有机化学 9 卤代烃 Halohydrocarbons

1、2021/4/14,organic chemistry,chapter 9:halohydrocarbons,第九章 卤代烃,2021/4/14,organic chemistry,9.1 卤代烃的分类、命名及同分异构现象,9.1.1 分类,1.按分子中所含卤原子的数目，分为一卤代烃和多卤代烃。 2.按分子中卤原子所连烃基类型，分为：,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 2 孤立式,卤代烷烃 r-ch2-x,卤代芳烃,乙烯式,烯丙式,2021/4/14,organic chemistry,3.按卤素所连的碳原子的类型，分为：

2、,2021/4/14,organic chemistry,9.1.2 命 名,简单的卤代烃用普通命名或俗名，（称为卤代某烃或某基卤）,2021/4/14,organic chemistry,复杂的卤代烃用系统命名法（把卤素作为取代基）,命名时，以烃为母体，卤原子作取代基。,2021/4/14,organic chemistry,2021/4/14,organic chemistry,9.1.3 同分异构现象,卤代烃的同分异构体数目比相应的烷烃的异构体要多，例如，一卤代烃除了碳干异构外，还有卤原子的位置异构。,2021/4/14,organic chemistry,9.2.1 physical

3、properties,物态：一般为液体，高级为固体，少量为气体 比重：一般 d 1, 一氯代物通常 d 1。 溶解度：不溶于水，易溶于有机溶剂 其它：多卤代物一般不燃烧,9.2 一卤代烷（ monohalohydrocarbon ）,2021/4/14,organic chemistry,9.2.2 光谱性质： ir： c-f 1000-1350 cm -1 (s) c-cl 700-750 cm-1 (m) c-br 485-610 cm-1 (m) c-i 485-610 cm-1 (m),nmr:,卤原子吸电子，去屏蔽 效应 f cl br i -h 影响最大,2021/4/14,org

4、anic chemistry,9.2.3 偶极矩 c-x键是极性共价键,2021/4/14,organic chemistry,9.2.4 卤代烃化学性质 9.2.4.1卤代烷的结构特点,卤素对化学建的影响诱导（吸电子）效应,一些元素的电负性,s -电子发生偏移，x 起吸电子作用。,诱导效应 通过单键传递的电子效应,2021/4/14,organic chemistry,cx 键的异裂,x 总是以负离子形式离去,自身异裂,在亲核试剂作用下异裂,亲核试剂（ nucleophile ）: 一些带有未共享电子对的分子或负离子，与正电性碳反应时称为亲核试剂。,亲核试剂(nu)取代了卤素(x) 亲核取代

5、反应( sn 反应，nucleophilic substitution reaction),碳正离子,2021/4/14,organic chemistry,9.2.4.2、亲核取代反应,（1）水解反应,1加naoh是为了加快反应的进行，使反应完全。 2此反应是制备醇的一种方法，但制一般醇无合成价值， 可用于制取引入oh比引入卤素困难的醇。,（2）与氰化钠反应,2cn可进一步转化为cooh，-conh2等基团。,1反应后分子中增加了一个碳原子，是有机合成中增长碳链的 方法之一。,2021/4/14,organic chemistry,（3）与氨反应,（4）与醇钠（rona）反应,r-x一般为1

6、rx，（仲、叔卤代烷与醇钠反应时，主要发生消除反应生成烯烃）。,（5）与agno3醇溶液反应,此反应可用于鉴别卤化物，因卤原子不同、或烃基不同的卤代烃，其亲核取代反应活性有差异。,2021/4/14,organic chemistry,卤代烃的反应活性为： r3c-x r2ch-x rch2-x r-i r-br r-cl,（6） 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。,2021/4/14,organic chemistry,a和b 位氢有弱酸性,在卤代烷中,a和b位氢均有弱酸性,消除反应(elimination reaction),9.2

