亲核取代反应

亲核取代反应(Nucleophilic Substitution Reaction)，简称SN，是有机化学中一类重要的反应类型。它指的是带有负电或弱负电的亲核体（Nucleophile，简写Nu）攻击并取代靶分子上带正电或部分正电荷的碳核的反应。这类反应在有机合成中具有广泛的应用，可以用于制备醇、醚、硫醇、硫醚、羧酸酯和胺等多种有机化合物。

SN1及SN2反应的机理想必各位都很熟悉，这里不做赘述。我们知道，亲核取代反应采用不同的机理所得到的产物的立体化学结构以及反应速率可能是不相同的。因此，当我们面对一个具体的亲核取代反应时，首要任务是准确判断其更倾向于遵循SN1还是SN2机理。并根据判断选择合适的实验条件以较快的反应速率以及较高的产率得到想要的化合物。

那么我们该如何判断一个亲核取代反应判断其更倾向于遵循SN1还是SN2机理？要想从源头解决这个问题，我们需要了解两各方面，一是两种主要亲核取代反应（SN1与SN2）的立体化学特性，二是影响这些反应进行的关键因素。

亲核取代反应的立体化学

图 1

首先我们来看看两种取代反应的立体化学。当然，SN2反应的结果必然是构型翻转的，这里不作讨论。我们着重讨论一下SN1反应的立体化学。根据SN1反应的机理，反应历程是先形成碳正离子，而后亲核试剂进攻完成取代过程(如图1)。这里需注意，从理论上来说，由于碳正离子是平面结构，亲核试剂从两侧进攻的概率应该是相等的，也就是说产物应以外消旋体形式存在，即构型翻转与未翻转的分子数相等。然而在多数情况下，SN1反应产物的构型翻转概率显著高于未翻转结构。那么这是为什么呢？

图 2

这里就不得不引出一个著名的学说，即离子对学说。离子对学说认为卤代烷在进行亲核取代的过程中会形成紧密离子对，溶剂分隔离子对以及自由离子对。其中紧密离子对在进行亲核取代时，亲核试剂只能有效地从卤素原子的背面发起进攻，从而导致产物构型翻转。我们以同样的方法对另外两种离子对进行推测(这里不做赘述)，汇总后就会得到构型翻转的产物要多于构型未翻转的产物，这与实验结果是一致的。

现在对以上内容进行一个简单的总结，即SN2反应的结果必然是构型翻转的，而SN1反应产生的结果可能是外消旋的，也可能是转型的多于未转型的。另外需要注意的是，SN1生成的碳正离子很有可能发生重排，从而得到不同的化合物。

影响亲核取代反应的因素

在清楚了两种机理的立体化学后，我们需要了解到底是哪些因素影响了亲核取代反应，在什么样的条件下会发生SN1反应，什么样的条件下会发生SN2反应。

烃基结构

烃基结构对取代反应的影响主要有两点，第一点是空间位阻，第二点是碳正离子的稳定性。

对于SN2反应来说，该过程并不涉及碳正离子，而是形成过渡态，那么空间位阻因素占主导地位，因此在同一条件下，在同一条件下，1°C更利于反应的进行，具体顺序为1°C>2°C>3°C.

对于SN1反应来说，既涉及到了空间因素，又涉及到了碳正离子稳定性。首先来看空间因素，我们知道，SN1反应要先生成平面结构的碳正离子中间体，而3°C较为拥挤，更趋向于形成平面结构(空助效应)。此外对于碳正离子来说，3°C更加稳定(超共轭效应)。因此，所以对于SN1反应来说，3°C更容易反应，具体顺序为3°C>2°C>1°C。

图 3

对于其他烷基基团，如乙烯型和卤苯型(图 3)由于卤素离子可与π键共轭，卤素难以离去，SN1与SN2均难发生反应。而苯甲型和烯丙型因为稳定了碳正离子且空间位阻小，因此SN1与SN2均易发生反应。

