8.4

親核取代反應(yīng)機(jī)理

在討論鹵代烴取代反應(yīng)機(jī)理之前，先用以下實(shí)例介紹幾個(gè)常用名詞。

1-溴丙烷是主要作用物，一般稱為反應(yīng)底物（substmte)。進(jìn)攻反應(yīng)底物的試劑OCH3是帶著電子對(duì)與碳原子結(jié)合的，它本身具有親核性，稱為親核（nucleophile)試劑。親核試劑一般都是負(fù)性基團(tuán)或者能提供電子對(duì)的中性分子。反應(yīng)底物上的溴原子帶著電子對(duì)從碳原子離開，所以Br-稱為離去基團(tuán)（leavinggroup)。取代反應(yīng)是在與溴相連的那個(gè)碳原子上進(jìn)行的，常稱為中心碳原子（centeratom)。

這種由親核試劑進(jìn)攻中心碳原子而引起的反應(yīng)稱為親核取代（nucleophilicsubstitution)反應(yīng)。在親核取代反應(yīng)中是一個(gè)負(fù)性基團(tuán)（親核試劑）取代另一個(gè)負(fù)性基團(tuán)（離去基團(tuán)）。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)鹵代烴取代反應(yīng)的機(jī)理研究得比較充分，積累了大量的資料，為我們的學(xué)習(xí)提供了豐富的內(nèi)容?！煞N主要的機(jī)理（Sn1和Sn2)

用不同鹵代烴進(jìn)行水解反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)它們?cè)趧?dòng)力學(xué)上有不同的表現(xiàn)，例如氯代叔丁烷在氫氧化鈉的丙酮和水的混合溶液（OH-為0.05M)中水解的速度與它在純水（0H-為10-7)中，水解速度是相同的，說(shuō)明水解速度只與氯代叔丁烷本身的濃度成正比。而與堿（0H-)的濃度無(wú)關(guān)，在動(dòng)力學(xué)上稱為一級(jí)反應(yīng)（firstorderkinetics)。

1.單分子親核取代機(jī)理（Sn1)

氯代叔丁烷水解反應(yīng)速度只決定于氯代叔丁烷本身的濃度，而與堿的濃度無(wú)關(guān)，這就是說(shuō)，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中決定反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟（慢步驟）與OH-無(wú)關(guān)。由此可以推想，氯代叔丁烷的水解是按如下機(jī)理進(jìn)行：反應(yīng)過(guò)程中的能量變化如圖8-1。

在Sn1反應(yīng)中由于生成了碳正離子中間體，所以重排是這種反應(yīng)的重要特征。例如新戊基溴和CH3CH2OH反應(yīng)，幾乎全部得到重排產(chǎn)物：

該反應(yīng)按SNl機(jī)理進(jìn)行，首先生成的伯碳正離子很容易重排為較穩(wěn)定的叔碳正離子，后者再與親核試劑（C2

H50H)結(jié)合，去掉質(zhì)子而得到重排產(chǎn)物。

2.雙分子親核取代機(jī)理SN2

與氯代叔丁烷不同，溴甲烷的水解速度同溴甲烷及堿（OH-)的濃度都成正比關(guān)系。這個(gè)事實(shí)使我們想到在決定反應(yīng)速度步驟中一定包含有兩種粒子的碰撞，反應(yīng)按另一種機(jī)理進(jìn)行:

對(duì)反應(yīng)過(guò)程可以這樣來(lái)描述：親核試劑OH-首先從離去基團(tuán)（Br)的背面進(jìn)攻中心碳原子，在這同時(shí)，溴原子攜帶電子逐漸離開。中心碳原子上的三個(gè)氫由于受0H-進(jìn)攻的影響而往溴原子一邊偏轉(zhuǎn)。當(dāng)它們處于同一平面，且OH-、Br和中心碳原子處在垂直該平面的一條直線上時(shí)，即達(dá)到所謂的過(guò)渡態(tài)。這時(shí)O—C鍵部分形成，C—Br鍵部分?jǐn)嗔?。接著親核試劑0H-與中心碳原子的結(jié)合逐漸加強(qiáng)，而溴原子帶著電子逐漸遠(yuǎn)離，最后得到取代產(chǎn)物。反應(yīng)中能變化如圖8-2所示。二、影響反應(yīng)機(jī)理及其活性的因素