7、.4.3、消除反应,2021/4/14,organic chemistry,2021/4/14,organic chemistry,1) 消除反应的活性： 3rx 2rx 1rx 2） 2、3rx脱卤化氢时，遵守扎依采夫（sayzeff）规则即主要产物是生成双键碳上连接烃基最多的烯烃。例如：,消除反应与取代反应在大多数情况下是同时进行的，为竞争反应，哪种产物占优则与反应物结构和反应的条件有关。,2021/4/14,organic chemistry,9.2.4.4、与金属的反应,卤代烃能与某些金属发生反应，生成有机金属化合物金属原子直接与碳原子相连接的化合物。,（1）与金属镁的反应,格氏试剂的

8、结构还不完全清楚，一般认为是由r2mg、mgx、（rmgx）n 多种成分形成的平衡体系混合物，一般用 rmgx表示。 乙醚的作用是与格氏试剂络合成稳定的溶剂化物，既是溶剂，又是稳定化剂。 苯、四氢呋喃（thf）和其他醚类也可作为溶剂。,2021/4/14,organic chemistry,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。,1)与含活泼氢的化合物作用,2021/4/14,organic chemistry,2)与醛、酮、酯、二氧化碳、环氧乙烷等反应,rmgx与醛、酮、酯、二氧化碳、环氧乙烷等反应，生成醇、酸等一系列化合物。所以rmgx在

9、有机合成上用途极广。格林尼亚因此而获得1912年的诺贝尔化学奖（41岁）。,3)用与合成其它有机金属化合物,2021/4/14,organic chemistry,（2）. 与金属钠的反应（wurtz 武兹反应）,2rx + 2 na rr + 2nax,此反应可用来从卤代烷制备含偶数碳原子，结构对称的烷烃（只适用于同一伯卤代烷，不同烷基无实用价值）。,（3）与金属锂反应,卤代烷与金属锂在非极性溶剂（无水乙醚、石油醚、苯）中作用生成有机锂化合物：,2021/4/14,organic chemistry,1)有机锂的性质与格氏试剂很相似，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

10、意被免。,3)有机锂可与金属卤化物作用生成各种有机金属化合物。,2)重要的有机锂试剂 二烷基铜锂（一个很好的烷基化剂）。,制备：,用途：制备复杂结构的烷烃,2021/4/14,organic chemistry,例如：,此反应叫做科瑞（corey） 郝思（house）合成法。,2021/4/14,organic chemistry,9.2.4.5、卤代烷的还原反应,卤代烷可以被还原为烷烃，还原剂采用氢化锂铝。反应只能在无水介质中进行。,还原试剂: lialh4 、nabh4 、 zn/hcl、hi、 催化氢解 na + nh3等,2021/4/14,organic chemistry,依据反应

11、动力学(kinetics)亲核取代反应机制可分为两类，即双分子反应 机制(sn 2: substitution, nucleophilic, bimolecular)和单分子反应机制 (sn 1: substitution, nucleophilic, unimolecular).,9.3.1 两种历程 sn 2 and sn1 9.3.1.1 sn2 mechanism,动力学研究表明：这类亲核取代反应的速率与底物的浓度和试剂的浓度同时相关：,二级反应,9.3 a mechanism for the nucleophilic substituted reaction,2021/4/14,or

12、ganic chemistry,mechanism,the negative hydroxide ion pushes a pair of electrons into the partially positive carbon from the back side. the bromine begins to move away with the pair of electrons that once bonded it to the carbon.,in the transition state, a bond between oxygen and carbon is partially

13、formed and the bond between carbon and bromine is partially broken the configuration of the carbon atom begins to invert.,now the bond between the oxygen and carbon has formed and the bromide ion has departed. the configuration of the carbon has inverted.,2021/4/14,organic chemistry,energy,reaction

14、progress,sn2反应中过渡态结构,sp2杂化 新键已部分形成 旧键已部分断裂,凡能影响过渡态稳定性的因素都将影响反应的活和选择性！!,2021/4/14,organic chemistry,9.3.1 .2 sn1 mechanism,反应分两步进行,step 1 carbocation formation (rate-determining step),transition state1,step 2 product formation,transition state 2,2021/4/14,organic chemistry,(ch3)3c-br + oh- ch3)3c-oh

