物理有機化學(xué)脂肪素親核取代反應(yīng)課件

氣相中的取代反應(yīng)研究得最多的是帶負(fù)電荷的親核試劑進(jìn)攻中性分子。氣相的反應(yīng)與液相有很大不同，用對液相反應(yīng)的理解去看氣相反應(yīng)會有些難以理解。例如，下列表中某些反應(yīng)是強烈放熱的，但反應(yīng)速率卻很慢。Thisisperplexingbecausethepotentialenergyofanionandaneutralmoleculeinthegasphasemustdecreaseasionandmoleculedrawneartoeachotherallowingstabilizingion-dipoleforcestobecomeimportant.Itseemsreasonablethatoncetheyareclosetogether,ifreactionbetweenthemwerehighlyexothermic,thisreactionshouldproceedveryrapidly.I.SN2ReactionsintheGasphase氣相中的取代反應(yīng)研究得最多的是帶負(fù)電荷的親核試劑進(jìn)攻中性分子1reactionk(10-9cm3molecule-1s-1)ΔH0(kcalmol-1)ΔH0(kJmol-1)OH-+CH3Cl1.6-47.5-199F-+CH3Cl0.8-28.5-119CH3O-+CH3Cl0.49-39.3-164CH3S-+CH3Cl0.78-31.0-13037Cl-+CH335Cl0.0060.00.0CN-+CH3Cl<0.001-27.2-114RateconstantsforSN2reactionsinthegasphasereactionk(10-9cm3molecule-1s-12OlmsteadandBrauman提出了一種機理來解釋這種現(xiàn)象。根據(jù)他們的雙井機理，當(dāng)離子和中性分子接近時，勢能降低，當(dāng)形成一種松散的離子-分子絡(luò)合物時，勢能達(dá)到最低。但當(dāng)離子和分子進(jìn)一步再接近以發(fā)生取代時，其勢能就會升高，當(dāng)達(dá)到過渡態(tài)時為最高，然后逐漸再降低，其最低處相應(yīng)于產(chǎn)物分子和離去基離子的松散的絡(luò)合物。ReactioncoordinatediagramforanexothermicNuc－

+RX→NucR+X－

reactioninthegasphase.這樣的反應(yīng)的速率即使在過渡態(tài)的勢能低于起始物也不一定快，其原因在于熵控制。從較松的絡(luò)合物A到較緊的過渡態(tài)的熵變是較大的負(fù)值，而離解成產(chǎn)物是正的。氣相中的反應(yīng)速率與起始物和過渡態(tài)的熵差有關(guān)，也與過渡態(tài)的能壘高低有關(guān)。OlmsteadandBrauman提出了一種機理來解3比較SN2反應(yīng)的氣相和液相的反應(yīng)進(jìn)程圖，必然會有兩個問題：(l)為什么氣相反應(yīng)中會有兩個能量低谷而在液相反應(yīng)中卻沒有？(2)為什么氣相反應(yīng)中的自由能通常比在液相中的相同反應(yīng)低很多？

例如，氯負(fù)離子與溴甲烷的反應(yīng)is2.5Kcalmol-1(10.5kJmol-1)belowthatofthereactantsinthegasphasebut17.7kcalmol-1(74.1kJmol-1)aboveindimethylformamidesolvent。Theanswertothefirstquestionisthat在液相當(dāng)親核試劑與底物分子的偶極相互作用時，其勢能確有降低，但親核試劑在接近底物分子時也要去溶劑化，這種去溶劑化使勢能升高，并且足以抵消與底物分子的偶極相互作用所產(chǎn)生的勢能降低。Theanswertothesecondquestionalsoinvolvessolvationofthenucleophileinsolution.Thedifferenceinpotentialenergybetweengroundstateandtransitionstateinsolutionissolargebecauseinthestartingmaterialthenucleophileissolvated（溶液中底物是溶劑化的，因此位能較低）andthusstabilized.Inthetransitionstateitisappreciablydesolvated．（在過渡態(tài)是去溶劑化的）比較SN2反應(yīng)的氣相和液相的反應(yīng)進(jìn)程圖，必然會有兩個問題：(4Ⅱ、Ionpairtheory1.AMORECOMPLETEPICTUREOFSN1PATHWAYS雖然有些取代反應(yīng)遵循極限的SN1機理，很多經(jīng)由正離子中間體的取代反應(yīng)其機理可能有下列一或兩點的“修正”：（l）Thesolventprovidesnucleophilicassistancetoionization:（2）Thenucleophileattacksacarbocation-leavinggroupionpairratherthanafreecarbocation．NucleophilicAssistancebytheSolventtoIonization事實上經(jīng)典的SN1和SN2可以被認(rèn)為是兩種極限的機理。它們之間是涇渭分明的。事實上人們早就認(rèn)識到親核取代反應(yīng)應(yīng)該是有著機理譜的。很多實驗證明了親核取代反應(yīng)機理譜的存在。Ⅱ、Ionpairtheory雖然有些取代反應(yīng)遵循極限5在40年代，GrunwaldandWinstein發(fā)展了一種線性自由能關(guān)系，用來檢驗底物在SN1親核取代反應(yīng)中有沒有受到溶劑的親核協(xié)助(而電離)。一開始，他們選擇了t-butylchloride作為模型化合物，認(rèn)為叔丁基氯能在任何情況下都不需要在親核協(xié)助下電離。利用叔丁基氯建立了一套溶劑電離標(biāo)度，稱為Y值：(理論上Y只反映溶劑的電離能力而不包括親核能力)。GrunwaldandWinstein把Y值用在線性自由能關(guān)系中。在這個式中，misasubstrateparameterandindicatestheextenttowhichtheparticularsubstratebeingexamineddependsonsolventionizingpower－thatis,itindicatesthedegreetowhichthesubstrateundergoesunassistedionization.Ks0:叔丁基氯在某一其它溶劑中的反應(yīng)速率常數(shù)；EvidencefromLinearFree-EnergyRelationships在40年代，GrunwaldandWinstein發(fā)展了6但是后來Schleyer在研究下列化合物（1）的重排時發(fā)現(xiàn)，其實在叔丁基氯的電離過程中溶劑的親核協(xié)助還是很嚴(yán)重的。1-氯金剛烷在各種溶劑中的溶劑解速率對Y值作圖，發(fā)現(xiàn)在有親核性的溶劑中是很好的直線，但在氟代溶劑中卻嚴(yán)重偏離直線。氟代溶劑具有高的電離能力，但沒有親核性。在這些溶劑中，1-氯金剛烷的溶劑解速率比按這些溶劑的Y值所對應(yīng)的要快很多。在乙醇中，叔丁基氯比1-氯金剛烷快3000倍，但在非親核性的97%六氟異丙醇/水中只快3倍。因此，叔丁基氯在親核性溶劑中一定是在親核協(xié)助下電離的。這其實就是指出了通常的SN1反應(yīng)并不是“純”的SN1,底物并不完全靠自身電離，因為氯代叔丁烷的親核取代通常被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的SN1機理。1-氯金剛烷的電離被認(rèn)為不可能有親核協(xié)助。但是后來Schleyer在研究下列化合物（1）的重排時發(fā)現(xiàn)，7A:acetone,E:ethanol,M:methanolA:acetone,E:ethanol,M:met8Bentley認(rèn)為他設(shè)計的式子可以把1-氯金剛烷的溶劑解速率與綠代叔丁烷的溶劑解速率聯(lián)系起來，Y:與以前的定義同，但用的是1-氯金剛烷為標(biāo)準(zhǔn)化合物；m的定義也與前同，但也是以1-氯金剛烷為1；溶劑的親核性用N表示，并且有下式為定義：其中0.3Y用于校正溶劑的電離能力對于對甲苯磺酸甲酯溶劑解速率的敏感性，l是底物對溶劑的親核性的敏感性參數(shù)。原以為這樣設(shè)計的Y值可以很好地表示溶劑的極性而與底物無關(guān)。但實際上發(fā)現(xiàn)溶劑的電離能力還與底物的離去基有關(guān)。例如，對甲苯磺酸-1-金剛烷酯的溶劑解速率與1-氯金剛烷的溶劑解速率不成線性關(guān)系。這樣就要建立不同離去基的不同的Y值。Bentley認(rèn)為他設(shè)計的式子可以把1-氯金剛烷的溶劑解速率9Evidencefromα-HydrogenIsotopeffectsSN2反應(yīng)的α-氘同位素效應(yīng)的值在大約為1.因為在SN2的過渡態(tài)中，中心碳原子的前后都有基團(tuán)，α-氫的彎曲振動自由度受阻。但在limitingSN1中，沒有親核試劑進(jìn)攻，其α-氘同位素效應(yīng)的值預(yù)期和實測都要大于1.其大小與離去基的種類有關(guān)，其典型值對磺酸酯為1.22和1.25，氯為1.15，溴為1.13.溶劑解反應(yīng)中其α

