第五章 脂肪族取代反应
脂肪族化合物的主要反应是亲核取代反应。
§ 5.1 亲核取代反应历程一 脂肪族亲核取代反应类型脂肪族的亲核取代反应，是指连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基团取代的化学过程。为了叙述方便，我们称这个饱和碳原子为进行反应的中心碳原子，被取代的原子或基团叫离去基团（ Leaving
Group，用Ｌ表示）。在反应过程中，带着一对电子的亲核试剂（ Nu︰ ）从作用物中取代一个离去基团，并与中心碳原子形成新键，而离去基团则带着一对原键合电子离去：
Ｎ u︰ + R— L Nu— R + L︰
亲核取代反应可以分为以下四种类型：
（１）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。
如：Ｒ－Ｉ＋ＯＨ － Ｒ－ＯＨ＋Ｉ －
（２）作用物与亲核试剂都是中性分子。
如：Ｒ－Ｉ＋Ｎ (CH3)3 RN+(CH3)3 ＋Ｉ －
（３）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。
如,RN+(CH3)３ ＋ＯＨ － ＲＯＨ＋Ｎ (CH3)３
（４）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。
如,RN+(CH3)3＋Ｈ 2S RS+H2＋Ｎ (CH3)３
类型（ 1）和（ 4）反应前后无电荷变化，类型
（ 2）和（３）反应前后有电荷变化，但两者相反。
二 单分子亲核取代反应（ SN1）历程
这是一种极限的情况,反应进程中离去基团Ｌ的离去先于亲核试剂Ｎ u的进攻,反应分两步进行：第一步为慢过程,作用物分子离解,生成一个碳正离子中间体；第二步是这个高能量的碳正离子中间体和亲核试剂迅速结合得到产物 。
R L R + L -+?y
+R + N u - R N u?ì
三 双分子亲核取代反应（ SN2）历程
Ｎ u:－ ＋ Ｒ－Ｌ ［Ｎ u … R… L ] Ｎ u－Ｒ＋Ｌ,－
过渡态
典型的 SN2反应是协同历程,R－Ｌ键的断裂和 R－
Ｎ u键的形成协同进行 。 当旧键断裂与新键形成处于均势时,体系能量最高,为反应的过渡态 。 R－Ｌ键断裂所需的能量,部分由 R－Ｎ u键形成时释放的能量补偿 。
如果亲核试剂带负电荷,则负电荷分散在过渡状态中 。
SN2 机理表现为二级动力学,反应速率 = k[R-
L][Nu-],对反应物和亲核试剂都是一级 。 这种反应物和亲核试剂两种分子都参与了过渡态的过程叫双分子亲核取代反应,记为 SN2。
四 离子对历程
除了 SN1,SN2两种极限情况的历程以外，还有很多亲核取代反应测定的数据既不符合 SN1又不符合 SN2
历程，而是介于两种极限历程之间，叫做处于“交界状况”的反应。
对于,交界状况,的亲核取代反应,有几种反应机理假说,其中最有影响的有：
1）同时并存的、竞争或混合的 SN1— SN2历程；
2）二元化离子对历程及统一的离子对历程。
但离子对历程对亲核取代反应的解释已逐渐为人们所接受。 Sneeen等人在 Winstein等人二元化离子对历程的基础上提出了 统一的离子对历程 （又称一元化离子对历程），来说明亲核取代反应。
离子化 溶剂介入 离解
R-L ［Ｒ ＋ Ｌ － ］ ［Ｒ ＋ || L－ ］ Ｒ ＋ ＋Ｌ －
作用物 紧密离子对 溶剂分隔离子对 自由正负离子
S-H Nu— S-H Nu— S-H Nu— S-H Nu—
S-R Nu-R S-R Nu-R R-S R-Nu S-R Nu-R
或 S-R 或 Nu-R 或 R-S 或 R-Nu
构型转化 构型转化 构型保持或转化 外消旋化图示中,S-H表示质子型溶剂 。
§ 5.2 亲核取代反应的立体化学
一 SN1反应
SN1历程离解慢反应形成的碳正离子中间体具有平面结构 。 可以预料,试剂Ｎ u从平面两侧进攻的机会均等,如果反应中心是一个手性碳原子,将得到外消旋化产物 。
+
50% 50%
大量的实验结果表明,100%的外消旋化并不多见 。
外消旋化的同时常常伴随着某种程度的构型转化,或构型保持的光学活性产物,且构型转化产物要多些 。
- LLC
-
Nu
+C
N uC CNu
C 6 H 5
C H O C O C H 3C 6 H 4C H 3 Op * C H O Hp C H
