親核取代

親核取代 (Nucleophilic Substitution)
國立新莊高級中學化學科陳偉民教師/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

在有機及無機化學中，親核取代為取代反應的一種基本型式，其中富含電子的親核試劑（nucleophile）攻擊接有脫離基（leaving group）的原子，此種帶有脫離基為帶正電或帶部分正電的原子或原子團，又稱為親電子試劑（electrophile）。

最常見的反應型式可寫成 Nuc: + R-LG → R-Nuc + LG: 親核試劑（Nuc）的電子對（:）攻擊受質（R-LG），形成新的化學鍵，同時脫離基（LG）帶著電子對離開。

在本例中，主要產物為R-Nuc。親核劑可能是電中性或帶負電，受質通常是電中性或帶正電。 鹵烷類在鹼性條件下水解即為親核取代的實例之一，其中攻擊性的親核試劑是OH^－，而脫離基是Br^－。 R-Br + OH⁻ → R-OH + Br⁻ 親核取代反應在有機化學中十分普遍，通常發生於飽和脂肪烴的碳原子上，偶而也會發生在芳香烴其他不飽和烴的碳原子上。 飽和碳原子上的親核取代 S_N1與 S_N2反應 在1935年，休斯（Edward D. Hughes）與殷高爵士（Sir Christopher Ingold）研究有機鹵化物與相關化合物的親核取代反應。他們認為有兩種主要的反應機構，且兩種反應機構互相競爭。

這兩種反應機構為S_N1反應與S_N2反應，其中S（Substitution）代表取代反應。N代表親核，數字代表反應級數。 在S_N2反應中，反應速率決定步驟包含Nu及R-LG為二級反應。通常當親核試劑容易接近中心碳原子時，較易發生S_N2 反應。相反的，S_N1反應涉及兩個步驟。當受質的中心碳原子被體積龐大的原子團包圍時，S_N1反應變得比較重要，這有兩個原因，一方面因為這些龐大的原子團在空間上干擾了S_N2反應，另一方面，這類高度取代的碳原子較易形成穩定且帶正電的碳原子。

起初，親核取代反應的速率令化學家困惑，因為其反應速率快慢的順序為： CH₃X > 一級烷基 > 二級烷基 < 三級烷基 隨著中心碳原子上的取代基漸漸增多，其反應級數由二級變成一級。影響S_N1 與S_N2的反應速率之因素並不相同。 S_N1 的反應速率快慢的順序為：CH₃X > 一級烷基 > 二級烷基 > 三級烷基 S_N2 的反應速率快慢的順序為：CH₃X > 一級烷基 > 二級烷基 > 三級烷基 綜合以上兩項順序，就得到下圖，（以溴烷類為例）。
鹵烷類的親核取代反應參看表1。

表一：RX（鹵烷類或類似化合物）之親核取代