-同位素效應(yīng)介于這些值和1之間的就是有溶劑的親核協(xié)助。IonPairsasIntermediatesinNucleophilicSubstitution現(xiàn)在有很多證據(jù)證明在絕大多數(shù)的SN1反應(yīng)中，acarbocationelectrostaticallyremovedfromitsleavinggroupisneverformedbutinsteadthenucleophileattacksanionpair．Evidencefromα-HydrogenIsoto10溶劑解反應(yīng)常常得到取代和消除的混合物。如果是純粹的SN1機理，離去基完全與碳正分離，則離去基的性質(zhì)就不應(yīng)影響到產(chǎn)物的取代與消除的比例，這個比例應(yīng)僅與介質(zhì)有關(guān)。Evidencefromproducts

溶劑解反應(yīng)常常得到取代和消除的混合物。如果是純粹的SN1機理11下表給出了不同叔丁基衍生物在三種溶劑中的溶劑解的產(chǎn)物比。水作為電離能力最強的溶劑，不同叔丁基衍生物的溶劑解的產(chǎn)物比確實與離去基無關(guān)。但在極性較小的溶劑中，產(chǎn)物比確與離去基有關(guān)，這說明中間體中該離去的負(fù)離子還是距碳正離子很近，以致影響到C+其后的反應(yīng)。MolpercentalkeneXint-Bu-XH2O75oCC2H5OH75oCCH3COOH75oCCl7.644.273Br6.636.069.5I6.032.3S+(CH3)2ClO46.517.811.7PartitionBetweenEliminationandSubstitutionint-Butyl-XSolvolysis下表給出了不同叔丁基衍生物在三種溶劑中的溶劑解的產(chǎn)物比。水作12從烯丙型底物的研究也得到相同的結(jié)論。烯丙位的離去基離去后帶正電荷的p-軌道可以與雙鍵共軛，產(chǎn)生離域的烯丙基正離子，如果該離子是自由的，從a和b應(yīng)得相同比例的中間體，得到的產(chǎn)物P1和P2的比例也應(yīng)相同。但事實上在很多反應(yīng)中未重排的產(chǎn)物為主。Again,theresultindicatesanintermediateinwhichtheleavinggroupisstillcloselyassociatedwiththeion.從烯丙型底物的研究也得到相同的結(jié)論。烯丙位的離去基離去后帶正13產(chǎn)物的立體化學(xué)也提供了離子對的證據(jù)。雖然有些手性底物反應(yīng)后得到完全外消旋的產(chǎn)物，如二苯甲基類，但有些叔碳的底物，雖然無論如何都應(yīng)按不需親核協(xié)助的自動電離的SN1方式反應(yīng)，但就是得到部分外消旋的產(chǎn)物。一個例子是化合物11，當(dāng)它在甲醇中溶劑解，得到46%外消旋，54%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物。位阻很大的化合物12在醋酸中得到醋酸酯，90%外消旋，10%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。l-phenylethylchloride(13)在醋酸中得到部分外消旋的1-苯基醋酸乙酯，eventhoughadditionofacetateiondoesnotincreasetherate.11EvidencefromStereochemistry

產(chǎn)物的立體化學(xué)也提供了離子對的證據(jù)。雖然有些手性底物反應(yīng)后得14這些結(jié)果都可以用底物解離成緊密離子(contactionpair)對來解釋。碳正的前面被離去基所保護(hù)，溶劑只能從背面進(jìn)入。部分外消旋可以是產(chǎn)生于緊密離子對階段碳正離子的reorientation，也可以產(chǎn)生于緊密離子對進(jìn)一步變成溶劑分隔離子對，這時溶劑可以從碳正的兩邊進(jìn)入。反應(yīng)物消失的速度(或產(chǎn)物生成)常由滴定生成的酸根離子來測定所以常表示為titrametricrateconstant,kt.表示手性消失的可以有兩種速率：kα：總的光學(xué)活性消失的速率，krac,還沒反應(yīng)的原料的外消旋速率，kex,未反應(yīng)掉的原料的同位素交換速率。這些結(jié)果都可以用底物解離成緊密離子(contaction15Winstein小組發(fā)現(xiàn)，在溶劑解反應(yīng)中，光學(xué)活性消失的速率(kα)經(jīng)常大于產(chǎn)物生成速率(kt)(kα>kt)。例如，對氯二苯氯甲烷在醋酸中的溶劑解的kα/kt比在30到70之間;在含水丙酮中大約是5.外消旋速度快意味著除了生成產(chǎn)物造成的外消旋以外，還有其他過程使原料比生成產(chǎn)物更快地外消旋化。這種過程可以是自由的離去基與自由的碳正的重新結(jié)合，也可能是離子對的返回。但第一種可能可以被排除，因為在有額外加的同位素標(biāo)記的*X－存在下，起始物外消旋的速率要比同位素交換(X－

