饱和碳原子上的亲核取代反应

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第三章 第三章 饱和碳原子上的亲核取代反应

学习要求：学习要求

1．熟悉亲核取代反应的几种历程（SN1、SN2、离子对），影响SN1、SN2反应速

度的因素，碳正离子重排及亲核性。

2．掌握邻基参与反应（历程、立体化学、非经典碳正离子）。

3．熟悉RX、ROH、环氧乙烷及其衍生物，碳负离子亲核剂等的亲核取代反应及其应用。

取代反应包括自由基取代反应、离子型取代反应，后者又分为亲核取代反应和亲电取代反应。

自由基取代反应，烷基的氧化：

CH3CH2CH2CH3 + Cl2

oCH3CH2CH2CH2Cl (28%) + CH3CH2CH(Cl)CH3 (72%)

实验表明烷烃中三类氢原子的活性为：3o H > 2o H > 1o H，可用超共轭效应来解释。

离子型取代反应，亲核取代：

δCH3NO2

+ OC2H

5

2

-CH3CH22H5

NO2

+ Cl

2

亲电取代：

3

δCH3CH2δ-+ Br2

δ+Br

CH3CH23 + HgBr2

+ HBr

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一、SN1历程

单分子亲核取代反应SN1反应，单分子意指反应的决定速率步骤（rds）中，发生共价键变化的只有一种分子。 1．历程

(CH3)3CBr+

(CH3)3C+d(t-BuOH)

dt

(CH3)3C+ + Br-OH-

(CH3)3C+ + Br--1

K-1[Br]K2[OH-]

-

= K1(t-BuBr)1 +

≈ K1[t-BuBr] 因为 K2[OH-] >> K-1[Br-]

第一步为rds

t-BuBr,OH-(CH3)3C+,Br-,OH-

t-BuOH,Br-

因此，由于活性中间体是平面构型，亲核剂从平面两侧进攻碳正离子中心的机会相等，反应中心若有手性，必将产生构型保持和构型转化产物各半（外消旋化）。事实上，只有在极限SN1的情况下，才会形成非手性的“自由”碳正离子中间体。如果碳正离子能量较高，活性较强，一经生成便受亲核试剂进攻，此时离去基团（L）尚未远离反应中心（碳正离子与离去基团处于紧密离子对阶段），它将阻止亲核剂的正面进攻，结果导致构型转化产物。 2．影响SN1反应速度的因素：（R、L、Nu、溶剂）

（1）烃基的结构。按哈蒙德假设，SN1反应的rds的TS类似于中间体R+，因此，生成的R+越稳定，则RL越活泼，反应活化能越低，反应速度越大。下列

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卤代烃的反应活性顺序为：

ArCH2X, CH2 = CH – CH2X > R3CX > R2CHX > RCH2X > RCH2 = CHX, ArX

（2）离去基团的性质。rds涉及R-L的断裂，因此L越易离去，反应速度越大。离去倾向：I > Br > Cl > F。因为F与C价轨道能量相近，重叠很有效，C-F键能大不易断裂；而I与C价轨道能量相差大，重叠得较差，C-I键键能较

小，易断裂。—OTs是很好的离去基团，由于共轭效应所致。

ROCH3

R +

OCH3

(即(CH3)3CX + H2O

(CH3)3COH + X

X： F Cl Br I OTs相对速率：10-5 1.0 39 99 >105

因此，可以理解，当离去基团为OH、OR、NR2时，亲核取代反应受到质子酸催化。

CH3CH2CHCH3

+ HBr

CH3CH2CHCH3+ Br

2

CH3CH23CH3CH2CHCH3

比较各离去基团离去的难易常用的方法如下：

A． 离去基碱性愈弱，愈易离去。而碱性越弱的基团，其共轭酸酸性愈强。例：

酸性：HI > HBr > HCl > HF 碱性：I- < Br- < Cl- < F- 离去倾向：I- < Br- < Cl- < F- 卤代烷的活性：RI > RBr > RCl > RF