15、+ br-,reaction,mechanism,step 1,aided by the polar solvent a bromide ion departs with the electron pair that bonded it to the carbon.,this slow step produces the relative stable 3carbocation and a bromide ion. although not shown here,the ions are solvated by the solvent molecular,2021/4/14,organic c

16、hemistry,step 2,a hydroxy ion acting as a lewis base donates an electron pair to the carbocation(a lewis acid), this give the cationic carbon eight electrons.,the products are tert-butylalcohol.,energy,reaction process,2021/4/14,organic chemistry,9.3.2 stereochemistry of nucleophilic substituted rea

17、ction,sn2反应的立体化学特征 :,1、旧键断裂和新键生成同时进行 2、构型翻转 (inversion of configuration),由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化walden转化。,nu:,+ l-,2021/4/14,organic chemistry,(r) - (-) - 2 - 辛烷 25d= 34.25 对映体的纯度=100%,(s) - (+) - 2 - 辛醇 25d= -9.90 对映体的纯度=100%,2021/4/14,organic chemistry,sn1 反应的立体化学特征 :,1、反应分两步进行，有正碳离子生成.有可能排

18、！ 2、光学底物的产物外消旋化.,试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物。,2021/4/14,organic chemistry,在sn1反应中形成的碳正离子中间体有重排成更稳定的碳正离子的趋势。,2021/4/14,organic chemistry,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。 邻基参与的作用：1）加速化学反应；2）往往有环状中间产物生成 能参与的邻基：co2、o、oh、or、-nr2、x、etc.,intramolecular nucleophilic substitution,neighboring group

19、participation,2021/4/14,organic chemistry,看下面两个例子:,(s)-2-溴丙酸与浓naoh溶液反应，结构得到构型转化产物(sn2).,2021/4/14,organic chemistry,（r）-2-溴丙酸与稀naoh溶液、ag2o反应生成光学活性的（r）-2-羟基丙酸钠，在反应过程中手性碳原子构型保持（两次sn2）。,2021/4/14,organic chemistry,wenstein和lucas发现：赤型-3-溴-2-丁醇与浓hbr反应，转变为内消旋2,3-二溴丁烷；而苏型-3-溴-2-丁醇与浓hbr反应，转变为外消旋2,3-二溴丁烷。,s,

20、r,r,s,s,r,2021/4/14,organic chemistry,9.3.3 factors affecting the rates of sn1 and sn2 reaction,the most important factors are: the structure of the substrate. the nature of the leaving group. the concentration and reactivity of the nucleophile. the effect of the solvent.,1. the structure of the sub

21、strate.,sn2 reaction simple alkyl halides show the following general order of reactivity in sn2 reaction .,methyl primary secondary (tertiaryunreactive),这是由烷基的空间效应(steric effects)决定的，烷基结构越拥挤，亲核试剂背面进攻越困难。,2021/4/14,organic chemistry,steric effects,2021/4/14,organic chemistry,转变过程中，中心 碳原子由底物同4个 基团相连转变

22、为由 过渡态的同5个碳原 子相连，空间拥挤程 度增大。,当底物中心碳原子连有较大基团时， nu:难于从背后接近底物。,新戊基卤代烷(neopentyl halide)几乎不发生sn 2反应：,2021/4/14,organic chemistry,sn1 reaction the primary factors that determines the reactivity of organic substrate is the relative stability of the carbocation that is formed.,a. electronic effects,所有能够使正碳离

23、子稳定的因素，都能使sn 1反应的反应速率大：,0.26 0.69 0.86 100 10 5 10 10,k1,当取代基具有i、 超共轭效应、c效应， sn 1反应速率增大, 反应 活性增大。,2021/4/14,organic chemistry,含有一个只带6个电子的带正电荷的碳氢基团，称为碳正离子(carbocation) carbocations (carbonium ions, carbenium ions) are electron-deficient species,碳正离子带正电荷的碳原子为sp2 的杂化的平面三角形结构。有一个垂直 于该平面的p轨道。,sp2,structu

