中国药科大学有机化学课件-第六章-卤代烷

第六章卤代烃AlkylhalidesR-X一分类和命名分类按烃基结构的不同根据与卤原子相连的碳原子的类型按分子中所含卤原子数目多少按烃基结构的不同分为饱和卤代烃、不饱和卤代烃、卤代芳烃。BrCH3CH2CH2ICH3CHCHCH2I饱和卤代烃不饱和卤代烃卤代芳烃（卤代烷）（卤代烯）烯丙型卤代烃和乙烯型卤代烃CH2=CHCH2-XCH2=CH-XRCH2=CHCH2-XRCH=CH-X烯丙型卤代烃乙烯型卤代烃（卤原子连在a-碳上）（卤原子直接与双键碳相连）根据与卤原子相连的碳原子的类型卤代烃分为伯(1°)卤代烃、仲(2°)卤代烃和叔(3°)卤代烃CH3CH2CH2CH2XCH3CH2CHCH3XCCH3CH3XCH3按分子中所含卤原子数目多少分为一卤代烃、二卤代烃和多卤代烃CH3ClBr-CH2-CH2-BrCHCl2-CHCl2氯甲烷1,2-二溴乙烷1,1,2,2-四氯乙烷2命名1）习惯命名法2）系统命名法1）习惯命名法一般是按与卤原子相连的烃基名称来命名，称为“某基卤”CHClCH3CH3CH3CH2CHClCH3CH2=CH－CH2Cl异丙基氯仲丁基氯烯丙基氯2）系统命名法CH3CHCH2CHCH2CH3CH3ClCH3CH—CH2—CH—CH3ClCH34-甲基-2-氯己烷2-甲基-4-氯戊烷(2-chloro-4-methylhexane)(4-chloro-2-methylpentane)CH2CH3BrHHBrCH(CH3)2Cl反-1-乙基-4-溴环己烷3-氯-5-溴异丙苯在命名卤代烯烃时，使双键编号尽可能小CH2CH—CH2ClCH3CHCHCHCH2CH2ClCH2CH33-氯-1-丙烯4-乙基-6-氯-2-己烯3-chloro-1-propene(6-chloro-4-ethyl-2-hexene)二物理性质三化学性质诱导效应(inductiveeffect)由于两键合原子的电负性不同，使成键电子对偏向某一原子而发生极化的现象称为诱导效应(inductiveeffect)原子和基团诱导效应通常以氢作比较标准。X取代H后，若电子偏向X，称X为吸电子基；Y取代H后，若电子偏向Y，称Y为斥电子基。CXCHCYX为吸电子比较标准Y为斥电子有机化合物中常见的一些原子及基团的电负性大小次序-F-Cl-Br-I-OCH3-NHCOCH3-C6H5-CH＝CH2-CH3-C2H5-CH(CH3)2-C(CH3)3诱导效应具有传递性-C4→C3→C2→C1→Cl吸电子基团引起的诱导效应称为吸电子诱导效应(-I效应)，它使碳链的电子云密度下降;斥电子基团引起的诱导效应称为斥电子诱导效应(+I效应)通常传递到3个原子后就可忽略不计（一）亲核取代反应NucleophilicSubstitution，SN底物：被进攻的，碳上带部分正电荷的试剂反应中接受试剂的进攻亲核试剂：Nu:orNu:-富含负电荷的负离子或者带有孤对电子的分子进攻电核密度较小的C原子离去基因：被亲核试剂取代下来的基团。1水解:卤代烷与碱的水溶液或AgOH等作用时,-X被-OH取代生成醇RXROH+KXKOH/H2OCH2ClH2OCH2OHH2O(CH3)3CCl(CH3)3COH但在一般条件下ClH2OOH-OH-OH-2与氨、醇、硫化氢等其它亲核试剂的反应R-XNH3R-+NH3X--ORR-O-R-SHR-SH铵盐醚硫醇RCl+NaICH3COCH3RI+NaCl卤素交换氨解3与NaCN作用腈此为增长碳链的方法之一：CH2CN+NaCl苯乙腈RCN+NaXCH3CH2OHCH3CH2OH4与AgNO3作用硝酸酯依据产生AgX的速度，可以推测反应物的结构：CH2CHCH2XC6H5CH2X(CH3)3CXRCH2XCH2CHXC6H5XCH2CH(CH2)nXn2室温加热不反应烷基相同的卤代烃则有活性:R-IR-BrR-ClCH3CH2OH2亲核反应机理R-Br+NaOH→ROH+NaBrRBr伯仲(1°)卤代烷时反应速度K=k[RBr][OH－]为双分子亲核取代SN2RBr叔(3°)卤代烷K=k[RBr]单分子亲核取代SN1（1）双分子亲核取代（SN2）反应历程CBrHHHOHCHHHHOBr++CBrOHHHHδδ瓦尔登转化（翻转）（2）SN2反应的立体化学a.