卤代烃课件.ppt

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1、卤代烃,1,烃分子中的氢被卤素取代而生成的化合物称卤代烃。卤代烃的结构通式： RX。,在有机体中含卤素的有机物不多。但许多卤代物具有生理活性。 氯霉素（含Cl）具有杀菌消炎作用； 甲状腺素是一种含碘的有机物。 许多卤代烃用作农药、溶剂、制冷剂、灭火剂、麻醉剂和防腐剂等。,第八章 卤代烃 (Halides),卤代烃,2,一、分类,1.按烃基的结构,第一节 分类和命名,n2,n2,卤代烃,3,2.按C-X键C的类型,伯卤代烃,仲卤代烃,叔卤代烃,CH3CH2Cl,CH3CHClCH3,(CH3)3C-Cl,卤代烃,4,二、命名,1. 普通命名法: 卤（代）某烃或某烃基卤。,CHCl3,三氯甲烷,C

2、2H5Cl,氯乙烷,叔丁基溴,氯乙烯,CH2=CHCl,乙烯基氯,n-C4H9-Cl i-C4H9-Cl (CH3)3CBr,氯仿,正丁基氯,异丁基氯,乙基氯,卤代烃,5,3-溴丙烯,CH2=CH-CH2,Br,烯丙基溴,卤代烃,6,选母体：烃作母体，将 X 和烃中的支链一样作为取代基来命名。,取代基： 优先顺序大的基团后列出。,2.系统命名：,编号：根据最低系列原则将主链编号。,3 2 1,H,3,C,C,H,C,H,C,H,3,C,H,3,B,r,1 2 3 4,卤代烃,7,2-乙基-1-氯戊烷,CH2=CH-CH-CH2-Br CH3,3-甲基-4-溴-1-丁烯,CH3 I,5-甲基-1

3、-碘环己烯,卤代烃,8,卤代芳烃的命名：以芳烃作母体,卤素取代侧链时，以链烃作母体，卤素和芳烃都作基：,卤代烃,9,碳卤键的特点,C X,极性共价键，成键电子对偏向X.,+,-,第二节 卤代烃的性质,CX 键的极性序为CF CCl CBr CI，但通常在化学反应中卤代烷所表现出来的活性正好相反。（为什么？）,卤代烃,10,不同烃基的相对反应活性： 苄基型，烯丙基型一般型 乙烯型，苯基型 一般型中，伯、仲、叔卤代烃的相对活性也存在一定差异,卤代烃,11,卤代烷称为底物。与卤原子相连的C叫a 碳原子，它带部分正电荷，是反应的中心。,进攻试剂都有较大的电子密度，具有亲核性亲核试剂(Nucleophi

4、lic reagent, Nu: or Nu:-).,底物受Nu:进攻，CX键异裂， X离开底物分子，故称为离去基(Leaving group, L).,由亲核试剂进攻底物分子中带部分正电荷的中心而引起的取代反应，叫亲核取代反应，以 SN 表示。,亲核试剂,离去基,一、亲核取代反应(Nucleophilic Substitution, SN),卤代烃,12,卤代烃一般使用伯卤代烃，有时也可使用仲卤代烃，但仲卤代烃或叔卤代烃在反应条件下往往会发生消除得到烯烃，不适用于制备。 而乙烯型、苯基型一般都不发生上述反应,卤代烃,13,1. 水解（被-OH取代）： 卤代烃与 NaOH 或 KOH 的水溶液

5、共热，-X被-OH取代，产物为醇。这个反应也叫卤代烃的碱性水解。,此反应常用于将-OH引入一些较复杂的分子中，因为有时直接引入-OH比直接引入-X更为困难。,卤代烃,14,2. 氰解（被氰基取代）： 卤代烷与NaCN或KCN的醇溶液共热，X被-CN取代，生成腈。,通过这个反应，分子中增加了一个碳原子。且腈中的CN-可转变成COOH、CH2NH2等官能团。,H+/H2O,卤代烃,15,3. 被氨基取代：卤代烷与过量氨作用，生成胺。,RX + NH3(过量) RNH2 + HX,因为生成的伯胺仍是一个亲核试剂，它可以继续与卤代烷作用，生成仲胺或叔胺的混合物，故反应要在过量氨的存在下进行。,季铵盐,

