影響親核取代反應的因素

春季，四季之一。春，代表著溫暖、生長。春季，陰陽之氣開始轉變，萬物隨陽氣上升而萌牙生長，大地呈現春和景明之象。

      親核取代反應是有機化學中一類重要的反應， 飽和碳原子上的親核取代反應可按 SN1和SN2兩種不同歷程進行。親核取代反應的兩種歷程，在反應中同時存在，相互競爭。對同一反應物來說，在不同的反應條件下反應速率是不同的； 在相同的條件下，不同的反應物的活性也不同。本文討論了影響親核取代反應的因素，並總結了某些規律。 

      滷代烴的親核取代反應是一類重要的反應。由於這類反應可用於各種官能團的轉變以及碳碳鍵的形成，因此在有機合成中具有廣泛用途。本文將以滷代烴的親核取代反應為例，討論影響親核取代反應的因素，即親核取代反應的反應活性。大量研究表明，親核取代反應的活性與反應物的結構（包括烴基和離去基團的結構） 、親核試劑的親核性和溶劑的性質等因素都有密切的聯繫。 

1、烷基的結構

     烴基的影響體現在兩個方面，一個是電子效應，另一個是空間（立體）效應。一般來說，烴基的電子效應對 SN1 反應的影響更大， 烴基的空間效應對 SN2 反應的影響更顯著。 

1.1 在 SN2 反應中，烴基的空間效應影響佔主導地位，α—碳或 β—碳上支鏈增加，阻礙了親核試劑從離去基團的背面進攻， 且會造成過渡態擁擠程度增加，降低了過渡態的穩定性，使反應速率明顯下降。例如，不同的烷基發生 SN2 反應的平均相對速度如下：

    滷代烴按 SN2 機理進行的活性次序是：

    烯丙型、苄基型、甲基滷代烷 >伯>仲>叔>乙烯型、芳滷、橋頭滷代烷

    在烯丙滷、苄滷的 SN2 反應中，當親核試劑進攻 α- 碳原子時，其反應過渡態應該有 p 軌道的重疊，旁邊的碳碳雙鍵能幫助它分散電荷，起穩定作用。在乙烯型、芳滷的 SN2 反應中，因其分子中存在著 p-π共軛，使碳滷鍵鍵長縮短，鍵能增加，滷原子不易離去。橋頭滷代烷因橋環的立體障礙，親核試劑不能從背面進攻 α- 碳原子，故不易發生 SN2 反應。

1.2 在 SN1 反應中，決定反應速率的步驟是碳正離子的生成， 具有+I 效應和 +C 效應的取代基都可以穩定碳正離子，滷代烴 RX 按 SN1 反應的活性順序為：

烯丙型，苄基型，叔滷代烷 > 仲 > 伯 > 甲基 > 乙烯型，芳滷，橋頭滷代烷。 

例如，下列幾種溴代烷在甲酸溶液中按 SN1 機理進行水解，相對反應速率度為： 

    在烯丙滷、苄滷的 SN1反應中，形成的烯丙型、苄基型正碳離子，因 p-π共軛而有效地分散正電荷，使正碳離子穩定。例如下列碳正離子的穩定性為 ：

    類似地，當雜原子 O、N、S 原子直接和中心碳原子相連時，按 SN1 機理進行反應，反應速度也非常大。在乙烯型、芳滷的 SN1 反應中，形成的乙烯型、苯基型正碳離子不能被有效分散正電荷， 正碳離子不穩定。橋頭滷代烷因很難形成平面的正碳離子，故不易發生 SN1 反應。

2、離去基團（L）

    滷烴的親核取代反應中， 滷素帶著一對電子從碳上離去， 因此也把滷素稱為離去基團。無論在 SN1 還是 SN2反應中，決定反應速率的一步都包括 C—L 的斷裂，離去基團的離去傾向越大，對 SN1 和 SN2 反應越有利。一般來說，離去基團鹼性越弱，則越容易離去。離去基團離去能力大小次序為： 

RSO3—＞RCOO—＞PhO— >> OR—～OH—＞R3C-滷離子的鹼性大小順序為：I-< Br- < Cl-《 F-

滷離子的離去傾向為 I- >Br- > Cl- 》F-。 

    I-是一個好的離去基團 , 因為C—I鍵鍵能低 , 而I-又是一個好的親核試劑 , 因為其變形性大 , 並受溶劑化作用少 , 所以碘代烷既易形成 , 又易被其他親核試劑所取代。因此當一級滷代烷進行 SN2水解反應時，可在溶液中加入少量 I-，使反應加快。例如：

 

表1列出了一些離去基團在親核取代反應中的反應速率比

    至於鹼性很強的基團如 R3C-、R2N-、RO-、HO-等則不能作為離去基團進行親核取代反應，由於 OH-、OR-具有強的鹼性，所以醇和醚本身都不能直接進行親核取代反應。它們只有在酸性條件下質子化， 使離去基團的鹼性減弱後， 才可能進行親核取代反應。例如正丁醇不能被 Br-取代，但在氫溴酸的酸性條件下，反應能按 SN2 反應進行：

