第三节 亲核取代反应历程
卤代烷的亲核取代反应是一类重要反应.亲核取代历程可以用一卤代烷的水解为例来说明.
在研究水解速度与反应物浓度的关系时,发现有些卤代烷的水解仅与卤代烷的浓度有关.而另一些卤代烷的水解速度则与卤代烷和碱的浓度都有关系.
例如：（在碱性条件下水解）
υ=κ[CH3Br][OH-]
在动力学研究中,把反应速率式子里各浓度项的指数叫做级数,把所有浓度项指数的总和称为该反应的反应级数.对上述反应来说,反应速率相对于[CH3Br]和[OH-]分别是一级,而整个水解反应则是二级反应.
υ=κ[（CH3）3CBr]
反应速率只与卤代烷的浓度成正比,而与碱的浓度无关.反应速率对[（CH3）3CBr]是一级反应.对碱则是零级,整个水解反应是一级反应.从上述实验现象和大量的事实说明：卤代烷的亲核取代反应是按照不同的历程进行的.
一、两种历程：SN2与SN1
1．双分子历程（SN2）
对溴甲烷等这类水解反应,认为决定反应速率的一步是由两种分子参与的.反应过程可以描述如下：认为整个反应是一步完成的,亲核试剂是从反应物离去基团的背面向碳进攻.
这类反应进程中的能量变化可用反应进程一位能曲线表示.
由于在反应过程中,其决定反应速度的一步发生共价健变化的有两种分子,或者说有两种分子参与了过渡态的形成,因此,这类反应历程称为双分子亲核取代反应历程,简称为双分子历程,用SN2表示（SN代表亲核取代反应,Substitution,Nucleophilic,bimolecular,"2"代表双分子）.
从轨道理论来看,在SN2在反应的过渡态中,中心碳原子从原来的sp3杂化轨道变为sp2杂化轨道,三个C-H键排列在一平面上,互成1200：另外还有一个p轨道与OH-和Br部分键合.
如果OH-从溴的同侧进攻,则形成的过渡态C-OH和C-Br势必处在同一侧,它们之间斥力较大,内能高,不稳定,难生成.
因此,在反应中亲核试剂只能从背面进攻碳原子.
2.单分子历程（SN1）
溴代叔丁烷的水解分两步：
⑴．
(2)．
对于多步反应来说,生成最后产物的速率由速率最慢的一步来控制.叔丁基溴的水解反应中,C-Br键的离解需要较大的能量,反应速度比较慢,而生成的碳正离子只有高度的活泼性,它生成后立即与OH-作用,因为第一步反应所需活化能较大,是决定整个反应速率的步骤,所以整个反应速率仅与卤代烷的浓度有关.这类反应历程进行过程的能量变化可用位能曲线图表示.
SN1反应的特征是分步进行的单分子反应,并有活泼中间体碳正离子的生成.
二、SN1和SN2的立体化学
1.SN2的立体化学.
亲核取代反应按双分子历程进行时,被认为亲核试剂是从离去基团的背面进攻中心碳原子的.
在反应中手性碳原子的构型发生了翻转,即产物的构型与原来化合物的相反.这种反应过程称为构型的翻转或叫做瓦尔登（Wslden）转化.大量立体化学的实验事实已经证明了SN2反应过程往往伴随着构型转化.如：已知（一）-2-溴辛烷和（一）-2-辛醇属同一构型,其比旋光度分别为-34.90,-9.90
将（一）-2-溴辛烷与NaOH进行水解反应而制得2-辛醇比旋光度为＋9.90 .
这说明,通过水解反应,手性中心碳原子的构型已翻转.根据大量立体化学和动力学研究材料,可以得下面结论：按双分子历程进行亲核取代反应政治,总伴随着构型的翻转,也可以这样说,完全的构型转化可作为双分子亲核取代反应的标志.
1.SN1的立体化学.
在SN1的反应中,决定反应速率的一步中形成的碳正离子具有平面构型（sp2杂化）
亲核试剂向平面的任一面进攻的几率是相等的,因此生成的产物按理是外消旋化合物,是非光学活性物.这个过程称为外消旋化.
在有些SN1反应情况下,实验结果确实如此,但在多数情况下,结果并不那么简单,往往是在外消旋化的同时,构型转化部分和构型保持部分不相等,从而使产物具有不同程度的旋光性.2-溴代辛烷水解后,生成34%外消旋物质和66%构型转化的旋光物质.（即构型保持占17%,构型转化占83%）
所以,从立体化学观点看,SN1历程通过生成碳正离子进行取代反应时,在发生消旋作用的同时,通常还伴随着部分构型的转化.
温思坦（Winstein,S.）离子对理论对上述SN1出现的部分构型转化的现象进行了说明.
离子对历程：
离子对历程认为,反应物在溶液中的离解是分阶段的.首先是分子离解生成碳正离子和负离子,但这两个带相反电荷的离子仍紧靠在一起形成离子对,称为紧密离子对；接着是少数溶剂分子掺入到离子对中间而把两个离子对分隔开来,但仍然是一个离子对,通常称为溶剂分隔离子对；最后被离解成离子,每个离子被溶剂的分子所包围.
