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1、影响亲核取代反应的因素摘要 亲核取代反应是有机化学中一类重要的反应，饱和碳原子上的 亲核取代反应可按S N1和S N2两种不同历程进行。亲核取代反 应的两种历程，在反 应中同 时存在，相互竞争。对同一反应物来说，在不同的反应条件下反应速率是不同的;在相同的条件下，不同的反应物的活性也不同。本文讨论了影响亲核取代反应的因素，并 总结了某些规律。关键词 亲核取代 反应速率 影响因素卤代烃的亲核取代反应是一类重要的反应。由于这类反应可用于各种官能团的转变以及碳碳键的形成，因此在有机合成中具有广泛用途。本文将以卤代烃的亲核取代反应为例，讨论影响亲核取代反应的因素，即亲核取代反应的反应活性。大量研究表明

2、，亲核取代反应的活性与反应物的结构（包括烃基和离去基团的结构） 、亲核试剂的亲核性和溶剂的性质等因素都有密切的联系。1 反应物的结构1.1 烃基的结构烃基的影响体现在两个方面，一个是电子效应，另一个是空间（立体）效应。一般来说，烃基的电子效应对 SN1 反应的影响更大，烃基的空间效应对 SN2 反应的影响更显著。1.1.1 在 SN2 反应中，烃基的空间效应影响占主导地位， 碳或 碳上支链增加，阻碍了亲核试剂从离去基团的背面进攻，且会造成过渡态拥挤程度增加，降低了过渡态的稳定性，使反应速率明显下降。例如，不同的烷基发生 SN2 反应的平均相对速度如下： R CH3 CH3CH2 (CH3)2C

3、H相对速度 30 1 2.510-2卤代烃按 SN2 机理进行的活性次序是：烯丙型、苄基型、甲基卤代烷伯仲叔乙烯型、芳卤、桥头卤代烷在烯丙卤、苄卤的 SN2 反应中，当亲核试剂进攻 -碳原子时，其反应过渡态应该有 p 轨道的重叠，旁边的碳碳双键能帮助它分散电荷，起稳定作用。在乙烯型、芳卤的 SN2 反应中，因其分子中存在着 p- 共轭，使碳卤键键长缩短，键能增加，卤原子不易离去。桥头卤代烷因桥环的立体障碍，亲核试剂不能从背面进攻 -碳原子，故不易发生 SN2 反应。1.1.2 在 SN1 反应中，决定反应速率的步骤是碳正离子的生成，具有+I 效应和+C 效应的取代基都可以稳定碳正离子，卤代烃

4、RX 按 SN1 反应的活性顺序为：烯丙型，苄基型，叔卤代烷 仲 伯 甲基 乙烯型，芳卤，桥头卤代烷。例如，下列几种溴代烷在甲酸溶液中按 SN1 机理进行水解，相对反应速率度为：(CH3)3CBr (CH3)2CHBr CH3CH2Br CH3BrK 108 45 1.7 1.0在烯丙卤、苄卤的 SN1 反应中，形成的烯丙型、苄基型正碳离子，因 p- 共轭而有效地分散正电荷，使正碳离子稳定。例如下列碳正离子的稳定性为(CH3O-C6H5 )2 HC 6H5- HCH3C 2H5CHCH2CH H2 CCH3 CH3类似地，当杂原子 O、N、S 原子直接和中心碳原子相连时，按 SN1 机理进行反

5、应，反应速度也非常大。在乙烯型、芳卤的 SN1 反应中，形成的乙烯型、苯基型正碳离子不能被有效分散正电荷，正碳离子不稳定。桥头卤代烷因很难形成平面的正碳离子，故不易发生 SN1 反应。1.2 离去基团（L）卤烃的亲核取代反应中，卤素带着一对电子从碳上离去，因此也把卤素称为离去基团。无论在 SN1 还是 SN2 反应中，决定反应速率的一步都包括 CL 的断裂，离去基团的离去倾向越大，对 SN1 和 SN2 反应越有利。一般来说，离去基团碱性越弱，则越容易离去。离去基团离去能力大小次序为：RSO3RCOO PhO OROHR 3C，卤离子的碱性大小顺序为：I - Br- Cl- F-。I-是一个好

