第16卷第5期 大学化学 2001年10月 师生笔谈 亲核取代反应与离子对理论 徐端祥 (复旦大学97级化学基地班上海20043) 摘要本文介绍了亲核取代反应的两种经典的反应历程，并在此基础上引入离子对的有关概 念，讨论了亲核取代反应的离子对历程，同时对应用现代实验手段研究离子对作了简要介绍。 1亲核取代反应 所有的有机反应都可以归入以下6种类型：取代、加成、消除、重排、氧化还原以及上述反 应类型的组合。其中亲核取代反应是很重要的一类反应。 亲核取代的反应一般式为 Nu:+RX是LNI-R一X】快RNu+X: 从反应物的浓度对反应速度影响的研究发现，有些亲核取代反应的速度取决于RX和 N:的浓度，在动力学上为二级反应；而有些反应的速度仅与RX浓度有关，动力学上为一级 反应。为了解释这一现象，Ingold于1933年提出了两种反应机理，即Sw1(单分子亲核取代)机 理和S2(双分子亲核取代)机理。两种反应机理在动力学、溶剂效应以及产物的立体化学特 征等方面存在差别。Sz反应历程有Walden翻转现象，S历程则给出外消旋体，并有可能得 到重排产物。因此我们可以通过反应的立体化学来鉴别亲核取代反应的S1或S2历程。 可是一般S反应给出的不完全是外消旋化合物。如(-)2-溴辛烷在60%的水-乙醇溶 液中水解时，只得到66%的外消旋化合物，另外34%是构型翻转的产物。此外S2的过渡态的 中心C原子是5价，缺乏直接证明。对此现象，有的书上解释为两种机理并存，也有的书上只 笼统地说“大多数反应居于两个极端的机理之间”，而大多数书上则提出了一个新的机理一 离子对机理(lomrpair Mechanism)。 2离子对理论 离子对的概念是Bjerrum于1926年首次提出的，许多科学工作者对此作了改进和发展， 并用实验的成功加以肯定。离子对为热力学实体，与游离离子共存于平衡中。 A*B题A*+B 离子对 游离的离子 许多实验结果表明，离子对可能是亲核取代反应的中间体。如在叔丁基衍生物rBuX的 溶剂解反应中，X作为离去基团，其性质应该对下列反应没有影响。 42 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnkine
第 16 卷 第 5 期 大学化学 2001 年 10 月 师生笔谈 亲核取代反应与离子对理论 徐端祥 (复旦大学 97 级化学基地班 上海 200433) 摘要 本文介绍了亲核取代反应的两种经典的反应历程 ,并在此基础上引入离子对的有关概 念 ,讨论了亲核取代反应的离子对历程 ,同时对应用现代实验手段研究离子对作了简要介绍。 1 亲核取代反应 所有的有机反应都可以归入以下 6 种类型 :取代、加成、消除、重排、氧化还原以及上述反 应类型的组合。其中亲核取代反应是很重要的一类反应。 亲核取代的反应一般式为 : Nu∶+ RX 慢 [ N u δ- R X δ- ] 快 RNu + X∶ 从反应物的浓度对反应速度影响的研究发现 ,有些亲核取代反应的速度取决于 RX 和 Nu :的浓度 ,在动力学上为二级反应 ;而有些反应的速度仅与 RX 浓度有关 ,动力学上为一级 反应。为了解释这一现象 ,Ingold 于 1933 年提出了两种反应机理 ,即 SN1 (单分子亲核取代) 机 理和 SN2 (双分子亲核取代) 机理。两种反应机理在动力学、溶剂效应以及产物的立体化学特 征等方面存在差别。SN2反应历程有 Walden 翻转现象 ,SN1历程则给出外消旋体 ,并有可能得 到重排产物。因此我们可以通过反应的立体化学来鉴别亲核取代反应的 SN1或 SN2历程。 可是一般 SN1反应给出的不完全是外消旋化合物。如( - )222溴辛烷在 60 %的水2乙醇溶 液中水解时 ,只得到 66 %的外消旋化合物 ,另外 34 %是构型翻转的产物。