6、卤代烃,16,4. 被烃氧基取代 卤代烷与醇钠（或酚钠）作用， - X被 -OR取代，生成醚。这是制备混合醚的方法，叫Williamson醚合成法。,RX + NaOR ROR+ NaX,采用该法以伯卤烷效果最好，仲卤烷效果较差，但不能使用叔卤烷，因为叔卤烷易发生消除反应生成烯烃。,卤代醇在碱性条件下，可以生成环醚。,卤代烃,17,卤代烃,18,7. 被硝酸根取代 推测卤代烃的类型 与AgNO3的醇溶液共热,生成硝酸酯和AgX 沉淀：,活性顺序：RI RBr RCl,卤代烃,19,8. 卤离子的交换反应,氯代烷、溴代烷与碘化钠反应,反应活性: 伯卤代烃 仲卤代烃 叔卤代烃 （一般按SN2历程进

7、行）,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。,卤代烃,20,二、消除反应(Elimination) 由分子中脱去一个小分子(如HX、H2O等)形成不饱和结构的反应称为消除反应，以 E 表示。,卤代烃,21,对于仲卤代烷和叔卤代烷，消除反应可沿二个或三个方向进行。,CH3CH2CHCH3 CH3CH=CHCH3+ CH3CH2CH=CH2,KOH/EtOH,2-丁烯 (81%) 1-丁烯 (19%),主要产物是双键上烃基最多的烯烃(最稳定的烯烃) ，即：仲或叔卤代烃脱 HX 时，主要是从含H较少的b-C上脱氢，即生成取代基较多的烯烃，此称为Saytzeff规则。

8、,Br,卤代烃,22,Note:卤代烯烃或卤代芳烃消除方向总是倾向于生成稳定的-共轭体系。,卤代烃,23,2. 脱X2,（2） -消除反应生成卡宾,卡宾是一种重要的活泼中间体，处于缺电子状态，有亲电性,-H有足够的酸性,卡宾插入双键成三员环,卤代烃,24,1.与Mg反应,格氏试剂(Grignard reagent),1,3、1,4、1,5、1,6二卤代物则生成环丙烷、环丁烷、环戊烷、环己烷衍生物用于制备脂环烃,卤代烃,25,Grignard试剂在醚中有很好的溶解度，醚作为Lewis碱，与Grignard试剂中的Lewis酸中心镁原子形成稳定的络合物。,卤代烃,26,格氏试剂很易与含活泼H的化合

9、物如 H2O、R-OH、NH3 、 R-NH2 、 HX、 HOOCCH3、炔氢等反应生成相应的烃,RMgX + H-OH RH + Mg(OH)X,所以在制备格氏试剂时必须防止这些物质的存在，并采取隔绝空气中湿气的措施。,卤代烃,27,卤代烷与金属镁反应的活性顺序是：,乙烯卤和芳卤不活泼，要制得Grignard试剂，须改变溶剂，提高温度。,卤代烃,28,烯丙基卤和苄卤较活泼，要低温反应,与活泼卤代烷发生偶联反应（形成碳碳键方法之一）,卤代烃,29,2. 与锂反应,Solvent: Ether、,、Hexane,有机锂对空气、CO2、水、醇及酸敏感！,二烃基铜锂,卤代烃,30,Corey-Ho

