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第4章亲核取代反应(AliphaticNucleophilicSubstitution)

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4 第四章 亲核取代反应

4 第四章 亲核取代反应


溶剂介入
RL
+
-
R+ + L Nu SN 1
-
离解的离子 紧密离子对
Nu
Nu 溶剂介入 离子对
构型翻转
翻转（主要）
转化（消旋化） （消旋化产物）
三个阶段：
⑴ 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对 被溶剂化。 ⑵ 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。 ⑶ 离解的离子为自由离子。
亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同 的产物。
C2H5O SN1
-
CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 1° C
+
重排
C2H5OH CH C CH 2 CH 3 3 CH 3 C CH 2 CH 3
CH 3
+
C 3°
-H
CH 3 CH 3 C CH CH 3
14
2. 双分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Bimolecular) ( SN 2)反应机理
K C EtBr
CH2Ph Me CH OK
CH2Ph Me CH OEt
α= +23.5°
24
事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：
H Ph C Br CH3
CH3OH HBr
H CH3O C Ph + CH3
73% 消旋化产物
27 % 构型转化
当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应， Nu:从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构 型转化增多 。
32
当中心碳原子与杂原子直接相连时(R-ZCH2-L)， SN 1反应速率明显增大：
C2H5OCH2Cl SN 1反应 109
亲核取代

亲核取代

Aliphatic Nucleophilic Substitution
CH2C6H5 C CH3 H OH TsCl
CH2C6H5 C CH3 H O H Cl
O S O Me
A R
R
AcO B
CH 2 C 6 H 5 AcO C H
S
CH 2 C 6 H 5 OH HO C H
S
CH 3
C
CH 3
H Br H OH CH3 CH3 H H
Br H CH3 CH3 Br CH3 CH3 H Br H CH3 Br
H Br
-
CH3
OH
H Br H OH CH3 CH3 H H
Br H CH3 CH3 Br CH3 Br H CH3 Br
-
H CH3 Br H
CH3
OH
内消旋体
第


六
章
饱和碳原子上的亲核取代反应
NMe 3 NMe 3
R
R
第


六
章
饱和碳原子上的亲核取代反应
Aliphatic Nucleophilic Substitution
如：
第


六
章
饱和碳原子上的亲核取代反应
Aliphatic Nucleophilic Substitution
二. 反应机理与反应中的立体化学 1 SN1与SN2机理 (1)．单分子亲核取代（SN1）
CH 2 ph CH 3 a=( + OAc B a=( CH
33
o
OH )
TsCl A CH 2 ph
CH 2 ph CH 3 CH OTs a=( + 31.1o ) OH C CH 3 a=( CH 2 ph CH
高等第4章亲核取代

高等第4章亲核取代

反应条件
酰胺形成反应通常在缩合剂存在下进行，常用的缩合剂包括二环己基碳二亚胺（DCC）、1-乙基-3-(3-二甲 基氨基丙基)碳二亚胺（EDC）等。此外，反应温度、溶剂等因素也会影响反应速率和产物收率。
应用举例
酰胺形成反应在有机合成和药物合成中应用广泛，例如可用于制备抗生素、激素等化合物。此外，该反应还 可用于制备高分子材料、涂料等领域。
立体构型的控制
通过选择合适的反应条件和手性催化剂，可以控制亲核取代反 应的立体化学过程，从而合成具有特定立体构型的化合物。
天然产物全合成中亲核取代步骤
糖类的合成
在天然产物的全合成中，亲核取代反应常用于糖类的合成，如通 过醛糖与醇的反应合成糖苷键。
氨基酸的侧链修饰
亲核取代反应可用于氨基酸侧链的修饰，从而合成具有特定功能的 非天然氨基酸。
电负性较大的离去基团更 容易接受电子，从而更容 易离去。
空间位阻效应
离去基团周围的空间位阻 越大，反应速率越慢。
亲核试剂与离去基团选择原则
1 2
根据反应条件选择
不同的亲核试剂和离去基团需要不同的反应条件， 如温度、压力、溶剂等。
根据产物稳定性选择
产物越稳定，反应越容易进行。因此，在选择亲 核试剂和离去基团时，需要考虑产物的稳定性。
中性分子型亲核试剂
阳离子型亲核试剂
较少见，但在某些特定条件下，如溶 剂化作用等，阳离子也可表现出亲核 性。
如水、醇、氨等，亲核性较弱，但可 通过形成氢键等方式稳定反应中间体。
离去基团对反应影响
01
02
03
离去基团的稳定性
离去基团越稳定，反应越 容易进行。例如，卤素、 磺酸基等是较好的离去基 团。
离去基团的电负性
第4章 亲核取代反应

