第四章 亲核取代反应
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亲核取代
R C C X R C C X
R C C R+ C C C+ C
+
R C+ C
R
R 为H, alkyl, aryl时，易发生重排，并可能 形成非经典碳正离子。 当R为R2N、Ph、R、CO2-、Br等基团时， 易发生邻基参与反应。
A Unified Theory of Aliphatic Nucleophilic Substitution
C…X
C…Y
C+ Y+Reaction coordinate
SN2反应为bimolecular反应，表现为二级 动力学方程，动力学方程为： rate=k[Nu][RX] 但是，观察不到二级动力学并不意味着反应不 按双分子基元反应进行，如溶剂解反应。 SN1反应为非基元反应，通常碳正离子的 形成为rate-determining：
Rate = k[HO-][R3N+R']
CH3 HOH3C N+ CH3 CHPh2 Ph2CHOH + N(CH3)3
Rate = k[Ph2CHN(CH3)3+]
SN2(Substitution Nucleophilic Bimolecular) SN1(Unimolecular)
[Y…C…X]
k1k2 [RX][Nuc-] k-1
虽然为二级动力学反应，但不是SN2反应。例如 Ph3CHCl在苯中与甲醇的反应。不过这种情况 很少。
在上述历程中，关键的问题是离去基团的离去 和亲核试剂的进攻的时机(timing)。在溶剂解反 应中，这一问题由于溶剂的亲核参与而变得更 为复杂。为了评价溶剂的电离能力，Grunwald & Winstein 用t-BuCl的溶剂解反应为基准，建立 了溶剂电离能力的线性自由能关系。
亲核取代
CH 3 CH 3 C CH 2Br CH 3
C2H5O SN1
-
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 1° C
+
重排
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 C 3°
+
OC2H5 CH 3 CH 3 C CH CH 3
-H
小结SN1的特点： ①分步进行 ②决速步骤为C－X解离，单分子反应，有 v=k[RX] ③有C＋中间体，构型保持与构型转化机率相同 ④常伴有C＋的重排
相对速度 150
1
0.01
0.001
因而,按SN2历程进行反应时,卤烷活性次序一般为: CH3X > 伯卤烷 > 仲卤烷 > 叔卤烷.
2015年12月9日 15
SN2反应中的空间效应
立体效应：碳原子上的甲基能阻碍亲核试剂的 接近,提高了反应的活化能而使反应速度降低. 电子效应：碳原子上的氢被烷基取代后, 碳原 子上的电子云密度将增加 ,也不利于亲核试剂对反 应中心的接近. 一般认为:立体效应的影响大于电子效应.
R1 R1 C R2 R3 Br
a
C R2 R3 HO
b
R1 HO C R2 R3
a 构型转化
+
R1 C OH R2 R3
b 构型保持 外消旋体
2015年12月9日
7
(2)特点二：反应有重排。
C2H5OH
CH 3 CH 3 C CH 2OC2H5 CH 3 CH 3
C2H5OH CH C CH 2 CH 3 3
>
RCH2
>
CH3
SN1反应的速度是：
R3C-X R CH-X CH2=CHCH2-X > 2
影响亲核取代反应的因素
影响亲核取代反应的因素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。
亲核取代和亲电取代机理
亲核取代和亲电取代机理亲核取代和亲电取代是有机化学中两种常见的取代反应机理。
它们分别指的是通过亲核试剂和亲电试剂进行的取代反应。
亲核取代是指以亲核试剂作为反应物，亲核试剂中的亲核原子攻击原有化合物的电子，将其替代出来的反应。
亲核试剂通常是带有孤对电子或具有亲电子云的化合物，如氢氧根离子（OH-）、氯离子（Cl-）等。
在亲核取代反应中，亲核试剂攻击原有化合物中具有较高反电子密度的原子，如卤素原子、烷基碳原子等。
亲核取代反应中，亲核试剂中的亲核原子与原有化合物中的原子形成新的化学键，使原有化合物中的原子被替代掉。
这种反应机理常见于醇的酯化反应、卤代烃的取代反应等。
亲电取代是指以亲电试剂作为反应物，亲电试剂中的亲电子云攻击原有化合物的电子，将其替代出来的反应。
亲电试剂通常是带有正电荷或具有亲电子云的化合物，如卤代烃、酸酐等。
在亲电取代反应中，亲电试剂中的亲电子云与原有化合物中的原子形成新的化学键，使原有化合物中的原子被替代掉。
亲电取代反应中，亲电试剂中的正电荷或亲电子云攻击原有化合物中的电子密度较高的原子，如孤对电子、芳环上的π电子等。
这种反应机理常见于卤代烃的取代反应、酯的水解反应等。
亲核取代和亲电取代机理之间存在一定的区别。
首先，在反应物的选择上，亲核取代需要选择具有亲核性的试剂，而亲电取代需要选择具有亲电性的试剂。
其次，在反应过程中，亲核取代是通过亲核试剂攻击原有化合物中的电子实现的，而亲电取代是通过亲电试剂攻击原有化合物中的电子实现的。
此外，在反应速率上，亲电取代的速率通常较快，而亲核取代的速率较慢。
另外，反应的产物也有所不同，亲核取代反应通常会产生亲核试剂中的原子或基团替代原有化合物中的原子或基团，而亲电取代反应通常会产生亲电试剂中的原子或基团替代原有化合物中的原子或基团。
总结起来，亲核取代和亲电取代是有机化学中常见的取代反应机理。
亲核取代通过亲核试剂攻击原有化合物中的电子，亲电取代通过亲电试剂攻击原有化合物中的电子。
4卤代烷 亲核取代反应
-
V=[(CH3)3CBr] 特点： 特点：①单分子反应 ②反应是分步进行的 ③有活性中间体正碳离子生成。 有活性中间体正碳离子生成。
第一步： 第一步：
CH3 CH3 C Br CH3 CH3
[ CH3
Cδ
+
δ Br
]
CH3 CH3 C
+
+ Br
-
CH3
CH3
第二步： 第二步：
CH3 CH3 C
+
共轭效应本质上是电子离域效应, 电子离域效应 共轭效应本质上是电子离域效应,电子密度 从高往低跑. 从高往低跑.
