1、第八章 卤 代烃烃上的氢被卤素取代之后叫卤代烃。根据不同烃基可分为脂肪族、脂环族与芳香旅卤代烃等。一卤代烃中根据卤原子所连碳原子结构，可分为一级，二级 ，三级卤代烃、烯丙基类卤代烃、烯类卤代烃、卤代芳烃及-卤代烷基芳烃。这些结构上的差别常对卤素的活性有相当大的影响。8.1 卤代烃的命名卤代烃一般采用系统命名，取最长碳链为主链，把卤素作为取代基，编号的规则与烷烃一样，将立体构型标记写在名称的前面。如：,不饱和卤代烃的系统命名与烯烃和炔烃相同。如：,卤代芳烃的系统命名与芳香烃相同，卤素作为取代基。同样可用编号或用邻、对、间来定位。如：,对于简单的卤代烃也常用普通命名即以烃基的名称后加卤素名称组成如
2、：,8.2 卤代烃的结构卤代烷的碳卤键是由碳的sp3轨道与卤素的只含一个电子的p轨道重叠而形成的。由于卤素的电负性较大使成键的一对电子偏向卤原子一边，使碳卤键有极性。同时卤原上还有三对未共用的电子对。芳香环或碳碳双链上取代的卤素，由于卤原子上未共享的电子对可以和芳香环或双键上的电子共轭，因此碳卤键具有一定双键性质。所以它的键长、偶极矩与活性都比相应的卤代烷小。,氯甲基苯(也叫氯化苄)和烯丙基氯的氯(卤)原子很活泼，易于离解成苯甲基正碳离子和烯丙基正碳离子。这是因为此正碳离子上的空p轨道可以与苯环或双键上的电子形成p-共扼体系, 使正电荷分散、体系变得稳定的缘故。,碳卤键的极性大小决定于卤素的电
3、负性与可极化性综合的影响。我们知道卤素的电负性大小顺序是FClBrI。卤素可极化性的顺序与电负性的顺序正相反，为IBrClF。一些卤代烃的键长与偶极矩数据见下表。,8.3 卤代烃的物理性质卤代烃的沸点一般随分子量增加而升高。碘代烃、溴代烃及多卤代烃的比重都大于1，而一氟及一氯代烃比重都小于1。卤代烃大多为液体。不溶于水，是常用的有机溶剂。分子中卤原子增多，则可燃性降低、而其蒸气又比空气重、所以可用来作为灭火剂。如四氯化碳就可以作灭火剂。,8.4 卤代烃的化学性质由于卤素的电负性与可极化性较大，所以卤代烷的碳卤键具有极性，可以进行许多反应。1饱和碳上卤原子的亲核取代与消除反应亲核取代反应与消除反
4、应是两类重要反应，但是它们常常相伴发生，互为副反应。以哪一类反应为主，往往取决于卤代烷的结构、亲核试剂的碱性与亲核性、溶剂极性的大小、离去基团离去的难易与反应温度的高低等诸多因素。,反应温度升高不利于取代反应。如,亲核试剂的碱性强，有利于消除反应,2亲核取代反应（Nucleophilic Substitution)由于卤代烷上碳卤键具有极性, 卤原子上显负电性，与卤素相连的碳原子带有一定量的正电性, 容易受亲核试剂(Nucleophile)的进攻，卤原子带着碳卤键的一对电子以负离子的形式离去，碳与亲核试剂上的一对电子形成新的共价键.,这种起始于亲核试剂的进攻而发生的取代反应称为亲核取代反应，常
5、用SN来表示 (S代表取代反应，N代表亲核试剂进攻)。亲核取代反应种类很多，在合成上很有用，一些常见的取代反应类型与取代反应产物的种类如下表。,8.5 亲核取代反应机理,人们在研究卤代烷的水解反应动力学后发现如下实验现象，溴甲烷和叔丁基溴在80%的乙醇水溶液中发生水解反应时，反应速度有明显的差异。,若在反应体系中加入适量的OH-，溴甲烷的水解反应速度加快，而对叔丁基溴的水解反应速度几乎没有影响。 实验事实说明两种结构不同卤代烃的水解反应是按不同的反应机制进行的。对于亲核取代反应，典型的反应机制分为单分子和双分子两种反应机理。单分子反应历程常称为“SN1”反应，S（substitution）表示
