8.4

親核取代反應機理

在討論鹵代烴取代反應機理之前，先用以下實例介紹幾個常用名詞。

1-溴丙烷是主要作用物，一般稱為反應底物（substmte)。進攻反應底物的試劑OCH3是帶著電子對與碳原子結合的，它本身具有親核性，稱為親核（nucleophile)試劑。親核試劑一般都是負性基團或者能提供電子對的中性分子。反應底物上的溴原子帶著電子對從碳原子離開，所以Br-稱為離去基團（leavinggroup)。取代反應是在與溴相連的那個碳原子上進行的，常稱為中心碳原子（centeratom)。

這種由親核試劑進攻中心碳原子而引起的反應稱為親核取代（nucleophilicsubstitution)反應。在親核取代反應中是一個負性基團（親核試劑）取代另一個負性基團（離去基團）。長期以來，人們對鹵代烴取代反應的機理研究得比較充分，積累了大量的資料，為我們的學習提供了豐富的內容。—、兩種主要的機理（Sn1和Sn2)

用不同鹵代烴進行水解反應，發現它們在動力學上有不同的表現，例如氯代叔丁烷在氫氧化鈉的丙酮和水的混合溶液（OH-為0.05M)中水解的速度與它在純水（0H-為10-7)中，水解速度是相同的，說明水解速度只與氯代叔丁烷本身的濃度成正比。而與堿（0H-)的濃度無關，在動力學上稱為一級反應（firstorderkinetics)。

1.單分子親核取代機理（Sn1)

氯代叔丁烷水解反應速度只決定于氯代叔丁烷本身的濃度，而與堿的濃度無關，這就是說，在整個反應過程中決定反應速率的關鍵步驟（慢步驟）與OH-無關。由此可以推想，氯代叔丁烷的水解是按如下機理進行：反應過程中的能量變化如圖8-1。

在Sn1反應中由于生成了碳正離子中間體，所以重排是這種反應的重要特征。例如新戊基溴和CH3CH2OH反應，幾乎全部得到重排產物：

該反應按SNl機理進行，首先生成的伯碳正離子很容易重排為較穩定的叔碳正離子，后者再與親核試劑（C2

H50H)結合，去掉質子而得到重排產物。

2.雙分子親核取代機理SN2

與氯代叔丁烷不同，溴甲烷的水解速度同溴甲烷及堿（OH-)的濃度都成正比關系。這個事實使我們想到在決定反應速度步驟中一定包含有兩種粒子的碰撞，反應按另一種機理進行:

對反應過程可以這樣來描述：親核試劑OH-首先從離去基團（Br)的背面進攻中心碳原子，在這同時，溴原子攜帶電子逐漸離開。中心碳原子上的三個氫由于受0H-進攻的影響而往溴原子一邊偏轉。當它們處于同一平面，且OH-、Br和中心碳原子處在垂直該平面的一條直線上時，即達到所謂的過渡態。這時O—C鍵部分形成，C—Br鍵部分斷裂。接著親核試劑0H-與中心碳原子的結合逐漸加強，而溴原子帶著電子逐漸遠離，最后得到取代產物。反應中能變化如圖8-2所示。二、影響反應機理及其活性的因素

前面我們介紹了鹵代烴親核取代一般有兩種主要的機理:SNl和SN2。接下來讀者所關心的問題可能是:不同結構的鹵代烴，其親核取代反應的相對活性如何？它們到底按哪種機理進行反應？有什么一般的規律？等等。對于這些問題很難給予簡單的回答。因為影響因素很多，情況比較復雜。以下先分別討論不同因素對反應機理及其沽性的影響，然后概括地進行總結，讀者可從中找到某些答案。

1.烴基結構的影響

鹵代烴分子中的烴基結構主要通過電子效應和空間效應影響親核取代反應的活性。而這兩種效應在不同的反應機理中所起的作用往往是不同的，因此烴基結構對反應活性的影響與反應機理密切相關。(1)在SN1反應中

