親核取代反應及其影響因素

1、親核取代反應及其影響因素航03班 林三春 2010011556摘要：本文分為四部分。第一部分論述了親核取代反應的組成部分：親核試劑、離去基團、反應底物，特地列出了常見的親核試劑、常見的離去基團。第二部分論述了親核取代反應機理，主要論述了四種：SN1、SN2、離子對機理和鄰近基團參與機理，其中還包括各種機理的實驗現(xiàn)象驗證，以及對反應產物的影響，如對構型的影響。第三部分論述了親核反應的影響因素，主要有烴基、離去基團、溶劑和親核試劑四種，詳細地說明了這四種因素如何影響反應。給出了判斷離去基團的好壞，以及比較親核試劑的親核性的方法。最后一部分論述了親和取代反應與消除反應的競爭關系，其中包括SN1與E1

2、競爭，SN2與E2競爭。主要以鹵代烴為例闡述的。在論述的同時，還附有適當?shù)膱D示，以及實驗數(shù)據(jù)，通過比較等手段，使得論述更加有說服力。全文通過這四個部分，詳細、全面地介紹了親核取代反應。正文：親核取代反應，簡稱SN親核取代反應，通常發(fā)生在帶有正電或部分正電荷的碳上，碳原子被帶有負電或部分負電的親核試劑（Nu:-）進攻而取代。一、親核取代反應的重要組成成分：親核取代反應中涉及到的三個重要組成成分為：親核試劑、離去基團、反應底物。例如：反應中，主要作用物 稱為反應底物。進攻反應底物的試劑CH30Na(或CH3O)是帶著電子對與碳原子結合成鍵的，它本身具有親核性，稱為親核試劑，一般用Nu表示。這類反應

3、之所以稱為親核取代也正是因為它是由親核試劑進攻反應底物而引起的取代反應。反應底物上的溴原子帶著電子對從碳原子上離去，所以Br-；稱為離去基團，一般用L表示。該取代反應是在與溴相連的那個碳原子上進行的，常稱該碳原子為中心原子，或反應中心。一般的親核取代反應可以用如下的通式表示： 。其中RL為反應底物，L為離去基團，Nu為親核試劑，彎箭頭表示電子轉移的方向。1、親核試劑：親核性是指：帶負電荷或孤對電子的試劑即親核試劑對親電子原子的進攻的能力。 具有親核性的物質叫做親核試劑。凡是帶有未共享電子對的物質(如Lewis堿)都具有一定的親核性，它們都可能作為親核試劑。親核試劑可以是中性分子，也可以是帶負電

4、的陰離子。下表列出的是親核取代反應中常見的一些親核試劑：2、離去基團在進行親核取代反應的中心碳原子上，必然連有一個能夠帶著電子離開的基團，即離去基團。離去基團可以是負離子，也可以是中性分子。常見的離去基團有 等。3、反應底物一般來說，在脂肪碳原子上連有某種離去基團的化合物都有可能作為親核取代的反應底物。二、親核取代反應的反應機理：對于脂肪親核取代反應，由于反應物結構和反應條件的差異，SN有兩種機理，即單分子親核取代反應SN1和雙分子親核取代反應SN2。（一）SN1機理：SN1反應分兩步進行：第一步是反應底物發(fā)生離解，即離去基團帶著電子離開中心原子，形成正碳離子中間體；第二步是正碳離子和親核試劑

5、結合成鍵，得到取代產物：依據(jù)：1、動力學研究：(1)一級動力學反應在SN1的兩步反應中，第二步是活性很高的正碳離子與親核試劑結合，這是易于進行的快步驟；而第一步要由中性反應底物解離成有高度活性的正碳離子，是控制反應的慢步驟。反應過程中能量變化曲線如圖所示，由于控制反應速度的步驟中只涉及到一種反應物，其反應速度也僅決定這一種反應物的濃度，所以在動力學上應表現(xiàn)為一級反應。(2)同離子效應。在SN1反應中，反應底物的解離是一個平衡過程，如果外加一些與解離的離子相同的離子，則會抑制解離，減慢反應速度。這種作用叫做同離子效應。同離子效應是SN1反應的一個特征。(3)鹽效應。在SN1反應中，往往是由中性物

6、質生成帶電荷的物種，外加其它離子，增大溶液的離子強度，可提高反應速度，這種作用叫做鹽效應。由于鹽效應的存在常常使動力學圖象變得復雜，在研究SN1反應動力學時也要考慮這種因素。(4)橋頭碳上的SN1反應。對橋頭碳上帶有潛離去基團的化合物進行動力學研究，也能為支持aNl機理提供證據(jù)（中間體碳正離子為平面型，所以橋頭碳原子很難發(fā)生SN1反應）。2、立體化學如果具有旋光活性的反應底物(中心原子為手性原子)進行SN1反應，由于生成的碳正離子具有平面構型，親核試劑可以從平面兩側與其結合，取代產物應為幾乎等量的一對對映體，消失了光學活性，即反應是外消旋的。3、重排由于在SN1反應中有正碳離子中間體生成，可以

