的机理和历程，并讨论了其影响因素。

关键字：β—消除、立体选择、过渡态、碳正离子消除反应是从一个分子中消除两个原子或基团而不被其它原子或基团所置换的反应。

它可以分为三类，若消去的2个原子连在同一个碳原子上，则称为α—消除反应，若2个消去的原子连在相邻的2个碳原子上，则称为β—消除反应，若2个消去的原子连在1，3位碳原子上，则称为γ—消除反应，其中β—消除反应最为重要。

其实质是从相邻的两个原子上消除两个原子或基团，形成一个新的双键或叁键。

β—消除反应包括的反应多，而该类反应涉及的反应条件、反应产物都比较复杂，且消除反应和取代反应常常相伴而行，反应历程也时有变化，因而比较复杂[1]。

但其在实际中有广泛的应用，如卤代烃的消除反应、磺酸酯的消除反应、季铵碱的消除反应[2].接下来本文将对β—消去反应的反应历程和影响因素作简要介绍。

1反应历程分类β—消去反应的历程有三种，即：单分子消除反应机理（E1）、双分子消除反应机理（E2）和碳负离子反应机理（E1cb）[4]。

1.1E1机理单分子消除为2步过程，第一步是离去基团带着一对电子离去，底物成为碳正离子；第二步是碳正离子从β位脱去一个质子，给予碱或溶剂,生成烯键，第一步速率较慢，是决定反应速率的步骤,E1机理中C—X键断裂在前，C(β)一H 键断裂在后,故常伴随碳正离子重排。

单分子消除反应的动力学特征是：速率=K[RX]影响反应快慢的因素有：第二步中生成碳正离子的稳定性，介质是否容易电离和是否易于使离子溶剂化，不同结构的卤代烷烃反应活性难易为1。

RX<2。

RX<3。

RX。

消除反应按E1历程进行时,中间体正碳离子的稳定性决定反应速度，产物的生成发生在第2步，产物的稳定性是决定消除反应择向的主要因素。

在E1反应里，不论作用物性质如何，总是形成双键碳上带有最多烷基的烯烃主产物；所以消除反应按E1历程进行时一般服从规则，但Saytzaff消除反应产物由于空间作用变得不稳定时，消除反应将遵Hoffmann规则1.2E2机理1.2.1双分子消除反应为一步反应，当碱进攻β—H时，β—C—H和α—C—H 同时均等协同地断裂，在过渡状态中5个原子团在同一个平面上，随后在α—碳和β—碳上生成π键。

亲核取代概念简介亲核取代（Nucleophilic Substitution）是有机化学中常见的一种反应类型。

该反应涉及到一个亲核试剂（Nucleophile）攻击有机物中的一个原子或基团，然后将其取代。

亲核取代是许多有机合成中的关键步骤，也是一种重要的化学反应类型。

亲核试剂亲核试剂是指那些具有富电子密度的试剂，可以通过将其电子提供给另一分子来实现亲核取代反应。

亲核试剂通常具有一个富电子的原子或基团，如氨基（NH2-）或羟基（HO-）。

在亲核取代反应中，亲核试剂提供一个电子对，以与原有分子中的一个离去基团形成键。

反应机理亲核取代反应的机理通常可以划分为两种类型：SN1（亲核取代一级）和SN2（亲核取代二级）反应。

SN1反应是一种两步反应，其中第一步是最慢的，因此它被称为速率控制步骤。

在SN1反应中，离去基团首先离开有机物形成一个正离子中间体。

然后亲核试剂攻击中间体并取代离去基团。

SN2反应是一种单步反应，其中离去基团和亲核试剂在同一步骤中同时发生。

在SN2反应中，亲核试剂首先与有机物形成一个过渡态，然后通过一个过渡态或过渡态类似物进行亲核取代。

应用领域亲核取代反应在药物合成、天然产物合成和有机合成中都有广泛的应用。

在药物合成中，亲核取代反应常用于引入药物分子中的特定官能团，以改变其生物活性或增加其溶解性。

例如，通过亲核取代反应引入氨基基团或羟基基团可以增强药物的活性或改善其水溶性。

在天然产物合成中，亲核取代反应被广泛用于构建复杂的分子结构。

通过选择合适的亲核试剂和有机物底物，可以实现高度选择性和效率的亲核取代反应，从而合成具有特定活性和结构的天然产物。

此外，亲核取代反应还可以用于有机合成中的其他关键步骤，如合成多苯基醚和脱保护等。

实例分析以SN1反应为例，考虑如下实例：反应底物：溴代甲烷（CH3Br）亲核试剂：氢氧根离子（HO-）在SN1反应中，溴代甲烷首先失去溴离子，形成一个正离子中间体：CH3Br → CH3+ + Br-然后，氢氧根离子攻击中间体，取代溴离子：CH3+ + HO- → CH3OH最终生成甲醇（CH3OH）作为主要产物。