在SNl反應中，決定反應速度步驟是C—X鍵斷裂生成碳正離子，反應活性的高低主要決定于碳正離子生成的難易。（2）在SN2反應中

Sn2是一步反應，反應速度主要決定于過渡態的相對穩定性（過渡態的能量決定反應的活化能）。從反應物到過渡態，中心碳原子由四價態變為五價態，空間排布變得更加擁擠，所以鹵代烴分子中烴基的空間因素對反應活性有重要影響。

中心碳原子上所連烴基數目越多，體積越大，過渡態就越擁擠，能量就越高，SN2反應活性就越低。由上式可以看出，在從反應物到過渡態，中心碳原子的電荷沒有明顯的變化。所以鹵代烴分子中α-或β-位上所連基團的電子效應對反應速度的影響不大。

烴基對SN2反應的空間效應也可以用另一種方式加以說明。在進行SN2反應時，親核試劑需要主動進攻中心碳原子，如果中心碳原子上連有多個烴基（體積比氫大），顯然會阻礙親核試劑與中心碳的接近，因而不利于反應。中心碳上所連烴基越多，體積越大，這種阻礙作用就越突出，SN2反應活性就越低。不同鹵代烴的SN2相對活性順序為：

烯丙型和芐基型鹵代烴在SN2反應中所形成的過渡態可以通過鄰近π鍵對它們起穩定作用（圖8-3)。

總的來說，不同烴基的鹵代烴的相對活性規律是:在SN1反應中，叔鹵>仲鹵>伯鹵>甲基鹵;在SN2反應中，叔鹵<仲鹵<伯鹵<甲基鹵。

2.離去基團的影響

在鹵代烴的親核取代反應中，帶著電子對從中心碳原子離開的鹵負離子是離去基團。一般來說，離去基團的堿性弱（不易給出電子,有較強的承受負電荷的能力），離開中心碳原子的傾向強（稱為較好的離去基團），親核取代反應的活性高。反之，離去基團堿性強，離開中心碳原子的傾向小（稱為較差的離去基團），親核取代反應的活性就低。

離去基團的好差可以根據它們的堿性強弱來判斷。但由于各種負離子（包括中性分子)的堿性不容易直接辨認，因此往往需要比較它們的共軛酸的酸性。X-的共扼酸為HX,酸性序為：HI＞HBr＞HC1＞HF。那么X-的堿性順序則為：F-＞C1-＞Br-＞I-。X-作為離去基團的離去傾向為:I-＞Br-＞C1-＞F-。所以鹵代烴的親核取代反應相對活性是:

3.親核試劑的影響

在SN1反應中，反應速度只決定于RX的解離，而與親核試劑無關。因此親核試劑的性質對SN1的反應活性無明顯影響。而在SN2反應中，親核試劑的親核性越強，濃度越大，其反應速度就越快。

一般來說，試劑的親核性主要與以下幾個因素有關。

（1）試劑的堿性

試劑的親核性指的是提供電子對，與帶正電荷碳原子結合的能力。試劑的堿性指的是提供電子對與質子（或其他路易斯酸)結合的能力。由于它們都是提供電子，和一個帶正電荷實體相結合的能力，所以在很多情況下，試劑的親核性和堿性是一致的。即試劑的堿性強，其親核性也強；反之亦然。因此我們常常可以根據堿性強弱來判斷它們親核性的強弱。例如在下列兩種情況下，親核性順序和堿性順序總是一致的。（2）試劑的可極化性

親核試劑的可極化性是指它的外層電子在外界電場作用下電子云發生變形的難易程度。親核試劑的可極化性越大，它進攻中心碳原子時，其電子云就越易變形而伸向中心碳。試劑的可極化性越大，其親核性就越強。

試劑的可極化性與進攻原子的體積有密切關系。原子的體積越大，其核對外層電子的束縛越小，在外電場作用下，電子云就越容易發生變形。所以對同主族元素來說，從上至下，試劑的親核性隨著增大。例如：

RS->RO-；

RSH>ROH（3）溶劑的影響親核試劑的強弱與溶劑還有一定的關系，這主要是溶劑化作用的影響。例如鹵負離子(X-)在非質子性溶劑二甲基甲酰胺（DMF)中，親核性順序與它們的堿性是一致的：但在質子性溶劑（如乙醇，水）中，則改變了它們的親核性順序：

