[科普中国]-桥头取代

桥头取代是指桥环化合物中，发生在桥头原子上的取代反应。和其它取代反应一样，有亲核取代、亲电取代和自由基取代三种类型。其中亲核取代有 SN1 和 SN2 两种，但是这两种都很难在桥头发生。

背景桥环化合物与桥头桥环化合物（bridged compounds）指的是由两个或多个环组成的体系，其中每个环都和相邻的环共用两个或多个原子。桥环化合物可以是烃，也可以含有杂原子；可以是饱和的，也可以含有不饱和键。下图给出了几个桥环化合物的例子：123

环与环之间共用的那部分，除了处于两端的原子以外，中间那一部分就是桥（bridge）。桥可以是共用的那根键，也可以是一个原子，也可以是不含支链的一串原子。而处于桥两端的那两个叔碳原子，就是桥头（bridgehead）。4 桥头通常指桥头碳（bridgehead carbon），但有时处于桥的某一端的原子也可能是杂原子，比如桥头氮（bridgehead nitrogen）。下图中蓝色箭头所指的两个碳原子就是桥头：

取代反应与桥头取代有机化学中，取代反应可分为亲核取代（nucleophilic substitution）、亲电取代（electrophilic substitution）和自由基取代（free radical substitution）反应三种类型。5 亲核取代是指一个给电子基团取代另一个给电子基团，与一个电子云密度较低的原子成键的取代反应，包含 SN1 和 SN2 两种反应机理。亲电取代指的是一个缺电子基团取代另一个缺电子基团，与一个电子云密度较高的原子成键的取代反应。而自由基取代则是自由基与某个原子结合，同时该原子上原有的一个取代基以自由基的方式离去。

桥头取代（bridgehead substitution）是指发生在桥头上的取代反应。桥头不仅连接两个环，还和一个氢原子或者一个取代基相连。这个氢原子或取代基被其它基团所取代的反应就是桥头取代。和其它的取代反应一样，桥头取代也包含亲核取代、亲电取代和自由基取代三种反应类型。

实例亲核取代桥头碳上很难发生 SN2 反应，因为桥环结构无法发生构型翻转；桥头碳也很难有 SN1 反应，因为桥环结构无法让桥头形成碳正离子的平面结构。下图是桥头连有溴原子的桥环化合物的桥头取代（SN1）反应速率：6

研究表明，桥环化合物越大，越容易发生桥头亲核取代（SN1），因为较大的环更容易形成碳正离子平面结构。7

亲电取代

上图中第一个反应是 HgCl2 作为亲电试剂进攻桥头，第二个反应是质子化的乙酸进攻桥头，第三个反应是 I3- 离子进攻桥头。8

自由基取代

上图所示反应是在偶氮二异丁腈（AIBN）的作用下发生的桥头自由基取代反应。当 Z = H，R = Bu 时，产率达到 85%；而当 Z = SnMe3，R = Me 时，产率只有 65 %。9

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学