7、預料，它將顯示正碳離子的特征：重排。碳正離子的穩(wěn)定性：3 2 1 CH3+。例如：新戊基溴和C2H5OH反應，幾乎完全得到重排產物：（二）SN2機理：SN2代表雙分子親核取代，其反應過程可用下式表示：由上式可見，在SN2反應中，首先是親核試劑從離去基團背面進攻中心原子，與此同時，離去基團攜帶電子逐漸離開中心原子，中心原子上的三個氫原子由于受Nu進攻的影響而往L一邊偏轉，當它們同處于一個平面，且Nu，L和中心原子成為垂直該平面的一條直線時，即達到所謂的過渡狀態(tài)。接著親核試劑與中心原子的結合逐漸加強，而離去基團繼續(xù)遠離中心原子，三個氫原子偏轉到離去基團所處的一邊，最后得到取代產物，在該過程中，舊鍵

8、的斷裂和新鍵的生成是協(xié)同進行的。新鍵的逐漸形成可為舊儀斷裂提供部分能量。在過渡態(tài)時，其勢能達到最高點，反應過程中的能量變化如圖所示：依據(jù)：1，動力學研究：(1)二級反應。SN2是一步反應，顯然它的反應速度與反應底物及親核試劑濃度都有關系，在動力學上應為二級。以溴甲烷和氫氧化鈉反應為例，其動力學研究結果喪明，該反應的速度與CH3Br以及OH都成正比關系：。SN2反應一般都遵循二級動力學。(2)假一級。在SN2反應中，當親核試劑為溶劑時，動力學測定結果不是二級，而是一級的。這是因為溶劑親核試劑是大量的，其濃度為一常數(shù)，所以反應速度只與反應底物有關：。這種反應動力學叫做假一級，反應仍然是雙分子的。(

9、3)橋碳上的SN2?；衔镌赟N2條件下進行反應。例如化合物3用乙氧離子處理，化合物4用碘化鈉加丙酮處理。實驗結果表明，在兩種條件下都未得到相應的取代產物。在化合物3，4中，由于橋壞的屏蔽，親核試劑很難從離去基團背面進攻中心橋碳原子，所以不發(fā)生SN2反應。而在這些條件下，開鏈類似物則可以發(fā)生SN2反應。2立體化學（瓦爾登構型轉換）：構型轉換是由于SN2反應中的背面進攻。以(一)2溴辛烷和氫氧化鈉反應為例，親核試劑OH按前面進攻的方式反應時，則必然受到攜帶電子離開的離去基團Br的排斥，而背面進攻則可避免這種排斥。進一步分析我們還可以更清楚地看到，背面進攻能形成較穩(wěn)定的過渡態(tài)，從而降低反應的活化能

10、。因此在SN2反應中，通過親核試制的背面進攻而形成線型過渡態(tài)是必要的。而這種背面進攻在立體化學上必然導致瓦爾登構型轉化。如圖：（三）離子對機理:離子對機理最早是在解釋SN1的部分外消旋化現(xiàn)象時被人們注意的，現(xiàn)在不僅可用它來解釋SN1反應的部分外消旋化，而且用這種機理可以把SN1和SN2兩種機理統(tǒng)一起來，說明很多有關親核取代反應機理的現(xiàn)象，因此它越來越受到重視。親核取代的反應底物在溶劑的作用下可按如下的方式形成離子對：形成離子對的各步反應都是可逆的，各步的速度常數(shù)大小取決于溶劑的性質和反應底物的結構。實際的反應體系是這些不同離子對及其游離的離子的平衡混合物。如果親核試劑與分子或緊密離子對作用，則

11、必然是從背面進攻中心碳原子，發(fā)生構型轉化，外到瓦爾登轉化產物。如果親核試劑與溶劑分割離子對作用，那么親核試劑既可從背面進攻得到構型轉化產物，也可代替溶劑的位置得到構型保持產物。般來說，前者多于后者，在這一階段的取代結果是部分消旋化。當親核試劑和正碳離子作用時，則它們以相等的幾率從正碳離子平面的兩側進攻，在這里發(fā)生的取代應該是完全消旋化的：取代反應的宏觀結果是各個不同階段受親核試劑與各種離子對(包括分子和離子)反應的總和，上述過程可用下列圖式表達：（四）鄰近基團參與從許多實驗中發(fā)現(xiàn)，當能提供電子的基團處于中心碳原子的鄰近位置時，通過某種環(huán)狀中間體參與親核取代反應，共結果不僅加快了親核取代反應的速