此外 SN2的过渡态的 中心 C 原子是 5 价 ,缺乏直接证明。对此现象 ,有的书上解释为两种机理并存 ,也有的书上只 笼统地说“大多数反应居于两个极端的机理之间”,而大多数书上则提出了一个新的机理 ── 离子对机理(Ion2pair Mechanism) 。 2 离子对理论 离子对的概念是 Bjerrum 于 1926 年首次提出的 ,许多科学工作者对此作了改进和发展 , 并用实验的成功加以肯定。离子对为热力学实体 ,与游离离子共存于平衡中。 A +B - K离解 A + + B - 离子对 游离的离子 许多实验结果表明 ,离子对可能是亲核取代反应的中间体。如在叔丁基衍生物 t2BuX 的 溶剂解反应中 ,X- 作为离去基团 ,其性质应该对下列反应没有影响。 24
CH o-cls 一X+ CH SOH H*+ 而实验结果却给出反例：一系列叔丁基衍生物于同样温度(75○下，在不同极性的溶剂中所 得消除产物（烯烃）的百分比列于表1。 表1ru衍生物rBX在不同溶剂中形成烯烃的百分比 H2O C:HOH CH;COOH 76 44.2 73 6.6 36.0 69.5 6.6 32.3 S+(CH2)2SOi 6.5 17.8 11.7 这表明，在极性较低的溶剂中，产物的分布与X有关。可以解释为：在极性较低的溶剂 中的离子不如在水中那样被高度溶剂化，正负离子仍紧密地联系着成为离子对，从而影响了以 后的变化过程。 Winstein及其合作者将离子对概念应用于卤代烷的溶剂解反应，提供了从动力学角度研 究反应机理的范例。 Ingold认为在溶剂解反应中溶剂分子的亲核性与离去基团的差不多，应用稳态近似，导出 反应速率与X浓度有关，解释了同离子速率抑制现象：然后进一步修正模型，同时成功地解 释了同离子速率抑制和一般盐效应速率增加的现象。Hammond假说则从碳正离子的过渡态 结构给出说明。 1951年，Winstein研究在醋酸醋酸钠缓冲体系中1氯-3甲基2丁烯和3氯-3甲基丁 烯的溶剂解反应： 将ln【Ac0']o/[AcO°对1作图，其中反应物2得到的曲线不符合线性的一级反应速 率曲线，在开始阶段斜率较大。通过研究产物发现，反应物2另有重排至1的竞争反应，且此 Me Me 43 1994-2008 China Academie Jour Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
C CH3 CH3 H3C X X - + C CH3 CH3 CH3 + E1 C H3C H3C CH2 SOH H + + C CH3 CH3 H3C OS 而实验结果却给出反例 :一系列叔丁基衍生物于同样温度 (75 ℃) 下 ,在不同极性的溶剂中所 得消除产物(烯烃) 的百分比列于表 1。 表 1 t2Bu 衍生物 t2BuX在不同溶剂中形成烯烃的百分比 X H2O C2H5OH CH3COOH Cl 7. 6 44. 2 73 Br 6. 6 36. 0 69. 5 I 6. 6 32. 3 S + (CH2 ) 2SO - 4 6. 5 17. 8 11. 7 这表明 ,在极性较低的溶剂中 ,产物的分布与 X - 有关。可以解释为 :在极性较低的溶剂 中的离子不如在水中那样被高度溶剂化 ,正负离子仍紧密地联系着成为离子对 ,从而影响了以 后的变化过程。 Winstein 及其合作者将离子对概念应用于卤代烷的溶剂解反应 ,提供了从动力学角度研 究反应机理的范例。 Ingold 认为在溶剂解反应中溶剂分子的亲核性与离去基团的差不多 ,应用稳态近似 ,导出 反应速率与 X - 浓度有关 ,解释了同离子速率抑制现象 ;然后进一步修正模型 ,同时成功地解 释了同离子速率抑制和一般盐效应速率增加的现象。Hammond 假说则从碳正离子的过渡态 结构给出说明。 1951 年 ,Winstein 研究在醋酸2醋酸钠缓冲体系中 12氯232甲基222丁烯和 32氯232甲基212丁 烯的溶剂解反应 : 将 ln [AcO - ]0/ [AcO - ] 对 t 作图 ,其中反应物 2 得到的曲线不符合线性的一级反应速 率曲线 ,在开始阶段斜率较大。通过研究产物发现 ,反应物 2 另有重排至 1 的竞争反应 ,且此 34