（2）共轭体系的分类 ） 共轭： ①π-π共轭： 共轭 CH2=CH-CH=CH2 1，3-丁二烯 ， 丁二烯
π
π
共轭： ②p -π共轭：
..
=CHCH2=CH-Cl
氯乙烯
=CHCH2=CH-CH2·
一、亲核取代反应
Br
CH3O
-
O
和卤代烷起作用的是OH OH¯ CN¯ 1. 和卤代烷起作用的是OH 、CN 、和 :NH3 等负离子或带有未共用电子对的分子，它们具 负离子或带有未共用电子对的分子， 有亲核性质。 有亲核性质。 2. 含这些负离子的试剂或含未共用电子对 分子的物质叫亲核试剂。 分子的物质叫亲核试剂。 亲核试剂 3. 由亲核试剂的进攻而引起的取代反应叫 亲核取代反应，简写作S 亲核取代反应，简写作SN。
H C CH2 C H CH2
结构式： 结构式： H2C=CH-CH=CH2
1，3-丁二烯分子中的大 键 ， 丁二烯分子中的大 丁二烯分子中的大π键
2. 共轭二烯烃的特点 （1）键长平均化 共轭体系能量降低，分子稳定。 （2）共轭体系能量降低，分子稳定。 3. 共轭效应 （1）概念 在共轭体系中，各原子之间相互影响, 在共轭体系中，各原子之间相互影响,使得体 电子云密度和键长趋向平均化 键长趋向平均化、 系电子云密度和键长趋向平均化、体系趋于稳 的电子效应称为共轭效应 共轭效应。 定的电子效应称为共轭效应。
芳香族亲核取代反应
特点
该反应通常需要使用路易斯酸或质子 酸等催化剂，反应过程中通常伴随着 电子重排。
反应机理
01
02
03
第一步
亲核试剂向芳香环的π电 子云靠拢，形成络合物。
第二步
亲核试剂进攻中心碳原子， 形成碳正离子中间体。
第三步
离去基团离去，形成产物。
反应类型
烷基取代
如苯环上的氯原子被甲基 取代。
酰基取代
如苯甲酰氯上的氯原子被 苯甲酰基取代。
羟基取代
如苯酚上的氢原子被醇基 取代。
02 影响芳香族亲核取代反应 的因素
离去基团的影响
• 离去基团的影响：离去基团对芳香族亲核取代反应的速率和选 择性起着关键作用。离去基团越容易离去，反应速率越快。例 如，卤素离去基团（如氯、溴、碘）相对于其他离去基团（如 硝基、磺酸基）更容易离去，因此芳香族化合物与卤代烃的反 应通常更快。
性、催化剂的种类和浓度、反应温度和时间等。同时，对实验结果进行
讨论，总结实验的优缺点和改进方向。
05 芳香族亲核取代反应的最 新研究进展
新型反应机理的研究
新的反应机理
近年来，科研人员对芳香族亲核 取代反应的机理进行了深入研究， 发现了一些新的反应路径和中间 体，有助于更深入地理解反应过
程。
动力学研究
亲核试剂的影响
• 亲核试剂的影响：亲核试剂的活性对芳香族亲核取代反应的 速率和产物构型有重要影响。亲核试剂的活性越高，反应速 率越快。例如，醇钠、胺和硫醇等强亲核试剂与芳香族化合 物的反应速率通常较快。
溶剂的影响
• 溶剂的影响：溶剂对芳香族亲核取代反应的速率和 产物构型也有显著影响。极性溶剂通常促进反应进 行，因为它们可以更好地溶解反应物并促进离子间 的相互作用。例如，在极性溶剂如水中，醇与卤代 烃的反应速率通常较快。
该反应通常需要使用路易斯酸或质子 酸等催化剂，反应过程中通常伴随着 电子重排。
反应机理
01
02
03
第一步
亲核试剂向芳香环的π电 子云靠拢，形成络合物。
第二步
亲核试剂进攻中心碳原子， 形成碳正离子中间体。
第三步
离去基团离去，形成产物。
反应类型
烷基取代
如苯环上的氯原子被甲基 取代。
酰基取代
如苯甲酰氯上的氯原子被 苯甲酰基取代。
羟基取代
如苯酚上的氢原子被醇基 取代。
02 影响芳香族亲核取代反应 的因素
离去基团的影响
• 离去基团的影响：离去基团对芳香族亲核取代反应的速率和选 择性起着关键作用。离去基团越容易离去，反应速率越快。例 如，卤素离去基团（如氯、溴、碘）相对于其他离去基团（如 硝基、磺酸基）更容易离去，因此芳香族化合物与卤代烃的反 应通常更快。
性、催化剂的种类和浓度、反应温度和时间等。同时，对实验结果进行
讨论，总结实验的优缺点和改进方向。
05 芳香族亲核取代反应的最 新研究进展
新型反应机理的研究
新的反应机理
近年来，科研人员对芳香族亲核 取代反应的机理进行了深入研究， 发现了一些新的反应路径和中间 体，有助于更深入地理解反应过
程。
动力学研究
亲核试剂的影响
• 亲核试剂的影响：亲核试剂的活性对芳香族亲核取代反应的 速率和产物构型有重要影响。亲核试剂的活性越高，反应速 率越快。例如，醇钠、胺和硫醇等强亲核试剂与芳香族化合 物的反应速率通常较快。
溶剂的影响
• 溶剂的影响：溶剂对芳香族亲核取代反应的速率和 产物构型也有显著影响。极性溶剂通常促进反应进 行，因为它们可以更好地溶解反应物并促进离子间 的相互作用。例如，在极性溶剂如水中，醇与卤代 烃的反应速率通常较快。
第四章亲核取代反应
（2）周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂， 电负性大，亲核性小，碱性也小。如：