10、use合成法制备烷烃,卤代烃,31,3. 与Na反应 Wurtz合成法制备高级烷烃,RX只能是1。卤代烃,卤代烃,32,四、还原,(1)催化氢化：H2，Ni、Pd、Pt (2)化学还原：LiAlH4、NaBH4、 Zn/HCl、Na-NH3,在有机合成中，卤代烃往往能起到承上启下的纽带作用，它是原料与目标化合物之间的重要桥梁。,卤代烃,33,第三节 亲核取代反应历程 一、双分子亲核取代反应(SN2),溴甲烷的碱性水解反应如下： 其水解的速度既与溴甲烷的浓度成正比，也与OH的浓度成正比，在动力学上称为二级反应。 反应速度方程：= kCH3Br OH,卤代烃,34,Nucleophilic bac

11、kside attack,Transition state,Inversion of configuration at carbon,卤代烃,35,SN2 反应历程的主要特点： 反应一步完成， 构型转化（Walden构型转化）是SN2反应的立体化学特征。 动力学上属二级反应。,卤代烃,36,Stereochemical Evidence for SN2 Mechanism:,(1),卤代烃,37,SN2反应速度：烯丙基型，苄基型卤代烃 伯卤代烃 仲卤代烃 叔卤代烃 乙烯基型，苯基型卤代烃,亲核试剂是从X原子的背面进攻的 SN2反应的难易主要取决于卤代烷空间位阻的大小，空间位阻愈小，愈易按SN2

12、反应,卤代烃,38,叔丁基溴的碱性水解反应如下 其水解的速度与叔丁基溴的浓度成正比，而与碱(OH)的浓度无关，在动力学上称为一级反应。 反应速度方程：= k(CH3)3CBr,二、单分子亲核取代反应(SN1),卤代烃,39,卤代烃,40,CH3,CH3,CH3,C,CH3,Br,CH3,H3C,+,HO-,C,卤代烃,41,SN1反应历程的主要特点： 分步进行的单分子反应； 在反应中有活性中间体碳正离子生成；有 可能发生重排反应 在动力学上属一级反应。 SN1反应的立体化学特征是外消旋化。,有利于稳定碳正离子的因素就有利于SN1。,SN1反应速度：烯丙基型，苄基型卤代烃 叔卤代烃 仲卤代烃 伯

13、卤代烃 乙烯基型，苯基型卤代烃,卤代烃,42,SN2反应历程的主要特点： 反应一步完成， 构型转化 动力学上属二级反应。,SN1反应历程的主要特点： 分步进行； 有C+生成,可能发生重排; 在动力学上属一级反应; 立体化学特征是外消旋化。,卤代烃,43,温斯坦 (S.Winstein)离子对机制解释：p.253(不做要求) 底物解离成碳正离子是经几步完成的，形成不同的离子对：,构型转化占多数,卤代烃,44,三个阶段： （a） 解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。 （b） 溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。 （c） 离解的离子为自由离子。 亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而

14、得到不同的产物。,离子对机制将SN1、SN2及其它情况统一起来，成为完整的SN机理,卤代烃,45,R R CH3X RCH2X R-CH-X R -C-X R,空阻小 SN2易,供电子效应及空间效应大SN1易,SN2 and SN1 按SN2变难,按SN1变易,1. 烃基结构对历程的影响,三、影响反应机理及活性的因素,卤代烃,46,SN1：C+稳定 SN2：过渡态稳定(邻近 键起稳定作用),b. 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,a. 烯丙基型、苄基型卤代烷SN1和SN2反应都很易进行。,几种特殊结构的情况分析,c. 桥头卤素，不利于

15、SN反应（比苯型、乙烯型卤代烃更难）,SN1：不利于形成平面结构 SN2：不利于Nu ：从背面进攻,卤代烃,47,下列每一对化合物，哪一个更易进行SN1反应？,卤代烃,48,2. 离去基团卤原子的影响,C-X键弱，X-容易离去；C-X键强，X-不易离去；,C-X键强弱与X-的电负性有关、与碱性强弱有关。,碱性较弱的基团是好的离去基团； 碱性较强的基团是不好的离去基团。,卤代烃的SN 相对活性是：RIRBrRClRF,好的离去基团倾向于SN1机理，较差的离去基团倾向于SN2机理,X-离去倾向：I- Br- Cl- F-,卤代烃,49,3. 亲核试剂的亲核能力对历程的影响自学,亲核试剂的亲核性越强