12、度，而且往往使產物具有一定的立體化學特征。這種反應過程叫做鄰基參與?？捎孟聢D表示：鄰基參與反應的特點是：構型保持、有時得到一定構型的重排產物、反應速度較快。反應類型有:(1) 含雜原子鄰近基團參與的反應.(2) 鄰近雙鍵參與。(3) 鄰近芳基參與。例如：環(huán)氧化合物的合成屬于第一種。三、影響因素可分為四種：烴基和離去基團、溶劑、親核試劑。1、烴基的影響：對于SN1反應，決定反應速度的步驟是碳正離子的形成，也就是主要決定于碳正離子的穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性主要受電子效應和空間效應影響：電子效應主要是P超共軛作用，分散正電荷，使碳正離子更加穩(wěn)定。從空間效應分析，四面體構型的sp3碳變?yōu)槠矫嫒菢嬓偷膕p2碳

13、，可以松弛分子內的張力，一般稱這種張力為B張力(B代喪背面的意思)。這種解除B張力的作用叫做空助效應(不是空間障礙，而是空間幫助)。帶正電荷的中心碳原子上的基團越多，共體積越大，所解除的B張力就越大，由此而賦予碳正離子的穩(wěn)定性就越高。顯然，叔碳正離子的空助作用是最強的。在不同結構的碳正離子中，電子效應和空間效應對其穩(wěn)定性的影響是一致的，兩種因素都使叔碳正離子穩(wěn)定性最高，甲基碳正離子的穩(wěn)定性最低，它們的相對穩(wěn)定性順序為：叔碳正離子仲碳正離子伯碳正離子甲基正離子。對于SN2反應，其速度主要決定于過渡態(tài)的穩(wěn)定性。從反應物到過渡態(tài)，中心碳原子由四價過渡到五價，空間排布變得更加擁擠，所以底物結構的空間因

14、素對反應活性有重要影響：反應物(四價態(tài))過渡態(tài)產物(五價態(tài))由上式還可以看到，從反應物到過渡態(tài)，中心碳原子的電荷分布并沒有明顯的變化，所以底物分子中或位上所連基團的電子效應對共反應速度的影響不大。因此在SN2反應中，影響反應活性的主要因素是空間因素。顯然，基團的空間障礙會降低SN2反應的活性，不同烷基底物的SN2活性大小順序為：甲基底物伯碳底物仲碳底物叔碳底物。2、離去基團的影響：在親核取代反應中，離去基團L總是帶著電子離開中心碳原子，使CL發(fā)生斷裂，離去基團的好差無論對SN1，還是 SN2都有影響。有時改變離去基團還可改變親核取代反應的機理。在SN1反應中，決定反應速度的關鍵步驟是離去基團離

15、開中心碳原子，所以離去基團的好差對反應活性有著重要的影響。在SN2反應中，離去基團離開中心碳原子和親核試劑進攻中心碳原子是協(xié)同進行的，離去基團的好差對反應活性的影響不十分明顯。在反應機理的選擇上，離去基團也起一定的作用。一般來說，好的離去基團傾向于SN1機理；較差的離去基團傾向于SN2機理。好的離去基團指的是它有較強的承受電子的能力，容易帶著電子從中心碳原子上離開；而差的離去基團往往是承受電子能力較小，不易帶著電子從中心碳原子上離開。在一般情況下，我們可以根據(jù)離去基團的堿性強弱來判斷它的好差。堿性弱的基團承受負電荷的能力強，容易帶著電子離開中心碳原子，即為好的離去基團；堿性強的基團則是差的離去

16、基團。各種負離子基團或中性分子的堿性強弱往往不易直接辨認，而通過比較它們的共軛酸強弱來判斷是比較方便的。因此判斷離去基團的好差最終要看該基團(作為堿)的共軛酸的酸性如何。除X外，硫酸酯、甲磺酸酯，苯磺酸酯、對甲苯磺酸酯中的酸根均為好的離去基團，因為硫酸，磺酸都屬強酸，所以相應的酸根(共軛堿)都是弱堿，它們容易帶著電子從中心碳原子上離開，而形成較穩(wěn)定的負離子。3、溶劑的影響： 溶劑化效應：溶劑與溶質分子或離子通過靜電力結合的作用。溶劑的分類：溶劑的影響：l 質子溶劑：與負離子形成強氫鍵的溶劑。如水、低級醇、醋酸等l 極性非質子溶劑：偶極溶劑，介電常數(shù)大于15，不易給出質子。如二甲亞砜、乙腈、丙酮

