精品课资料
有机化学反应机理
电子教案
渤海大学化学化工学院
第十四章 取代基效应
教学目的和要求
掌握电性效应及对酸碱性和反应性的影响
掌握空间效应对酸碱性和反应性的影响
教学重点
电性效应和空间效应相对强度
电性效应对酸碱性和反应性的影响
教学难点
场效应，超共轭效应
空间效应中F-张力 B-张力 I--张力
第一节 诱导效应
静态诱导效应
静态诱导效应的强度
根据酸性强度比较
根据偶极矩比较
由核磁共振化学位移比较
根据诱导效应指数比较
关于烷基的诱导效应讨论
动态诱导效应
诱导效应对反应活性的影响
对反应方向的影响
对反应机理的影响
对反应速率的影响
对化学平衡的影响
第二节 共轭效应
电子离域与共轭效应
静态共轭效应
共轭效应的表现
共轭效应与诱导效应的区别
共轭效应的相对强度
动态共轭效应
共轭体系
共轭效应与反应活性
对有机物酸碱性的影响
对反应方向和反应产物的影响
对反应机理的影响
对反应速率的影响
第三节 超共轭效应
第四节 场效应和空间效应
场效应
空间效应
第五节 立体电子效应
取代基效应
有机化合物因取代基不同而对分子性质产生的影响称为取代基效应。归纳起来，取代基效应可以分为两大类。一类是电子效应，包括场效应和诱导效应、共轭效应。另一类是空间效应。
第一节 诱导效应
一 静态诱导效应
在多原子分子中，共价键的极性，不仅存在于相连两原子之间，而且影响到分子中不直接相连的部分，这种极性影响可以沿着分子链进行传递。X使相邻原子A产生部分正电荷，随后此电荷又使下一个键A—B发生极化，并依次传递，使这些键上的电子云或多或少地向X原子或基团转移，与之相连的原子A、B、C……等比原先要呈现较多的正电荷。
若“Y”的电负性比A小，“Y”的存在使A，B，C上的电子云密度增高，呈现较多负电荷。
这种由于原子或基团电负性的影响沿着分子中的键传导，引起分子中电子云按一定方向转移或键的极性通过键链依次诱导传递的效应称为诱导效应（inductive effects）或I效应。这种效应如果存在于未发生反应的分子中就称为静态诱导效应，用Is表示，其中S为static（静态）一词的缩写。
诱导效应的传导是以静电诱导的方式沿着单键或重键传导的，只涉及到电子云密度分布的改变，引起键的极性改变，一般不引起整个分子的电荷转移、价态的变化。这种影响沿分子链迅速减弱，实际上，经过三个原子之后，诱导效应已很微弱，超过五个原子便没有了。以α、β、γ-氯代丁酸和丁酸为例，由于氯原子的电负性较大，诱导效应使羧基更易解离，相应的氯代丁酸的解离常数增大：
K×104 K×104
α-氯代丁酸 14.0 β-氯代丁酸 0.89
γ-氯代丁酸 0.26 丁酸 0.155
上述数据表明氯原子距羧基越远，诱导效应作用越弱。氯原子的诱导效应大致按公比1/3的等比级数急速减小，若以α碳的诱导效应为1，则β碳为1/3，γ碳为1/9，δ碳为1/27……等。
诱导效应的方向以氢原子作为标准，当原子或基团的供电子的能力大于氢原子（或吸电子能力小于氢原子），则其诱导效应表现在其本身带有微量正电荷（δ+），由其所引起的诱导效应称为供电诱导效应或斥电诱导效应，也称正诱导效应，用+I表示。当原子或基团吸引电子的能力大于氢原子，则其诱导效应表现在其本身带有微量负电荷（δ-），由其所引起的诱导效应称为吸电诱导效应或叫亲电诱导效应，也称为负诱导效应，用-I表示。
诱导效应具有加和性，一个典型例子是(-氯代乙酸的酸性。氯原子取代越多，酸性越强。
CH 3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH
pKa 4.75 2.86 1.26 0.64
二 静态诱导效应的强度
诱导效应的强度主要取决于有关原子或基团的电负性，与氢原子相比，电负性越大-I效应越强，电负性越小则+I越强。一般讲，诱导效应的强度次序可以从中心原子在元素周期表中的位置判断。因为元素的电负性在同周期中随族数的增大而递增，在同族中随周期数增大而递减，所以愈是周期表右上角的元素电负性愈大，-I效应也愈强。
同周期-I效应：—F > —OH > —NH2 > —CH3 ；
+I效应：
同主族-I效应： —F > —C?l > —Br > —I ； —OR > —SR > —SeR
；
+I效应： —O- > —S- > —Se- > —Te-
一般地说，中心原子带有正电荷的比不带正电荷的同类基团的吸电诱导效应强，而中心原子带有负电荷的比同类不带负电荷的基团供电诱导效应要强。例如：
-I效应： +I效应： —O- > —OR
如果中心原子相同而不饱和程度不同，通常随着不饱和程度的增大，吸电的诱导效应增强。
例如： =O > —OR ≡N > =NR > —NR2
当然这样比较诱导效应强弱是以这些官能团与相同原子相连接为基础的，否则将没有比较的意义。
通常通过测定取代酸碱的离解常数、偶极矩及反应速度等来比较诱导效应的强度。
1. 根据酸碱的强度比较
选取适当的酸或碱，以不同的原子或基团取代其中某一个氢原子，测定取代酸碱的离解常数，可以估算出这些原子或基团的诱导效应次序。例如由各种取代乙酸的离解常数，可以得出下列基团诱导效应的强度次序。
+I效应： —NO2 > —N+(CH3)3 > —CN > —F > —Cl > —Br > —I > —OH > —OCH3 >
—C6H5 > —CH=CH2 > —H > —CH3 > —CH2CH3 > —C(CH3)3（-I效应的方向与此相反）
值得注意的是，这种方法所得的结果只是相对次序的比较，由于影响酸碱强弱的因素很多，诱导效应只是其中之一，而且在不同的酸碱分子中，原子或基团之间的相互影响并不完全一样，所以选取不同的酸碱作比较标准，用不同的溶剂或在不同的条件下测定，都有可能得到不同的结果。
2. 根据偶极矩比较
静态诱导效应是一种永久的极性效应，表现在分子的物理性质上会直接影响分子偶极矩的大小。根据同一个烃上用不同的原子或基团取代所得不同化合物的偶极矩，可计算出原子或基团在分子中的诱导效应，从而排出各原子或基团的诱导效应强度次序。
表 1-1 甲烷的一取代物的偶极矩
取代基
μ(D)（在气态）
取代基
μ(D)（在气态）
—CN
3.94
—Cl
1.86
—NO2
3.54
—Br
1.78
—F
1.81
—I
1.64
表 1-2 卤代烷的偶极矩
化 合 物
μ(D)
化 合 物
μ(D)
CH3—Cl
1.83
CH3CH2CH2CXH2—Br
1.97
CH3CH2—Cl
2.00
(CH3)2CHCH2—Br
1.97
(CH3)2CH—Cl
2.15
CH3CH2CH(CH3)—Br
2.12
(CH3)3C—Cl
2.15
(CH3)3C—Br
2.21
从表1-1中的偶极矩数值可以看出这些基团的负诱导效应（-I）的顺序为：
CN > NO2 > Cl > F > Br > I > H 注(
从表1-2则可以得出不同烷基的正诱导效应（+I）的顺序。
(CH3)3C— > CH3CH2CH(CH3)— > (CH3)2CHCH2— ≈ CH3CH2CH2CH2—
(CH3)3C— ≈ (CH3)2CH— > CH3CH2— > CH3— > H
3. 由核磁共振化学位移比较
质子核磁共振峰化学位移δ值不同将反映质子周围电子云密度的变化，而电子云密度的变化与
表1-3 X— CH3中甲基的δ值
X
δ
X
δ
—NO2
4.28
—N(CH3)2
2.20
—F
4.26
—I
2.16
—OH
3.47
—COCH3
2.10
—Cl
3.05
—COOH
2.07
—Br
2.68
—CN
2.00
—SH
2.44
—CH3
0.90
C6H5
2.30
H
0.23
取代基的吸电或供电的诱导效应及其强度有关。从表1-3不难看出，X值不同时，δ值不同，质子周围电子云密度愈低，δ值愈大(δ移向低场)。由表1-3的数据也可列出一个+I效应的顺序。
表1-3的数据与表1-1偶极矩测定的结果有所不同，如甲基取代氢后δ值由0.23增大到0.90，δ值移向低场，即—CH3与—H相比具有吸电性，而偶极矩测定的结果—CH3具有供电性恰恰相反。烷基是供电基还是吸电基？存在着矛盾，有待进一步探讨。
4． 根据诱导效应指数比较
我国著名理论有机化学家蒋明谦提出的诱导效应指数，利用元素电负性及原子共价半径，按照定义由分子结构推算出来的，在一定的基准原子或键的基础上，任何结构确定的基团的诱导效应是以统一的指数来表示的。如：
C—NO2 > C—C=O > C—F > C—CN > C—Cl > C—Br
1(103 450.4 273.23 163.67 87.84 51.65 29.63
三 关于烷基的诱导效应
烷基的诱导效应是供电的还是吸电的，从前节中不同方法的测定数据分析确实存在着矛盾。从卤代烷偶极矩和烷基取代乙酸酸性的测定，可得出烷基是供电基的结论。其顺序为：
(CH3)3C— > (CH3)2CH— > CH3CH2— > CH3 > H
而从核磁共振谱数据推导烷基却表现吸电性。用微波法测定的偶极矩证明烷基为弱吸电基。例如，微波法测定异丁烷的偶极矩μ=0.132D，若以氘取代异丁烷次甲基上的氢偶极矩增大，已知氘比氢供电性略强，由此可推知甲基在这里具有吸电子作用，否则，偶极矩必将因氘也有供电性相互抵消而减小。
μ=0.132D μ=0.141D
再测定下列三种丙烷的偶极矩发现，氘取代亚甲基上的氢偶极矩增大，取代甲基上的氢偶极矩减小，同样表明甲基的吸电性。
μ=0.085D μ=0.095D μ=0.073D
此外，Brauman等人研究了简单脂肪醇在气相中的相对酸性顺序，发现和溶液中测得的结果相反。
(CH3)3—OH > (CH3)2CH—OH > CH3CH2OH > CH3OH > H2O
在气相中排除了溶剂等因素的影响，孤立出醇的酸性只与烷基有关。烷基吸引电子的能力愈强，才会使O—H键的极性增大，使氢更易以质子失去，且使生成的RO-更加稳定，故使酸性增强。
用气相离子回旋共振谱测定胺的酸性顺序也发现与醇类似的情况，如有下列酸性顺序：
(CH3)3C-NH2 > (CH3)2CH-NH2 > CH3CH2NH2 > CH3NH2 > NH3
这些都表明，烷基有吸电子诱导效应，且吸电子能力随分支的增加而增加。表1-4是一些文献中列出的烷基电负性。
表1-4 烷基的电负性
基 团
H
—CH3
—CH2CH3
—CH(CH3)2
—C(CH3)3
基团电负性
2.10
2.20
2.21
2.24
2.26
烷基到底是吸电子或供电子？这一问题的讨论还在继续。现在一般认为烷基具有双重诱导效应，它可因电负性大于氢而吸电，也可受极化而供电。烷基是吸电基还是供电基取决于它与什么原子或基团相连。如果烷基与电负性较大的原子或基团相连，则烷基表现出通常所认为的供电子+I效应；如果烷基与电负性较小的原子或基团相连，则烷基表现出吸电子的-I效应。大量实验结果表明，当有重键体系或电负性大于3或极化度大于6的官能团存在时都可能诱导烷基极化供电，所以烷基在烯、炔、醛酮、羧酸及卤代烃中以供电诱导效应影响反应的进行。当醇作为酸时，烷基表现为吸电效应，当醇、胺作为碱时，烷基表现为供电效应。其次，如前所述，烷基的诱导效应还取决于化合物是处于气相、液相还是溶液中。这些都说明基团的特性与其所处的环境紧密相关。
此外，烷基与苯环或烯基相连表现出供电效应，有人认为是超共轭效应所致，从诱导效应讲，烷基还是吸电子的。因此，对于烷基的诱导效应应该辨证地看待。
四 动态诱导效应
静态诱导效应，是分子本身所固有的性质，是与键的极性即其基态时的永久极性有关的。当某个外来的极性核心接近分子时，能够改变共价键电子云的分布。由于外来因素的影响引起分子中电子云分布状态的暂时改变，称为动态诱导效应，用Id表示。
正常状态(静态) 试剂作用下的状态
动态诱导效应是一种暂时的极化现象，故又称可极化性。它依赖于外来因素的影响，外来因素的影响一旦消失，这种动态诱导效应也不复存在，分子的电子云状态又回复到基态。
动态诱导效应在大多数情况下和静态诱导效应是一致的，但在起源、传导方向、极化效果等方面，二者有明显的不同。
首先，二者引起的原因不同。静态诱导效应是由于键的永久极性引起的，是一种永久的不随时间变化的效应，而动态诱导效应是由于键的可极化性而引起的，是一种暂时的随时间变化的效应。 第二，动态诱导效应是由于外界极化电场引起的，电子转移的方向符合反应的要求，即电子向有利于反应进行的方向转移，所以动态诱导效应总是对反应起促进或致活作用，而不会起阻碍作用。而静态诱导效应是分子的内在性质，并不一定向有利于反应的方向转移，其结果对化学反应也不一定有促进作用。
例如C—X键按静态诱导效应，其大小顺序为：C—F > C—Cl > C—Br > C—I
但卤代烷的亲核取代反应的活性却恰恰相反，其实际相对活性为：R—I > R—Br > R—Cl
原因就是动态诱导效应的影响。因为在同族元素中，随原子序数的增大电负性降低，其电子云受到核的约束也相应减弱，所以可极化性增大，反应活性增加。
动态诱导效应的比较次序
动态诱导效应是一种暂时的效应，不一定反映在分子的物理性质上，不能由偶极矩等物理性质的测定来比较强弱次序。比较科学、可靠的方法是根据元素在周期表中所在的位置来进行比较。
同族元素的原子及其所形成的基团 在同一族元素，由上到下原子序数增加，电负性减小，电子受核的约束减小，电子的活动性、可极化性增加，动态诱导效应增强。如：
Id ： —I > —Br > —Cl > —F； —TeR > —SeR > —SR > —OR
如果同一元素原子或基团带有电荷，带正电荷的原子或基团比相应的中性原子或基团对电子的约束性大，而带负电荷的原子或基团则相反，所以Id效应随着负电荷的递增而增强。如：
Id ：—O- > —OR > +OR2； —NR2 > —+NR3 ； —NH2 > —+NH3
2. 同周期元素的原子及其所形成的基团 在同一周期中，随着原子序数的增加，元素的电负性增大，对电子的约束性增大，因此极化性变小，故动态诱导效应随原子序数的增加而降低。
Id： —CR3>—NR2>—OR>—F
五 诱导效应对反应活性的影响
诱导效应对化合物的物理性质（如偶极矩）、NMR谱等性质都有着直接的影响，对化合物化学性质的影响更是普遍。在反应方向、反应机理、化学反应平衡及反应速度等方面都有一定影响。
对反应方向的影响
在某些反应中，诱导效应影响到反应方向和产物。例如丙烯与卤化氢加成，遵守马氏规则，而3，3，3-三氯丙烯加卤化氢则按反马氏规则的方向加成。
Cl3C←CH=CH2 + HCl Cl3—CH2—CH2Cl
这里很明显是三氯甲基强烈吸电子的-I效应的结果。
又如在苯环的定位效应中，+N(CH3)3具有强烈的-I效应，所以是很强的间位定位基，在苯环亲电取代反应中主要得到间位产物，而且使亲电取代比苯难于进行。
对反应机理的影响
在一些反应中，由于诱导效应等因素可以改变其反应机理。如溴代烷的水解反应，伯溴代烷如CH3—Br主要按 SN2历程进行，而叔溴代烷如(CH3)3C—Br则主要遵从SN1历程进行。
对反应速率的影响
诱导效应主要是通过降低或增加反应的活化能来影响反应速率。如羰基的亲核加成反应，羰基碳原子的电子云密度越低，就越容易和亲核试剂发生加成反应，在这种情况下，分子所需要的活化能就比较小，容易进入活化状态，因而反应速率较大。故取代基的-I效应愈强，愈有利于亲核加成；取代基的+I效应愈强，对亲核加成愈不利。如下列化合物发生亲核加成的活性顺序为：
Cl3C—CHO > Cl2CHCHO > ClCH2CHO > CH3CHO
又如酯RCOOR’的水解反应，当在R中引入电负性大的原子或基团时，使反应加速；若在R中引入供电子的原子或基团时，则使反应速率降低。
在卤代烷的亲核取代反应中，其活性顺序有：
R—I > R—Br > R—Cl
这是动态诱导效应带来的结果。
对化学平衡的影响
酸碱的强弱是由其解离平衡常数的大小来衡量的，在酸碱的分子中引入适当的取代基后，由于取代基诱导效应的影响，使酸碱离解平衡常数增大或减小。如乙酸中的一个α-氢原子被氯原子取代后，由于氯的-I效应，使羧基离解程度加大，而且使生成的氯乙酸负离子比乙酸负离子稳定，所以在下面两个离解平衡中：
必然有K2>K1。
乙醛的水合反应是可逆的，形成的水化物很不稳定，只能存在于稀水溶液中。而三氯乙醛的水合反应则比较容易，能生成稳定的水合物并能离析和长期存在。主要是由于三氯甲基强烈的-I效应使羰基碳原子带部分正电荷，亲核反应容易进行，同时水合三氯乙醛因形成氢键也增加了稳定性。
第二节 共轭效应
共轭效应是区别于诱导效应的另一种电子效应，在对有机化合物化学性质的影响方面，共轭效应往往起着更加重要的作用。过去认为共轭效应是存在于共轭体系中原子间的极性（静态的）与极化（动态的）作用的相互影响。分子轨道理论则试图从本质上阐述共轭效应，认为共轭效应是轨道或电子离域于整个共轭体系乃至整个分子所产生的一种效应。
一 电子离域与共轭效应
在包含共轭链的共轭体系中，原子之间的相互影响不仅是单纯的诱导效应。例如，在1，3—丁二烯CH2=CH—CH=CH2中的键长不是简单的单键和双键的键长，存在着平均化的趋势。
一般的C—C单键键长 0.154nm C==C双键键长 0.134nm
1，3-丁二烯C—C单键键长 0.147nm C==C双键键长 0.137nm
而且体系能量降低，化合物趋于稳定，根据HMO分子轨道法计算，1，3—丁二烯具有0.472β的特殊的稳定能，称为离域能。
又如氯乙烯与氯乙烷比较，从诱导效应考虑，由于π键的电子云流动性较大，氯乙烯的偶极矩应该加大，但实际上却比氯乙烷的偶极矩小。
μ=2.05D μ=1.44D
同时氯乙烯也同样存在着单双键平均化的趋势。
表1-5 氯乙烯单双键比较
化合物
C=C
C-Cl
一 般
0.134nm
0.177nm
氯乙烯
0.138nm
0.172nm
这些现象说明，在单双键交替排列的体系中，或具有未共用电子对的原子与双键相连的体系中，π轨道与π轨道或p轨道与π轨道之间存在着相互的作用和影响。电子云不再定域于成键原子之间，而是离域于整个分子形成了整体的分子轨道。每个成键电子不仅受到成键原子的原子核的作用，而且也受到分子中其他原子核的作用，因而分子整体能量降低，体系趋于稳定。这种现象称为电子的离域（delocalization），这种键称为离域键，由此而产生的额外的稳定能称为离域能（也叫共轭能或共振能）。包含着这样一些离域键的体系通称为共轭体系，在共轭体系中原子之间的相互影响的电子效应叫共轭效应(conjugative effects)。按照共轭效应的起源，可以将共轭效应分为静态共轭效应与动态共轭效应。