    由於 SN1反應的速度決定於反應物的離解 , 因此, 親核試劑的性能對 SN1反應速率沒有明顯影響 , 但是, 親核試劑的性質對 SN2 反應的影響較大。一般地講 , 試劑的親核性越強 , 反應經過 SN2 歷程過渡態所需活化能就越低，進行 SN2 反應速度越快。試劑的親核性與試劑的鹼性 , 可極化性和空間因素有關 , 也與試劑所在的溶劑有關。根據親核試劑在甲醇溶劑中與碘代甲烷反應的相對反應速度， 將一些親核試劑的相對親核性強弱列於表 2 ：
                       表 2 親核試劑的相對親核性強弱

2 試劑所帶電荷的性質

    一個帶負電荷的親核試劑要比相應呈中性的試劑更為活潑。例如， OH->H2O，RO->ROH 等。 

2.1 試劑的鹼性

    親核試劑都是帶有負電荷或者未共用電子對的， 所以它們都是路易斯鹼。一般說，試劑的鹼性越強， 親核能力也越強。在很多情況下 , 親核性與鹼性強弱順序一致。但要注意親核性與鹼性是既有區別又有聯繫的兩個不同概念。鹼性是指試劑與氫質子的親和力 , 通常用試劑共軛酸的 pKa表示。pKa越大 , 試劑的共軛鹼性越強。親核性是指鹼在過渡態對碳原子的親和力。這種親和力沒有 pKa那樣有具體的數據 , 可比性要差些。鹼性與親核性的共性 , 都強調自身提供電子的能力 , 也就是說與 H+或帶正電荷的碳原子結合時應有較大的電子云密度。親質子試劑未成鍵電子對與氫質子空的 ls軌道的重疊, 根據軌道匹配原理 , 同族內氫化物的 pKa, H2O(15.7) H2S(6.97), 則共軛鹼性OH- > SH- , 顯然OH-中氧原子與氫質子的成鍵比 HS-中碳原子與氫質子成鍵更為有效。但親核性卻 SH-> OH- , 因為硫原子的供電能力和變形性要大於氧原子。而鹼性強調基團和氫質子的結合能力 , 況且質子體積又很小 , 所以不考慮其空間位阻和原子的變形性。例如： 

但由於空間效應、親核性與鹼性強弱順序可能不一致。 例如：

2.2 溶劑對親核性的影響

    溶劑對親核性的強弱也有影響。 滷代烷不溶於水， 但親核試劑往往溶於水而不溶或幾乎不溶於非極性有機溶劑中， 要使親核取代反應在溶液中進行， 常用醇或其他有機溶劑如丙酮中加水， 使兩者都能溶解。在質子溶劑中， 親核試劑與溶劑間可以形成氫鍵，即能發生溶劑化作用。帶相同電荷的原子，體積小的親核試劑，形成氫鍵的能力強，溶劑化作用大， 這樣削弱了親核試劑與中心碳原子之間的作用， 其親核性受到溶劑的抑制最為顯著。 

    周期表中同族元素所產生的負離子或分子， 體積大的受溶劑的抑制小， 親核性強。

      溶劑的性質對親核取代反應也有一定的影響， 溶劑主要是通過影響過渡態的穩定性，從而影響反應活化能而影響反應速率。在溶劑中，分子或離子都可以通過靜電力與溶劑分子相互作用（溶劑化效應） ，這種相互作用的強弱取決於兩方面：溶劑的極性和分子或離子的極性。溶劑的極性越強, 溶劑化作用越強；分子或離子的極性越強 , 溶劑化作用也越強。離子的電荷高度集中, 當然，溶劑化作用也大。而另一方面 , 溶劑化作用能增加分子或離子的穩定性 , 溶劑化作用大 , 分子或離子的穩定性也大。增大溶劑的極性有利於 SN1 反應而不利於 SN2 反應。因為在 SN1 反應中 , 決速步驟中過渡態的電荷比反應物集中 , 增加溶劑極性 , 能穩定過渡態而降低活化能 , 有利於 RX 離解為 R+和 X- . 例如溴代叔丁烷的溶劑解隨溶劑的極性增加而加速。

      但在 SN2 反應中 , 反應物電荷集中 , 而過渡態電荷較分散 , 雖然, 溶劑化作用對反應物和過渡態都有穩定作用 , 但對反應物的穩定化作用更大。因此 , 增加溶劑化作用 , 對進攻試劑比對反應過渡態更有利。因此, 在非極性溶劑中和極性小的溶劑中 , 對 SN2有利, 而極性大的溶劑對 SN2 不利。通常 , 溶劑的極性和離子化能力增加 , 有助於使機理從 SN2 向 SN1 轉化, 而從質子化溶劑向非質子化溶劑轉變則有利於 SN2。例如下列反應加入 18- 冠- 6 有利於 SN2 反應的進行。

      通過上述討論可以得出影響親核取代反應活性的主要因素有反應底物的結構（包括烴基和離去基團的結構） 、親核試劑的親核性和溶劑的性質等。掌握親核取代反應的相關規律可以對有機合成有更大的指導作用。 

參考文獻：

[1] 曾紹瓊 ,李景寧 .有機化學 [M]. 北京 :高等教育出版社 ,2009,245

[2] 王積濤 . 高等有機化學 [M]. 北京 :人民教育出版社 ,2009,178

[3] 王京 ,影響親核取代反應的因素 [EB/OL]. 中國高等教育網 ,2010-4-27. 

[4] 孫佔懷 .影響親核取代反應的因素 [J]. 內蒙古石油化工 ,2002,29,26 

[5] 袁履冰 . 有機化學 [M]. 北京 :高等教育出版社 ,1999,104