2空间效应 SN2反应理想的过渡态,具有五配位中心碳原子 上的三角双锥几何形状,空间因素对反应有显著影响: C一L N一C…+L TS 显然,反应中心碳原子上烷基数目越多,烷基体积 越大,过渡态的中心碳原子周围的拥挤程度就越严重, 必然会显著地降低反应速率。对于SN2历程的反应,a 或β碳上有分支、空间位阻愈大,都使反应速率减慢
２ 空间效应 ⚫ SN2反应理想的过渡态，具有五配位中心碳原子 上的三角双锥几何形状，空间因素对反应有显著影响： ⚫ 显然，反应中心碳原子上烷基数目越多，烷基体积 越大，过渡态的中心碳原子周围的拥挤程度就越严重， 必然会显著地降低反应速率。对于SN2历程的反应，α 或β碳上有分支、空间位阻愈大，都使反应速率减慢。 Nu: + C L - - - δ δ Nu C L δ + T.S Nu C + L:-
对于SN1反应来说,在速度控制步骤的解 离过程中中心碳原子由原来的Sp3杂化的 四面体变为5p2杂化的平面或近于平面的碳 正离子,一定程度解除了拥挤状态(B张力 的解除)。中心碳原子上取代基越多,取代 基体积越大,过渡态中拥挤状态减轻的相对 程度就更大,速率的增加也就更显著。 按S1历程进行的反应,α碳原子的分支 使反应速率增加。主要原因是碳正离子的稳 定性,通常叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳 正离子。β位的分支对于S1反应速率的影 响较小,通常是β分支加大,S1反应速率 仅略有增加
⚫ 对于SN1反应来说，在速度控制步骤的解 离过程中，中心碳原子由原来的sp3杂化的 四面体变为sp2杂化的平面或近于平面的碳 正离子，一定程度解除了拥挤状态（Ｂ张力 的解除）。中心碳原子上取代基越多，取代 基体积越大，过渡态中拥挤状态减轻的相对 程度就更大，速率的增加也就更显著。 ⚫ 按SN1历程进行的反应，α碳原子的分支 使反应速率增加。主要原因是碳正离子的稳 定性，通常叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳 正离子。β位的分支对于SN1反应速率的影 响较小，通常是β分支加大，SN1反应速率 仅略有增加
环体系对亲核取代反应速率的影响。无论S还是 S2反应,速度控制步骤的过渡态都要求作用物由四面 体形变为平面的或近于平面的sp2杂化的构型,这就要 求小环分子发生较大的变形。 实验数据表明,三员环和四员环化合物比五员环化合 物的反应速率小得多。这是因为在SN2过渡态中要求反 应中心碳原子从sp3杂化变为5p2杂化构型,小环产生的 角张力更大。环戊基作用物与环己基类似物相比,无论 是SN还是SN2反应,前者总比后者快。 在桥环化合物中,当离去基团位于桥头碳原子上时 由于该碳原子既难于变为平面或近于平面的构型,又由 于笼状结构的空间位阻关系排除了亲核试剂从离去基团 背面进攻的可能性,因而发生S1反应与SN2反应都很 困难
⚫ 环体系对亲核取代反应速率的影响。无论SN1还是 SN2反应，速度控制步骤的过渡态都要求作用物由四面 体形变为平面的或近于平面的sp2杂化的构型，这就要 求小环分子发生较大的变形。 ⚫ 实验数据表明，三员环和四员环化合物比五员环化合 物的反应速率小得多。这是因为在SN2过渡态中要求反 应中心碳原子从sp3杂化变为sp2杂化构型，小环产生的 角张力更大。环戊基作用物与环己基类似物相比，无论 是SＮ1还是SＮ2反应，前者总比后者快。 ⚫ 在桥环化合物中，当离去基团位于桥头碳原子上时， 由于该碳原子既难于变为平面或近于平面的构型，又由 于笼状结构的空间位阻关系排除了亲核试剂从离去基团 背面进攻的可能性，因而发生SN1反应与SN2反应都很 困难
亲核试剂 对于S1反应,亲核试剂不参与速率控制步骤,因 此影响较小。但对于SN2反应,亲核试剂亲核性能的 强弱将对SN2反应的速率产生极大的影响。 亲核试剂都有未共用电子对,是路易斯碱。一般说 来,试剂的碱性强,亲核能力也强,但碱性与亲核性 不完全等同。碱性是指试剂对质子的亲合能力,而亲 核性则是指试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能力 第二,碱性是指对热力学平衡的影响,与平衡常数有 关;而亲核性则意味着对动力学过渡态情况,直接影 响反应速率;第三,碱性很少受到空间因素影响,而 亲核性对空间效应的影响很敏感