NH2－ > HO－＞Ｆ－
R3C－ > R2N－ > RO－ > F－
(2) 溶剂效应
溶剂效应对亲核取代反应所起的作用，不仅是重要的， 而且是复杂的，主要是通过影响过渡态的稳定性从而影 响反应活化能，以达到影响反应速率。
表3 1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率
离去基团
k相对
离去基团
k相对
CF3SO3－
p-硝基苯磺酸根
离子
p- 甲 苯 磺 酸 根 离 子
CH3SO3－ I－ Br－
1.4×108 4.4×105
3.7×104
3.0×104 91 14
CF3C2－ Cl－ F－ p-硝基苯甲酸 根离子
CH3CO2－
NaBr
CH3CH2CHCH3 Br
CH3CH2C+ HCH2Br-
(4) 空间效应
SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上 的三角双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：
Nu:- + C L
δ
δ+ δ -
Nu C
L
Nu C
+ L:-
T .S
显然，反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积越 大，过渡态的中心碳原子周围的拥挤程度就越严重， 必然会显著地降低反应速率。对于SN2历程的反应，α 或β碳上有分支、空间位阻愈大，都使反应速率减慢。
7
4
5
3
1
6
+ 2
（1）同烯丙基非经典碳正离子：同烯丙基非经典碳 正离子中的荷正电的碳原子与双键之间有一个碳原
高等有机第四章+饱和碳原子上的亲核取代反应
其反应机理为：
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
1、P533 SN2立体化学（Walden转化）发展历史
2、SN2的进攻方式 进攻试剂从C——X键的反面进攻，电子首先进入C——X键 的反键轨道，在过渡态中，分子呈直线性。
Nu
C
L
P534~535磺酸酯分子间反应，证明直线性反应
苏型
外消旋体
机制：
H H CH 3 S Br R OH 的构型为2R,3S，其稳定构象是 CH 3 CH 3 H S Br R H HO CH 3 H3C 即 Br H HO H CH 3
H3C Br
H HO H + HBr CH 3
H3C
H Br H2O H CH 3 S Br R Br CH 3 +Br CH 3
CH3 CH3
Cl
Cl
烯丙型和苄基型卤代烃的SN2速度加快。
当烯丙型和苄基型卤代烃以SN2历程进行时，由于键的存在， 可以和过渡态电子云交盖，形成p-π共轭，使过渡态能量降 低，从而有利于SN2反应。
X
HO CH2 CH CH2
Cl
H H
OH
烯丙基氯 的SN2反应
k1
CH 2SEt
SEt + SCN CH 2SCN
S－ 1-氯苯乙烷
H
O
S Ph C Cl H3C O
+ HCl
在乙醚中，HCl不溶，挥发掉。
H O Ph H3C H C O S Ph C Cl H3C O Cl S O H C + SO2 Ph Cl H3C R-1-氯苯乙烷 （构型保持）
Nu ＋ R'CH2 L
δ
H H
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
1、P533 SN2立体化学（Walden转化）发展历史
2、SN2的进攻方式 进攻试剂从C——X键的反面进攻，电子首先进入C——X键 的反键轨道，在过渡态中，分子呈直线性。
Nu
C
L
P534~535磺酸酯分子间反应，证明直线性反应
苏型
外消旋体
机制：
H H CH 3 S Br R OH 的构型为2R,3S，其稳定构象是 CH 3 CH 3 H S Br R H HO CH 3 H3C 即 Br H HO H CH 3
H3C Br
H HO H + HBr CH 3
H3C
H Br H2O H CH 3 S Br R Br CH 3 +Br CH 3
CH3 CH3
Cl
Cl
烯丙型和苄基型卤代烃的SN2速度加快。
当烯丙型和苄基型卤代烃以SN2历程进行时，由于键的存在， 可以和过渡态电子云交盖，形成p-π共轭，使过渡态能量降 低，从而有利于SN2反应。
X
HO CH2 CH CH2
Cl
H H
OH
烯丙基氯 的SN2反应
k1
CH 2SEt
SEt + SCN CH 2SCN
S－ 1-氯苯乙烷
H
O
S Ph C Cl H3C O
+ HCl
在乙醚中，HCl不溶，挥发掉。
H O Ph H3C H C O S Ph C Cl H3C O Cl S O H C + SO2 Ph Cl H3C R-1-氯苯乙烷 （构型保持）
亲核取代反应
