第八章卤代烃

1、第八章 卤代烃8.1 绪论烷基卤化物是指烷烃中的氢原子被卤素原子(氟、氯、溴和碘)所取代的化合物。例如，CH3Cl 和CH3CH2Br是烷基卤化物，烷基卤化物也被称为卤代烃。烷基卤化物分为伯卤化物(10)、仲卤化物(20)和叔卤化物(30)。这种分类是基于卤素直接相连的碳原子。如果带有卤素的碳原子仅仅与其他一个碳相连，这个碳原子就是伯碳原子，烷基卤化物就属于伯烷基卤化物。如果带有卤素的碳原子它本身就连有其他两个碳原子，这个碳就是仲碳，该烷基卤化物就是仲卤化物。如果带有卤素的碳原子它连有其他三个碳原子，那么这个碳就是叔碳，该烷基卤化物就是一个叔烷基卤化物。下面是伯、仲和叔烷基卤化物的代表。虽然我

2、们用符号10,20,30，但是我们不能说第一度，第二度，第三度，应该是伯、仲、叔，也可称为一级，二级，三级。8.2 烷基卤化物的命名 卤素取代的烷烃是按照IUPAC系统命名法来命名的：当主链上既有卤素又有烷基取代时，不管是卤素还是烷基，从靠近取代基一端向另一端编号。如果两个取代基到链的末端的距离相等，按照字母的先后顺序从一端编起。2-氯-3-甲基戊烷 2-氯-4-甲基戊烷很多简单卤代烃的习惯命名仍然被广泛应用，然而在这种习惯命名体系中被称为功能性命名，卤代烃被命名为烷基卤化物。(下面这些命名也被IUPAC所接受)乙基氯 异丙基溴 叔丁基溴 异丁基氯 新戊基溴8.3 卤化物的结构和物理性质卤化物

3、的结构烷基卤化物的卤素原子所连的碳原子是sp3的，基团的排列围绕碳原子，因此，一般是四面体形。因为卤素原子的电负性强于碳，烷基卤化物的碳卤素键是极化的；碳原子带有部分正电荷，卤素原子带有部分负电荷：在元素周期表中，自上向下，卤素原子的大小逐渐增加：氟原子最小，碘原子最大。因此，自上向下，碳卤素键长增加，碳卤素键能减小。四甲基卤化物表面的范得华静电图和内部得球棍模型都揭示了C-X键的极性趋势。碘甲烷极性很小，C-I键长最长，C-I键最弱。表8.1 碳卤素键长和键能CX键长(Å) 1.39 1.78 1.93 2.14CX键能(kJ·mol-1) 472 350 293 239

4、在实验室和工业中，烷基卤化物作为相关非极性化合物的溶剂和一些化合物合成的起始原料。我们将在本章中介绍，烷基卤化物的卤素原子很容易被其他基团所取代，碳链中卤素原子的存在也为我们提供了引入多样键的可能性。一个卤素原子若连在一个sp2-杂化碳上，该化合物称为乙烯基卤化物或苯基卤化物。化合物CH2=CHCl的普通命名是乙烯基氯化物，基团CH2=CH一般称为乙烯基。乙烯基卤化物，是一种普通的术语，是卤素原子连在一个碳原子上与另一个碳原子形成一个双键的化合物。苯基卤化物是指一个卤素连在苯环上。苯基卤化物属于化合物的一个更大的群，我们在以后会讲到，叫作芳基卤化物。 乙烯基卤化物 苯基卤化物或芳基卤化物和烷基

5、化合物一起，这些化合物组成了更大的一组化合物有机卤化物或有机卤素化物。乙烯基和芳基卤化物化学我们将在后面学习，与烷基卤化物有很大的不同，对于烷基卤化物我们的注意力主要放在这一章。8.3.2 卤化物的物理性质大多数烷基和芳基卤化物在水中的溶解度很小，但是它们之间互溶，而且它们与许多非极性溶剂互溶。二氯甲烷(CH2Cl2,也称为亚甲基氯)，三氯甲烷(CHCl3，也叫作氯仿)，四氯甲烷(CCl4，也叫作四氯化碳)经常作为非极性和弱极性化合物的溶剂。许多氯代烷烃，包括CHCl3 和CCl4，具有累积毒性和致癌性，因此必须在通风橱中小心使用。一卤甲烷中，仅有碘甲烷(bp 42)在室温和1大气压下是液体。