二 静态共轭效应
共轭效应的表现
共轭效应的主要表现有：共轭体系中个键上的电子密度发生了平均化，引起了键长的平均化，单键与重键（如双键、叁键）的差别减少或者消灭。与非共轭体系相比，共轭体系的能量降低，各能级之间能量差减小，也即是能量最低空轨道与能量最高占据轨道之间的能量差减小，分子中电子激发能低，以致使共轭体系分子的吸收光谱向长波方向移动。随着共轭链增长，吸收光谱的波长移向波长更长的区域，进入可见光区，这就是有颜色的有机化合物分子绝大多数具有复杂的共轭体系的原因。如表1-6所示。
表1-6 某些化合物吸收峰波长与颜色
化 合 物
共轭双键数
最大吸收峰波长（nm）
颜色
丁二烯
2
217
无
己三烯
3
258
无
二甲辛四烯
4
298
淡黄
蕃茄红素
11
470
红色
共轭效应与诱导效应的区别
与诱导效应相同，共轭效应也是分子中原子之间相互影响的电子效应，但它在存在方式，传导方式等方面都与诱导效应不同。
首先，共轭效应起因于电子的离域，而不仅是极性或极化的效应。
其次，共轭效应只存在于共轭体系中，不象诱导效应那样存在于一切键中。
第三，共轭效应传导的方式与传导到达的距离与诱导效应都不同。诱导效应是由于键的极性或极化性沿σ键传导，而共轭效应则是通过π电子的转移沿共轭链传递，是靠电子离域传递；共轭效应的传导可以一直沿着共轭键传递而不会明显削弱,不象诱导效应削弱得那么快，取代基相对距离的影响不明显，而且共轭链愈长，通常电子离域愈充分，体系能量愈低愈稳定，键长平均化的趋势也愈大。例如苯，可以看作无限延长的闭合共轭体系，电子高度离域的结果，电子云已完全平均化，不存在单双键的区别，苯环为正六角形，C-C-C键角为120°，C-C键长均为0.139nm。
共轭效应的相对强度
共轭效应一般以C效应代表，也分为供电共轭效应（即+C效应）和吸电共轭效应（即-C效应）。通常将共轭体系中给出π电子的原子或原子团显示出的共轭效应称为+C效应，吸引π电子的原子或原子团的共轭效应称为-C效应。例如：
+C效应
－C效应
取代基共轭效应的强弱取决于组成该体系原子的性质、共价状态、键的性质、空间排布等因素，可以通过偶极矩的测定计算出或由周期表推导出。
在同一体系中，相同位置上引入不同取代基时，取代基共轭效应的强弱主要取决于两个因素，即取代基中心原子的电负性的相对大小及其主量子数的相对大小。
（1）+C效应
在同一周期中随原子序数的增大而减弱。如： —NR2 > —OR > —F
在同一族中随原子序数的增加而减小。如： —F > —Cl > —Br > —I ；
—OR > —SR > —SeR > —TeR ； —O– > —S– > —Se– > —Te –
带负电荷的元素将具有相对更强的+C效应： —O– > —OR > —O+R2
主量子数相同元素的p 轨道大小相近，可以更充分地重迭，离域程度也较大。如果取代基中心原子的主量子数与碳的主量子数不同，则轨道重迭程度相对较小，离域程度相应减弱，而且主量子数差值越大影响越明显。因此，一般讲，+C效应在同族中随中心原子的原子序数增大而降低。
（2）-C效应
在同周期元素中，原子序数越大，电负性越强，-C效应越强。 如： =O > =NH > =CH2
对于同族元素，随着原子序数的增加，原子半径变大，能级升高，即与碳原子差别变大，使π键与π键的重迭程度变小，故-C效应变弱。如： C=O > C=S
带正电荷将具有相对更强的-C效应。如： =N+R2 > =NR
但共轭效应的影响因素是多方面、比较复杂的，不仅取决于中心原子的电负性和 p轨道的相对大小，而且其强弱还受其他原子及整个分子结构的制约，同时共轭效应和诱导效应是并存的，是综合作用于分子的结果，通常是难以严格区分的。
三 动态共轭效应
动态共轭效应是共轭体系在发生化学反应时，由于进攻试剂或其他外界条件的影响使p电子云重新分布，实际上往往是静态共轭效应的扩大，并使原来参加静态共轭的p电子云向有利于反应的方向流动。例如1,3-丁二烯在基态时由于存在共轭效应，表现体系能量降低，电子云分布发生变化，键长趋于平均化，这是静态共轭效应的体现。而在反应时，例如在卤化氢试剂进攻时，由于外电场的影响，电子云沿共轭链发生转移，出现正负交替分布的状况，这就是动态共轭效应。
同时，在反应过程中产生的正碳离子活性中间体。由于发生相当于烯丙基的p-π共轭离域而稳定，并产生了1,2-加成与1,4-加成两种可能。
动态共轭效应虽然是一种暂时的效应，但一般都对化学反应有促进作用，也可以说，动态共轭效应是在帮助化学反应进行时才会产生，这一点与静态共轭效应完全不同。静态共轭效应是一种永久效应，对化学反应有时可能会起阻碍作用。与诱导效应类似，动态因素在反应过程中，往往起主导作用，例如氯苯,在静态下从偶极矩的方向可以测得-I效应大于+C效应。
μ=1.86D μ=1.70D
但在反应过程中动态因素却起着主导作用。在亲电取代反应中，当亲电试剂进攻引起了动态共轭效应，加强了p-π共轭。这里-I效应不利于环上的亲电取代反应，而+C效应促进这种取代，并使取代的位置进入邻、对位，因而氯苯的亲电取代产物主要为邻、对位产物。由于氯原子的-I效应太强，虽然动态共轭效应促进了邻对位取代，但氯的作用还是使苯环在亲电取代反应中变得较难。
四 共轭体系
按参加共轭的化学键或电子类型，共轭效应包括π-π共轭体系、p-π共轭体系、σ-π共轭体系和σ-p共轭体系等，而最常见的共轭效应有以下两种：
1、(-(共轭体系
所谓π-π共轭体系，是指由π轨道与π轨道电子离域的体系，一般由单键和不饱和键（双键和叁键）交替排列组成。这些体系中参与共轭的原子数与π电子数相等。如：
CH2==CH—CH==CH2 CH2==CH—C≡CH
CH 2==CH—CH==CH—CH==CH 2 CH 2==CH—CH 2· CH≡C—C≡CH
这些体系中参与共轭的原子数多于π电子数，即缺电子共轭体系：CH 2==CH--CH2+ C 6 H 5CH2+
这些体系中参与共轭的原子数少于π电子数，即多电子共轭体系：
CH 2==CH—CH 2 – CH 2==CH—CH==O
2、p-(共轭体系
具有处于p轨道的未共用电子对的原子与π键直接相连的体系，称为p-π共轭体系。如氯乙烯，当氯原子的p轨道的对称轴与π键中的p轨道对称轴平行时，电子发生离域。
图1-1 氯乙烯p轨道与π键的作用 图1-2 氯乙烯的成键轨道
氯乙烯是三个p轨道四个电子的多电子p-π共轭体系，通常p-π共轭体系都是多电子共轭体系。此外，在p-π共轭体系中，电子云转移的方向总是移向双键的，一般如下表示 ：
羧酸具有酸性，苯胺比脂肪胺碱性弱，酰胺碱性更弱，苯酚与醇明显不同，这些都起因于p-π共轭的影响。
五 共轭效应与反应性
共轭效应对化合物化学性质的影响是多方面的，如影响到化学平衡、反应方向、反应机理、反应产物、反应速度和酸碱性等，而且共轭效应的影响往往超过诱导效应的影响 。
对有机物酸碱性的影响
羧酸的酸性是因为羧酸分子中具有p-π共轭，增大了O-H键的极性，促使氢容易离解，且形成的羧基负离子共轭效应增强，更稳定。醇一般为中性，苯酚由于p-π共轭，有一定的酸性。
三硝基苯酚中，由于三个强吸电子硝基的共轭和诱导作用，使其显强酸性，已接近无机酸的强度。
烯醇式的1，3-二酮具有微弱的酸性，也是由于p-π共轭作用。
烯醇 烯醇负离子
由于p-π共轭效应，芳香胺如苯胺的碱性比脂肪族胺弱，而酰胺则几乎呈中性。
2.对反应方向和反应产物的影响
在α，β-不饱和羰基化合物分子中，C==0与C==C形成共轭体系，对反应方向和反应产物带来很大影响，使这些醛、酮具有一些特殊的化学性质。如丙烯醛与HCN主要发生1，4加成。
插烯作用是共轭醛、酮中一种特殊作用，也是由于共轭效应的缘故。
3. 对反应机理的影响
共轭效应对反应机理的影响常表现为对反应中间体或产物的稳定性的影响。如卤代烷的水解反应中，CH3Br主要按SN2历程，而（CH3）3C-Br水解则遵循SN1历程，这里除了有诱导效应的作用外，还有超共轭的作用，因为超共轭效应直接影响到生成的碳正离子的稳定性。
又如，在酯的碱性水解中，多数按BAC2历程进行，而当醇的烷基部分由于共轭效应可以生成稳定的碳正离子时，则可按BAL1历程进行。（见第八章）
4. 对反应速度的影响
共轭效应对化合物的反应速率影响很大。如在卤代苯的邻、对位上连有硝基，对碱性水解反应活性的影响很大。这是由于—NO2具有很强的－C效应，当它连在邻、对位时能得到很好的传递，而当它处在间位时，－C效应不能传递，仅有－I效应，对反应活性的影响不如在邻、对位时大。
第三节 超共轭效应
共轭效应也发生在重键和单键之间，如有些σ键和π键、σ键和p轨道、甚至σ键和σ键之间也显示出一定程度的离域现象，这种效应称为超共轭效应。
从一般诱导效应的概念考虑，当烷基连在sp2杂化的苯环上时，与氢比较应呈现供电的诱导效应，而且诱导效应的强度顺序应为叔>仲>伯。对苯环在亲电反应中活性的影响似乎也应为：
(CH3)3C- > (CH3)2CH- > CH3CH2- > CH3- > H-
这一诱导效应规律也可从烷基苯在气相中的偶极矩数据看出。
叔丁苯 异丙苯 乙苯 甲苯
μ=0.70D μ=0.65D μ=0.58D μ=0.38D
但进行苯环上的硝化反应和卤代反应时，得到的结果却恰恰相反。
取代基 CH3 CH3CH2 （CH3)2CH- (CH3)3C- H-
相对反应速度 溴化 340 290 180 110 1
硝化反应 14.8 14.3 12.9 10.8 1
显然，用诱导效应无法解释这一结果。这里必定存在着其它影响因素，主要是由于存在C-Hσ键与π键的离域，也即超共轭效应。甲苯有三个 C-Hσ键与苯环π体系共轭，乙苯有两个，异丙苯只有一个，而叔丁基苯则没有 C-Hσ键与苯环共轭，因此得到上述相对速度的顺序。
超共轭效应在化合物分子的物理性能和化学反应性能上都有所反映。键长平均化是共轭效应的一种体现，超共轭效应也有这种表现。
表1- 7 超共轭效应对C-C、C==C、C≡C键长的影响
化学键
孤 立 的
CH3-CH2=CH2中
CH3-C≡C-CH3 中
C-C
C=C
C≡C
C-C
C=C
C-C
C≡C
键长/nm
0.154
0.134
0.120
0.1488
0.1353
0.1457
0.1211
从偶极矩、氢化热及光谱性质等方面也进一步证实了超共轭效应的存在。许多化合物α-H的活泼性也是超共轭效应的表现。
C-Hσ键与 p轨道的共轭可以从正碳离子和自由基的稳定性比较中观察。
烷基碳正离子稳定性顺序 3°>2°>1°>CH3+
烷基自由基的稳定性顺序 3°>2°>1°>CH3
在这样的体系中，C-H键的强度是有所降低的，叔丁基正离子确实比异丁烷中的C-H键弱。
在某些体系中，σ键与σ键之间也存在着一定程度的离域，尤其在反应过程中。例如下列反应，前者生成乙烯，后者生成乙炔，都属于σ-σ共轭体系。
烷基超共轭效应的强弱，由烷基中与不饱和键处于共轭状态的C—H键的数目而定，随着σC -- H键数目的增多，超共轭效应增强。如：
用分子轨道理论可以较为满意地解释这一结果。STO-3G的从头计算表明，丙烯超共轭效应的实质是甲基与C=Cπ键的轨道相互作用，其中最强的是CH3-π(C=C) 轨道相互作用, 轨道相互作用结果导致甲基中C—H键的拉长和电子从C—H键流向C=Cπ键、CH3—CH(键的缩短（部分双键化趋势）、CH=CH2π键的减弱（比孤立的C=C双键长）。计算表明丙烯的最佳几何构型存在两个可区别的构象式，重叠式和交叉式：
H
H
交叉式 重叠式 重叠式的轨道相互作用
两个构象式通过甲基旋转的能垒大约是6.3-7.5KJ/mol，轨道相互作用有利于重叠式。
(-(共轭和(-(共轭与π-π共轭效应和p-π效应比较起来弱得多，有人通过CNDO/2法计算表明：超共轭效应大约仅是π-π共轭效应的一半。
第四节 场效应和空间效应
一 场效应
分子中原子之间相互影响的电子效应，不是通过键链而是通过空间传递的，称为场效应（field effects）。场效应和诱导效应通常难以区分，它们往往同时存在而且作用方向一致，实际上场效应是诱导效应的一种表现形式，所以也把场效应和诱导效应总称为极性效应。但在某些场合场效应与诱导效应的方向相反，从而显示出场效应的明显作用，例如邻氯苯基丙炔酸的酸性比氯在间位或对位的小，如果从诱导效应考虑，邻位异构体应比间位、对位的酸性强，从共轭效应考虑也不应比对位异构体的酸性弱。这是由于氯处于邻位的δ一端，所产生的负电性的一端通过空间传递对羧基质
子产生静电场吸引，使之不易离解，从而减小了酸性。
又如顺、反丁烯二酸第一酸式电离常数和第二酸式电离常数的明显差异也是场效应的影响。
pKa1 3.03 1.92 pKa2 4.34 6.59
显然是由于羧基吸电的场效应，使顺式丁烯二酸的酸性比反式高，但在第二次电离时，却由于 -COO-负离子供电的场效应，使顺式的酸性低于反式。如果单从诱导效应考虑，两者应没有区别。
再如下列化合物（1）比（2）的酸性弱，也只能由场效应解释。
（1） （2）
场效应与距离的平方成反比，距离越远，作用越小。
二 空间效应
分子中原子之间的相互影响并不完全归结为电子效应，有些则是与原子（或基团）的大小和形状有关，这种通过空间因素所体现的原子之间的相互影响通常称为空间效应，或叫立体效应（steric effects）。
pKa=7.16 pKa=8.24
（Ⅰ） （Ⅱ）
(Ⅰ)的酸性大于（Ⅱ）的酸性，这从诱导效应和超共轭效应都无法解释。两个甲基无论从诱导效应或超共轭效应考虑，在(Ⅰ)中对酚羟基的影响都比在（Ⅱ）中要大得多，因为甲基的电子效应是减弱酚羟基的酸性的，因此(Ⅰ)的酸性要比 （Ⅱ）的酸性弱，但实际却正好相反。原因在于硝基的体积较大，当硝基的邻位有两个甲基时，由于空间拥挤而使N=O双键的p轨道不能与苯环上的p轨道的对称轴完全平行，即硝基N=O双键与苯环的共平面受到破坏，减弱了硝基、苯环与羟基的共轭离域，致使酸性相对降低，这是甲基空间效应作用的结果。而在 （Ⅰ）中两个甲基离硝基较远，没有明显影响，所以产生上述的结果。
图1- 3 对硝基苯酚的p轨道离域
类似的现象，如联苯的邻位有较大的取代基时，常常因空间效应的干扰而使σ键的自由旋转受阻，呈现了对映异构现象。
图1- 4 6，6(-二硝基-2，2(-联苯二甲酸的对映异构体
再如卤代烷在乙醇解的SN2反应中，随着R体积的大小不同，对乙氧基从背面进攻的难易，由于空间阻碍不同而反应速度各异。
表1- 8 RCH2Br乙醇解的相对速度
R—
H—
CH3—
CH3CH2—
(CH3)2CH—
(CH3)3C—
相对速度
17.6
1
0.28
0.030
4.2×103
反应物都是伯卤烷，电子效应的差异不大，主要是空间效应的影响，R越大则试剂从背面进攻的空间阻碍越大，反应速度越小。 这类空间效应主要是由于基团的空间大小引起的。
另一类空间效应是由张力所引起的，根据不同的分子及不同的环境，取代基所引起的空间张力有B—张力、F—张力和I—张力等。空间效应也并非都是阻碍反应进行，有的也起促进作用。
当反应物转变到过渡态或活性中间体时，如空间拥挤程度降低，则反应速度加快，若空间拥挤程度增加，反应速度降低。例如卤代烷按SN1历程进行的水解反应，首先离解为碳正离子，反应总的速率与碳正离子的稳定性有关，按伯、仲、叔的顺序反应速率递增。除电子效应外，空间效应在这里起了很大作用。由于卤代烷是四面体结构，中心碳原子是sp3杂化状态，键角接近109.5°，而活性中间体正碳离子是平面结构，中心碳原子为sp2杂化状态，键角为120°，由sp3变为sp2，原子或基团之间的空间张力变小，容易形成，而且原子或基团的体积越大，sp3状态下张力也越大，变为sp2杂化状态张力松弛也越明显，形成碳正离子越容易，碳正离子也越稳定。
这种空间张力叫B—张力（Back Strain，后张力），烷基愈大时对离解速度的影响愈大，表1-9列出了某些叔烷基氯代物的相对解离速率。
表1-9 某些叔烷基氯代物的相对解离速率
R1
R2
R3
相对速度
CH3—
CH3—
CH3—
1.0
CH3—
CH3—
CH3CH2—
1.7
CH3—
CH3CH2—
CH3CH2—
2.6
CH3CH2—
CH3CH2—
CH3CH2—
3.0
对于SN2反应，情况刚好相反。反应物中心碳原子上的取代基，对亲核试剂进攻中心碳原子起着阻碍作用。这种由于基团在空间的直接排斥作用所产生的张力叫F—张力（Face Strain，前张力）。这种空间张力也是一种空间阻碍作用。在SN2反应中，与反应物中心碳原子上所连的烷基体积愈大，F—张力愈大，则反应速度愈小。
胺的碱性顺序也体现了F—张力的影响。如只从电子效应考虑，预期胺的碱性次序应为：
R3N > R2NH > RNH2 > NH3
在非水溶剂中，对质子酸确实如此。因为质子体积小，空间因素的影响不大。如果以体积较大的 Lewis酸测定，则F—张力的空间效应就非常明显，例如以三烷基硼BR’ 3为Lewis酸与胺作用，R与R’都足够大时，R3N与BR’3靠近时会发生相互排斥，上述胺的碱性次序将完全倒转。
图1- 5 F—张力对胺碱性的影响
某些环状化合物中，由于键的扭曲所产生的分子内部固有张力叫做I—张力（Internal Strain，内张力），主要表现为角张力（Angle Strain），如小环烷烃不稳定，容易开环加成，CH2单元燃烧热较高，这是I—张力作用的结果。但某些小环化合物与类似较大环或链状化合物比较，I—张力还有另外一种表现形式，如环丙烷衍生物1-甲基-1-氯环丙烷离解为碳正离子比相应的开链化合物叔丁基氯要慢，虽然其中心原子表面上看都是由sp3杂化状态转变为sp2杂化状态，但由于环丙烷较大的角张力存在使卤代衍生物的解离变得极其不利。
因为几何形状的限制，环丙烷键角（60°）与sp3杂化的键角（109.5°）相差比与sp2杂化的键角(120°)之差要小，在sp2杂化的碳原子中的扭曲程度更大，张力更大，碳正离子难以形成，离解速度小。又如对甲苯磺酸环丙酯，在60℃于醋酸中的溶剂解，比对甲苯磺酸环丁酯的速度小106倍，也是角张力的影响。
桥环化合物的桥头碳（(）上难形成碳正离子也是由于相应的碳正离子角张力较大，难以离解所至。
通过上面的例子不难看出，与电子效应相似，空间效应对化合物的性质，尤其在反应过程中形成活性中间体的稳定性的影响较大，对有机反应的进程起着重要的作用。