10% NaOH 350-400℃,20-30MPa
ONa
+ NaCl + H2O
Cl + 2NaOH NO 2 Cl NO 2 + 2NaOH NO 2
10% NaOH 160℃,0.6MPa
NO 2 ONa
+ NaCl + H2O
10% NaOH 100℃,常压
NO 2
NO 2 + NaCl + H2O
双分子历程（SN2）
Nu : + R－X
亲核试剂
[Nu··R··X] ·· ·· ·· ··
过渡态
Nu－R + X
-
离去基团
H OH-: + H C X H
慢
H H δHO C X
δ-
H
HO C H + X: H
H
单分子历程（SN1）
第一步 R－X
慢
+ R +X
快
第二步
+ R + Nu :
R－Nu
2.3 亲核取代反应
反应通式： R-H ＋ ZR-H ＋ Z-Y R-Z ＋ HR-Z ＋ H-Y
脂肪族化合物的亲核取代 芳香族化合物的亲核置换
芳环上氢的亲核取代
2.3.1 脂肪族化合物的亲核取代反应
反应历程：双分子历程 单分子历程
反应的影响因素：作用物结构
被取代离去基团 亲核试剂 溶剂
2.3.1.1 反应历程
2.3.3.1 反应历程
双分子历程
X + Y
X
Y
Y
慢
. - . .. . . .
大学有机化学反应方程式总结亲电加成和亲核取代反应
大学有机化学反应方程式总结亲电加成和亲核取代反应在有机化学中，亲电加成和亲核取代反应是两种常见的反应机理。
它们在有机合成中具有重要的地位，能够合成各种有机化合物。
本文将对亲电加成和亲核取代反应的机理和常见的反应方程式进行总结。
亲电加成反应是指通过亲电试剂攻击有机化合物中的亲电性较强的部分，从而形成共价键和新的化合物。
亲电试剂可以是正离子或中性分子，常见的有卤代烷、氯化亚砜、硫酮等。
亲电加成反应的机理通常包括四个步骤：1. 亲电试剂进攻：亲电试剂通过正电荷或δ+部分攻击有机分子的亲电性较强的部分；2. 形成共价键：亲电攻击后形成新的化学键，生成中间体；3. 步骤二反应完成：通过负离子或中性分子的攻击，使得步骤二生成的中间体去离子，生成产物；4. 氢离子回收：再生负离子或中性分子的离子，进行下一轮反应。
亲电加成反应的反应方程式常常以杂环化合物的形式出现，例如：环氧化酮的开环反应、环胺的开环反应等。
下面是几个亲电加成反应的常见例子：1. 环氧化酮的开环反应：[图1]2. 氨的亲电加成反应：[图2]3. 烯烃的亲电加成反应：[图3]亲核取代反应是指通过亲核试剂攻击有机分子中较强亲核性的部分，从而发生反应。
亲核试剂可以是负离子或中性分子，常见的有水、氨、醇等。
亲核取代反应通常包括三个步骤：1. 亲核试剂进攻：亲核试剂通过负离子或δ-部分攻击有机分子的亲核性较强部分；2. 形成新的化学键：亲核攻击后，在反应物中形成新的共价键；3. 步骤二反应完成：通过离子或中性分子的离去，生成产物。
亲核取代反应的常见反应方程式有醇的取代反应、酯的加水反应等。
下面是几个亲核取代反应的常见例子：1. 醇的取代反应：[图4]2. 酯的加水反应：[图5]3. 卤代烃的取代反应：[图6]亲电加成和亲核取代反应是大学有机化学中重要的反应机制，对于有机化合物的合成有着重要的意义。
在实际应用中，根据具体反应需要选择适当的试剂和条件，合理设计反应方程式，才能获得所需的产物。
亲核取代反应及其影响因素
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。
亲核取代反应
AcO AcO
2
hv H C OAc MeCN-H O 2
AcO AcO
2
CH
碳正离子为平面结构或近于平面结构。桥头碳原子不能形成平 面结构，因此，桥头上的SN1反应不能或极难进行。 1-氯莰烷 (1-chlorocamphane)在80％乙醇溶液中与30％KOH一起回流21h 也不能起反应。
Cl 二苯基氯甲烷在液态 SO2溶液中分别与各种浓度的 F、 吡啶和 三乙胺反应，虽然试剂的亲核性不同，其反应速率差不多是一 样的，说明在决定反应速率的步骤中没有亲核试剂的参加。 SO2 Nu Ph CHNu + Ph2CHCl Ph2CH Cl 2
O CHCH3 O2S SO2 O CHCD3 O2S SO2 O CHCD3 O2S SO2 O CHCH3 O2S SO2
CH3 25%
CD3 25%
CH3 25%
CD3 25%
在这里分子内反应之所以不易进行，是因为Nu、 中心碳原子C 和离去基X没法在一条直线上。因此，在SN2反应中， Nu、 中 心碳原子和离去基X在一条直线上是最容易进行的。
慢 快
因为中间体碳正离子为平面结构，亲核试剂从平面两边进攻的几 率应相等，即中心碳原子构型反转和保持的机会相等。如中心碳 原子是手性碳，经SN1反应应得完全外消旋化的产物。但实验结果 比较复杂。反应动力学为一级的亲核取代反应中生成完全外消旋 化产物的例子不少，但也有部分构型反转和部分构型保持的例子。