6、取代反应，N（nucleophilic）表示亲核的，1为单分子。同理，双分子亲核反应历程常用“SN2”来表示。,一双分子亲核取代反应机理（SN2）溴甲烷在氢氧化钠水溶液中的水解反应是按SN2历程进行的，反应速度既与溴甲烷的浓度成正比，也与亲核试剂HO- 的浓度成正比，在化学动力学上属于二级反应。 = k2 CH3Br OHSN2反应是一个一步完成的基元反应，亲核试剂的进攻和离去基团的离去是一步完成的。没有中间体生成，只有一个过渡态。,图. SN2反应历程中的能量变化,在以SN2机理进行的反应过程中，OH-或其他亲核试剂是从C-X键的轴向背面进攻，把卤原子顶去，同时发生构型的转换，这种现象叫瓦尔
7、登(walden)转换。,（）-2-溴辛烷 （）-2-辛醇 （）-2-辛醇34.2 o 9.9 o 9.9 o,SN2反应机理特点：1）反应一步完成。2）反应速度与底物和亲核试剂的浓度都有关，是一个双分子反应。3）得到构型翻转（Walden转化）的产物。,二单分子亲核取代反应机理（SN1）实验表明，叔丁基溴在氢氧化钠水溶液中的水解反应速率仅与叔丁基溴的浓度成正比，与亲核试剂HO- 的浓度无关，在化学动力学上属于一级反应。 = k (CH3)3 CBr 由此推测该反应分两步进行，第一步是C-Br键发生异裂，生成碳正离子和溴负离子，第二步是碳正离子和HO- 结合生成醇。即：,图. SN1反应历程中
8、的能量变化,在SN1反应中，产生的中间体是有较好稳定性的碳正离子。叔碳正离子为sp2杂化，具有平面结构。亲核试剂可以从该平面的两侧进攻与碳正离子结合，而且机会均等，因此得到的产物分子如为手性分子通常是外消旋混合物。这种有50的产物发生构型转化的过程，被称为外消旋化（Racemization）。,理论上讲，产物的外消旋化可以作为SN1反应的立体化学特征。但在大多数实际情况中，由于各种因素的影响，构型转化和构型保持并不完全相等，使产物具有一定的旋光性。例如，-氯乙苯在水中进行水解反应时，得到83外消旋化，17构型发生转化。这时卤素离子还没有离开碳正离子，亲核试剂已经从离去基团背面进攻了，构型翻转产
9、物所占比例较多。SN1反应常伴随着重排产物的产生。这是因为SN1反应经过碳正离子中间体，它会发生分子重排生成一个更稳定的碳正离子，进而生成相应的产物。,SN1反应机理特点：1）反应分两步完成。2）反应速度只与底物浓度有关，与亲核试剂的浓度无关，是单分子反应。3）得到构型保持和翻转的两种产物。4）常有重排产物。,三. 影响亲核取代反应的因素SN1和SN2两种反应历程常常是同时进行互相竞争的，以哪一种历程为主，其影响因素是多方面的。主要包括卤代烷中烷基的结构、亲核试剂（Nu）亲核能力的强弱、溶剂的极性大小、离去基团（L）的性质等。1. 烷基结构的影响 当反应按照SN1历程进行时，-C上连有的烃基越
10、多，其反应速率也增加。下表列出了不同结构的溴代烷在甲酸溶液中100时发生SN1反应的相对速率。卤代烷在甲酸溶液中反应的相对速率,从表中可看出，它们的活性大小顺序为：(CH3)3CBr (CH3)2CHBr CH3CH2Br CH3Br这是因为碳正离子的形成是SN1反应决定速度的一步，而碳正离子的稳定性次序为：(CH3)3C+ (CH3)2CH+ CH3CH2+ CH3+中心碳原子上所连接的给电子基团，能分散碳正离子上的正电荷，提高碳正离子的稳定性。稳定的碳正离子有利于按SN1机理进行取代反应。除了电子效应外，中心碳原子上取代基的空间效应对SN1的速率也有影响。空间张力较大的底物形成碳正离子后，