第五节 立体电子效应*
对于立体电子效应的认识起源于构象分析，通常开链饱和体系的优势构象是对位交叉式，但对于含有高电负性原子或强吸电基团的分子如氯乙醇、氟乙醇、氟甲醇、1,2-二氟乙烷，它们的优势构象不是对位交叉式，而是邻位交叉式，这一现象叫邻位交叉效应（见第二章）。在研究糖及其衍生物的构象时也发现，卤素、酰氧基或烃氧基等吸电子基位于吡喃糖的异头位即C（1）位时，直立式比平伏式取代的糖稳定，这叫异头效应（anomeric effect），异头效应其实是六员杂环化合物中的邻位交叉效应。此后发现不仅糖，其它的六员杂环化合物如取代的1,4-二氧六环、1,3-二噻烷也存在异头效应。
邻位交叉效应曾归因于偶极-偶极相互作用，但理论计算表明偶极-偶极相互作用不足以大到这种地步。分子轨道理论计算揭示，氧或高电负性杂原子上的孤对电子与C—O或C—Xσ*反键间的相互作用（n-σ*相互作用）对邻位交叉式具有较强的稳定化作用。对邻位交叉效应的研究引伸出了立体电子效应（stereoelctronic dffect）的概念。
立体电子效应还没有统一严密定义，它的含义是：分子的电子对(成键的或非键的)在空间的特定方向产生的轨道相互作用引起分子的结构(包括键长、键角、构象)、能量及反应活性的改变叫做立体电子效应。立体电子效应不同于诱导效应、共轭效应、超共轭效应等电子效应，也不同于一般的立体效应。从本质上讲立体电子效应属于一类电子相互作用，但表现出立体效应的特征。
立体电子效应也分为静态立体电子效应和动态立体电子效应，邻位交叉效应就是静态立体电子效应，除了上述的邻位交叉效应及异头效应事例以外，酯、缩醛、酰胺、原羧酸酯、原羧酰胺的环状或开链化合物均显示类似的静态立体电子效应。例如酯基是平面基团，有Z和E式两种构象，通常Z式为优势构象，即使象甲酸叔丁酯，它的羰基氧与叔丁基间的空间斥力也不能使之改变。只有小环内酯才被迫以E式存在，然而环增大到一定程度，内酯也将采取Z式构象。原因是Z式酯比E式酯多出一个n-σ*相互作用。
Z式酯，有两个n-σ*相互作用 E式酯，有一个n-σ*相互作用
动态立体电子效应又称立体电子效应控制的反应，就是指由立体电子效应制约其立体化学进程、反应活性及选择性的这一类反应。缩醛中C—H键的臭氧化，酯、酰胺、原羧酸酯的水解，都存在n-σ*相互作用引起的动态立体电子效应。
与离去基团相邻的环系叔醇在碱存在下重排生成缩环或扩环产物，立体电子效应也在这些反应中起着重要作用，氧上的孤对电子促进了重排的发生。环己酮、环己烯酮、二烯酮类衍生物的亲核加成，α-取代酮类衍生物的用金属Li、Ca、Zn等还原氢解，也受到立体电子效应的影响。
生物体内的各种生化反应、酶催化反应能在常温常压下高选择性地进行，立体电子效应起着相当重要的作用，这些都有待于我们去探索和认识。
关于“立体电子效应”的详细内容可参阅傅相锴，立体电子效应，化学通报，1989,(6)：28
第十五章 饱和碳原子上的亲核取代效应
教学目的和要求
理解SN1 SN2 SN1和邻基参与机理
结构，离去基团，亲和试剂对SN1 SN2反应的影响
理解芳核上的加成—消去，消去—加成和SN1 Ar机理
立体化学对机理的启发
教学重点
SN1 SN2和邻基参与机理对反应速率的影响因素
苯烃芳烃负离子机理
教学难点
SN1和邻基参与机理的立体化学问题
溶剂对反应机理的影响
第一节 亲核取代反应机理
脂肪族亲核取代反应类型
单分子亲核取代反应（SN1）机理
双分子亲核取代反应（SN2）机理
离子对机理
SN2 反应
第二节 亲核取代反应的立体化学
SN1 反应的立体化学
SN2 反应的立体化学
SN2 和 SN1 反应的立体化学
第三节 影响亲核取代反应的因素
反应物的烃基结构
电子效应
空间效应
亲核试剂
离去集团
溶剂的性质
第四节 邻基参与机理
n参与
∏参与
碳碳双键参与作用
环丙基的参与作用
苯基的参与作用
第五节 亲核取代反应在合成上的应用
碳氧键的形成
碳硫键的形成
碳卤键的形成
碳氮键的形成
饱和碳原子上的亲核取代反应
取代反应根据断裂的Ｒ—X键的性质可以分为三种类型，而键断裂的性质又取决于作用物R—X的结构和进攻试剂的性质。以：Nu-表示亲核试剂，E+代表亲电试剂，·A表示自由基，分类如下：
（1） 亲核取代反应（SN）
R —X + ：Nu- R—Nu + ：X-
（2） 亲电取代反应（SE）
R—X + E+ R—E + X+
（3） 自由基取代反应（SH）
R—X + ·A R—A + X·
第一节 亲核取代反应机理
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：
Ｎu︰ + R—L Nu—R + L︰
式中的Nu︰没有表示亲核试剂是不是带电荷的，但必须具有一对未共用电子对供与中心碳原子形成新键。Nu︰可以是中性的，也可以带负电荷。L︰同样可以是中性的或带负电荷。因此，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＋Ｈ2S 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。通常亲核试剂均具有未共用电子对，都是Lewis碱。当Nu是溶剂时，所发生的亲核取代反应称为溶剂（分）解（solvolysis）反应。溶剂解反应属于类型（２）的反应：
Ｒ－Ｌ＋Ｓol－OＨ Ｒ－O—Ｓol ＋Ｈ＋ ＋Ｌ－
其中，Ｓol－OＨ代表质子溶剂。例如：
（CH3）3C－Ｂr ＋ H2O （CH3）3C－OH ＋ ＨＢr
脂肪族亲核取代反应，根据作用物、亲核试剂、离去基团和反应条件，可以按不同的历程进行，两种极限的情况是SN1和SN2历程。20世纪三十年代起，英国学者C.K.Ingold和E.D.Hughels在亲核取代反应的理论研究中做了大量的工作。
二 单分子亲核取代反应（SN1）机理
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Ｎu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。
SN1反应进程的位能曲线如图５－１所示：R—L键的异裂需要较大的活化能，有一个较高能量的过渡态（图中的过渡态Ⅰ），是决定反应速率的步骤。生成的碳正离子中间体能量较高，很活泼，与亲核试剂键合的活化能较小，反应进行迅速。
图５－１ SN1反应进程的位能曲线
SN1反应表现为一级动力学： 反应速率 ＝ k[R－Ｌ]，k为反应速率常数。即反应速率仅与作用物的浓度成正比，而与亲核试剂的浓度无关。一般认为，在决定反应速率的离解慢步骤中，只有反应物分子（R—L）参加，因此这种极限情况称作单分子亲核取代反应，记为SN1。实际上SN1反应的速率能被额外加入的亲核体Ｌ－降低，因为第一步慢过程是可逆的，加入额外的Ｌ－会增加逆反应的速率，俘获碳正离子中间体使之变回反应物，这种共同离子效应也是SN1历程的一个特征。
使碳正离子稳定性增大的因素将使生成它的过渡态稳定性增加，作用物按SN1历程进行反应的倾向就越大，反应速率也越大。同样，提高作用物能量的因素也将使生成它的过渡态的活化能降低，从而使反应速率增加。因此影响SN1反应的因素主要是作用物的结构和介质效应。叔卤代烷、某些被共轭效应稳定的仲卤代烷及其它衍生物的亲核取代反应常按SN1历程进行。
不难理解光学活性的作用物按SN1历程反应将得到外消旋的产物。
三 双分子亲核取代反应（SN2）机理
SN2表示双分子亲核取代反应，为直接取代历程，是另一种极限情况。反应进程中Ｎu从离去基团Ｌ的背面进攻作用物，没有中间体，Ｒ－Ｌ键断裂的同时形成Ｎu－Ｒ键。
Ｎu:－ ＋ Ｒ－Ｌ ［Ｎu(( … R…Ｌ((］ Ｎu－Ｒ＋Ｌ:－
过渡态
典型的SN2反应是协同历程，R－Ｌ键的断裂和R－Ｎu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。理想的过渡态应具有五配位碳原子上的三角双锥体几何形状。R－Ｌ键断裂所需的能量，部分由R－Ｎu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的位能曲线如图５－２所示。
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。
图５－2 SN2反应进程的位能曲线
对于基元反应来说，反应分子数与动力学级数原则上相同，但是，二者并不总是一致的。如SN2 机理的溶剂解反应，是双分子历程的，但实验测得的动力学是一级，反应速率 = k[R-L] ，只有反应物一级，溶剂因为大过量不显示浓度变化。这种现象动力学叫做“假一级”，易与SN1历程混同。在这种情况下，可以加入亲核性比原来的Ｎu强的试剂，若能加速反应，则可判断反应是SN2历程，反之，则为SN1历程。卤代烷R-X的水解表现为“假一级”，加入亲核性比H2O（溶剂）强的OH—，反应大大加速，表明是SN2历程。
通常认为是Ｎu从离去基团的背面沿着中心碳原子和离去基团连线的延长线进攻，此时亲核试剂受到离去基团的场效应和空间阻碍均较小。量子力学计算表明，沿此方向进攻所需能量最低。于是光学活性的作用物按SN2历程反应将得到构型反转的产物。这一过程又叫Walden转化。
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。某些仲卤代烷和苄基卤代烷的亲核取代反应就属于这种情况。如旋光的1-氯-1-苯基乙烷在含40%水的丙酮中水解 成1-苯基乙醇，反应动力学与SN1相符，但产物95%外消旋化，5%构型转化，立体化学并不完全遵从SN1反应。又如，1-氯-1-苯基乙烷在甲醇中起溶剂分解反应，加入CH3ONa能使反应加快。但反应速率= k1[RCl]+k2[RCl][CH3ONa]既不是一级，又不是二级反应。问题是这种交界状况到底是SN1、SN2两种极限历程的竞争，还是另有一种或多种不同于SN1、SN2的机理存在。
四 离子对机理
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。
把亲核取代反应看成是SN1、SN2历程同时并存的观点，至今仍不时在专著、教材、论文中出现。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。他们认为：作用物在溶液中进行分步离解。第一步共价键断裂生成紧靠一起的碳正离子和负离子，称为紧密离子对；第二步少数溶剂分子进入两个离子之间，叫做溶剂分隔离子对；最后，正负离子进一步分离各自被溶剂分子完全包围，生成溶剂化的自由碳正离子和负离子。
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 或S-R R-Nu或Nu-R S-R或R-S Nu-R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。
上述图示的每一阶段都可以返回到前一阶段，也可以离解到下一阶段，或者与溶剂作用，或者与其它亲核试剂作用生成产物。这样，亲核取代反应可以发生在几个不同阶段：
（1）作用物在未离解之前整体被溶剂化，由于L的屏蔽效应，溶剂或亲核试剂只能从L的背面进攻作用物，所得的产物构型发生转化，是典型的SN2反应。
（2）在紧密离子对阶段，正、负离子紧密结合在一起，其间无溶剂分子或Nu—把它们隔开，是一起被溶剂化的，且由于L—的屏蔽作用，溶剂分子或Nu—也只能从L—的背面进攻R+，导致构型大部分转化，相当于SN2为主的历程。
（3）在溶剂分隔离子对阶段，溶剂分子或Nu—可能从R+的 两面进攻，导致外消旋化，但从正面进攻R+或多或少地受到L—的阻碍，故仍以背面进攻为主，产物除主要得到外消旋产物外尚有部分构型转化产物。相当于混合的SN1和SN2历程。
（4）在自由离子阶段，由于完全离解的R+具有平面构型，溶剂分子或Nu—可以机会均等地从平面两侧进攻，导致产物完全外消旋化，相当于典型的SN1历程。
离子对中的离子对并不象对称的自由离子那样，是不对称的。因此当离子对被亲核试剂进攻时，并不形成外消旋产物，主要是根据离子对中碳正离子的稳定性而得到不同构型的产物。
统一的离子对历程（以下简称离子对历程）包含了连续统一的观点，SN1和SN2实际上是亲核取代反应中的两种极限情况。离子对历程可以比较满意地解释饱和碳原子上的亲核取代反应。当作用物和条件不同 时，反应究竟发生在哪一阶段，主要取决于：（1）作用物的结构，特别是生成碳正离子的相对稳定性；（2）溶剂，特别是溶剂作为亲核试剂的亲核能力。（3）亲核试剂的亲核能力。一般说来，离去基团的离去能力、碳正离子的稳定性、溶剂解离能力的增高，有助于离子对的形成和加速它们离解为自由离子，这将有利于亲核取代反应在后面阶段进行。反之，若碳正离子不太稳定，溶剂化作用又不强，Nu的亲核性却较强，则亲核取代反应主要在前面阶段进行。同样，若溶剂的亲核性强，则在生成溶剂分隔离子对之前就可能发生反应了。象仲卤代烷和苄基卤代烷等，反应发生在中间阶段，故产物的旋光纯度高低不一，但也不是完全固定在一个阶段内。
离子对历程把作用物离解和亲核取代反应分成系列过程中的几个阶段，是根据立体化学、动力学数据和同位素效应等实验结果提出来的，也能比较满意地解释亲核取代反应的各种现象，尤其是处于SN1、SN2两种极限历程之间，叫做 “交界状况”的亲核取代反应，且已为人们所广泛接受。但由于习惯的原因或阐述的方便，论文、教材中还不时出现某反应是30% SN1、70% SN2历程等类似的说法，这种说法已不再具有原来的SN1—SN2历程竞争的含义，而是代表SN1、SN2两个极限情况之间的离子对历程连续谱中的某一阶段的反应结果。
五 SN2’反应*
SN2’反应是伴随有烯丙式重排的双分子亲核取代反应,若以L表示离去基团,Nu－表示亲核试剂, SN2’反应的通式为：
在反应物中C=C双键在C(2)、C(3)之间, C(1)位是离去基团L所处的sp3杂化的饱和碳原子,亲核试剂Nu－进攻C(3)位,C(1)位上的离去基团L协同地离去, 反应过程中C=C双键重排至C(1)、C(2)之间,产物中C(3)位重排为饱和碳原子。根据反应的立体化学、实验数据,多数学者认为SN2’反应是协同机理,经历一个顺式或反式过渡态,相应得到伴随有烯丙式重排的顺式或反式取代产物：
_ _
顺式过渡态 反式过渡态
六 分子内的亲核取代反应（SNi）机理*
有些特殊结构的分子,离去基团的其中一部分作为亲核体能进攻作用物,同时该部分和离去基团的其余部分脱离，形成产物,这种分子内亲核取代反应用SNi表示。
醇和亚硫酰氯的反应为二级反应。光学活性的醇和亚硫酰氯在乙醚和吡啶中进行反应, 分别得到构型保持和构型转变的产物。醇与亚硫酰氯作用首先生成并可离析出氯代亚硫酸烷基酯ROSOCl。由于醚的极性小,不利于电荷的分离,氯代亚硫酸酯在乙醚中以紧密离子对形式存在,Cl从有利的位置,即—OSOCl失去的同侧进攻R的中心碳原子, 得到构型保持的产物,这是SNi机理的例子：
第一步 ROH + SOCl2 ROSOCl + HCl
第二步 R—OSOCl 紧密离子对
第三步 RCl + SO2
在吡啶中, ROSOCl与吡啶作用生成ROSON+C5H5和Cl—, Cl—是自由的可以从背后进攻R的中心碳原子,得到构型转变的产物。后一步反应是SN2历程。
SNi历程比较罕见,除上例外,氯甲酸烷基酯(ROCOCl)分解为RCl和CO2是SNi反应的另一例。
第二节 亲核取代反应的立体化学
一 SN1反应得立体化学
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Ｎu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。例如：
H2O- 二噁烷 + CH3COOH
光学活性 外消旋体
+
光学活性 74%构型转化 68%构型转化
26%外消旋化 32%外消旋化
光学活性 27%构型转化
73%外消旋化
离子对历程可以圆满解释上述实验结果，作用物结构、进攻试剂的种类、浓度、反应条件的影响都会使反应偏离SN1的极限情况。总的趋势是，碳正离子越稳定，外消旋化的比例就越大；试剂的亲核性越强，构型转化的比例就越大。
二 SN2反应得立体化学
典型的SN2反应，Nu从离去基团的背面向反应中心进攻，在反应的过渡态，旧键断裂与新键形成处于均势，Nu与L基本在一条直线上，中心碳原子上的另外三个原子或基团处于垂直于这条直线的同一平面上，如果中心碳原子是手性的，产物的构型必然引起Walden转换。：
Nu－：+ + L－
完全的构型转化是SN2典型历程的标志。构型的转化可以用化学方法或仪器表征鉴定。但完全的构型转化的亲核取代反应也不多见，多数是处于交界的情况。
三 SN2’反应和SNi反应*的立体化学
由上一节的讨论可知,SN2’反应与典型的SN2反应类似,是协同机理,经历一个顺式或反式过渡态,相应得到伴随有烯丙式重排的顺式或反式取代产物。反应物和产物的立体关系可表示如下：
顺式取代产物 反式取代产物
这里的所谓其“顺式、反式”是指亲核试剂Nu－与离去基团L相对于C=C双键平面之间的关系,两者均在平面一侧的为顺式, 两者分居两侧的为反式。按照福井谦一的前线轨道理论推导,SN2’反应采取顺式进攻,经历顺式过渡态并得到顺式取代产物,在能量上较为有利。更多的实验研究发现SN2’反应的立体选择性与亲核试剂的性质有很大关系,当亲核试剂中直接与反应物作用的原子是电负性较高的N、O、Cl时优先发生顺式取代,当这种原子是C或S时,顺、反两种取代均有可能，有时以反式取代产物为主。
SＮi反应的立体化学特征则是中心碳原子的构型保持，即反应物和产物的构型相同。例如：
第三节 影响亲核取代反应的因素
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反应的过渡态中，中心碳原子与亲核试剂之间部分成键，同时与离去基也部分成键部分断裂。亲核试剂给中心碳原子带来了部分电子，而离去基则从碳原子取走部分电子。除非是键形成或断裂两个过程之一的进行程度远远大于另一者，否则，中心碳原子上的净电荷与反应开始时不会有多大差别。一般取代基的吸电子和供电子对过渡态和作用物稳定性的影响也应大致相同。因此，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：
δ+ δ-
R’3 C—X → [R’3 C……X]# → R’+ + X-
T.S.