离去基团的离去能力

无论SN1还是SN2反应都要经历离去基团的离去过程。离去基团离去能力越强，SN1与SN2反应都更容易进行。对于卤代烷来说离去基团为卤素，一般而言离去能力I>Br>Cl>F。导致这一结果的原因主要有两点：一是键能的不同，它决定了化学键断裂和形成的难易程度；二是卤素负离子的稳定性，它影响了离去基团从底物中解离的速率。

图 4

对于键能来说C-I键的键能为238.6kJ/mol，C-Br键的键能为197.3kJ/mol，C-Cl键的键能为355.9kJ/mol，因此C-I键最易断裂，其次是C-Br以及C-Cl。对于卤素负离子的稳定性来说，由于酸性HI>HBr>HCl，所以稳定性I->Br->Cl-。

除卤代烷中的卤素外，硫酸酯(如硫酸二甲酯等)，磺酸酯(如对甲苯磺酸乙酯等)均是好的离去基团。

亲核试剂的亲核能力

同样，根据两种取代反应的机理贝语网校，亲核试剂的亲核能力主要影响的是SN2反应。且对于SN2反应来说，亲核能力越强，反应越容易进行。那么怎么比较亲核试剂的亲核能力呢？

①同一亲核原子，带有负电性的亲核原子比电中性的亲核原子展现出更强的亲核能力。

②同一亲核原子且电荷相同，一般而言碱性越强，亲核能力越强。这里要注意的是，大体积的碱如(CH3)3O-一般不作为亲核试剂。

③同族元素，从上到下亲核能力较强。这主要与可极化性有关。同主族从上到下，原子核对外层电子的束缚能力降低，可极化性增强，亲核能力增强。

这里需要注意的是，碱性和可极化性判断的结果并不总是一致的。关于亲核性的比较后续会有一篇文章专门介绍，欢迎大家持续关注。

溶剂的影响

溶剂通常可分为质子溶剂与偶极溶剂。下面我们将分别进行剖析。

质子溶剂

01

图 5

如图所示，对于SN1反应来说。因为质子溶剂中的质子，可以使反应中产生的负离子溶剂化，使负电荷分散，稳定了负离子，从而降低了反应的活化能，有利于SN1 反应的进行。增加溶剂的酸性，即增加质子形成氢键的能力，有利于反应按SN1的机理进行。

图 6

对于SN2反应来说，质子溶剂能够同时稳定亲核试剂以及过渡态。不过相比于亲核试剂，过渡态的电荷更加分散，这就就导致了亲核试剂活化能的降低的值要大于过渡态。因此总的来说，质子溶剂不利于与SN2反应。

偶极溶剂

02

偶极溶剂不溶剂化负离子，使亲核试剂不受溶剂分子包围，有利于SN2反应。但需要注意的是，若亲核试剂带负电荷，增加溶剂的极性，对SN2反应不利。因为SN2机理在形成过渡态时，由原来电荷比较集中的亲核试剂变成电荷比较分散的过渡态，因而过渡态的极性不如亲核试剂大，而增加溶剂的极性，使极性大的亲核试剂溶剂化，是不利于SN2过渡态形成的。

总结

综合以上内容，我们现在对亲核取代反应的影响因素进行总结，这里我们以卤代烷为例(即离去基团相同的情况下)

①3°C更利于SN1反应，②1°C更利于SN2反应③2°C既可能进行SN1反应也可能进行SN2反应，主要取决于溶剂。偶极溶剂促进SN2反应，而质子溶剂促进SN1反应。

总体而言，若底物的离去基团具备较强的离去能力，或者该底物在离去后形成的碳正离子具有较高的稳定性，那么更倾向于发生SN1反应。反之，SN2反应则更为常见。在大多数情况下，同一反应体系中SN1和SN2反应并非完全互斥，只是两者之间的竞争关系决定了哪一种反应路径占据主导地位。这种复杂性要求我们在设计和分析化学反应时，需要综合考虑底物的结构特性、溶剂效应、温度以及反应物浓度等多种因素，以准确预测和控制反应的主要路径。

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