11、中心碳原子由原来的sp3杂化变成sp2杂化，键角由原来的约109.5增大为120，减小了空间张力，因而有利于SN1反应的发生。,AgNO3与卤代烷的反应是按SN1机理进行的。由于NO3-是很弱的亲核试剂，所以不能进行SN2反应；而Ag+可与卤原子上末成键电子对发生络合，使卤原子更易以AgX离去，形成烷基正碳离子。所以AgNO3与卤代烷的反应是按SN1机理进行的，Ag+在此起了催化促进的作用。一些重金属盐，如汞、铜盐也有类似作用。,从AgX沉淀的速度可以判断此反应的速度，而卤代烷进行SN1反应的速率为：,当反应按照SN2历程进行时，-C上连有的烃基越多，亲核试剂从离去基团背后进攻时位阻越大，反应
12、速率越慢，与SN1反应相反。,溴代烷在极性较小的无水丙酮中与碘化钾反应时按SN2机理进行，其相对反应速率如下表所示,烯丙基卤代烃和苄卤代烃能以极快的速度发生SN1和SN2反应。,乙烯式卤代烃中，卤原子的孤对电子可与双键共轭，使碳卤键极性减少，键增加，乙烯式卤代烃很难发生亲核取代反应。如氯苯只有在高温与氢氧化钠反应才能得到苯酚。,2离去基团的影响在SN2和SN1反应中，均涉及离去基团L带着一对电子脱离中心碳原子的过程。无论是SN2或SN1反应，离去基团容易离去，则反应活性越高。当卤代烷中的烷基结构相同而卤素不同时，卤代烷的反应次序为：RI RBr RCl RF碘甲烷反应速度最快、氟甲烷反应最慢，
13、说明碘负离子易离去，氟负离子就难于离去。从它们负离子的共轭酸比较发现，其酸性强弱顺序为HIHBrHClHF，即共轭酸酸性强的负离子容易离去，或者说离去基团的碱性越弱，稳定性越高，越容易离去。所以也常用亲核试剂的共轭酸的pKa大小来判别离去基团离去的难易。,磺酸根负离子由于体系内存在共轭效应可使负电荷得到分散，故较为稳定，也是很好的离去基团。碱性很强的负离子如HO-、RO-、H2N-，CN- 等碱性较强，不是好的离去基团。但在酸性条件下，ROH或ROR中氧与质子络合成盐，使离去基团（H2O或ROH）的稳定性增加，才可能进行取代反应。,3. 亲核试剂对取代反应速度的影响试剂的亲核性是它与带正电荷的
14、碳原子的结合能力，而试剂的碱性是指它与质子的结合能力。亲核原子在同一周期时，一般讲，试剂的碱性强，其亲核性也强。如CH3O-的碱性比CH3OH强，它的亲核性也强。,当试剂的亲核原子在同一族时，则周期高的亲核性强，与其碱性顺序正好相反。亲核性呈现如下顺序：I-Br-Cl-F-；R3P：R3N：；RS-RO-。与亲核原子的极化度有关。对于SN1反应，试剂的亲核性强弱对反应速度影响不大；但对SN2反应有很大影响。,需注意的是，亲核性与碱性是两个不同的概念，亲核性是代表试剂与带正电荷碳原子结合的能力，碱性是代表试剂与质子结合的能力。以卤素原子为例，在质子性溶剂如水、醇中，卤离子的亲核能力次序为：I-
15、Br- Cl- F-，而碱性强弱次序正好相反：I- (CH3)2CHO- CH3CH2O- CH3O-，它们在SN2反应中的亲核性强弱次序则正好相反，即 (CH3)3CO- (CH3)2CHO- CH3CH2O- CH3O-。体积增加，位阻增大，亲核性减小。,4. 溶剂对SN2反应速度的影响溴甲烷与碘化钠在丙酮中反应比在甲醇中快500倍，说明溶剂对SN2反应速度的影响是很大的。甲醇和丙酮都是极性溶剂，所不同的是甲醇的氧上有氢质子，称它为质子溶剂；丙酮氧上没有氢，称为非质子极性溶剂。前者氧上的氢可以与碘负离子形成弱的键，将碘负离子包围起来，从而降低其亲核性；而丙酮则没有这种作用，所以碘负离子可以
