1、版权所有：新乡医学院化学教研室 Copyright 2010 Xinxiang Medical University. All rights reserved.,ORGANIC CHEMISTRY,有 机 化 学,第四章 卤 代 烷,第一节 卤代烷的分类和命名,第二节 卤代烷的结构,第三节 卤代烷的物理性质,第四节 卤代烷的化学反应,第五节 卤代烃的还原,Outline,按烃基的 结构分类,卤代烷的分类,卤代烷：,（X为F、Cl、Br、I）,卤代烷的命名,1. 普通命名法,烷基名卤素名或卤(化/代)某烃,苄基溴(溴化苄),正丁基氯(氯代正丁烷),叔丁基溴(溴代叔丁烷),2.系统命名法,按照烷烃
2、命名法编号，把卤素和支链作为取代基。,卤代烷的命名,(1R,3S)-1,3-二溴环己烷,(4S)-4-甲基-5-乙基-1-溴庚烷,卤代烷的命名,1、 碳卤键的特点,CH CF CC CCl CBr C I110 139 154 176 194 214 （pm）,2、键长,卤代烷的结构,卤代烷的物理性质,1.沸点,2.溶解度,卤代烷：X数增加，可燃性降低。CCl4为灭火剂,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）,b.p：RIRBrRClRFRH m.p：分子对称性 熔点,3.相对密度分子中卤素原子数目，其相对密度。RX中RF、RCl的d1；RBr、RI
3、的d1；多卤代烃的d1。,常温常压下:C4H9F、C2H5Cl及CH3Br为Gas,其它常见RX为Liguid,4. 可极化性,一个极性化合物，在外电场的影响下，分子中的电荷分布可产生相应的变化，这种变化能力称为可极化性。,影响可极化性的因素：,* 原子核对电子控制弱，可极化性大。所以同一族由上至下 可极化性增大。同一周期由左至右可极化性减小。 * 孤电子对比成键电子对可极化性大。 * 弱键比强键可极化性大。 * 处于离域状态时比处于定域状态时可极化性增大。,卤代烷可极化性次序为： RI RBr RCl RF,可极化性大的分子易发生化学反应。,卤代烷的物理性质,常见亲核取代反应,C-X：官能团
4、。卤原子活泼易被取代。,卤代烷的化学性质,亲核取代反应,举例：,底物：在反应中受试剂进攻的卤代烷。,离去基团L：带着一对电子离去的分子或负离子。(L：Leaving group),亲核取代反应,(X=Cl, Br),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,亲核取代反应,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。,(Cl),NaCl,亲核取代反应,反应活性：叔卤烷
5、仲卤烷伯卤烷。（参见SN1）,与硝酸银作用：,此反应可用于区别伯、仲、叔卤代烷。例如：,亲核取代反应,亲核取代反应历程,亲核取代反应历程,A. 反应机理：,No CH3Br OH- Rate(mol L-1 s-1) 1 0.0010 1.0 4.910-7 2 0.0020 1.0 9.810-7 3 0.0010 2.0 9.810-7 4 0.0020 2.0 19.610-7,双分子亲核取代反应 (SN2) 机理,双分子亲核取代反应 (SN2) 机理,双分子亲核取代反应 (SN2) 机理,B.SN2反应的立体化学特征：构型反转(亦称Walden转化)。,Walden (瓦尔登 ) 转化
6、:反应物构型与生成物构型完全相反的过程。,SN2反应的立体化学,基团的排斥；过渡态能量；亲核试剂与离去基团的距离。, 一步完成，OH与CH3Br都参与， SN2 ； CO键的生成与CBr键的断裂同时进行，有过渡态； 有 Walden转化，手性分子发生SN2反应时，构型翻转。,SN2反应的特点：,例1：,例2：,SN2反应的立体化学,单分子亲核取代反应 (SN1) 机理,单分子亲核取代反应 (SN1) 机理,如：2,2-二甲基-3-溴丁烷的醇解：,B. SN1反应的特点重排：,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。,SN1反应的这些特点（外消旋化、重排等）