第4章 亲核取代反应


N N＞RSO3-＞I-＞Br-＞NO3- ～ CI-＞H2O～ Me2S＞F-
§4.4.4 空间效应对亲核取代反应的影响
在SN1反应中， 取代基若能使正碳离子稳定增加则加速反应 在SN2反应中， 体积大的取代基将阻碍亲核试剂的进攻， 使反应速率降低。 碳正离子稳定性： R3C+ > R2CH > RCH2 > CH3 SN1反应速度增加
R L + Nu
(CH3)3S + (CH3)3N
+
+
R Nu + L
(CH3)4N +(CH3)2S
+
+
⑷ 底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：
+ RL Nu
+
R Nu +L
-
CH3OH2+ Cl
+
CH3Cl +H2O
§4.2 亲核取代反应机理
• 亲核取代反应历程曾被广泛地研究，动力学实 验数据，立体化学实验事实，以及反应物结构、 试剂性质、溶剂等对反应速度的影响，证明多 数反应是按两种历程进行的，即亲核取代反应 的SN1和SN2历程。
§4.4.3 离去基团对亲核取代反应的影响
离去基团的碱性越弱，越容易离开中心碳原子，
即反应物越容易被取代。 含氧离去基团活性次序随着碱性的增强而减弱； 例如：RSO3 ＞RCOO ＞C6H5O

-
可极化性越大，其取代活性越强，
例如：I ＞Br ＞CI ＞F ，RS ＞RO
-

以水为介质进行的亲核取代反应，被取代基团的 离去速率为：
R3C-X R2CH-X RCH2-X CH3-X
亲核取代反应AliphaticNucleophilicSubstitution

亲核取代反应AliphaticNucleophilicSubstitution


Nu + R L
R Nu + L
亲核取代反应可以分为以下四种类型： • • • • • • • • • （１）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。 如：Ｒ－Ｉ＋ＯＨ－ Ｒ－ＯＨ＋Ｉ－ （２）作用物与亲核试剂都是中性分子。 如：Ｒ－Ｉ＋Ｎ(CH3)3 RN+(CH3)3 ＋Ｉ－ （３）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。 如：RN+(CH3)３＋ＯＨ－ ＲＯＨ＋Ｎ(CH3)３ （４）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。 如：RN+(CH3)3＋Ｈ2S RS+H2＋Ｎ(CH3)３ 类型（1）和（4）反应前后无电荷变化，类型（2）和（３）反应前后有电荷 变化，但两者相反。
Nu
-
＋
C L
Nu C L
δ
δ
Nu C
Walden 转化
由于试剂从离去基团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
Nu
+ L-
构型
翻转
NaOH SN 2
H
C6H13 C Br CH3
C6H13 HO C H CH3
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° 对映体的纯度=100%
二. 亲核取代反应机理 1. 单分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic Unimolecular) ( SN 1)反应机理
R L + Nu
R Nu + L
-
ν = k1 R L
反应分两步进行 第一步 正碳离子的生成：
R L
慢
δ
R L
δ
R+ + L
-
亲核取代反应课件-文档资料