16、充分发挥其亲核作用，而使反应加快。,5. SN1与SN2反应影响因素的比较它们都属取代反应，但历程不同，因此影响反应速度的因素也各异。扼要归纳于下表。,如何判断亲核取代反应按SN1还是SN2历程进行，由卤代烃的烃基部分决定。烃基为伯基或者甲基一般按SN2历程，为叔丁基按SN1历程，为仲基，烯丙基或者苄基可以是SN1或者SN2。,8.5. 消除反应消除反应是使反应物上失去两个原子(或基团)，形成一个键的反应。卤代烷的消除反应是从卤代烷上失去一分子卤化氢，得到相应的烯烃。在许多情况下，消除反应的同时也伴有取代反应。取代反应有SN1和SN2两种历程，消除反应也相应的有E1和E2两种历程。,1. 消除
17、反应机理E1与E2消除反应aE1反应：从实验结果发现E1反应的速度只与卤代烷的浓度有关。所以叫E1消除反应。与SN1相类似，也是单分子反应机理，产物也有重排结构。,bE2反应：和SN2反应类似，也是双分子反应，其反应速度与卤代烷和碱的浓度成正比。, = k (CH3 )3 CBr , = k1 (CH3 )3 CBr ,= k2 CH3CH2CH2Br HO-,同时根据产物分析，发现外消旋的1,2-二溴-1,2-二苯基乙烷消除反应，得到的是反式1-溴-1,2-二苯基乙烯；而内消旋的1,2-二溴-1,2-二苯基乙烷消除反应，得到的是顺式1-溴-I,2-二苯基乙烯。,另外, 反应还与-氢及离去基团
18、的活性有关：如-氢换为活性低的重氢D，消除反应即减慢；活性较低的氯代烷换为活性较高的溴代烷，消除反应加快。根据这些事实可看到，脱去HX时，氢与卤原子需处于反式构象，而且氢和卤原子需同时下来；否则氢先下来形成负碳离子，或卤原子先下来形成正碳离子，由于单键旋转都不可能得到这样高度的立体专一性。因此认为E2消除反应是反式消除，现提出如下历程：,在过渡状态时，将要离去的氢与卤离子处于反式构象，B-H-C-C-X在同一个平面上，这种立体化学过程叫反式消除；而且H与X在同一时间离去，这种现象叫协同反应，这种历程叫E2历程，即二级消除反应历程。,例如下面反应只有式中所示的一种产物，就是因为只有这种消除才符合
19、B-D-C-C-Br在同一平面的要求。,2. 影响消除反应的因素消除反应与取代反应不同之处在于：碱（亲核试剂）进攻的不是反应中心碳原子，而是与反应中心碳原子相连碳上的氢；新形成的键不是键，而是键。E1反应与SN1反应的关键一步相同，即形成正碳离子一步。所以凡有利于形成稳定的正碳离子的条件，均有利于E1消除反应速度的加快。E2反应则要碱(亲核试剂)有利于夺走-氢与卤原子离去，同时有利于键形成的构象，这样才有利于消除反应速度的提高。由于E1反应的速度只与卤代烷浓度有关，所以影响E1消除反应的因素比较简单，一是有利于形成稳定正碳离子的烷基结构，如321 ；二是在极性高的溶剂中，促使碳卤键极性加大，有
20、利于卤离子离去形成正碳离子的都有利于E1反应。由于E2反应的速度决定于卤代烷与碱(亲核试剂)两者的浓度，情况相对复杂一些，还涉及到碱性的强度、 -氢的数目与空间障阻、离去基团的性质及与-氢的构象等。下面分别扼要讨论。,a. 烷基结构的影响由于试剂进攻-氢，氢的数目愈多对反应愈有利，而与反应中心碳原子的空间位阻无关。所以消除反应速度是321 卤代烷，正好与SN2反应相反，见下表。,b亲核试剂对消除反应速度的影响因为试剂是同氢反应，所以亲核试剂碱性愈强，亲核性愈弱，愈有利于E2反应。,c. 消除反应的方向消除反应(E1和E2)生成的烯烃中，一般都以双键碳上取代烷基多的烯烃为主，这个规律称为扎依切夫
