四 溶剂的性质
溶剂效应对亲核取代反应所起的作用,不仅是重要的,而且是复杂的,主要是通过影响过渡态的稳定性从而影响反应活化能,以达到影响反应速率 。
绝大部分 SN1反应是由中性分子离解成带电荷的离子,
过渡态的电荷比反应物有所增加 。 溶剂极性增加,使过渡态的能量降低,从而降低反应的活化能,使反应加速 。
δ+ δ-
Ｒ－Ｌ ［Ｒ … Ｌ］ Ｒ ＋ ＋Ｌ －
例如叔卤代烷的溶剂解反应随溶剂极性增加而加速 。
SN1反应：
(CH3)3C-Br + Sol-OH (CH3)3C-O-Sol + HBr
溶剂 乙醇 80%乙醇 +20%水 50%乙醇 +50%水 水相对速率 １ 10 2０ 1450
在 SN2反应中，溶剂的影响情况比较复杂。
如果过渡态的电荷比反应物有所增加，溶剂极性加大，更能稳定过渡态，使反应速率加快；
如果过渡态的电荷比作用物有所减少或过渡态的电荷更加分散，则溶剂极性增加更能稳定反应物分子，不利于过渡态的生成，使反应速率减慢（见表５－ 6）。
表 5-6 SN2反应中溶剂极性影响情况反应类型 过渡态相对于作用物的电荷变化增加溶剂极性后速率变化
δ- δ+
Nu+R-L→[Nu…R…L]→Nu -R+L
δ- δ+
Nu-+R-L+→[Nu…R…L]→Nu -R+L
δ- δ-
Nu-+R-L→[Nu…R…L]→Nu -R+L-
δ- +
Nu+R-L+→[Nu…R…L]→Nu +-R+L
电荷增加电荷减少电荷分散电荷分散速率加快速率减慢速率减慢速率减慢常用溶剂的极性可以它们的介电常数来表示，见表 5-7。
表 5-7 常用质子性和非质子性溶剂的介电常数 ε
质子性溶剂 ε 非质子性溶剂 ε
水醇醇
1-丙醇
2-丙醇醋酸甲酸氢氟酸甲酰胺氢氰酸
78.5
32.6
24.3
20.1
18.3
6.15
58
84
109
115
二甲亚砜
N,N-二甲基亚酰胺丙酮氯仿乙醚苯四氯化碳氯苯硝基苯乙腈
46.3
37.0
20.7
4.8
4.3
2.38
2.2
5.7
36
37
上述分析表明，增加溶剂的极性和溶剂化能力，使多数 SN1反应速率加快，使多数 SN2反应速率减慢。对于同一反应，改变溶剂极性甚至可以改变反应历程。在 SN1反应中，决定反应速率的步骤是Ｃ－Ｌ键的离解，所以溶剂的离子化能力越强越容易离解，因此增大溶剂的极性和离子溶剂化能力，可使反应历程由 SN2向极限的 SN1方向转变。同理，如将质子溶剂改变为非质子溶剂时，则常使极限的 SN1向 SN2反应历程方向转变，这是因为体系中亲核体的亲核性得到了增强的缘故。
§ 5.4邻基参与
在亲核取代反应中,某些取代基当其位于分子的适当位臵,能够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体,从而影响反应的进行,这种现象称为邻基参与 （ Neighboring group participation） 。
通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为邻基协助或邻基促进 。 若邻基参与作用发生在决速步骤之后,此时只有邻基参与作用而无邻基促进 。 邻基参与的结果,或导致环状化合物的生成,或限制产物的构型,
或促进反应速率异常增大,或几种情况同时存在 。
能发生邻基参与作用的基团通常为具有未共用电子对的基团,含有碳 -碳双键等的不饱和基团,具有 π 键的芳基以及 C-C和 C-Hσ 键 。 因此邻基参与的类型有,n
电子参与,π 电子参与和 σ 电子参与等 。 这里仅讨论 n
参与和 π 参与,关于 σ 参与,有兴趣者可参考相关书籍 。
一 n参与
某些化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的 β 位臵或更远时,这种化合物在取代反应过程中保持原来的构型 。 这些 β 取代基包括 COO-（ 但不是 COOH）,OCOR,COOR,COAr、
OR,OH,O-,NH2,NHR,NR2,NHCOR,SH,SR、
S-,Br,I及 Cl。
上述这些邻基参与历程是由两个连续的 SN2反应进行的,每次反应都引起构型转化,总结果是构型保持 。
第一步,邻基作为亲核试剂促进离去基团 L离去；
第二步为外部的亲核试剂 Nu-再取代邻基 Z而得到产物 。
(1) + L-
(2)
R
R
|
R
R
Z
C
C
+
Z C
R
R
|
CR L
R
:
+
C
C
Z
R
R
|
R
N u,
