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 [Nu

δ-···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。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。S N1的反应机理一般表示为：

（3）亲核取代反应影响因素：

①烷基结构的影响

烷基的结构对取代反应的速率有明显的影响。一般来说，影响反应的因素有两个，一个是电子相应，一个是空间效应。

a、烷基对于S N2的影响：

烷基结构对于S N2反应的影响主要是空间效应，例如，溴甲烷反应速率最快，当甲基上的氢（α位上的氢）逐步被甲基取代，反应速率明显下降，显然空间效应起主要作用，因为这是个双分子反应，两个分子需要碰撞接触，才能反应。如果离去基团所连接的碳原子背后空间位阻很大，进入基团与碳原子碰撞接触很少，或是根本不能接触，那反应就进行的很慢或根本不能进行。

相对速率：100 0.22 ≈0由上图的相度速率比较可知，溴甲烷α位氢甲基被逐渐取代后，以S N2反应机理进行反应，反应速率亦明显下降。

当一级卤代烷的β位上有侧链时，反应速率亦明显下降。下面是溴乙烷及其β位上的氢逐个被甲基取代的空间示意图，以及这些溴代烷在无水乙醇中（55℃）用C2H5O-按照S N2机理反应成醚的相对反应速率：

相对速率：100 28 3 0.00042 由上图可以看见，当溴乙烷的β位上有一个甲基时，由于碳碳链可以转动，因此甲基可以部分地避免空间位阻而进行反应。当β位上有两个甲基时，两个甲基与碳上的溴均有相当大的体积，自由转动受到影响，反应速率明显下降。当β位上有三个甲基取代时，就相当拥挤，进入基团很难与碳原子接触，反应速率很小。

因此，由上面列举的S N2反应可以看出，影响反应速率的主要是

空间效应，空间位阻愈大，反应速率愈低。

b、烷基对于S N1反应的影响

与对S N2反应不同，烷基的电子效应和空间效应都将对S N1反应产生影响。

在S N1反应中，速控步是碳卤键异裂形成碳正离子。显然三级卤代烷最容易形成碳正离子发生S N1反应。从电子效应上看，三级碳正离子超共轭效应最大，正电荷最易分散，因此最稳定，也最易形成。二级碳正离子次之，一级碳正离子的稳定性最差，最难形成。从空间效应上看，因为三级卤代烷上有三个烷基，比较拥挤，彼此相互排斥，如果形成碳正离子，是一个三角形的平面结构，三个取代基成120°，互相之间距离最远，可以减少拥挤，故有助于解离。这种有助于卤代烷解离的空间效应，称为空助效应。

由于电子效应和空间效应的双重影响。使三级卤代烷最易解离。例如，溴代烷在80%乙醇水溶液中(55℃)按照S N1机理进行反应水解的相对速率如下：

R (CH3)3C (CH3)2CH CH3CH2 CH3 相对速率：100 0.023 0.013 0.0034

。

C、苯甲型卤化物(PhCH2X)与烯丙型卤化物(CH2=CHCH2X)

在此两种卤化物中，在卤素的α碳上带有苯环或者双键，因此苯环与双键上活动的π电子可以与碳正离子的空轨道发生共轭效应，体系由于共轭而比较稳定，卤素易带着一对电子离去，故苯甲型及烯丙型化合物表现得特别活泼。它们即可进行S N1反应，又可进行S N2反应，而二苯卤代烷与三苯卤代烷则以S N1机理进行反应。下图为烯丙基碳正离子的p-π共轭。

综上所述，可得出烷基因素影响的结论：

一级卤代烷容易按照S N2机理进行反应，三级卤代烷容易按照S N1机理进行反应，二级卤代烷、苯甲型、烯丙型介于二者之间，可以按照S N2机理或是按照S N1机理反应，或者二者兼而有之，这决定于具体的反应条件。

②离去基团的影响

离去基团的离去能力强，无论对SN1或SN2反应都是有利的，而且不同的离去基团对这两类反应的速率影响，基本上是相同的，下

面列出了一些离去基团在亲核反应中的相对速率：

如何判断离去基团的离去能力呢？可以根据断裂键的键能和离去基团的电负性即碱性来判断。断裂键的键能越小，键就越容易断裂，离去基团的碱性愈弱，形成的负离子愈稳定，就越容易被进入基团排挤而离去，这样的基团就是个好的离去集团。如C-X的键的键能数据为：

C-F C-Cl C-Br C-I

键能/kJ·mol-1 485.3 339.0 284.5 217.6

所以C-I的键最容易断，C-F的键最难断，HX酸的酸性顺序为HI＞HBr＞HCl＞HF，所以它们的共轭碱的酸性顺序为F-＞Cl-＞Br-＞I-,也即I-的碱性最弱，无论从键能数据分析还是从离去基团的碱性分析，卤素负离子的离去能力都是I-＞Br-＞Cl-＞F-。所以卤代烷中卤素负离子作为离去基团的反应性为：碘代烷＞溴代烷＞氯代烷＞氟代烷。