24、re and stability of carbocation,2021/4/14,organic chemistry,碳正离子的稳定性 321,原因：1. inductive effect (诱导效应) electron-rich groups donate some electron density through the sigma bonds to the positively charged carbon atom. 2. hyperconjugation(超共轭效应) p,2021/4/14,organic chemistry,109 1.0 0.2,sn 1反应速率,当氧原子(其

25、它杂原子也类似)与中心碳原子相连时，所形成的正碳离子，因共轭效应而被稳定。而最后一个化合物则因为诱导效应导致反应速率下降。,b. steric effects,与sn2反应相反，底物上的取代基的空间效应使sn1反应速率加快：,rbr 在水中50时 mebr 1.00 etbr 1.00 i-prbr 11.6 t-bubr 1.2106,四面体,平面三角型,键角增大， 取代基空间 效应越大， 基团的空间 拥挤程度减 小。,2021/4/14,organic chemistry,2.the nature of the leaving group,a good leaving group shou

26、ld be:,1）. electron withdrawing, to polarize the carbon atom 2）. stable (not a strong base) once it has left 3）. polarizable, to stabilize the transition state,较好的离去基团是强酸的共轭碱, 即弱碱. 如:,重要的离去基团是 pka 5的酸的共轭碱，如：i- 是强酸 hi的共轭碱。,f- cl- br- i-,2021/4/14,organic chemistry,oh-, nh2-, -or, f- cl- br- i- tso-,a

27、n alkyl sulfate anion,an alkanesulfonate ainon mso-,p-toluenesulfonate anion tso-,cf3so3- 是最好的离去基团,2021/4/14,organic chemistry,3.the strength of the nucleophile.,亲核试剂的亲核能力由两个因素决定： 碱性(basicity) 可极化性(polarizability) 亲核试剂的强度和浓度对sn1 reaction 均没有影响。 然而对于双分子反应的sn2来说，则有很大的影响。,亲核试剂的亲核性,. in a group of nucle

28、ophiles in which the nucleophilic atom is the same, nucleophilicities parallel basicities.,ro- ho- rco2- roh h2o,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。因此，二者的次序并不完全一致。,2021/4/14,organic chemistry,当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度顺序与碱性有时不同：,oh h2o, ch3o- ch3oh,(2). 同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，亲核性大小顺序与 碱性大小顺序一致。,h2n- oh

29、- f-,r3c- r2n- ro- f-,(3). 试剂中的进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大，试剂的亲核性越强. 即周期高的原子亲核性大(碱性小)。,f- cl- br- i-,r - o - r - s - r - se -,2021/4/14,organic chemistry,原子半径越大，可极化性越大，易成键。,2021/4/14,organic chemistry,碱性很强，负电荷也很集中，但由于烷基 具有较大的空间效应，故其亲核性很弱。,(4). 当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，则不利于试剂接近底物分子。因此，对于试剂的亲核性，取代基的空间效应大于其电子效应：,202

30、1/4/14,organic chemistry,4. the effect of the solvent.,不同类型的溶剂在反应中的作用不同，溶剂可分为三类。溶剂的极性常用 介电常数或偶极矩表示。 (1). protic solvent(质子溶剂): 只能与负离子形成氢键的溶剂。 (2). polar aprotic solvent(偶极非质子溶剂): 介电常数大于15，偶极矩大于 2.5d，不易给出质子。 (3). aprotic solvent(非质子溶剂):介电常数小于15，偶极矩02d之间, 这类 溶剂不给出质子,与溶质作用弱.,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

31、能力。,2021/4/14,organic chemistry,溶剂对亲核性的影响,碱性受溶剂的影响的很大，因此亲 核性也受溶剂的影响，但可极化度很 少受溶剂的影响。 1) i-, sh-, scn- 等可极化度高的试剂无 论在质子溶剂还是偶极溶剂中，其亲核性 均很高。而对于f-, cl-, br- 等可极化性不 高，碱性较强的试剂则因易于与质子溶剂 形成氢键而使亲核性大大下降。 2) 小的负离子亲核试剂，在质子性溶 剂中，易形成强的氢键，使亲核性降低。,2021/4/14,organic chemistry,relative nucleophilicity in protic solvent

