亲和取代反应

亲核取代反应1定义亲核取代反应，或称亲核性取代反应，通常发生在带有正电或部份正电荷的碳上，碳原子被带有负电或部分负电的亲核试剂（Nu:）进攻，与该碳原子相连的某原子或基团被取代。常分为两种反应机构：单分子亲核取代反应（SN1）双分子亲核取代反应（SN2）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。2SN1反应定义第一步是原化合物的解离生成碳正离子和离去基团，然后亲核试剂与碳正离子结合。由于速控步为第一步，只涉及一种分子，故称SN1反应。常发生于：碳上取代基较多（如：（CH3）3CX），使得相应碳正离子的能量更低，更加稳定。同时位阻效应也限制SN2机理中亲核试剂的进攻。对碳阳离子生成有利条件：有许多释电子基团帮助稳定碳阳离子的正电荷（3级碳＞2级碳＞1级碳），一级碳几乎不能够单独存在，而会立刻和周遭发生化学反应而形成内能更低的分子。反应特点反应速率决定步骤在于离解一步（第一步），所以根据动力学理论推断该反应为一级速率反应，反应物。从立体化学观点来看，该反应的反应物若为光学异构物之一，则产物反转机率略大于50%。在碳阳离子形成时，整个分子略呈现平面三角形，亲核体可以由平面三角形上下两侧进行攻击，形成新分子。故理论上反转机率为50%，但因原先脱离的阴离子影响碳阳离子，故亲核剂倾向由反侧攻击形成反转的产物。该反应适合在高极性稍有质子性溶剂中进行，高极性有助于利用本身极性带有的部份负电稳定碳阳离子，稍有质子性溶剂提供质子与较强亲核剂（通常是被脱离的）化合有助于反应平衡往产物移动。3SN2反应定义较强亲核剂直接由背面进攻碳原子，并形成不稳定的一碳五键的过渡态，随后离去基团离去，完成取代反应。常发生于：碳原子取代较少（如：CH3X），可较容易使SN2反应发生。（原因是碳原子上有烷基取代时会有供电效应使被进攻的碳正电性减弱，且烷基取代会产生空间位阻，阻碍进攻）对碳正离子生成有不利条件的环境下：有许多拉电子基或较少推电子基（1级碳＞2级碳＞3级碳）。反应特点反应速率决定在两个因素上：强亲核剂的浓度高低与反应物的浓度高低，所以根据理论推断该反应为典型的二级速率反应，反应物亲核试剂。从立体化学观点来看，该反应反应物若为光学异构物之一，则产物构型翻转机率为100%（完全反转），因为只能从反侧攻击，故产物必定反转。反应适合在高极性非质子性溶剂中进行，高极性有助于稳定反应中间体，非质子性溶剂则不会与强亲核剂化合而导致反应平衡往反应物移动。4影响因素底物的烃基结构：反应底物的分子烃基中C上的支链越多，SN2的反应越慢。通常，伯碳上最容易发生SN2，仲碳其次，叔碳最难。离去基团(L)：一般来说，离去基团越容易离去，SN2越快。反应时，L是带着原来与口-C公用的一对电子离去的。通常，L口的碱性愈弱、愈稳定，就愈容易离去。亲核试剂(Nu:)：亲核试剂的亲核性愈强，浓度愈高，反应速度愈快。溶剂的种类：极性溶剂中，sn1反应容易发生。对sn2反应不利。非极性溶剂则相反。碳正离子在极性溶剂中比在非极性溶剂中稳定。sn2的中间体电荷分散，在非极性溶剂中更稳定。单分子亲核取代反应(unimolecularnucleophilicsubstitution)是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，简写为SN1，其中S表示取代反应，角标N表示亲核，1表示只有一种分子参与速控步骤。[1]亲核取代反应SN1的反应机理为:反应物首先解离为碳正离子与带负电荷的离去基团，这个过程需要能量，是控制反应速率的一步。分子解离后，碳正离子立即与亲核试剂结合，是快的一步。[1]SN1的立体化学观点：在SN1的反应过程中，由于解离形成的碳正离子经SP2轨道杂化具有平面构型。因而亲核试剂向碳正离子形成的两个面进攻的概率是相等的，生成的产物一般为外消旋体。这个反应过程称为外消旋化。然而多数情况下，在外消旋化进行的同时，双分子亲核取代反应SN2反应(双分子亲核取代反应)是亲核取代反应的一类，其中S代表取代(Substitution)，N代表亲核(Nucleophilic)，2代表反应的决速步涉及两种分子。