乙烯型卤代烃的亲核取代反应，机理是怎么样的？

亲核取代反应是一种在有机化学中广泛应用的反应类型[1]，它涉及一个亲核试剂取代有机分子中与碳原子相连的原子或原子团。这种反应在有机合成中占据着举足轻重的地位。亲核取代反应可以分为饱和碳原子上的亲核取代反应和不饱和碳原子上的亲核取代反应两类。在饱和碳原子上，亲核取代反应可以通过两种方式进行：一种是分步进行的SN1型(单分子亲核取代反应)[2]，另一种是协同进行的SN2型和SN2'型(双分子亲核取代反应)[3]。这些反应的机理已经得到了深入研究。

对于sp2杂化的不饱和碳原子，SNAr反应(芳香环上的亲核取代反应)是比较常见的，其机理也相对清晰。而早期烯基亲核取代反应(SNV)的研究相对较少，人们对其缺乏系统的认识，通常认为乙烯基卤代烃不能进行亲核取代反应。

传统观点认为，未活化的乙烯型卤化物中卤素的孤对电子与碳碳双键产生p-π共轭，使碳-卤键具有一定程度的双键性质，因此活性很差。此外，简单的卤代烯键通常不表现出缺电子的特性，因而对富电子亲核试剂的进攻表现出惰性[4]。尽管乙烯型卤代烃发生亲核取代反应的活性较低，但化学家们通过巧妙设计反应底物和条件可以实现此类反应的顺利进行。该反应在合成具有多官能团的烯烃方面显示出独特的优势。近年来，关于乙烯型卤代烃的SV反应的研究报道不断涌现，为了认识理解该反应，本文将从机理探讨和具体实例两方面对其进行介绍。

一、乙烯型卤代烃亲核取代反应机理研究

当前，有机化学家已经提出了多种可能的SNV反应机理。如先加成形成碳负离子再消除，先消除形成卡宾、炔烃或丙二烯再加成，SNVσ，SNVπ等，下面进行分类讨论。

1.1 活泼乙烯型卤代烃先加成后消除机理

活泼烯烃的SNV反应机理，即先加成后消除的过程，已得到广泛认可。

这一机理主要适用于带有强吸电子基团的烯烃。强吸电子基团的拉电子效应使得双键上与之相邻的碳原子电子云密度降低，从而活化了碳碳双键。亲核试剂能够从垂直于双键平面的方向进攻sp2杂化碳原子(α碳)的π*轨道。在强吸电子基团的作用下，形成的碳负离子中间体具有较长的寿命。随后中间体发生，离去基团离去，产生构型部分或完全保持的取代产物。这种机理要求能够形成较长寿命的碳负离子中间体，常见于活泼烯烃的反应中[5,6]。

1.2 不活泼乙烯型卤代烃亲核取代反应可能机理

对于不活泼的乙烯型卤代烃，由于烯键富电子难以进行亲核加成，其反应途径较为复杂，反应机理也更加多样化。Modena认为该反应可能采用式(1)-(6)所示机理进行[7]，并指出不同类型机理之间可能存在竞争。

(1)加成-消除机理(与上述活泼烯烃机理相同):

上述四种可能机理通常得到构型翻转和保持的混合物。而在一些底物中，反应生成的产物构型单一，因此提出了另外两种类似SN2反应的机理形式;

亲核试剂从双键平面内直接进攻C-X键的σ反键轨道(SNVσ)，所得产物构型翻转。

(5) SNVσ反应机理[8]：

此外，亲核试剂也可以从双键平面外进攻π键的反键轨道(SNVπ)，反应过程类似两步走加成-消除机理，但亲核试剂与底物成键和离去基解离几乎同时进行,所得产物构型保持。

(6)SNVπ反应机理:

这两种机理和式(1)所示的机理相互依存，相互竞争。

Rappoport认为不活泼的烯烃没有强吸电子基团，当R基团吸电子能力不强或离去基团离去性较好时，反应中间体的寿命比较短，反应途径以协同过程为主[9]。Pross等也指出当碳负离子中间体的寿命降低到零时反应是协同过程。理论计算和简单乙烯基体系的对照实验表明，未活化乙烯基碳的SNVσ和SNVπ在气相和溶液中都是可行的[10]。