32、:,rs- ars- cn- i- nh3 ro- oh- br- pho- cl- h2o- f-,relative nucleophilicity in polar aprotic solvent:,f- cl- br- i-,protic solvent,polar aprotic solvent,aprotic solvent,h2o, ch3oh, nh3(l).,hmpa hexamethylphosphoramide dmsodimethyl sulfoxide dmfn,n-dimethyl formamide dmadimethylacetamide ch3cnacetoni

33、trile pypyridine acetone,thf et2o, ccl4, c6h6, hexane, chcl3, ch2cl2, ch3cooet ch3och2ch2och3,2021/4/14,organic chemistry,质子型溶剂,通过氢键缔合,非质子型溶剂,通过偶极与偶极相互作用,质子溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。 偶极非质子溶剂对于负离子很少溶剂化.,sn2 reaction,在质子型溶剂中：亲核试剂与溶剂形成氢键，由此降低了试剂的亲核性，不利于反应进行。,在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：sh- i- oh- br- cn- n3- ch3co2- c

34、l - h2o f-,2021/4/14,organic chemistry,增加溶剂极性，对sn2反应不利。过渡态电荷分散，极性不如亲核试剂大，溶剂的极性增加不利于电荷的分散，使反应速稍有降低。,偶极非质子型溶剂 (polar aprotic solvents)不能与 nu:_ 形成氢键，不能使亲核试剂溶剂化，使裸露的负离子作为亲核试剂，具有较高的反应活性。,relative nucleophilicity in polar aprotic solvent:,f- cl- br- i-,dmso,2021/4/14,organic chemistry,2021/4/14,organic ch

35、emistry,sn1 reaction,一个中性化合物离解为两个带电荷的离子，溶剂极性的提高，将稳定正碳离子，使反应速率加快。,与sn2不同，sn1 反应却是在质子性溶剂中有利的，因为反应中产生活泼中间体碳正离子的过渡态能被溶剂化作用稳定，生成的阳离子和阴离子均可被溶剂化作用稳定。,2021/4/14,organic chemistry,sn1 reactions take place much more rapidly in polar solvents than in nonpolar solvents.,2021/4/14,organic chemistry,一般说来: 质子溶剂对sn

36、1 reaction有利; 对sn2 reaction不利. 偶极非质子溶剂对sn1 reaction和sn2 reaction均有利.,summary:,不同的溶 剂化作用,2021/4/14,organic chemistry,factors favoring sn1 versus sn2 reaction,summary: sn1 versus sn2,factor sn1 sn2,substrate,32 (requires formation of a relatively stable carbocation.,methyl 1 2(requires unhindered subs

37、trate),nucleophile,weak lewis base, neutral molecule, nucleophile may be the solvent(solvolysis),strong lewis base, rate favored by high concentration of nucleophile,solvent,polar protic solvent,polar aprotic solvent,leaving group,the weaker the base after the group departs, the better the leaving g

38、roup for both sn1and sn2 .,2021/4/14,organic chemistry,sn1 和 sn2 反应在合成上的应用,2021/4/14,organic chemistry,练习:,1。下列那些卤化物可以用光引发单氯代反应高得率制得？,2。解释下列二环化合物为什么不起亲核取代反应(sn1或sn2),2021/4/14,organic chemistry,3。写出下列最可能发生的反应式，并指出是sn1, sn2, e1或e2,2021/4/14,organic chemistry,4。解释下列反应,2021/4/14,organic chemistry,5。推测化

39、合物(i)，(ii) 哪个与ki 的丙酮溶液反应较快？,(ii)(i)。在过渡态中，中心碳离子是sp2杂化，(i)受三元环的约束，较难做到 这一点。,2021/4/14,organic chemistry,实验事实:,9.4 一卤代烯烃和一卤代芳烃,由此可见，在卤代烯烃中卤原子与双键的相对位置不同，其反应活性差异颇大。,2021/4/14,organic chemistry,9.4.1、乙烯型卤代烃,卤乙烯型中的典型化合物就是氯乙烯，其结构特点：,氯原子的-i效应和p,-共轭效应共同影响的结果，从 而使键长发生了部分平均化。即：,2021/4/14,organic chemistry,由此证明