前面我們介紹了鹵代烴親核取代一般有兩種主要的機(jī)理:SNl和SN2。接下來(lái)讀者所關(guān)心的問(wèn)題可能是:不同結(jié)構(gòu)的鹵代烴，其親核取代反應(yīng)的相對(duì)活性如何？它們到底按哪種機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)？有什么一般的規(guī)律？等等。對(duì)于這些問(wèn)題很難給予簡(jiǎn)單的回答。因?yàn)橛绊懸蛩睾芏?，情況比較復(fù)雜。以下先分別討論不同因素對(duì)反應(yīng)機(jī)理及其沽性的影響，然后概括地進(jìn)行總結(jié)，讀者可從中找到某些答案。

1.烴基結(jié)構(gòu)的影響

鹵代烴分子中的烴基結(jié)構(gòu)主要通過(guò)電子效應(yīng)和空間效應(yīng)影響親核取代反應(yīng)的活性。而這兩種效應(yīng)在不同的反應(yīng)機(jī)理中所起的作用往往是不同的，因此烴基結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)活性的影響與反應(yīng)機(jī)理密切相關(guān)。(1)在SN1反應(yīng)中

在SNl反應(yīng)中，決定反應(yīng)速度步驟是C—X鍵斷裂生成碳正離子，反應(yīng)活性的高低主要決定于碳正離子生成的難易。（2）在SN2反應(yīng)中

Sn2是一步反應(yīng)，反應(yīng)速度主要決定于過(guò)渡態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定性（過(guò)渡態(tài)的能量決定反應(yīng)的活化能）。從反應(yīng)物到過(guò)渡態(tài)，中心碳原子由四價(jià)態(tài)變?yōu)槲鍍r(jià)態(tài)，空間排布變得更加擁擠，所以鹵代烴分子中烴基的空間因素對(duì)反應(yīng)活性有重要影響。

中心碳原子上所連烴基數(shù)目越多，體積越大，過(guò)渡態(tài)就越擁擠，能量就越高，SN2反應(yīng)活性就越低。由上式可以看出，在從反應(yīng)物到過(guò)渡態(tài)，中心碳原子的電荷沒(méi)有明顯的變化。所以鹵代烴分子中α-或β-位上所連基團(tuán)的電子效應(yīng)對(duì)反應(yīng)速度的影響不大。

烴基對(duì)SN2反應(yīng)的空間效應(yīng)也可以用另一種方式加以說(shuō)明。在進(jìn)行SN2反應(yīng)時(shí)，親核試劑需要主動(dòng)進(jìn)攻中心碳原子，如果中心碳原子上連有多個(gè)烴基（體積比氫大），顯然會(huì)阻礙親核試劑與中心碳的接近，因而不利于反應(yīng)。中心碳上所連烴基越多，體積越大，這種阻礙作用就越突出，SN2反應(yīng)活性就越低。不同鹵代烴的SN2相對(duì)活性順序?yàn)椋?/p>

烯丙型和芐基型鹵代烴在SN2反應(yīng)中所形成的過(guò)渡態(tài)可以通過(guò)鄰近π鍵對(duì)它們起穩(wěn)定作用（圖8-3)。

總的來(lái)說(shuō)，不同烴基的鹵代烴的相對(duì)活性規(guī)律是:在SN1反應(yīng)中，叔鹵>仲鹵>伯鹵>甲基鹵;在SN2反應(yīng)中，叔鹵<仲鹵<伯鹵<甲基鹵。