6、的离去基团,因为C-I 键键能低,而I -又是一个好的亲核试剂,因为其变形性大,并受溶剂化作用少,所以碘代烷既易形成,又易被其他亲核试剂所取代。因此当一级卤代烷进行S N2水解反应时，可在溶液中加入少量I -，使反应加快。例如：慢RCH2Cl + H2O RCH2OH + HCl快RCH2Cl + KI RCH2 I + KCl快RCH2 I + H2O RCH2OH + HI表1列出了一些离去基团在亲核取代反应中的反应速率比表 1 一些离去基团在亲核取代反应中的速率比 1至于碱性很强的基团如 R3C-、R 2N-、RO -、HO -等则不能作为离去基团进行亲核取代反应，由于 OH-、OR -

7、具有强的碱性，所以醇和醚本身都不能直接进行亲核取代反应。它们只有在酸性条件下质子化，使离去基团的碱性减弱后，才可能进行亲核离去基团 F Cl Br H2O I C6H5 SO3反应物 RF RCl RBr R H2RI C6H5SO2OR速率比 10-2 1 50 50 150 300取代反应。例如正丁醇不能被 Br-取代，但在氢溴酸的酸性条件下，反应能按 SN2 反应进行 2。Br- + CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2CH2Br + OH-HBr + CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2CH2 H2 + Br-OSN2 Br-CH3CH2CH2CH2Br + H

8、2O2 亲核试剂由于 SN1 反应的速度决定于反应物的离解,因此,亲核试剂的性能对 SN1 反应速率没有明显影响, 但是,亲核试剂的性质对 SN2 反应的影响较大。一般地讲,试剂的亲核性越强,反应经过 SN2 历程过渡态所需活化能就越低，进行 SN2 反应速度越快。试剂的亲核性与试剂的碱性,可极化性和空间因素有关,也与试剂所在的溶剂有关。根据亲核试剂在甲醇溶剂中与碘代甲烷反应的相对反应速度，将一些亲核试剂的相对亲核性强弱列于表 2表 2 亲核试剂的相对亲核性强弱 32.1 试剂所带电荷的性质一个带负电荷的亲核试剂要比相应呈中性的试剂更为活泼。例如，OH -H2O，RO -ROH 等。2.2 试

9、剂的碱性亲核试剂都是带有负电荷或者未共用电子对的，所以它们都是路易斯碱。一般说，试剂的碱性越强，亲核能力也越强。在很多情况下, 亲核性与碱性强弱顺序一致。但要注意亲核性与碱性是既有区别又有联系的两个不同概念。碱性是指试剂与氢质子的亲和力,通常用试剂共轭酸的pKa表示。pKa越大,试剂的共轭碱性越强。亲核性 4是指碱在过渡态对碳原子的亲和力。这种亲和力没有pKa那样有具体的数据,可比性要差些。碱性与亲核性的共性,都强调自身提供电子的能力,也就是说与H +或亲 核 试 剂 相 对 速 度 亲 核 性I，HS ，RS 10 5 亲核性很强Br，CN， ，OH，OR104 亲核性强NH3，Cl ， F

10、，COOR 1010 2 亲核性中等H2O，ROH 1 亲核性弱RCOOH 10-2 亲核性很弱带正电荷的碳原子结合时应有较大的电子云密度。亲质子试剂未成键电子对与氢质子空的ls 轨道的重叠,根据轨道匹配原理,同族内氢化物的pKa,H 2O(15.7) H2S(6.97),则共轭碱性OH - SH- ,显然OH -中氧原子与氢质子的成键比HS -中碳原子与氢质子成键更为有效。但亲核性却SH - OH- ,因为硫原子的供电能力和变形性要大于氧原子。而碱性强调基团和氢质子的结合能力,况且质子体积又很小,所以不考虑其空间位阻和原子的变形性。例如： 酸性：C 2H5OH H2O PhOH CH3COO

11、H碱性与亲核性：C 2H5O- OH- PhO- CH3COO-酸性： R3CH R2NH ROH HF（同周期元素）碱性与亲核性： R3C- R2N- RO- F-但由于空间效应、亲核性与碱性强弱顺序可能不一致。例如： 碱性： (CH3)3CO- C2H5O- CH3O- 亲核性： (CH3)3CO- C2H5O- CH3O- 2.3 溶剂对亲核性的影响溶剂对亲核性的强弱也有影响。卤代烷不溶于水，但亲核试剂往往溶于水而不溶或几乎不溶于非极性有机溶剂中，要使亲核取代反应在溶液中进行，常用醇或其他有机溶剂如丙酮中加水，使两者都能溶解。在质子溶剂中，亲核试剂与溶剂间可以形成氢键，即能发生溶剂化作用