40、：氯乙烯分子中的ccl键结合的比较牢固，因而cl原子不活泼，表现在：,不易与亲核试剂naoh、rona、nacn、nh3等发生反应；,不易与金属镁或agno3-alc.反应，如：,消除hx的反应也必须在很强烈的条件下或者采用更强的碱才能进行。如：,进行亲电加成反应也比乙烯困难，但与不对称试剂加成是仍遵循马氏规则。,2021/4/14,organic chemistry,9.4.2、烯丙型卤代烃,烯丙基氯容易与naoh、rona、nacn、nh3等亲核 试剂作用，且主要按sn1历程进行，其亲核取代反应速度 要比正丙基氯快大约80倍左右。,烯丙型卤代烃活泼的原因是由其结构的特殊性决定的。,按sn1

41、历程进行反应，其反应 中间体为碳正离子，由于p,-共 轭效应的存在，使得碳正离子具有 相当好的稳定性而易于形成。,2021/4/14,organic chemistry,由于烯丙型卤代烃易于按sn1历程进行反应，所以某 些烯丙型卤代烃在反应时就体现出了碳正离子可以发生重 排这一普遍特性。如：,烯丙型卤代烃按sn2历程进行反应，也因双键的轨道与正在形成和断裂的键轨道从侧面相互交盖，使过渡状态的负电荷更加分散，过渡状态能量降低而容易生成，从而有利于sn2反应的进行。,2021/4/14,organic chemistry,9.4.3 卤代芳烃,1.苯环的位置对卤原子活泼性的影响,(1)卤苯型卤代物

42、,与氯乙烯相似，氯苯分子中氯原子的-i效应和p,-共轭效应共同影响的结果，必然导致ccl键键长缩短，键的离解能增大。卤苯型化合物的卤原子表现出较低的反反应活性。,2021/4/14,organic chemistry,用共振论解释也可得到同样的结论。,在一般条件下，卤原子不易被,等亲核试剂取代；与agno3-alc. 溶液不反应； 在f-c反应中，不能象rx那样作为烃基化试剂使用。,2021/4/14,organic chemistry,(2) 苄基型卤代物,苄基型卤代物与烯丙型卤代物相似，其x原子比较活泼。苄基型卤代物无论进行sn1反应还是sn2反应都比较容易，尤其是sn1反应。,sn1反应

43、：,这种电子离域的结果，使苄基正离子的正电荷得到分 散，故体系能量降低，较为稳定，因而容易形成。,2021/4/14,organic chemistry,sn2反应：,过渡状态中环上轨道与反应中心碳原子的轨道共轭，形成一个整体，从而使过渡状态稳定。,2021/4/14,organic chemistry,与芳环直接相连的卤原子作为第一类定位基，使新引 入基团进入它的邻位或对位，但它使苯环钝化，其反应速 度比苯的亲电取代反应速度慢。,值得注意的是：,（1）芳环上的亲电取代反应,芳卤可发生卤代、硝化、磺化、酰基化反应。,2.芳卤化合物的化学性质,芳卤化合物既可发生环上的亲电取代反应，也可发生环上的

44、亲核取代反应。,2021/4/14,organic chemistry,（2）芳环上的亲核取代反应,1). 芳环上的亲核取代反应,a. 水解：,与苯环直接相连的卤原子，一般难以水解，必须在高温、高压和催化剂作用下，才能发生反应：,然而，当氯原子的邻位和 / 或对位连有强吸电子基时 (如：硝基等)，水解反应就容易发生，且吸电子基越多，反应越容易进行。,2021/4/14,organic chemistry,2021/4/14,organic chemistry,b. 氨解：,与水解反应相似，芳卤的氨解也必须在强烈的条件下才能与nh3反应，生成芳胺。同样，当氯原子的邻位和/或对位连有强吸电子基时，可加速反应的进行。,芳环上的卤原子被其它亲核试剂(如：cn、ro、pho、h2nnh2等)取代的情况与水解、氨解相似。,2021/4/14,organic chemistry,2).芳环上亲核