二 亲核试剂 ⚫ 对于SN1反应，亲核试剂不参与速率控制步骤，因 此影响较小。但对于SN2反应，亲核试剂亲核性能的 强弱将对SN2反应的速率产生极大的影响。 ⚫ 亲核试剂都有未共用电子对，是路易斯碱。一般说 来，试剂的碱性强，亲核能力也强，但碱性与亲核性 不完全等同。碱性是指试剂对质子的亲合能力，而亲 核性则是指试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能力； 第二，碱性是指对热力学平衡的影响，与平衡常数有 关；而亲核性则意味着对动力学过渡态情况，直接影 响反应速率；第三，碱性很少受到空间因素影响，而 亲核性对空间效应的影响很敏感
试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况: (1)试剂中亲核原子相同时(如o),其亲核性与 碱性顺序都是: oRo>HO-> Aro">RCoo>ROH H2o 带负电荷试剂的亲核性比其共轭酸大,碱性也强 ArO小于Ho·,是因为芳环与氧共轭,电子平均化 使负电荷分散的结果。RCoo小于ArO是因为C=0 吸电子的缘故。 (2)周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂 电负性大,亲核性小,碱性也小。如: NH.>HO->F R3C>R2N>RO->F
试剂的亲核性与碱性大小一致的有下列情况： ⚫ （1）试剂中亲核原子相同时（如Ｏ），其亲核性与 碱性顺序都是： ⚫ RO－ > HO－ > ArO－ > RCOO－ > ROH > H2O ⚫ 带负电荷试剂的亲核性比其共轭酸大，碱性也强。 ArO－小于HO－ ，是因为芳环与氧共轭，电子平均化 使负电荷分散的结果。RCOO－小于ArO－是因为C=O 吸电子的缘故。 ⚫ （2）周期表中同一周期的元素所产生的同类型试剂， 电负性大，亲核性小，碱性也小。如： ⚫ NH2 － > HO－＞Ｆ－ R3C－ > R2N－ > RO－ > F －
试剂的亲核性与碱性强弱不一致的有以下 种情况: (1)周期表中同族元素产生的负离子或分子中,中 心原子可极化度大的,亲核性较强 亲核性:RS→> RO RSH>ROHR2P>RN 这是由于可极化度大的原子外层电子易变形,更 容易进攻缺电子的碳,形成过渡态所需的活化能较低 显示出较强的亲核性,S2反应易于进行。再如I, SH-,SCN-,这些离子虽然碱性很弱,但是其可极 化性很高,因此亲核性均很高
试剂的亲核性与碱性强弱不一致的有以下三 种情况： ⚫ （1）周期表中同族元素产生的负离子或分子中，中 心原子可极化度大的，亲核性较强。 ⚫ 亲核性： RS－> RO－ RSH＞ROH R3P > R3N ⚫ 这是由于可极化度大的原子外层电子易变形，更 容易进攻缺电子的碳，形成过渡态所需的活化能较低， 显示出较强的亲核性，SN 2反应易于进行。再如I－， SH－，SCN－，这些离子虽然碱性很弱，但是其可极 化性很高，因此亲核性均很高
(2)溶剂对亲核性的影响: 溶剂化作用强的试剂其亲核性小。如卤离子在水、醇 等质子性溶剂中亲核性大小顺序为:I>Br>cl >F·,与其碱性顺序正好相反。 若在N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜等偶极非质子 溶剂中,卤离子的亲核性顺序为:I<Br<Cl<F 与碱性大小顺序一致。 因为在水、醇等质子性溶剂中,负离子与溶剂分子 生成氢键而缔合,体积小、电荷集中的F、C生成的 氢键牢固,与溶剂缔合的程度大,溶剂化作用大;而I 体积大,电荷分散,与溶剂缔合的程度小,溶剂化作用 小。Nu在进攻碳原子前,必须摆脱包围在外面的“溶 剂壳”,缔合程度小的,Nu脱掉外层溶剂愈容易,显 示出亲核性愈强。而N,N-二甲基甲酰胺(DMF 二甲亚砜(DMS0)、六甲基磷酰胺(HMPA)等偶极非 质子溶剂,分子内有明显的偶极