for*X－)快得多。Winstein小組發(fā)現(xiàn)，在溶劑解反應(yīng)中，光學(xué)活性消失的速率16因此，一定存在著某種中間體，其中的C-X鍵已經(jīng)斷了，但正負(fù)離子還是緊密聚在一起，這可能就是離子對。Goering等人發(fā)展了一種能測定更接近實際電離速率的方法。他們用芳香酸酯為底物，通常用對硝基苯甲酸酯。下列反應(yīng)說明如果把酸中的羰基氧用同位素標(biāo)記，一旦電離，由于酸根負(fù)離子中兩個氧是等同的，因此當(dāng)正負(fù)離子重新結(jié)合時，標(biāo)記氧就趨于在羰基和烷氧上平均分布，而這個過程一定快于外消旋化。確實，對各種取代的二苯甲基酯底物，未反應(yīng)底物的外消旋總是慢于氧的平均化。苯甲酸α-苯基乙酯的情況也相似。因此，測得的標(biāo)記氧擴散的速度是最接近于電離速度的。但還是存在氧電離下來后，來不及兩個氧平均化，原來的烷氧又連上去的可能。因此，一定存在著某種中間體，其中的C-X鍵已經(jīng)斷了，但正負(fù)離17Goering已證明對于對硝基苯甲酸-α,γ-二甲基烯丙基酯確實是在氧平衡前返回，對于對硝基苯甲酸-α-苯基-γ-甲基烯丙基酯是在氧平衡達(dá)到或幾乎達(dá)到才返回。ChangandLeNoblehaveintroducedamoreeasilyusedvariantofGoering’smethod.Insteadof18Otheyuse17Oastheisotopiclabelandfollowitsequilibrationby17Onmr.Goering已證明對于對硝基苯甲酸-α,γ-二甲基烯丙基酯18至此，可知有的SN1反應(yīng)經(jīng)由離子對進(jìn)行。因此，應(yīng)對離子對進(jìn)行討論?？梢钥吹?，有緊密離子對和溶劑分隔離子對。最初關(guān)于兩種離子對存在的證據(jù)來自于Winstein觀察到所謂特殊鹽效應(yīng)。對于經(jīng)由離子中間體進(jìn)行的有機反應(yīng)，其反應(yīng)速率隨介質(zhì)的介電常數(shù)的增大而增大。因此，SN1反應(yīng)會由于加入非同離子而加速。對于通常的溶劑解反應(yīng)，例如醋酸，含水丙酮和乙醇，這種速率的增加服從下列線性關(guān)系式：ContactandSolvent-SeparatedIonPairk0:未加鹽時的速率；ksalt:反應(yīng)液中加鹽后的速率但是，有些反應(yīng)體系不完全遵循這個規(guī)律，即使加的鹽完全沒有親核性。例如，下列化合物在醋酸中溶劑解，至此，可知有的SN1反應(yīng)經(jīng)由離子對進(jìn)行。因此，應(yīng)對離子對進(jìn)行19例如，下列化合物在醋酸中溶劑解，當(dāng)加入很少量非親核性的LiClO4時，反應(yīng)會突然加速，當(dāng)LiClO4繼續(xù)增加，其反應(yīng)速率的增加逐漸變慢，直到符合上式的線性關(guān)系。Winstein解釋這是因為在電離時生成了緊密離子對和溶劑分隔離子對。例如，下列化合物在醋酸中溶劑解，當(dāng)加入很少量非親核性的LiC20其他更近的實驗證明緊密離子對和溶劑分隔離子對都是重要的。例如，手性的2-金剛烷基衍生物溶劑解得到的產(chǎn)物略為有點構(gòu)型保持，這與反應(yīng)主要是在溶劑分隔離子對階段進(jìn)行相符的。在對甲苯磺酸氘代同金剛烷酯(17)的溶劑解中，在正離子18階段可以發(fā)生兩種重排，氫負(fù)遷移得中間體19，烷基遷移得20.兩種遷移可以根據(jù)氘所在的位置來區(qū)別。消除只發(fā)生在較快的烷基遷移所生成的中間體(可能是個緊密離子對)，從另一個較慢的氫遷移所得的中間體(可能是個溶劑分隔離子對)只生成取代產(chǎn)物。其他更近的實驗證明緊密離子對和溶劑分隔離子對都是重要的。例如21綜合考慮前面的實驗事實，就可以提出親核取代反應(yīng)的機理有成如下的各種可能性：TheSN1--SN2MechanisticSpectrumSneenandLarsen甚至提出SN2反應(yīng)其實是親核試劑從背面進(jìn)攻緊密離子對。但是這種提法可能是不對的，因為伯鹵代烴電離需要15-40kcalmol-1

的活化能，而實驗中觀察到的活化能并沒有這么大。綜合考慮前面的實驗事實，就可以提出親核取代反應(yīng)的機理有成如下22Ⅳ、

InfluenceofSolvent,Nucleophile,LeavingGroupandSubstrateStructure反應(yīng)條件會極大地影響脂肪親核取代反應(yīng)的機理。但討論主要集中在兩種極端情況，SN2和SN1。1.Thesolvent溶劑在親核取代反應(yīng)中起到兩種角色。首先它對反應(yīng)物和過渡態(tài)起到溶劑化作用，第二，它也經(jīng)常起到親核試劑的作用。但在這一節(jié)中主要討論前一作用。溶劑極性對反應(yīng)速率的影響一定程度上與反應(yīng)的電荷有關(guān)。Ⅳ、InfluenceofSolvent,Nucle23物理有機化學(xué)脂肪素親核取代反應(yīng)課件24物理有機化學(xué)脂肪素親核取代反應(yīng)課件25SN2reactionsinsolutionSN2可以被分成4種電荷類型。只有類型2的過渡態(tài)的極性大于起始物，因此只有這類反應(yīng)當(dāng)溶劑極性由小變大時其反應(yīng)速率將會增大。溶劑極性從小變大將使類型1、3和4類SN2反應(yīng)變慢。在質(zhì)子溶劑中這4種情況都已被證實，但是在親核試劑體積不大的情況下。當(dāng)從質(zhì)子性溶劑變成非質(zhì)子極性溶劑，多數(shù)SN2反應(yīng)的速率變化不大，但第一類反應(yīng)，即帶電荷的小體積的親核試劑OH-,F-,andCl-的反應(yīng)速率將被大大地加速。人們把反應(yīng)活化能的變化分解成更具體的底物、親核試劑和過渡態(tài)轉(zhuǎn)移自由能，試圖來解釋這些溶劑化效應(yīng)。做法是選定一種質(zhì)子性的標(biāo)準(zhǔn)溶劑和要轉(zhuǎn)移入的某種非質(zhì)子極性溶劑。過渡態(tài)轉(zhuǎn)移自由能是通過計算反應(yīng)物的轉(zhuǎn)移自由能和在兩種溶劑中的活化自由能得到的。SN2reactionsinsolution過渡態(tài)轉(zhuǎn)移26下表給出了電荷類型1的許多反應(yīng)的這幾種轉(zhuǎn)移自由能?？梢钥吹阶兓畲蟮氖菍τH核試劑。ΔGtr(Nuc－)很大，并且是正值，因為負(fù)離子最容易被氫鍵所溶劑化。過渡態(tài)也是負(fù)的，但因為負(fù)電荷被高度分散，ΔG?tr

幾乎為零。以這種模式對其他幾種反應(yīng)類型進(jìn)行分析的結(jié)果揭示了其從質(zhì)子性溶劑轉(zhuǎn)移到非質(zhì)子極性溶劑時反應(yīng)速率變化不明顯的原因。例如，對類型3，正的ΔGtr.(Nuc－)被負(fù)的ΔGtr(RX+)部分地抵消了，因為體積較大的易極化的正離子的溶劑化在非質(zhì)子極性溶劑中比在質(zhì)子溶劑中要好。Thus(CH3)3S+hasaΔGtrfrommethanoltodimethylformamideof－4.2kcalmol－1(－17kJmol－1).下表給出了電荷類型1的許多反應(yīng)的這幾種轉(zhuǎn)移自由能。可以看到變27Freeenergiesoftransferofsubstrate,nucleophileandtransitionstatefrommethanoltodipolaraproticsolventsReaction(n’)bSolventclogks/kCH3OH

