总结：本文系统介绍了有机化学中亲核反应与亲电反应的基本原理、主要试剂类型及其在催化和合成中的典型应用。
亲核反应以富电子的亲核试剂进攻缺电子的亲电中心，常见于取代、加成等反应过程；亲电反应则由缺电子的亲电试剂接受电子对，典型于加成和取代反应中。两类反应在药物合成、材料制备和工业催化等领域具有广泛应用。
文中还论述了亲核与亲电过程的协同及竞争机制，为深入理解有机反应机理和催化剂设计提供了理论基础。
在有机化学中，绝大多数反应都可以看作亲核试剂与亲电试剂之间的相互作用。亲核（nucleophilic）过程和亲电（electrophilic）过程是其中最基本且重要的反应类型之一。
简单来说，亲核试剂是富电子的“给体”，能够提供电子对攻击电子缺乏的部位；亲电试剂是缺电子的“受体”，会接受电子对形成新键。
理解亲核/亲电过程对于预测反应机理至关重要，因为新键的形成往往就是亲核试剂进攻亲电中心的过程。这些过程广泛存在于催化反应、药物设计和材料科学中。
例如，过渡金属催化的交叉偶联反应本质上是有机卤化物（作为亲电试剂）与亲核试剂偶联成键的过程，已成为构建碳–碳键和碳–杂键最常用的方法之一，在现代有机合成中占据重要地位。
又如，许多医药分子和功能材料的合成过程中，亲核取代用于引入关键官能团；亲电加成和取代则用于构筑复杂骨架结构。可以说，对亲核和亲电机制的深入理解，为开发新型催化剂和设计新反应提供了坚实的理论基础。
亲核反应（Nucleophilic Reactions）
基本概念与机理：亲核试剂是带有富电子对的分子或离子，能向亲电中心提供电子对形成键。典型的亲核试剂包括带负电荷的阴离子（如OH⁻、CN⁻、CH₃O⁻等）和含孤对电子的中性分子（如NH₃、H₂O）。它们通常具有较低的电负性或较高的可极化性，使其价电子对易于供出。
例如，氨分子NH₃与水H₂O相比更具亲核性，因为氮的电负性低于氧，氮原子上的孤对电子被束缚得不那么紧，因而更容易捐赠出来形成键。
此外，带负电荷往往增强亲核性（如羟基负离子OH⁻比中性H₂O活性更强），而空间位阻大会降低亲核试剂靠近反应中心的能力。总之，亲核性描述了粒子提供电子对、进攻亲电中心的能力。
DOI:10.1007/s13361-013-0758-y
常见亲核试剂及电子特征：亲核试剂一般具有富电子中心，例如带负电的O或C、带孤电子对的N等。
典型如氢氧根OH⁻、氰离子CN⁻、硫醇负离子RS⁻、卤素负离子以及胺类等：它们要么有额外的非键电子对，要么带有负电荷，因而“嗜核”、易向电子缺乏的部位进攻。
影响亲核性的因素包括电荷（负电荷增加亲核性）、电负性（较低电负性的原子更容易给予电子，例如硫比氧电负性低，因此CH₃S⁻相对CH₃O⁻更易提供电子）、以及可极化性和溶剂效应等。
在极性质子溶剂中，小而硬的阴离子（如F⁻、OH⁻）因被溶剂强烈缠绕，实际供电子能力反而不如大而软的阴离子（如I⁻、CH₃S⁻）；实验顺序显示，在水醇等质子溶剂中，亲核性大小顺序为I⁻ > SCN⁻≈ CN⁻ > CH₃O⁻ > F⁻，硫阴离子（如CH₃S⁻）比氧阴离子更具亲核性。
然而在非质子溶剂或气相中，没有氢键缠绕，小阴离子的亲核性主要由其碱性主导，此时顺序往往接近F⁻ > CH₃O⁻ > CN⁻≈ CH₃S⁻ > I⁻（与碱性顺序相符）。因此，在研究或应用亲核反应时需要考虑溶剂环境对亲核剂活性的调控作用。
DOI:
10.1021/acs.joc.2c00247
催化中的亲核过程实例：亲核反应广泛应用于合成与催化中，典型例子包括酯交换反应（酯的转化）和加成-消除机理的亲核取代等。以酯交换反应为例：在碱催化条件下，碱（如醇盐RO⁻）先从醇中夺取质子，生成更强的烷氧阴离子作为亲核试剂。这个烷氧负离子进攻酯的羰基碳，发生亲核加成形成四面体中间体；随后中间体发生消除，原酯的离去基团（另一醇氧负离子）被挤出，生成新的酯产物和醇。