2.離去基團(tuán)的影響

在鹵代烴的親核取代反應(yīng)中，帶著電子對(duì)從中心碳原子離開的鹵負(fù)離子是離去基團(tuán)。一般來(lái)說(shuō)，離去基團(tuán)的堿性弱（不易給出電子,有較強(qiáng)的承受負(fù)電荷的能力），離開中心碳原子的傾向強(qiáng)（稱為較好的離去基團(tuán)），親核取代反應(yīng)的活性高。反之，離去基團(tuán)堿性強(qiáng)，離開中心碳原子的傾向?。ǚQ為較差的離去基團(tuán)），親核取代反應(yīng)的活性就低。

離去基團(tuán)的好差可以根據(jù)它們的堿性強(qiáng)弱來(lái)判斷。但由于各種負(fù)離子（包括中性分子)的堿性不容易直接辨認(rèn)，因此往往需要比較它們的共軛酸的酸性。X-的共扼酸為HX,酸性序?yàn)椋篐I＞HBr＞HC1＞HF。那么X-的堿性順序則為：F-＞C1-＞Br-＞I-。X-作為離去基團(tuán)的離去傾向?yàn)?I-＞Br-＞C1-＞F-。所以鹵代烴的親核取代反應(yīng)相對(duì)活性是:

3.親核試劑的影響

在SN1反應(yīng)中，反應(yīng)速度只決定于RX的解離，而與親核試劑無(wú)關(guān)。因此親核試劑的性質(zhì)對(duì)SN1的反應(yīng)活性無(wú)明顯影響。而在SN2反應(yīng)中，親核試劑的親核性越強(qiáng)，濃度越大，其反應(yīng)速度就越快。

一般來(lái)說(shuō)，試劑的親核性主要與以下幾個(gè)因素有關(guān)。

（1）試劑的堿性

試劑的親核性指的是提供電子對(duì)，與帶正電荷碳原子結(jié)合的能力。試劑的堿性指的是提供電子對(duì)與質(zhì)子（或其他路易斯酸)結(jié)合的能力。由于它們都是提供電子，和一個(gè)帶正電荷實(shí)體相結(jié)合的能力，所以在很多情況下，試劑的親核性和堿性是一致的。即試劑的堿性強(qiáng)，其親核性也強(qiáng)；反之亦然。因此我們常?？梢愿鶕?jù)堿性強(qiáng)弱來(lái)判斷它們親核性的強(qiáng)弱。例如在下列兩種情況下，親核性順序和堿性順序總是一致的。（2）試劑的可極化性

親核試劑的可極化性是指它的外層電子在外界電場(chǎng)作用下電子云發(fā)生變形的難易程度。親核試劑的可極化性越大，它進(jìn)攻中心碳原子時(shí)，其電子云就越易變形而伸向中心碳。試劑的可極化性越大，其親核性就越強(qiáng)。

試劑的可極化性與進(jìn)攻原子的體積有密切關(guān)系。原子的體積越大，其核對(duì)外層電子的束縛越小，在外電場(chǎng)作用下，電子云就越容易發(fā)生變形。所以對(duì)同主族元素來(lái)說(shuō)，從上至下，試劑的親核性隨著增大。例如：

RS->RO-；

RSH>ROH（3）溶劑的影響親核試劑的強(qiáng)弱與溶劑還有一定的關(guān)系，這主要是溶劑化作用的影響。例如鹵負(fù)離子(X-)在非質(zhì)子性溶劑二甲基甲酰胺（DMF)中，親核性順序與它們的堿性是一致的：但在質(zhì)子性溶劑（如乙醇，水）中，則改變了它們的親核性順序：