16、，浓度越大，则SN2反应速率越快。,对SN1反应影响不大。,碱性是试剂与质子结合的能力；亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力；在多数情况下二者是一致的。,试剂亲核能力的强弱主要取决于：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)。,卤代烃,50,c. 相同进攻原子时，负离子的亲核性大于它的共轭酸,OH H2O, RO- ROH，NH2- NH3,b. 在同一周期中的各种原子，其亲核性顺序与碱性一致(由左向右亲核性减小)。,RO- HO- ArO- RCO2- ROH H2O,a. 在亲核原子相同的一组亲核试剂中，亲核性顺序与碱性一致。 碱性越强，亲核性越强。,

17、1) 试剂的碱性(试剂的亲核性强度顺序与碱性相同),卤代烃,51,由于烷基具有较大的空间效应,碱性逐渐增大 亲核性逐渐减弱,CH3O- CH3CH2O- (CH3)2CHO- (CH3)3CO -,在同族元素中，可极化度从上至下增大，试剂亲核能力增强,2)试剂的可极化性(试剂的亲核性强度顺序与碱性不同) 可极化度分子在外界作用（如电磁场）下，分子中电荷（电子云密度）发生变形的能力,卤代烃,52,溶剂的性质：,介电常数 越大， 溶剂的极性越大。,介电常数是衡量溶剂 隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力。,（ 0）,（ 0）,非极性溶剂：CCl4, CS2, 烷烃 不易给出质子，介电常数小,

18、极性溶剂,质子型-易给出H+的溶剂 EtOH, H2O, CH3COOH,非质子型:THF, Et2O, CH3COCH3,DMF, DMSO, CH3CN,吡啶，不易给出质子，介电常数及偶极矩大,氢原子键合在电负性 较大的原子上。,4.溶剂极性大小对历程的影响自学,卤代烃,53,在质子性溶剂中亲核性： I-Br-Cl-F- (与碱性相反) 在非质子性溶剂中亲核性: F- Cl- Br- I- (与碱性一致),偶极正端藏于分子内部，偶极负端露于分子外部,Note: I-既是好的离去基，也是好的亲核试剂，在一些卤代烃的取代反应中I-可做催化剂,卤代烃,54,要看SN2的过渡态及SN1在中间体形成

19、前的第一过渡态中电荷分布情况。 相对于反应底物，电荷若是更加集中（增加），增加溶剂极性有利于反应；电荷若是更加分散（减少），增加溶剂极性不利于反应；若改变很小，则几乎不影响。,溶剂效应(主要指溶剂的极性) （自学）,增大溶剂极性，有利于SN1历程,卤代烃,55,增大溶剂极性, 不有利于SN2历程,增大极性，有利于反应,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,卤代烃,56,注意： 亲核取代反应的两种历程在反应中是同时存在、相互竞争的，只是在某一特定条件下哪种历程占优势的问题。 以上规律基本上也适用于有机化学中其它的亲核取代反应,卤代烃,57,四、成环的SN2反应,

20、离去基团和进攻试剂处于分子内合适的位置，易发生分子内 的SN2反应（ SNi2 ）,五元、六元环，成环时环张力小，过渡态势能低、活化能低， 成环反应容易进行。,卤代烃,58,五、邻基参与反应,1.邻基参与的提出,S-2-溴丙酸 S-乳酸,构型保持,历程：,反应过程中经历两次SN2，构型保持,Ag2O,稀,卤代烃,59,位于邻近反应中心（通常为位）的具有亲核性的基团参与分子的亲核反应，叫邻基参与反应。,2. 邻基参与主要特点： 加速化学反应； 反应往往经历环状过渡态（邻基与离去基团必须处于反平行位置有利于邻基对中心碳原子的背面进攻） 构型保持有时得到一定构型的重排产物,卤代烃,60,3. 邻基参