CH3I+Cl-(n’=1.30)DMFCAN5.94.6-0.68(-2.8)-0.55(-2.3)8.9(37)8.6(36)0.14(.59)1.8(7.5)CH3I+Br-(n’=1.0)DMF4.2-0.68(-2.8)6.7(28)0.27(1.13)CH3I+SCN-(n’=0.45)DMFACN2.21.4-0.68(-2.8)-0.55(-2.3)3.7(15)3.5(15)0.0(0.0)1.1(4.6)CH3I+N3-DMF4.6-0.68(-2.8)6.7(28)-0.27(-1.13)CH3I+CH3O-DMSO5.4-0.68(-2.8)7.2(30)-0.82(-3.4)CH3I+CN-DMF5.7-0.68(-2.8)8.5(35)0.0(0.0)a

ΔGtrinkcalmol-1.ValueinkJmol-1areinparentheses.b

n’definedbyFreeenergiesoftransferofs28Parker,Gutmann等人已經(jīng)分析了類型1SN2反應(yīng)與AG?tr之間的關(guān)系，以及溶劑的donornumbers(DN)和acceptornumbers(AN)之間的關(guān)系。SN2反應(yīng)活化自由能的變化遵循下列關(guān)系式，其中Δ(AN)是acceptornumber的變化。而Δ(AN)本身與ΔGtr(Cl－)成線性關(guān)系analternativeformulationisthereforeEquation4.33:n’值已在上表中列出。陰離子越小從質(zhì)子溶劑轉(zhuǎn)移到非質(zhì)子溶劑的速率差越大。下式是個大約的半定量關(guān)系：這個極簡單的關(guān)系式說明了在這類反應(yīng)中離子溶劑化效應(yīng)對反應(yīng)有著控制性的作用Parker,Gutmann等人已經(jīng)分析了類型1SN2反29物理有機化學(xué)脂肪素親核取代反應(yīng)課件30好的親核試劑應(yīng)容易把未共用電子對提供給反應(yīng)物，使反應(yīng)很容易進(jìn)行。但親核試劑的親核性(nucleophilicity)與它的堿性(奪質(zhì)子的能力)并不成比例。早期對SN2反應(yīng)的研究多數(shù)是在質(zhì)子溶劑中進(jìn)行的，很快就發(fā)現(xiàn)親核性和堿性并不平行。例如，甲醇中I－的親核性比CH3O－強得多。也發(fā)現(xiàn)如果僅考慮到碳，則一個親核試劑如果對一個底物是好的話，就對所有底物都是好的親核試劑。Swain和Scott建議，試劑在質(zhì)子溶劑中的親核性可以用常數(shù)n來表示。該常數(shù)也是從線性自由能關(guān)系來：TheNucleophileinSN2ReactionswherekistherateofanSN2reactioninwhichthenucleophilehasnucleophilicitynandthesubstratehassensitivitys.標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)是碘甲烷在25oC甲醇中的溶劑解(k0)。人為指定碘甲烷的s值為1.Theparameternforagivennucleophile,Nuc－,thenisdefinedbytheequation(2).（1）（2）好的親核試劑應(yīng)容易把未共用電子對提供給反應(yīng)物，使反應(yīng)很容易進(jìn)31如果一個試劑的親核性強于甲醇，其n值是正值。如果親核性小于甲醇，其n值是負(fù)值。Methanolhasannvalueofzero.下表列出了一些試劑的n值和相應(yīng)的共軛酸在甲醇中的pKa，可以看到兩者是很不一致的。如果一個試劑的親核性強于甲醇，其n值是正值。如果親核性小于甲32物理有機化學(xué)脂肪素親核取代反應(yīng)課件33物理有機化學(xué)脂肪素親核取代反應(yīng)課件34物理有機化學(xué)脂肪素親核取代反應(yīng)課件35顯然堿性與親核性并不完全一致。但Bordwelll發(fā)現(xiàn)，ifthedonoratomiskeptconstantandifthereisnochangeinstericinteractionsthereisusuallyanexcellentcorrelationbetweenbasicityandnucleophilicity.

他的研究是在非質(zhì)子溶劑中進(jìn)行的，因為在質(zhì)子溶劑中，可觀察的堿性范圍很窄。下圖在DMSO中，親核試劑27，28和29對芐氯的SN2取代的反應(yīng)速率對27，28和29相應(yīng)的共軛酸的pKa作圖曲線，注意27和28的各點是完全在平行的直線上，雖然這些點覆蓋了6個pKa單位。29的活性小于27和28，因為兩個鄰位氫的空間沖突使環(huán)不能在同一平面上，導(dǎo)致在SN2反應(yīng)的過渡態(tài)有較大的位阻顯然堿性與親核性并不完全一致。但Bordwelll發(fā)現(xiàn)，if36Plotoflogkvs.pKHAfornitranionsreactingwithPhCH2ClinMe2SOat25oC.

4.15C－>O－>N－Figure4.15Plotoflogkvs.pKHAfornit3727類型做成結(jié)構(gòu)為30的衍生物其點也偏離直線了，也是因為SN2過渡態(tài)的位阻。下圖是與前圖相似的，但包括了化合物31和32的數(shù)據(jù)?？梢钥吹絛onoratom的活性次序是C－>O－>N－，但活性差不大。事實上活性是與底物有關(guān)的，如果進(jìn)攻對甲苯磺酸正丙酯，其活性次序就成為O－>N－>C－。但其斜率，稱為Br?nstedβ