(-)-HO2CCH2CHClCO2H AgOH
(-)-氯代丁二酸
KOH PCl5
(-)-HO2CCH2CH(OH)CO2H KOH PCl5
(+)-HO2CCH2CH(OH)CO2H AgOH
亲核取代反应
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。
亲和取代反应总结
亲核取代反应总结1、反应定义：亲核取代反应（Nucleophilic Substitution Reaction）是指有机分子中与碳相连的某原子或基团被作为亲核试剂的某原子或基团取代的反应。
在反应过程中，取代基团提供形成新键的一对电子，而被取代的基团则带着旧键的一对电子离去.2、反应意义:这类反应是有机化学中非常重要的一类反应，不论在理论研究中还是在有机合成实际中都是极其有用的一类反应.3、反应分类：亲核取代反应的主要类型为脂肪族饱和碳上的亲核取代反应,即饱和卤代烃与亲核试剂的取代反应，较特殊结构的有苄基卤代物、烯丙基卤代物亲核反应。
其他类型还包括与酰氯、磺酸酯、磺酰卤、卤代苯等的取代反应.从电荷类型来分,亲核取代反应只能有四种类型：(1)中性底物和负离子亲核试剂反应(2)中性底物和中性亲核试剂反应(3)正离子底物和负离子亲核试剂反(4）正离子底物和中性亲核试剂反应亲核试剂包括有机和无机两类分子或离子：无机类亲核试剂:OH—、CN-、X—、H2O、NH3等有机类亲核试剂:ROH、RO—、PhO-、RS—、RMgX、RCOO-等4、反应机理类型分类：（1）双分子亲核取代反应（S N2)有两种分子参与了决定反应速率关键步骤的亲核取代反应称为双分子亲核取代反应。
反应过程中，亲核试剂从反应物离去基团的背面向与它连接的碳原子进攻，先与碳原子形成比较弱的键，同时离去基团与碳原子的键有一定程度的减弱，两者与碳原子成一条直线，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变成平面，这需要消耗能量，即活化能，当反应进行和达到能量最高状态即过渡态后，亲核试剂与碳原子之间的键开始形成，碳原子与离去基团之间的键断裂，碳原子上三个键由平面向另一边偏转，整个过程犹如大风将雨伞由里向外反转一样，这时就要释放能量，形成产物，S N2反应机理一般式表示为：Nu-+R X[Nuδ-···R···Xδ- ] NuR+X—例如，溴甲烷与OH—的水解反应：（2)单分子亲核取代反应（S N1)只有一种分子参与了决定反应速率关键步骤的亲核取代反应称为单分子亲核取代反应,反应中，反应物首先解离成碳正离子与带负电荷的离去基团，这个过程需要能量，是控制反应速率的一步，即慢的一部.当分子解离后，碳正离子马上与亲核试剂结合，速率极快，是快的一步。
亲和取代反应总结
亲核取代反应总结1、反应定义：亲核取代反应(Nucleophilic Substitution Reaction)是指有机分子中与碳相连的某原子或基团被作为亲核试剂的某原子或基团取代的反应。
在反应过程中，取代基团提供形成新键的一对电子，而被取代的基团则带着旧键的一对电子离去。
2、反应意义：这类反应是有机化学中非常重要的一类反应，不论在理论研究中还是在有机合成实际中都是极其有用的一类反应。
3、反应分类：亲核取代反应的主要类型为脂肪族饱和碳上的亲核取代反应，即饱和卤代烃与亲核试剂的取代反应，较特殊结构的有苄基卤代物、烯丙基卤代物亲核反应。
其他类型还包括与酰氯、磺酸酯、磺酰卤、卤代苯等的取代反应。
从电荷类型来分，亲核取代反应只能有四种类型：(1)中性底物和负离子亲核试剂反应(2)中性底物和中性亲核试剂反应(3)正离子底物和负离子亲核试剂反(4) 正离子底物和中性亲核试剂反应亲核试剂包括有机和无机两类分子或离子：无机类亲核试剂：OH -、CN -、X -、H 2O 、NH 3等有机类亲核试剂：ROH 、RO -、PhO -、RS -、RMgX 、RCOO -等4、反应机理类型分类：（1）双分子亲核取代反应(S N 2)有两种分子参与了决定反应速率关键步骤的亲核取代反应称为双分子亲核取代反应。
反应过程中，亲核试剂从反应物离去基团的背面向与它连接的碳原子进攻，先与碳原子形成比较弱的键，同时离去基团与碳原子的键有一定程度的减弱，两者与碳原子成一条直线，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变成平面，这需要消耗能量，即活化能，当反应进行和达到能量最高状态即过渡态后，亲核试剂与碳原子之间的键开始形成，碳原子与离去基团之间的键断裂，碳原子上三个键由平面向另一边偏转，整个过程犹如大风将雨伞由里向外反转一样，这时就要释放能量，形成产物，S N 2反应机理一般式表示为：Nu -+ R X [Nuδ-···R···X δ- ] NuR + X -例如，溴甲烷与OH -的水解反应：（2）单分子亲核取代反应(S N 1)只有一种分子参与了决定反应速率关键步骤的亲核取代反应称为单分子亲核取代反应，反应中，反应物首先解离成碳正离子与带负电荷的离去基团，这个过程需要能量，是控制反应速率的一步，即慢的一部。