亲核取代反应课件-文档资料


(-)-H O H C lCO 2CC 2CH 2H A gO H
(-)-氯 代 丁 二 酸
K O H PCl5
(-)-H O CH H (O H )CO 2C 2C 2H K O H PCl5
(+)-H O H (O H )C O 2CC 2CH 2H A gO H
(+)-H O CH H ClCO 2C 2C 2H
(-)-乙酸-2-辛酯
Ac2O
Me
HO C H C6H13
(-)-2-辛酯
ArSOCl
O
Me
ArSO C H C6H13
对甲苯亚磺酸-2-辛酯
[O] Me H C OAc C6H13
(+)-乙酸-2-辛酯
OAc
O O
Me C6H13
ArSO C H
对甲苯磺酸-2-辛酯
Ingold和 Hughes等进一步明确指出，SN2反应中亲核试剂是从离 去基的背后进攻，底物构型是反转的。
为什么是从离去基的背后进攻？根据分子规道理论的解释，亲 核试剂是电子给体，在亲核进攻时要把电子给予底物中与离去 基团相连的碳原子，而C-X键的成键轨道已用于与X成键，已有 一对电子，亲核试剂的电子无法进入成键轨道，因此只能去进 攻在空间上处于离去基反面那一瓣的σ反键轨道，随着Nu的进 入和离去基的逐渐离去，中心碳原子上的另外三个键逐渐反转， 到能量最高的过渡态，Nu、 中心碳原子C和离去基X在一条直线 上，随后就是构型反转：
CH3 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。
CD3 25%
《亲核取代反应》课件

《亲核取代反应》课件

亲核取代反应的定 义
定义及反应机理
亲核取代反应：一种有机化学反应，其中亲核试剂（如Nu-）攻击亲电试剂（如RX），形成新的化学键。
反应机理：亲核试剂（如Nu-）攻击亲电试剂（如R-X），形成过渡态，然后释放 出离去基团（如X-），形成新的化学键。
亲核试剂：具有亲核性的原子或分子，如Nu-、OH-、NH2-等。
亲核取代反应
,
汇报人：
目录
01 添 加 目 录 项 标 题 03 亲 核 取 代 反 应 的 类
型
05 影 响 亲 核 取 代 反 应 的因素
02 亲 核 取 代 反 应 的 定 义
04 亲 核 取 代 反 应 的 历 程
06 亲 核 取 代 反 应 的 应 用
Part One
单击添加章节标题
Part Two
应速率
空间位阻和立 体效应的共同 作用：取代基 团的大小、形 状和立体结构 共同影响反应
速率
空间位阻和立 体效应的竞争： 在某些情况下， 空间位阻和立 体效应可能会 相互竞争，影
响反应速率
溶剂效应
溶剂极性：极性溶 剂有利于亲核取代 反应
溶剂酸碱性：碱性 溶剂有利于亲核取 代反应
溶剂浓度：高浓度 溶剂有利于亲核取 代反应
药物合成中的应用
药物合成中， 亲核取代反应 常用于合成药 物分子中的特
定官能团
亲核取代反应 可以改变药物 分子的立体结 构，从而改变 药物的活性和
选择性
亲核取代反应 可以合成具有 特定生物活性 的药物分子， 如抗生素、抗
肿瘤药物等
亲核取代反应 可以合成具有 特定药理作用 的药物分子， 如镇痛药、抗
SN1反应中，亲核试剂首先攻击离去基团，形成碳正离子中间体
高等第4章亲核取代-文档资料