值，對這兩圖中的直線幾乎都是相同的。如果β代表電荷從負(fù)離子轉(zhuǎn)移到親電試劑的分?jǐn)?shù)，這個分?jǐn)?shù)顯然對于很大范圍不同活性不同親核原子是不變的。這個結(jié)果與ProssandShaik的模型是相符的，但與Hammond假設(shè)不符，Hammond假設(shè)認(rèn)為隨著活性的改變其過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)也隨之改變。27類型做成結(jié)構(gòu)為30的衍生物其點也偏離直線了，也是因為SN38Plotoflogkvs.pKHAfornitranion,oxanion,andcarbanionnucleophilesreactingwithPhCH2ClinMe2SOat25oC.4.16C－>O－>N－Plotoflogkvs.pKHAfornit39總結(jié)：Bordwell發(fā)現(xiàn)，如果donoratom不變，并且空間阻礙的情況也恒定，則堿性與親核性是相當(dāng)一致的。他用下列幾個化合物為母體化合物，變換其取代基，測定其對芐氯的親核取代反應(yīng)的k值（在DMSO中），并以其共軛酸的pKHA對k值作圖。得很好的直線關(guān)系，但如果引入能產(chǎn)生立體位阻的取代基，則其k值與pKHA的對應(yīng)點不在上述直線上?？偨Y(jié)：Bordwell發(fā)現(xiàn)，如果donoratom不變，并40在中等到低的介電常數(shù)的溶劑中，負(fù)離子的親核性受到正離子的極大影響，因為在這些溶劑中正負(fù)離子緊密地結(jié)合在一起。因此，正離子絡(luò)合劑如冠醚能極大的提高負(fù)離子的親核活性。穴醚比冠醚更有效。這些絡(luò)合劑可以作為很有效的相轉(zhuǎn)移催化劑，使離子試劑溶于非極性溶劑如苯中。這樣溶解后正離子受到冠醚或穴醚的絡(luò)合，負(fù)離子相對是非絡(luò)合的，因此就會表現(xiàn)得特別的活潑。在中等到低的介電常數(shù)的溶劑中，負(fù)離子的親核性受到正離子的極大41TheNucleophileinSN1Reactions在SN1反應(yīng)中，親核試劑的親核性對反應(yīng)的影響是不明顯的，也較難測定。反應(yīng)速率不是由親核性所決定，在能生成平行競爭產(chǎn)物的反應(yīng)中，其產(chǎn)物比例也不能很好地反映各種試劑的親核性，因為在中間體是很不穩(wěn)定的碳正離子的情況下，親核試劑的反應(yīng)是受擴散速度所控制，對于中間體是較穩(wěn)定的碳正，反應(yīng)速度與溶劑的reorganization速率有關(guān)。Richie試圖規(guī)避這些問題，他設(shè)計了一個比一般溶劑解反應(yīng)所生成的要更穩(wěn)定的碳正離子，測定各種親核試劑與其反應(yīng)的速率。他發(fā)現(xiàn)該物與一系列親核試劑反應(yīng)時，其反應(yīng)速率與試劑的單電子氧化勢(電離勢)成很好的線性關(guān)系。TheNucleophileinSN1Reactio42TheLeavingGroup由于離去基是帶一個負(fù)電荷的，所以好的離去基應(yīng)是有強的攜帶電荷的能力。但溶劑對不同的離去基的離去能力的影響是無可置疑的。在R相同而L不同時，理論上電負(fù)性大者更容易帶著一對電子離去。但對PhCH+(L)CH3,鹵素的離去次序并不符合電負(fù)性大離去快的規(guī)律，而是I>Br>Cl>F，這是因為C-X鍵的鍵能相差較大，原子序數(shù)大的C-X鍵能小而可極化度大，C-I在過渡態(tài)發(fā)生σ-鍵變形，大大有利于SN2親核試劑的進(jìn)攻。TheLeavingGroup43對SN2反應(yīng)，磺酸基和鹵素的離去能力是相當(dāng)?shù)?，其相對活性與親核試劑和溶劑有關(guān)。在乙醇作溶劑時，如果試劑的親核能力強，如p-CH3C6H4S–則tosylate的活性處于Cl和Br之間；如果親核試劑是較弱的C2H5O－,這時其過渡態(tài)可能較“松”，則tosylate的活性大于Cl,Br,I.離去基離去所形成的堿的堿性越強，則越不容易離去。因此，對一般反應(yīng)都成立。但在酸性溶液中形成氧鹽，離去傾向就大大增強，所以醇在H2SO4-NaBr混合液中加熱即可形成溴化物。對SN1反應(yīng)，磺酸基的離去能力比鹵素好。對SN2反應(yīng)，磺酸基和鹵素的離去能力是相當(dāng)?shù)?，其相對活性與親44AllreactionswereruninethanolsolventThefollowingTablegivesleaving-groupreactivitiesforsomeSN2reactions.離去基X底物和親核試劑Temp(oC)kX/kBrI1nC3H7X+p-CH3C6H4S-253.5I2C2H5X+C2H5O-251.9Br1.0Cl3nC3H7X+p-CH3C6H4S-250.0074Cl4C2H5X+C2H5O-400.0024-OSO2C6H4CH35nC3H7X+p-CH3C6H4S-250.44-OSO2C6H4CH36C2H5X+C2H5O-253.6Allreactionswereruninetha45Hoffmann認(rèn)為kOTs/kBr比值是過渡態(tài)中離去基團(tuán)鍵斷裂程度的量度。這是對SN2反應(yīng)而言的。但對SN1反應(yīng)，Hoffmann的假設(shè)是與Hammond的假設(shè)相矛盾的，Hoffmann認(rèn)為大的kOTs/kBr

比例表示大的電荷分離，而Hammond是說較活潑的底物應(yīng)有早期過渡態(tài)，并有較小的電荷分離程度。ThereasonforthisconflictisthatHoffmann'sgroupofsupposedSN1reactionsprobablycontainedmanyreactionsproceedingbytheksprocess;BinghamandSchleyer,examiningdependenceofreactionrateonsolvent,wereunabletodetectanysignificantvariationintransitionstatechargeseparationinaseriesofbridgeheadderivativesofvaryingkOTs/kBr.Hoffmann認(rèn)為kOTs/kBr比值是過渡態(tài)中離去基團(tuán)46表4.14反映了極性非質(zhì)子溶劑對離去基活性的影響。用N3-作為親核試劑，當(dāng)從甲醇為溶劑轉(zhuǎn)變成DMF為溶劑，氯作為離去基增速最小，碘負(fù)離子最大。這主要是由于過渡態(tài)溶劑化的不同。氯的體積小，其電荷較集中，因此在甲醇中的過渡態(tài)的溶劑化作用大，轉(zhuǎn)移到DMF中時自由能增加了;thetransitionstatewiththelarger,morepolarizableiodideleavinggrouphasslightlylowerfreeenergyinDMF.ThesametrendoccurswiththemorepolarizablenucleophileSCN－,butthedifferencearesmaller.reactionlogkDMFb/kCH3OH(RX)(Y－)(?)N3－

+CH3Cl3.3－0.5(－2)6.7(28)1.6(6.7)N3－

+CH3Br3.9－0.4(－2)6.7(28)1.0(4.1)N3－

+CH3I4.6－0.7(－3)6.7(28)－0.3(－1.3)SCN－

+CH3Cl1.4－0.5(－2)3.7(15)1.2(5.0)SCN－

+CH3Br1.7－0.4(－2)3.7(15)1.0(4.1)SCN－

+CH3I2.2－0.7(－3)3.7(15)0.0(0.0)表4.14反映了極性非質(zhì)子溶劑對離去基活性的影響。用N3-作47Substituentsthatformstrongbases,suchas－OH,－OR,－NH2,－SR,arepoorleavinggroups;convertingthemintoaformwithapositivecharge(－OH2+,－N2+,－SR2+)willmakethemmuchmorereactive.Protonationisafeasiblewaytodothisinmanyinstances.Effectofhalo,carbonyl,orcyanogroupsTherearesomestructure-reactivityrelationshipsinSN2reactionsthatappearatfirsttoberatheranomalous.Forexample,α-halogensdecreasetherateofSN2substitutions.TherateofreactionofthechlorinatedmethaneswithallnucleophilesdecreasesintheorderCH3Cl>CH2Cl2>CHCl3>CCl4.Theeffectiselectronic,exertingitselfthroughtheenthalpy(焓),notjusttheentropy(熵)ofactivation.Furthermoreβ-halogensarealsodeactivatingandtheeffectisgreaterthandeactivationbyaβ-methylorβ-ethylgroup.Substituentsthatformstrong48Theeffectof

α-carbonylandα-nitrilegroupsismorecomplicated.Whethertheyaccelerateordeceleratereactiondependsonthestrengthofthenucleophile.Ifthenucleophileisstrong,theratetendstobeenhancedbutifitisweaktherateisdepressed.Forexample,phenacylbromide41reactsmuchfasterthanbenzylbromide42withpotassiumiodideinacetonbutwhenanamineisthenucleophiletheorderisreversed.這種現(xiàn)象可以用ProssandShaik’svalence-bondstate-correlationdiagrams來解釋。根據(jù)價鍵模型的理論，SN2反應(yīng)的活化能可以下式表示：Theeffectofα-carbonylandα-49f:

能量差(INuc－ARX)(稱之為gap)分?jǐn)?shù)；ARX:底物的電子親合能；INuc:親核試劑給出一個電子的電離勢；β：假定交叉點與實際過渡態(tài)的能量差，基本是一個常數(shù)。對一個給定的ΔH,f的大小取決于三電子鍵的強度(delocalization).如果離去基團(tuán)和Nuc不變，可以假定ΔH也不變,因此f成為delocalization的函數(shù)了。(實際上與R的結(jié)構(gòu)有關(guān)了）上述條件下，活化能E*只取決于substrate的electronaffinity和三電子鍵的離域能力f;但必須指出,(INuc－ARX)值在對究竟底物的ARX還是f對E*起更重要作用方面有決定性的影響。如果這個gap大，則f的變化就會比較強烈地改變E*；如果gap小，則f的變化對E*的影響也小。因此，當(dāng)gap較小時，增大ARX才有可能較大地增大E*.f:能量差(INuc－ARX)(稱之為gap)分?jǐn)?shù)；ARX50根據(jù)Valence-BondModel，在SN2反應(yīng)中，涉及到4個電子和4個能量上敏感的價鍵形式，這4種價鍵形式起源于這4個電子的不同分布：根據(jù)Valence-BondModel，在SN2反應(yīng)中，涉51Gap大，則f的變化會強烈地影響E*;f的變化對E*的變化起主導(dǎo)作用；Gap小則f的變化對E*的變化不起主導(dǎo)作用，而ARX的變化對E*的變化起主導(dǎo)作用。什么時候gap大，什么時候gap??？Nuc的親核性弱，INuc大，(INuc-ARX)大Nuc的親核性強，INuc小，(INuc-ARX)小象Cl那樣的吸電基團(tuán)取代氫后的effect:Willimproveacceptorability,ARX增大；但也會使三電子鍵的delocalize增大(f增大)。但計算結(jié)果表明后一項的效應(yīng)比前一項更大，因此，E*增大（離域能力增大，更穩(wěn)定，X－不易離去），所以增加一個氯，SN2反應(yīng)更難了。Gap大，則f的變化會強烈地影響E*;f的變化對E*52增加羰基作為取代基的效應(yīng)：同增加Cl取代基一樣，ARX增大了，但離域能力也增大了，兩者競爭的結(jié)果，ARX增加較為顯著。這時如果親核試劑的親核性強，即INuc小，則gap小，從而f對E*的影響不起主導(dǎo)作用。所以被羰基取代的反應(yīng)物的活性比羰基未取代的大；如果親核試劑的親核性弱，即INuc大，則gap大，則f增大對E*的影響比ARX增大對E*的影響要大，這時反應(yīng)物的活性降低，反應(yīng)速度變慢。增加羰基作為取代基的效應(yīng)：同增加Cl取代基一樣，ARX增大了53SN1Reactions中的影響因素α-Trifluoromethyl,CyanoandCarbonylsubstituents：SN1反應(yīng)受推電子基團(tuán)所促進(jìn)。是否中心碳上連有強吸電基的底物就不可能按SN1機理進(jìn)行溶劑解了呢？事實上并非如此。CF3是強吸電的鈍化基團(tuán)，根據(jù)溶劑的不同，化合物46的溶劑解比47快105－107，但47的溶劑解反應(yīng)機理確實會從limitingSN1變到親核協(xié)助的機理，dependingonthesolvents！其ρ值在－6.7到－11.9。SN1Reactions中的影響因素α-Trifluor54氰基是強吸電子的，因此Taft取代基指數(shù)對-CH2CN是1.30，對-CH2CF3是0.92。但奇怪的是α-氰基對SN1的鈍化作用比α-CF3小，甚至比β-cyano還小，這從下列數(shù)據(jù)可以看出：這種現(xiàn)象可以用下列共振式解釋：α-carbonyl的表現(xiàn)與α-氰基相似，底物中的氫被羰基取代后，SN1反應(yīng)的速度并不發(fā)生顯著的變慢：氰基是強吸電子的，因此Taft取代基指數(shù)對-CH2CN是1.55其原因也是有下列共振式的關(guān)系：帶未共用電子對的雜原子取代基：這類取代基由于有如下的共振結(jié)構(gòu)：因此如氯，雖然吸電子，但并不降低SN1活性很多，如下列數(shù)據(jù)：上述結(jié)果只有定性的意義，因為三個化合物可能會有不同程度的親核協(xié)助，但反映了吸電子誘導(dǎo)和給電子共軛平衡的結(jié)果，C2H5O-基還是促進(jìn)反應(yīng)的，但對F,是減速的基團(tuán)．其原因也是有下列共振式的關(guān)系：帶未共用電子對的雜原子取代基：56Vinylcations乙烯基鹵代物對親核取代是比較惰性的，也可以推斷乙烯基碳正離子能量較高，也難以生成。事實上如離去基的離去傾向很大，比如三氟甲磺酸根(triflate,OTf),它也可以是SN1機理，生成C+:根據(jù)分子軌道法計算和價電子對互斥理論，乙烯基C+應(yīng)是線性結(jié)構(gòu)。實驗上，在環(huán)上的乙烯基反應(yīng)物環(huán)越小水解速率越小，因為環(huán)越小，越不容易形成線型結(jié)構(gòu)。Vinylcations根據(jù)分子軌道法計算和價電子對互斥理57化合物73的溶劑解的ρ+=-4.1，說明是典型的SN1過渡態(tài)；化合物74因為有三個芳基穩(wěn)定C+，因此較差的離去基Br也能像OTf一般離去。苯基碳正離子更難生成，但重氮鹽的分解可以，另外在下列反應(yīng)中也生成了PhenylC+化合物73的溶劑解的ρ+=-4.1，說明是典型的SN1過58實驗上C+生成的證據(jù)：得到這樣兩個產(chǎn)物，是經(jīng)過重排的，說明有C+生成過。