6、溴乙烷(bp 38)和碘乙烷(bp 72)都是液体，氯乙烷(bp 13)是气体。氯，溴和碘代丙烷都是液体。总的来说，高级的氯，溴和碘代烷烃都是液体，他们的沸点往往与那些分子量相似的烷烃沸点接近。多氟代烷往往具有不同寻常的低沸点。六氟乙烷的沸点是-79，可是它的分子量(MW=138)接近癸烷(MW=144; bp 174)。表8.2 一些常见有机卤化物的物理性质列表基团氟化物氯化物溴化物碘化物bp()密度(g L-1)bp()密度(g mL-1)bp()密度(g L-1)bp()密度(g L-1)甲基-78.40.84-60-23.80.92203.61.73042.52.2820乙基-37.7

7、0.722013.10.911538.41.4620721.9520丙基-2.50.78-346.60.892070.81.35201021.7420异丙基-9.40.7220340.862059.41.312089.41.7020丁基320.782078.40.89201011.27201301.6120仲-丁基680.872091.21.26201201.6020.异丁基690.8720911.26201191.6020叔-丁基120.7512510.842073.31.2220100dec1.570戊基620.7920108.20.8820129.61.22201557401.5220新

8、戊基84.40.87201051.2020127dec1.5313CH2=CH-720.6826-13.90.9120161.5214562.0420CH2=CHCH2-3450.9420701.4020102-1031.8422C6H5-851.02201321.10201551.52201891.8220C6H5CH2-1401.02251791.10252011.442293101.73258.4 亲核取代反应下面是一般类型的亲核取代反应：以下是一些例子：在这些类型的反应中一个亲核试剂，带有一对孤对电子的核与一个烷基卤化物反应(称为底物) ，取代卤素。发生取代反应，卤素被取代，称为离去基

9、团，卤素离子离去。因为取代反应通过亲核试剂发生，称为亲核取代。在亲核取代反应中底物的碳卤素键断裂，亲核试剂的孤对电子与碳原子形成一个新键：在这一章我们随后就要讲的一个问题是：碳卤素键是什么时候断裂的？旧键的断裂和新键的形成是同时的吗？ 碳卤素键是先断裂的吗？ 然后 我们主要通过烷基卤化物的结构来找到答案。 亲核试剂 亲核试剂是一种寻求一个正电荷中心的试剂。(nucleophile这个词来源于nuclus，原子中带正电荷部分，plus-phile来自于希腊词philos，意思是去爱)。当一种亲核试剂与一个烷基卤化物反应，亲核试剂所需的正电荷中心是连有卤素原子的碳原子。这个碳原子带有部分正电荷，因

10、为带负电的卤素吸电子，碳卤素键具有自身的趋势。 亲核试剂是任何负离子或至少带有一对孤对电子的中性分子。(随后我们会看到键也能作为亲核试剂)。例如，氢氧根离子和水分子与烷基卤化物反应可以作为亲核试剂生成醇。烷基卤化物和氢氧根离子的亲核取代烷基卤化物和水的亲核取代在第二个反应中，初产物是烷基氧鎓离子，失去一个质子形成水同时生成醇。 离去基团作为亲核取代反应的底物必须具有好的离去基团。一个好的离去基团作为取代基，离去后可以形成稳定的，弱碱性分子或阴离子。烷基卤化物的卤素离子是好的离去基团，因为其一旦离去，就是弱碱性和稳定的阴离子。(在亲核取代反应中，烷基卤化物并不是唯一一种能作为底物的化合物，我们在