在紧密离子对中R+和X-之间尚有一定键连,因此仍能保持原来的构型.溶剂分子（S）或亲核试剂是从背面进攻,导致构型翻转.在溶剂分隔的离子对中不及紧密离子对那么紧密,如果亲核试剂在这时取代介入溶剂的位置进攻碳中心,产物将保持原有构型.如果试剂从介入溶剂的背面进攻,就发生构型的翻转.因此,在这个阶段进行的取代反应,随着亲核试剂的强弱,溶剂极性的大小和反应物结构的不同,除得到外消旋产物外,有时还会生成相当数量构型转化的旋光性物质（即从离去基团背后进攻的几率较大）.如果反应物全部解离成离子后,由于生成碳正离子的平面构型,就只能得到外消旋产物,这就是典型的SN1历程.
因为传统的SN2历程中的过渡态并未得到直接的实验证明,所以有人建议：所有亲核取代反应都是通过离子对历程进行的,而SN2、SN1历程只是亲核取代历程的两种极限情况.
离子对理论提出了一个连续一体的概念,即在化学反应进程中反应物是在不断变化的.至于在这一反应的连续进程中,反应物的空间结构究竟是如何随着时间、条件的不同而变化的,尚有待进一步提索、论证.
典型的SN1反应基本得到外消旋产物,因此,比较产物与反应物之间旋光性的变化,可有助于初步鉴别反应是SN1还是SN2.SN1反应,常伴随着部分构型转化,还有重排产物.最后我们还得指出,这是所讲的一个反应完全按SN1或SN2历程进行是比较少见的,对于一般卤代物的亲核取代反应来讲,这两种历程是并存的.
3.邻近基因的参与.
α-溴代烷丙酸负离子按SN1历程进行水解,醇解反应时,其构型完全保持不变.
这种异常现象的产生可能是α-溴代丙酸负离子按SN1历程电离产生碳正离子时,分子内中心碳原子邻近带负电荷的羧基离子,象亲核试剂一样,从连接溴离子的背面向中心碳原子进攻,进行了分子内的类似于SN2反应,生成不稳定的内酯.在此同时,产生碳原子的构型发生了转化.这时,羧基负离子好象在背面固定了碳正离子的构型.
因此,当亲核试剂（HO-)进攻时,就只能从原来溴离子脱离的方向引入,手性碳原子的构型再发生一次转化.经过两次转化,使保持原来的构型不变.在有机化学反应中,有很多与此类似的有邻近基因参与的亲核取代反应.若反应物分子内中心碳原子邻近有：
等基因存在,则空间距离适当时,这些基因就可以借它们的负电荷或未共用电子对参与分子内的亲核取代反应.如：
三、影响亲核取代反应活性的因素
饱和碳原子上的亲核取代反应可按两种不同历程进行.但对一种反应物来说,在一定条件下究竟按什么历程进行,反应活性如何,这与反应物的结构,亲核试剂的性质和溶剂的性质等因素都有密切的关系.
1.烷基结构.
卤代烷烷基的电子效应和空间效应对取代反应活性都有明显的影响.
（1）对SN2历程的影响.
甲基溴、乙基溴、已丙基溴和叔丁基溴在极性较小的无水丙酮中与碘化钾作用是按SN2历程进行的,生成相应的碘化烷.
在SN2反应中,决定反应速率的关键是其过渡态是否容易形成.从电子效应来看：α-碳上电子云密度低,有利于亲核试剂进攻.从空间效应看：当α-碳原子周围取代数目越多,拥挤程度也将越大,对反应所表现的立体障碍也将加大,进攻试剂必须克服空间阻力,才能接近中心碳原子而达到过渡态.所以,从空间效应来说,随着α-碳原子上烷基的增加,SN2反应速率将依次下降.空间效应是最重要的因素.
（2）对SN1历程的影响.
当反应按SN1历程进行时,α-碳原子上的烷基取代基增多,使其反应速率增加.
卤代烷起SN1反应的速率与碳正离子稳定性的次序是一致的.中间体越稳定反应速率越大,SN1电子效应是主要影响因素.综上所述：（反应速度）
在伯碳原子上的亲核取代反应主要按SN2历程进行,在叔碳原子的亲核取代反应主要按SN1历程进行,在仲碳原子的亲核取代反应则根据具体反应条件而定.
空间阻力较大,又不易形成碳正离子的卤代物不易发生SN1、SN2亲核取代反应.
如果被取代的基团连接在桥环化合物的桥头碳原子上进行亲核取代反应时,不论是SN1或SN2历程都是显得十分困难.如：
若亲核试剂按SN2历程,从背面进攻中心碳原子,位阻大,可能性几乎完全被排除.（氯的背面是一个环,亲核试剂不能从背面进攻,所以SN2反应也很难进行）
若按SN1历程进行,氯化物首先要离解为碳正离子,但桥环系统牵制着桥头碳正离子伸展为平面构型,不稳定.因此阻碍了氯化物的解离,取代反应很难进行.
2.离去基团的性质.