反应不受同离子效应的影响，于是Winstein应用了离子对的概念对此加以解释。 到了1958年，在研究以下化合物A的溶剂解反应时，考虑离子M0 对参与的机理，导出其溶剂解反应速率常数k:与外消旋化速率常数 k间应有如下关系：在体系中加入非亲核性的离子物种LiCO4时 若LCO4]趋向于无穷大，则k/k1的值趋于1。但实验结果显示并 非如此，而且在低的高氯酸盐浓度时，k显示出明显的非线性关系。 Winstein将此称为“特殊盐效应”。 为解释这一实验现象，Winstein提出离子对能以两种不同形式 化合物A 存在：紧密离子对和溶剂分隔离子对为两个热力学上不同的物种，能 存在于相当宽的温度范围内，在介质分子的溶剂作用下，处于动态平衡。特殊盐效应正是由于 高氯酸根负离子抑制了溶剂分割离子对向紧密离子对外返过程的结果。 3亲核取代反应和离子对机理 离子对历程一般认为分三步进行：第一步是中性分子的电离，但两个带相反电荷的离子仍 靠在一起，形成紧密离子对，第二步是少数溶剂分子进入到两个离子中间，形成溶剂分隔离子 对：第三步中，带不同电荷的离子完全被溶剂分子所包围，形成溶剂化了的碳正离子和负离子 整个过程表示如下： RX三[R*X]三[R*X]三[R]+[X】 对于用离子对机理解释亲核取代反应，各本书上的看法和描述不尽相同。有的书上仅仅 用其来解释S,反应产物结构的部分翻转现象，也有的书上考虑Winstein提出的两种离子对， 提出了亲核取代反应的离子对机理“A Unified Theory of Aliphatic Nucleophilic Substitu tion”。 RxRX号RXRX A B D k4 Nu- ks Nu- ks Nu- 产物 具有决定速度的123步反应是单分子的，分别指定为S1(A)、(B)、(C);具有决定速度 的4~7步反应是双分子的，分别指定为S2(A)~(D)。在此基础上，Hughes和Ingold经典的 SN2历程变成S2(A)和它的SN1加上原先设想它完全离解那样，包括3种S1历程中任一种所 提供的经由步骤7形成产物，它们都包括在S1反应范畴中，它表明了从全部外消旋化到全部 构型翻转的所有可能立体化学现象。现在我们可以用决定产物步骤的不同概念来合理说明， 如下图所示。图中S和S2指产物的立体化学特征。 x合RX会RIX启RX点点点R+x Nu Nu- Nu-Nu- INu- NuR 主要为S NuR+NuR 考察外消旋化速度和交换速度，在典型的双分子历程中，它们之间的比应为2.00/1.00」 44 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.cnkinet
反应不受同离子效应的影响 ,于是 Winstein 应用了离子对的概念对此加以解释。 到了 1958 年 ,在研究以下化合物 A 的溶剂解反应时 ,考虑离子 对参与的机理 ,导出其溶剂解反应速率常数 kt 与外消旋化速率常数 kα间应有如下关系 :在体系中加入非亲核性的离子物种 LiClO4 时 , 若[LiClO4 ]趋向于无穷大 ,则 ka/ kt 的值趋于 1。但实验结果显示并 非如此 ,而且在低的高氯酸盐浓度时 , kt 显示出明显的非线性关系。 Winstein 将此称为“特殊盐效应”。 