21、与的主要类型： （1）含杂原子的邻近基团（如：COO-、OH、 O 、 OR、NH2、SR、Cl、Br、I .）,卤代烃,61,（2）邻近双键参与,卤代烃,62,第四节 消除反应历程,1. E1：单分子消除历程,E1与SN1一样分两步进行，它们常同时发生。有利于SN1的因素也有利于E1 ，即反应速度有：叔卤代烃 仲卤代烃 伯卤代烃。 反应经历碳正离子中间体，伴有重排发生。,卤代烃,63,2. E2: 双分子消除历程,卤代烃,64,大部分 E2 是反式消除。需符合共平面几何要求 （H-C - C-X 共平面）,反式消除与顺式消除其过渡态能量比较：,反式共平面消除 顺式共平面消除 （能量低）,No

22、te:有同位素效应,卤代烃,65,在某些环状化合物中，由于环的刚性，当反式不能消除时采用顺式消除,卤代烃,66,3. 消除反应的方向 无论E1、E2，消除反应的取向都是由产物烯烃的稳定性决定的。 卤代烃的消除一般都遵循saytzeff规则。 例外：当碱的体积特别大时，如(CH3)3CO-，得Hofmann烯烃(双键上烷基较少的烯烃),试剂的碱性强, 溶剂的极性小,有利于E2。,卤代烃,67,4. 邻二卤代烷失卤素,共平面反式消除,5. 亲核取代与消除反应的竞争,在大多数情况下。卤代烷的取代反应和消除反应常常是同时进行的。,卤代烃,68,1. 卤代烃的结构对消除和取代反应有以下的影响：,影响两类

23、反应的因素一般归纳如下：,制烯烃一般用叔卤代烃, 制备醇一般用伯卤代烃.,2. 试剂的碱性 碱性越强，浓度越大，越有利于消除。 3. 溶剂的极性 低极性溶剂有利于消除。 4. 温度的影响 升高温度有利于消除。,卤代烃,69,第五节 卤代芳烃芳环上的亲核取代反应,1. 亲核加成消除机理,与苯环直接相连的卤原子，一般难以水解，高温、高压和催化剂作用下，才反应：,氯原子的邻位和(或)对位连有强吸电子基时，水解反应容易发生，吸电子基越多，反应越容易进行。,卤代烃,70,吸电子取代基越多，亲核取代反应的活性就越高,卤代烃,71,在卤代烷的亲核取代反应中，卤原子的离去活性： IBrClF,在芳环的亲核取代

24、反应中，卤原子的离去活性： FClBrI,除发生水解外，也可被CN、RO、PhO 、NH3、H2NNH2等)亲核试剂取代。,除卤原子，某些其它基团如：-NO2, -OR,-NH2 也可以作为离去基团而被取代。,卤代烃,72,加成消除机理,第一步：,第二步：,在芳环上的亲核取代反应中，最容易离去的是F，其它卤原子相差较小，即： F Cl Br I。 因为碳负离子上连有强吸电子基团时，有利于负电荷的分散。,卤代烃,73,2. 消除加成机理(苯炔机理),新引入的基团不仅进入卤原子原来的位置， 还进入了卤原子的邻位。,卤代烃,74,这些实验事实，用加成消除机理是难以解释的， 用消除加成机理(苯炔机理)却能得到合理的解释。,该历程的前两步是从氯苯中消去一分子HCl，生成活泼的苯炔中间体，后两步是在苯炔的碳碳三键上加进了一分子的NH3，故称消除加成机理；又因该类反应是经过苯炔中间体完成的，又称苯炔机理。,卤代烃,75,苯炔的结构如下图所示：,可以预见：一是苯炔具有高度的反应活性(因为两个 互不平行的sp2杂化轨道，侧面交盖很少，所构成的键 较为脆弱)；二是苯环上连有的所有取代基对苯炔的生成,卤代烃,76,和稳定，只存在诱导效应，而不存在共轭效应(因为由两个互不平行的sp2杂化轨道构成的第二个 键与苯环中的共轭键相互垂直)。,