影响亲核取代反应的因素

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SN1和SN2两种不同历程进行。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。大量研究明，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，α—碳或β—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)2CH 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α-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-π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α-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   CH3Br K        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-π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  H＞C6H5-HCH3＞C2H5CHCH2CHH2                                     CH3    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C—L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：RSO3—＞RCOO—＞PhO— >> OR—～OH—＞R3C—，卤离子的碱性大小顺序为：I- < Br- < Cl-《 F-，卤离子的离去倾向为I- >Br- > Cl- 》F-。 I-是一个好的离去基团,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SN2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 离去基团 —F —Cl —Br H2O —I C6H5— SO3 反应物 RF RCl RBr RH2 RI C6H5SO2—O—R 速率比 10-2 1 50 50 150 300 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-、R2N-、RO-、HO-等则不能作为离去基团进行亲核取代反应，由于OH-、OR-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-                                   SN2  Br-                                 CH3CH2CH2CH2Br  +  H2O 2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[3] 亲 核 试 剂 相 对 速 度 亲 核 性 －I，－HS，－RS ＞105 亲核性很强 －Br，－CN，，－OH，－OR 104 亲核性强 NH3，－Cl，－F，－COOR 10～102 亲核性中等 H2O，ROH 1 亲核性弱 RCOOH 10-2 亲核性很弱 2.1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,H2O(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：C2H5OH ＜ H2O ＜ PhOH ＜ CH3COOH 碱性与亲核性：C2H5O- ＞ 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。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-，RSH>ROH，I->Br->Cl->F- 3溶剂的影响 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 + HBr Sol_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[5] RY    +    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,2009,245 [2]王积涛.高等有机化学[M].北京:人民教育出版社,2009,178 [3]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,2002,29,26 [5]袁履冰.有机化学[M].北京:高等教育出版社,1999,104 The Factors of Affecting Nucleophilic Substitution Reaction Chemistry and Environment Science College，Inner Mongolia Normal University  Chemistry Education Grade 2009，Zhang Dongling  20091103566 Advisor:  Huang Yanchun  Lecturer Abstract: 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 nucleophilic 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