親核性：F-

<C1-

<Br-<1-

綜合各種因素對(duì)試劑親核性的影響，在質(zhì)子性溶劑中親核性的強(qiáng)弱順序是：

在鹵代烴的親核取代反應(yīng)中，用強(qiáng)的親核試劑傾向于SN2機(jī)理；用弱的親核試劑傾向于SN1機(jī)理。例如，新戊基溴與NaOC2H5反應(yīng)是SN2機(jī)理，而與HOC2H5反應(yīng)則是SN1機(jī)理。強(qiáng)親核試劑（如OC2H5)可把鹵素從分子中推開（SN2)，而弱親核試劑（如C2H5OH)則等待著被請(qǐng)進(jìn)去（SN1)。4.溶劑效應(yīng)

溶劑對(duì)親核取代反應(yīng)的影響也隨不同的反應(yīng)機(jī)理而異。在Sn1反應(yīng)中，從反應(yīng)物至碳正離子的變化過(guò)程中，正負(fù)電荷集中，使體系極性增強(qiáng)，所以極性溶劑有利于穩(wěn)定它們的過(guò)渡態(tài)，降低活化能，使反應(yīng)速度加快。

使用不同溶劑不僅影響SnI和Sn2反應(yīng)的活性，有時(shí)甚至能夠完全改變它們的機(jī)理。例如，氯化芐在水中水解按Sn1機(jī)理，而在丙酮中水解則按Sn2機(jī)理:

至此已分別討論了烴基的結(jié)構(gòu)、離去基團(tuán)、親核試劑和溶劑對(duì)鹵代烴親核取代反應(yīng)機(jī)理及其活性的影響，并簡(jiǎn)單概括了一般的規(guī)律。這些規(guī)律基本上也適合于有機(jī)化學(xué)中其他的親核取代反應(yīng)。三、SN2和SNI的立體化學(xué)

1.SN2的立體化學(xué)

英果爾德（C.Ingold，1893—1970)等用旋光性的2-碘辛烷與放射性碘負(fù)離子進(jìn)行鹵素交換反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)過(guò)程中外消旋化的速度是同位素交換速度的2倍由此可以說(shuō)明，親核試劑是背面進(jìn)攻（如同前邊對(duì)SN2過(guò)程的描述那樣）。

可以設(shè)想，如果I-*是前面進(jìn)攻（即從離去基團(tuán)的同面接近中心碳原子），反應(yīng)產(chǎn)物是保持構(gòu)型，不會(huì)發(fā)生消旋。如果I-*的背面進(jìn)攻和前面進(jìn)攻的機(jī)會(huì)均等，那么，外消旋速度和同位素交換速度應(yīng)該相等。顯然這兩種設(shè)想與實(shí)驗(yàn)事實(shí)是不符的。

左旋的2-溴辛烷在氫氧化鈉的含水乙醇中反應(yīng)，得到右旋的2-辛醇：

瓦爾登轉(zhuǎn)化是化SN2反應(yīng)的立體化學(xué)特征。產(chǎn)生這種特征的原因是親核試劑的背面進(jìn)攻。讀者或許會(huì)進(jìn)一步問(wèn)：為什么親核試劑總是從離去基團(tuán)背面進(jìn)攻碳原子呢？在此有兩個(gè)理由來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題:第一，當(dāng)親核試劑從前面進(jìn)攻中心碳原子時(shí)，會(huì)受到攜帶電子離開的離去基團(tuán)的排斥，而背面進(jìn)攻可以避免這種排斥。第二，背面進(jìn)攻能形成較穩(wěn)定的過(guò)渡態(tài)，降低反應(yīng)的活化能。2.SN1的立體化學(xué)

具有旋光性的反應(yīng)底物（中心碳原子為手性碳）進(jìn)行SN1反應(yīng)時(shí)，由于生成的碳正離子具有sp2平面構(gòu)型，親核試劑可以從平面兩側(cè)與其結(jié)合，取代產(chǎn)物為幾乎等量的一對(duì)對(duì)映體。

對(duì)于理想的SN1來(lái)說(shuō)，確實(shí)應(yīng)得到完全消旋化產(chǎn)物，但實(shí)際上往往只能得到部分消旋產(chǎn)物。例如，