17、等l 非極性非質子溶劑：不給出質子，與溶質結合力較弱。如二氯甲烷、THF、乙酸乙酯、氯仿、環(huán)己烷等。溶劑對SN1反應的影響：在SN1反應過程中，決速步驟是經過極性增大的過渡態(tài)形成碳正離子。因此，溶劑極性越大，越有利于過渡態(tài)的形成，利于SN1反應的進行。溶劑對SN2反應的影響：增加溶劑的極性對SN2反應不利。增加溶劑的極性，使極性大的親核試劑溶劑化，不利于過渡態(tài)的形成。4、親核試劑的影響：親核試劑的強弱對SN2反應有明顯的影響，因為親核試劑參與過渡態(tài)的形成。強的親核試劑將提高SN2反應的速度，而弱的親核試劑往往很難使反應按SN2機理進行。在SN1反應中，決定反應速度步驟與親核試劑無關，所以SN1

18、反應速度不依賴于親核試劑的性質。試劑的堿性指的是提供電子與質子或其它Lewis酸結合的能力。由于它們都是一種提供電子，和帶正電實體結合的能力，所以在很多情況下，試劑的親核性和堿性是一致的。因此我們可以通過試劑的堿性來判斷它們的親核性強弱，而試劑的堿性又往往是由它們的共軛酸強弱來判斷。親核試劑的親核性與多種因素有關，如試劑本身的堿性、可極化性、試劑的空間體積、試劑所帶電荷的性質以及溶劑等。親核能力與各種因素的關系：A、親核能力與堿性的關系：帶負電荷的親核試劑較相應的中性試劑親和性強：如HO較H2O的親核性強。一般情況下，堿性強則親核性強：B、親核能力與試劑體積的關系：體積越大越不易接近反應中心碳

19、原子。如烷氧基負離子進行SN2反應時的活性順序是：C、親核能力與溶劑化效應的關系：非質子溶劑中（DMSO, DMF）：F Cl Br I (堿性強，則親核能力強)質子溶劑中（醇）：F Cl Br I (堿性強，但親核能力弱)反應中極化性強的試劑外層電子云變形D、親核能力與試劑可極化性的關系：SN2反應中，極化性強的試劑外層電子云變形后易于接近中心碳原子，降低了過渡態(tài)產生所需的活化能。碘負離子：既是強親核試劑，又是一個好的離去基團。親核試劑的親核能力強對SN2反應有利四、消除反應與親核取代反應的競爭消除反應和親核取代反應是同時存拄的兩個競爭反應。以鹵代烴為例來討論這兩種反應的競爭情況。鹵代烴的親

20、核取代有兩種重要的機理SN1扣SN2；消除反應也有兩種機理E1和E2。兩類反應的競爭往往是對1；2對2。單分子機理：雙分子機理：1對1：在單分子機理中，首先斷裂CX鍵，生成碳正離子，該碳正離子相親核試劑結合則得到取代產物(1)；如果碳正離子丟掉H，則得到消除產物(E1)。在雙分子機理中，親核試劑Y進攻中心碳原子，經由過渡態(tài)111而得到取代產物；Y作為堿進攻H，經山過渡態(tài)112而得到消除產物。在單分子反應中，1和E1的競爭主要決定于烷基的結構。在這種反應過程中，如碳正離子與親核試劑結合()中心碳原子需從平面三角構型變成四面體構型，這樣會增加空間張力，當碳原子上連有體積較大的取代基時，這種張力的增

21、加就更加明顯；如碳正離子丟掉一個H，發(fā)生反應而生成烯烴時，中心碳原子仍是平面三角構型，共空間張力無明顯變化。因此當中心碳原子上連有較多，體積較大的取代基時，對消除反應是有利的。例如，下列氯代烷進行溶劑解中所得取代和消除的比例：在單分子反應中，離去基團與取代，消除產物的比例沒有什么關系。但是試劑的堿性對消除、取代產物的比例有明顯的影響，隨著堿的強度和濃度的增加，消除產物的比例顯著增加。例如：注：當試劑堿的濃度增加時，消除反應將由E1轉向E2。2對2：一級鹵代烴和二級鹵代烴在一定條件傾向于雙分子機理的反應。這時主要是E2對SN2的競爭，其競爭結果主要也決定于反應底物的結構和反應條件。一般來說，一級鹵代烴與親核試劑作用的SN2反應較快；但如果在位上有活潑氫，例如烯丙型氫、芐基氫，則會提高E2反應的速度。在位上有取代基的一級或二級鹵代烴，由于空間位阻，SN2速度較慢，這時試劑(堿)進攻比較有利，因而消除產物將增多。雙分子反應的競爭與試劑的性質也很有關系。如果試劑的親核性強，有利于SN2反應；試劑的堿性強則有利于E2。試劑的體積大，不易接近中心碳原子不利于SN2，而利于E2，因為體積大的試劑接近夕H不會受到明顯的影響；表21列出的是不同溴代烴