3 O C 6 H 4
C 6 H 5
*
+ CH3COOH
H2O-
二噁烷 外消旋体
B r
C H 3C HP h *
O H
C H 3P h C H
C H 3 O H *
27%构型转化
73%外消旋化二 SN2反应
典型的 SN2反应,Nu从离去基团的背面向反应中心进攻，如果中心碳原子是手性的，产物的构型必然引起 Walden转换。
LC
a
d
b
N u C L
a
d b
δ δ
- -
C
a
d
b
N uN u - + L -+
§ 5.3 亲核取代反应的影响因素
影响亲核取代反应历程和速率的因素主要是作用物的结构、亲核试剂、离去基团和溶剂的性质等，它们之间是相互联系的。
一 反应物烃基的结构
反应物烃基 R的结构对 SN1和 SN2反应速率的影响，
起因于电子效应和空间效应。一般说来，电子效应对
SN1历程的影响更大，空间效应对 SN2历程的影响更显著。
1 电子效应
SN2反应中,对反应速率的影响似乎应该不大；然而 SN1反应的速度控制步骤是碳正离子中间体的形成：
SN1反应中,原则上,形成碳正离子中间体的解离速率是依赖于作用物和过渡态之间的自由能差 。 凡能使碳正离子能量降低的因素,即稳定碳正离子的因素,必然降低过渡态的活化自由能,从而增加反应速率；反之,
就会降低反应速率 。 实验结果证明确是如此 。
a,供电子和吸电子基团的影响
苄基型化合物,
Z C H 2 X
B,α位的双键,三键及芳基的影响
反应物 R— X中 R为乙烯基、乙炔基和芳基时，无论 SN1或 SN2反应都很慢或完全不反应。不活泼的原因有二：一,sp杂化和 sp2杂化碳原子的电负性较 sp3杂化碳原子高，对电子具有一定的吸引力，因此,sp
杂化及 sp2杂化碳原子较 sp3杂化碳原子难于失去离去基团和电子对；二、离去基团具有未共用电子对时，
能与 π 键发生共轭作用，使 C-X键大大加强。
C C X
..
c,β位双键的影响
当 β 位有双键时,SN1反应速率有很大的增加,如表 5-1所示当作用物为烯丙基和苄基类化合物时,SN1反应极迅速 。 这是由于形成的相应碳正离子稳定之故：
烯丙基和苄基类化合物的 SN2反应速率也加快，也是由于过渡态中共轭效应的原因。炔丙基型化合物中 β
位叁键具有和苄基类化合物的类似活泼性。
C H 2 C H C H 2 + C H
2
+
脂肪族化合物的主要反应是亲核取代反应。
§ 5.1 亲核取代反应历程一 脂肪族亲核取代反应类型脂肪族的亲核取代反应，是指连接在饱和碳原子上的一个原子或基团被另外一个带负电或中性的原子或基团取代的化学过程。为了叙述方便，我们称这个饱和碳原子为进行反应的中心碳原子，被取代的原子或基团叫离去基团（ Leaving
Group，用Ｌ表示）。在反应过程中，带着一对电子的亲核试剂（ Nu︰ ）从作用物中取代一个离去基团，并与中心碳原子形成新键，而离去基团则带着一对原键合电子离去：
Ｎ u︰ + R— L Nu— R + L︰
亲核取代反应可以分为以下四种类型：
（１）作用物为中性分子，亲核试剂为负离子。
如：Ｒ－Ｉ＋ＯＨ － Ｒ－ＯＨ＋Ｉ －
（２）作用物与亲核试剂都是中性分子。
如：Ｒ－Ｉ＋Ｎ (CH3)3 RN+(CH3)3 ＋Ｉ －
（３）作用物为正离子，亲核试剂为负离子。
如,RN+(CH3)３ ＋ＯＨ － ＲＯＨ＋Ｎ (CH3)３
（４）作用物为正离子，亲核试剂为中性分子。
如,RN+(CH3)3＋Ｈ 2S RS+H2＋Ｎ (CH3)３
类型（ 1）和（ 4）反应前后无电荷变化，类型
（ 2）和（３）反应前后有电荷变化，但两者相反。
二 单分子亲核取代反应（ SN1）历程
这是一种极限的情况,反应进程中离去基团Ｌ的离去先于亲核试剂Ｎ u的进攻,反应分两步进行：第一步为慢过程,作用物分子离解,生成一个碳正离子中间体；第二步是这个高能量的碳正离子中间体和亲核试剂迅速结合得到产物 。
R L R + L -+?y
+R + N u - R N u?ì
三 双分子亲核取代反应（ SN2）历程
Ｎ u:－ ＋ Ｒ－Ｌ ［Ｎ u … R… L ] Ｎ u－Ｒ＋Ｌ,－
过渡态
典型的 SN2反应是协同历程,R－Ｌ键的断裂和 R－
Ｎ u键的形成协同进行 。 当旧键断裂与新键形成处于均势时,体系能量最高,为反应的过渡态 。 R－Ｌ键断裂所需的能量,部分由 R－Ｎ u键形成时释放的能量补偿 。