亲核取代反应无论按那种历程进行,离去基团总是带着电子对离开中心碳原子的.因此,无论是SN1或SN2反应,离去基团的碱性越弱,在决定速率步骤中愈容易带着电子对离开中心碳原子,即反应物愈容易被取代.假使离去基团特别容易离去,那么反应中有较多的碳正离子中间体生成,反应就按SN1,假使离去基团不容易离去,反应就按SN2.
如：碱性次序 I- < Br- < Cl- .
在卤代烷中它们的离去倾向是：I- > Br- > Cl-
卤代烷的亲核取代反应活性是：RI > RBr > RCl
也可以从C-X键的键能和可极性化来解释.
一些离去基团的离去次序为：
至于碱性很强的基团如：R3C-、R2N-、RO-、HO-等则不能作为离去基团进行亲核取代反应,它们只是在酸性（包括路易斯酸）条件下形成如：R-OH+2、R-OH+-R,使离去基团的碱性相应减弱后,才有可能进行亲核取代反应.如：
3.试剂的亲核性.（指试剂与碳原子的结合能力）
在亲核取代反应中,亲核试剂的作用是提供一对电子与RX的中心碳原子成键,若试剂给电子的能力强,则成键快,亲核性就强.
按SN1进行是时,反应速率只决定于RX的解离,而与亲核试剂无关,因此试剂亲核性的强弱,对反应速率不产生显著影响.
按SN2进行时,亲核试剂参与过渡态的形成,其亲核性能的大小对反应速度将产生一定的影响.一般说,进攻的试剂亲核能力越强,反应经过SN2过渡态所需的活化能就越低,SN2反应越易进行.
试剂亲核性与以下因素有关：
（1）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. 如：HO- > H2O , RO- > ROH
（2）试剂的碱性.
亲核试剂都是带有负电荷或未共用电子对的,所以它们都是路易斯碱,一般说,试剂的碱性愈强,亲核能力也愈强.亲核试剂的亲核能力大致与其碱性强弱次序相对应.
如：EtO- > HO- > C6H5O- > CH3COO- (相同原子负离子越稳定,碱性越弱)
同周期的：R3C- > R2N- > RO- > F- （电负性越大,碱性越弱,越不易提供电子对）
（3）试剂的可极化性.
亲核试剂的可极化性越大,它进攻中心碳原子时,其外层电子就越易变形而伸向中心碳原子,从而降低了形成过渡态时所需的活化能,因此其亲核性能也越强.（碳原子在正电荷的吸引下,亲核试剂负电荷伸向碳正离子）
对碘负离子来说,无论作为亲核试剂还是作为离去基团都表现出很高的活性.因碘负离子可极化性大.亲核性强,碱性弱,易离去.
当伯氯代烷进行SN2水解反应时,常可在溶液中加入少量I-,使反应大为加快,而I-自身却未耗损.
（4）溶剂化作用
卤代烷不溶于水,而亲核试剂往往是无机盐,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,常用醇或其他溶液如丙酮中加水,使两者都能溶解.
①．在醇和水这样的质子溶剂中,亲核试剂与溶剂之间可以形成氢键,即能发生溶剂化作用.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,而象I-这样体积较大的试剂,被溶剂化较小,故表现出强的亲核性能.
②．在非质子溶剂（DMSO,DMF)中,亲核性为： F- > Cl- > Br- > I-.这是因为负电荷裸露在外,正电荷被掩蔽,它易溶剂化正离子,而不易溶剂化亲核试剂负离子.这样的负离子是"赤裸裸"的,有较大的亲核性.亲核性即亲核试剂与碳原子 结合的能力.F-与碳为同周期,轨道大小相近、重叠好,F-C键能大,故在非质子溶剂中F-的亲核性最大.
4.溶剂的影响.
溶剂和分子或离子通过静电的作用称为溶剂化效应.对SN1历程：
过渡态的极性大于反应物,因此,极性大的溶剂对过渡态溶剂化的力量也大于反应物,这样溶剂化释放的能量也大,所以离解就能很快地进行.增加溶剂的极性能够加速卤代烷的离解,对SN1历程有利.
SN2历程：
亲核试剂电荷比较集中,而过渡态的电荷比较分散,也就是过渡态的极性不及亲核试剂,因此,增加溶剂的极性,反而使极性化大的亲核试剂溶剂化,而对SN2过渡态的形成不利.因此,在SN2历程中增加溶剂的极性一般对反应不利.极性小的溶剂对SN2有利.如：C6H5CH2Cl水解的反应,在水中按SN1历程,在极性较小的丙酮中则按SN2历程进行.一般来说,在极性不太弱的溶剂（如含水乙醇）中,叔卤代烃的取代反应是按SN1历程进行.在极性不太强的溶剂（乙醇）中,伯卤代烃的取代反应是按SN2进行.仲卤代烃的取代反应则按两种历程进行,通常是以SN2为主.改变溶剂的极性和溶剂化的能力,常可改变反应历程.在极性很大的溶剂（甲酸）中,伯卤代烷也按SN1.在极性小的非质子性溶剂中（无水丙酮,介电常数21）中,叔卤代烃也可按SN2进行.