親核性：F-

<C1-

<Br-<1-

綜合各種因素對試劑親核性的影響，在質子性溶劑中親核性的強弱順序是：

在鹵代烴的親核取代反應中，用強的親核試劑傾向于SN2機理；用弱的親核試劑傾向于SN1機理。例如，新戊基溴與NaOC2H5反應是SN2機理，而與HOC2H5反應則是SN1機理。強親核試劑（如OC2H5)可把鹵素從分子中推開（SN2)，而弱親核試劑（如C2H5OH)則等待著被請進去（SN1)。4.溶劑效應

溶劑對親核取代反應的影響也隨不同的反應機理而異。在Sn1反應中，從反應物至碳正離子的變化過程中，正負電荷集中，使體系極性增強，所以極性溶劑有利于穩定它們的過渡態，降低活化能，使反應速度加快。

使用不同溶劑不僅影響SnI和Sn2反應的活性，有時甚至能夠完全改變它們的機理。例如，氯化芐在水中水解按Sn1機理，而在丙酮中水解則按Sn2機理:

至此已分別討論了烴基的結構、離去基團、親核試劑和溶劑對鹵代烴親核取代反應機理及其活性的影響，并簡單概括了一般的規律。這些規律基本上也適合于有機化學中其他的親核取代反應。三、SN2和SNI的立體化學

1.SN2的立體化學

英果爾德（C.Ingold，1893—1970)等用旋光性的2-碘辛烷與放射性碘負離子進行鹵素交換反應，發現在反應過程中外消旋化的速度是同位素交換速度的2倍由此可以說明，親核試劑是背面進攻（如同前邊對SN2過程的描述那樣）。

可以設想，如果I-*是前面進攻（即從離去基團的同面接近中心碳原子），反應產物是保持構型，不會發生消旋。如果I-*的背面進攻和前面進攻的機會均等，那么，外消旋速度和同位素交換速度應該相等。顯然這兩種設想與實驗事實是不符的。

左旋的2-溴辛烷在氫氧化鈉的含水乙醇中反應，得到右旋的2-辛醇：

瓦爾登轉化是化SN2反應的立體化學特征。產生這種特征的原因是親核試劑的背面進攻。讀者或許會進一步問：為什么親核試劑總是從離去基團背面進攻碳原子呢？在此有兩個理由來回答這個問題:第一，當親核試劑從前面進攻中心碳原子時，會受到攜帶電子離開的離去基團的排斥，而背面進攻可以避免這種排斥。第二，背面進攻能形成較穩定的過渡態，降低反應的活化能。2.SN1的立體化學

具有旋光性的反應底物（中心碳原子為手性碳）進行SN1反應時，由于生成的碳正離子具有sp2平面構型，親核試劑可以從平面兩側與其結合，取代產物為幾乎等量的一對對映體。

對于理想的SN1來說，確實應得到完全消旋化產物，但實際上往往只能得到部分消旋產物。例如，

α-苯基氯乙烷水解時，87%發生外消旋化，13%發生構型轉化：

關于SN1反應產生部分外消旋化的原因比較復雜，在此可以簡單地解釋為:SN1反應中的碳正離子不穩定，在它生成的瞬間，就會立即受到親核試劑的進攻，這時鹵負離子可能還來不及離開中心碳原子到相當的距離，因而在一定程度上阻礙了親核試劑從鹵原子這一邊的進攻，結果生成較多的構型轉化產物。

外消旋化的比例在不同反應中各不相同，其比例高低主要決定于碳正離子的穩定性和親核試劑的濃度。一般來說，碳正離子的穩定性較高，親核試劑的濃度較小，則外消旋比例就高。反之，碳正離子穩定性較低，親核試劑的濃度較大，則外消旋比例就低。例如，α-鹵代乙苯和2-鹵代辛烷按化SN1機理水解，由于前者解離生成的碳正離子比后者的穩定，水解結果，旋光性的α-氯代乙苯生成83%?98%外消旋產物，而2-溴代辛烷僅得34%外消旋產物。四、離子對機理