整个过程属于典型的“加成-消除”机理，即亲核加成到羰基、再消除离去基团完成取代。酯交换在工业上用于生物柴油生产（将植物油酯与甲醇转化）以及聚酯合成等。再如亲核催化也是有机催化的重要策略之一：某些有机催化剂（如4-二甲氨基吡啶DMAP）本身作为亲核体暂时加成到底物上，形成活化的中间体，再发生后续反应，加速酰基转移等过程。总而言之，亲核过程在合成化学中无处不在，从经典的S_N1/S_N2反应、羰基加成，到酶促酯水解（如蛋白酶中丝氨酸羟基对酰胺键的亲核攻击）等，都体现了亲核机理的威力。亲电反应（Electrophilic Reactions）
基本概念与机理：亲电试剂是缺电子、易受核攻击的物种，往往带正电或有空轨道，能够接受电子对键合。
典型亲电体包括质子（H⁺）和其他碳正离子这类带正电的物种、路易斯酸（如AlCl₃、BF₃）或含极性多键的分子（如卤素单质、二氧化氮NO₂等，它们可在反应中产生正电中心）。亲电反应可分为亲电加成和亲电取代两大类。
在亲电加成中，亲电试剂首先进攻不饱和键（如双键或叁键）的π电子云，造成键的加成。以烯烃为例：碳碳双键富含电子，是一个常见的亲核部位。当加入强亲电试剂（如H⁺来源的强酸，或Br₂等卤素分子），双键的π电子会去进攻亲电试剂。
例如与HBr作用时，第一步双键的电子攻击质子H⁺，形成碳正离子中间体；第二步溴阴离子Br⁻再与该碳正离子结合，得到加成产物溴代烷。整个过程使双键变成两个新的σ键。反应符合马尔可夫尼可夫规则（亲电质子优先加到形成更稳定正离子的那一端），而产物的形成经历了一个碳正离子中间体。
类似地，Br₂对烯烃的加成则通过溴鎓离子桥式中间体：烯烃的π键攻击Br₂的一端形成环状正离子中间体，随后被剩余的Br⁻开环，加成得到二卤代产物。
无论具体机理如何，亲电加成都遵循这样一个模式：亲电试剂先受π键进攻，生成正价中间体，随后通过引入亲核片段完成加成。这一类反应在有机合成中很常见，例如烯烃的卤化氢加成（水合、卤素加成等）以及非活化烯烃的催化官能化等。
在芳香亲电取代（SEAr）中，芳环上的π电子进攻亲电试剂，生成σ复合物（又称魏兰德中间体，实为环己二烯正离子）。这一中间体丧失了芳香性，但通过共振可以稳定正电荷。
接着，σ复合物失去一个质子（被溶剂或其他碱性物质夺走），芳香性恢复，亲电取代产物生成。净反应即是芳环上一个H原子被亲电基团E替代。
经典的芳香亲电取代包括硝化反应（亲电试剂为硝酰离子NO₂⁺，由浓硫酸与硝酸生成）、卤代反应（亲电种为Br⁺或Cl⁺，由FeBr₃、AlCl₃等路易斯酸与卤素作用生成）以及Friedel-Crafts烷基化/酰基化反应（亲电种分别为碳正离子或酰鎓离子R–C≡O⁺，通常由相应卤代物在AlCl₃存在下生成）。
例如，在苯的硝化中，浓硝酸与浓硫酸混合作用生成NO₂⁺，后者进攻苯环生成σ复合物，再失去H⁺得到硝基苯；整个过程中苯环作为亲核体攻击强亲电体NO₂⁺。芳环亲电取代反应的特点是中间体的形成和后续芳香复原，两步缺一不可。
因此影响芳香族亲电取代活性的因素除了亲电试剂本身强弱外，还有芳环上取代基对σ复合物稳定性的影响——供电子基可活化芳环、增加亲电取代速率，而吸电子基则使芳环反应性降低并改变取代定位。
DOI:
10.1021/acs.joc.7b01771