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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：
A H+B
共轭酸 1 共轭碱 2
A +B H
共轭碱 1 共轭酸 2
强酸的共轭碱是 弱碱
重要的离去基团是 pKa < 5的酸的共轭碱，如： I- 是强酸 HI的共轭碱。
R OH Br R Br
TsCl Br
R OTs
O
O2N
团与中心碳原子的 p轨道的交盖 程度相同
按 SN 2 机理进行的底物特征：
R' CH R X
不被共轭体系稳定的仲卤代烷 及其衍生物
3. 离子对机理
介于SN1 与 SN2 之间的机理，建立 在SN1机理基础之上。
底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同 的离子对：
R L离子化
Nu SN 2
构型翻转
Ph2CH
丙酮
Cl 慢
Ph2C+H + Cl
Ph2C+H H2O Ph2CH OH
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
Nu- ＋ R'CH2 L
试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对 外消旋产物。
正碳离子越稳定，消旋化程度越大
H
H H
H
C CH3 Ph
Cl
OHH2O
C+
CH3
OH-
Ph CH3
C Ph
OH
HO
C PhCH3
49%
亲核取代反应

亲核取代反应

-碳上取代基增长， 攻打试剂接近
-碳原子旳阻力增 长
R Br +I 丙酮 R I+ Br
H 烃基构造H 对SN2速C率H旳3 影响 CH3
H C Br > H3C C Br > H3C C Br > H3C C Br
H
H
H
CH3
相对速度：
150
1
0.01
0.001
烃基构造对SN1速率旳影响
在SN1反应中，因为决定反应速度旳环节是生 成正碳离子一步，而正碳离子旳稳定性顺序为：
I
+ CH3CHC6H13
I-
I*
消旋化速度是互换速度旳二倍
H3C
I*-+ H C I
C6H13 S
CH3
I* C H + I -

50%反应物 H3C H CI
C6H13 S
50%产物
CH3 H
I* C
R
C6H13
外消旋体
瓦尔登(Walden)转化
碳正离子越不稳定，构型转变 产物旳百分数也越高。
Cl C* HCH3 丙酮，水
C* HCH3 OH (95%外消旋体，5%构型转化）
CH3C* HCH2(CH2CH2)2CH3
Br
OH
C2H5OH, H2O CH3CHCH2(CH2CH2)2CH3 *
(66%外消旋体，34%构型转化）
H
CH C H 和 CH3(CH2)5CHCH3
如 RBr中旳溴被氢负离子取代 R = CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9
K = 100 1.65 0.022 0.0048
对SN1反应,因为超共轭作用等引起碳正离 子旳稳定性变化而影响反应速度:
第四章亲核取代反应

第四章亲核取代反应


电离
离解
RX
RX
RX
R +X
紧密离子对
溶剂隔离离子对
离解的离子
亲核反应可以发生在任一阶段，从而产生不同的立体化学结果：
紧密离子对→构型翻转；
溶剂隔离离子对→部分外消旋化；
溶剂化离子→完全消旋化。
例：Cl
18
CH O C
O
keq
NO2
Cl
CH O18 C
NO2
O
O
O
*
krac
Cl
CH O C
NO2
Cl
CH3CH(CH2)5CH3 + PhS-
CH3CH(CH2)5CH3 + -OTs
OTs
CH3CH2OH
SPh
C)正离子底物＋中性亲核体
R X+ + Y
R Y+ + X
PhCHS+(CH3)2 + (H2N)2C=S
60oC 乙腈
CH3
N+H2
PhCHSC
+ S(CH3)2
CH3 NH2
D)正离子底物＋负离子亲核体
影响SN2反应的因素：
结构因素：过渡态为五配位，因此，碳上取代基和亲核试剂的 体积影响较大，体积小，速度快，电子因素影响较复杂；
介质因素：溶剂效应较复杂，对于中性底物和负离子亲核试剂， 极性溶剂不利于反应；
反应受亲核试剂的亲核能力和离去基团离去能力影响较大。
立体化学结果：光学活性底物，100%构型翻转。
碳正离子中间体时，张力有所松弛，因此，促进离解
对反应有利。几何上妨碍碳正离子平面，不利于反应。
2）介质因素：①溶剂：对中性底物，极性溶剂 有利于反应；
《亲核取代反应》幻灯片

