《有机化学》（第一版 ）第五章 卤代烃

精品课程 Organic Chemistry,第五章 卤代烃 Hydrocarbon Halides,II. 卤代烃的命名,1). 简单的,CH3I,碘甲烷,普通命名法,(CH3)2CHCl,异丙基氯,苄基溴 (溴化苄),“某基卤”或“卤(化/代)某烃”,(S)-3-甲基-1-苯基-1-溴丁烷,2). 系统命名法,5.2 卤代烃的物理性质,常温常压下：CH3Cl，C2H5Cl及CH3Br Gas 其它常见RX Liguid C15 RX Solid RX：分子极性小，不溶于水，易溶于许多有机化合物(做溶剂)。如：氯仿(CHCl3) 卤代烷：X数增加，可燃性降低。CCl4为灭火剂 比重：RCl(1) ，RBr，RI ( 1 ),5.3 卤代烷的化学性质 C-X：官能团，卤原子活泼易被取代。,取代反应,亲核,消去反应,与金属的反应,一亲核取代反应(Nucleophilic Substitution SN）,亲核试剂：用Nu：表示，包括带未共用电子对的分子或负离子。,卤原子的电负性大于碳，卤原子的诱导吸电子作用 使与卤原子相连的碳原子上带部分正电荷，易受亲核 试剂（Nucleophile，Nu:-）的进攻，卤原子带一对电子 离开，碳原子形成新键，发生取代反应。,+,-,(X=Cl, Br),I. 亲核取代反应,R-X,NaOH / H2O,R-OH,水解,RONa / ROH,R-OR,醇解,NaCN/ 醇,R-CN,氰解,NH3,R-NH2,氨解,NaI/ 丙酮,R-I,卤素交换,AgONO2 /乙醇,R-ONO2,+AgX,1. 水解：,··,··,+,-, 碱性水解反应的底物必须是 10 、20 卤代烃,2. 醇解:,该法是合成不对称醚的常用方法，称为 Williamson (威廉逊) 合成法。该法也常用于合成硫醚或芳醚。,采用该法以10 卤代烷效果最好，20卤烷效果较差， 不能使用30卤烷，因为叔卤烷易发生消除反应 生成烯烃。,CH3CH2CH2ONa + CH3CH2I,CH3CH2CH2OCH2CH3 + NaI,例如：合成,按：, NaOCH2CH3,按：, Br-CH2CH3,20 卤代烃 ，强碱性条件消除副反应严重,10 卤代烃 ，主要取代,3. 氰解：,该反应的重要意义：可增长碳链外，可以通 过氰基转化为COOH、 CONH2等官能团。,该反应与卤代烷的醇解相似，亦不能使用 叔(30)卤烷，否则将主要得到烯烃。,4. 氨解：,因生成的伯胺仍是一个比NH3更强的亲核试剂，它可以继续 与卤代烷作用，生成仲胺或叔胺的混合物。故反应要得到伯胺， 必须在大过量氨的存在下进行(向NH3中滴加RX)。,注意区别伯胺、仲胺、叔胺的概念,季铵盐,5. 卤离子交换反应：,NaBr与NaCl不溶于丙酮，而NaI却溶于丙酮， 从而有利于反应的进行。,6. 与硝酸银作用：,活性顺序：RI RBr RCl,6.卤代烷的鉴别：,(3°RX),(2°RX),(1°RX),立即出现沉淀,几分钟后出现沉淀,加热才出现沉淀,RCCH,RCCR,RCCNa,（亲核试剂：RCC-）,二、亲核取代反应历程及立体化学：,1. 双分子亲核取代反应(SN2)：,A. 反应机理： 以CH3Br的碱性水解为例：,由此可见，这是一个动力学二级反应。其反应速率 与溴甲烷和碱的浓度成正比。故称为双分子反应。,SN2（双分子亲核取代）一步完成,由图可见，在SN2反 应中，新键的形成和旧键 的断裂是同时进行的，是 一个一步完成的反应。,B. SN2反应的立体化学：,SN2反应的立体化学特征： 构型反转(亦称Walden翻转)。,B. SN2反应的立体化学：,SN2反应的立体化学特征：构型反转(亦称Walden翻转)。 对手性分子，不一定就是R S,R,R,2. 单分子亲核取代反应(SN1)：,A. 