常见亲电试剂及其电子受体特性：亲电试剂往往具有空轨道或易离去基团。最简单的例子是质子H⁺，只有1s空轨道，可强烈吸引电子对；又如三价硼(BF₃)或AlCl₃等路易斯酸，缺满价电子，能接受碱的电子对形成配合物。中性分子也可以通过极化产生亲电中心，例如Br₂、Cl₂在接近富电子双键时，一端电荷偏正（δ⁺），从而被攻击。在反应中实际起作用的“亲电体”有时是反应试剂生成的活化种：比如Br₂在FeBr₃作用下生成的Br⁺（FeBr₄⁻陪伴），硫酸和硝酸混合生成的硝酰阳离子NO₂⁺，以及酰卤在AlCl₃催化下形成的酰鎓离子RCO⁺等。这些种类的亲电中心具有低能量的空轨道（LUMO）或可轻易接受电子的键。根据前线轨道理论，一个分子的最低未占轨道（LUMO）能级越低，它越容易接受电子，从而亲电性越强。例如，羰基C=O的LUMO是π*反键轨道，主要分布在碳原子上，因此羰基碳带有部分正电荷，易受亲核进攻；若在酸催化下羰基氧质子化，LUMO能级进一步降低，电亲电性更强。这些分子轨道和电荷的分析帮助我们理解为何某些官能团表现为亲电中心：因为它们有合适的空轨道去容纳来自亲核试剂的电子。例如，根据HOMO-LUMO相互作用模型，反应往往发生在亲核体HOMO与亲电体LUMO重叠最大的部位——这解释了为何碳碳双键的末端（HOMO在π键上）易被亲电质子攻击、为何芳环的对位/间位活性取决于取代基改变了LUMO密度分布等等。催化中的亲电过程实例：许多催化反应旨在增强亲电试剂的活性或选择性。例如，酸催化即利用质子或路易斯酸与底物配位，使底物更加缺电子、更易受亲核攻击。经典案例包括：在Friedel–Crafts烷基化中，AlCl₃与烷基卤化物作用生成碳正离子或复杂的亲电配合物，从而使苯环能够被进攻进行烷基化；又如烯烃聚合反应中，路易斯酸（金属卤化物或酸性离子液体等）可以活化单体烯烃，使之以碳正离子形式发生链增长（即卡宾阳离子机理）。再比如在烯烃的亲电加成中，常加入过氧化物或路易斯酸引发剂以生成强亲电物种（如自由基或正离子），从而启动加成反应。
芳香亲电取代在工业上也极为重要，如硝基苯、磺化产物、卤代苯等都是大宗化学品的前体。在这些反应中，催化剂的作用通常在于：生成或稳定高活性的亲电中间体；提高区域选择性，例如利用适当的酸催化剂控制对位/邻位取代比例；降低反应所需的严苛条件。从材料科学角度看，一些功能高分子（如硝基聚苯乙烯、磺化聚苯乙烯）就是通过芳环亲电取代引入官能团制得。在药物合成中，芳香亲电取代更是常见手段，用于引入卤素、硝基等官能团修饰分子骨架。可见，亲电过程在合成和制造中同样扮演着举足轻重的角色。DOI:
10.1021/acs.accounts.4c00327
现实中的有机反应往往并非单一机理独立进行，亲核与亲电过程之间可能存在竞争，也可能巧妙地协同发挥作用。
在有机催化领域，常通过双功能催化剂或协同催化同时活化亲核试剂和亲电底物，从而加速反应并提高选择性。
这类催化剂通常一端提供碱性/亲核位点，激活亲核试剂（如去质子化生成更强阴离子）；另一端提供酸性/亲电位点（如氢键、路易斯酸位），增强底物电正性，促进其受亲核攻击。这种同时活化（simultaneous activation）机制在许多串联反应和不对称催化中得到应用。
例如Rozsar等人 (J. Am. Chem. Soc. 2022) 报道了首例金属自由催化的硫醇对非活化α,β-不饱和酰胺的不对称共轭加成反应。
反应中使用的新型「超碱/氢键双功能催化剂」是一种含缩酮胺（squaramide）基团和亚胺膦烷(Iminophosphorane)骨架的有机催化剂。
该催化剂一方面具有强碱性的亚胺膦烷中心，能够去质子化硫醇（R–SH）生成硫负离子（R–S⁻，亲核剂）；另一方面其缩酮胺双键提供强氢键供体位点，可与α,β-不饱和酰胺的羰基氧配位，增强底物的亲电性。
在这种协同作用下，硫负离子顺利对底物的β-位碳进行迈克尔加成，形成新的手性碳-硫键。该反应在室温即可高收率、高对映选择性地进行，对底物和硫醇范围都有良好适用性。
作者的计算分析进一步证实：催化剂通过特定非共价作用**稳定了过渡态，使亲电羰基朝向催化剂的氢键位点，亲核硫负离子则在碱性位点引导下进攻，从而显著降低了反应能垒。
DOI:
10.1021/jacs.1c11898
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