构型翻转b.空间位阻对反应的影响如果底物反应中心连接大体积烷基，则不利于亲核试剂靠近底物反应中心，形成过度态需要较大的活化能。从而反应速率降低，甚至不能进行反应。总结：SN2反应历程的特点反应一步完成，旧键断裂和新键形成同时进行反应速度与卤烃和亲核试剂均有关（后面我们要进一步讨论亲核试剂的影响）反应过程中伴随构型转化（3）单分子亲核取代（SN1）历程一级反应：反应速度K=k[RBr]SN1反应只与卤烃浓度有关，而与亲核试剂浓度无关，只取决于卤烃分子中C-X键的断裂难易。CH3CBrCH3CH3CCH3OHCH3CH3乙醇水溶液Br+OH+-反应速度只和叔丁基溴浓度有关，而碱浓度对反应无影响CH3—C—BrCH3CH3CH3—CBrCH3CH3δ+-δCH3—C++Br-CH3CH3δ-+δCOHCH3CH3CH3第一步：第二步：CH3—C++OHCH3CH3过渡态1碳正离子过渡态2≠≠CH3—CCH3CH3OHC+的重排CH3CCH2CH3CH3OHCH3CCH2BrCH3CH3SNCH3CCH3CH2OHCH3CH3CCH3CH2CH3CCH2CH3CH3CH31OH重排++2-甲基-3-氯-丁烷重排产物占93%思考OHCH2BrOH2为什么五元环状产物是主要产物？SN1反应的立体化学a.外消旋化b.反应中心的R基位阻对反应的影响比较小（相对SN1)SN1反应特点分两步进行外消旋化SP3中间体存在，造成进攻基团从平面两侧进攻的机会相等。反应速度仅和卤代烃浓度有关，产物结构由其正离子的稳定性决定，可能在反应过程中发生重排3影响亲核取代反应速率的因素烷基（R-）结构亲核试剂离去基团溶剂极性（1）烷基（R-）结构的影响SN1：烯丙基＞3°＞2°＞1°＞乙烯基型C+稳定性决定的SN2：烯丙基＞1°＞2°＞3°＞乙烯基型空间位阻决定的一般1°卤代烃易按SN2历程，3°卤烃易按SN1历程反应，2°卤代烃两者兼而有之。（2）亲核试剂的影响SN2中亲核试剂进攻是反应速度慢的一步，是速度决定步。因此，Nu浓度大，能力强，对SN2有利。由于决定反应速度是C-X离解成C+，亲核试剂浓度、亲核能力对SN1影响不大。亲核试剂多数带有负电荷或者孤对电子，能显碱性。试剂的亲核性表示其给出电子与带正电荷中心碳原子的结合能力，其强度决定于试剂的碱性、可极化性、体积及溶剂化效应。碱性是代表试剂与质子的结合能力。在多数情况下，试剂的亲核性和碱性的顺序是一致的，但也有例外。处于周期表同一族的亲核试剂，它们的亲核性和碱性强弱顺序相反。碱性：F-Cl-Br-I-亲核性：I-Br-Cl-F-碱性：CH3O-CH3S-亲核：CH3S-CH3O-（3）离去基团一般说来，强离去基团的化合物倾向于按SN1历程进行反应。反之，有弱离去基团的化合物倾向于按SN2的历程进行反应。也就是说，离去基团的性质对SN1反应的影响比SN2大。X原子离去倾向－I＞－Br＞－Cl＞－F（4）溶剂极性SN1反应：高极性质子性溶剂对SN1有利，如水，醇，甲酸等。SN2反应：亲核试剂进攻时，质子性溶剂对反应不利。一定极性的非质子性溶剂能加强亲核性和溶解性，因而有利SN2反应。