如果亲核试剂带负电荷,则负电荷分散在过渡状态中 。
SN2 机理表现为二级动力学,反应速率 = k[R-
L][Nu-],对反应物和亲核试剂都是一级 。 这种反应物和亲核试剂两种分子都参与了过渡态的过程叫双分子亲核取代反应,记为 SN2。
四 离子对历程
除了 SN1,SN2两种极限情况的历程以外，还有很多亲核取代反应测定的数据既不符合 SN1又不符合 SN2
历程，而是介于两种极限历程之间，叫做处于“交界状况”的反应。
对于,交界状况,的亲核取代反应,有几种反应机理假说,其中最有影响的有：
1）同时并存的、竞争或混合的 SN1— SN2历程；
2）二元化离子对历程及统一的离子对历程。
但离子对历程对亲核取代反应的解释已逐渐为人们所接受。 Sneeen等人在 Winstein等人二元化离子对历程的基础上提出了 统一的离子对历程 （又称一元化离子对历程），来说明亲核取代反应。
离子化 溶剂介入 离解
R-L ［Ｒ ＋ Ｌ － ］ ［Ｒ ＋ || L－ ］ Ｒ ＋ ＋Ｌ －
作用物 紧密离子对 溶剂分隔离子对 自由正负离子
S-H Nu— S-H Nu— S-H Nu— S-H Nu—
S-R Nu-R S-R Nu-R R-S R-Nu S-R Nu-R
或 S-R 或 Nu-R 或 R-S 或 R-Nu
构型转化 构型转化 构型保持或转化 外消旋化图示中,S-H表示质子型溶剂 。
§ 5.2 亲核取代反应的立体化学
一 SN1反应
SN1历程离解慢反应形成的碳正离子中间体具有平面结构 。 可以预料,试剂Ｎ u从平面两侧进攻的机会均等,如果反应中心是一个手性碳原子,将得到外消旋化产物 。
+
50% 50%
大量的实验结果表明,100%的外消旋化并不多见 。
外消旋化的同时常常伴随着某种程度的构型转化,或构型保持的光学活性产物,且构型转化产物要多些 。
- LLC
-
Nu
+C
N uC CNu
C 6 H 5
C H O C O C H 3C 6 H 4C H 3 Op * C H O Hp C H
3 O C 6 H 4
C 6 H 5
*
+ CH3COOH
H2O-
二噁烷 外消旋体
B r
C H 3C HP h *
O H
C H 3P h C H
C H 3 O H *
27%构型转化
73%外消旋化二 SN2反应
典型的 SN2反应,Nu从离去基团的背面向反应中心进攻，如果中心碳原子是手性的，产物的构型必然引起 Walden转换。
LC
a
d
b
N u C L
a
d b
δ δ
- -
C
a
d
b
N uN u - + L -+
§ 5.3 亲核取代反应的影响因素
影响亲核取代反应历程和速率的因素主要是作用物的结构、亲核试剂、离去基团和溶剂的性质等，它们之间是相互联系的。
一 反应物烃基的结构
反应物烃基 R的结构对 SN1和 SN2反应速率的影响，
起因于电子效应和空间效应。一般说来，电子效应对
SN1历程的影响更大，空间效应对 SN2历程的影响更显著。
1 电子效应
SN2反应中,对反应速率的影响似乎应该不大；然而 SN1反应的速度控制步骤是碳正离子中间体的形成：
SN1反应中,原则上,形成碳正离子中间体的解离速率是依赖于作用物和过渡态之间的自由能差 。 凡能使碳正离子能量降低的因素,即稳定碳正离子的因素,必然降低过渡态的活化自由能,从而增加反应速率；反之,
就会降低反应速率 。 实验结果证明确是如此 。
a,供电子和吸电子基团的影响
苄基型化合物,
Z C H 2 X
B,α位的双键,三键及芳基的影响
反应物 R— X中 R为乙烯基、乙炔基和芳基时，无论 SN1或 SN2反应都很慢或完全不反应。不活泼的原因有二：一,sp杂化和 sp2杂化碳原子的电负性较 sp3杂化碳原子高，对电子具有一定的吸引力，因此,sp
杂化及 sp2杂化碳原子较 sp3杂化碳原子难于失去离去基团和电子对；二、离去基团具有未共用电子对时，
能与 π 键发生共轭作用，使 C-X键大大加强。
C C X
..
c,β位双键的影响
当 β 位有双键时,SN1反应速率有很大的增加,如表 5-1所示当作用物为烯丙基和苄基类化合物时,SN1反应极迅速 。 这是由于形成的相应碳正离子稳定之故：
烯丙基和苄基类化合物的 SN2反应速率也加快，也是由于过渡态中共轭效应的原因。炔丙基型化合物中 β
位叁键具有和苄基类化合物的类似活泼性。
C H 2 C H C H 2 + C H
2
+