離子對機理最早是在解釋SN1的部分外消旋化現象時引起注意的。它能說明很多有關親核取代反應機理的現象，因此越來越受到化學家的重視。

離子對機理認為反應底物在溶劑的作用下，解離是分步的，并按如下方式形成離子對：

第一步是電離，即共價鍵斷裂，生成碳正離子和負離子。但這兩個相反電荷的離子在靜電引力作用下仍靠在一起，形成緊密離子對。第二步是少數溶劑分子進入到兩個離子的中間，把它們分割開來，但它仍是一個離子對，稱為溶劑分割離子對。在第三步中，離子完全被溶劑包圍，形成了溶劑化的碳正離子和負離子。

形成離子對的各步都是可逆的，每步的反應速度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自由離子的平衡混合物。如果親核試劑與分子或緊密離子對作用，則必然是從背面進攻中心碳原子，發生構型轉化，得到瓦爾登轉化產物。如果親核試劑與溶劑分割離子對作用，則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。一般來說，前者多于后者，在這一階段的取代結果是部分消旋化的。當親核試劑和碳正離子作用時，則它們以相等的幾率從碳正離子平面的兩側進攻，完全消旋化。取代反應的宏觀結果是各個不同階段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來表示：五、鄰基參與

1.鄰基參與的提出

2.鄰基參與及其主要特征

從許多實驗中發現，當能夠提供電子的基團處于中心碳原子鄰近位置時，它們通過某種環狀中間體參與親核取代反應，其結果不僅加快了反應速度，而且使產物具有一定的立體化學特征，有時還會得到重排產物。這種過程叫做鄰基參與，它是親核取代機理的重要組成部分。可以用下列通式來表示鄰基參與的一般過程：

在鄰基參與反應中，有時外加親核試劑也可以進攻環狀中間體原來連有參與基團的碳原子，這時則得到重排產物：

歸結起來，鄰基參與反應的特點是:反應速度加快、構型保持，有時得到一定構型的重排產物，對反應有加速作用。3.鄰基參與的主要類型

根據參與基團的結構，可將常見的鄰基參與分為以下幾種主要類型：（1）含雜原子鄰近基團參與反應

含雜原子基團如COO-、OH、OR、NH2、NR2、SR、S-、O-、Cl、Br、I等，作為鄰基可借助于雜原子上的負電荷或未共用電子對同中心碳原子作用而參與親核取代反應。前邊所提到的(S)-2-溴丙酸在Ag20存在下的稀NaOH溶液中的水解反應屬于這種類型。(2)鄰近雙鍵參與

對甲苯磺酸酯中磺酸根負離子為好的離去基團，它像鹵代烴一樣易發生親核取代反應和消去反應（參閱9.3節）。下列2-(3-環戊烯基）乙醇的對甲苯磺酸酯進行醋酸解得到橋環醋酸酯的反應為碳碳雙鍵參與的親核取代反應。

(3)鄰近芳基參與

芳基提供它的大π鍵作為鄰近參與基的反應可以由產物的結構和立體化學特征得到證實。例如，下列鹵代烴水解生成兩種產物，是由于苯基參與的結果：

最后概括說明鄰基參與的一般條件：a.在反應底物中心碳原子附近有能提供電子的基團，這是最基本的條件。b.反應時離去基團先有一定的離去傾向，使中心碳原子顯出部分正電荷，這可以為鄰基參與創造較好的條件。但離去基團的離去傾向不能過強，如果離去基團很容易離開中心碳原子，就無須鄰基協助，即可按化SN1機理反應。c.外加親核試劑的濃度不宜過大，因為高濃度的親核試劑進攻中心碳原子的機會多，往往導致反應按SN1機理進行。

d.鄰基與離去基團必須處于反平行位置，這種空間關系有利于鄰基對中心碳原子的進攻(背面進攻）。在開鏈化合物中，由于C—Cσ鍵可以自由旋轉，總是能夠滿足這種空間要求，但在某些環狀化合物中卻不一定都能達到。

還有一點要注意的是，具有一定構型的開鏈化合物，有可能發生鄰基參與反應時，必須在構型式中把參與基團和離去基團放在反平行位置，否則，很難寫出正確的產物。例