从作用物到过渡态分子内部有显著的电荷变化，因而电子效应将起主要作用。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。过渡态是作用物和产物(这里是中间体)间的活化络合物，它是反应位能曲线上的最高点（见图5-1）。根据Hammond假设，这个不稳定的过渡态在结构上应该更接近于碳正离子中间体。因此，通常在讨论反应速率时，就把过渡态看作是碳正离子的类似物。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
研究下列苄基型化合物：
由于Z的供电子作用使碳正离子的正电荷分散而稳定；吸电子基则使碳正离子的正电荷更集中，从而稳定性降低。所以Z为吸电子基时，SN1反应速率减小；Z为供电子基时，SN1反应速率增加。对于SN2反应则没有发现这种简单关系。
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。
其结果使C—X键的键长变短。例如乙烯基或芳基的C—Cl键长为1.37?, 而饱和C—Cl键长为1.78 ?，键长变短意味着键加强，因此，更难失去X和电子对。此外，C—X键长变短也增加了亲核试剂进攻时的空间位阻。
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。
由表5-1中数据可以得到下列顺序：
Ph3C- > Ph2CH- > PhCH2- > CH2=CHCH2- > (CH3)2CH- > CH3CH2-
与碳正离子的稳定性顺序一致。
表５－1 ROTs和乙醇发生SN1反应的相对速率 （25℃）
基团（Ｒ）
相对速率
Ｅt
i-Pr
CH2=CH-CH2
PhCH2
Ph2CH
Ph3C
0.26
0.69
8.6
100
~105
~1010
２ 空间效应
SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子上的三角双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响：
显然，反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积越大，过渡态的中心碳原子周围的拥挤程度就越严重，必然会显著地降低反应速率。对于SN2历程的反应，α或β碳上有分支、空间位阻愈大，都使反应速率减慢。如表5-2所示：
表５－2 SN2反应中烷基体系的平均相对速率
Ｒ（Ｒ－Ｘ） 相对速率
Ｒ（Ｒ－Ｘ） 相对速率
CH3- 30
CH3CH2- 1
CH3CH2CH2- 0.4
(CH3)2CH- 0.025
(CH3)3C- 0.002
(CH3)3CCH2- 0.00001
对于SN1反应来说，在速度控制步骤的解离过程中，中心碳原子由原来的sp3杂化的四面体变为sp2杂化的平面或近于平面的碳正离子，一定程度解除了拥挤状态（Ｂ张力的解除）。中心碳原子上取代基越多，取代基体积越大，过渡态中拥挤状态减轻的相对程度就更大，速率的增加也就更显著。实际上，除在极端情况下，这种空间效应是较小的，主要的影响因素仍然是电子效应。要区别烷基的空间效应和电子效应有时是很困难的。
按SN1历程进行的反应，α碳原子的分支使反应速率增加。主要原因是碳正离子的稳定性，通常叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳正离子。β位的分支对于SN1反应速率的影响较小，通常是β分支加大，SN1反应速率仅略有增加。
环体系对亲核取代反应速率的影响。无论SN1还是SN2反应，速度控制步骤的过渡态都要求作用物由四面体形变为平面的或近于平面的sp2杂化的构型，这就要求小环分子发生较大的变形。实验数据表明，三员环和四员环化合物比五员环化合物的反应速率小得多。这是因为在SN2过渡态中要求反应中心碳原子从sp3杂化变为sp2杂化构型，小环产生的角张力更大。环戊基作用物与环己基类似物相比，无论是SＮ1还是SＮ2反应，前者总比后者快。 在桥环化合物中，当离去基团位于桥头碳原子上时，由于该碳原子既难于变为平面或近于平面的构型，又由于笼状结构的空间位阻关系排除了亲核试剂从离去基团背面进攻的可能性，因而发生SN1反应与SN2反应都很困难。
二 亲核试剂
对于SN1反应，亲核试剂不参与速率控制步骤，因此影响较小。但对于SN2反应，亲核试剂亲核性能的强弱将对SN2反应的速率产生极大的影响。
亲核试剂都有未共用电子对，是路易斯碱。一般说来，试剂的碱性强，亲核能力也强，但碱性与亲核性不完全等同。碱性是指试剂对质子的亲合能力，而亲核性则是指试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能力；第二，碱性是指对热力学平衡的影响，与平衡常数有关；而亲核性则意味着对动力学过渡态情况，直接影响反应速率；第三，碱性很少受到空间因素影响，而亲核性对空间效应的影响很敏感。
实际上亲核性所涉及的范围比碱性要广，亲核性不仅与碱性大小有关而且与亲核原子的可极化性、电负性、试剂的空间位阻、溶剂的极性等有关。
试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况：
（1）试剂中亲核原子相同时（如Ｏ），其亲核性与碱性顺序都是：
RO－ > HO－ > ArO－ > RCOO－ > ROH > H2O
HO－＞H2O RO－＞ROH RS－＞RSH
带负电荷试剂的亲核性比其共轭酸大，碱性也强。ArO－小于HO－ ，是因为芳环与氧共轭，电子平均化使负电荷分散的结果。RCOO－小于ArO－是因为C=O吸电子的缘故。
（2）周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂，电负性大，亲核性小，碱性也小。如：
NH2－ > HO－＞Ｆ－ R3C－ > R2N－ > RO－ > F－
试剂的亲核性与碱性强弱不一致的有以下三种情况：
（1）周期表中同族元素产生的负离子或分子中，中心原子可极化度大的，亲核性较强。
亲核性： RS－> RO－ RSH＞ROH R3P > R3N
这是由于可极化度大的原子外层电子易变形，更容易进攻缺电子的碳，形成过渡态所需的活化能较低，显示出较强的亲核性，SN2反应易于进行。再如I－，SH－，SCN－，这些离子虽然碱性很弱，但是其可极化性很高，因此亲核性均很高。
（2）溶剂对亲核性的影响：溶剂化作用强的试剂其亲核性小。如卤离子在水、醇等质子性溶剂中亲核性大小顺序为： I－ > Br－ > Cl－ > F－ , 与其碱性顺序正好相反。若在N，N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜等偶极非质子溶剂中，卤离子的亲核性顺序为：I－ < Br－ < Cl－ < F－ , 与碱性大小顺序一致。因为在水、醇等质子性溶剂中，负离子与溶剂分子生成氢键而缔合，体积小、电荷集中的F－、Cl－生成的氢键牢固，与溶剂缔合的程度大，溶剂化作用大；而I－体积大，电荷分散，与溶剂缔合的程度小，溶剂化作用小。Nu在进攻碳原子前，必须摆脱包围在外面的“溶剂壳”，缔合程度小的，Nu脱掉外层溶剂愈容易，显示出亲核性愈强。而Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺（DMF）、二甲亚砜(DMSO)、六甲基磷酰胺(HMPA) 等偶极非质子溶剂，分子内有明显的偶极：
(( (+ (- (+ (- (+
O=CH－N(CH3)2 O－S(CH3)2 O－P(NMe2)3
DMF DMSO HMPA
这类分子正电荷一端被烷基等包围，空间阻碍大，负电荷一端裸露在外，因此只缔合正离子，裸露的负离子作为Nu不被溶剂分子包围，所以在偶极非质子溶剂中，卤离子亲核性次序与碱性一致。
实验表明，在偶极非质子溶剂中裸露的负离子亲核性比溶剂化的负离子大得多。如在ＤＭＦ中，Cl－取代Ｉ－的速率比甲醇中快1.2(106倍。
相对速率
1
1.2(106
为了加速亲核取代反应，减少亲核剂的溶剂化作用，常常使反应在非质子溶剂中进行。加入冠醚(crown ether)可明显地提高负离子的活性，大大促进SN2反应。冠醚是最近几十年发展起来的具有特殊络合性能的化合物，冠醚的结构特征是分子中具有（－Ｙ－ＣＨ２－ＣＨ２－）n重复单位，其中Ｙ为氧、氮或硫等杂原子，由于它们的形状似皇冠故称冠醚。环可扩大或引入芳环或其它杂环等。不同结构的冠醚，其空穴尺寸也不同，因而决定它们对金属离子有较高的络合选择性。例如18-冠-6是有机合成上很有用的冠醚之一，其空穴半径为2.6—3.2?，和钾离子半径(2.66 ?)相近，与适当大小的金属离子能形成共平面1:1的大络离子，金属离子被络合后，剩下未被溶剂化活性很高的“裸负离子”（naked anion），提高了反应活性。选择适当的冠醚能使较多的固体试剂如金属盐类溶于有机溶液，使过去在液-固两相进行的反应在均相进行。
KX + X－
18-冠-6是亲核取代反应极为有效的相转移催化剂，它的特点是用量少、产率高、处理方便，还可实现液-液、液-固两相反应。如下列反应加入18-冠-6 有利于SN2反应的进行：
RX + KY RY + KX
RX = C6H5CH2Cl, C8H17Br； Y = CN, F, OAc, NO2
15-冠-5空穴大小与Na＋相当，12-冠-4空穴大小与Li＋相当，均可起类似的相转移催化作用。
（3）试剂的空间因素：空间位阻大的试剂亲核性小。如烷氧负离子亲核性大小次序为：CH3O－ >CH3CH2O－ >(CH3)2CHO－ >(CH3)3CO－ ，刚好与碱性强弱的次序相反。
又如(-烷基吡啶衍生物与碘代烷的SN2反应，试剂的(-空间位阻增大时，亲核性减弱。如表5-3所示。相应的(-取代吡啶在三个系列中的相对速率均在1.8~2.4之间。
表5-3 (-烷基吡啶与碘代烷的相对反应速率
烷基R
CH3I
MeCH2I
Me2CHI
H
Me
MeCH2
Me2CH
1.0
0.47
0.22
0.071
1.0
0.22
0.11
0.030
1.0
0.054
－
－
一些学者致力于亲核试剂亲核能力的定量比较，Swain与Scott提出了下列方程式：
log k / k。= s n
式中：k。─标准反应的反应速率；k ─具有亲核常数为n的亲核试剂Nu与具有敏感度s的作用物间的反应速率；n ─试剂的亲核常数，是比较Nu亲核性的量度；S ─衡量作用物对亲核试剂的敏感度。
过去以CH3Br为作用物，水为亲核试剂，两者在25℃的反应为标准反应，CH3Br的s值定为1，于是可按下式求出多种亲核试剂的亲核常数n值。
n = log(kCH3Br + Nu ) / log(kCH3Br + H2O)
表5-4列出了一些亲核试剂的亲核常数n值对应的相对反应活性。
表5-4 一些亲核试剂的亲核活性（Nu：+ CH3Br → Nu-CH3 + Br-）
亲核试剂
相对反应活性
亲核试剂
相对反应活性
H2O
NO3-
ROH
F-
CH3COO-
HCOO-
Cl-
C6H5O-
C6H5N
R3N
Br-
1.00
1.02
*
10
52.5
56.5
102
316
400
*
775
N3-
（NH2）C=S
HO-
RO-
C6H5NH2
SCN-
I-
SH-（RS-）
CN-
SO32-
S2O32-
1,000
1,250
1,600
*
3,100
5,900
10,200
12,600
12,600
12,600
22,000
*无确切数据
由于已求得的n值较少，其应用受到一定的限制。1968年Pearon根据上述原则，改用CH3I与CH3OH在25℃的反应作标准反应，并把CH3I的s定为1，从而求出各种亲核试剂的nCH3I值。
n = log(kCH3I + Nu ) / log ( kCH3I + CH3OH )
Swain的nCH3Br值和Pearon的nCH3I值之间为直线关系为： nCH3I = 1.4nCH3Br。按Pearon的方法求出的亲核试剂的亲核常数n值可参见第三章表3-9。亲核常数n值愈大表明试剂的亲核性愈强。从表3-9的数据可见，亲核性常数nCH3I所反映的亲核性与其共轭酸pKa值反映的碱性并不对应。
三 离去基团
不论SN1还是SN2历程，它们的反应速率都是受离去基团性质的影响。由于离去基团在两种历程中的速度制步骤中都是带着与作用物成键的电子对离开，故离去基团接受电子的能力越大，离去的倾向越大，亲核取代反应的速率越快。
表5-5列出了1-苯基乙酯和卤化物在80%乙醇水溶液中75℃时溶剂解反应的速率：
表5-5 1-苯基乙酯和卤化物溶剂解反应的相对速率
离 去 基 团
k相对
离 去 基 团
k相对
CF3SO3－
p-硝基苯磺酸根离子
p-甲苯磺酸根离子
CH3SO3－
I－
Br－
1.4×108
4.4×105
3.7×104
3.0×104
91
14
CF3C2－
Cl－
F－
p-硝基苯甲酸根离子
CH3CO2－
2.1
1.0
9×10-6
5.5×10-6
1.4×10-6
由表中数据可以看到相对反应活性和取代基吸电子能力之间的平行关系。但卤素离子的活性顺序为I－>Br->Cl->F-,恰好与其电负性顺序相反，而与它们的亲核性顺序相同。这种现象一方面是由于Ｃ－Ｘ键的键能，另一方面是由于它们的可极化性，因为一个较易极化的离去基团将使它与碳所成的键断裂时的过渡态变得稳定。
虽然，SN1和SN2反应中离去基的离去能力顺序是相同的，但它们对离去基好坏的敏感性是不同的。SN1历程对离去基离去能力的依赖性比SN2要明显得多。
磺酸酯具有高度的反应活性，在亲核取代反应中是极为有用的反应物。最常用的有对甲苯磺酸酯（ROTs）、对溴苯磺酸酯(ROBs)、对硝基苯磺酸酯(RONs) 和甲磺酸酯(ROMs)。这些磺酸根离子都是比卤离子更好的离去基团。更重要的是可以将进行亲核取代反应较为困难的醇与磺酰氯在吡啶存在下反应来制备相应的磺酸酯：
ROH + R’SO2Cl ROSO2 R’
得到的磺酸酯可以保持醇R基原有的结构完整和立体化学特征。近年来还陆续发现了一些更好的离去基团，相应的化合物都是强烷基化试剂，如：ROR2+、ROClO3、ROSO2F、ROSO2CF3等。其中，三氟甲磺酸酯是一个特别好的离去基团，三氟甲磺酸酯进行溶剂解反应的速率分别是对甲苯磺酸酯、对溴苯磺酸酯的3×104和5×103倍（25℃，乙酸），是相应碘化物和溴化物的溶剂解反应速率的4.5×105（25℃，乙醇）和1.5×105倍（25℃，80%乙醇），能使不活泼的反应物发生亲核取代反应。
一些碱性强的基团如-OH、–OR、–NH2、–NHR、–NR2则是很差的离去基团，难以离去。但在酸性条件下被质子化后，变成相应的共轭酸HOH、HOR、HNH2、RNH2，大大增强了离去能力，因此，醇、醚、胺能在酸性溶液中起取代反应。如：
无反应
除采用先质子化的方法外，醇还可以转化为羧酸酯离去，但不及水和磺酸酯易于离去。
将脂肪伯胺亚硝基化转化为重氮离子，其中的N2分子也是最好的离去基团之一：
RNH2 + HNO2 R—N≡N + + H2O
R—N≡N + + Nu － R—Nu + N2
实验事实表明，好的离去基团大多数是pKa值小于5的 强酸或较强酸的共轭碱。一般在水溶液中进行亲核取代反应时，离去基团的离去能力顺序为：N2>>RSO3->ROSO3->I->Br->H2O>Me2S> Cl->
最好的 好的离去基团
CF3CO2->H2PO4->NO3->F->RCO2->>CN->NH3>PhO->R3N,RNH2>RS >> HO > CH3O >> NH2 > CH3-
中等的离去基团 次等的离去基团 差的离去基团 最差的
上列离去能力顺序只是一个粗略的大致顺序，在不同的反应条件下可能有一些变化。这个顺序实际把离去基团分为了六组，最好的和好的离去基团就是最容易和易于离去的基团，其中I-负离子既是易于离去的基团又是很好的亲核试剂，因此常用KI催化加速SN2反应。
极限的SN1反应是离去基团离去后，亲核试剂才与碳正离子结合生成产物，所以离去基团只影响SN1反应的速率，不影响产物的组成分布，由此可以作为极限的SN1历程的有力证据。例如，二苯氯甲烷和二苯溴甲烷分别在含有NaN3的丙酮-水溶液中反应，55℃时溴化物比氯化物的反应速率快33倍，但产物的组成分布一样，都是约34%的Ph2CHN3和66%的Ph2CHOH。
Ph2CHX Ph2CH + Ph2CHOH（66%）+ Ph2CHN3（34%） X = Br、Cl
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）。大多数SN2反应是第三种情况，即负离子Nu-亲核试剂与中性分子反应物之间的反应。
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+ 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。
用比较各种不同介质中标准作用物亲核取代反应速率的方法，可以测定和比较溶剂亲核性的大小。Winstein和Grunwald提出了一个衡量溶剂亲核性和溶剂化能力的方程，称为Winstein-Grunwald关系式：
log（k / k 0）= l N + m Y
式中N和Y分别为溶剂亲核性和溶剂化能力的量度，l 和m是作用物对这两个性质的敏感度。指定一个标准物，规定其l值为1.00，指定一种标准溶剂，规定其N值为0.00，就可以测出各种不同溶剂的N值。以对甲苯磺酸甲酯为标准底物，80%（v/v）乙醇水溶液为标准溶剂，于是有：
N = log（k / k 0）－ m Y
上式中k、k 0分别是对甲苯磺酸甲酯在某溶剂和标准溶剂中溶剂解反应的假一级速率常数。以氯代叔丁烷为参比物，规定其m值为1.00，可以求出各种溶剂的Y值，一些常用溶剂的Y值列于表5-8，Y为正值表示溶剂的溶剂化解离能力大于80%（v/v）乙醇水溶液，为负值则较弱。
表5-8 一些常用溶剂的溶剂化解离能力Y值
溶 剂
Y 值
溶 剂
Y 值
100%乙醇
80%乙醇
60%乙醇
40%乙醇
H2O
CH 3OH
－2.03
0.00
1.12
2.20
3.49
－1.05
90%丙酮
50%丙酮
乙 酸
甲 酸
三氟乙酸
－1.86
1.40
－1.64
2.05
4.60
表5-9列出一些常用溶剂的N值，N值大表明溶剂的亲核性强，N值小或为负值表明溶剂的亲核性弱。
表5-9 一些常用溶剂的亲核性N值
溶 剂
N 值
溶 剂
N 值
乙醇
甲醇
50%乙醇
水
0.09
0.01
－0.20
－0.26
乙 酸
甲 酸
三氟乙酸
氟磺酸
－2.05
－2.05
－5.55
约－5.5
在低亲核性溶剂中溶剂解反应的特点是：碳正离子发生重排的趋势增加；光学活性底物外消旋化的程度增加。
第四节 邻基参与机理
在亲核取代反应中，某些取代基当其位于分子的适当位置，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位置或更远时，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：
第一步 + L-
第二步
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由于所处的位置有利，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。
例如：当3-溴-2-丁醇的苏型（Threo）外消旋体（±）用HBr处理时，得到外消旋体（±）-2,3-二溴丁烷，而赤型(erythro)外消旋体则得到内消旋体：
苏型（±） 苏型（±）
赤型（±） 赤型内消旋体
这个结果表明反应保持原有构型。得到的两种产物都不具有旋光性，但内消旋体和（±）-二溴化物具有不同的沸点和不同的折射率，可利用这些性质鉴别它们。保持原有构型的更令人信服的证据是两个苏型异构体反应后都不是得到二溴化物的对映异构体，而是得到外消旋体（±），这是因为邻基Br参与形成的中间体是对称的环状溴鎓离子，外部的亲核试剂Br－从环的两侧进攻两个碳原子的机率是相等的。中间体为溴鎓离子，在数种类型的反应中已经证明它的存在。
卤素作为邻基参与的能力大小次序一般为I > Br > Cl，这与原子的亲核性和可极化性大小顺序是一致的。F电负性太强，不易给出电子，亲核性和可极化性太小，一般不发生邻基参与作用。
若邻基参与作用形成的中间体是稳定的或由于其它方式而稳定，亲核试剂Nu－亲核进攻能力不足，只能形成环状产物。这是简单的分子内SN2反应。下面两个例子是形成环氧化物和内酯：
+Cl－
+ X－
氮原子也起邻基参与作用。例如，氨与1，4-二氯丁烷作用形成氢化吡咯：
—NH3
二 π参与
1 C=C双键参与作用
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。
（1） （2） （3）
K相对（HOAc） 10 11 102.7 1
（1）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。
