亲核取代反应及其影响因素

亲核取代反应及其影响因素

摘要：饱和碳原子上的亲核取代反应主要有两种：单分子亲核取代反应(S N1)与双分子亲核取代反应(S N2)。大多数反应介于这两种极端情况之间。人们提出离子对机理与邻近基团参与的理论来解释反应情况与构型变化的问题。亲核取代反应的反应速度，与烃基的数量、离去集团的大小、亲核试剂的活性以及溶剂的极性等有关。一般来说，烃基数量少，离去基团大，亲核试剂亲核性强，溶剂的极性弱，对S N2反应有利；烃基数量多，离去基团大，溶剂的极性强，对S N1反应有利。另外，亲核取代反应和对应的消除反应（单分子消除反应E1、双分子消除反应E2与S N1、S N2）互为竞争性反应。强碱和较高的温度有利于消除，弱碱和强亲核试剂有利于取代；有利于碳正离子生成的条件，有利于按单分子机理进行；不利于底物异裂的条件，有利于双分子反应。

正文：

一、烷基结构的影响

1．烷基的结构对S N2 反应的影响

反应中，如果中心碳原子上连接的取代烷基（支链）越多，它们对亲在卤代烷的S

N2

核试剂从碳卤键背后进攻中心碳原子的空间位阻就越大，使得发生有效碰撞的概率大为下降；而在过渡态时众多的支链与中心碳原子要保持在同一个平面内，其张力是很大的，这就使形

反应的活性下降，反应速成过渡态需要有非常高的活化能，这些都将导致卤代烷进行S

N2

率减小。例如，I-与下面各溴代烷的丙酮溶液中于25℃发生S N2 反应时的相对反应速率为：

反应的速率也有明显的影响，即卤如果在卤代烷的β- 碳原子上连有支链烷基时，对S

N2

代烷中心碳( α- 碳)原子上连接的烷基体积越大，其空间位阻越大，不利于亲核试剂的攻击。

反应时，在其它条件相同时，不同结构卤代烷的反应活性综上所述，卤代烷进行S

N2

次序为：

2．烷基的结构对S N1 反应的影响在S N1 反应中，由于决定反应速率的步骤是碳正离子的生成。因此，烷基子离子越稳，越易形成，生成时的活化能越低，反应速率也越快，由于烷基正离子稳定性的顺序是：

(CH3)3C+>(CH3)2CH+>CH3CH2+>CH3+

所以，在S

反应中，卤代烷的活性顺序为：R3CX > R2CHX > RCH2X > CH3X N1

(3°>2°>1°>CH3X)，例如：

卤代烷与AgNO

溶液的反应被认为是S N1 机理。

3/EtOH

二、离去基团（卤原子）的影响

由于S

和S N2 反应的慢步骤都包括C-X 键的断裂，因此离去基团X-的性质对N1

S N1 和S N2 产生相似的影响，但由于在S N2 反应中，参与过渡态形成的还有亲核试剂，故

和卤原子离去的难易除与本身性质有关外，还与亲核试剂的性质有关。卤原子的性质对S

N1

S N2 反应影响的程度不同，其中对S N1 反应的影响更为突出。总之，离去基的离去倾向越大，碳卤键越易于变形断裂，亲核取代反应速度越快。

从C-X 键解离能和可极化度的大小，可知卤代烷的活性次序为：

RI>RBr>RCl>RF ( S N1 和S N2 一致)

其中，I-最好的离去基团，F-的离去能力最差。

三、亲核试剂的影响

反应的慢步骤（第一步）只与卤代烷的浓度有关，故亲核试剂对S N1 反应的由于S

N1

反应的慢步骤则与卤代烷和亲核试剂均有关系，试剂的亲核能力越强或影响不大。而S

N2

机理进行的亲核试剂的浓度越大，则它与卤代烷中心碳原子的成键能力越大，反应按S

N2

趋势越大，反应活性越高。

试剂的亲核性大小主要是由两个因素决定的。一个是试剂的碱性（给电子性），一个试剂的极化度（变形性）。这两个因素对试剂的亲核性的影响通常是一致的；但也有不一致的情况，这时往往是后者起主导作用，但也与溶剂性质有关。一般有如下规律。