別的例子有：但有人將下列化合物進(jìn)行SN1反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)生成炔，說明沒有取代基的C=C+太不穩(wěn)定，以致發(fā)生消除，說明至少要有一個取代基。實驗上C+生成的證據(jù)：得到這樣兩個產(chǎn)物，是經(jīng)過重排的，說明有59對下列化合物，其溶劑解的歷程可總結(jié)成下圖：對下列化合物，其溶劑解的歷程可總結(jié)成下圖：60SRN1ReactionSN1,SN2是脂肪族親核取代反應(yīng)機理，但對某些結(jié)構(gòu)的底物，還存在著SRN1機理。這SRN1機理是1966年提出來的，因為當(dāng)時發(fā)現(xiàn)有許多底物組成的反應(yīng)體系，對SN1和SN2非常惰性，但它們又確實發(fā)生了親核取代。但radicalscavengers例如氧，銅(II)鹽等存在時反應(yīng)完全被阻斷了，因此提出了如下的機理：SRN1Reaction這SRN1機理是1966年提出來61SRN1反應(yīng)中研究得最多的底物是(1)和(2)，或連在α-碳的苯環(huán)上有一個硝基。但實驗證明對SN1和SN2機理很不活潑的底物如(3)和(4)也會以SRN1的機理發(fā)生親核取代。SRN1機理中的leavinggroup也有不少，如N3,NO2,PhSO2,CH3,Ph等。其中有些在SN1和SN2中極不活潑的。底物中硝基的作用是提供一個低能量的LUMO軌道，以接受一個電子進(jìn)入底物。一旦這個電子進(jìn)入碳與離去基的軌道C-X,則該鍵就發(fā)生斷裂，下面列了一些鍵斷裂的相對速率：SRN1反應(yīng)中研究得最多的底物是(1)和(2)，或連在α-碳62可以看到α-甲基加速反應(yīng)，α-叔丁基使反應(yīng)變慢。應(yīng)該指出，α-甲基和α-叔丁基都使去穩(wěn)定化。為什么α-叔丁基使反應(yīng)變慢？可能的解釋是α-C(CH3)3阻止了第三個電子向C-X轉(zhuǎn)移。可以看到α-甲基加速反應(yīng)，α-叔丁基使反應(yīng)變慢。應(yīng)該指出，63什么原因使substrate不經(jīng)SN1、SN2歷程而經(jīng)由SRN1機理發(fā)生親核取代呢？顯然底物必須接受一個電子快于它離解成離子對(SN1)或被親核試劑進(jìn)攻形成C-Nuc鍵(SN2).因此某些底物經(jīng)由SRN1歷程的唯一原因是因為它們經(jīng)由SN1或SN2歷程進(jìn)行反應(yīng)的速度太慢。但SRN1機理的底物通常必須是非常好的電子接受體，因此這類底物常常含有硝基，一旦第三個電子進(jìn)入C-X鍵，通常情況下立即分解，這種離解不需要活化能，因此的離解是第三個電子進(jìn)入C-X鍵的驅(qū)動力。有許多反應(yīng)看似是親核取代，但實際上是通過自由基機理的，但不一定是SRN1機理。例如下列反應(yīng)一度認(rèn)為是SN2機理，現(xiàn)在看來至少部分是通過SRN1機理。什么原因使substrate不經(jīng)SN1、SN2歷程而經(jīng)由SR64另一例子是胺與CCl4的反應(yīng)：(CH3)3SnNa是個極好的電子給予體，可在遠(yuǎn)離有機鹵化物時就給出一個電子給有機鹵化物；CCl4中的氯原子的電負(fù)性使它可以輕易地吸收電子而使三電子鍵穩(wěn)定。另一例子是胺與CCl4的反應(yīng)：(CH3)3SnNa是個極好的65氣相中的取代反應(yīng)研究得最多的是帶負(fù)電荷的親核試劑進(jìn)攻中性分子。氣相的反應(yīng)與液相有很大不同，用對液相反應(yīng)的理解去看氣相反應(yīng)會有些難以理解。例如，下列表中某些反應(yīng)是強烈放熱的，但反應(yīng)速率卻很慢。Thisisperplexingbecausethepotentialenergyofanionandaneutralmoleculeinthegasphasemustdecreaseasionandmoleculedrawneartoeachotherallowingstabilizingion-dipoleforcestobecomeimportant.Itseemsreasonablethatoncetheyareclosetogether,ifreactionbetweenthemwerehighlyexothermic,thisreactionshouldproceedveryrapidly.I.SN2ReactionsintheGasphase氣相中的取代反應(yīng)研究得最多的是帶負(fù)電荷的親核試劑進(jìn)攻中性分子66reactionk(10-9cm3molecule-1s-1)ΔH0(kcalmol-1)ΔH0(kJmol-1)OH-+CH3Cl1.6-47.5-199F-+CH3Cl0.8-28.5-119CH3O-+CH3Cl0.49-39.3-164CH3S-+CH3Cl0.78-31.0-13037Cl-+CH335Cl0.0060.00.0CN-+CH3Cl<0.001-27.2-114RateconstantsforSN2reactionsinthegasphasereactionk(10-9cm3molecule-1s-167OlmsteadandBrauman提出了一種機理來解釋這種現(xiàn)象。根據(jù)他們的雙井機理，當(dāng)離子和中性分子接近時，勢能降低，當(dāng)形成一種松散的離子-分子絡(luò)合物時，勢能達(dá)到最低。但當(dāng)離子和分子進(jìn)一步再接近以發(fā)生取代時，其勢能就會升高，當(dāng)達(dá)到過渡態(tài)時為最高，然后逐漸再降低，其最低處相應(yīng)于產(chǎn)物分子和離去基離子的松散的絡(luò)合物。ReactioncoordinatediagramforanexothermicNuc－