21、(Zaitsev)规律。如：,取代烷基多的烯烃由于超共轭影响而稳定，所以生成取代烷基多的烯烃的过渡状态位能较低，反应较快。,但是有时也会出现相反的情况：当试剂的空间位阻很大时，它进攻位阻小的-氢。如,主要产物是反扎依切夫规律的。有时由于受形成消除所需的反式构象限制时，也会得到反扎依切夫规律的烯烃。,3. E1与E2消除反应的比较(见下表),4. 消除反应与取代反应的竞争性 在多数情况下，卤代烷的消除反应和亲核取代反应是同时发生且相互竞争的。试剂进攻碳发生亲核取代反应，试剂进攻氢则发生消除反应。,两种反应产物的比例受卤代烷结构、试剂、溶剂、温度等多种因素的影响。,1. 卤代烷结构的影响 无支链的
22、伯卤代烷与强亲核试剂（如 X-、OH-、RO- 等）作用，主要起SN2反应。例如：,仲卤代烷和碳原子上有支链的伯卤代烷，因空间阻碍增加，试剂难以从背面接近碳原子，而易于进攻氢原子，故削弱了SN2，而增强了E2。,叔卤代烷一般倾向于单分子反应，在无强碱存在时，主要发生SN1。有强碱性试剂存在时，主要发生E2。例如：,2进攻试剂的影响亲核性强、碱性弱的试剂对取代反应有利；亲核性弱、碱性强的试剂则对消除反应有利。 例如，当仲卤代烷用NaOH水解时，往往得到取代和消除两种产物，这是因为OH- 既是亲核试剂又是强碱；而在KOH醇溶液中存在碱性更强的烷氧负离子RO-，故仲卤代烷在KOH醇溶液中主要产物为烯
23、烃。如果试剂的碱性增强或浓度增大，消除产物的产率也相应增加。进攻试剂对单分子反应几乎没有影响。但亲核性或碱性很强时，会使单分子反应变化为双分子反应。进攻试剂的体积也对SN和E的比例产生影响，体积增大有利于E不利于SN，使用(CH3)3CO-/(CH3)3COH比使用C2H5O-/C2H5OH有更好的E效果。因为进攻碳的空间阻碍要比进攻氢突出得多。综上所述，伯卤代烷与强亲核试剂主要进行SN2反应，叔卤代烷与强碱性试剂主要发生E2反应，仲卤代烷介于两者之间。强碱存在时，卤代烷主要发生E2反应。,3溶剂的影响增大溶剂极性对SN1和E1反应均有利，增大溶剂极性对SN2和E2反应都不利。因为在它们的过渡
24、态中间体电荷分布比底物电荷分布更分散，而且E2过渡态比SN2过渡态的电荷更分散。,对于E和SN增大溶剂极性有利于SN，不利于E。若想多得到E产物，应选用极性较小的溶剂。由于醇的极性比水小，故卤代烷的消除反应常在醇溶液中进行，而且在醇溶液中，RO-为进攻试剂，其碱性比HO-强，有利于E2反应。,4. 温度的影响 无论是单分子反应还是双分子反应，提高反应温度都有利于E。因为E需要断裂C-H和C-X两个键，形成一个键，E比SN需要更多的能量。 例如：,综上所述，对于给定的卤代烷，进攻试剂碱性强、浓度大、溶剂极性小、反应温度高，有利于消除反应，反之有利于取代反应。,8.6 与金属反应卤代烷能与一些还原
25、性金属直接化合，生成一种由碳原子与金属原子直接相连的化合物，这类化合物称为金属有机化合物。金属有机化合物中重要的是有机镁和有机锂化合物。这些物质中碳原子带有较高的负电荷，它们是强碱，也是强亲核试剂，在有机合成上占有很重要的地位。1. 与金属镁的反应 在常温下，将镁屑放在无水乙醚中，滴加卤代烷，卤代烷与镁作用生成有机镁化合物，该产物不需分离即可直接用于有机合成反应，这类有机镁化合物称为格利雅(Grignard)试剂，简称格氏试剂。格氏试剂生成的难易程度和烷基的结构以及卤素的种类有关。卤代烃中碳卤键离解能的大小对反应能否顺利进行有决定性的作用。对饱和卤代烃而言，反应活性次序大小为：RCl RBr