α-苯基氯乙烷水解時(shí)，87%發(fā)生外消旋化，13%發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化：

關(guān)于SN1反應(yīng)產(chǎn)生部分外消旋化的原因比較復(fù)雜，在此可以簡(jiǎn)單地解釋為:SN1反應(yīng)中的碳正離子不穩(wěn)定，在它生成的瞬間，就會(huì)立即受到親核試劑的進(jìn)攻，這時(shí)鹵負(fù)離子可能還來(lái)不及離開中心碳原子到相當(dāng)?shù)木嚯x，因而在一定程度上阻礙了親核試劑從鹵原子這一邊的進(jìn)攻，結(jié)果生成較多的構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。

外消旋化的比例在不同反應(yīng)中各不相同，其比例高低主要決定于碳正離子的穩(wěn)定性和親核試劑的濃度。一般來(lái)說(shuō)，碳正離子的穩(wěn)定性較高，親核試劑的濃度較小，則外消旋比例就高。反之，碳正離子穩(wěn)定性較低，親核試劑的濃度較大，則外消旋比例就低。例如，α-鹵代乙苯和2-鹵代辛烷按化SN1機(jī)理水解，由于前者解離生成的碳正離子比后者的穩(wěn)定，水解結(jié)果，旋光性的α-氯代乙苯生成83%?98%外消旋產(chǎn)物，而2-溴代辛烷僅得34%外消旋產(chǎn)物。四、離子對(duì)機(jī)理

離子對(duì)機(jī)理最早是在解釋SN1的部分外消旋化現(xiàn)象時(shí)引起注意的。它能說(shuō)明很多有關(guān)親核取代反應(yīng)機(jī)理的現(xiàn)象，因此越來(lái)越受到化學(xué)家的重視。

離子對(duì)機(jī)理認(rèn)為反應(yīng)底物在溶劑的作用下，解離是分步的，并按如下方式形成離子對(duì)：

第一步是電離，即共價(jià)鍵斷裂，生成碳正離子和負(fù)離子。但這兩個(gè)相反電荷的離子在靜電引力作用下仍靠在一起，形成緊密離子對(duì)。第二步是少數(shù)溶劑分子進(jìn)入到兩個(gè)離子的中間，把它們分割開來(lái)，但它仍是一個(gè)離子對(duì)，稱為溶劑分割離子對(duì)。在第三步中，離子完全被溶劑包圍，形成了溶劑化的碳正離子和負(fù)離子。

形成離子對(duì)的各步都是可逆的，每步的反應(yīng)速度大小取決于溶劑的性質(zhì)和反應(yīng)底物的結(jié)構(gòu)。實(shí)際的反應(yīng)體系是這些不同離子對(duì)及其自由離子的平衡混合物。如果親核試劑與分子或緊密離子對(duì)作用，則必然是從背面進(jìn)攻中心碳原子，發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化，得到瓦爾登轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。如果親核試劑與溶劑分割離子對(duì)作用，則親核試劑既可從背面進(jìn)攻得到構(gòu)型轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，也可代替溶劑的位置得到構(gòu)型保持產(chǎn)物。一般來(lái)說(shuō)，前者多于后者，在這一階段的取代結(jié)果是部分消旋化的。當(dāng)親核試劑和碳正離子作用時(shí)，則它們以相等的幾率從碳正離子平面的兩側(cè)進(jìn)攻，完全消旋化。取代反應(yīng)的宏觀結(jié)果是各個(gè)不同階段親核試劑與各種離子對(duì)（包括分子和離子）反應(yīng)的總和。上述過(guò)程可用下列圖式來(lái)表示：五、鄰基參與