1．同一周期的原子作为亲核中心时，试剂的亲核性与碱性有相同的强弱次序：

2．同一族的原子作为亲核中心时，变形性大者（原子半径大、电负性小者），呈现出较强的亲核性；这与碱强弱次序相反：

3．卤素负离子在质子型溶剂中表现出的上面所述的亲核性次序是与卤负离子的溶剂化作用有关的；卤负离子的体积越小，负电荷就越集中，它与质子型溶剂化作用程度越大，导

反应，（如使用二甲致卤负离子的亲核性大为下降。如果在非质子型极性溶剂中进行S

N2

基亚砜或二甲基甲酰胺）由于X-与溶剂分子不发生溶剂化作用，X-的负电荷是完全裸露，这时它们的亲核性与碱性的强弱次序是相同的：

4．亲核试剂的体积大小对它的亲核性也有明显的影响；体积大者，在反应中空间位阻增大，亲核性下降。

四、溶剂板性的影响

反应的速度控制步骤是它电离生成正碳离子一步；在这个步骤中，从反应卤代烷S

N1

物到正碳离子是一个正电荷不断形成的过程；而在过渡状态，卤代烷已发生了C-X 键的部分异裂，并在中心碳和卤原子上出现了部分的正负电荷，形成了高度极化的状态。极性溶剂分子对高度极化的过渡状态的溶剂化作用，可使卤代烷的过渡状态因电荷分离而引起的热力学能和升高有所缓解，并有助于碳卤键的进一步彻底解离。对于生成的正碳离子及卤负离子，极性溶剂分子也将对它们分别起到溶剂化作用，使它们所带的电荷得到进一步的分散而更趋于稳定，所以溶剂的性质对S

反应的控制步骤的影响是相当重要的。溶剂的极性大，溶

N1

反应）的剂解的速度也越快。例如，叔氯丁烷在25℃时与不同溶剂中进行溶剂解（即S

N1

相对速度为：

CH3OH HCOOH H2O

溶剂：CH

3COOH

介电常数： 6 33 58 78

相对速度： 1 4 5000 150000

RX→ [ Rδ+……Xδ-] → R++X-而在S N2 反应中，增加溶剂的极性对S N2 反应不利，反应中体系的极性通常没有变化，只是发生电荷的分散，增加溶剂的极性反而使因为S

N2

极性大的亲核试剂溶剂化。

Nu++R x → [ Nuδ+……R……Xδ-] → NuR+X-

机理进行。

因此，在极性小的非质子溶剂（如丙酮）中有利用反应按S

N2

一般情况下，在极性不太小的溶剂（如无水的乙醇溶液）中，叔卤代烷主要按S

机

N1

机理进行，仲卤代烷同理进行，而在极性较小的溶剂（如乙醇）中，伯卤代烷主要按S

N2

时按照两种机理进行，一般是以S

为主，改变溶剂的极性常可改变反应机理。如在极性

N2

机理进行，而在极性较小的非质子溶剂中，很大的溶剂（如甲酸）中，伯卤代烷可以按S

N1

叔卤代烷则可按照S

机理进行。

N2

综上所述，卤代烷在进行S

N反应时所遵循的有关规律和特点是：

反应时，活性次序为:3°>2°>1°>CH3X，而且反应产物有外消旋化并卤代烷的进行S

N1

可出现重排产物。卤代烷进行S

反应时，活性次序为：CH3X>1°>2°>3°，而且反应产物

N2

发生立体构型的转化，但没有重排产物。

S N2反应离去基的离去活性越大，卤代烷的S

N反应活性越高；试剂的亲核性越强，对

越有利；而溶剂的极性越大，对S

反应越有利；试剂浓度的增大对S N2 反应有利；提高

N1

反应的温度可加快S

N反应的速度，但对仲卤代烷显得尤为主要。

亲核取代与消除反应的竞争

卤烃的亲核取代反应与消除反应是一对竞争反应。有利于S

的反应条件，同样对E2

N2

反应，消除反应也有利。因而在取代反应的同时常伴随消除反应。一级卤代烃主要发生S

N2

产物较少，当β位上连有苄基或烯丙基时，则会增加E2反应速率，提高消除反应产率。例如，溴乙烷在55℃时，在乙醇溶剂中与乙醇钠作用，取代产物占99％，而烯烃只占1％；当β位上的一个氢被苄基取代后的β-苯基溴乙烷，在同样条件下的反应，取代产物只占4.4％，消除产物却占95.6％。