除了卤素外，硫酸酯，磺酸酯，例如甲磺酸酯、苯磺酸酯、对甲苯磺酸酯中的酸根均是好的离去基团。这些硫酸酯与磺酸酯的酸根的负电荷可以离域分散在整个酸根上，形成比较稳定的负离子、因而

C-O键易于断裂，这些酸根均是好的离去基团，例如硫酸二甲酯与烷氧负离子反应生成醚，对甲基苯磺酸酯与氰离子生成腈，均是因为酯中C-O有断裂。

OH-、RO-、H2N-、CN-等均是碱性较强，一般不被置换，是不好的离去基团，为了使亲核取代反应易于进行，常常需要设法将一个不好的基团转变成一个好的离去基团，例如在用醇制备卤代烷时常常需用酸催化反应，使羟基转变外生成水，促使反应进行。

③试剂亲核性的影响

在S N1反应中，试剂的亲核性并不重要，因为亲核试剂与底物的反应不是决定的反应速率的一步，对反应的速率影响不大。因为碳正离子的反应性很高，不管试剂的亲核能力是大是小，均能发生反应。而对于S N2反应，其为一步反应，在反应过程中亲核试剂提供一对电子，与底物的碳原子成键，试剂的亲核性越强，成键越快。因此试剂亲核性的强弱，对于S N2反应的影响很大。

④溶剂的影响

反应物和它的过渡状态结构不同，其溶剂化程度也有所不同。溶剂对不同电荷的反应类型的影响可归纳如下:第一，过渡状态的电荷密度大于起始原料时，溶剂的极性增强，有利于过渡状态的形成，将加快反应速率。第二，过渡状态的电荷密度小于起始原料时，溶剂的极性增强，不利于过渡状态的形成，将减慢反应速率。第二，过渡状态和起始原料的电荷密度相差不大时，溶剂极性的改变对反应速率影响不大，可忽略不计。

5、其他类型的亲核取代反应。

（1）酰基碳上的亲核取代反应

羧酸衍生物的亲核取代反应可表达如下：

反应的结果是酰基碳上的一个基团被亲核试剂所取代，因此这类反应称之为酰基碳上的亲核取代反应

此类亲核取代反应可以在碱性条件下反应，机理如下：

反应分两步进行，首先是亲核试剂在羰基碳上发生亲核加成，形成四面体中间体，然后再消除一个负离子，总的结果是取代。由于第一步反应是亲核加成，而形成的是一个带负电荷的四面体中间体，因此原料中羰基碳的正电性越大，其周围的空间位阻越少，越有利于反应的进行，第二步消除反应决定于离去基团的性质，越易离去的基团反应越易发生。

此类反应也可以在酸性条件下进行，酸催化的反应机理如下：

首先是羰基氧的质子化。羧酸衍生物的羰基氧具有碱性，酸的作用就是通过羰基氧的质子化，使氧带有正电荷，从而吸引羰基碳上的电子，使碳更具有正电性。接着，亲核试剂对活化的羰基进行亲核加成，得到四面体中间体，最后发生消除反应生成产物。

绝大多数羧酸衍生物是按照上述反应机理进行反应的。综合亲核

加成及消除两步，不管是酸催化还是碱催化的机理，羧酸衍生物亲核取代反应性顺序式：

酰基碳上的亲核取代反应还包括：酰氯的水解、醇解、氨（胺）解，酰胺的水解、醇解氨（胺）解，酯的水解、醇解、氨（胺）解、以及羧酸衍生物低温时与格氏试剂的亲核加成-消除生成酮的反应。（2）芳香重氮盐的亲核取代反应

芳香一级胺和亚硝酸或是亚硝酸盐及过量的酸在低温下反应生成芳香重氮盐，该反应称为重氮化反应。

重氮基能被多种其他基团如卤素、氰基、羟基等取代，这在有机合成及工业生产上有广泛的应用。这些反应可以用下图来表示：

其中，生成苯酚的重氮盐的水解属于芳香亲核取代反应，

此反应为S N1Ar机理，是单分子的芳香亲核取代反应，反应分两步进行，先是重氮盐分解成苯正离子和氮气，这是决定反应速率的一步，苯正离子一旦形成，则立即和亲核的水分子反应生成酚。反应机理如下：

此外芳香重氮盐与氟硼酸生成氟苯的Schiemann（席曼）反应亦为S N1Ar机理的反应。过程如下：

其机理为中间生成苯正离子中间体，再由负的氟硼酸根离子进攻苯正离子生成PhBF4，再分解为氟苯。