亲核取代反应
第四章： 亲核取代反应
取代反应是指化合物的原子或原子团被其它原子或原 子团所取代的反应。
（1）亲核取代 （2）亲电取代 亲核取代反应： （A）中性底物 + 中性亲核体
（3）游离基取代
R X + Y : R Y + + X : -
（B）中性底物 + 负离子亲核体 R X + Y : - R Y + X : -
（b）位于α位的双键、叁键及芳基的影响
X ,
X , A r X
无论SN1或SN2 都很慢或不反应。
原因之一：是由于SP杂化碳原子和SP2杂化碳原 子的电负性高，对电子有较大的引力，在亲核 取代作用中离去原子团带着它的一对成键电子 离去，因此SP3杂化碳原子相对来说比SP2杂化 碳原子及SP杂化碳原子更容易失去离去原子团 和电子对。
原子上，则生成的醇构型与反应物卤代烷的构型 正好相反。如（S）-2-溴辛烷与氢氧化钠的乙醇 水溶液反应得到（R）-2-辛醇。
H13 C6
CBr+NaO H
H C H3
S
C6 H13
H O C +NaBr
H
R C H3
[α]=-34.6°
[α]=+9.9°
S N 2 反应机理：
NNNNuuNuuNNuNuNuuu
在SN2反应中，卤代烷的活性次序为： CH3X伯卤代烷仲卤代烷叔卤代烷
-碳上的基团体 积
较小，进攻试 剂接近-碳
原子的阻力较小
-碳上取代基增加， 进攻试剂接近
-碳原子的阻力增 加
RBr+ I 丙酮 R I+ Br
H 烃基结H 构对SN2速C 率H3 的影响 C H3
取代反应是指化合物的原子或原子团被其它原子或原 子团所取代的反应。
（1）亲核取代 （2）亲电取代 亲核取代反应： （A）中性底物 + 中性亲核体
（3）游离基取代
R X + Y : R Y + + X : -
（B）中性底物 + 负离子亲核体 R X + Y : - R Y + X : -
（b）位于α位的双键、叁键及芳基的影响
X ,
X , A r X
无论SN1或SN2 都很慢或不反应。
原因之一：是由于SP杂化碳原子和SP2杂化碳原 子的电负性高，对电子有较大的引力，在亲核 取代作用中离去原子团带着它的一对成键电子 离去，因此SP3杂化碳原子相对来说比SP2杂化 碳原子及SP杂化碳原子更容易失去离去原子团 和电子对。
原子上，则生成的醇构型与反应物卤代烷的构型 正好相反。如（S）-2-溴辛烷与氢氧化钠的乙醇 水溶液反应得到（R）-2-辛醇。
H13 C6
CBr+NaO H
H C H3
S
C6 H13
H O C +NaBr
H
R C H3
[α]=-34.6°
[α]=+9.9°
S N 2 反应机理：
NNNNuuNuuNNuNuNuuu
在SN2反应中，卤代烷的活性次序为： CH3X伯卤代烷仲卤代烷叔卤代烷
-碳上的基团体 积
较小，进攻试 剂接近-碳
原子的阻力较小
-碳上取代基增加， 进攻试剂接近
-碳原子的阻力增 加
RBr+ I 丙酮 R I+ Br
H 烃基结H 构对SN2速C 率H3 的影响 C H3
亲核取代反应的机理及影响因素
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 i, 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 C发生S N2反应时的相对反应速率为：相对转化速CSI2)CfeBr > CaHsBr〉(CHa) sCHBr > (CHoJjCBr$0 1 a 4210^ 】尸如果在卤代烷的俟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(a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C2H5OH溶剂中C2H5ONa与下面各溴代烷于 55C发生 S N2反应的相对反应速率为：反应物CH3CH 2B CH3CH2CH2B (CH 3)2CHCH 2B (CH 3)3CCH 2B r r r r相对速率100 28 3.0 4.2 X O-4综上所述，卤代烷进行S2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：RX的亲核取代轲性:;(%X > i°RX > 2°RX >S H2反应时立体隹阻2.烷基的结构对S N1反应的影响在S N1反应中，由于决定反应速率的步骤是碳正离子的生成。
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在双环烯烃（V），（VI）和（VII）中较低级同 系物的五员环比较高级同系物的五员环折叠程度 更大，π键与展开的正电荷间的距离缩短，有利 于背面参与作用。