7、是由于反应中 生成了碳正离子中间体，研究SN1反应首先要掌握碳正离子的 结构和特性。,1、 电子效应（诱导效应）,特 点: 沿原子链传递。 很快减弱（三个原子）,定义：因分子中原子或基团的极性（电负性）不同而引起成键电子云沿着原子链向某一方向移动的效应或者说是键的极性通过键链依次诱导传递的效应，称为诱导效应（Inductive effects），通常用“I”表示。,预备知识,比较标准：以H为标准,常见的吸电子基团（吸电子诱导效应用-I表示）,NO2 CN F Cl Br I CC OCH3 OH C6H5 C=C H,常见的给电子基团（给电子诱导效应用+I表示）,(CH3)3C (CH3)2C
8、 CH3CH2 CH3 H,预备知识,共轭体系： 单双键交替出现的体系。,C=CC=CC=C,C=CC,C=CC, - 共轭,p - 共轭,特点: 1. 只能在共轭体系中传递。2. 不管共轭体系有多大，共轭效应能贯穿于 整个共轭体系中。,给电子共轭效应用+C表示,吸电子共轭效应用-C表示,+,2、 共轭效应,预备知识,定义：当C-H 键与键（或p电子轨道）处于共轭位时，也会 产生电子的离域现象，这种C-H键 电子的离域现象叫做超共轭效应。,3、超共轭效应,预备知识,特点：1. 超共轭效应比共轭效应弱得多。2. 在超共轭效应中， 键一般是给电子的，C-H键越多，超共轭效应越大。,预备知识,定义：
9、含有只带六电子的碳的体系称为碳正离子。,CH3, ,C+,H,H, ,结构特点： 平面型， sp2杂化。,稳定性：烯丙基 , 3o 2o 1o +CH3,CH3 H CH3 +CH3,-H ,-e-,键解离能,电离能,键解离能+电离能 越小，碳正离子 越稳定。,碳正离子（Carbenium ion）,甲基的给电子诱导效应使正电荷得到分散，使体系稳定,更多甲基给电子的叔丁 基正离子就更稳定,越稳定的中间体就越容易生成 碳正离子也是一种中间体,影响碳正离子稳定性的因素,电子诱导效应：,- p 超共轭效应：,影响碳正离子稳定性的因素,1. 电子效应：有利于正电荷分散的取代基使碳正离子稳定。2. 空间
10、效应：当碳与三个大的基团相连时，有利于碳正离子的形成。（- p 超共轭）,（CH3)3CBr,相对速度,1 10-3 10-6 10-11,321CH 3 +,烷基正离子稳定性,影响碳正离子稳定性的因素,3. 几何形状的影响：,SN1反应常伴随着C+的重排：,如：2,2-二甲基-3-溴丁烷的醇解：,1）外消旋化（构型翻转 + 构型保持）,SN1反应的立体化学,C. SN1反应的立体化学：,SN1反应的立体化学特征是外消旋化。,2) 部分外消旋化（构型翻转 构型保持）,SN1反应的立体化学,较大的外消旋化百分比说明主要发生了SN1反应。,紧密离子对,溶剂分离子对,游离离子,此时进攻得构型转化产物
11、,此时进攻产物构型转化占多数,此时进攻得消旋产物,实例分析,旋光体,95%外消旋化,较稳定的碳正离子,40%水-丙酮,温斯坦 (S.Winstein) 离子对机理,SN1反应的立体化学,3.构型完全保持,理论解释邻近基团的参与,SN1反应的立体化学,SN1反应与SN2反应的区别,SN1 SN2 单分子反应 双分子反应,V = K R-X V = K R-X Nu：,两步反应 一步反应,有中间体碳正离子生成 形成过渡态,构型翻转 + 构型保持 构型翻转（瓦尔登转化）,有重排产物 无重排产物,亲核取代反应,（1）烷基结构的影响 （2）离去基团的影响 （3）溶剂对亲核取代反应的影响 （4）试剂亲核性