《亲核取代反应》幻灯片


4. 分子内亲核取代反响机理 SNi
ROH + SOCl2 → RCl
反响的立体化学特征：构型保持 说明：反响不是 SN1 ------ 外消旋 化
是分子内亲核取 代反响机理 SNi
分子内亲核取代反响定S义N：2 ------ 构型
翻转 有些特殊构造的分子，离去基团的其 中一局部作为亲核体能进攻作用物， 同时该局部和离去基团的其余局部脱 离，形成产物。
C H 3 CC l 溶 C 剂 H 3 分 O H 解C H 3 CO H
H
H
参加CH3ONa，使反响速度加快，应是SN2
动力学：v k 1 [ R C l ]k 2 [ R C l ] [ C H 3 O N a ]
即不是SN1，也不是 SN2
RL离 子 化
R+#43;+L-
反 应 物 （ C H 3 ） 3 C - B r（ C H 3 ） 2 C H - B rC 3 C 2 - H B H C 3 -r B H
相 对 速 度 1 0 8
4 5
1 . 7 1
按SN1历程进展的反响，α碳原子的分支使反响速率增加。主要原因是碳 正离子的稳定性，通常
3°C+ ＞ 2°C+ ＞ 1°C+ ＞ CH3+
β位的分支对于SN1反响速率的影响较小，通常是β分支加大，SN1反响 速率仅略有增加。
2、对于SN 2反响：
① 空间效应 卤代烷的反响活性顺序是： 甲基 > 伯 > 仲 > 叔 原因：烷基的空间效应
SN2反响理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三角 双锥几何形状，空间因素对反响有显著影响：
N u :- + CL
R L N u R N u + L

第4章 亲核取代反应

第4章 亲核取代反应
4.1亲核取代反应类型 亲核取代反应类型
底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子： ⑴ 底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：
R L +Nu
-
+P + CH3CH2I
Bu3P CH2CH3 + I-
+
⑵ 亲核试剂带有负电荷： 亲核试剂带有负电荷：
R L+Nu
-
+ LR Nu
例：
共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定： 共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：
CH 2 CH 3C
>
CH2 CH 2CH
>
CH 2 CHCH 2
当共轭体系上连有取代基时， 当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子 稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱： 稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：
6 1 2
AcO
7 4 5 1 6 2 3 HOAc HOAc
AcO
-H
+
H
（II）
OBs
1 +
2
HOAc
- H+
H
（III）
OAc H
4.4 邻基参与
底物分子中离去基邻位有亲核性的基团时，常常观察到亲核取 代反应的动力学和立体化学都受到强烈影响，原因是邻位的亲 核基团介入了反应，这种现象称为邻基参与。 1. 含杂原子取代基 顺-和反-2-乙酰氧基环己醇对甲苯磺酸酯在乙酸中溶剂解都得到 反-1,2-环己二醇的二乙酸酯，但反式异构体溶剂解的速率为顺 式的670倍：
OBs OCH3
4-甲氧基-1-戊醇
OCH3 OBs
5-甲氧基-2-戊醇
Me H Me O H H OBs Me H O AcO Me H H Me

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

第四章(亲核取代反应.2011研)


Same rate for X = Cl,Br,I.
溶剂效应
R-L
→〔 Rδ+…… ..Lδ- 〕→ R+ + LCH3 溶剂 H3C C OR + HCl CH3
CH3 H3C C Cl + ROH CH3
溶剂(水 乙醇 乙醇) 溶剂 水/乙醇 活性
0 /100 40 / 60 1 100
80 / 20 14,000
50% Retention of Configuration
Practice Problem
H Me C Cl Ph OH H2O
-
H C+ Me Ph
OH H2O
-
H Me Ph OH ＋ HO
H Me Ph
49% Retention
51% Inversion
CH2CH3 CH2CH3 CH2CH3 H2O ＋ Me OH Me Ethanol HO Me C Cl CH2CH2CH2CH3 CH2CH2CH2CH3 CH2CH2CH2CH3 (R)-5-Chloro -5-methylheptane 60% S Inversion 40% R Retention
反应机理
O R OH R H O S Cl Cl H+ O
+
Cl
S
R
O S Cl
O
R
+
SO 2 Cl -
R
+
SO Cl
-
2
R
Cl
+
SO
2
4.5. 邻基参与
亲核试剂和离去基团处同一分子中 分子内亲核取代反应/分子内S 分子内亲核取代反应/分子内SN2

