1、第九章 卤代烃 Hydrocarbon Halides,9.1 卤代烷,一、卤代烷的分类和命名,卤代烯烃 R-CH=CH-X 乙烯式R-CH=CH-CH2-X 烯丙式R-CH=CH(CH2)n-X n2 孤立式卤代芳烃 乙烯式烯丙式,1) 卤代烷的普通命名法,CH3CH2CH2CH2Cl,正丁基氯 （n-butyl chloride）,异丁基氟（isobutyl fluoride）,(CH3)2CHCH2F,仲丁基溴（ Sec-butyl bromide ）,“某基卤”或“卤(化/代)某烃”,苄基溴(溴化苄),俗名：,CHCl3,CHI3,氯仿,碘仿,2) IUPAC命名：（卤素只做取代基,烷
2、烃作母体）,（ S ）-3-甲基-1-苯基-1-溴丁烷,2-甲基-4-氯-1-丁烯,4-乙基-6-氯-2-己烯,二. 卤代烃的物理性质,常温常压下：CH3Cl，C2H5Cl及CH3Br Gas 其它常见RX Liquid C15 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 ),三. 卤代烷的化学性质,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 Rxn，SN）,亲核试剂：用Nu：表示，包括
3、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。,由亲核试剂进攻而引起的取代反应称之亲核取代反应。,+,(X=Cl, Br),I. 典型的亲核取代反应,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
4、必须是 10 、20 卤代烃,注意： A、反应慢，是可逆反应，为使反应向醇进行，加入氢氧化钠中和盐酸。 B、3级卤代烃在强碱存在下反应，生成烯烃，因而只能用弱碱；2级卤代烃在强碱存在下反应，生成醇的含量不高；乙烯型卤代物，卤苯型化合物在该条件下反应几乎不发生。,C、由于多数RX由相应的醇制备，因此用此法制备醇在合成上意义不大。但少数醇可以用此法。例如:,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。,注意：采用该法以10 卤代烷效果最好，20卤烷效果较差，但不能使用30卤烷，因为叔卤烷易发生消除反应生成烯烃。乙烯型卤代物
5、，卤苯型化合物在该条件下反应几乎不发生。,CH3CH2CH2ONa + CH3CH2I,CH3CH2CH2OCH2CH3 + NaI,例如：合成,按：, NaOCH2CH3,按：, BrCH2CH3,20 卤代烃，强碱性条件消除倾向较大,10 卤代烃，主要取代,3. 氰解(增长一个碳原子的方法）,可增长碳链, 增加一个碳原子 可以通过氰基转化为COOH、 CONH2等官能团。,NaCN是强碱，不能使用叔(30)卤烷，否则将主要得到烯烃。乙烯型卤代物，卤苯型化合物在该条件下反应几乎不发生,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
6、应要得到伯胺，必须在大大过量氨的存在下进行(向NH3中滴加RX)。,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,根据各种卤代烃中卤原子活泼程度不同，常用2%的AgNO3 / 醇来鉴别。分以下几种情况： 1）烯丙型卤（苄卤），3O卤代烃，碘代烃，室温下与AgNO3 / 醇溶液作用立即瞬间产生沉淀。 2）2o卤代烃几分钟后出现沉淀，1o卤代烃需要加热才能出现沉淀 3）乙烯型卤（卤苯）加热也不发生反应,鉴别下列化合物：,卤代烷的鉴别：,(3RX),(2RX),(1RX),立即沉淀,几分钟后沉淀,加
7、热才沉淀,RCCH,RCCR,RCCNa,（亲核试剂：RCC-）,7、与炔钠的反应,注意：NaNH2是强碱，不能使用叔(30)卤烷，否则将主要得到烯烃。乙烯型卤代物，卤苯型化合物在该条件下反应几乎不发生。,二、亲核取代反应历程及立体化学,反应速度只取决于一种化合物浓度的反应，在动力学上称为单分子反应。V=kA,反应速度取决于两种化合物浓度的反应，在动力学上称为双分子反应。V=kAB,双分子亲核取代反应(SN2)(Substitution Nucleophilic),A. 反应机理： 以CH3Br的碱性水解为例：,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
8、（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。,SN2反应的能量变化曲线,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,1、SN2历程是一步反应。反应中新键的建立和旧键的断裂是同步进行的。 2、SN2历程在动力学上一般为二级反应，其反应速度与卤代烃和碱有关。 3、反应的进攻试剂（HO-）从离去基团的反面进攻反应底物，产物的构型翻转（瓦尔登转化） 4、反应过程中是通过一个过渡态而转化为产物，没有碳正离子中间体生成，不发生重排，无重排产物。,SN2
9、历程的特点：,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地进攻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,100 % 的外消旋化是
10、很少见的，经常是外消旋化伴随着构型反转，且构型反转要多些。,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。,C,H,2,C,H,2,C,l,O,H,O,H,H,2,O,C,H,2,C,H,2,C
11、,l,O,C,l,C,H,2,C,H,2,O,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,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
12、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：,理论解释：,一是空间效应：,基团拥挤,拥挤程度减
13、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 3RX：SN1；2RX：SN1或SN2；1RX(CH3X) ： SN2,2. 烯丙型、苯甲型卤代烷是1oRX,但其SN1和SN2反应都很易进行。,SN1：C+稳定 SN2：过渡态稳定,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,由于在SN1反应中，决定反应速率的关键步骤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
14、然，亲核试剂的亲核能力，浓度，反应。,2. 亲核试剂的影响,试剂的亲核性:指的是提供电子对与带正电荷的C原子结合的能力; 碱性:指的是提供电子对与质子结合的能力。 它们都是提供电子对和一个带正电荷的实体相结合的能力，因而常用碱性的强弱来判断亲核性的强弱。,亲核试剂的亲核性由两种因素决定试剂的给电子能力 试剂的可极化性,给电子能力强，可极化性大，试剂亲核性强，如I-。,(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.