+
慢
位于反应中心较远位置的双键，如果位置适当，也存在着邻基参与作用。如对甲苯磺酸酯的醋酸解，在反应中由于双键的参与形成了非经典碳正离子，产物仅为外型醋酸降冰片酯。
2 环丙基的参与作用
环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位置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）
又如：化合物（Ⅳ）的溶剂解速率比化合物（Ⅴ）大约快5倍，而化合物（Ⅲ）的溶剂解速率比化合物（Ⅴ）慢3倍。
(III) (IV) (V)
上述例子可看出：只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效。
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：
+
苏 式 苏式外消旋体
与上述情况相似，由于苯基参与的结果，赤型对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯进行乙酸解反应，得到大部分构型保持的赤式乙酸酯。
+
赤 式 赤 式
位于β碳上的苯环能发生邻基参与作用是由于苯环的π电子向P轨道转移，形成苯桥正离子 ，这也是一系列2-芳基-1-乙基酯的溶剂解速率较大的原因。
溶剂解产物
第五节 亲核取代反应在合成上应用
亲核取代反应在有机合成上有着广泛的应用，可以通过官能团的相互转变合成各类化合物和通过C-C键的形成来构筑碳架。亲核取代反应能形成C-C、C-H、C-O、C-S、C-N、C-X等键，从而可以合成烃类、醇、醚、酮、酯、胺、腈、卤代烃等。
一 碳-氧键的形成
含氧亲核试剂是重要的有机化学试剂之，用它们可以制备醇、醚、酯等化合物。如： C6H5CH2Cl + NaOH (水溶液) C6H5CH2OH + NaCl
由醇脱水制醚和Williamson合成醚，现在仍然是制备对称醚或不对称醚的最好方法。
CH3CH2CH2Cl + NaOC(CH3)3 CH3CH 2CH2-O-C(CH3)3 + NaCl
叔卤代烷水解制醇容易发生消除反应，可先用较弱的碱性亲核试剂，如醋酸盐CH3COONa、CH3COOAg等制成酯，然后再水解制醇。例：
R3C—X + AcOAg AgX + R3COAc R3COH
用β-氯醇与碱反应的制1，2-环氧化合物，相当于分子内的Williamson合成醚的反应：
1，2-环氧化合物是三元环状化合物。由于环的角张力，更容易发生亲核取代反应生成醇、醚和酯。
二 C-S键的形成
含硫的亲核试剂比相应含氧的亲核试剂亲核性更强，更容易与卤代烃等发生亲核取代反应：
(CH3)2CH-Cl + NaSH (CH3)2CH-SH + NaCl
(CH3)2CH-Br + NaSCH2CH3 (CH3)2CH-S- CH2CH3 + NaBr
2CH3CH2CH2Br + Na2S CH3CH2CH2SCH2CH2CH3 + NaBr
用硫氢化钠与卤代烷作用制硫醇时，有较多的硫醚生成，为避免之可采用硫脲代替硫氢化钠。
(CH3)2CHCl + S=C(NH2)2
(CH3)2CHSH + NH2CN + NaCl
三 C-X键的形成
由醇制取卤代烷，最常用的试剂是HX和SOCl2 、PCl5 、PCl3 、POCl3等无机酸的酰卤。当用HX 时，离去基不是OH-，而是H2O。
(CH3)2CH-OH + HBr (CH3)2CH-Br + H2O
(CH3)2CH-OH + SOCl2 (CH3)2CH-Cl + SO2↑ + HCl↑
四 碳-氮键的形成
卤代烷同胺或氨反应可以制得相应的胺：
R-X + 2NH3 R-NH2 + NH4+X- 伯胺
R-X + 2R’-NH2 R’RNH + RNH3+X- 仲胺
R-X + 2R”R’NH R”R’RN + R”R”NH2+X- 叔胺
R-X + R’”R”R’N R’”R”R’N +X- 季铵
1，2-环氧化合物和氨或胺反应是制备β-羟胺的一种有用的方法：
与氨反应主要产物是伯胺，但也有些仲胺和叔胺。重要的乙醇胺等就是用此法制得的：
H2NCH2CH2OH + HN(CH2CH2OH)2 + N(CH2CH2OH)3
还可用NaNO2和仲或伯溴代烷或伯碘代烷制硝基烷。AgNO2只与伯溴代烷或伯碘代烷形成硝基化合物。由于NO2-是两可试剂，具有双位反应性，所以在所有情况中都会有亚硝酸酯生成，当仲或叔卤代烷与AgNO2反应时，主要产物是亚硝酸酯（SN1历程）。
R-X + NO2－ R-NO2 + RONO + X－
例如： BrCH2COOCH3 + NaNO2 O2NCH2COOCH3 + NaBr
(CH3)3CCl + AgNO2 (CH3)3C—NO2 + (CH3)3C—ONO + (CH3)2C=CH2
微量 60%
通过卤代烃还可制得叠氮化物，例如：
CH3(CH2)3Br + NaN3 CH3(CH2)3N3
五 C-H键的形成
如氢化锂铝或硼氢化钠可使卤代烃还原为烃，可以看作负氢离子对卤代烃的亲核取代反应：
乙醚
4CH3CH2CH2Br + LiAlH4 4CH3CH2CH3 + LiAlBr4
六 C-C键的形成
当试剂中亲核原子为碳，如 CN-、负碳（炔化钠、烯醇盐等），进行亲核取代即生成C-C 键，可以得到烃、腈、酮、酮酸、羧酸、酯等。如：
CH3CH2C≡C－Na + CH3CH2Cl CH3CH2C≡CCH2CH3
CH3CH2CH2Br + NaCN CH3CH2CH2CN
PhCH2COOC2H5 + CH3CH2CH2Br
CH3COCH2CO2C2H5 + CH3CH2Br
CH3COCH2CO2C2H5 + ClCH2COOC2H5
由乙酰乙酸乙酯的烯醇盐进行亲核取代反应，再经酮式分解即可合成甲基酮，β与γ二酮，γ-酮酸等。丙二酸二乙酯的烯醇盐进行类似的亲核取代反应再水解，可以合成各类取代羧酸。
第十六章 碳碳重键的亲电加成
教学目的与要求
理解烯烃与氢卤酸的择向性及加成机理
理解烯烃与卤素的加成机理
其他的加成反应——硼氢化，卡宾加成
对共轭二烯类加成
亲核加成
教学重点
碳碳双键的亲电加成机理和马氏规则
共轭加成机理
加成反应的立体化学
教学难点
加成反应的立体化学
第一节 亲电加成反应
亲电加成反应历程
双分子亲电加成反应AdE2
三分子亲电加成反应AdE3
亲电加成反应的立体化学
反应机理和立体化学
影响亲电加成反应的立体化学因素
取代基对烯烃加成反应的影响
加成反应的方向
烯烃的反应活性
共轭烯烃的加成反应
第二节 亲电加成反应的实例
烯烃与卤化氢的加成反应
烯烃与卤素的加成反应
烯烃与次卤酸的加成反应
酸催化水合
加碳正离子
硼氢化反应
氧汞化反应
第三节 亲核加成反应
烯烃的亲核加成反应
炔烃的亲核加成反应
第十六章 碳—碳重键的加成反应
具有碳－碳双键或三键的化合物是较活泼的，容易受到亲电试剂和自由基的进攻发生亲电加成和自由基加成反应。亲电加成是碳－碳重键化合物的典型反应。C=C双键碳原子上如果有吸电子取代基降低双键碳原子上的电子密度，也会发生亲核加成。
第一节 亲电加成反应
亲电加成反应历程
依据亲电试剂的不同，可以把亲电加成分为两类：(1)中性XY分子如卤素的加成，(2)酸试剂的加成如卤化氢的加成、水合等。后一类反应的特点是质子从酸中转移到烯烃上。
1．双分子亲电加成反应AdE2
这一类加成反应动力学上表现为二级反应，对烯烃和亲电试剂各一级，即v=k[烯烃][亲电试剂]，故称为双分子亲电加成反应，用AdE2（bimolecular electrophilic addition）表示。这一类反应机理可细分为两种类型三种情况，反应中涉及碳正离子和环状鎓离子（或称桥鎓离子）中间体：
（A） —C—C—
E Nu 顺、反异构体
C=C + E—Nu Nu
—C—C— 反式异构体
E
（B） E—Nu E+ + Nu－
顺、反异构体
类型（A）的亲电试剂是带部分正电荷的偶极或诱导极化的正端，生成的碳正离子或状鎓离子中间体最初是以离子对的形式存在，取决于这两个离子相互反应的活性大小，在结合为反应最终产物前也许彼此是自由的，这样得到的产物将是顺、反异构体混合物；正负离子对也可能是不自由的，这样得到的产物将只有反式异构体。类型（B）的亲电试剂是带正电荷的离子，中间体是一个独立的碳正离子，形成时不存在相反离子的作用，最终反应产物也是顺、反异构体混合物。
（1）碳正离子历程
碳正离子历程为一些实验事实所支持。乙烯与氯化钠或碘化钠水溶液不发生加成反应。但是，当乙烯和溴在氯化钠或碘化钠水溶液中加成时，除生成1,2-二溴乙烷外，还生成其它混杂加成产物。例如：
CH2=CH2+Br2 CH2—CH2 + CH2—CH2 + CH2—CH2
Br Br Br X Br OH X=Cl，I
这表明C=C双键与Br2加成一定是分步进行的，否则不可能生成混杂加成产物。
烯烃的酸催化水合反应相当于前述类型（B）的反应历程，亲电性的质子由酸离解产生，质子对烯烃的亲电加成这一步为慢反应，是决定反应速度的步骤。烯烃与卤化氢的加成反应在少数情况下属于前述类型（A）或（B）的碳正离子历程，从HCl及HBr与环已烯及3-已烯的加成反应动力学研究发现，在能形成鎓盐的溶剂（乙醚、二氧杂环已烷）中进行的加成反应速度小于在不能与质子结合的溶剂（庚烷等）中的加成反应速度。这是因为溶剂结合了质子，减小了H+ 的浓度使反应速度减慢，表明了反应的第一阶段是质子和烯烃的加成。
H H X
C=C + H+ —C—C— —C—C—
某些烯烃的加成反应除得到正常产物外，还得到重排产物，这也可以作为碳正离子中间体历程的证据。如3,3-二甲基-1-丁烯与卤化氢的加成得到重排产物2,3-二甲基-2-卤丁烷：
CH3 CH3 CH3 X CH3
H3—C—CH=CH2 CH3—C—CH—CH3 CH3—C—CH—CH3 CH3—C—CH—CH3
CH3 CH3 CH3 CH3
(2) 桥鎓离子历程
烯烃与溴的加成反应是典型的桥鎓离子历程：
H3C CH3 H3C Br+ CH3
C=C +Br—Br C—C +Br-
H H H H
H CH3 CH3 CH3
Br- C Br H H Br
或 Br+ +
Br- C H Br Br H (±)外消旋体
H CH3 CH3 CH3
反应的第一步是极化了的Br2分子中δ+ 一端进攻顺CH3CH=CHCH3，生成环状溴鎓离子中间体。这是慢的一步。环状结构的溴鎓离子中间体阻止了C—C单键的转动。第二步Br- 进攻这两个环碳原子的机会是均等的，所以生成的产物是外消旋体，且是快反应。
简单和非共轭烯烃被认为易生成溴鎓离子，理论计算结果表明环状溴鎓离子比相应的开链碳正离子能量约低40kJ/mol，稳定得多因而易于生成。元素周期表中的第二或更高的周期的亲电试剂，如Cl2、Br2、I2，对多数烯烃的AdE2加成反应可形成桥鎓离子中间体，但有的情况下要先经过烯—卤素络合物，再生成桥鎓离子中间体，且这些桥鎓离子不如环状溴鎓离子稳定，有可能与开链的碳正离子平衡存在，最终是桥鎓离子中间体还是开链的碳正离子何者进行第二步反应生成加成产物，取决于底物的结构和反应条件：
X+
C C
加成反应的立体化学可以说明桥鎓离子的存在。形成鎓离子以后，亲核试剂需要从背面进攻，因此会得到反式加成产物。但并非所有的反式加成产物都是经桥鎓离子中间体形成的。桥式溴鎓离子的有力证明是在SbF5–SO2或SbF5–SO2ClF溶液中于-60℃得到稳定的溴鎓离子盐：
溴鎓离子并非都是对称结构，Yetes提出溴原子和β-碳之间可以形成一个较弱的桥键，如当β-碳上连有苯环时即是如此：
2．三分子亲电加成AdE3
HCl或HBr对烯的加成反应常常表现三级动力学过程，反应速率方程是：v=k[烯烃][ HX]2，分子E—Nu的E端 和分子E—Nu的Nu端两进攻基团分别从双键的两侧同时进攻形成加成产物，叫做三分子亲电加成，其立体化学特征也是反式加成：
H-X H
C=C H+ + C—C + X -
H-X X
实际上有效的三分子碰撞的情况是罕见的，有可能涉及烯与卤化氢的络合物与另一分子卤化氢的相互作用：
显然在由于上列慢反应涉及烯与卤化氢的三分子反应，反应速率表现三级动力学过程。
前面已经指出，烯烃与低浓度的溴加成，在水和醇溶剂中进行是二级反应。但用极性小的溶剂或使用高浓度的溴，则在过渡态中第二个溴分子帮助第一个溴分子极化：
Br Br Br
Br
C C
反应速率方程是：v=k[烯烃][Br2]2,也可视为AdE3历程。
二 亲电加成反应的立体化学
1. 反应机理和立体化学
很容易看出涉及桥鎓离子中间体（II）的加成反应必定为反式加成，涉及碳正离子中间体（I）的反应，其立体化学很难预言，如果碳正离子（I）具有足够长的寿命，单健能自由旋转，则加成反应一定为非立体专一性的。但另一面可能有某些因素使其保持构型，在此情况下X可由同侧或异侧进攻，决定于反应条件。如，碳正离子（III）能由于Y的吸引而稳定, 第二个基团可由反面进攻。
Y Y+ +CH2—CH2
—C—C— —C—C— Y
（I） （II） （III）
若Y加成后形成紧密离子对，此时X已经位于Y所处的平面的同侧，离子对的破裂导将致顺式加成。
Y—X Y X- Y X
C=C C C C C
AdE3历程的立体化学也是反式加成。
C≡C叁键的加成是立体选择性而非立体专一性的加成反应，如丁炔二羧酸和溴在水溶液中进行加成反应时，得到70%反式（反式加成）和30%的顺式异构体（顺式加成）。
HOOC Br Br Br
HOOC—C≡C—COOH+Br2 C=C + C=C
Br COOH HOOC COOH
70% 30%
有的加成反应只有很小的立体选择性，如Z-1,2-二甲基环已烯的酸性水合反应，生成大约等量的顺-和反-1,2-二甲基环已醇：
CH3 H CH3 H CH3
+ H2O + + +
CH3 CH3 OH CH3 OH
顺式45% 反式55%
实验表明，HBr、Cl2、Br2与反-1-苯基丙烯的反式加成产物分别为88%、33%和12%。这一事实被认为是Br、Cl或H形成桥式离子的稳定性依次降低。溴桥离子中间体稳定性最高，氯桥离子不如开链的碳正离子中间体稳定，而氢桥离子是一个极不稳定的过渡态，即使形成，也将迅速转变为开链的碳正离子中间体。因为在亲核取代反应中，它们作为邻近基团的作用依次降低。
Br+ Cl+ H+
—C—C— —C—C— —C—C—
另一种看法认为：顺式加成物的出现来自于紧密离子对，它与桥鎓离子竞争，若开链的离子对能被共轭或诱导效应（或两种同时）稳定时，则容易生成。如果紧密离子对进一步离解成自由离子，则得到顺或反式加成产物的混合物，其比例主要取决于产物的相对稳定性。
Nu
C — C —C—C—
E E 反式
C=C + E—Nu
—C—C —C—C—
E Nu- E Nu 顺式
紧密离子对
—C—C 顺式和反式
自由离子
例如，氯分别与反-2-丁烯和反-1-苯基丙烯的加成，前者得到反式加成物，后者只有33%的反式加成物。这是由于碳正离子与桥鎓离子的相对稳定性(Ⅰ)＞(Ⅱ)和(Ⅲ) ＞(Ⅳ)之故，带正电荷的碳原子与苯基相连时，正电荷离域得到稳定，故反式加成物减少。
Cl- Cl Cl+
C6H5—CH—CH—CH3 ＞ C6H5—CH—CH—CH3
(Ⅰ) (Ⅱ)
Cl+ Cl- Cl
CH3—CH—CH—CH3 ＞ CH3—CH—CH—CH3
(Ⅲ) (Ⅳ)
2．影响亲电加成反应立体化学的因素
影响亲电加成反应立体化学的因素除了亲电试剂和烯烃的结构以外，还有溶剂及温度的影响。
(1) 溶剂的影响
改变溶剂也能改变烯烃亲电加成反应的立体化学。如顺-1,2-二苯乙烯与溴在不同溶剂中的加成反应，内消旋和外消旋产物的比例不同，显示顺式和反式加成产物的比例不同，如表7-1所示。
C6H5 C6H5
C=C + Br2 C6H5—CH—CH—C6H5
H H Br Br
表16-1溶剂极性对加成立体化学的影响
溶剂
介电常数( /F·m-1
内消旋产物/外消旋产物
环已烷
CCl4
t-C4H9OH
C6H5CN
CH3NO2
2.0
2.2
11
25
35
0
0
0.3
0.6
0.9
由表7-1可以看出，增加溶剂的极性有利于生成碳正离子中间体稳定，而内消旋产物被认为是经过非环状的碳正离子中间体按顺式加成生成的。外消旋混合物（dl对）则是经过溴鎓离子中间体按反式加成产生的。
炔烃的亲电加成在不同的溶剂中进行时，对加成的立体化学也有影响。例如苯乙炔与溴的加成，在不同的溶剂中生成产物的组成如下：
C6H5 Br C6H5 H
C6H5—C≡CH C=C + C=C
Br H Br Br
溶剂 产物组成
CHCl3 82% 18%
CH3CO2H 70% 30%
CH3CO2H+LiBr 97% 3%
(2) 外加试剂的影响
在反应体系中加入与亲电试剂相同的负离子将增加反式加成产物，这可以看作立体化学因素控制下的共同离子效应。例如，2-戊烯在乙酸溶液中于250C与氯的反应，在无添加物时，反式加成物（2,3-二氯戊烷）为52%，添加入LiCl后，反式加成物为69% 。
三 取代基对烯烃加成反应的影响
1．加成反应的方向
如果烯烃分子和亲电试剂都是不对称的，则加成方向有两种可能，但由于亲电试剂加到烯烃双键上这一步是速度控制步骤，因此生成的两种不同碳正离子的相对稳定性决定了加成的方向。如，在极性条件下，丙烯与HBr的加成：
H H
CH3—C=C—H + H CH3—C—C—H 或CH3—C—C—H
H H H H H H
(I) （II）
由于仲碳正离子(I)的稳定性比伯碳正离子（II）大，实际上(I)是唯一生成的碳正离子，产物是2-溴丙烷。即不对称结构烯烃的亲电加成遵从Markownikoff规则，氢原子加在连氢原子较多的碳原子上，而卤素则加在连有氢原子较少的碳原子上。
氯乙烯和HY的加成亦遵从Markownikoff规则。碳正离子中间体(I)的正离子和卤素的未共享电子对共轭，使体系的能量降低，因而比另一种加成方式所形成的碳正离子（II）稳定。
Y H
Cl—C=C—H + Y- Cl—C—C—H 或Cl—C—C—H
H H (I) H H Y H (II)
当强吸电子基团和不饱和碳原子相连接时，则HX的加成违反Markownikoff规则，即氢加到含氢较少的碳原子上，卤素加到含氢较多的碳原子上。
CF3—CH=CH2+HBr CF3—CH2—CH2Br
(CH3)3N—CH=CH2+HI (CH3)3N—CH2—CH2I
这是因为CF3和(CH3)3N-等基团的强-I作用使双键极化，形成的碳正离子（II）则较（I）为稳定。
CF3 CH=CH2 (CH3)3N+ CH=CH2
CF3—CH—CH3 CF3—CH2—CH2
(II）
2．烯烃的反应活性
烯烃双键上连有烷基，超共轭效应使双键的电子云密度增加而有利于亲电试剂的进攻，加成反应速度增加；吸电子基团的影响却完全相反。表7-2为甲基、卤素及羧基等基团对烯烃加成反应速度的影响。
表16-2 溴和各种烯烃及其衍生物加成反应的相对速度
（在CH2Cl2溶液中，-78℃）
化 合 物
相对速度
化 合 物
相对速度
（CH3）2C=C(CH3）2
（CH3）2C=CHCH3
（CH3）2C=CH2
CH3CH=CH2
14.0
10.4
5.53
2.03
CH2= CH2
CH3CH=CHCO2H
CH2=CHBr
CH2=CHCO2H
1.0
0.26
0.04
0.03
四 共轭烯烃的加成反应
共轭烯烃的亲电加成也是朝形成相对稳定的中间体方向进行。第一步反应，亲电试剂的亲电部分总是加到共轭链的一个末端碳上，而不会加到共轭链的中间碳上。如1,3-丁二烯与HCl反应：
CH2=CH—CH—CH2 CH2—CH=CH—CH2
H H （2）
CH2=CH—CH=CH2 + H+
(1) × CH2=CH—CH—CH2 （3）
H
（2） + Cl- CH2=CH—CH—CH2 + CH2—CH=CH—CH2
Cl H （4） Cl H （5）
第一步慢反应是H+或HCl分子的δ+ 端进攻共轭体系的末端碳原子生成（2），而不是进攻共轭体系中间碳原子生成（3）。因为碳正离子（2）比（3）稳定容易生成。第二步快反应是碳正离子（2）与Cl- 离子加成生成1,2-加成产物（4）和1,4-加成产物（5）。
1,3-丁二烯和溴的加成也是亲电加成,第一步反应先形成碳正离子(I),而不是碳正离子(II)。
CH2=CH—CH=CH2+Br ：Br CH2=CH—CH—CH2—Br CH2=CH—CH—CH2
(I) Br (II)
因为碳正离子(I)中正电荷和双键共轭，体系稳定；而碳正离子(II)电荷定域，体系的能量高。
第二步是Br-进攻碳正离子，得到1,4-加成产物和1,2-加成产物，
CH2=CH—CH+—CH2—Br Br—CH2—CH=CH—CH2—Br
+ CH2=CH—CH—CH2—Br
Br
1,4-加成和1,2-加成产物何者占优势，取决于反应物本身的结构和反应条件。
如2-甲基-1,3-丁二烯和HBr加成时主要得到1,4-加成产物，因为1,4-加成产物有8个C-Hσ键与双键发生超共轭，而1,2-加成产物没有C-Hσ键和双键共轭，因此生成1,4-加成产物。