X X X
(V) k
相对
( VI ) 5× 10
2
( VII ) 2.5× 106
:
1
4.4 影响亲核取代反应速率的因素
(1)试剂的亲核性
对于SN1反应，亲核试剂不参与速率控制步骤，因 此影响较小。但对于SN2反应，亲核试剂亲核性能的强 弱将对SN2反应的速率产生极大的影响。 亲核试剂都有未共用电子对，是路易斯碱。一般 说来，试剂的碱性强，亲核能力也强，但碱性与亲核 性不完全等同。碱性是指试剂对质子的亲合能力，而 亲核性则是指试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能 力；第二，碱性是指对热力学平衡的影响，与平衡常 数有关；而亲核性则意味着对动力学过渡态情况，直 接影响反应速率；第三，碱性很少受到空间因素影响， 而亲核性对空间效应的影响很敏感。
HO
+
X
(I)
( II )
X
( III )
( IV )
Cl (a) (b) Cl
(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
H
OTs
HOAc +
保持构型
TsO
H
O
Ac H H
构型反转
OAc
反式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解反应比相应 的饱和化合物快1011倍，得到唯一产物反式乙酸酯， 比顺式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解速度快 107倍，是由于反式产生了强有力的邻基促进而形成同 烯丙基非经典碳正离子。
表1
反应类型
SN2反应中溶剂极性影响情况
过渡态相对 于作用物的 电荷变化
电荷增加 电荷减少
增加溶剂 极性后速 率变化
速率加快 速率减慢
δδ+ Nu+R-L→[Nu…R…L]→Nu-R+L δδ+ Nu-+R-L+→[Nu…R…L]→Nu-R+L δ- δNu-+R-L→[Nu…R…L]→Nu-R+Lδ+ Nu+R-L+→[Nu…R…L]→Nu+-R+L
ν = k1 R L
反应分两步进行
慢
第一步 正碳离子的生成：
R+ + L
-
R L R L 第二步 亲核试剂进攻正碳离子：
δ
δ
R+ + Nu
- 快
R Nu
第一步是决定 反应速率的一步。
例如： 二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：
Ph2CH
丙酮 Cl 慢
Ph2CH + Cl
+
Ph2CH
+
H2O
Ph2CH OH
4 5 6 1 + 2 3
（1）同烯丙基非经典碳正离子：同烯丙基非经典碳 正离子中的荷正电的碳原子与双键之间有一个碳原 子： 外向和内向-降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。Roberts认 为在化合物（I）的离解作用中能发生背后的同烯丙 基参与作用，而在化合物（II）中则不能发生这种同 烯丙基参与作用。
溶剂 相对速率 乙醇 １ 80%乙醇+20%水 10 50%乙醇+50%水 水 2０ 1450
在SN2反应中，溶剂的影响情况比较复杂。如 果过渡态的电荷比反应物有所增加，溶剂极性 加大，更能稳定过渡态，使反应速率加快；如 果过渡态的电荷比作用物有所减少或过渡态的 电荷更加分散，则溶剂极性增加更能稳定反应 物分子，不利于过渡态的生成，使反应速率减 慢（见下表）。
CH3CH2CHCH2Br-
+
O+H2
NaBr
(4) 空间效应
SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上 的三角双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：
δ Nu δ + δ L C T .S Nu C + L:
-
Nu:
-
+
C
L
显然，反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积 越大，过渡态的中心碳原子周围的拥挤程度就越严重， 必然会显著地降低反应速率。对于SN2历程的反应，α 或β碳上有分支、空间位阻愈大，都使反应速率减慢。
电荷分散
电荷分散
速率减慢
速率减慢
常用溶剂的极性可以它们的介电常数来表示. 表2 常用质子性和非质子性溶剂的介电常数ε
质子性溶剂 ε 非质子性溶 剂 二甲亚砜 N,N-二甲基 亚酰胺 丙酮 氯仿 乙醚 苯 四氯化碳 氯苯 硝基苯 乙腈 ε
水 甲醇 乙醇 1-丙醇 2-丙醇 醋酸 甲酸 氢氟酸 甲酰胺 氢氰酸
+
⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
+ NuRL
+ ClCH3OH2
+
+
R Nu +L
CH3Cl +H2O
4.2 亲核取代反应的机理
