親核取代反應

以鹵代烴為例：

鹵素連在飽和碳原子上，碳帶有部分正電荷，鹵素帶有部分負電荷，富電子試劑—親核試劑（nucleophile，簡寫Nu）進攻帶部分正電荷的碳子，親核試劑與碳原子形成共價鍵，鹵原子則帶著一對電子以負離子的形式離去，即鹵素被親核試劑取代，這種有機分子中的原子或基團被親核試劑取代的反應稱為親核取代反應nucleophilicsubstitutionreaction)，用S表示，其反應通式表示如下：

上式中鹵代烷R—X為底物（substrate），常用“S”表示，Nu為親核試劑，X為離去基團（leavinggroup），常用“L”表示。與離去基團相連的碳原子稱為中心碳原子。親核試劑屬於Lewis鹼，可以是帶負電荷的離子（如OH、RO、RCOO、NO、NH、RS、HS、N、CN、RMgX、X等），也可以是擁有孤對電子的中性分子（如HO、ROH、RNH、RNH、RN、PPh 等)。如果反應中所用的溶劑同時又作為親核試劑，這樣的親核取代反應也稱為溶劑解（solvolysis），如水解、醇解等。

親核取代反應又分為單分子親核取代反應（S1）與雙分子親核取代反應（S2）。

第一步是原化合物的解離生成碳正離子和離去基團，然後親核試劑與碳正離子結合。由於速控步為第一步，只涉及一種分子，故稱 S1 反應。

常發生於：碳上取代基較多，如：(CH)CX，使得相應碳正離子的能量更低，更加穩定。同時位阻效應也限制 SN2 機理中親核試劑的進攻。

對碳陽離子生成有利條件：有許多釋電子基團幫助穩定碳陽離子的正電荷（3級碳>2級碳>1級碳），一級碳幾乎不能夠單獨存在，而會立刻發生化學反應而形成內能更低的分子。

反應特點：反應速率決定步驟在於離解一步（第一步），所以根據動力學理論推斷該反應為一級速率反應，反應物。從立體化學觀點來看，該反應的反應物若為光學異構物之一，則產物反轉機率略大於50%。在碳陽離子形成時，整個分子略呈現平面三角形，親核體可以由平面三角形上下兩側進行攻擊，形成新分子。故理論上反轉機率為50%，但因原先脫離的陰離子影響碳陽離子，故親核劑傾向由反側攻擊形成反轉的產物。

該反應適合在高極性稍有質子性溶劑中進行，高極性有助於利用本身極性帶有的部份負電穩定碳陽離子，稍有質子性溶劑提供質子與較強親核劑（通常是被脫離的）化合有助於反應平衡往產物移動。

較強親核劑直接由背面進攻碳原子，並形成不穩定的一碳五鍵的過渡態，隨後離去基團離去，完成取代反應。

常發生於：碳原子取代較少（如：CHX），可較容易使 SN 反應發生。原因是碳原子上有烷基取代時會有供電效應使被進攻的碳正電性減弱，且烷基取代會產生空間位阻，阻礙進攻。

對碳正離子生成有不利條件的環境下：有許多拉電子基或較少推電子基（1級碳>2級碳>3級碳）。

反應特點：反應速率決定在兩個因素上，強親核劑的濃度高低與反應物的濃度高低，所以根據理論推斷該反應為典型的二級速率反應。

從立體化學觀點來看，該反應反應物若為光學異構物之一，則產物構型翻轉機率為100%（完全反轉），因為只能從反側攻擊，故產物必定反轉。反應適合在高極性非質子性溶劑中進行，高極性有助於穩定反應中間體，非質子性溶劑則不會與強親核劑化合而導致反應平衡往反應物移動。

1、底物的烴基結構：反應底物的分子烴基中C上的支鏈越多，S2的反應越慢。通常，伯碳上最容易發生S2，仲碳其次，叔碳最難。

2、離去基團（L）一般來說，離去基團越容易離去，S1越快。

3、親核試劑（Nu）：親核試劑的親核性愈強，濃度愈高，反應速度愈快。

4、溶劑的種類：極性溶劑中，S1反應容易發生。對S2反應不利。非極性溶劑則相反。碳正離子在極性溶劑中比在非極性溶劑中穩定。S2的中間體電荷分散，在非極性溶劑中更穩定。

以鹵代烴為例，發生的親核取代反應：

1、與氫氧根負離子的反應

鹵代烷與水的反應一般很慢或難以發生，但在鹼性條件下鹵原子可被OH取代生成醇，這個反應被稱為鹵代烷的水解（hydrolysis）。

通常不用鹵代烷的水解反應來製備醇，因為自然界醇是大量存在的，而鹵代烷是由醇制的。但對於某些複雜分子引入羥基要比引入鹵素困難，這時可以先引入鹵素，然後通過水解引入羥基。在天然產物合成中經常採用這種策略。

2、與硝酸銀的反應

鹵代烷在醇溶劑中與硝酸銀作用生成硝酸酯和鹵化銀沉澱。在這個親核取代反應中，硝酸根負離子中的帶負電荷的氧原子親核進攻與鹵原子相連的碳，鹵負離子離去，並生成鹵化銀沉澱。

烴基相同而鹵素不同的鹵代烷發生這一反應的活性順序為：RI>RBr>RCI。當鹵原子相

同，烴基結構不同時，其活性順序為:R3CX>R2CHX>RCH2X>CH3X。反應過程中生成了鹵化銀沉澱，有明顯的現象，所以該反應曾被用於鑒別鹵代烴與其他類型的有機化合物。

由於烴基結構不同的鹵代烴與AgNO3/C2H5OH作用時，叔鹵代烴的反應速度最快，最先生成沉澱，其次是仲鹵代烴，反應最慢的是伯鹵代烴，通常要加熱才能產生沉澱。烯丙型和苄基型鹵代烴非常活潑，與硝酸銀的醇溶液能立即反應產生沉澱。而鹵素直接連在雙鍵碳原子或苯環上的鹵代烴則不發生該反應。一個碳原子上連有兩個或多個鹵素的多鹵代烴也不發生該反應。因此，根據反應條件、沉澱的顏色以及出現沉澱的時間不同，該反應可用於鑒別結構不同的鹵代烴。