CH3 CH3
CH2=C—CH=CH2 CH3—C=CH—CH2—Br 1,4-加成
CH3
+ CH3—C—CH=CH2 1,2-加成
Br
1-苯基-1,3-丁二烯和HBr的加成反应主要为1,2-加成产物，该产物中苯环和双键共轭，较其它形式的加成产物稳定。
Ph—CH=CH—CH=CH2 Ph—CH=CH—CH—CH3
Br
1,4-二苯基-1,3二丁烯和溴加成的产物主要也为1,2-加成产物，1,4-加成产物不超过4%。
Ph—CH=CH—CH=CH—Ph+Br2 Ph—CH—CH—CH=CH—Ph +
Br Br
Ph—CHCH=CH—CH—Ph
Br Br < 4%
丁二烯和溴在不同溶剂中进行加成反应时，1,4-加成产物的百分数随溶剂极性增大而升高：
溶剂 反应温度(℃) 1,4—加成产物（%）
乙酸 4 70
氯仿 -15 63
正已烷 -15 38
原因是在正已烷等非极性溶剂中反应时，溴没有离解而以溴分子和共轭二烯的一个双键加成，主要生成1,2-加成产物。
Br—Br
CH2=CH—CH=CH2
第二节 亲电加成反应的实例
一 烯烃与卤化氢的加成反应
卤化氢的活性顺序为： HI > HBr > HCl
反应遵循Markownikoff规则。动力学研究表明一些反应，反应机理是AdE3。
多数情况下烯烃与HX加成主要得到反式加成产物，但随烯烃的结构、温度及溶剂的不同，也有不同量的顺式加成产物。如1,2-二甲基环已烯与HCl的加成，在室温时得到反式加成产物，而在-78℃时则以顺式加成为主。
当双键连有与能稳定碳正离子中间体的基团时，如顺-和反-1-苯基丙烯、1-苯基-4-叔丁基环已烯及茚(indene)等与HX加成主要得到顺式加成产物。
二 烯烃与卤素的加成反应
在无光照和自由基引发的情况下，烯烃与卤素的加成为离子反应，卤素的活性顺序为：F2 > Cl2 > Br2 > I2，碘的活性最低，反应极慢且可逆，即使烯过量，仍然有未反应的碘和烯保留在平衡体系中；氟太活泼，与烯的反应激烈、副反应太多，生成包括碳链降解产物在内的复杂混合物。溴化和氯化较容易进行。
通常在强极性溶剂中，烯烃与卤素的加成表现为二级动力学反应，烯烃和卤素各一级，如氯和溴对烯烃的加成。反应机理涉及桥鎓离子中间体。当溴的浓度增加，在乙酸等极性较弱的溶剂中反应，则表现为三级动力学反应，烯烃为一级，卤素为二级。机理为涉及环状中间体的AdE3反应。
烯烃与卤素的加成反应主要得到反式加成产物，但当烯烃的双键连有芳基时，顺式加成产物增加，有时甚至以顺式加成产物为主。烯烃溴化反应的立体选择性通常高于氯化反应，可能是氯与烯烃形成的桥鎓离子中间体不如溴的桥鎓离子中间体稳定的缘故。表7-3给出了一些实验数据。
表16-3 Cl2及Br2与烯烃加成的立体化学数据
烯 烃
溴 化
反 应
氯 化
反 应
溶 剂
anti : syn
溶 剂
anti : syn
顺-2-丁烯
反-2-丁烯
Z-1-苯基丙烯
E-1-苯基丙烯
CH3COOH
CH3COOH
CCl4
CCl4
> 100 : 1
> 100 : 1
83: 17
88: 12
CH3COOH
无
CH3COOH
无
CCl4
CH3COOH
CCl4
CH3COOH
>100 : 1
> 100 : 1
> 100 : 1
> 100 : 1
32 : 68
22 : 78
45 : 55
41 : 59
三 烯烃与次氯酸加成
乙烯与氯水加成,生成2-氯乙醇,相当于乙烯与次氯酸的加成：
CH2=CH2+Cl2+H2O CH2—CH2 + HCl
Cl OH
CH2=CH2+HO—Cl CH2—CH2
Cl OH
反应中还生成少量的副产物1,2-二氯乙烷。反应历程可能是：
CH2=CH2 CH2—CH2 CH2—CH2 CH2—CH2
Cl Cl OH2 Cl OH 产物
+Cl-
CH2—CH2
Cl Cl 副产物
四 酸催化水合
在酸催化下，烯烃可以与水加成生成醇，在动力学上表现为二级反应，对烯烃和H3O+各一级。最常用的酸催化剂是硫酸。反应历程可能是：
CH2=CH2+H+ CH3—CH2
CH3—CH2—O—SO2—OH CH3—CH2—OH+H2SO4
CH3—CH2
CH3—CH2—OH2 CH3—CH2—OH+H+
第一步乙烯质子化生成乙基正离子是速度决定步骤，然后乙基正离子加上HSO4-离子生成硫酸氢乙酯，后者水解生成乙醇。乙基正离子也可能是加上H2O，再消去H+离子生成乙醇。后一历程恰好是乙醇酸催化脱水生成乙烯的逆过程。丙烯酸催化水合生成异丙醇，加成产物符合马氏规则。
CH3—CH=CH2+H2O CH3—CH—CH2
OH H
此外，研究表明烯烃酸催化水合是一般酸催化作用，这就排除了质子进攻烯生成烯-质子络合物，再进一步反应的机理，因为生成烯-质子络合物这一步是一个可逆平衡慢反应，应当表现出特殊催化作用：
RCH=CH2 + H+
烯-质子络合物
五 加碳正离子
烯烃质子化生成碳正离子。在合适的反应条件下，生成的碳正离子可以作为亲电试剂与尚未质子化的烯烃加成。例如1000C时在50%硫酸催化下，异丁烯二聚生成C8-烯烃就包括了碳正离子与烯烃的加成。
CH3 CH3
2CH3—C=CH2 CH3—C—CH=C—CH3 + CH3—C—CH2—C=CH2
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
除二聚体外，还生成少量三聚体等。
CH3—C=CH2 + H+ CH3—C—CH3
CH3 CH3
CH3 CH3
CH3—C+ + CH2=C—CH3 CH3—C—CH2—C—CH3
CH3 CH3 CH3 CH3 二聚碳正离子
CH3 CH3
CH3—C—CH=C—CH3 + CH3—C—CH2—C=CH2
CH3 CH3 CH3 CH3 异丁烯二聚体
异丁烷与异丁烯在HF、H2SO4、杂多酸等酸催化剂催化下，可以生成与上述异丁烯二聚体结构相似的饱和烃—C8烷基化油，是高辛烷值、低蒸汽压、又不含芳香烃的理想汽油调和组分，广泛用于调制无铅汽油。其复杂的反应机理中可能包括了上述异丁烯二聚的前两步反应和二聚碳正离子与异丁烷间的碳正离子交换平衡：
+ +
六 硼氢化反应
乙硼烷和烷基硼与烯烃迅速反应生成三烷基硼，然后用碱性H2O2氧化水解，即得到伯醇，称为硼氢化反应，是一个合成伯醇的重要方法。在硼氢化时，硼总是加到较少取代的不饱和碳原子上，得到反Markownikoff规则产物。原因是B的电负性为2.01，C的电负性为2.1。
3 CH3CH2CH=CH2+ —(BH3)2 (CH3CH2CH2CH2)3B + (CH3CH2CH)3B
93% CH3 7%
CH3
CH3CH2 CH2 CH2CH=CH2 CH3—C=CHCH3
4% 96% 2% 98%
硼氢化反应总是生成顺式加成产物。如1-甲基环戊烯的硼氢化反应，仅生成下面的产物：
CH3 H3C H
+ BH
H
反Markownikoff规则产物在碱性H2O2中氧化水解即得到反Markownikoff规则的伯醇。
(CH3CH2CH2)3B 3 CH3CH2CH2OH + H3BO3
H3C H H3C H
B OH
H H
氧化水解时C—B键转化为C—OH键，*C的构型保持不变，可利用此不对称合成反应制备旋光性的醇。如Z-2-丁烯与R2BH加成，经碱性H2O2氧化-水解后，得到高光学纯的2-丁醇。
七 氧汞化反应
烯烃与汞盐能起加成反应，生成有机汞化物
(CH3)2C=CH2+Hg(OCOCH3)2 (CH3)2C—CH2HgOCOCH3
OH
(CH3)2C=CH2+Hg(OCOCH3)2 (CH3)2C—CH2HgOCOCH3
OCH3
反应中，除了汞以外还有溶剂分子也加到了烯烃的双键上，因此该反应又称溶剂汞化反应。
用硼氢化钠还原汞化反应产物，可将产物中的汞原子用氢取代，此过程称去汞，这样就可以从烯烃制备醇、醚、酯等化合物。
(CH3)2CCH2HgOCOCH3 (CH3)2C—CH3 + Hg
OH OH
(CH3)2CCH2HgOCOCH3 (CH3)2C—CH3 + Hg
OCH3 OCH3
此法制醇相当于烯烃加水，但条件更温和，反应中不发生重排，产率高，且得到遵从马氏规则的产物。反应过程可能如下：
O
C _—C
+Hg(OCOCH3) 2 + Hg—OCOCH3 + CH3—C—O-
C —C
HOH
—C—Hg—OCOCH3+ CH3COOH
HO—C—
汞化反应在动力学上表现为二级反应。绝大部分脂肪链烃和单环烯烃（环丁烯、环戊烯、环已烯、环庚烯）的汞化反应都以反式加成的方式进行。如：
+Hg(OCOCH3) 2 OH H + H OH
H HgOAc AcOHg H
第三节 亲核加成反应
一 烯烃的亲核加成
C=C双键的离子加成一般是亲电的。但如果双键碳原子上带有强的吸电取代基，这些强吸电子取代基就能够导致烯烃被亲核试剂进攻且能稳定亲核加成生成的活性中间体碳负离子，那么C=C双键的离子加成就有可能从亲电的转变成为亲核的。例如，双键碳原子上带有4个强-I效应氟原子的四氟乙烯难以与溴化氢发生亲电加成，可是在乙醇钠的催化下，却能迅速与乙醇发生亲核加成。
C2 H5O-
CF2=CF2+ C2 H5OH CF2—CF2
OEt H
亲核加成的反应历程是：
+ C2 H5O + C2 H5OH
CF2 = CF2 CF2—CF2 CF2—CF2+C2 H5O
慢 快
OEt OEt H
用HBr进行亲电加成时CH2=CH2的反应速度比CF2=CF2的大很多，即CH2=CH2的活性比CF2=CF2大很多；但在C2H5O-离子催化下，用C2H5OH进行亲核加成时，CF2=CF2的活性则比CH2=CH2大很多。
四氟乙烯还可与硫醇、硫化氢、NaHSO3、氨或胺进行亲核加成反应，此外六氟丙烯及其它含氟烯烃、丙烯腈、丙烯醛、丙烯酸酯等也可与这些试剂进行亲核加成反应：
KOH
CF2=CF2+ C2 H5SH CHF2—CF2SC2H5
CF2=CF2 + HNR2 [CHF2—CF2NR2] CHF2CONR2
CF2=CF2 + NaHSO3 CHF2—CF2SO3Na + CHF2COONa
CH2=CH—CN
CH2=CH—CN + NH3 H2NCH2CH2CN HN(CH2CH2CN)2
CH2=CH2—CHO + C2H5OH C2H5OCH2CH2CHO
2CH2=CH2COOC2H5 + H2S S(CH2CH2COOC2H5)2
二 炔烃的亲核加成
炔烃的亲电加成比烯烃困难，乙炔与的氯加成需要在光照或FeCl3催化下才能进行。当一个化合物中同时含有双键和叁键时，溴加成反应首先发生在双键上。
炔烃的亲电加成活性比烯烃的小，原因与结构有关。炔烃分子中的叁键C原子为sp杂化，S成分高，电负性大，外层电子与原子核结合较紧，且碳碳叁键较双键短，这些因素都使炔烃的电子受核的束缚力比烯烃大；乙炔的电离能大于乙烯的电离能，支持了这一论点。
CH2==CH2 → C2H4+ + e 电离能 10.5 ev
CH≡CH → C2H2+ + e 电离能 11.4 ev
但炔烃较易发生与亲核试剂的加成反应，如可以和醇、HCN、RCOOH等进行加成反应：
少量KOH
CH≡CH + CH3OH CH2=CH—O—CH3
(1600C,加压
Cu2Cl2－NH4Cl
CH≡CH + HCN CH2=CH—CN
OH－/ H2O
CH≡CH + C6H5OH CH2=CH—O—C6H5
1800C
OH－
CH≡CH + HOCH2CH2OH CH2=CH—OCH2CH2OH →CH2=CH—OCH2CH2O—CH=CH2
1400C
OH－
CH≡CH + CH3COOH CH2=CHOCOCH3
150 - 1800C
上述反应产物中都含有乙烯基故常称为乙烯基化反应。乙炔是最常用的乙烯基化试剂。乙烯基化产物如丙烯腈、乙酸乙烯酯、乙烯基醚等都是极为有用的有机化工产品。
第十七章 消去反应
教学目的与要求
理解离子消去反应三种极限历程
理解离子消去反应的方向
理解E2反应的立体化学
理解热消去反应和а消去反应
教学重点
离子性消去反应的机理
消去反应取向和立体化学
教学难点
E1cb历程
热消去反应
第一节 消去反应的历程
双分子消去反应的历程
单分子消去反应的历程
E1cb—共轭单分子消去反应的历程
第二节 消去反应的取向
消去反应的规则
Saytzeff 规则
Hofmann规则
反应历程与消去反应的取向
第三节 影响消去反应的因素
反应物的结构
碱的影响
离去基团的影响
溶剂的影响
消去反应的立体化学
E2反应的立体化学
E1反应的立体化学
E1cb反应的立体化学
热消去反应
热消去反应的历程
环状过渡态历程
自由基历程
热消去反应的取向
热消去反应的举例
羧酸酯的热消去反应
Cope消去反应
Chufaev反应
第十七章 消去反应
消去反应（Elimination Reaction）指从有机分子中排除去一个小分子或两个原子或基团，生成双键、叁键或环状结构化合物的反应。消除反应可根据发生消除作用的碳原子的相对位置分为以下三类。
（1）α-消除（或1,1-消除）反应
由同一个碳原子上消除两个原子或基团，形成一个只有六个外层电子的高度活泼的活性中间体碳烯（或称卡宾carbene）的反应。
（2）β-消除（或1,2-消除）反应
β-消除是指从某化合物中相邻两个碳原子上消除两个原子或基团，形成一个新的π键的反应。
（3）γ—消除（或1,3-消除）反应
被消除的两个原子或基团互处1,3-位上的消除反应称为1,3-消除反应，反应产物为环丙烷衍生物。
另外还有1,4-消除和1,5-消除反应等等。1,3-消除或1,4-消除可以看作是分子内的取代反应。消除反应中β-消除反应最重要，本章重点讨论β-消除反应。
第一节 消去反应的历程
β-消除反应既可以在液相中发生，也能在气相中进行（指热消除反应，后面将要介绍）。在液相中进行的消除反应一般为离子历程，根据共价键断裂和生成的次序，可分为以下三种机理。
一 双分子(E2)消去反应历程
在双分子消除反应中，碱进攻反应物的β—H的同时，离去基团带着一对电子从分子中离去，在两个碳原子之间形成新的π键：
典型E2的消除反应，新键的生成和旧键的断裂是协同进行的，碱参与了过渡态的形成，动力学表现为二级反应，反应速率与反应物和碱的浓度成正比。
υ=κ[RX][B:-]
E2反应的动力学与SN2相似，过渡态的区别在于亲核试剂B：在E2反应中进攻β-H原子，而亲核试剂Nu: 在SN2中则进攻α-碳原子。立体化学研究表明E2历程具有高度的立体选择性。
E2 SN2
二 单分子（E1）消除反应历程
E1历程与SN1历程相似，所涉及的两步反应均为单分子反应。首先反应物的离去基团在溶剂的作用下带着一对电子离去生成碳正离子，第二步为碳正离子以质子形式失去一个β-H生成烯烃。
第一步反应物的异裂是决定反应速率的步骤。动力学表现为一级反应，反应速率仅与反应物浓度有关，故称单分子消除反应，用E1表示。例如，溴代叔丁烷在乙醇溶液中消除溴化氢时，动力学表现为一级反应，反应速率与反应物的浓度成正比。
υ=κ[(CH3)3CBr]
(CH3)3C—Br (CH3)3C+ + Br－
E1反应与SN1反应都是分两步进行的，中间体都是碳正离子。因此两者常为竞争反应。有利于E1及与之竞争的SN1是促进电离作用的因素：1）使碳正离子稳定的给电子基团，2）好的离去基团，3）电离能力强的高介电常数极性溶剂。E1机理的速度决定步骤中，碱不起作用，但对碳正离子的前途即E1与SN1的竞争却起着至关重要的作用，较强的碱有利于E1反应。
三 E1cb－共轭碱单分子消除反应历程
碱首先夺去β-H生成底物的共轭碱碳负离子，随后离去基团带着一对电子离去形成π键。如：
CH3O—
第二步从反应物的共轭碱碳负离子生成双键的反应也是单分子消除反应，称为E1cb（cb表示反应物的共轭碱）或称碳负离子历程。
实际上E1、E2和E1cb是三种极限历程，在它们之间还有很多中间类型的历程。在离子型消除反应中，按E2历程进行的比较多，而在E2历程中反应完全按协同历程进行的仅是一种理想状况。如果C-H键的断裂先于C-X键的断裂及π键的形成，在过渡态时键的断裂的程度C-H键大于C-X键，这种过渡态与E1cb类似；如果C-X键的断裂先于C-H键的断裂及π键的形成，在过渡态时键的断裂的程度C-X键大于C-H键，这种过渡态与E1类似。实际上E1通过E2到E1cb是一个连续变化的过程。这一概念叫作E2可变过渡态理论，下图简略地描述了这种变化。
可变过渡态理论表明，很多消除反应的机理介于典型的E1、E2、E1cb之间，影响过渡态及反应机理的因素主要有：1）离去基团的性质，2）碱的强弱，3）溶剂效应，4）反应底物的空间结构。因此过渡态的确切状态是随这些因素而改变的。如，增加碱的强度会使E2过渡态移向E1cb机理方向；而在电离能力很强的极性溶剂中，一个好的离去基团可以使E2过程移向一个非常类似于E1过程的E2过渡态，过渡态时离去基团相连的键已部分断裂。
过渡态的性质非常重要，可以控制这些化合物β消除反应的方向。
第二节 消去反应的取向
当消除反应中可能产生两种或多种烯烃异构体的混合物时，究竟哪一个异构体占优势呢？从大量的实验事实中Saytzeff和Hofmann分别总结出两个规则。
消除反应的规则
Saytzeff规则
仲或叔取代的电中性化合物进行消除反应时，主要生成双键碳原子上连有取代基最多的烯烃。例如：
71% 29%
81% 19%
可用产物的稳定性或反应所经历的过渡态的稳定性来解释。在一般情况下,醇,卤代烷和磺酸烷基酯的消除反应符合Saytzeff规则，这种取代基最多的烯又叫Saytzeff烯。
2 Hofmann规则
季铵盐或锍盐的消除反应中,主要生成双键碳原子上连有较少取代基的烯烃，称为Hofmann规则。这种取代基最少的烯又叫Hofmann烯。例如:
74% 26%
二 反应历程与消去反应的取向
消除反应的两种取向规则，主要取决于过渡态的结构。
1 在E1消除反应中，离去基团完全离开后，碳正离子中间体的βC-H键才断裂。因此，决定产物取向的是由碳正离子转变为烯烃的步骤。可以预料，离去基团仅影响反应的速率，不影响产物的分布即取向。因为在中间体碳正离子变为烯烃反应步骤中的过渡态时，已经具有了很多烯烃的结构特性，所以稳定烯烃的因素也就是稳定过渡态的因素，从而双键的取向几乎完全由烯烃的稳定性决定。
因此，在E1消除中，不论离去基团是中性的还是带正电荷者，都遵循Saytzeff规则。例如：
(CH3)2C==CHCH3 + (CH3)2CCH==CH2
产物(1) 大量 产物(2) 少量
产物（1）比（2）有更强的超共轭效应，故产物（1）比（2）稳定。同样产物（Ⅰ）的过渡态比产物（Ⅱ）的过渡态稳定，形成（Ⅰ）较（Ⅱ）所需活化能低。因而生成产物（1）的反应快，产物（1）所占比例大。下图为反应的自由能曲线：
反应进程
图17—1 E1反应的自由能曲线
E1消除反应的方向，除了主要受电子效应的影响外，立体效应有时起主导作用。例如：
这是因为（Ⅱ）的分子中有一个甲基和叔丁基处于双键同侧，不如（Ⅰ）稳定的缘故。这种立体效应表现得更明显的例子是PhMeCXCH2Ph 发生E1 或 E2消除反应时生成约50%的CH2=CPhCH2Ph，而不顾Saytzeff产物PhMeC=CHPh中双键同两个苯环共轭的优势。表明空间效应在这里占主导地位。
还需要指出的是， E1反应的选择性通常比较低，得到的是全部可能有的烯烃混合物，但产物的组成大致反映了这些烯烃的相对热力学稳定性。
在E1cb机理中，消除反应的方向取决于可反应质子的动力学酸度，而动力学酸度又取决于相
关取代基的诱导效应、共轭效应和碱接近质子时的空间障碍程度。烷基取代基在诱导效应和空间障
碍两方面都不利于夺取质子。因此碱优先从取代少和空间障碍小的位置夺去质子，生成取代较少的
烯，即Hofmann产物。
在E2反应中的取向优势,决定于过渡态的性质，类似于E1cb机理的E2过渡态，在被夺去质
子和碱之间已建立了一定程度的新键关系，而离去基团与底物的键仍较牢固。因此，这种类似于
E1cb机理的E2反应的取向优势与E1cb机理类似，主要生成取代较少的烯，即Hofmann产物。
同样地，过渡态类似于E1过程的E2消除反应将服从E1消除反应的取向规则，即遵循Saytzeff规则。
如E2历程中，含中性离去基团（它们带着成键电子对离开）的化合物，无论反应物的结构如
何，它们一般都遵循Saytzeff规则。但含带正电荷的离去基团（如+NR3 +SR2,它们以中性分子离开）
的非环状化合物，则遵循Hofmann规则。
上一E2反应中，带正电荷基团的强吸电子效应，对于β碳原子上的作用是等同的，但连在β
碳原子上的烃基的斥电子效应的作用与此相反，且有空间障碍作用，因此β碳原子上的烃基愈少，
该碳原子上的氢酸性愈大，越易被消除，因此Hofmann产物为主要取向。
如果β碳原子上连有较强的吸电子基团,如-COR、—NO2、—SO2R、—CN 、—Ph等时,例如：
此反应似乎是Sayteff产物占优势，但因苯基使β'-H的酸性增强，产物中的双键又和苯环共轭，还是可用过渡态类似于E1cb的E2反应进行讨论，只不过应着重比较β-H的酸性。还有一点就是无论是哪一种反应历程，如果发生消除反应的化合物的分子已有双键（C=C和C=O）存在，并能和新形成的双键共轭，则此种共轭产物占优势。