反应机理： 以(CH3)3CBr的碱性水解为例：,(CH3)3CBr在碱性条件下主要发生消除反应。而发生水解反应时，其反应速率 只于叔丁基溴的浓度有关，是一个动力学一级反应 。故称为单分子反应。,单分子亲核取代反应是分步进行的：,过渡状态,中间体,(CH3)3CBr,(CH3)3COH,B. SN1反应的立体化学：,SN1反应的立体化学较为复杂，在正常 情况下，若中心碳原子为 手性碳原子， 由于C+离子采取sp2平面构型，亲核试剂将 从两边机会均等的进攻C+离子的两侧， 将得到外消旋混合物。,SP2,等量混合物，外消旋化合物,C. SN1反应的另一个特点重排：,由于反应中包含有碳正离子中间体的生成， 可以预 料，它将显示出碳正离子反应的特性重排。,如：2,2-二甲基-3-溴丁烷的醇解：,3.分子内亲核取代反应机理,邻基效应,当亲核试剂与离去基团处于同一分子内时，能否 发生分子内的亲核取代？回答是肯定的，可以。 但这是有条件的。以氯乙醇为例：,该反应得以进行的有利条件是：分子内的氧负离子距中 心碳原子的距离最近，且处于反式共平面的有利位置， 从而有利于从Cl原子的背后进攻中心碳原子。,卤代烷的亲核取代反应，究竟按SN1历程， 还是 SN2历程进行，与卤代烷的结构、 亲核试剂、离去基团及溶剂等诸多因素有关。,三、影响亲核取代反应的因素,1. 烃基结构的影响,A. 对SN2反应的影响:,如前所述： SN2反应的特点 是亲核试剂从 CX 键的 背后接近反应中心碳原子,显然，- 碳上连有的烃基，亲核试剂越难以接近反应中心，其反应速率必然。因此，在SN2反应中，卤代烷的活性次序应该是：,这一活性次序还可从另外方面得到解释：,a. 反应速率的快慢，与所需活化能的大小、 过渡态生成的难易有关。如：,b. 在反应物中，随着中心碳原子上所连烃基的增多，由于烷基的+I效应，使中心碳原子的正电荷减少，从而不利于亲核试剂的进攻。,那么，同为伯卤烷，其SN2反应的相对活性又怎样呢？,结论：- C上烃基， SN2反应速率。,SN1反应的难易取决于中间体碳正离子的生成，一个稳定的碳正离子，也一定是容易生成的碳正离子。因此，在SN1反应中，卤代烷的活性次序应该是：,对这一活性次序的理论解释：,一是空间效应：,基团拥挤,拥挤程度减少,B.烃基结构对SN1反应的影响：,二是电子效应(,p - 超共轭效应),烷基结构对SN反应的影响： 3°RX：SN1； 2°RX：SN1或SN2； 1°RX（CH3X）SN2,由于在SN1反应中，决定反应速率的关键步骤碳正离子生成只与卤代烷的浓度有关，故亲核试剂对SN1反应的影响不大。,但对于SN2反应，由于反应速率既与卤代烷的浓度 有关，又与亲核试剂的浓度有关，因此，亲核试剂的 影响是至关重要的。,显然，亲核试剂的亲核能力，浓度，反应。,试剂亲核能力的强弱取决于两个因素： (1).试剂的碱性(即给电子性)； (2).试剂的可极化性(即极化度或变形性)。,2. 亲核试剂的影响,(1) 试剂的碱性：,试剂的碱性与亲核性是两个不同的概念，二者的关系可能一致，也可能不一致。,A. 亲核性与碱性一致：,a. 同周期元素所形成的亲核试剂, 酸性：R3CH R2NH ROH HF,酸性：NH3 H2O HF,b. 同种原子形成的不同亲核试剂,B.亲核性与碱性不一致(亲核试剂体积大小的影响)：,(2) 试剂的可极化性,可极化性系指分子中周围电子云在外电场的影响下 发生形变的难易程度。易形变者，可极化性大。,在亲核取代反应中，可极化大的原子或基团，因形 变而易于接近反应中心，从而降低了达到过渡状态所须 的活化能，故亲核能力增强。,显然，同族元素，随原子序数的增大，核对核外电 子的束缚力，可极化性，亲核能力。,值得注意的是：亲核性,是指在质子,溶剂(如：H2O、ROH)中的次序。