26、RI；对不饱和卤代烃，常见的有卤代乙烯和卤代苯，反应活性较低，一般需要在较高温度下才能顺利反应。,如果制备的格氏试剂需在较高的温度下进行，可用其他沸点较高的醚，如丁醚、戊醚或四氢呋喃（THF）来代替乙醚。如：格氏试剂的性质非常活泼，能与多种含活泼氢的化合物作用，生成相应的烃：由于格氏试剂遇活泼氢就分解，所以在制备格氏试剂时必须用无水溶剂和干燥的反应器，操作时也要采取隔绝空气中湿气的措施。,2. 与金属锂的反应 卤代烷与金属锂作用生成有机锂化合物。例如：,有机锂化合物的性质与格氏试剂很相似，反应性能更为活泼，且溶解性比格氏试剂好，除能溶于醚外，还可溶于苯、环己烷、石油醚等溶剂中。有机锂也可与金属
27、卤代烷作用生成各种金属有机化合物，其中较重要的反应包括与碘化亚铜的作用得到二烷基铜锂：,二烷基铜锂是一种很好的烷基化试剂，它与卤代烃作用可得到收率较高的烷烃、烯烃或芳烃。例如：,8.7 多卤代烃和氟代烃,多卤代烃中最重要的是甲烷的多卤代物。同一碳原子上连有两个或两个以上的卤原子时，C-X键相当稳定，不易起化学反应因而二氯甲烷、氯仿和四氯化碳常用作溶剂和萃取剂。氯仿中的C-H键，由于三个氯原子的吸电子诱导效应影响变得较易断裂，能被空气中的氧氧化成剧毒的光气。因而市售的氯仿中常加人0.5的乙醇，使生成的光气转化成无毒的碳酸二乙酯。,氯仿的氢具有微弱的酸性，与强碱作用时消去一分子卤化氢，产生活性中间
28、体卡宾(carbene)，卡宾也称为碳烯。卡宾的碳原子周围只有六个价电子，因而十分活泼，它可以与烯烃起加成反应。,芳环的-碳原子上有二个或三个卤原子的多卤代烃容易起亲核取代反应。,二. 氟代烃烃类的直接氟化制备氟化烃，反应时会放出大量的热，使碳碳键断裂，因而一般采取用氟取代氯代烃或溴代烃中的卤原子的方法制备氟代烃。,二氟一氯甲烷受热分解可得到四氟乙烯：,聚四氟乙烯的商品名为特氟隆(Teflon)，它是全氟高聚物，具有优良的耐热和耐寒性能，可在270300温度范围内使用。机械强度高，绝缘性能好，化学稳定性极佳，与浓硫酸、浓碱甚至“王水”等都不起反应，因此特氟隆具有许多特殊用途，有“塑料王”之称。
29、,四氟乙烯的沸点为76.3。在过硫酸铵催化下聚合成聚四氟乙烯。,含氟和氯的一个或两个碳原子的多卤代烃称作氟里昂(Freon)，用Fxxx表示。F表示氟代烃，右下角数字的个位数代表分子中氟原子数目，十位数代表氢原子数目加1，百位数代表碳原子数目减1，氯原子数目不表示出来。例如CCl2F2、CClF3和CCl2FCCIF2分别表示为F12, F13和F113。氟里昂都是无色无臭无毒的气体，易压缩成液体，压力解除后立即气化吸收大量的热。从本世纪30年代开始到现在，氟里昂一直被用作冰箱、空调的致冷刑。但是漂浮在大气中的氟里昂分子在日光照射下会发生光化学分解产生氯原子，一个氯原子能分解高空中数万个臭氧分子，因而使得保护地球上动植物免遭太阳的紫外线辐射损害的臭氧层变得越来越稀薄，南极上空的臭氧层已出现空洞。因此国际上已规定在全球范围内限制并最终禁止使用氟里昂。,由于氟原子电负性很强，对分子中电子云的分布有较大的影响，但氟原子半径小，类似于氢原子，因而氟原子常作为“蒙骗基团”导入药物中，会使药物的生理稳定性提高，从而提高药效。近20年来，含氟药物迅速发展，已成为一类有价值的临床用药。例如：,8.8 卤代烃的制备反应1烃类的卤化反应,2. 烯烃的加成反应,5卤代烷的置换,4由醇的反应,