第4章 亲核取代反应

clclclcl4离子对溶剂化学说rlnununu紧密离子对溶剂分隔离子对离解的离子42影响亲核取代反应速率的因素试剂的亲核性一般来说碱性越强的负离子亲核性越强
第4章 亲核取代反应
1
4.1 亲核取代反应的机理
(1)SN1机理 底物上的离去基团离去生成碳正离子是反应的决速步骤。
R L R + Nu
R1 R
Ph H C H3C
CH3 C H OTs
C H H3C
C CH 3 H
Ph S S CH3 C C H H OAc H3C
H S S Ph + C C CH 3 AcO H H3C
7
邻基参与的特点： 邻基参与的特点 1、反应速率明显加快
Et
S
Cl
- Cl
Et S O
H2O H2O
Et Et
S O
Br H3C H O O - Br
-
H3C H
O O
OH OH H3 C H O O
6
b O18 O - OTs O OTs O
18
OAc
O18
O +
OAc
a
OAc
O18 Ac
Ph H C H3C
H C CH3 OTs
C H H3C
C H CH3
H Ph Ph S R H H3C S R CH3 + C C H C C H AcO OAc CH3 H3C
R1 C OH + R
2
R3
Cl
O S
R1 Cl
1
O
R1 - Cl R
2
O
C O S Cl R2 3 Cl R O O Cl R R1