1.鄰基參與的提出

2.鄰基參與及其主要特征

從許多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)能夠提供電子的基團(tuán)處于中心碳原子鄰近位置時(shí)，它們通過(guò)某種環(huán)狀中間體參與親核取代反應(yīng)，其結(jié)果不僅加快了反應(yīng)速度，而且使產(chǎn)物具有一定的立體化學(xué)特征，有時(shí)還會(huì)得到重排產(chǎn)物。這種過(guò)程叫做鄰基參與，它是親核取代機(jī)理的重要組成部分。可以用下列通式來(lái)表示鄰基參與的一般過(guò)程：

在鄰基參與反應(yīng)中，有時(shí)外加親核試劑也可以進(jìn)攻環(huán)狀中間體原來(lái)連有參與基團(tuán)的碳原子，這時(shí)則得到重排產(chǎn)物：

歸結(jié)起來(lái)，鄰基參與反應(yīng)的特點(diǎn)是:反應(yīng)速度加快、構(gòu)型保持，有時(shí)得到一定構(gòu)型的重排產(chǎn)物，對(duì)反應(yīng)有加速作用。3.鄰基參與的主要類型

根據(jù)參與基團(tuán)的結(jié)構(gòu)，可將常見的鄰基參與分為以下幾種主要類型：（1）含雜原子鄰近基團(tuán)參與反應(yīng)

含雜原子基團(tuán)如COO-、OH、OR、NH2、NR2、SR、S-、O-、Cl、Br、I等，作為鄰基可借助于雜原子上的負(fù)電荷或未共用電子對(duì)同中心碳原子作用而參與親核取代反應(yīng)。前邊所提到的(S)-2-溴丙酸在Ag20存在下的稀NaOH溶液中的水解反應(yīng)屬于這種類型。(2)鄰近雙鍵參與

對(duì)甲苯磺酸酯中磺酸根負(fù)離子為好的離去基團(tuán)，它像鹵代烴一樣易發(fā)生親核取代反應(yīng)和消去反應(yīng)（參閱9.3節(jié)）。下列2-(3-環(huán)戊烯基）乙醇的對(duì)甲苯磺酸酯進(jìn)行醋酸解得到橋環(huán)醋酸酯的反應(yīng)為碳碳雙鍵參與的親核取代反應(yīng)。

(3)鄰近芳基參與

芳基提供它的大π鍵作為鄰近參與基的反應(yīng)可以由產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和立體化學(xué)特征得到證實(shí)。例如，下列鹵代烴水解生成兩種產(chǎn)物，是由于苯基參與的結(jié)果：

最后概括說(shuō)明鄰基參與的一般條件：a.在反應(yīng)底物中心碳原子附近有能提供電子的基團(tuán)，這是最基本的條件。b.反應(yīng)時(shí)離去基團(tuán)先有一定的離去傾向，使中心碳原子顯出部分正電荷，這可以為鄰基參與創(chuàng)造較好的條件。但離去基團(tuán)的離去傾向不能過(guò)強(qiáng)，如果離去基團(tuán)很容易離開中心碳原子，就無(wú)須鄰基協(xié)助，即可按化SN1機(jī)理反應(yīng)。c.外加親核試劑的濃度不宜過(guò)大，因?yàn)楦邼舛鹊挠H核試劑進(jìn)攻中心碳原子的機(jī)會(huì)多，往往導(dǎo)致反應(yīng)按SN1機(jī)理進(jìn)行。

d.鄰基與離去基團(tuán)必須處于反平行位置，這種空間關(guān)系有利于鄰基對(duì)中心碳原子的進(jìn)攻(背面進(jìn)攻）。在開鏈化合物中，由于C—Cσ鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，總是能夠滿足這種空間要求，但在某些環(huán)狀化合物中卻不一定都能達(dá)到。

還有一點(diǎn)要注意的是，具有一定構(gòu)型的開鏈化合物，有可能發(fā)生鄰基參與反應(yīng)時(shí)，必須在構(gòu)型式中把參與基團(tuán)和離去基團(tuán)放在反平行位置，否則，很難寫出正確的產(chǎn)物。例