12、对亲核取代反应的影响,影响亲核取代反应的因素,影响亲核取代反应的因素 :,L易离去对有利 于SN1,亲核性强利于SN2,极性强有利于SN1,空间因素(主要)：C上取代基越多，Nu越不易接 近C，过渡态也越不稳定； 电子效应(次要)：C上取代基越多，C越负，不 利于OH或Nu进攻C。,SN2反应活性：CH3X1RX2RX3RX,影响SN2过渡态稳定性的因素：,烷基结构对SN2的影响, 、 碳上的支链引起的空间位阻越大, SN2 反应速率越小. (过渡态稳定性、碰撞几率),实验数据：,烷基结构对SN2的影响,C,o,m,p,o,u,n,d,R,e,l,a,t,i,v,e,R,a,t,e,C,H,3
13、,B,r,3,0,C,H,3,C,H,2,B,r,1,0,0,C,H,3,C,H,2,B,r,1,C,H,3,C,H,2,C,H,2,B,r,2,8,(,C,H,3,),2,C,H,B,r,0,.,0,2,(,C,H,3,),2,C,H,C,H,2,B,r,3,(,C,H,3,),3,C,B,r,0,(,C,H,3,),3,C,C,H,2,B,r,0,.,0,0,0,0,1,C,o,m,p,o,u,n,d,R,e,l,a,t,i,v,e,R,a,t,e,伯卤代烷,叔卤代烷,碳上有分支的伯卤代烷,甲基,烷基结构对SN2的影响,生成碳正离子稳定，所需活化能低，反应速率快。,离解成碳正离子的倾向：,
14、烷基结构对SN1的影响,对于SN1：,C,o,m,p,o,u,n,d,R,e,l,a,t,i,v,e,R,a,t,e,(,C,H,3,),3,C,B,r,(,C,H,3,),2,C,H,B,r,C,H,3,C,H,2,B,r,C,H,3,B,r,1,0,8,4,5,1,.,7,1,.,0,从烷基结构看亲核取代反应的活性：,烷基结构对SN的影响,结论：R3CX主要进行SN1反应；CH3X 、RCH2X主要进行SN2反应；R2CHX同时进行SN1和SN2，但SN1和SN2速度都很慢。,几种特殊结构的情况分析,*1 溴代新戊烷型的亲核取代,E1,SN1:,SN2:,几种特殊结构的情况分析,*2 烯丙
15、型、苯甲型卤代烷是1oRX,但其SN1和SN2反应都很易进行。,相对V 1 40 120,SN2,SN1：C+稳定 SN2：过渡态稳定,RX CH3CH2X CH2=CHCH2X,*3 苯型、乙烯型卤代烃较难发生SN反应。,SN1: C-X键不易断裂 SN2：不能发生瓦尔登转化,几种特殊结构的情况分析,*4 桥头卤素，不利于SN反应（比苯型、乙稀型卤代烃更难）,（CH3)3CBr,几种特殊结构的情况分析,(i) 下列每一对化合物，哪一个更易进行SN1反应？,(B),(A),(ii) 下列每一对化合物，哪一个更易进行SN2反应？,(B),(B),讨论,思 考 题,离去基团（Leaving gro
16、up）的影响,离去基团的碱性强弱可由其共轭酸的pka大小判断。,HF Cl- Br - I-,如：RO- 、 OH- 、 NH2- 是不好的离去基团。,离去能力与离去基团的共轭酸的酸性有关：共轭酸酸性越大，离去能力越强!,好的离去基团：I、 Br 、 H2O 、 p-CH3C6H4SO3 ；（HI、p-CH3C6H4SO3H均为强酸） 差的离去基团：OH、RO、NH2 、F 、 -CN（H2O、ROH、NH3、HF、HCN均为弱酸或碱）,离去能力：IBrCl；（酸性：HIHBrHCl）,离去基团的离去能力强，则对亲核取代反应有利（无论SN1还是SN2）。但对SN1影响更大。,离去基团（Leav
