亲和取代反应的活性和立体化学选择性及反应位置

亲和取代反应的活性和立体化学选择性及反应位置卤代烃的C-X，醇、醚及其磺酸酯中的C-O键都是极性共价键，其中的碳原子带部分正电荷，容易接受富电子亲核试剂的进攻，从而发生亲核取代反应，简称S N反应。通常将卤代烃或磺酸酯等接受亲核试剂进攻的含有缺电子碳原子的反应物称为底物，而底物中的卤素原子或磺酰氧基在反应中将离开底物，被称为离去基团。S N1反应是单分子亲核取代反应的简称，S N2反应是双分子亲核取代反应的简称。

一、亲核取代反应的S N1和S N2

S N1反应经过碳正离子活性中间体。由于碳正离子具有平面结构，其中的碳原子采取sp2杂化轨道成键，空p轨道垂直于该平面。因此亲核试剂从该平面两边进攻的概率相等。如果S N1反应发生在手性碳原子上，反应将得到消旋化产物。

S N2反应机理中，亲核试剂是在底物中的离去集团离去前进入的。为避免亲和试剂和离去基团相互靠近而产生排斥作用使过渡态的势能升高，亲核试剂多采用从离去集团北面进攻的方式进攻底物中的缺电子碳原子。亲核试剂从背面进攻的这种特点使得S N2反应如果发生在手性碳原子上时，则一定得到构型转化的产物。

二、影响S N1和S N2反应的因素

S N1和S N2反应同属于亲核取代反应，共同的反应特征是底物中的离去基团被碱性更强的亲核试剂所取代。

1.离去基团的影响

对无论S N1反应是还是S N2反应，离去基团形成的负离子碱性越强，则越难离去。不同周期卤素原子形成的卤代烃具有不同的反应活性：碘

代烷﹥溴代烷﹥氯代烷﹥氟代烷。醇和醚主要在酸性条件下才能发生亲

核取代反应。

综上所述，不同类型的化合物在中性或碱性条件下进行亲核取代反应的

活性顺序如下：磺酸酯，碘代烷﹥溴代烷﹥氯代烷﹥氟代烷﹥﹥醇﹥醚。

磺酸酯和碘代烷活性类似，有些条件下磺酸酯活性更高。不过由于碘代烷比较不稳定，所以更常使用磺酸酯作为亲核取代反应的底物。氯代

烃和溴代烃因为反应活性适中，原料易得且相对比较稳定，也常用于实

际合成应用中。不过当氯代烃或溴代烃容易发生消去反应时，则更多使

用磺酸酯作为亲核取代反应的底物。醇类化合物可以通过与磺酰氯的酯

化反应将它们转化为磺酸酯，再作为底物用于亲核取代反应。将醇转化

为磺酸酯，相当于将醇中不好的离去基团羟基转化为好的离去基团磺酰

氧基。这与醇在酸性条件下质子化有着同样提高活性的效果，不过这样

的转化可以实现碱性或中性条件下的亲核取代反应，从而避免醇在酸性

条件下发生不必要的脱水副反应。

2.底物的烃基结构对S N1和S N2反应的影响

在S N1反应中，不同类型的卤代烃和磺酸酯的反应活性顺序为：CH3-Y﹤1°RY﹤烯丙型RY≈苄基型RY≈2°RY﹤3°RY

在S N2反应中，反应活性顺序为:

三级RX﹤二级RX﹤一级RX﹤CH3X

3.亲核试剂的亲和性强弱对S N1和S N2反应的影响

S N1反应中，亲核试剂不影响其速率。亲核试剂的亲核性越强，S N2

反应所需要的活化能就越低，反应的速率就越高。故比较亲核试剂的亲核性强弱可判断S N2反应的活性。

（1）同周期元素原子形成的负离子、负离子基团或中性分子随着原子序数的增加亲核性减弱：H2N-﹥HO-﹥F-﹥;R3C-﹥R2N-﹥RO-﹥

F-;H3N﹥H2O;R3N﹥R2O。

（2）同族元素的原子形成的负离子、负离子基团或中性分子的亲核性随周期数增加而减弱：F-﹥Cl-﹥Br-﹥I-,RO-﹥RS-,R3N-﹥R3P。

（3）同种元素带负电荷基团的亲核性强于中性基团：-OH﹥H2O;HS-﹥H2S。

（4）对于含氧试剂，亲核性强弱顺序如下：RO-﹥HO-﹥ArO-﹥RCOO-﹥ROH﹥H2O。

4.溶剂对S N1和S N2反应的影响

增大溶剂极性有利于S N1反应的进行。质子型极性溶剂对S N1反应更为有利。溶剂极性增加，S N1反应活性增大。非质子型溶剂对S N2反应有利。

5.S N1和S N2反应的竞争

（1）好的离去基团是两种机理都必需的。

（2）亲核试剂的亲核能力强有利于S N1反应，弱的亲核试剂则倾向于S N2反应。

（3）质子型极性溶剂有利于S N1反应，而非质子型极性溶剂则有利于S N2反应。

（4）底物烃基结构的影响比较复杂一些，对于S N1反应，烃基结构主要通过影响碳离子稳定性而影响反应活性，而对于S N2反应，空

间位阻是烃基结构影响反应活性的主要原因。

6.分子内亲核取代反应

常见的分子内亲核取代反应主要有形成三元环、五元环、或六元环的反应。三元环结构虽然不够稳定，但是当亲核基团处于离去基团的 -位

时，空间上十分靠近，也容易发生分子内亲核取代反应形成三元环。

三、醚（环醚）的亲核取代反应

1.醚与HI、HBr的亲核取代反应

在醚的亲核取代反应中，离去基团是烷氧基负离子（-OR）.质子化后的醚可以发生S N1或者S N2反应。不对称醚发生S N1反应时反应的区域选择性取决于参与反应的醚分子中哪个烃基能够生成比较稳定的碳正离子。因此，烷氧键的断裂顺序是：三级烷基﹥二级烷基﹥一级烷基﹥芳基。

当反应以S N2机理进行时，使用HI将比HBr具有更高的反应活性，因为I-的亲核性比Br-强。另一方面，不对称的醚在发生烷氧键断裂时，优先顺序与S N1反应中顺序相同，即三级烷基﹥二级烷基﹥一级烷基﹥芳基。

2. 1,2-环氧化合物的开环反应

虽然1,2-环氧化合物发生亲核取代反应时的离去基团也是烷氧基，但是环氧部分的三元环结构具有较大的环张力，因此发生亲核取代反应的活性比一般的醚类化合物高。1,2-环氧化合物不仅能在酸性条件下发生亲核取代反应，而且可以在碱性条件下与多种亲核试剂发生反应。1,2-环氧化合物除了在酸催化下可以发生亲核取代开环反应外，还可以在碱性条件下接受多种亲

核试剂的进攻，发生S N2反应。这是因为环张力的存在使得它们容易发生开环反应。反应的区域选择性与一般S N2反应相同，即空间位阻因素是反应中的关键因素。

无论在酸性还是碱性条件下，1,2-环氧化合物的亲核取代开环反应都经过S N2反应历程，因此如果反应发生在手性碳原子上，将得到构型转化的产物。

四、羧酸及其衍生物的亲核取代反应

羰基化合物的结构对亲核反应活性具有重要影响。根据羰基碳原子的缺电子程度，可以得出羰基化合物接受亲核试剂进攻的反应活性顺序如下：RCOCl﹥RCOOCOR’﹥RCOOR’﹥RCOOH﹥RCONR2’。

另一方面，离去基团的离去倾向大小也将影响亲核取代反应活性。碱性越弱的亲核试剂，离去倾向越大。因此，下列几类化合物的接受亲核试剂进攻的反应活性顺序如下：

RCOCl﹥RCOSR’~RCOOCOR’﹥RCOOR’~RCOOH~RCONR2’﹥RCOO-。以上第一二点所说的S N1和S N2反应也是第三四点醚（环醚）和羧酸及其衍生物亲核取代反应的两种机理。