为解释这一实验现象 ,Winstein 提出离子对能以两种不同形式 存在 :紧密离子对和溶剂分隔离子对为两个热力学上不同的物种 ,能 存在于相当宽的温度范围内 ,在介质分子的溶剂作用下 ,处于动态平衡。特殊盐效应正是由于 高氯酸根负离子抑制了溶剂分割离子对向紧密离子对外返过程的结果。 3 亲核取代反应和离子对机理 离子对历程一般认为分三步进行 :第一步是中性分子的电离 ,但两个带相反电荷的离子仍 靠在一起 ,形成紧密离子对 ;第二步是少数溶剂分子进入到两个离子中间 ,形成溶剂分隔离子 对 ;第三步中 ,带不同电荷的离子完全被溶剂分子所包围 ,形成溶剂化了的碳正离子和负离子。 整个过程表示如下 : R —X [ R+ X - ] [ R+ X - ] [ R+ ] + [ X- ] 对于用离子对机理解释亲核取代反应 ,各本书上的看法和描述不尽相同。有的书上仅仅 用其来解释 SN1反应产物结构的部分翻转现象 ;也有的书上考虑 Winstein 提出的两种离子对 , 提出了亲核取代反应的离子对机理 ———“A Unified Theory of Aliphatic Nucleophilic Substitu2 tion”。 具有决定速度的 1、2、3 步反应是单分子的 ,分别指定为 SN1 (A) 、(B) 、(C) ;具有决定速度 的 4～7 步反应是双分子的 ,分别指定为 SN2 (A) ～(D) 。在此基础上 ,Hughes 和 Ingold 经典的 SN2历程变成 SN2 (A) 和它的 SN1 ,加上原先设想它完全离解那样 ,包括 3 种 SN1历程中任一种所 提供的经由步骤 7 形成产物 ,它们都包括在 SN1反应范畴中 ,它表明了从全部外消旋化到全部 构型翻转的所有可能立体化学现象。现在我们可以用决定产物步骤的不同概念来合理说明 , 如下图所示。图中 SN1和 SN2指产物的立体化学特征。 考察外消旋化速度和交换速度 ,在典型的双分子历程中 ,它们之间的比应为 2. 00/ 1. 00 , 44
而在单分子过程中应当相等。实验结果表明，在比较强极性的非质子性溶剂的“有利”情况中 对于能得到较稳定碳正离子的物种，其k/kh大于2.0011.00，这些和离子对历程的图解相 一致。同时实验结果表明，在较高浓度的亲核试剂中，k/kch较小，说明亲核进攻的一般阶 段较先于离子对的溶剂化离解作用过程，具有外消旋化作用的离子对内返的数量将随着较快 的较早的亲核进攻和减少的内返总数而减少。 此外，实验证明其他离子物种也会影响电离离解过程。人们应用气相亲核取代反应的研 究通过测试反应过渡态的物理常数预计反应历程。并有实验结果“导致人们怀疑在非水介质 中协同的S2反应的可能性，即上述反应不涉及中间体”。 Stein则提出有关过渡态范围的一幅相当完善的图解，表明无协助的单分子过程与亲核试 剂协助的双分子过程相竞争。 RIX SOH R+Xo SOH ROS+H+X Nu R'IX 4离子对研究的现代实验手段 4.1光谱学研究 各种光谱学如UV、ESR NMR,IR和Raman技术可以提供离子对的精细结构知识。 实验观察到碱金属正离子和四烷基铵正离子间性质有很大不同。在含有RN+的质子性 溶剂中，各种硝基苯负离子的ES谱强烈地位移，而碱金属离子的几乎完全没有位移 又如，已经证实B山N+最里面的亚甲基质子共振的确与负离子的相互作用密切相关。在 MOH溶液中若增加盐的浓度B山N+的N亚甲基质子的多重质子共振峰移向低场。分析这 些位移发现紧密离子对的形成包含有负离子与内部的亚甲基的相互作用，位移的大小是负离 子的大小和它与溶剂相互作用的函数。这些结果表示负离子最初溶剂化作用的25%贡献给 离子对的形成。 