反应速率减慢，有利于β-碳上连有支链的一级卤代烃和二级卤代烃，空间位阻导致S

N2

亲核试剂对β-氢的进攻，导致消除反应增多。从电性效应考虑，试剂的亲核性强，易于发

生S

反应；试剂的碱性强，浓度大，有利于E2反应。从立体效应考虑，试剂的本积大，N2

则不利于亲核取代反应，而有利于E2反应。由于三级卤代烃主要发生单分子反应，难发生S N2反应，如遇有强碱，则是以E2消除反应为主。

与E1反应混合物之比主要取决于空间效应。卤烃中取代基越大，越有利于消除反S

N1

应。例如，下面三个氯代烷的溶剂解反应，随着取代基的空间效应增大，消除产物的比例越来越大：

总这，亲核取代反应与消除反应的取向与卤烃的结构有直接关系。直链一级卤烃易进行S N2反应，不易发生消除反应，只有强碱条件下才可发生消除反应。二级卤烃及β碳上有支链的一级卤烃进行S

的反应速度较慢，在低极性溶剂中，强亲核试剂条件下有利于S N2反N2

反应，在应，在低极性溶剂，强碱性试剂条件下，有利于E2反应。三级卤烃难以进行S

N2

和E1混合产物。生成物的强碱条件下有利于E2反应。三级卤烃在无强碱存在时，得到S

N1

相对比率依条件决定，逐渐增大碱的浓度，将增加消除反应比率。反应趋势如下所示。

参考文献

1.汪焱钢.亲和加成反应.湖北.高等教育出版社.1994

亲核取代反应的机理及影响因素.

教学目标：掌握各种因素对亲核取代反应机理的影响。 教学重点：烷基结构、亲核试剂、溶剂等因素对S N1 和S N2 反应的影响 教学安排：H 1，H3 —>H4；40min 基本概念：溶剂解：溶剂作为亲核试剂的亲核取代反应，称为溶剂解或溶剂解反应。溶剂解反应可根据所用的溶剂是水、乙醇还是乙酸，分别称为水解、乙醇解，乙酸解等。 卤代烷的亲核取代反应，既可按S N2 亦可按S N1 机理进行，但究竟按何种机理进行呢？这与卤代烷结构，离去基团亲核试剂和溶剂的性质等诸因素有关，下面分别讨论。 一、烷基结构的影响 1．烷基的结构对S N2 反应的影响 在卤代烷的S N2 反应中，如果中心碳原子上连接的取代烷基（支链）越多，它们对亲核试剂从碳卤键背后进攻中心碳原子的空间位阻就越大，使得发生有效碰撞的概率大为下降；而在过渡态时众多的支链与中心碳原子要保持在同一个平面内，其张力是很大的，这就使形 成过渡态需要有非常高的活化能，这些都将导致卤代烷进行S N2 反应的活性下降，反应速率减小。例如，I-与下面各溴代烷的丙酮溶液中于25℃发生S N2 反应时的相对反应速率为： 如果在卤代烷的β- 碳原子上连有支链烷基时，对S N2 反应的速率也有明显的影响，即卤代烷中心碳( α- 碳)原子上连接的烷基体积越大，其空间位阻越大，不利于亲核试剂的攻 击。例如，在C 2H5 OH 溶剂中C2H5ONa 与下面各溴代烷于55℃发生S N2 反应的相对反应速率为： 反应物CH3CH2B r CH3CH2CH2B r (CH3)2CHCH2B r (CH3)3CCH2B r 相对速 率 100 28 3.0 4.2×10-4 综上所述，卤代烷进行S N2 反应时，在其它条件相同时，不同结构卤代烷的反应活性次序为：