17、ing group）的影响,*1 硫酸根、硫酸酯的酸根、磺酸根为什么是好的离去基团？,离去基团,因为：,是强酸,讨 论,离去基团（Leaving group）的影响,CH3O-SO2-OH,CH3O-SO2-OCH3,R-SO2-OH,硫酸,硫酸单甲酯,硫酸二甲酯,磺酸,苯磺酸,对甲苯磺酸,对甲苯磺酸甲酯,氧上的负电荷可以通过硫离域到整个酸根上，从而使负离子稳定，所以负离子易离去。,离去基团（Leaving group）的影响,一些酯的酸根是好的离去基团。, -,+,*2 怎样使羟基转变成一个好的离去基团？,离去基团（Leaving group）的影响,2,*3 离去基团离去能力差异的具体应用
18、：好的离去基团总是可以被不好的离去基团所取代。,离去基团（Leaving group）的影响,碱性（给出电子的能力）： 碱性越强，亲核性越强,亲核性大小顺序 CH3O HO PhO CH3COO NO CH3OH 共轭酸的pKa 15.9 15.7 9.89 4.8 -1.3 -1.7,中心原子相同时：亲核性与碱性顺序一致,试剂亲核性对SN2的影响,试剂亲核性的大小，决定于它所带的电荷、碱性、体积和可极化性,试剂所带电荷的性质带负电荷的亲核试剂比呈中性的试剂的亲核能力强。例如，OH- H2O；RO- ROH等。,中心原子不同，但同周期并有相同电荷时，亲核性与碱性顺序也一致,试剂的碱 性: 与质
19、子亲合的能力;亲核性: 与碳原子亲合的能力。, 中心原子不同，但处于同一族时，亲核性和碱性强弱顺序相反,1）溶剂的作用,在质子性溶剂中 ：亲核性: IBrCl（氢键的作用）,可极化性、亲核性: IBrCl,形成氢键的能力随负电荷密度增加而增加,2）可极化作用（指其电子云在外界电场影响下变形难易的程度）,在非质子性溶剂中 ：亲核性: Cl Br I,常见亲核试剂的亲核性如下：,试剂亲核性对SN2的影响,亲核试剂亲核性的强弱，不仅影响SN2反应速率，而且对亲核取代反应的机理也有影响。,强的 亲核试剂,主动进攻,卤代烷,SN2反应,弱的 亲核试剂,卤代烷,进攻乏力,正碳 离子,只好等待,SN1反应,
20、试剂亲核性对SN2的影响,溶剂对亲核取代反应的影响,溶剂的分类：质子溶剂、偶极、非极性溶剂,质子溶剂使负离子溶剂化;非质子极性溶剂使正离子溶剂化,溶剂对亲核取代反应的影响,溶剂对反应影响的规律：,Why?,极性溶剂对SN1反应有利，对SN2反应多数情况不利。,溶剂对亲核取代反应的影响,例如，叔丁基氯(3RX)在25时、不同溶剂中进行溶剂解(SN1)的相对速率：,溶剂解亲核取代反应所使用的溶剂既是溶剂，又是亲核试剂。,溶剂对亲核取代反应的影响,非质子偶极溶剂的结构特征： 偶极正端藏于分子内部，偶极负端露于分子外部。,在非质子偶极溶剂中, 负离子的亲核性比溶剂化的负离子大，有利于SN2反应。,非质
21、子偶极溶剂中卤离子的亲核性：,溶剂对亲核取代反应的影响,SN1与SN2反应历程比较,SN1与SN2反应历程比较,SN1与SN2反应历程比较,定义：卤代烷失去一分子卤化氢，生成稀烃的反 应称为卤代烷的消除反应。,消除反应(Elimination reaction)机理,（1）双分子消除反应(E2),亲核取代反应,- 消除反应,与SN2相似，一步完成，有过渡态，v=kRXOH-,（2） 单分子消除反应(E1),消除产物36%,取代产物64%,特点：两步完成，有中间体C，v=kRX,消除反应(Elimination reaction)机理,消除反应的取向,通常情况下将遵循Saytzeff规则生成连有
22、取代基较多的烯烃。,卤代烃发生消除反应时，遵循查依采夫规则 ，消去含氢较少的C上 氢，生成取代基较多的烯烃。,消除反应的取向,所以，E1反应的择向符合查依采夫规则。,消除反应的取向,可见，消除反应时，总是脱去含氢较少的C上的氢（Saytzeff规则）,实际上是由于这种消除方式的活化能低，且产物稳定。,消除反应的取向,例如：,消除反应的取向,E1与E2消去反应的比较,E1与E2消去反应的比较,E1与E2消去反应的比较,这就需要根据卤代烷的结构控制反应的条件。,影响消除和取代反应的关系,(1) 烷基结构的影响,3RX易消除，1RX易取代。,例1：,例2：,例3：,影响消除和取代反应的因素,取代反应