第四章 饱和碳原子上的亲核取代反应


碱性条件下开环：亲核试剂直接进攻三元环。 碱性条件下开环：亲核试剂直接进攻三元环。按SN2 反应（亲核试剂进攻取向？）。 反应（亲核试剂进攻取向？）。
β-氯乙醇与 氯乙醇与OH-反应是用取代反应合成环氧化合物的 氯乙醇与 最早例子，相当于分子内的威廉姆森合成醚反应： 最早例子，相当于分子内的威廉姆森合成醚反应：
反应活性：甲基卤>伯卤>仲卤>叔卤( 反应活性：甲基卤>伯卤>仲卤>叔卤(中心碳原子由 杂化形成五价过渡态，所以α位烃基越多， sp3杂化形成五价过渡态，所以α位烃基越多，体积越 空间拥挤程度提高，稳定性下降， 活性降低) 大，空间拥挤程度提高，稳定性下降，SN2活性降低) 活性降低
SN1
CH3CH2CH2Br (CH3)2CHCH2Br (CH3)3CCH2Br
2.亲核取代反应的类别 (1) 中性底物 + 中性亲核体
(2)中性底物 + 负离子亲核体 中性底物
(3)正离子底物 + 中性亲核体 正离子底物 (4) 正离子底物 + 负离子亲核体
二、SN1反应机理 反应机理 1.反应机理及立体化学 1.反应机理及立体化学
Nu:
反应速率=k[反应底物] 反应速率=k[反应底物] =k[反应底物 注意：反应分步进行； 注意：反应分步进行；反应速率只与反应底物浓度 有关；生成平面型的中间体碳正离子； 有关；生成平面型的中间体碳正离子；产物为外消 旋体。 旋体。
2.ROH的亲核取代反应 的亲核取代反应 2. ROH是易得而常用的起始原料。但在亲核取代反应 是易得而常用的起始原料。 是易得而常用的起始原料 不是好的离去基团， 中，-OH不是好的离去基团，醇常被变成 及ROTs 不是好的离去基团 醇常被变成RX及 再用。 再用。
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请思考：
H3C H
CH3 H2O Br SN 1
?
四. 影响反应活性的因素
影响亲核取代反应活性的主要因素是：
• 底物的结构 •亲核试剂的浓度与反应活性 •离去基团的性质 •溶剂效应
（一）底物结构的影响
SN 2反应：
卤代烷的反应活性顺序是：
甲基 > 伯 > 仲 > 叔
原因：烷基的空间效应
R X Nu- SN2 R Nu X-
R+L- 溶剂介入
+-
RL
R+ + L-
离解的离子
Nu 紧密离子对
翻转（主要）
Nu
溶剂介入 离子对
Nu SN 1
转化（消旋化） （消旋化产物）
三个阶段： ⑴ 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对 被溶剂化。 ⑵ 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。
⑶ 离解的离子为自由离子。
亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同 的产物。
翻转
C6H13 HO C H
CH3
(S) - (-) - 2 - 辛醇 [α]25D= -9.90° 对映体的纯度=100%
CH2Ph
Me
CH
OH
TsCl A
αα==++3333..00°°
KC
CH2Ph
Me CH OTs αα==++3311..11°°
EtOH K2CO3
B
CH2Ph EtBr
CH2Ph
R CH3 k2 30
CH3CH2 1
(CH3)2CH 0.03
(CH3)3C 0
新戊基卤代烷几乎不发生SN 2反应：
H C X Nu:
H
H Nu C L
H
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。
转变过程中，中心 碳原子由底物同4个 基团相连转变为由 过渡态的同5个碳原 子相连，空间拥挤程 度增大。
RBr在水中的溶剂解相对速度
RBr MeBr EtBr i-pBr t-BuBr
在水中50°时 1.00 1.00 11.6 1.2×106
R
R
CX
C
R' R''
X- R' R''
四面体 平面三角型
键角增大， 取代基空间 效应越大， 基团的空间 拥挤程度减 小。
（二）亲核试剂的强度
Nu:在 SN2反应中起着重要作用 规律：
Nu Nu-: CH3O-, HO-, INu: H2O:
1〕带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸： －OH > H2O, CH3O- > CH3OH
2）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强； 中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中， 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：
四. 影响反应活性的因素 ( ) 1. 底物的烃基结构 2. 离去基团 (L) 3. 亲核试剂 (Nu:) 4. 溶剂
五. 正碳离子 (Carbocations)非经典正碳离子 六. 邻基参与作用
一.亲核取代反应反应类型
连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基
团取代的化学过程。为了叙述方便，我们称这个饱和碳原子为反应的中心碳原子 ，被取代的原子或基团叫离去基团（Leaving Group，用Ｌ表示）。在反应过程 中，带着一对电子的亲核试剂（Nu︰）从作用物中取代一个离去基团，并与中心 碳原子形成新键，而离去基团则带着一对原键合电子离去：