⚫ （2）溶剂对亲核性的影响： ⚫ 溶剂化作用强的试剂其亲核性小。如卤离子在水、醇 等质子性溶剂中亲核性大小顺序为： I－ > Br－ > Cl－ > F－ , 与其碱性顺序正好相反。 ⚫ 若在N，N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜等偶极非质子 溶剂中，卤离子的亲核性顺序为：I－ < Br－ < Cl－ < F － , 与碱性大小顺序一致。 ⚫ 因为在水、醇等质子性溶剂中，负离子与溶剂分子 生成氢键而缔合，体积小、电荷集中的F－、Cl－生成的 氢键牢固，与溶剂缔合的程度大，溶剂化作用大；而I－ 体积大，电荷分散，与溶剂缔合的程度小，溶剂化作用 小。Nu在进攻碳原子前，必须摆脱包围在外面的“溶 剂壳” ，缔合程度小的，Nu脱掉外层溶剂愈容易，显 示出亲核性愈强。而Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺（DMF）、 二甲亚砜(DMSO)、六甲基磷酰胺(HMPA) 等偶极非 质子溶剂，分子内有明显的偶极
这类分子正电荷一端被烷基等包围,空间 阻碍大,负电荷一端裸露在外,因此只缔合 正离子,裸露的负离子作为Nu不被溶剂分子 包围,所以在偶极非质子溶中,卤离子亲 核性次序与碱性一致 +/∠CH3 M--:O一S~CH3B 实验表明,在偶极非质子溶剂中裸露的负 离子亲核性比溶剂化的负离子大得多。如在 DMF中,C|-取代工的速率比甲醇中快 1.2×10倍
⚫ 这类分子正电荷一端被烷基等包围，空间 阻碍大，负电荷一端裸露在外，因此只缔合 正离子，裸露的负离子作为Nu不被溶剂分子 包围，所以在偶极非质子溶剂中，卤离子亲 核性次序与碱性一致。 ⚫ ⚫ ⚫ 实验表明，在偶极非质子溶剂中裸露的负 离子亲核性比溶剂化的负离子大得多。如在 ＤＭＦ中，Cl－取代Ｉ－的速率比甲醇中快 1.2106倍。 ⚫ M O S CH3 CH3 B + - + -
为了加速亲核取代反应,减少亲核剂的溶剂化作用 常常使反应在非质子溶剂中进行。加入冠醚( crown ether)可明显地提高负离子的活性,大大促进SN2反应。 冠醚是最近几十年发展起来的具有特殊络合性能的化合 物。不同结构的冠醚,其空穴尺寸也不同,因而决定它 们对金属离子有较高的络合选择性。例如18-冠-6是有 机合成上很有用的冠醚之一,其空穴半径为2632A 和钾离子半径(266A相近,与适当大小的金属离子能 形成共平面1:1的大络离子,金属离子被络合后,剩下 未被溶剂化活性很高的“裸负离子”( naked anion) 提高了反应活性。 O O 个×Q X O O
⚫ 为了加速亲核取代反应，减少亲核剂的溶剂化作用， 常常使反应在非质子溶剂中进行。加入冠醚(crown ether)可明显地提高负离子的活性，大大促进SN2反应。 冠醚是最近几十年发展起来的具有特殊络合性能的化合 物。不同结构的冠醚，其空穴尺寸也不同，因而决定它 们对金属离子有较高的络合选择性。例如18-冠-6是有 机合成上很有用的冠醚之一，其空穴半径为2.6—3.2Å， 和钾离子半径(2.66 Å)相近，与适当大小的金属离子能 形成共平面1:1的大络离子，金属离子被络合后，剩下 未被溶剂化活性很高的“裸负离子”（naked anion）， 提高了反应活性。 O O O O O O O O O O O O K KX + + X -
(3)试剂的空间因素 空间位阻大的试剂亲核性小。如烷氧负 离子亲核性大小次序为:CH2O~> CHCHO >(CH32CHO>(CH2CO-,刚好与碱性强 弱的次序相反。 ●又如α-烷基吡啶衍生物与碘代烷的S、2反 应,试剂的α空间位阻增大时,亲核性减弱。 如表5-3所示。相应的β-取代吡啶在三个系列 中的相对速率均在18~2.4之间
（3）试剂的空间因素： ⚫ 空间位阻大的试剂亲核性小。如烷氧负 离子亲核性大小次序为：CH3O－ >CH3CH2O－ >(CH3 ) 2CHO－ >(CH3 ) 3CO－ ，刚好与碱性强 弱的次序相反。 ⚫ 又如-烷基吡啶衍生物与碘代烷的SN 2反 应，试剂的-空间位阻增大时，亲核性减弱。 如表5-3所示。相应的-取代吡啶在三个系列 中的相对速率均在1.8~2.4之间