B． 离去基离去后生成的负离子越稳定（负电荷愈分散），则越易离去。

负离子稳定性及离去倾向：

NO2H3CO

SO2O-SO2O->Br> I-SO2O->H

SO2O->CH3

SO2O->

（3）亲核剂（Nu）的性质对SN1反应速度影响不大。

（4）溶剂，溶剂对亲核取代反应的影响，主要是通过溶剂化效应影响过渡

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态的稳定性来达到的。

在绝大多数SN1反应中，TS是由中性分子离解形成带电荷的离子，过渡态的电荷比作用物有所增强。因此，溶剂极性增强，对TS稳定化作用大，使TS能量降低，反应速度增大。与此相反的是，TS与作用物相比电荷减少，则溶剂极性增加，更稳定作用物，反应速率减慢。 例：

(CH3)3CS (CH3)2

+ SOL-OH

(CH3)3CSOL

+ H+

+

S(CH3)2

SOL-OH：C2H5OH 80%C2H5OH H2O相对速度： 1 0.659 0.32

3．竞争反应

与SN1竞争的副反应有消去反应和重排反应。重排总是形成更稳定的碳正离子，再与亲核剂反应。

(CH3)3CCH2Br

CHOH/HO

(CH3)3CCH2+

o

(CH3)2CH2CH3(CH3)2CCH2CH3

2H5(CH3)2C=CHCH3

重排

+

(CH3)2CCH2CH3

3

o

1

二、SN2历程

双分子亲核取代反应，即SN2反应。它是一步完成的，rds中涉及两个化学品种的相互作用，反应速度与反应底物和亲核剂的浓度成正比，即表现出二级反应动力学行为。

例如：

CH3CH2Cl + NaOH

CH3CH2OH + NaCl

d[CH3CH2OH]

dt

= K[CH3CH2Cl][OH-]

1．历程

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背后进攻

δ-

双三角锥形

TS

δ-Br]

HO瓦尔登转化

构型转化的产物

TS

G

H3C

3

R

P

反应坐标

不发生SN2的刚性环进行SN1也是困难的

SN2反应的位能曲线

因此，刚性桥头碳上不发生SN2反应（背后进攻受到空间阻碍，Walden转化没有可能），就是发生SN1也是困难的，因此生成的碳正离子不能形成平面结构。

(CH3)3CBr

80%C2H5OH/H2OSN1相对速率

1 10-3 10-6 10-12

Br

Br

Br

2．影响SN2反应速度的因素

（1）烃基的结构。a-C的立体障碍越大，RL越不活泼：CH3L > RCH2L > R2CHL > R3CL。综合电子效应和空间效应，一级卤代烷易按SN2进行，三级卤

代烷易按SN1进行，二级卤代烷介乎其间。

CH2X

> RX

RCH = CHCH2X 烯丙型

卤代烷

>

RCH = CHX乙烯型

X

（2）离去基团的性质。SN2的rds也涉及R-L键的断裂，与SN1反应一样，L离去能力增强将加速反应。如反应物既可能起SN2，也可能起SN1反应（含仲

烷基的化合物），离去倾向增大更有利于SN1。

（3）溶剂极性对SN2反应的影响，与SN1的情况相类似。如果TS比反应

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底物电荷有所增加，溶剂极性增大，反应速度加快；如果TS的电荷比反应物有所减少，或者更分散，溶剂极性增大，反应速度减慢。 例如：

CH3Br + OH

δ-[ HO

CH3

δ-Br ]

HOCH3

TS比作用物电荷分散，速度减慢。

又如，

(CH3)3N + CH3Cl

δ-[ (CH3)3N

CH3

δ-Cl ]