-
R
R C
|
R
R
CZ
N u
:
R
邻基 Z比外部的亲核试剂 Nu-进攻速率快的原因是：外加的 Nu必须和作用物碰撞才能发生反应，而邻基 Z由于所处的位臵有利，即刻就能进攻中心碳原子；再者邻基参与作用的熵变更为有利，反应中心与 Z反应和与 Nu反应相比，前者 ΔS 降低得较少。
二 π参与
1 C=C双键参与
C=Cπ 键,C=O π 键也有邻基参与作用,如反 -7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解,由于
π 参与,反应速率比相应的饱和酯快 1011倍,且产物构型保持 。
O T sH HT sO
O T s
H
反应速率特别快的原因是双键的 π 电子向 7位上的空 P轨道形成同烯丙基非经典碳正离子。
O T sH
H O A c
保持构型
C H 3 C O O H
O C O C H 3
2 环丙基的参与作用
环丙烷环的某些性质与双键类似,因此处于适当位臵时也可能发生邻基参与作用 。 例如内向
-反 -三环 [3,2,1,02,4]辛基 -8-对硝基苯甲酸酯 （ Ⅰ ） 的溶剂解速率比化合物 （ Ⅱ ） 的溶剂解速率快 1014倍 。
（ Ⅰ ） （ Ⅱ ）
p
_
C 6 H 4 N O 2C OH O
N O 2 C 6 H 4 O C O
_p
H
3 芳基参与作用
在特定的结构和反应条件下，芳环也可作为邻基参与亲核取代反应。例如：具有旋光性的苏型对甲苯磺酸 -3-苯基 -2-丁酯的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着 π 电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（ phenonium ion）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体,
C C
M e
H
P h
O T s
H
M e
- O T s -
M e
HH
M e CC
+
A c O
-
M e
H
P h
H
M e
CC
O A c
M e
H
P hM e
CC
A c O
H
溶剂效应对亲核取代反应所起的作用,不仅是重要的,而且是复杂的,主要是通过影响过渡态的稳定性从而影响反应活化能,以达到影响反应速率 。
绝大部分 SN1反应是由中性分子离解成带电荷的离子,
过渡态的电荷比反应物有所增加 。 溶剂极性增加,使过渡态的能量降低,从而降低反应的活化能,使反应加速 。
δ+ δ-
Ｒ－Ｌ ［Ｒ … Ｌ］ Ｒ ＋ ＋Ｌ －
例如叔卤代烷的溶剂解反应随溶剂极性增加而加速 。
SN1反应：
(CH3)3C-Br + Sol-OH (CH3)3C-O-Sol + HBr
溶剂 乙醇 80%乙醇 +20%水 50%乙醇 +50%水 水相对速率 １ 10 2０ 1450
在 SN2反应中，溶剂的影响情况比较复杂。
如果过渡态的电荷比反应物有所增加，溶剂极性加大，更能稳定过渡态，使反应速率加快；
如果过渡态的电荷比作用物有所减少或过渡态的电荷更加分散，则溶剂极性增加更能稳定反应物分子，不利于过渡态的生成，使反应速率减慢（见表５－ 6）。
表 5-6 SN2反应中溶剂极性影响情况反应类型 过渡态相对于作用物的电荷变化增加溶剂极性后速率变化
δ- δ+
Nu+R-L→[Nu…R…L]→Nu -R+L
δ- δ+
Nu-+R-L+→[Nu…R…L]→Nu -R+L
δ- δ-
Nu-+R-L→[Nu…R…L]→Nu -R+L-
δ- +
Nu+R-L+→[Nu…R…L]→Nu +-R+L
电荷增加电荷减少电荷分散电荷分散速率加快速率减慢速率减慢速率减慢常用溶剂的极性可以它们的介电常数来表示，见表 5-7。
表 5-7 常用质子性和非质子性溶剂的介电常数 ε
质子性溶剂 ε 非质子性溶剂 ε
水醇醇
1-丙醇
2-丙醇醋酸甲酸氢氟酸甲酰胺氢氰酸
78.5
32.6
24.3
20.1
18.3
6.15
58
84
109
115
二甲亚砜
N,N-二甲基亚酰胺丙酮氯仿乙醚苯四氯化碳氯苯硝基苯乙腈
46.3
37.0
20.7
4.8
4.3
2.38
2.2
5.7
36
37