最后要指出，无论哪一种消除反应历程，形成的双键一般不能位于桥头碳原子上（除非当环很大时），这就是Bredt规则。这是由于在较小的刚性双环体系中进行E2消除时，其过渡态的桥头碳和相邻碳上展现出来的两个P轨道不能共平面，不能有效重叠发展成双键。E1和E1cb历程也难以进行此种消除反应。
第三节 影响消去反应的因素
进行消除反应究竟按何种历程，其过渡态属于哪种类型，取决于反应物的结构、碱的强弱、离去基团的性质、溶剂、温度等因素。
另一方面，亲核试剂可以看作碱，碱也具有一定的亲核性。因此同一亲核试剂或碱常引起消除反应与亲核取代反应的相互竞争。试剂进攻α-碳原子就引起取代反应，进攻β-氢就引起消除反应。
研究影响消除反应和取代反应各种因素在合成上有实际意义，利用这些影响因素能更有效地控制
产物的取向和比例。
反应物的结构
反应底物分子中α-或β-碳上存在的取代基对消除反应机理有四种影响：
α-和β-取代基对过渡态中初期的双键施加的稳定或不稳定影响；
β-取代基对β-H酸性及过渡态中初期的碳负离子稳定性施加的影响；
α取代基对过渡态中初期的碳正离子稳定性施加的影响；
α-和β-取代基的空间效应。
第1）和4）项对所有三种反应机理都有影响，但空间效应对E2机理影响最大；第2）项对E1cb机理有影响，对E1机理没有影响；第3）项对E1机理有影响，对E1cb机理没有影响。
无论是在E1还是E2消除反应，当α或β碳原子上连有芳基Ar、烯基C=C或羰基C=O时，都使反应速度增加。反应物中的α-碳原子上连有烷基及芳基时能使形成的碳正离子中间体稳定，反应将倾向于按E1历程进行。当β-碳原子上连有烷基时，由于它的供电子效应使β-氢原子的酸性减小，故使反应向着E1历程转变。当β-碳原子上连有芳基时使形成的碳负离子稳定,反应历程向着E1cb历程转变。同样位于β-碳原子上的所有吸电子基，不仅能增加β-氢的酸性，又能使碳负离子稳定；但若吸电子基团处于α-位则几乎没有影响，除非与双键共轭。例如Br、Cl、CF3、CN、OTs、NO2、C=O、SR等基团处于β-位都会增加E2消除反应的速率，CF3、NO2的强吸电子作用甚至可能将反应移向E1cb历程。
在考虑与取代反应竞争时，对于双分子反应（SN2和E2），α-碳上的支链增多有利于消除反应，如表9-1所示。
表9-1 反应物和碱对消除和取代之间竞争的影响
反应物 碳 碱 溶剂 消除%
(CH3)3C-Br Ⅲ N(C4H9)Cl 丙酮 96
(CH3)3C-Br Ⅲ NaOC2H5 乙醇 100
(CH3)2CH-Br Ⅱ N(C4H9)Cl 丙酮 0
(CH3)2CH-CH(CH3)Br Ⅱ N(C4H9)Cl 丙酮 51.4
(CH3)2CH-Br Ⅱ NaOC2H5 乙醇 75
(CH3)3CH-CH(CH3)Br Ⅱ N(C4H9)Cl 丙酮 17.6
CH3CH2CH2Br Ⅰ N(C4H9)Cl 丙酮 0
CH3CH2CH2Br Ⅰ NaOC2H5 乙醇 8.8
对于双分子反应（SN2和E2），若β-碳原子上的烷基多或体积大，因位阻原因对取代反应（SN2历程）不利，增加消除反应产物的比例。
对于单分子反应，α-碳原子上支链增多时也会增加消除反应的倾向，但在溶剂解反应中通常仍以取代产物占优势。例如，叔丁基溴的溶剂解反应，仅有19%的消除产物。另外，β-碳原子上支链的增多也是消除较取代有利，这可能是由于立体效应造成的。
二 碱的影响
在E1历程中，一般不需要加碱，此时溶剂起着碱的作用。当增加额外的碱时，反应历程将由E1历程向E2历程转变。增加碱的浓度或用更强的碱则使反应历程向E1-E2-E1cb历程方向移动。正常的E2历程可用下列碱来完成：H－,NR3,OH－ ，－OCOCH3,RO－,ArO－,NH2－,CO32－,I－,CN－,LiALH4和有机碱。然而在有机合成中重要且常用的碱为OH－，RO－和 NH2－，通常用它们的共轭酸H2O、ROH、NH3作溶剂。
碱对SN1和E1的反应速率没有影响，但碱的性质不同程度地影响着SN2和E2的竞争和产物相对量。强碱有利于E2，在非离子化溶剂中，高浓度的强碱对双分子历程有利，并且对E2比SN2更为有利。在离子化溶剂中，用低浓度的碱或完全不用碱，对单分子历程有利，并且对SＮ1比对E1历程有利。弱碱有利于取代反应，但如在极性非质子溶剂中反应时，消除反应可占优势。
碱性和亲核性是相关又易混淆的概念。碱性指对质子的反应活性。在E2反应中，是指夺取β-氢的能力。亲核性是指对缺电子碳原子的反应活性，在SN2反应中是指进攻α碳原子的能力。试剂的碱性与亲核性通常不是严格平行的关系。一般认为，强碱也具有较强的亲核性能，如伯卤代烷与NaOH~H2O反应，取代和消除同时发生。弱碱难于进攻β—氢，但对α碳原子的进攻能力不一定差，I-、CH3COO-为弱碱但亲核性能较强，因此主要发生SN2反应。在OH-、C6H5O-、CH3COO-和Br-等试剂系列中，E2反应所占比例依次降低，而SN2反应所占比例依次上升，这是因为碱性与亲核性的关系不平行所至。以卤代烷制备烯烃时，需要采用高浓度的强碱，或用选择性强、体积大的碱；而用卤代烷制备醇等取代产物时，则需要弱碱以减少烯烃的形成。
三 离去基团的影响
较好的离去基团有利于离子化作用对E1反应历程有利，也有利于E２历程。较差的离去基团或带正电荷的离去基团使反应按E1cb历程进行，因为强的吸电子基使β-氢原子的酸性增加，有利于E1cb反应历程。消除反应涉及的离去基团虽然较多，但为了制备目的，常用的离去基团有：H2O（E1）和Cl、Br、I、OTs、N+R3（E2）等。
对于极限情况的单分子反应来说，离去基团与E1和SN1间的竞争无关。然而在电离形成的离子对中，已经发现离去基团对产物的去向是有影响的。在双分子反应中，离去基团对消除与取代反应的竞争有较大影响。好的离去基团有利于取代反应。
基团的离去能力一般按OTs> I>Br>Cl>+S(CH3)3>+N(CH3)3顺序递降, 因而在消除与取代反应的竞争中消除产率按此顺序增高。但卤素离去基团间的影响不是很大，其比率增加程度较小。离去基团为-OTS（对甲苯磺酸基）时，取代反应产物往往较多。例如，n-C18H37OTS用叔丁醇钾处理，99%为取代产物，而n-C18H37Br在同样条件下，85%为消除产物：
带正电荷的离去基团，由于具有强-I效应，β-氢酸性增强，易被碱进攻而增加消除产物比例，与之竞争的取代反应较难发生。如含有β氢的季铵碱在醇钠或加热条件下几乎完全得到消除产物。
四 溶剂的影响
对任何反应来说，较大的极性环境能够提高具有离子中间体历程的反应速度，因此极性溶剂和溶剂的离子化强度增大时，有利于按单分子反应E1历程进行，而不利于双分子反应历程。
对于消除反应与取代反应的竞争来说，增加溶剂的极性有利于SN2反应，不利于E2反应,故可用KOH的醇溶液与卤代烃反应制备烯烃（消除反应）,可能是E2比SN2过渡态涉及的基团多，电荷更分散，溶剂的极性增加在能量上使之不利。在单分子反应中，SN1和E1历程中的第一步都是C—X键的异裂，要经历带有电荷的过渡态。
δ+ δ- SN1反应产物
δ- δ+
E1 反应产物
碳正离子中间体 过渡态
提高溶剂的极性，SN1和E1反应的速度将减慢。但由于E1反应的过渡态中电荷分散程度更大些，因此β-消除反应的减慢程度比取代反应更大些，总的结果是提高溶剂极性时，所生成烯烃量减少。
五 温度的影响
消除反应活化过程需要拉长C-H键，通常比取代反应所需活化能大，且活化能越大，温度系数也越大，越容易受温度的影响。无论是E1还是E2历程，升高温度都有利于消除反应，因此要得到烯烃常在较高温度下反应。
第四节 消去反应的立体化学
首先，在发生消除反应时，所涉及消除的两个基团H和L在C—C健的两侧或同一侧，分别称为对向消除（习惯称反式消除）或同向消除（习惯称顺式消除）。如下列示意图：
反式或对向消除 顺式或同向消除
第二，反应产物混合物中是以顺式还是反式异构体为主，也是消除反应的立体化学问题。需要注意的是前一问题讨论的是反应物中H和L的立体关系，后一问题讨论的是产物中取代基的立体关系，两者不应混淆。
E2反应的立体化学
E2反应对分子中被消除的两个基团H和L的立体化学要求是反式或对向消除。在可能的情况下，过渡态时两个被消除基团处于反式共平面的构象。如上面的示意图，随着C—L键和β-C—H键的逐渐拉长断裂，两个与L和H成键的碳原子的sp3轨道逐渐演变成p轨道并互相重迭生成π键。因此，在发生E2反应时，所涉及的H、C、C和L应处于同一平面上，H和L在C—C健的两侧。
例如：1-溴-1，2-二苯丙烷按E2历程进行消除反应时，其中一对对映体只生成顺式-1，2-二苯丙烯，
而另一对对映体则生成反式-1，2-二苯丙烯。这个反应是立体专一的。很明显这是反式消除的结果。同样，它的对映体也通过反式消除得顺式产物。但它们的非对映体则得到反式烯烃：
另外，生成顺式-1，2-二苯丙烯的反应速率比生成反式的较慢，这是因为空间效应的关系。一般说来，E2的消除反应发生反式消除。对于环状化合物更是如此。被消除的X和H处于直立键位置，这时它们的σC—C键才能处于同一个平面上。整个过程可以保持两个C原子p轨道的最大重叠，使整个E2协同过程经历反应位能面中能量最低的途径；如果顺式消除，邻近的H和X不可能在一平面中，两个键之中必有一个是平伏的，两个C原子p轨道不能保持有效的重叠，整个过程在反应位能面中能量较高，因而通常难以发生。
E2反应通过反式消除极为普遍，但在特殊情况下也存在顺式消除。例如：N,N,N-三甲基原菠基铵离子消去N(CH3)3及其处于顺式的氢。这个环系本身刚性较强不能扭动，不能达到所要求的反式消除构象，它的空间屏蔽阻碍了处于反位的“内式”氢的消去，Hofmann消除反应的结果，氘标记原子与N(CH3)3按顺式方式消除：
顺式或同向消除
反式或对向消除
下列反应都是环己烷衍生物反式消除反应的例子，其构象要求C—H和C—L都处于a键上。
上述化合物（3）的最稳定构象中C—Cl已为a-键不需要翻转直接反应，反应速度快，且（3）中，处于a-键C—Cl存在两个相邻的a-键β-H，因而得到两个反应产物，其中主产物为Saytzeff烯烃。（1）起反应的速度比（3）慢得多是由于它的最稳定的构象为（5），（5）中三个体积大的取代基—Cl、—CH3和—CH(CH3)2都处于e-键，发生消除反应时，要翻转变成（1）才能使—Cl处于a-键，环的翻转需要一定的能量，所以（1）的反应速度比（3）慢。且只有仲碳原子（—CH2—）上的H在a键上，因而只有一个反应产物。
顺式、反式消除比例随不同反应条件变化，当反应物中离去基团体积较大（如芳基磺酸酯）与体积较大的强碱起作用时，反应物的空间因素决定了消除的方式：
反应为：反式或对向消除
产物是：顺式烯烃
如果磺酸酯基由体积较小的卤素代替，空间因素不占主导的话，另一种更稳定的反式产物为主要产物：
反应为：反式或对向消除
产物是：反式烯烃
实验证明，消除反应中顺式消除和反式消除的比例与反应物的结构、离去基团、试剂的碱性和体积，溶剂等都有关系。卤化物通常能得到占优势的反式烯类。体积大的基团特别是苯基磺酸酯类得到较高比例的顺式烯烃。正常情况下反式烯烃占优势反映了反式烯类具有较大的稳定性。
二 E1反应的立体化学
典型的E1反应历程，似乎没有反式消除的立体化学要求。但E1反应中决定速率的步骤是C—L键的解离，β-C—Η键没有断裂，也就是说在第二步β-Η消去时，不论β-C—Η键与离去基团处于一个平面的同一侧还是两侧，它的离去速度是均等的，无任何立体选择方面的要求。而在非离子性溶剂中（溶剂不夺取β-Η），消除取向可能为顺式消除，这是由于离子对的缔合作用有利于顺式消除的六元环状过渡态的形成，如下所示：
顺式消除 紧密离子对
典型的例子是赤-对甲苯磺酸酯的消除，顺式消除给出非氘化的顺-2-丁烯和氘化的反-2-丁烯，而反式消除得到的是氘化的顺式产物和非氘化的反式产物。
三 E1cb反应的立体化学
按E1cb历程进行的反应，可以进行顺式和反式两种消除。例如，由下列化合物（Ⅰ）和（Ⅱ）利用丁基氧化金属盐C4H9OM消除甲醇的反应，由于消除反应与溶剂进行氘交换的竞争不相上下，反应历程很可能是E1cb。顺式和反式消除的比例大约是75。此比值与C4H9OM中的正离子M+有关，并按Li+>K+>Cs+>(CH3)4N+的次序递减。一种解释是认为这些正离子与反应物的甲氧基的配位能力不同所致，Li+具有最强的配位能力，主要得到顺式消除产物，而(CH3)4N+的配位能力最弱，则反式消除产物占优势。
第五节 热消去反应
在加热的条件下进行的消除反应，称为热消除反应。热消除反应为单分子反应,不需要酸碱催化。热消除反应在合成上有重要用途，利用它们可以合成不稳定的烯烃。
一 热消除反应的历程
热消除反应的历程有两种：环状过渡态和自由基历程。
1 环状过渡态历程
某些化合物的热消除反应通过环状过渡态将β-Η转移给离去基团，同时生成π键。环状过渡态一般由4-6个原子组成，只有当被消除的基团处于顺式时才能形成，故亦属于顺式消除。但不同的构象可形成不同的环状过渡态，这样的顺式消除立体选择性较低。例如：
环己烷衍生物中，若在离去基团的两侧只有一边的顺式β-Η可被利用时，则消除按此方向进行。例如：
上式中，OCOCH3处于直立键，进行顺式消除时，处于a键的β-Η不能与之形成环状过渡态，只有处于平伏键的顺式β-Η才是可以利用的，故只得到单一产物。
2 自由基历程
自由基热消除反应历程目前了解较少。多卤化物和伯单卤化物的热消除反应可能按此历程进行。按自由基历程进行的反应，与一般自由基反应相似，也是包括链引发、链传递、链终止三步反应。因为卤代烷的热消除反应在有机合成上没有什么重要意义，这里将不深入讨论。有关自由基的反应将在下一章讨论。
热消除反应的取向
热消除反应遵从Hofmann规则，反应的取向决定于可利用的β-Η原子数例如：
热解得到55-62%的1-丁烯和38-45%的2-丁烯，这个比例接近于可利用的氢原子数比3:2。
2 若为环状化合物时，当顺式氢原子只存在于一面时，则按此方向形成双键，因为环状过渡态历程为顺式消除。然而当过渡态为六元环时，则不需要被消除的原子团和氢原子等彼此处于顺式，因为过渡态不是完全共平面的，如果被消除的原子团处于直立键，很明显地氢原子必须处于平伏键才能和被消除的原子团处于顺式。如果被消除的原子团处于平伏键，则它能与处于直立键的β氢原子（顺式）或平伏键的β氢原子（反式）形成环状过渡态。例如：化合物（Ⅰ）中被消除的原子团处于直立键，反应产物未能与乙氧羰基（CO2C2H5）相连的碳形成双键，虽然形成的双键能和乙氧羰
基共轭，因为该碳原子上没有和甲氧羰基（OCOCH3）处于同侧的平伏H。所以（Ⅰ）只能和另一碳
原子上的位于同侧的e-键氢共同消除而形成双键化合物（Ⅱ）。但化合物（Ⅲ）被消除的原子团位于平伏键，它和相邻的两个碳原子上的氢均能发生消除而分别形成化合物（Ⅳ）和（Ⅴ），在形成（Ⅴ）时被消除的原子团和β- 氢甚至位于反式。
3 在开链体系化合物中，如果构象中的β氢和被消除的原子团位于顺式，过渡态有一定的重叠效应，当有两种不同类型的β氢原子被除去时，消除反应的方向遵循Hofmann规则。例如Me2CHCHMeOAc的热消除反应得到80%的Me2CH=CH2和20%的Me2C=CHMe。由两个过渡态构象（Ⅵ）和（Ⅶ）可以看出（Ⅵ）比（Ⅶ）具有较小的重叠且（Ⅵ）有三个可利用的氢原子，其比例为75:25，与80:20接近。
热消除反应的链状主要产物为Hofmann烯烃，在次要产物Saytzeff烯烃中（Ε）型比（Ζ）型烯烃多，环状烯烃的优势产物为立体化学要求所制约。
三 热消除反应举例
1 羧酸酯的热消去反应
羧酸酯在大约300-500℃裂解生成烯烃和羧酸。当酯的沸点足够高时，通过加热即可使反应完成。若将其蒸气通过加热的管子也可使反应完成。此反应的产率通常较好，且不需溶剂和其他试剂，从而简化了产物的分离。所用羧酸酯一般为乙酸酯。例如：
此反应提供了从乙酸伯烷基酯制备纯的α-烯烃的一个很好的方法，因为它不发生重排。而由
伯醇经酸催化脱水制备烯烃时常得到重排产物。另外，此反应既不需要酸也不需要碱，没有重排，因此对于制备高度活泼的或热力学上不利的二烯和三烯是特别有用的。例如：
4,5-二乙酰氧甲基环己烯 4,5-二亚甲基环己-1-烯 （47%）
在某些情况下，酯发生消除之前会发生重排，从而导致混合物的生成。使用烯丙酯时这种现象更为突出。例如：
Cope消去反应
叔氨易氧化为相应的氧化物：
叔氨氧化物在较缓和条件下加热生成烯烃的反应称为Cope消除反应。例如：
产物主要生成Hofmann烯烃。生成的Saytzeff烯烃中Ε-烯烃比Ζ-烯烃多。如：
67% E—21% Z—12%
3 Chugaev 反应
黄原酸酯在比羧酸酯略低的温度下进行热消除生成烯烃的反应叫Chugaev 反应。此反应与Cope反应相似，也是制备烯烃的方法之一，同时也是通过顺式消除完成的。例如：
醇在酸性溶液中进行消除反应，容易引起碳胳的重排。将醇变为羧酸酯或黄原酸酯，再热分解制备烯烃就没有这个缺点。例如：由3,3-二甲基-2-丁醇经此法消除，可得到未发生重排的3,3-二甲基-1-丁烯。
第十八章 分子重排反应
教学目的与要求
1.理解碳正离子和非经典碳正离子重排反应机理
2.理解氮原子参加的炊电子重排
3.了解富电子重排
4.芳环上重排
教学重点
碳正离子重排中片呐醇重排，原菠烷重排
碳烯重排 Hofmann重排，Beckmann重排
教学难点
富电子重排
芳环上重排
亲核重排
缺电子碳的重排
邻叔二醇重排
Wagner—Meerwein重排
二苯基乙二酮重排
缺电子氮的重排
Beckmann重排
Hofmann重排
Wolff重排
缺电子氧的重排
过氧化氢重排
Baeyer—Villger重排
亲电重排
Favorski重排
Steven重排
Witeig重排
芳环上的重排反应
联苯胺重排
Fries重排
第四节 自由基重排
第十八章 分子重排反应
第一节 亲核重排
亲核重排中最多的是1,2-迁移，即在反应中，一个原子或基团带着一对电子转移到相邻的缺电子的原子上。迁移终点可以是正离子,也可以是电中性的碳烯及氮烯等,但必须是一个外层只有六个电子的质体—缺电子的反应中心。
一 缺电子碳的重排
其中包括不改变碳骨架和改变碳骨架的两种情况。
１ 邻二叔醇重排。
邻二叔醇如2,3-二甲基-2,3-丁二醇（片呐醇,Pinacol）在酸的作用下，转变为甲基叔丁基酮,这类重排反应称为邻二叔醇重排，也称片呐醇重排（Pinacol Rearrangement）；是通过缺电子的碳正离子进行重排反应的。历程如下：
首先是羟基质子化，再脱去一分子水，形成具有缺电子中心的碳正离子。然后甲基迁移，缺电子中心转移到连有羟基的碳原子上，再失去质子而成羰基。反应过程中叔碳正离子所以能重排为连有羟基的碳正离子,主要由于具有未共用电子对的氧原子对碳正离子有较大的稳定作用，比叔碳正离子更稳定。同时连有羟基的正碳离子容易从羟基上脱去质子，这也是促进这种重排能够进行的动力。其他类型的邻二醇也可以发生类似的重排。可用下式表示：
迁移基团不一定是甲基,也可以是其它烷基、芳基、甚至还可以是氢。重排的二元醇也不一定是α—双叔醇, 叔仲醇或双仲醇也可以发生重排。例如：
在(1)-(3)式中，R1= R2，R3= R4，但R1≠ R3。R1,R2,R3,R4各不相同时，哪个羟基被质子化后脱水取决于形成的正碳离子稳定程度。例如：
不同的反应条件,对迁移的趋势也有一定的影响。例如：
不同取代基中究竟哪个迁移，情况比较复杂，除了考虑迁移基团的亲核能力之外，迁移后形成的碳正离子的稳定性也有一定关系。一般迁移顺序为Ph>R>H。例如：
例外的情况也有。例如在某些条件下也有,氢的迁移比烷基或芳基快。
这可能由于：（1）如果Ph-迁移，造成三个Ph连在同一个碳原子上，空间位阻大；（2）如果H迁移，剩下Ph可以和羰基共轭，使产物稳定性增加。
若在芳基的间或对位有供电子基时，迁移的趋势增加；而在邻位即使有供电子基也降低迁移的趋势，这也是受空间效应的影响。例如：下列三种化合物中,（Ⅰ）98.6%为对甲氧苯基迁移重排的产物,（Ⅱ）95.5%为联苯基迁移重排的产物，（Ⅲ）57%为对甲氧苯基迁移重排的产物。
几种取代苯基在重排中的相对迁移速率如表18-1所示。
表18-1 几种迁移基团在重排中转移的比较速率
芳 基 p-CH3O-C6H4- p-CH3-C6H4- p-Ph-C6H4- p-Cl-C6H4- C6H5- o-CH3O-C6H4-
相对迁
移速度 500 16 12 0.7 1 0.3
氨基醇可以发生类似于片呐醇那样的重排，迁移基团向伯碳原子上的迁移的例子较少。而向仲碳原子上的迁移，曾用2—氨基醇进行过广泛的研究，非对映异构体的氨基醇生成不同的产物。不管基团的供电性如何，迁移基团总是处于氨基反位的那个基团。
An = p-CH3OC6H4
后来的研究发现,重排有较为复杂的立体化学过程。用14C标记的1,1-二苯基-2-氨基丙醇进行
重排后，发现迁移端上发生了部分消旋化，构型转化的产物完全由未标记的苯基迁移所形成，根据这些实验事实结果，Collns提出了（+）-2-氨基1,1-二苯基丙醇的片呐醇重排的反应过程为：
由此得到三点结论：