+RX→NucR+X－

reactioninthegasphase.這樣的反應(yīng)的速率即使在過渡態(tài)的勢能低于起始物也不一定快，其原因在于熵控制。從較松的絡(luò)合物A到較緊的過渡態(tài)的熵變是較大的負(fù)值，而離解成產(chǎn)物是正的。氣相中的反應(yīng)速率與起始物和過渡態(tài)的熵差有關(guān)，也與過渡態(tài)的能壘高低有關(guān)。OlmsteadandBrauman提出了一種機理來解68比較SN2反應(yīng)的氣相和液相的反應(yīng)進(jìn)程圖，必然會有兩個問題：(l)為什么氣相反應(yīng)中會有兩個能量低谷而在液相反應(yīng)中卻沒有？(2)為什么氣相反應(yīng)中的自由能通常比在液相中的相同反應(yīng)低很多？

例如，氯負(fù)離子與溴甲烷的反應(yīng)is2.5Kcalmol-1(10.5kJmol-1)belowthatofthereactantsinthegasphasebut17.7kcalmol-1(74.1kJmol-1)aboveindimethylformamidesolvent。Theanswertothefirstquestionisthat在液相當(dāng)親核試劑與底物分子的偶極相互作用時，其勢能確有降低，但親核試劑在接近底物分子時也要去溶劑化，這種去溶劑化使勢能升高，并且足以抵消與底物分子的偶極相互作用所產(chǎn)生的勢能降低。Theanswertothesecondquestionalsoinvolvessolvationofthenucleophileinsolution.Thedifferenceinpotentialenergybetweengroundstateandtransitionstateinsolutionissolargebecauseinthestartingmaterialthenucleophileissolvated（溶液中底物是溶劑化的，因此位能較低）andthusstabilized.Inthetransitionstateitisappreciablydesolvated．（在過渡態(tài)是去溶劑化的）比較SN2反應(yīng)的氣相和液相的反應(yīng)進(jìn)程圖，必然會有兩個問題：(69Ⅱ、Ionpairtheory1.AMORECOMPLETEPICTUREOFSN1PATHWAYS雖然有些取代反應(yīng)遵循極限的SN1機理，很多經(jīng)由正離子中間體的取代反應(yīng)其機理可能有下列一或兩點的“修正”：（l）Thesolventprovidesnucleophilicassistancetoionization:（2）Thenucleophileattacksacarbocation-leavinggroupionpairratherthanafreecarbocation．NucleophilicAssistancebytheSolventtoIonization事實上經(jīng)典的SN1和SN2可以被認(rèn)為是兩種極限的機理。它們之間是涇渭分明的。事實上人們早就認(rèn)識到親核取代反應(yīng)應(yīng)該是有著機理譜的。很多實驗證明了親核取代反應(yīng)機理譜的存在。Ⅱ、Ionpairtheory雖然有些取代反應(yīng)遵循極限70在40年代，GrunwaldandWinstein發(fā)展了一種線性自由能關(guān)系，用來檢驗底物在SN1親核取代反應(yīng)中有沒有受到溶劑的親核協(xié)助(而電離)。一開始，他們選擇了t-butylchloride作為模型化合物，認(rèn)為叔丁基氯能在任何情況下都不需要在親核協(xié)助下電離。利用叔丁基氯建立了一套溶劑電離標(biāo)度，稱為Y值：(理論上Y只反映溶劑的電離能力而不包括親核能力)。GrunwaldandWinstein把Y值用在線性自由能關(guān)系中。在這個式中，misasubstrateparameterandindicatestheextenttowhichtheparticularsubstratebeingexamineddependsonsolventionizingpower－thatis,itindicatesthedegreetowhichthesubstrateundergoesunassistedionization.Ks0:叔丁基氯在某一其它溶劑中的反應(yīng)速率常數(shù)；EvidencefromLinearFree-EnergyRelationships在40年代，GrunwaldandWinstein發(fā)展了71但是后來Schleyer在研究下列化合物（1）的重排時發(fā)現(xiàn)，其實在叔丁基氯的電離過程中溶劑的親核協(xié)助還是很嚴(yán)重的。1-氯金剛烷在各種溶劑中的溶劑解速率對Y值作圖，發(fā)現(xiàn)在有親核性的溶劑中是很好的直線，但在氟代溶劑中卻嚴(yán)重偏離直線。氟代溶劑具有高的電離能力，但沒有親核性。在這些溶劑中，1-氯金剛烷的溶劑解速率比按這些溶劑的Y值所對應(yīng)的要快很多。在乙醇中，叔丁基氯比1-氯金剛烷快3000倍，但在非親核性的97%六氟異丙醇/水中只快3倍。因此，叔丁基氯在親核性溶劑中一定是在親核協(xié)助下電離的。這其實就是指出了通常的SN1反應(yīng)并不是“純”的SN1,底物并不完全靠自身電離，因為氯代叔丁烷的親核取代通常被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的SN1機理。1-氯金剛烷的電離被認(rèn)為不可能有親核協(xié)助。但是后來Schleyer在研究下列化合物（1）的重排時發(fā)現(xiàn)，72A:acetone,E:ethanol,M:methanolA:acetone,E:ethanol,M:met73Bentley認(rèn)為他設(shè)計的式子可以把1-氯金剛烷的溶劑解速率與綠代叔丁烷的溶劑解速率聯(lián)系起來，Y:與以前的定義同，但用的是1-氯金剛烷為標(biāo)準(zhǔn)化合物；m的定義也與前同，但也是以1-氯金剛烷為1；溶劑的親核性用N表示，并且有下式為定義：其中0.3Y用于校正溶劑的電離能力對于對甲苯磺酸甲酯溶劑解速率的敏感性，l是底物對溶劑的親核性的敏感性參數(shù)。原以為這樣設(shè)計的Y值可以很好地表示溶劑的極性而與底物無關(guān)。但實際上發(fā)現(xiàn)溶劑的電離能力還與底物的離去基有關(guān)。例如，對甲苯磺酸-1-金剛烷酯的溶劑解速率與1-氯金剛烷的溶劑解速率不成線性關(guān)系。這樣就要建立不同離去基的不同的Y值。Bentley認(rèn)為他設(shè)計的式子可以把1-氯金剛烷的溶劑解速率74Evidencefromα-HydrogenIsotopeffectsSN2反應(yīng)的α-氘同位素效應(yīng)的值在大約為1.因為在SN2的過渡態(tài)中，中心碳原子的前后都有基團(tuán)，α-氫的彎曲振動自由度受阻。但在limitingSN1中，沒有親核試劑進(jìn)攻，其α-氘同位素效應(yīng)的值預(yù)期和實測都要大于1.其大小與離去基的種類有關(guān)，其典型值對磺酸酯為1.22和1.25，氯為1.15，溴為1.13.溶劑解反應(yīng)中其α

-同位素效應(yīng)介于這些值和1之間的就是有溶劑的親核協(xié)助。IonPairsasIntermediatesinNucleophilicSubstitution現(xiàn)在有很多證據(jù)證明在絕大多數(shù)的SN1反應(yīng)中，acarbocationelectrostaticallyremovedfromitsleavinggroupisneverformedbutinsteadthenucleophileattacksanionpair．Evidencefromα-HydrogenIsoto75溶劑解反應(yīng)常常得到取代和消除的混合物。如果是純粹的SN1機理，離去基完全與碳正分離，則離去基的性質(zhì)就不應(yīng)影響到產(chǎn)物的取代與消除的比例，這個比例應(yīng)僅與介質(zhì)有關(guān)。Evidencefromproducts

溶劑解反應(yīng)常常得到取代和消除的混合物。如果是純粹的SN1機理76下表給出了不同叔丁基衍生物在三種溶劑中的溶劑解的產(chǎn)物比。水作為電離能力最強的溶劑，不同叔丁基衍生物的溶劑解的產(chǎn)物比確實與離去基無關(guān)。但在極性較小的溶劑中，產(chǎn)物比確與離去基有關(guān)，這說明中間體中該離去的負(fù)離子還是距碳正離子很近，以致影響到C+其后的反應(yīng)。MolpercentalkeneXint-Bu-XH2O75oCC2H5OH75oCCH3COOH75oCCl7.644.273Br6.636.069.5I6.032.3S+(CH3)2ClO46.517.811.7PartitionBetweenEliminationandSubstitutionint-Butyl-XSolvolysis下表給出了不同叔丁基衍生物在三種溶劑中的溶劑解的產(chǎn)物比。水作77從烯丙型底物的研究也得到相同的結(jié)論。烯丙位的離去基離去后帶正電荷的p-軌道可以與雙鍵共軛，產(chǎn)生離域的烯丙基正離子，如果該離子是自由的，從a和b應(yīng)得相同比例的中間體，得到的產(chǎn)物P1和P2的比例也應(yīng)相同。但事實上在很多反應(yīng)中未重排的產(chǎn)物為主。Again,theresultindicatesanintermediateinwhichtheleavinggroupisstillcloselyassociatedwiththeion.從烯丙型底物的研究也得到相同的結(jié)論。烯丙位的離去基離去后帶正78產(chǎn)物的立體化學(xué)也提供了離子對的證據(jù)。雖然有些手性底物反應(yīng)后得到完全外消旋的產(chǎn)物，如二苯甲基類，但有些叔碳的底物，雖然無論如何都應(yīng)按不需親核協(xié)助的自動電離的SN1方式反應(yīng)，但就是得到部分外消旋的產(chǎn)物。一個例子是化合物11，當(dāng)它在甲醇中溶劑解，得到46%外消旋，54%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物。位阻很大的化合物12在醋酸中得到醋酸酯，90%外消旋，10%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。l-phenylethylchloride(13)在醋酸中得到部分外消旋的1-苯基醋酸乙酯，eventhoughadditionofacetateiondoesnotincreasetherate.11EvidencefromStereochemistry

產(chǎn)物的立體化學(xué)也提供了離子對的證據(jù)。雖然有些手性底物反應(yīng)后得79這些結(jié)果都可以用底物解離成緊密離子(contactionpair)對來解釋。碳正的前面被離去基所保護(hù)，溶劑只能從背面進(jìn)入。部分外消旋可以是產(chǎn)生于緊密離子對階段碳正離子的