RO- > HO- >> RCO2- > ROH > H2O CH3O- > PhO- > CH3CO2- > NO2-
碱性是试剂与 质子结合的能力； 亲核性是试剂与带 有部分正电荷的碳 原子结合的能力。
CH3
NO2 Cl
>
>
>
OO
O
O
当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度 顺序与碱性有时不同：
Nu + R L
R Nu +L-
亲核取代反应可以分为以下四种类型：
• （１）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。
•
如：Ｒ－Ｉ＋ＯＨ－
Ｒ－ＯＨ＋Ｉ－
• （２）作用物与亲核试剂都是中性分子。
• 如：Ｒ－Ｉ＋Ｎ(CH3)3
RN+(CH3)3 ＋Ｉ－
• （３）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。
•
如：RN+(CH3)３＋ＯＨ－
第4章 亲核取代反应
(Aliphatic Nucleophilic Substitution)
一.亲核取代反应反应类型 二.亲核取代反应反应机理 (Reaction Mechanism) ( )
1. SN1机理 ( ) 2. SN2机理 ( ) 3. 离子对机理 ( ) 三. 立体化学 1. SN2反应 ( ) 2. SN1反应 ( )
团与中心碳原子的 p轨道的交盖 程度相同
按 SN 2 机理进行的底物特征：
R' CH R X
不被共轭体系稳定的仲卤代烷 及其衍生物
3. 离子对机理
介于SN1 与 SN2 之间的机理，建立 在SN1机理基础之上。
底物的解离成正碳离子是经几步完成的，形成不同 的离子对：
R L离子化
Nu SN 2
构型翻转
ＲＯＨ＋Ｎ(CH3)３
• （４）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。
• 如：RN+(CH3)3＋Ｈ2S
RS+H2＋Ｎ(CH3)３
•
类型（1）和（4）反应前后无电荷变化，类型（2）和（３）反应前后有电荷
变化，但两者相反。
二. 亲核取代反应机理 1. 单分子亲核取代 （Substitution Nucleophilic
F - > Cl - > Br - > I -
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SN 2反应的影响：
CH3I + NaN3 k2 CH3N3 + NaI
溶剂
DMF CH3OH
k2
3 × 103 3 × 10-2
三. 反应的立体化学
反应的立体化学与反应机理相关
SN2机理： Nu- ＋ C L
δ
δ
Nu C L
Nu C
Walden转化
由于试剂从离去基团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
Nu
+ L-
构型
C6H13
H
C
Br NaOH
SN 2
CH3
(R) - (-) - 2 - 辛烷 [α]25D= -34.25° 对映体的纯度=100%
Cl
OHH2O
C+
CH3
OH-
Ph CH3
C Ph
OH
HO
C PhCH3
49%
51%
消旋化 (Racemization)
事实上，SN1反应往往伴随构型转化产物：
H
H
Ph C Br CH3OH CH3O C Ph + 73% 消旋化产物
CH3
HBr
CH3
27%构型转化
当C+不是足够稳定时，由于L 的屏蔽效应， Nu:从 L 背后进攻中心碳原子的机会增大，故构 型转化增多 。
常见的极性非质子型溶剂有：
O
HC N
CH3 CH3
O CH3 S CH3
N, N-二甲基甲酰胺 DMF
(Dimethylformamide)
二甲亚砜 DMSO
(Dimethylsulfoxide)
O N PN
N
六甲基磷酰胺 HMPT
(Hexamethyl phosphorictriamide)
在极性非质子型溶剂中，X - 的反应活性顺序为：
X
的溶剂解的相对速率为：
F
可极
R I > R Br > R Cl > R F
溶剂效应 溶剂的性质：
介电常数 ε越大， 溶剂的极性越大。
介电常数是衡量溶剂 隔离正负离子的能力， 即：溶剂稳定离子的 能力。
非极性溶剂：CCl4,, CS2,
（μ＝ 0）
质子型：EtOH, H2O,
Ph2CH
丙酮
Cl 慢
Ph2C+H + Cl
Ph2C+H H2O Ph2CH OH
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
Nu- ＋ R'CH2 L
HH
δ
Nu
C
δ
L
R'
R'CH2 Nu ＋L-
典型的SN2反应是协同历程，R－Ｌ键的断裂和R－Ｎu键的形成协同进行。 动力学研究表明：这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
Nu C
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
L 子的 p轨道交盖的程度与离去基
极性溶剂
CH3COOH
μ－ 偶极距
氢原子键合在电负性 较大的原子上。
（μ≠ 0）
非质子型：THF, Et2O, DMF, DMSO, HMPT
质子型溶剂
通过氢键缔合
R O H Nu
非质子型溶剂
通过偶极与偶极相互作用