4.2能学关于离子对结构的研究 现代理论运用统计微扰理论常用的Monte Carlo模拟，扩展的RISM法计算积分方程研究 水中叔丁基氯的原型S,反应，提供了有关离子对局部水合的能量和变化的观点，这种观点受 到紧密离子对存在的事实支持 4.3次级-氘同位素效应的研究 在反应中CH键不破坏的地方发现有氘同位素效应，这种效应叫次级氘同位素效应 若氘取代有离去基团的碳上的氢，这类氘引起的次级同位素效应称为次级：氘同位素效应。 该效应与碳正离子性质有关，S1反应有较高次级心氘同位素效应，由离去基团的性质决定， S2反应有近似的次级氘同位素效应。可以利用次级氘同位素效应来探测中间体和过渡 态的性桥 如顺和反2芳基环戊基的对甲苯磺酸酯在HCOOH AcOH和EtOH中溶剂解，显示一个 较高的次级：氘同位素效应(kk如>1.15)，表明第一步反应有一个经典的紧密离子对，然后 再离解成一个溶剂分隔离子对。 1994-2008 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
而在单分子过程中应当相等。实验结果表明 ,在比较强极性的非质子性溶剂的“有利”情况中 , 对于能得到较稳定碳正离子的物种 ,其 krac/ kexch大于 2. 00/ 1. 00 ,这些和离子对历程的图解相 一致。同时实验结果表明 ,在较高浓度的亲核试剂中 , krac/ kexch较小 ,说明亲核进攻的一般阶 段较先于离子对的溶剂化2离解作用过程 ,具有外消旋化作用的离子对内返的数量将随着较快 的、较早的亲核进攻和减少的内返总数而减少。 此外 ,实验证明其他离子物种也会影响电离2离解过程。人们应用气相亲核取代反应的研 究 ,通过测试反应过渡态的物理常数预计反应历程。并有实验结果“导致人们怀疑在非水介质 中协同的 SN2反应的可能性 ,即上述反应不涉及中间体”。 Stein 则提出有关过渡态范围的一幅相当完善的图解 ,表明无协助的单分子过程与亲核试 剂协助的双分子过程相竞争。 4 离子对研究的现代实验手段 4. 1 光谱学研究 各种光谱学如 UV、ESR、NMR、IR 和 Raman 技术可以提供离子对的精细结构知识。 实验观察到碱金属正离子和四烷基铵正离子间性质有很大不同。在含有 R4N + 的质子性 溶剂中 ,各种硝基苯负离子的 ESR 谱强烈地位移 ,而碱金属离子的几乎完全没有位移。 又如 ,已经证实 Bu4N + 最里面的亚甲基质子共振的确与负离子的相互作用密切相关。在 MeOH 溶液中若增加盐的浓度 ,Bu4N +的 N2亚甲基质子的多重质子共振峰移向低场。分析这 些位移发现紧密离子对的形成包含有负离子与内部的亚甲基的相互作用 ,位移的大小是负离 子的大小和它与溶剂相互作用的函数。这些结果表示负离子最初溶剂化作用的 25 %贡献给 离子对的形成。 4. 2 能学关于离子对结构的研究 现代理论运用统计微扰理论常用的 Monte Carlo 模拟 ,扩展的 RISM 法计算积分方程研究 水中叔丁基氯的原型 SN1反应 ,提供了有关离子对局部水合的能量和变化的观点 ,这种观点受 到紧密离子对存在的事实支持。 4. 3 次级α2氘同位素效应的研究 在反应中 C —H 键不破坏的地方发现有氘同位素效应 ,这种效应叫次级氘同位素效应。 若氘取代有离去基团的碳上的氢 ,这类氘引起的次级同位素效应称为次级α2氘同位素效应。 该效应与碳正离子性质有关 ,SN1反应有较高次级α2氘同位素效应 ,由离去基团的性质决定 , SN2反应有近似的次级α2氘同位素效应。可以利用次级α2氘同位素效应来探测中间体和过渡 态的性质。 如顺2和反222芳基环戊基的对甲苯磺酸酯在 HCOOH、AcOH 和 EtOH 中溶剂解 ,显示一个 较高的次级α2氘同位素效应( k H/ kD > 1. 15) ,表明第一步反应有一个经典的紧密离子对 ,然后 再离解成一个溶剂分隔离子对。 54