23、与消除反应的活性比较,不考虑具体的反应历程，只考虑一个卤代烷的结构对取代或消除反应的影响。结论为：,3 2 1,易取代,易消除,伯卤代烷主要发生取代反应，而叔卤代烷主要发生消除反应。,影响消除和取代反应的因素,(2) 亲核试剂的影响,亲核性强的试剂有利于取代（进攻C）；碱性强的试剂有利于消除（进攻H）。例：,增加试剂用量有利于SN2、E2（v SN2=k SN2 RXOH-, v E2=k E2 RXOH-）减少试剂用量有利于SN1、E1（v SN1=k SN1 RX, v E1=k E1 RX）,影响消除和取代反应的因素,(3) 溶剂的影响,极性大的溶剂有利于取代（电荷相对集中）；极性小的溶
24、剂有利于消除（电荷更为分散）。例：,影响消除和取代反应的因素,(4) 反应温度的影响,反应温度高更有利于消除（断CH和CX）， 反应温度低有利于取代（断CX）。,影响消除和取代反应的因素,E1反应机理:,SN1反应机理:,慢,慢,快,进攻-H,碱性强，升温对E1有利。 中性极性溶剂对SN1有利。,离去基团的离去能力影响反应速度。 试剂亲核性强弱影响产物比例。,E1反应机理和SN1反应机理的比较,C,H,3,C,B,r,C,H,3,C,H,3,-,B,r,-,C,H,3,C,O,C,2,H,5,C,H,3,C,H,3,H,+,3,E2反应机理:,=,试剂碱性强，浓度大，体积大，升温利于E2。 试
25、剂亲核性强，碱性弱，体积小，利于SN2。,E2反应机理和SN2反应机理的比较,影响反应历程的主要因素及结果,空间位阻小，离去基团不易离去，溶剂极性小，即易形成过渡态的,空间位阻大，离去基团易离去，溶剂极性大，即易形成C+ 的,SN2反应机理,双分子参与,单分子参与,进攻-H,E2,SN1反应机理,E1,RX被还原的难易：RI (易) RBr RCl (难),1、酸性还原剂：HI， Zn + HCl,还原反应,还原反应：,适用范围：芳香卤代烃、苯甲型、稀丙型卤代烃、三级卤代烃、RI。,2、 中性还原剂 催化氢化,还原反应,用催化氢化法使碳与杂原子（O、N、X）之间的键断裂，称为催化氢解。苯甲型（
26、苄型）化合物特别容易发生催化氢解。,催化氢解,还原反应,（1）硼氢化钠（NaBH4=Na+BH4-）温和还原剂,特点：还原能力差，选择性好。 范围：2oRX, 3oRX,醛、酮、酰卤、酸酐。 注意：必须在碱性水溶液中进行。,3、碱性还原剂,还原反应,（2）氢化锂铝（LiAlH4=LiH+AlCl3）强还原剂,特点：还原能力强，选择性差。 范围：孤立C=C不被还原。 3oRX消除为主。CH3X 1oRX 2oRX 注意：必须在无水介质中进行。,定义：金属与碳直接相连的一类化合物称为有机金属化合物。,有机金属化合物的生成,(甲) 与镁反应,有机金属化合物的生成,格氏试剂的结构目前还不十分清楚，一般
27、认为它是溶剂化的：,有机金属化合物的生成,带有部分负电荷的碳原子是一个好的亲核试剂。可以与活泼的卤代烷、羰基化合物等进行亲核取代或亲核加成反应。,格代试剂在有机合成上很有用，但它最忌水、忌活泼氢：,制备格氏试剂时，一定要用“干醚”，防止格氏试剂分解。 如果用CH3MgI与活泼氢反应，可定量测定活泼氢。,所以：,有机金属化合物的生成,(乙) 与锂反应,反应活性：RI(太快)RBr(常用)RCl(常用)RF(太慢) 反应在戊烷、石油醚、乙醚等惰性溶剂中进行，通常用氮气保护，以防止生成的烷基锂遇空气氧化，遇水分解。,有机金属化合物的生成,烷基锂与卤化亚铜反应生成二烷基铜锂：,用途：制备复杂结构的烷烃,有机金属化合物的生成,科瑞(Corey) 郝思(House)合成法：由烷基铜锂和卤烃制烷烃。,例：,Cl,有机金属化合物的生成,