2000年，Lee课题组使用理论计算结果表明，在气相下用亲核试剂进攻不活泼的氯乙烯时，强亲核试剂氢氧根离子和硫氢根离子倾向于进行SNVπ历程，而弱亲核试剂氯离子和溴离子从能量的角度更倾向于进行SNVσ的历程[11]。2013年,Femnández通过计算也可以解释两种机制发生的可能性[12]。

二、乙烯型卤代烃亲核取代反应实例介绍

卤代烯烃的亲核取代反应在构建含有杂原子的烯基胺、烯基醚和烯基硫醚等化合物方面十分高效，吸引了化学家的广泛关注。近年来，有关SNV反应的一些有趣的转化案例被相继报道。文献中对含有强吸电子基团的活泼烯烃的SNV反应已有较多报道，其机理研究也相对透彻。

这里主要介绍几个未活化乙烯型卤代烃参与的SNV反应及其机理。

2.1 烯基芳基碘盐的分子间SNV反应

1991年，Ochiai课题组报道了一例不活泼烯烃的SNV反应[13]。在室温下，使用四丁基卤化铵对

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机理研究表明，反应过程中四氟硼酸根首先被卤负离子置换，随后卤负离子亲核试剂进攻C-I键的σ反键轨道得到构型翻转的产物。本文作者进一步通过动力学研究证明了该反应经历了SNVσ的历程[14]。

2.2 分子内SNV反应

2.2.1 胺基烯基溴的分子内SNV反应

2004年，Shipman课题组报道了一例分子内的SNV反应。

为了探究分子内SNV反应的立体化学选择性，他们分别向

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2.2.2 多种类型亲核试剂进行的分子内SNV反应

2007年，Narasaka课题组报道了一系列分子内的SV反应，对多种类型亲核试剂发生的SNV反应进行了系统研究[17]。他们发现，

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图 多种烯基卤的SV反应及理论计算的过渡态活化能

为了研究反应机理，本文作者进行了理论计算和氘代实验。研究表明，对于含有酚、磺酰胺、活泼亚甲基的乙烯基卤化物，

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2008年，Narasaka课题组发展了使用分子内SNV反应合成硫杂环丁烷的方法[18]。对于二取代末端烯基溴底物，反应可以顺利发生，高产率得到预期环化产物。为了探讨反应的机理，他们使用三取代的

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这些结果表明反应可能是经历了SNVπ机理。

2.3 硼酸酯与烯基溴的SNV反应

2024年，董广彬和刘鹏课题组开创性地发展了一种新颖的SNV反应，实现了有机硼酸酯与烯基溴代烃的立体专一性亚乙烯基同系化反应[19]。在强碱性条件下，特定构型的烯基溴代烃16与硼酸酯15反应，立体选择性地得到相应的烯基硼酸酯产物17。

反应底物可以从酮简便地转化而来，并且该反应兼容叔胺、酯等多种官能团，以及一些大位阻的取代基。该反应能够迭代多个亚乙烯基单元，从而合成那些难以制备的交叉共轭多烯类化合物。

机理研究表明烯基锂首先与硼酸酯生成ate络合物中间体I，随后R'基团迁移同时离去一个溴离子得到特定构型的产物，再与频哪醇交换得到最终的产物17。密度泛函理论计算进一步表明，1,2-迁移过程中，三元环平面过渡态张力的释放及分子内π-π相互作用共同促进了该反应。这一发现与之前只能利用特定底物进行SNVσ反应的方法相比，展现了更广泛的底物适用性。此外，该反应的立体专一性极为优异，使其成为制备具有生物活性的四取代烯烃的理想选择。迭代的亚乙烯基同系化反应为合成完全取代的共轭多烯提供了一条高效的途径。

三、总结

随着科学探索的持续深化，化学家发展了越来越多的乙烯型卤代烃的亲核取代反应，并应用于多样性功能分子的合成当中。对这一反应机理的深入研究，不仅解答了以往学习中关于产物构型翻转或保留的疑惑，也颠覆了固有认知——即认为乙烯型卤代烃不能直接进行SN2类型的反应。

本文由有机合成大菜籽公众号编辑自：Bolin Sun, Jie Chen, Ling Zhou. Nucleophilic Substitution Reaction of Vinylic Halides[J]. University Chemistry, 2025, 40(8): 152-157.

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