与SN1反应相对应，SN2反应中，亲核试剂带着一对孤对电子进攻具亲电性的缺电子中心原子，形成过渡态的同时，离去基团离去。反应中不生成碳正离子，速率控制步骤是上述的协同步骤，反应速率与两种物质的浓度成正比，因此称为双分子亲核取代反应。无机化学中，常称双分子亲核取代反应类型的反应机理为“交换机理”。1反应机理SN2反应最常发生在脂肪族sp3杂化的碳原子上，碳原子与一个电负性强、稳定的离去基团(-X)相连，一般为卤素阴离子。亲核试剂(Nu)从离去基团的正后方进攻碳原子，Nu-C-X角度为180°，以使其孤对电子与C-X键的。反键轨道可以达到最大重叠。然后形成一个五配位的反应过渡态，碳约为sp2杂化，用两个垂直于平面的p轨道分别与离去基团和亲核试剂成键。C-X的断裂与新的C-Nu键的形成是同时的，-X很快离去，形成含C-Nu键的新化合物。2-漠丁烷与氢氧根离子发生SN2生成2-丁醇和漠离子。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".二也EM* —，■目... _._ k—" 二 丁*||p.-yB|jfI* ffr-kfcie*& lifi,IS-I■■urnirrtL-s'M.•f'f1 ,,,_ _, ,,,,.;!叫兰尸' ".]■ _44* mtvcij |■ ~'司1 , — ~~s~^^^^^^^MHI^^^HsN2与SN1上例中，OH-（亲核试剂）进攻2-漠丁烷（底物）发生SN2反应，经过不稳定的过渡态，最终Br-离去，得到2-丁醇。SN2反应也可以在分子内发生，合成的环系一般为五元环、六元环和三元环。分子内的Williamson合成得到环氧化合物，即是这类反应的一个例子。相比下，四元环张力太大，空间上也不利，很难生成；七元、八元之类的大环可以生成，但分子间反应处于优势，需要将反应物以高稀溶液的形式反应，以增大分子内产物的比例。SN2反应一般发生在伯碳原子上，很难成为有位阻分子的反应机理，并且取代基越多，按SN2机理反应的可能性越小。基团在空间上比较拥挤的分子一般采用SN1机理，可以缓解一部分的位阻，也可生成较稳定的碳正离子（通常为三级碳正离子）。2立体化学由于亲核试剂是从离去基团的背面进攻，故如果受进攻的原子具有手性，则反应后手性原子的立体化学发生构型翻转，也称“瓦尔登翻转”。这也是SN2反应在立体化学上的重要特征。反应过程类似于大风将雨伞由里向外翻转。3决定速率的因素离去基团的碱性离去基团的碱性越强，其离去能力越弱，反之亦然。离子的碱性随着所在周期的增加而降低。对于卤素离子而言，碘离子的碱性最弱，因此碘离子是一个很好的离去基团；氟离子则相反，氟代烃也因此很难发生SN2反应。碱性F->Cl->Br->I-，离去能力与上述顺序相反。亲核试剂的亲核性亲核性需要与上面的碱性相区别。碱性是试剂对质子的亲和能力，而亲核性是试剂形成过渡态时，对碳原子的亲和能力。一般来讲，试剂的负电性、碱性和可极化性越强，其亲核性也越强。实际上通常需要综合考虑这几个因素以及溶剂的影响。溶剂SN2反应在质子溶剂中进行时，一方面，溶剂化作用有利于离去集团的离去；另一方面，溶剂也会与亲核试剂发生作用，使亲核试剂与底物的接触变得困难。最后的影响是这两种因素的综合结果。相对而言，非极性溶剂分子很少包围负离子，因此对SN2反应是有利的。空间效应位阻（含体积大的取代基）会使亲核试剂的亲核性下降。虽然乙醇的酸性比叔丁醇强，但叔丁氧基负离子的亲核性弱于乙氧基负离子，就是因为这个缘故。4反应动力学SN2属于二级反应，决速步与两个反应物的浓度相关：亲核试剂[Nu]和底物[RX]。r=k[RX][Nu]与此相对比的是单分子亲核取代反应一SN1反应，亲核取代反应的另一种机理。此类反应中，底物中的C-X键首先异裂为碳正离子和X-，是较慢的一步，然后亲核试剂Nu立即与碳正离子结合，得到含C-Nu键的产物。因此该反应的速率控制步骤只和底物的浓度有关，称