(CH3)4N+ + Cl-

与中性作用物(CH3)3N和CH3Cl相比，TS出现一定程度的电荷分散，溶剂极性增大，反应速度加快。

（4）亲核剂对SN2反应速度影响很大。亲核剂是都具有未共享电子对的路易斯碱，有碱性和亲核性。碱性是其与H+结合的能力；亲核性是其与缺电子碳原子中心的结合能力。试剂亲核性强，浓度大，SN2反应速度快。 a．试剂中亲核原子相同时，亲核性与碱性次序一致：

RO- > HO- > ArO- > RCOO- > ROH > H2O b．带负电荷的亲核剂比它们的共轭酸亲核性大：

HO- > H2O, RO- > ROH, RS- > RSH

c．同周期元素生成的同类型亲核剂，亲核性与碱性顺序基本一致：

H2N- > HO- > F-, R3C- > R2N- > RO- > F-

d．同族元素生成的负离子或分子，在质子溶剂中，中心原子体积大的亲核性大，

恰与碱性次序相反，而与可极化性的大小次序一致：

RS- > RO-, RSH > ROH, I- > Br- > Cl- > F-

e．空间因素对亲核性的影响，亲核剂体积大，按SN2历程，从L的背后进攻反

应中心是有困难的。因此，亲核性的次序有：

(CH3)3CO- < (CH3)2CHO- < CH3CH2O- < CH3O-，与碱性大小顺序相反。 3．与SN2反应竞争的副反应是消去反应，见第六章。

三、离子对历程

有些化合物的亲核取代反应，其动力学和立体化学特征介于SN1和SN2之间，故提出了离子对历程来统一说明亲核取代反应的历程。

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离子对历程认为，反应物在溶液中是分步离解的：1. 紧密离子对；2. 溶剂

分隔离子对；3. 自由正负离子。整个过程是可逆的，反应时亲核剂（Nu-或溶剂SOL-OH），例如ROH, HOH可以在①②③的任何一个阶段开展进攻因而生成各

种不同的动力学特征和立体化学特征的产物。

作用物分子 紧密离子对 溶剂分隔离子对 溶剂化自由碳正离子和负离子

R-L (R+ L-) ( R

+

L- )

(R+ ) + (L-

)

NuSOL-OH

SOL-OH

SOL-OH

NuR

SOL-OHSOL-OR

构型转化

构型转化

构型保持或转化

外消旋化

四、邻基参与历程，邻基参与历程，非经典碳正离子

在亲核取代反应中，在离去基团的β-位（或更远）上有一带有未共享电子对或带有负电荷的原子或原子团以及π体系等参与了反应，对亲核取代反应的速度、立体化学等都产生很大影响，这种作用称为邻基参与。其历程一般可表示为：

RRa

a

Nub

R'

Zb

+

Nu

R'

Z

②①

邻基参与作用往往显著增加反应速度，这种现象称为邻基促进或邻基协助，这是由于反应的rds是第一步，邻基正处于进攻的有利位置，因此反应的动力学也表现为一级。 （1） n参与

邻基以未共用电子对（如O、S、N、Br、I上未共享电子对）参与亲核取代反应。 例1：

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3

BrHO

3

H

Br

3

H

+ HBr

H

Br

3

H

+ H2O

赤式

3

BrHO

3

HH

3H

3Br

H

(meso)

Br3H

3

H

+

H3C

H

H

Br

CH3

H

Br

3

HH3

H

3

(a)

(b)

内消旋体

例2：

3

HHO

3

BrH

3

3

BrH3

HBr

+

BrH

HBr3

苏式

3

HHO

3

BrH

外消旋体

3

CH3

CH3

HBr

+

3

+

HBr

CH3

BrH

(a)

(b)

（2） π参与

C=O、C=C 的π键作为邻基参与反应。

反式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解比顺式异构体快107倍，比相应的饱和

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酯快1011倍，还得到构型未变的产物都说明C=Cπ键的参与： 例1：