1. 单分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( SN 1)反应机理 + LR Nu R L + Nu
对于SN1反应来说，在速度控制步骤的解 离过程中，中心碳原子由原来的sp3 杂化的 四面体变为sp2 杂化的平面或近于平面的碳 正离子，一定程度解除了拥挤状态（Ｂ张力 的解除）。中心碳原子上取代基越多，取代 基体积越大，过渡态中拥挤状态减轻的相对 程度就更大，速率的增加也就更显著。 按SN1历程进行的反应，α碳原子的分支 使反应速率增加。主要原因是碳正离子的稳 定性，通常叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳正 离子。β位的分支对于SN1反应速率的影响 较小，通常是β分支加大，SN1反应速率仅 略有增加。
具有正电荷的三价碳原子称为碳正离子，它 以SP2 杂化轨道与其它三个原子或原子团键 连，利用拉曼光谱，红外光谱和核磁共振的 研究表明简单的烷基正离子为平面构型，三 苯甲基正离子利用核磁共振谱证明为螺旋浆 结构
+
C
如果能用个别的路易斯结构式来表示,其碳正 离子的价电子层有六个电子，与三个原子或原 子团键连，如 +CH3 ，R3C+ 等称为经典碳正离 子。相反地，如果不能用个别的路易斯结构式 来表示，这类碳正离子具有一个或多个碳原子 或氢原子桥连两个缺电子中心，这些桥原子具 有比一般情况高的配位数的碳正离子称非经典 碳正离子： 7
一些碱性强的基团如-OH、–OR、–NH2、–NHR、– NR2则是很差的离去基团，难以离去。但在酸性条件 下被质子化后，变成相应的共轭酸HOH、HOR、HNH2、 RNH2，大大增强了离去能力，因此，醇、醚、胺能在 酸性溶液中起取代反应。如：
CH3CH2CHCH 3 Br
HBr CH3CH2CHCH3Br - H2O
，不仅是重要的， 而且是复杂的，主要是通过影响过渡态的稳定性从而影 响反应活化能，以达到影响反应速率。 绝大部分SN1反应是由中性分子离解成带电荷的离子， 过渡态的电荷比反应物有所增加。溶剂极性增加，使过 渡态的能量降低，从而降低反应的活化能，使反应加速。 δ+ δＲ－Ｌ ［Ｒ…Ｌ］ Ｒ＋＋Ｌ－ 例如叔卤代烷的溶剂解反应随溶剂极性增加而加速。 SN1反应： (CH3)3C-Br + Sol-OH (CH3)3C-O-Sol + HBr
按SN 1 机理进行反应的 体系：叔卤代烷及其衍 生物和被共轭体系稳定 的仲卤代烃及其衍生物
2. 双分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理 动力学研究表明：有一类亲核取代反应的速率与 底物的浓度和试剂的浓度同时相关：
ν = k [R L][Nu]
二级反应
其反应机理为：
H H
δ
Nu ＋ R'CH2 L
-
δ
Nu C L R'
R'CH2 Nu ＋L-
T 亲核试剂从离去基团的背面接近中心碳原子, 与此同时,离去基团也正在逐步地离开底物分 子 两者达到平衡时，体系能量最高。其状态为 过渡态 T.
Nu
C
L
在过渡态中，亲核试剂的孤 对电子所占有的轨道与中心碳原 子的 p轨道交盖的程度与离去基 团与中心碳原子的 p轨道的交盖 程度相同
Bu3P + CH3CH2I
+ IBu3P CH2CH3
⑵ 亲核试剂带有负电荷：
R Nu + L R L +Nu PhCH2CN+ Cl PhCH2Cl + CN
⑶ 底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：
-
-
R L + Nu
(CH3)3S + (CH3)3N
+
+
R Nu + L
(CH3)4N++(CH3)2S
(3) 离去基团 不论SN1还是SN2历程，它们的反应速率都是 受离去基团性质的影响。由于离去基团在两种历 程中的速度制步骤中都是带着与作用物成键的电 子对离开，故离去基团接受电子的能力越大，离 去的倾向越大，亲核取代反应的速率越快。 表5-5列出了1-苯基乙酯和卤化物在80%乙醇水 溶液中75℃时溶剂解反应的速率。
试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况：
（1）试剂中亲核原子相同时（如Ｏ），其亲核性与碱 性顺序都是： RO－ > HO－ > ArO－ > RCOO－ > ROH > H2O 带负电荷试剂的亲核性比其共轭酸大，碱性也强。 ArO－小于HO－ ，是因为芳环与氧共轭，电子平均化使 负电荷分散的结果。RCOO－小于ArO－是因为C=O吸电子 的缘故。 （2）周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂， 电负性大，亲核性小，碱性也小。如： NH2－ > HO－＞Ｆ－ R3C－ > R2N－ > RO－ > F－