亲核取代反应及其影响因素

亲核取代反应及其影响因素 摘要：饱和碳原子上的亲核取代反应主要有两种：单分子亲核取代反应(S N1)与双分子亲核取代反应(S N2)。大多数反应介于这两种极端情况之间。人们提出离子对机理与邻近基团参与的理论来解释反应情况与构型变化的问题。亲核取代反应的反应速度，与烃基的数量、离去集团的大小、亲核试剂的活性以及溶剂的极性等有关。一般来说，烃基数量少，离去基团大，亲核试剂亲核性强，溶剂的极性弱，对S N2反应有利；烃基数量多，离去基团大，溶剂的极性强，对S N1反应有利。另外，亲核取代反应和对应的消除反应（单分子消除反应E1、双分子消除反应E2与S N1、S N2）互为竞争性反应。强碱和较高的温度有利于消除，弱碱和强亲核试剂有利于取代；有利于碳正离子生成的条件，有利于按单分子机理进行；不利于底物异裂的条件，有利于双分子反应。 正文： 一、烷基结构的影响 1．烷基的结构对S N2 反应的影响 反应中，如果中心碳原子上连接的取代烷基（支链）越多，它们对亲在卤代烷的S N2 核试剂从碳卤键背后进攻中心碳原子的空间位阻就越大，使得发生有效碰撞的概率大为下降；而在过渡态时众多的支链与中心碳原子要保持在同一个平面内，其张力是很大的，这就使形 反应的活性下降，反应速成过渡态需要有非常高的活化能，这些都将导致卤代烷进行S N2 率减小。例如，I-与下面各溴代烷的丙酮溶液中于25℃发生S N2 反应时的相对反应速率为： 反应的速率也有明显的影响，即卤如果在卤代烷的β- 碳原子上连有支链烷基时，对S N2 代烷中心碳( α- 碳)原子上连接的烷基体积越大，其空间位阻越大，不利于亲核试剂的攻击。 反应时，在其它条件相同时，不同结构卤代烷的反应活性综上所述，卤代烷进行S N2 次序为：

亲核取代反应及其影响因素

亲核取代反应及其影响因素 航03班 林三春 2010011556 摘要： 本文分为四部分。第一部分论述了亲核取代反应的组成部分：亲核试剂、离去基团、反应底物，特地列出了常见的亲核试剂、常见的离去基团。第二部分论述了亲核取代反应机理，主要论述了四种：SN1、SN2、离子对机理和邻近基团参与机理，其中还包括各种机理的实验现象验证，以及对反应产物的影响，如对构型的影响。第三部分论述了亲核反应的影响因素，主要有烃基、离去基团、溶剂和亲核试剂四种，详细地说明了这四种因素如何影响反应。给出了判断离去基团的好坏，以及比较亲核试剂的亲核性的方法。最后一部分论述了亲和取代反应与消除反应的竞争关系，其中包括SN1与E1竞争，SN2与E2竞争。主要以卤代烃为例阐述的。 在论述的同时，还附有适当的图示，以及实验数据，通过比较等手段，使得论述更加有说服力。 全文通过这四个部分，详细、全面地介绍了亲核取代反应。 正文： 亲核取代反应，简称SN 亲核取代反应，通常发生在带有正电或部分正电荷的碳上，碳原子被带有负电或部分负电的亲核试剂（Nu:-）进攻而取代。 一、亲核取代反应的重要组成成分： 亲核取代反应中涉及到的三个重要组成成分为：亲核试剂、离去基团、反应底物。 称为反应底物。进攻反应底物的试剂CH30Na (或 CH3O —)是带着电子对与碳原子结合成键的，它本身具有亲核性，称为亲核试剂，一般用Nu 表示。这类反应之所以称为亲核取代也正是因为它是由亲核试剂进攻反应底物而引起的取代反应。反应底物上的溴原子带着电子对从碳原子上离去，所以Br-；称为离去基团，一般用L 表示。该取代反应是在与溴相连的那个碳原子上进行的，常称该碳原子为中心原子，或反应中心。 ．一般的亲核取代反应可以用如下的通式表示： 。其中R —L 为反应底物，L —为离去基团，Nu —为亲核试剂，弯箭头表示电子转移的方向。 1、亲核试剂： 亲核性是指：带负电荷或孤对电子的试剂即亲核试剂对亲电子原子的进攻的能力。 具有亲核性的物质叫做亲核试剂。凡是带有未共享电子对的物质(如Lewis 碱)都具有一定的亲核性，它们都可能作为亲核试剂。亲核试剂可以是中性分子，也可以是带负电的阴离子。下表列出的是亲核取代反应中常见的一些亲核试剂：

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