H

H

反应相对速率

1011

构型保持产物

邻基参与

H

构型转化产物

103.7

无邻基参与

H

无邻基参与

外消旋化产物

1

例2：

K = 2.9X10-7

K = 1.9X10-4

五、亲核取代反应在有机合成中的应用亲核取代反应在有机合成中的应用

1．RX的亲核取代

RX是常用的合成原料。由于它们较易制备，Cl、Br、I也是性能较好的离

去基团。RX与KOH/H2O、NH3、R’ONa、NaCN、RC≡CNa反应可以分别制得醇、胺、混醚、腈、炔等化合物。RX与后三者的反应，RX以伯卤代烷为最好，

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以尽量减少强碱下的消去反应。例如，采用(CH3)3CONa和CH3I能顺利制得(CH3)3C-O-CH3；而用(CH3)3C-X与CH3ONa则主反应是消去生成烯烃了。

RX + AgNO3RX + NaI

2．ROH的亲核取代反应

NRONO2 + AgX 用于定性实验

RI + NaX 制备碘代烷

N

ROH是易得而常用的起始原料。但是，在亲核取代反应中，由于OH不是

好的离去基团，醇常被变成RX及ROTs再应用。

ROH + HXROH + PX3ROH + SOCl2

RX + H2ORX + H3PO3RCl + SO2 + HCl

ROH与SOCl2的反应是分子内的亲核取代，称为SNi反应，中心构型不变，

历程是：

ROH + SOCl2

R

Cl

O

Ni

在紧密离子对中发生正向亲核进攻

O

RCl + SO2

ROCl + HCl

在某些情况下将醇转变为它的对甲苯磺酸酯，比醇羟基质子化更有独到之处，因为它避免了酸性条件下醇脱水的副反应。

ROH

ROTs

RBr

3．环氧乙烷及其衍生物的亲核取代反应

β-氯乙醇与OH-反应是用取代反应合成环氧化合物的最早例子，相当于分子

内的威廉姆森合成醚反应：

CH3CH

2

-HO

CH3

CH

2

分子内

CH3

H2

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用环氧化合物为原料，在酸催化下，通常按SN1也可按SN2发生反应，但亲核剂总是进攻取代较多的位置（即更能容纳正电荷的碳原子）。

H22

H+

H2H

H

2

H2O

HOCH2CH2OH ( 醇 )

H

CH

3

2

H+

H3H

2

H

CH32OH ( 醚 )

3

(CH3)2

2

H+

(H3C)2H

2

H

COCH3

CH3

2OH ( 酯 )

3

在碱性条件下，反应按SN2历程，亲核剂进攻取代少（空间位阻小）的位置：

HCH32 , RMgX 等。+

CH32Nu

CH32Nu

OH

4．碳负离子亲核剂

在碳-碳键形成过程中，碳负离子往往起着关键性作用。亲核性碳有两大类：（1）存在于金属有机化合物中的类似碳负离子的基团；（2）是由碱夺取a-H而形成的近乎完全正规的负碳离子。这里讨论第二类碳负离子在亲和取代反应中的应用。

（1） 羧酸的丙二酸酯合成法

CH2(COOEt)

2

2

RCH(COOEt)2

NaOC2H5R'IRR'

2

O

R

R

'

O

RCH2COOH

..

例：

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CH2(COOEt)2

(过量)Br2Cl2Cl

22CH2CH2Br

[H]

2OH2OH

C2H5ONa

OH/HOHO

COOH

（2） 酮的乙酰乙酸乙酯合成法

CH3COCH2COOEt

CHONa/EtOH

CH3HO

CH3COCH2R

又如：

CH3COCH2COOEt

CHONa/EtOHC2H5BrCH3

CH32H5

CHONa/EtOHCH3Br

3

CH3COOEt

2H5

HO

CH3CH2CH

3

CH3COCH2COOEt

CHONa/EtOHBr(CH2)4Br

CH32)4Br

CHONa/EtOH

CH3COOEt

H3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4zmj.html