15、同种原子形成的不同亲核试剂，碱性与亲核性一致,c. 具有相同进攻原子的负离子和中性分子，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。,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
16、)中的次序。若在非质子性溶剂中如：(CH3)2SO 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：,对于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；,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）亲核性 I- Br- Cl- F-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）,强的 亲核试剂,主动进攻
17、,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,溶剂作用,SN1反应,亲核性的强弱不仅影响SN2反应速率，而且影响反应机理,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、离去基团 的碱性等方面来说明。,3. 离去基团(X)的影响,（i）键能越弱，越易离去,卤代烷 CH3F CH3Cl CH3Br CH3I 离解能（kJ/mol）1071.10 949.77 915 887.01,(ii) 离去基团碱性越弱，越易离去,
18、酸性：HF Cl- Br - I-,离去基团的离去能力越强，对SN1和SN2反应越有利。,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。,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,相同烃基，不同卤素： RIRBrRClRF,反应中，离去基团的碱性大于亲核试剂时，反应不易发生。,讨论：,*1 硫酸根、磺酸根为什么是好的离去基团？,是强酸，其共轭碱：,极弱的碱，一个好的离去基团。,苯磺酸,离去基团,磺酸酯可代替卤代烷作为烷基化试剂：,是一个,+, -,*2 怎样使羟基转变成一个好的离去基团？,*3 离
19、去基团离去能力差异的具体应用：好的离去基团总是可以被不好的离去基团所取代。,溶剂的极性，有利于SN1反应的进行。这是因为该反应在过渡状态已出现了部分正负电荷的高度极化状态，而极性溶剂的存在，有利于过渡状态的形成和进一步的离解。,电中性 电荷增加,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 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,
20、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,SN2,二卤代烷的消去反应,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，R3N，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
21、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,亲核取代反应和消除反应是相互竞争，伴随发生的。,(二) 消除反应的取向,实践表明：卤代烷的- 消除
22、反应，通常情况下将遵循Saytzeff规则生成连有取代基较多的烯烃。,消除反应的这种取向规律与烯烃的稳定性有关。,在双键碳原子上连有的烷基越多烯烃就越稳定。,9个H 的-超共轭的烯烃产物更稳定,5个H -超共轭,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：,邻二卤代物：,胞二卤代物：,脂环烃邻二卤代物：,脱卤素（X2),及其衍生物,(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
23、行消除的反应中，一般情况下发生的是反式消除。,例如：,E1与E2消去反应的比较,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-C原子而发生SN反应，也可进攻-H原子而发生E反应，这是两个相互竞争的反应。然而，如何才能使反应按我们所需的方向进行，就必须对影响SN和E反应的因素有一个清楚的认识。,叔卤烷易于消除 ； 伯卤代烷易于取代； 但仍要由具体反应条件决定,-C上烃基，因空间位阻增大，故对SN2反应不利 而对SN1、E反应有利；,1. 烃基结构的影响,2. 亲核试剂的影响,其一般规律是：,1)