如CH3Cl等亲核取代反应的竞争性烷基（R-）结构亲核试剂离去基团溶剂极性（二）消除反应（Elimination，E）1消除反应的特点和取向1）卤素总是与β－C上的H一起脱去，β位上的H被消除（β－消除）CCHXCCNaOH烯烃2）脱HX时，总是生成稳定烯烃为主，比如共轭烯或者双键上连有较多取代基的稀烃，称为查依采夫（Saytzeff）消除规则，这种选择性称为区域选择性查依采夫消除规则（Saytzeff）指出了越稳定的稀烃越容易生成CH3CH2CCH3BrCH3C2H5OK,C2H5OH℃70CH3CH2C=CH2+CH3CH=CCH3CH3CH329%71%2消除反应机理消除反应历程可分成单分子消除（E1）双分子消除（E2）（1）E2反应CH3CCH2HHBrOHCH3CCH2HHOHBrδδCH3CH=CH2+Br+H2O反应一步完成，新键的形成和旧键的断裂同时进行。过渡态时涉及两个分子，称为双分子消除。（2）E1反应CH3CClCH3CH3CH3C+CH3CH3Cl慢+CH3C+CH3CH2HOHCH3CCH3CH2HOHCH3C=CH2CH3+E1特点：反应分两步进行；速度只与卤烃浓度有关而与碱浓度无关。E1的证据——正碳离子重排CH3CH3–C–CH2–BrCH3C2H5OHKOHCH3CH3–C＝CH–CH3CH3CH3–C–CH2+CH31,2-甲基迁移CH3CH3–C–CH2–CH3+卤代烃消除一般按E2历程进行，以反式消除为主。CCHXCCHXC＝C顺式消除反式消除–消除反应的空间选择Z-Z-∵消除后生成键，∴要求消去的–H和X应当处在同一平上。3.影响消除反应活性的因素R-结构试剂浓度溶剂极性离去基（1）R-结构反应活性3级卤代烷2级1级E1反应3°C+稳定易生成E2反应叔卤代烷受进攻的几率高，生成的烯最稳定（2）试剂浓度单分子E1反应与碱性试剂浓度无关双分子E2反应碱性试剂浓度越大，越容易夺取β－H，越容易反应。（3）溶剂极性极性大，有利于C－X离解，生成C+离子，有利于E1。（类似于SN1反应）（4）离去基卤原子离去能力越大的反应活性越高RIRBrRClRF四取代反应和消除反应的竞争卤代烷与亲核试剂作用时可能有四种反应历程，哪种历程占优势主要由卤代烷烃的结构、亲核试剂的性质（亲核性、碱性）、溶剂的极性以及反应的温度等因素决定。.HCX.αCNu..β消除取代①伯卤代烷易发生取代反应,叔卤代烷易发生消除反应，仲卤代烷则介于二者之间。②试剂的亲核性强（如CN－）有利于取代反应，试剂的碱性强而亲核性弱（如叔丁醇钾）有利于消除反应。③溶剂的极性强有利于取代反应。④反应的温度升高有利于消除反应。325oCCH2+(CH3)2COC2H5(CH3)3CCBr+C2H5OH(CH3)81%19%CH3CH2Br+NaOH→CH3CH2OHCH3CH2Br+NaOH→CH2=CH2H2O乙醇叔丁基溴CH3CH2Br+CH3CH2ONaCH3CH2OCH2CH3+CH2CH2乙醇55℃99%1%醇钠β位上连有苄基或烯丙基时，有利于E2反应进行。因为产物稀烃受到π－π共扼的影响，体系能量更低，更容易生成。CH2CH2OCH2CH355℃乙醇CH2CH2BrCHCH25.4%94.6%+CH3CH2ONa+BrCH3CHCH3NH3NaNH2CH3CHCH3NH2CH3CH=CH23．与金属镁反应RX+MgRMgX无水乙醚Grignard试剂（格氏试剂）格氏试剂化学性质非常活泼，能和多种化合物作用生成烃、醇、醛、酮、羧酸等物质。Br+MgMgBr如RX活性RI＞RBr＞RCl一般在反应中用溴代烃+HH2ORMgX+CO2RCOMgXRCOH+MgXOHOO无水乙醚+HH2ORMgX+CO2RCOMgXRCOH+MgXOHOO无水乙醚格氏试剂能与许多含活泼氢的物质作用YXRH+MgRMgX+HY(Y＝－OH、－OR、－X、－NH2、－C≡CR等)制备格氏试剂时必须避免与水、醇、酸、氨等物质接触。五卤代烃中卤原子的活泼性烯丙型卤烃卤代烷乙烯型卤烃1．乙烯基型和芳基型卤代烃......::Cl...CCCCCCCCClHHH...(a)氯乙烯的p－π共轭体系（b）氯苯的p－π共轭体系p－π共轭效应使C