12、。带相同电荷的原子，体积小的亲核试剂，形成氢键的能力强，溶剂化作用大，这样削弱了亲核试剂与中心碳原子之间的作用，其亲核性受到溶剂的抑制最为显著。例如：在非质子溶剂中， 亲核性：F - Cl- Br- I-（与碱性顺序一致）在质子溶剂中， 亲核性：F - Cl- Br- I-（与离子的极化性和形成氢键能力一致） 。所以对于反应 CH3I + Cl- CH3Cl + I-在甲醇中（极性质子性溶剂）反应速度 1在 DMF 中（极性非质子性溶剂）反应速度 1.2 106周期表中同族元素所产生的负离子或分子，体积大的受溶剂的抑制小，亲核性强。RS -RO-，RSHROH ，I -Br-Cl-F-3 溶剂

13、的影响溶剂的性质对亲核取代反应也有一定的影响，溶剂主要是通过影响过渡态的稳定性，从而影响反应活化能而影响反应速率。在溶剂中，分子或离子都可以通过静电力与溶剂分子相互作用（溶剂化效应） ，这种相互作用的强弱取决于两方面：溶剂的极性和分子或离子的极性。溶剂的极性越强, 溶剂化作用越强；分子或离子的极性越强,溶剂化作用也越强。离子的电荷高度集中,当然，溶剂化作用也大。而另一方面,溶剂化作用能增加分子或离子的稳定性, 溶剂化作用大,分子或离子的稳定性也大。增大溶剂的极性有利于 SN1 反应而不利于 SN2 反应。因为在 SN1 反应中, 决速步骤中过渡态的电荷比反应物集中,增加溶剂极性,能稳定过渡态而

14、降低活化能,有利于 RX 离解为 R+和 X- .例如溴代叔丁烷的溶剂解随溶剂的极性增加而加速。SN1(CH3)3CBr + Sol_OH (CH3)3COSol + HBrSol_OH 乙醇 20%水，80%乙醇 50%水，50%乙醇 水相对速率 1 10 20 1450但在 SN2 反应中 ,反应物电荷集中 ,而过渡态电荷较分散,虽然,溶剂化作用对反应物和过渡态都有稳定作用,但对反应物的稳定化作用更大。因此,增加溶剂化作用, 对进攻试剂比对反应过渡态更有利。因此,在非极性溶剂中和极性小的溶剂中,对SN2 有利,而极性大的溶剂对 SN2 不利。通常,溶剂的极性和离子化能力增加 ,有助于使机理

15、从 SN2 向 SN1 转化 ,而从质子化溶剂向非质子化溶剂转变则有利于 SN2。例如下列反应加入 18-冠-6 有利于 SN2 反应的进行 5RY + KX RX + KY RX = C6H5CH2Cl， C8H17Br； Y = CN， F， OAc， NO2 4 结束语通过上述讨论可以得出影响亲核取代反应活性的主要因素有反应底物的结构（包括烃基和离去基团的结构）、亲核试剂的亲核性和溶剂的性质等。掌握亲核取代反应的相关规律可以对有机合成有更大的指导作用。参考文献：1曾绍琼,李景宁.有机化学M. 北京: 高等教育出版社,2009,2452王积涛.高等有机化学M. 北京: 人民教育出版社,20

16、09,1783王京,影响亲核取代反应的因素EB/OL.中国高等教育网 ,2010-4-27.4孙占怀.影响亲核取代反应的因素J. 内蒙古石油化工,2002,29,265袁履冰.有机化学M.北京 :高等教育出版社,1999,104The Factors of Affecting Nucleophilic Substitution ReactionChemistry and Environment Science College，Inner Mongolia Normal University Chemistry Education Grade 2009，Z hang Dongling 20091

17、103566Advisor: Huang Yanchun LecturerAbstract: Nucleophilic substitution reaction is an important organic chemistry reaction. Nucleophilic substitution reaction on saturated carbon atom conducts in term of two different kinds of approaches, SN1 and SN2. The two kinds of approaches of the nucleophili

18、c substitution reaction both exist in the reaction and compete each other. To the same reactant, in different reaction conditions, reaction velocity is different; while in the same condition, different reactants activities are different too.This paper has discussed the factors that affect nucleophilic substitution reaction and summarized some related law.Keywords: substitution nucleophilic reaction velocity impact factor