(1) 形成碳正离子中间体时，如果芳基的迁移和Ν2的失去是协同进行的话，则应得到100%的构型转化产物。
(2) 碳正离子的寿命不会长到能让C—C键进行充分的旋转，否则具有同样稳定性的两个碳正离子的构象之间就会建立起完全的平衡，从而将导致产物完全外消旋化。
（3）主要由空间（构象）效应决定着重排反应的立体化学过程。重氮离子最稳定的构象是两个体积大的基团位于最小原子氢的两侧。
此外,不能排除有些碳正离子寿命稍长并使C1—C2键部分旋转（只涉及两个较小基团CH3和OH的重叠），形成碳正离子的另一个构象，然后经由Ph的前向进攻而重排，使产物构型保持不变。
总之,重排过程主要是经最稳定的构象（优势构象）脱氮后最初形成的碳正离子的构象所决定的。只有一小部分是由上述离子通过有限的旋转，由较为稳定的构象所决定。
利用这些反应可以合成一些用别的方法难以得到的含季碳原子的化合物。例如：
Wagner-Meerwein重排
当β-取代醇脱水或用试剂如HX、PCl5、SOCl2等处理时，或卤化氢加成至多环烯以及多环卤化
物消除卤化氢时，都时常发生分子中碳胳的重排。如:
Wagner-Meerwein重排也是通过生成碳正离子中间体进行的。例如：3,3-二甲基-2-丁醇,在H2SO4存在下,主要生成2,3-二甲基-2-丁烯。
反应先经脱水生成仲碳正离子,然后邻甲基带着一对电子转移到碳正离子上生成更稳定的叔碳正离子,与碳正离子相连的碳上的氢原子在碳正离子影响下以质子形式消去,从而形成一个‘非预期’的烯烃。
多环烯烃类在酸存在下也发生Wagner-Meerwein重排。例如α-蒎烯与氯化氢发生加成反应生成2-氯莰。
上述反应虽然是由叔碳正离子变为仲碳正离子，但由四元环扩张到五元环碳正离子，张力减小，所以发生了重排。
实验证明Wagner-Meerwein重排反应是按SN1碳正离子的历程进行的。重排的趋势一般取决于碳正离子的相对稳定性。例如下列新戊基型化合物，在SN1反应条件下水解时，发生重排；而苯基取代的类似化合物，因苄基正离子虽为仲碳正离子，但比叔碳正离子稳定，故不发生重排。
迁移基团的活性次序大致如下：
Wagner-Meerwein重排反应属于分子内的C→C重排。脂环伯胺在亚硝酸作用下发生的重排反应，常常伴随着环的扩大和缩小，称为Demyanov重排反应，可用于制备三员到八员环的脂环化合物。如：
3. 二苯基乙二酮重排
开链或环状脂肪族、芳香族或杂环族等的α-二酮类与KOH熔融生成α-羟基酸的分子内重排称二苯基乙二酮（Benzil）重排或称为二苯基羟乙酸重排。
反应是在强碱的催化下进行的,与前面讨论的两种重排相似,也是亲核重排历程。所不同的是，迁移基团不是转移到碳正离子上，而是转移到一个具有电正性的羰基碳原子上。
以MeO-或t-BuO-代替OH-，则生成酯。例如：
这样的重排反应并不仅限于二苯基乙二酮，也不只限于芳香化合物，一般对芳香族、脂肪族、脂环族及杂环族的α-二酮都可以发生类似于二苯基乙二酮的重排反应。例如脂肪族二酮：
相对来说,反应较适合于芳香α-二酮。因为带有α-氢的脂肪族α-二酮在碱的存在下易发生羟醛缩合，使收率降低。另外不能用EtO-和i-PrO-代替OH-，因为这些负离子会将二酮还原为醇酮。也不能用ArO-，因为它是一个弱碱，不符和反应的要求。
在上述重排反应中，因为迁移基团是带着一对电子迁移到缺电子的羰基碳上的。因此具有吸电子基的迁移基团使重排反应受阻碍，反之，具有供电子基的迁移基团有利于重排。
二 缺电子氮的重排
Beckmann重排
醛或酮肟在酸，如硫酸、五氧化二磷等作用下重排为酰胺的反应称为Beckmann重排。其反应历程可表示如下：
Beckmann重排属于分子内的由С→Ν的重排反应，反应历程比较复杂，使用不同的试剂，其中间过程略有不同。但都涉及氮烯中间体，氮烯邻位上与离去基团处于反位的烃基迁移到氮原子上，形成一个碳正离子中间体，接着发生水合、脱质子而生成Ν-取代酰胺。现已确定，肟的重排是羟基反位的烃基发生了迁移，迁移必定与离去基团的离去协同进行。例如，用酮肟的两种顺反异构体进行Beckmann重排生成的产物，证实了羟基反位的烃基在反应中发生了迁移。
Beckmann重排一般为反式重排，但也不尽然,有例外。当两个取代基都为烷基时,往往得到两种酰胺的混合物,这可能是重排以前异构化的结果。增大溶剂的极性和试剂的酸性都有利于重排反应的进行。迁移基团上供电基存在时将增大重排反应的速度。
不论脂肪酮肟或芳酮肟都会发生Beckmann重排反应。脂肪族或芳香族的醛肟在Raney Ni催化剂存在下,加热到100—150℃经类似的重排生成酰胺。例如：
Beckmann重排在有机合成中很重要。例如：环己酮肟经Beckmann重排后变成己内酰胺。
2 Hofmann重排
在碱性溶液中,用氯或溴与氮原子上没有取代基的酰胺作用可以得到伯胺,反应历程表示如下：
Hofmann重排是分子内C→Ν的重排反应。反应的第一步是酰胺氮原子的碱催化溴化,然后在碱的作用下,在氮原子上消去溴化氢(α-消除反应)生成中间产物酰基氮烯(acylnitrine)。因酰基氮烯中间体不稳定，进而重排成异氰酸酯（RN=C=O）。这里的重排和片呐醇重排等的1,2-迁移相似。Hofmann重排与Beckmann重排的差别,只是后者的中间体是一个正离子,而前者的中间体是一个不稳定的氮烯。异氰酸酯在碱溶液中很容易水解成胺。
Hofmann重排是从酰胺制取比其少一个碳原子的伯胺的方法,适用范围很广。反应物可以是脂肪族、脂环族及芳香族的酰胺。其中,由低级脂肪酰胺制备胺的产率较高。
光学活性的酰胺进行反应时,不发生消旋作用(构型保持),下述反应中得到光学活性(95.5%光学纯度)的伯胺,可见整个过程是分子内重排。
（-）-α-甲基-苯甲胺
这说明迁移基团没有脱离分子,因而迁移基团的构型保持不变。Hofmann重排可用来合成不能直接用亲核取代反应来合成的伯胺。例如：
邻氨基苯甲酸
烟酰胺 β-氨基吡啶 65-70%
3 Wolff重排
重氮酮RCOCHN2在AgO催化剂、光或热的作用下与水、醇或胺反应,生成相应的羧酸或其衍生物：
式中的R可以是脂肪族的,脂环族的或芳香族的。反应后烃基迁移到重氮甲基的碳原子上：这一反应称为Wolff重排。反应机理可能是, 重氮酮先脱氮形成碳烯,然后烃基带着一对成键电子迁移到碳烯的碳原子上,生成烯酮。
特别稳定的烯酮已经分离出来：
然而,至少在某些情况下,这两步反应也可能是协同进行的,不存在一个游离的碳烯。重排产生的烯酮与水反应生成酯,与氨（或胺）反应生成酰胺。
三 缺电子氧的重排
过氧化氢烃的重排
基础有机化学中曾讨论过异丙苯氧化生产苯酚的方法。其反应涉及缺电子氧的重排。反应物过氧化氢异丙苯中苯基连在碳上,而在苯酚中则连在氧上,显然发生了重排反应,故称为过氧化氢烃重排反应。反应的历程是：过氧化氢烃在酸或Lewis酸的作用下,发生O－O键断裂,同时烃基从碳原子上转移到氧原子上,典型例子是过氧化氢异丙苯重排成苯酚和丙酮。因此,有时也称为过氧化氢异丙苯重排。硫酸是这种重排的常用催化剂,有时也用含有少量过氯酸的醋酸来催化。
反应物的分子中如果烷基和芳基同时存在,芳基优先迁移。烷基和氢的优先迁移次序是：叔-R>仲-R>CH3CH2CH2≈H>CH3CH2>CH3。取代芳基的迁移能力可被供电子取代基所增大,被吸电子取代基所降低。例如：
取决于R的具体情况，过氧化氢伯烃也可能是烃基迁移得到甲醛和少一个碳的醇。
２ Baeyer-Villger重排
酮在酸催化下与过氧酸作用，在分子中插入氧生成酯的反应称为Baeyer-Villger重排。脂肪酮、芳香酮、脂环酮都可以进行这个反应。反应过程中插入一个氧原子,因此本反应是由酮制备酯的一种方法。芳香酮被氧化成酚酯,后者水解可以得到酚,所以也是制备酚的一种方法。
过氧乙酸、过氧苯甲酸、三氟过氧乙酸、H2O2·BF3、过氧顺丁烯二酸、间氯过氧苯甲酸以及过氧磷酸等过氧酸都可以作为氧化剂,其中以三氟过氧乙酸用得最多,该试剂不但作用强,而且产品容易纯化,若加入NaH２PO4缓冲剂可以避免CF3CO3H和产物进行酯交换,产率可达80-90%。
环酮重排的结果是扩环生成内酯。例如：
85% 57%
不对称酮重排产物的结构和哪一个基团进行迁移有关,基团的亲核性越大,迁移的倾向性也越大,其顺序大致为：叔-R>仲-R>苄基>苯基>伯-R>环丙基>甲基；对于取代苯基有下列顺序：p-CH3OC6H4->C6H5->p-NO2-C6H4-
再看下面反应实例：
薄荷酮 内脂
Baeyer-Villger氧化的机理是：过氧化物先和酮进行亲核加成,然后在一个协同过程中离去基团脱离,迁移基团从碳向氧作1，2迁移。酸的催化作用既是提高羰基的活性,又是促进离去基团的离去,过氧酸加成的中间体虽然没有分离得到,但O18标记原子的实验却提供了有力的证据。当用O18
标记的酮与没有标记的过氧酸反应时,结果证明O18在酯的羰基上,而不在烃氧基上。
若将光学活性的α-苯基乙基甲酮用过氧酸处理,经重排后得到具有光学活性的酯。手性中心构型保持不变。
第二节 亲电重排
亲电重排反应是在分子中脱去一个正离子，留下碳负离子或具有未共用电子对的活泼富电子中心，相邻的基团以正离子形式转移过来，该转移基团所遗留的一对电子，可以吸取一个质子。
一 Favorskii重排
α-卤（氯、溴或碘）代酮在碱催化下重排生成羧酸或酯的反应称为Favorskii重排。
如所用的碱为RO-，产物是酯；如所用的碱为OH-或RNH2类，产物则是羧酸或是酰胺。例如：
环状α—卤代酮和烷氧离子作用得到环的缩小产物。
例如2—氯环己酮重排产物为环戊甲酸，结果表明14C标记碳在重排中间体中平均分布：
这一反应还可以用于合成具有张力的环。如：
反应历程要求在α-卤代羰基的另一侧有α氢，因此在前述方程式中R1需要用CHR5R6来代替：
上面例子不难看出,中间体（I）是对称的（有一个对称面），从三员环原来羰基的任何一侧开环的机会是均等的。而中间体（II）是不对称的，三员环从羰基的哪一侧打开，主要取决于开环后生成更稳定的碳负离子。如下两个反应物中都生成同一中间体：
由于苯基的影响(1)比(2)稳定，所以只有一种产物。用呋喃捕获实验证实了环丙酮中间体的存在。
Stevens重排
含有活泼α-H的季铵盐或锍盐，在强碱NaOH、NH2-作用下，脱去质子形成碳负离子，经烷基重排转移生成叔胺的反应称为Stevens重排反应。属于分子内的N→С亲电重排（富电子重排）。
（A为吸电子基时，会使反应速度降低）。
R1为CH2=CHCH2-、C6H5CH2-、（C6H5）2CH-、B-C6H4-CH2- (B为吸电子基时，会使反应速度增大)。
例如：氢氧化苯甲酰苄基二甲铵盐在水中转变为二甲氨基-ω-苄基苯乙酮。反应过程中，苄基从铵盐的氮原子上转移到苯甲酰基的碳原子上，即发生了亲电重排。
Stevens重排的反应历程，通常认为首先是强碱夺取α-氢，形成碳负离子，而后迁移基团从氮原子迁移到碳负离子上而生成叔胺。
当（1）中苯甲酰基被苯基或烷基代替时，亚甲基氢的酸性减弱，重排反应不易进行，反应产率很低。
经物理仪器检测分析，有人认为碳负离子中间体C—N键均裂产生负离子自由基和另一个自由基，然后重排键合，得到产物。实验证明，当转移基团具有旋光性时，重排后仍旧保留旋光性，说明转移基团的构型不变。这表明C—N键的断裂和C—C键的生成是协同进行的。
C—N键均裂负离子自由基历程：
C—N键断裂、C—C键生成协同历程：
三 Wittig重排
醇溶液中，苄基或烯丙基醚等在强碱性试剂作用下，C—O断开，形成新的C—C键，使醚转变为醇的反应称为Wittig重排反应。与Stevens重排相似，但要用较强的碱如烷基锂、苯基锂或氨基钠等才能达到脱去质子的目的。例如：
R1、R2通常可以为烷基，也可以是芳基。基团的迁移能力一般是：烯丙基,苄基>乙基>甲基>苯基
基团迁移的优先次序和自由基稳定性次序是一致的，这启示反应与自由基相关，按与Stevens重排相似的C—O键均裂生成自由基对的历程进行。
第三节 芳环上的重排反应
下列芳香化合物中，与X取代基相连的原子或原子团，在酸的作用下，转移到芳环的邻位或对位。这种重排涉及芳环，所以称为芳环上的重排。这里重点讨论联苯胺重排和Fries重排。
一 联苯胺重排
氢化偶氮苯用强酸处理时，发生分子重排反应生成联苯胺。
此外还有少量副产物为：
0.3% 0.3% 1.0%
邻苯胺基苯胺（邻半联胺） 2’,2—二氨基联苯 对苯胺基苯胺（对半联胺）
重排反应规律
通常, 除非芳环上一个或两个对位被占据，主要产物是4，4′—二氨基联苯。在某些情况下，即使芳环的对位有—SO3H、—COOH时，它们仍可被取代,仍得到4，4′—二氨基联苯。芳环的对位被-Cl占据时，它们也能进行反应，生成2，2′-二氨基联苯、邻半联胺或对半联胺。若对位有R-，Ar-或R2N-存在时，生成其他重排产物。例如：
产物的组成因反应物的结构不同而异。
2 反应历程
虽经广泛的实验研究，联苯胺重排反应的历程目前看法还不一致，现得到公认的机理为联苯胺重排是分子内的重排反应，在N—N键完全断裂之前，两个芳环已逐渐连接，是同时发生的，而不是先断裂成两部分，然后再重排。
在反应过程中，酸首先使反应物中碱性较强的氮原子质子化,N—N键减弱。同时由于电子效应的影响，使一个苯环的邻对位碳子上显负电性，另一个苯环的邻、对位或对位显正电性，这样通过静电吸引，相互接近而形成新的С—С键，同时N—N键断裂而完成重排。
其他产物的形成表示如下：
3 联苯胺重排反应应用举例
联苯胺及其衍生物的重排反应广泛地用于偶氮染料的合成上。重排产物经重氮化所得重氮盐是许多偶氮染料的重氮组分。N，N′—二芳肼可由硝基化合物还原制备。
重排产物中的氨基（NH2）又可转换成其它基团，所以将芳硝基化合物的还原和本重排反应结合是制取联苯胺衍生物的重要方法。但由于联苯胺有致癌性，其应用受到了很大限制。
二 Fries重排
酚酯类化合物在Friedel—Crafts催化剂如ALCL3、ZnCL2或FeCL3等Lewis酸的催化下，酰基迁移到芳环的邻位或对位，而生成邻、对位酚酮的混合物，这种反应称为Fries重排反应。例如：
1 反应历程
关于Fries重排反应的历程，介绍一种分子内—分子间重排学说。
影响反应的因素
（1）酯的结构：迁移基团上的R可以是烷基或芳基，和Friedel—Crafts反应一样，苯环上有间位定位基存在时将不利于重排反应的进行。
（2）温度对反应的影响：邻、对位产物之间的比例和反应温度有关，低温有利于形成对位产物，而高温有利于形成邻位产物。例如：
此外，溶剂的选择和催化剂的用量等也与反应有很大关系。
反应实例
（1）合成氯乙酰儿茶酚，它是强心药物—肾上腺素的中间体：
外消旋肾上腺素
（2）合成蚊蝇杀虫剂—酚羟基二芳基甲烷
第四节 自由基重排
自由基重排反应比正离子重排少得多。当发生自由基重排时，一般都是先生成自由基，然后再发生基团的转移。而迁移基团也必须是带有单个电子。
重排过程可能经过具有二个离域电子的过渡态。例如：
因为形成具有芳环的单电子过渡态比较稳定，迁移基团往往是芳基。通常情况下，烷基不发
生迁移。1,2-芳基迁移重排可能涉及一个取代的苯桥自由基中间体或过渡态。例如3,3-二苯基丁醛
被Me3COOCMe3引发的自由基反应：
引发： (CH3)3C―O―O―C(CH3)3 2 (CH3)3C―O·
Ph2MeCCH2CH=O Ph2MeCCH2C·=O Ph2MeCCH2·（A）
PhMeC·—CH2CPh（B） PhMeCH—CH2CPh + RC·=O
反应物醛被夺取了氢得到酰基自由基，很快失去CO生成自由基（A），
自由基（A）到（B）的重排可能涉及苯桥自由基过渡态（C），重排后的自 ·
由基（B）比自由基（A）更稳定。自由基（A）在这里并没有发Me的迁
移重排，表明经苯桥自由基过渡态（C）的途径在能量上更有利。如果没
有苯基存在，像3-甲基戊醛CH3CH2CH(CH3)CH2CHO进行类似的反应，
得到CH3CH2CH(CH3)CH2· ，就根本不能发生重排，而是直接得到产物 （C）
CH3CH2CH(CH3)CH3。
1,2-芳基迁移重排不限定在C / C之间，(Ph3CO)2加热时的行为也表明，发生了的迁移重排也
可能涉及一个取代的苯桥自由基中间体或过渡态。
（2）醛的分解，也发生了苯基迁移重排，也涉及同样的苯桥自由基中间体或过渡态：
如果没有苯基存在，像3-甲基戊醛CH3CH2CH(CH3)CH2CHO进行类似的反应，会得到CH3CH2—CH(CH3)CH2·，就根本不能发生重排，而是直接得到产物CH3CH2CH(CH3)CH3。
（3）叔丁基氧自由基，不发生重排，而是分解：
在自由基反应中，烯基、酰基、酰氧基和卤素也有1,2-迁移重排，均可能涉及一个桥式自由基
中间体或过渡态。如，乙烯基是通过环丙基甲基自由基中间体迁移的：
乙酰氧基是通过五元环过渡态迁移的：
卤原子的迁移，在自由基重排反应中也比较容易发生。例如3,3,3—三氯丙烯与溴作用，在有过氧化物存在时，得到47%正常加成产物CCl3CHBrCH2Br和53%BrCCl2CHClCH2Br。这说明反应过程中发生了重排。
这是由于二氯烷基自由基比较稳定。又如：HBr对CCl3CH=CH2的光催化加成根本不生成预期的加
成产物CCl3CH2CH2Br，而是100 % 的 Cl2CHCHClCH2Br：
CCl3CH=CH2 · ·
HBr （D） （E） （F）
CCl3CH2CH2Br HBr
·
反应可能也涉及氯的1,2-迁移重排，经由一个桥式自由基中间体或过渡态(E)，于二氯烷基自由基
（F）比自由基（D）稳定是因为（F）中的未成对电子向Cl离域比（D）中向H离域更有效。卤
素中F因为没有d轨道不发生1,2-迁移重排，Br的迁移重排很少见，因为含Br的自由基中间体更
容易消去Br生成烯。
总之，1,2-自由基迁移重排反应没有碳正离子重排那样普遍，只有芳基、乙烯基、乙酰氧基和卤
素迁移比较重要。迁移的方向一般倾向于形成比较稳定的自由基。还没有发现氢的1,2—自由基迁
移，但可以发生比较远的自由基转移。其中，最普通者为1，5—迁移。远距离的迁移可以看作是分
子内的氢的夺取。
例如：
又如Barton反应中，亚硝酸酯光解可能也经由一个六员环状过渡态完成了C → O的1,5-迁移。
hv ·
Ph(CH2)5ONO → → → PhCH2C·H(CH2)3OH
渤海大学教案用纸 年 月
第十九章 周环反应
教学目标：1、了解分子轨道对称守恒原理及前线轨道理论。
2、比较熟练的掌握电环化反应，环加成反应和σ－迁移反应。
重点、难点：电环化反应，环加成反应和σ－迁移反应。
教学方法、手段：课堂讲授，习题课，CAI课件辅助教学
教学内容：
概述：以前所讲的反应历程都遵循：反应物→中间体→产物
均裂﹙自由基﹚取代.加成反应
正电核：亲电—取代反应，亲电加成反应
异裂﹙离子型） 负电核：亲核—取代反应，亲核加成反应
1965年美国有机化学家Woodward﹙哈佛大学﹚和美国青年量子化学家Hoffmann﹙哥伦比亚大学﹚，总结大量有机合成实验事实发现了与上述历程不同的反应，反应无中间体，反应物经过度态一步到达产物，并且不受酸碱催化剂的影响——即协同反应，反应时键的断裂与生成是同时进行的，周环反应是协同反应中的一种，周环反应包括：电环反应，环加成反应，σ-键的迁移反应。
周环反应的特点：①反应的条件是加热或是光照；
②反应不受溶剂极性影响，不需酸、碱催化，不需化学试剂引发；
③化学键的断裂和生成同时进行；
④具有高度的立体选择性。
§19-1 电环化反应
在光或热的条件下，直链共扼多烯分子的两端环化成环烯烃或其逆反应——环烯烃开环变成共轭多烯的一类反应，叫电环化反应。它具有周环反应的特点。
例如：
（1）（Z，E）-2，4-己二烯
反-3，4-二甲基环丁烯
顺-3，4-二甲基环丁烯
（2）（E，Z，E）-2，4，6-辛三烯
反-5，6-二甲基-1，3-环己二烯
顺-5，6-二甲基-1，3-环己二烯
分析：（1）有4个π电子，属4n型共轭多烯
（2）有6个π电子，属4n+2型共轭多烯
电环化规律：
π电子数
4n+2
4n
顺旋
加热 光照
加热 光照
禁阻 允许
允许 禁阻
对旋
加热 光照
加热 光照
允许 禁阻
禁阻 允许
开环也遵循此规律，但还应考虑位阻影响。
例：
注：用FMO理论对电环化反应的解释应用CAI课件进行讲解。
§19－2 环加成反应
两分子烯烃或多烯烃,以整体形成协同反应构成一个环状分子的反应,
称环加成反应。例如：
[2+2]环加成反应：属于4nπ电子体系
[4+2]环加成反应：属于4n+2π电子体系
环加成选择规律：
π电子数之和
反 应条 件
反 应
结 果
4n＋2
加热
光照
允许
禁阻
4n
加热
光照
禁阻
允许
例1：
例2：
注：用FMO理论对环加成反应的解释应用CAI课件进行讲解。
§19－3 σ迁移反应
在烯烃或共轭多烯体系中，一个碳原子上的σ键迁移到另一个碳原子上，随之π键发生转移的反应，称为σ迁移反应。
其中：X=C、H……
例如：①[1，3]σ迁移
②[3，3] σ迁移
Cope重排(克普重排)
99.7﹪ (Z,E)-2,6-辛二烯(椅式过度态)
Claisen重排(α,γ重排,实际也为[3,3] σ迁移)
对于脂肪族化合物的反应：
凡是有烯丙基醚结构都可以发生迁移。例如：