若在非质子极性溶剂 中如：(CH3)2S=O DMSO、HCON(CH3)2 DMF ， 其亲核能力刚好相反。,综上所述，判断一个试剂亲核能力的大小：,1)同周期元素或同种原子形成的亲核试剂， 可用其碱性的强弱来判断,考虑体积因素影响；,2)对于同族元素形成的亲核试剂，可用可极化性的大 小来判断。随原子序数的增大,亲核能力 。,总体说来：碱性强的试剂，亲核性也强。 C2H5O-HO-PhO-CH3CO2-H2O 但有例外： 碱性F-Cl-Br-I- （共轭酸HIHBrHClHF） 因此处亲核性由可极化性决定，所以正好相反。 Nu:-体积大，亲核能力差（立体效应）,无论SN1反应，还是SN2反应，在决定反应的关键步骤 中，都包含CX键的断裂，因此，离去基团X的性质 对SN1反应和SN2反应将产生相似的影响，即卤代烷的活 性次序是：,这一活性次序可从CX键的离解能、和离去基团 的碱性 等方面来说明。,3. 离去基团(X)的影响,由此可见，I- 既是一个好的离去基团，又是一个好 的亲核试剂。因此，这一特性在合成中有着重要的用途,溶剂的极性，有利于SN1反应的进行,B. 对SN2反应的影响：,溶剂对SN2反应的影响较为复杂， 通常情况下是增强溶剂的极性对SN2反应不利。,4. 溶剂的影响,A. 对SN1反应的影响：,SN1与SN2反应历程比较：,练习：卤代烷与NaOH在水-乙醇溶液中进行反应，下列 哪些是SN2机理？哪些是SN1机理？,(1) 产物发生Walden转化； (2) 增加溶剂的含水量反应明显加快； (3) 有重排反应； (4) 叔卤烷反应速率大于仲卤烷； (5) 反应只有一步。,SN2,SN1,SN1,SN1,SN2,2. 指出下列各对反应中，何者较快？为什么？,二卤代烷的消去反应,消去反应(E：Elimination)：从有机化合物分子中消去一个较小的中性分子，生成不饱和化合物。常见被消去的分子：HX，H2O，X2等。,卤代烷分子中消除HX生成烯烃的反应，称为卤代烃 的消除反应，因消除的是- H 和卤原子，故又称- 消 除反应。,-消去反应,(一)、消除反应的反应历程,与卤代烷的亲核取代反应相似，卤代烷的消除反应也有两种反应历程。,1. 双分子消除反应(E2),例：,SN2亲核取代反应,- 消除反应,由反应历程可见，卤代烷的双分子消除反应也是一 步完成的反应，反应的动力学方程为：,上述反应的本质差别在于： 按进行反应，碱进攻 的是-C，发生的是亲核取代反应； 按进行反应，碱 进攻的是-H，发生的是消除反应。,2. 单分子消除反应(E1),以(CH3)3CBr为例：,由此可见：a. 反应也是分步进行的； b. 反应速度只与RX有关，其动力学方程为：v = k RX,总之，亲核取代反应和消除反应 是相互竞争，伴随发生的。,E1与E2消去反应的比较,(二)、消除反应的取向,当卤代烷分子含有两个或两个以上不同的- H 原子 可供消除时，生成的烯烃也就不止一种结构，那么，究 竟优先消除哪一个- H 原子，这就是取向问题。,马氏加成：锦上添花（加成HX） 札氏消去：釜底抽薪（消去HX）,实践表明：卤代烷的- 消除反应，在通常情 况下将遵循Saytzeff规则生成双键碳原子上连有取代基较多的烯烃。,然而，当消除的- H所处位置有明显的空间位 阻或碱的体积很大时，其主要产物将是Hofmann产物。 例如：,(三)、消除反应的立体化学,- 消除反应可能会有两种不同的顺反异构体生成。,离去基团X与被消除的- H 必须在同一平面上，且X与- H 在 键的两侧(异侧)被消除，称为反式消除。,实践表明：在按 E2 机理进行消除的反应中，一般情 况下发生的是反式消除。,四、取代与消除反应的竞争,如前所述，亲核试剂(Nu:-)一般都有碱性，而碱性试剂(B-)一般都具有亲核性；因此在卤代烷的反应中，同一种试剂既可进攻