上述分析表明，增加溶剂的极性和溶剂化能力，使多数 SN1反应速率加快，使多数 SN2反应速率减慢。对于同一反应，改变溶剂极性甚至可以改变反应历程。在 SN1反应中，决定反应速率的步骤是Ｃ－Ｌ键的离解，所以溶剂的离子化能力越强越容易离解，因此增大溶剂的极性和离子溶剂化能力，可使反应历程由 SN2向极限的 SN1方向转变。同理，如将质子溶剂改变为非质子溶剂时，则常使极限的 SN1向 SN2反应历程方向转变，这是因为体系中亲核体的亲核性得到了增强的缘故。
§ 5.4邻基参与
在亲核取代反应中,某些取代基当其位于分子的适当位臵,能够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体,从而影响反应的进行,这种现象称为邻基参与 （ Neighboring group participation） 。
通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为邻基协助或邻基促进 。 若邻基参与作用发生在决速步骤之后,此时只有邻基参与作用而无邻基促进 。 邻基参与的结果,或导致环状化合物的生成,或限制产物的构型,
或促进反应速率异常增大,或几种情况同时存在 。
能发生邻基参与作用的基团通常为具有未共用电子对的基团,含有碳 -碳双键等的不饱和基团,具有 π 键的芳基以及 C-C和 C-Hσ 键 。 因此邻基参与的类型有,n
电子参与,π 电子参与和 σ 电子参与等 。 这里仅讨论 n
参与和 π 参与,关于 σ 参与,有兴趣者可参考相关书籍 。
一 n参与
某些化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的 β 位臵或更远时,这种化合物在取代反应过程中保持原来的构型 。 这些 β 取代基包括 COO-（ 但不是 COOH）,OCOR,COOR,COAr、
OR,OH,O-,NH2,NHR,NR2,NHCOR,SH,SR、
S-,Br,I及 Cl。
上述这些邻基参与历程是由两个连续的 SN2反应进行的,每次反应都引起构型转化,总结果是构型保持 。
第一步,邻基作为亲核试剂促进离去基团 L离去；
第二步为外部的亲核试剂 Nu-再取代邻基 Z而得到产物 。
(1) + L-
(2)
R
R
|
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Z
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邻基 Z比外部的亲核试剂 Nu-进攻速率快的原因是：外加的 Nu必须和作用物碰撞才能发生反应，而邻基 Z由于所处的位臵有利，即刻就能进攻中心碳原子；再者邻基参与作用的熵变更为有利，反应中心与 Z反应和与 Nu反应相比，前者 ΔS 降低得较少。
二 π参与
1 C=C双键参与
C=Cπ 键,C=O π 键也有邻基参与作用,如反 -7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解,由于
π 参与,反应速率比相应的饱和酯快 1011倍,且产物构型保持 。
O T sH HT sO
O T s
H
反应速率特别快的原因是双键的 π 电子向 7位上的空 P轨道形成同烯丙基非经典碳正离子。
O T sH
H O A c
保持构型
C H 3 C O O H
O C O C H 3
2 环丙基的参与作用
环丙烷环的某些性质与双键类似,因此处于适当位臵时也可能发生邻基参与作用 。 例如内向
-反 -三环 [3,2,1,02,4]辛基 -8-对硝基苯甲酸酯 （ Ⅰ ） 的溶剂解速率比化合物 （ Ⅱ ） 的溶剂解速率快 1014倍 。
（ Ⅰ ） （ Ⅱ ）
p
_
C 6 H 4 N O 2C OH O
N O 2 C 6 H 4 O C O
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H
3 芳基参与作用
在特定的结构和反应条件下，芳环也可作为邻基参与亲核取代反应。例如：具有旋光性的苏型对甲苯磺酸 -3-苯基 -2-丁酯的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着 π 电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（ phenonium ion）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体,
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