单分子亲核取代反应

机制

以_NS1反应机理发生的反应的一个例子是溴化叔丁酯与水的水解，形成叔丁醇。

这个_NS1反应分三个步骤进行。

• 通过从碳原子上分离出一个离去基团（溴化物阴离子）形成一个叔丁基的碳化物；这个步骤是缓慢和可逆的。

• 亲核攻击：碳原子与亲核体发生反应。如果亲核者是一个中性分子（即溶剂），则需要第三步来完成反应。当溶剂是水时，中间物是一个氧化铵离子。这个反应步骤是快速的。

• 去质子化。在质子化的亲核体上，通过水作为碱的作用除去一个质子，形成酒精和一个氢离子。这个反应步骤是快速的。

因为第一步是瓶颈或 "决定速度的步骤"，化学家将整个反应机制归为_NS1。该步骤只需要一个分子。

该反应的范围

有时一个分子可以使用_NS1或S2_N机制进行反应。当中心碳原子被笨重的基团包围时，_NS1机制将赢得这场竞争，因为这种基团在立体上阻碍了S2_N反应。此外，中心碳上的笨重取代基增加了碳化物形成的速度，因为发生了立体应变的缓解。形成的碳化合物还通过电感稳定和连接的烷基的超共轭作用得到稳定。Hammond-Leffler假设说，这也会增加碳化物的形成速度。因此，_NS1机制在三级烷基中心的反应中占主导地位，在有弱的亲核物存在的情况下，在二级烷基中心进一步观察。

以_NS1方式进行的反应的一个例子是用浓盐酸从相应的二醇合成2,5-二氯-2,5-二甲基己烷。

随着α和β取代物相对于离去基团的增加，反应会从S2_N转向_NS1。

立体化学

在反应的速率限制步骤中形成的碳配位中间物是一个具有三角形平面分子几何结构的sp²杂化碳。这就为亲核攻击提供了两条不同的路径，一条在平面分子的两边。如果这两条路径都不被优先考虑，这两条路径将被同等使用，如果反应发生在立体中心，就会产生外消旋混合的对映体。这在S-3-氯-3-甲基己烷与碘离子的_NS1反应中得到了说明，该反应产生了3-碘-3-甲基己烷的外消旋混合物。

然而，可以观察到一种立体异构体的过剩，因为离开的基团可以在短时间内接近碳原子中间物，并阻止亲核攻击。这与S2_N机制非常不同，后者不混合产物的立体化学（立体特定机制）。S2_N机制总是颠倒分子的立体化学性质。

副反应

两个常见的副反应是消除反应和碳原子重排。如果反应是在温暖或炎热的条件下进行（有利于熵的增加），E1消除反应可能占主导地位，导致烯烃的形成。在较低的温度下，_NS1和E1反应是竞争性反应。因此，很难偏向于其中一个。即使反应在低温下进行，也可能会形成一些烯烃。如果试图使用强碱性亲核体（如氢氧根或甲醇离子）进行_NS1反应，将再次形成烯烃，这次是通过E2消除。如果反应被加热，情况尤其如此。最后，如果碳化物中间体能重新排列成更稳定的碳化物，它将得到由更稳定的碳化物衍生的产物，而不是简单的取代产物。

溶剂效应

溶剂会改变反应速率。由于_NS1反应在决定反应速度的步骤中涉及到不稳定的碳酰化中间物的形成，任何能够帮助这一点的东西都会加快反应速度。通常选择的溶剂既是极性的（以稳定一般的离子中间体），也是亲水性的（特别是溶解离开基团）。典型的极性质溶剂包括水和醇，它们也可以作为亲核剂。

Y刻度将任何溶剂的溶解反应速率（k）与标准溶剂（80% v/v乙醇/水）的溶解反应速率（k₀）联系起来，通过

log ( k k ) 0= m Y {displaystyle\log {left({frac {k_{0}}}right)}=mY\,}

m是反应物常数（对叔丁基氯来说m=1）。

• Y是一个溶剂参数，和
• k₀是使用80%乙醇溶剂的反应速率（按体积测量）。

例如，100%的乙醇给出了Y = -2.3，50%的乙醇在水中Y = +1.65，15%的浓度Y = +3.2。