24、 亲核试剂的亲核能力，对SN2反应有利。,2) 试剂的亲核性，碱性，对SN2反应有利。,3)试剂的亲核性，碱性，对E2反应有利。,4) 试剂的体积，不利于对-C的进攻， 故对消除反应有利。,3. 溶剂的影响,1) 溶剂的极性，有利于单分子反应，不利于双分子反应。,2) 溶剂的极性，有利于取代反应，不利于消去反应。,总结：,1.叔卤代烷通常发生消除反应 2.伯卤代烷通常发生取代，但在强碱性弱极性溶剂条件下，如NaOH/CH3CH2OH，主要发生消除反应 3. 20 RX 在强碱性弱极性溶剂中，NaOH/CH3CH2OH、 CH3CH2ONa/CH3CH2OH ，消 除 ；在弱碱强亲核试剂极性溶剂
25、中，CH3COO/ H2O 、 CN/ H2O ，主要为取代 4. 在 NaI / 丙酮 中皆为SN 2反应在AgNO3 / EtOH 中皆为SN1 反应,3卤代烷与金属反应,金属有机化合物：含M-C键的有机化合物 如为非金属叫元素有机化合物（包括金属有机化合物）有机镁、有机锂、有机硅、有机硼、有机磷化合物 无机与有机化学的边缘科学：元素有机化学,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。,（1）与金属镁的反应,制备格氏（Grignard）试剂： 在纯醚（如 THF，四氢呋喃）中,格氏试剂是由卤代烷与金属镁在无水乙醚中反应得到的。,无水乙醚与格氏试剂形成Lewis酸和Lewis碱的
26、络合物而使格氏试剂稳定,注意：,A、RX的活性：RIRBrRCl。,B、反应条件：在隔绝空气、无水、无醇等无活泼氢的溶剂中进行, 必须无水，仪器绝对干燥，反应在N2保护下进行。因为 键是极性很强的键，电负性C为2.5，Mg为1.2，所以格氏试剂非常活泼，能起多种化学反应。,在制备格氏试剂及有格氏试剂参加的反应，不能用醇等含有活泼氢的化合物做溶剂。,RMgX非常活泼，易与含活泼氢试剂发生反应 制备RMgX，需纯醚( 无水乙醚 ) 。 H2O，ROH，RCO2H，HX等分解格氏试剂,空气中的 O2 可将 RMgX 氧化为 ROMgX 另外RX 中的 烃基 R，不能含有-OH、-NH2、 -COOH
27、 等含活泼H的基团，如 HOCH2CH2Cl，就不能形成HOCH2CH2MgCl,RMgX也要与C、CO、 CC等反应，故 RX 分子中也不能含有上述基团 格氏试剂可与含羰基化合物反应增长碳链，如：,O,O,O,注意： 1）有机锂的性质与格氏试剂很相似，也是一个重要的有机试剂，其制法、性质与格氏试剂相似，反应性能更活泼，遇水、醇、酸等即分解。故制备和使用时都应注意被分解。由于Li是比Mg更活泼的金属，因而烷基锂是比格氏试剂更强的亲核试剂。,（2）与金属锂（钠）反应：（RLi可代替RMgX）,有机锂的反应：,2）有机锂与碘化亚铜反应生成另一个重要的有机金属试剂:二烷基铜锂（一个很好的烷基化剂）。
28、用途：制备复杂结构的烯烃,9.3 卤代烯烃与卤代芳烃,卤代烯烃：据卤原子与双键（或芳基）的相对位置分类（卤代烷除外） 1. 乙烯型（或卤苯型）含 结构 p-共轭，加强C-X键，使CX键非常稳定，很难断裂，因此乙烯式或卤苯型卤代烃很不活泼。难发生SN反应，与AgNO3/C2H5OH不反应,但双键仍能与HBr发生马氏加成反应,用乙醚作溶剂时， 中只有 可以与Mg作用 ， 中的CCl键太强，难于断裂，活性太差，不能生产苯基氯化镁；需用THF(四氢呋喃) 作溶剂，才能生产苯基镁,不反应,呋喃,而 太贵，故一般用 与Mg作用 ，形成芳基卤化镁,2.隔离型卤代烃双键对C-X键影响小，性质与卤代烷相同。,3
29、.烯丙基型（或苄基型）:含C-X键断裂后形成 C+ 非常稳定，很容易生成,p-共轭，正电荷分散而较稳定,烯丙基型（或苄基型）卤代烃：,非常活泼，极易发生SN 反应，也极易发生消除反应； 与AgNO3/C2H5OH立即反应生成AgX（与R3CX相同） 既容易按单分子历程反应(容易生成很稳定的 C + ),也容易按双分子历程反应，因为容易生成稳定的过渡态。如双分子取代的过渡态也存在 P共轭而稳定,SN2反应：,烯丙基型（或苄基型）卤代烃的化学性质，用一句话可以概括：碱性条件，能消除则消除；不能消除则发生SN1反应( 烯丙位重排 )，除了在NaI/丙酮等少数特例为SN2外( 不重排)。 能消除：具有
30、可消除的H,CH2CHCHCH2,而不会生成,共轭,不共轭,不能消除：不具有可消除的H 不能消除则发生SN1反应( 烯丙位重排 )，除了在NaI/丙酮等少数特例为SN2外( 不重排)。,不会生成累计二烯烃CH 2CCH2CH3 ，因为不稳定，能量高 所以就只能发生SN1反应，因为烯丙位重排而往往得到两种产物,这是因为生成的C + 中间体的电子离域引起烯丙位重排,+CH2CHCH2CH3,烯丙位重排,哪一种为主要产物？,例：,乙烯型(或卤苯型)含 p-共轭结构 ，加强C-X 键，使CX键非常稳定，很难断裂，因此乙烯式或卤苯型卤代烃很不活泼,不会水解。,卤代烃的制备,I. 通过自由基取代制备,II. 由不饱和烃的加成制备,RCH2CH2Br,III. 由醇制备,RCl,ROH,RX,芳烃的氯甲基化,卤素置换反应（主要制伯碘烷）,