11、后面会看到其他化合物也能以同样的方式反应)。在下面的例子中，我们看到亲核取代反应，首先是用带电荷的亲核试剂，然后是中性亲核试剂。我们用L作为一般的离去基团。每个方程式的所有电荷都平衡。 具体的例子后面我们将看到底物带有形式负电荷的反应，类似于下面发生的反应：在这个例子当中，当离去基团失去一对电子，它的形式电荷变为0. 具体例子 如果我们知道了一些机理，亲核取代反应是很容易理解很有用的。亲核试剂是如何取代离去基团的？反应的发生是一步还是不止一步呢？如果反应多于一步，会形成哪种中间体？哪一步反应快哪一步反应慢？为了回答这些问题，我们需要知道一些化学反应的速率。8.5亲核取代反应的动力学：SN2反应

12、为了了解反应的速度可能需要测量，让我们考虑一个真实的例子：氯甲烷和氢氧根离子在水溶液中反应：氯甲烷在水中的溶解度并不是很高，在含有氢氧化钠的水溶液中它的溶解度足够进行动力学研究。因为反应速度与温度有关，在一定的温度下该反应才能进行。反应速度可以通过试验方法来确定，通过氯甲烷或氢氧根离子在溶液中消失或者甲醇或氯离子在溶液中产生来测定反应速度。我们可以用这些方法中的任何一种,在反应开始不久就从反应混合物中取出少量样品,分析CH3Cl或OH,CH3OH或Cl的浓度.我们对初时浓度感兴趣,因为随着时间的推移,反应物的浓度会改变.我们知道反应物初始浓度以后(因为但我们配置溶液时我们可以测量他们),很容易

13、计算出反应物从溶液中消失,产物生成的速度.这个实验我们进行了几组,保持每组温度相同,但是改变反应物的初时浓度.可能得到的结果见表8.3.实验显示反应速度取决于CH3Cl和OH的浓度,当在实验2中氯甲烷的浓度加倍,反应速率也加倍.在实验3中OH的浓度加倍后,反应速度也加倍.在实验4中使两者的浓度都加倍,反应速度因为四个因素而增加.表8.3 60CH3Cl 和 OH的反应速率研究实验序号 初时浓度CH3Cl 初时浓度 OH 初时速率(mol L-1 S-1)1 0.0010 1.0 1.9×10-72 0.0020 1.0 9.8×10-73 0.0010 2.0 9.8

14、15;10-74 0.0020 2.0 19.6×10-7我们可以用正比来表示这些反应速率 CH3Cl OH这个正比可以通过引入一个比例常数(k)称为速率常数的方程来表示:速率=kCH3Cl OH在这个温度下的反应,我们得到k=4.910-4 L mol -1 S-1(通过计算).这个反应被称为二级反应,这个结论是合理的,因此,实验要能进行, CH3Cl和OH必须要碰撞.我们也可以说这个反应是双分子的.(双分子意味着步骤中包含两类)我们把这种反应成为SN2反应, 即双分子亲核取代反应. SN2反应机理基于Edwared D.Hughes 和Christopher Ingold在193

15、7年提出的思想SN2反应的轨道图示如下：根据这个机理，亲核试剂从反面接近带有离去基团的碳，从一侧与离去基团对立，轨道包含带有离去基团的碳的亲核试剂的电子偶(最小分子空轨道或LUMO)。随着反应的进行，亲核试剂和碳原子的键增强，碳原子和离去基团之间的键减弱。当这些发生时，碳原子的结构翻转，它变成反向的，离去基团离去，亲核试剂和碳原子的键生成提供了大部分所需的能量使碳和离去基团之间的键断裂。我们能用CH3Cl和氢氧根负离子的反应来阐述该机理,在下面显示了“SN2反应机理”.反应：机理：SN2反应Hughes- Ingold机理包含仅有一步反应，没有中间体，反应过程中形成一个过渡态，亲核试剂和离去基

16、团和发生亲核反应的碳原子部分成键。因为过渡状态包含亲核试剂(例如OH-)和底物(例如CH3Cl)，我们观察到的这个机理证实了二级反应动力学，(因为在单一过渡状态键的形成和键的断裂是同时发生的，SN2是协同反应的一个例子)。过渡状态的存在很短暂，它仅仅存在一个分子振动的时间，大约10-12 s，过渡状态的结构和能量对于任何化学反应都是很重要的方面。 SN2反应的立体化学我们以前学过，在SN2反应中，亲核试剂从反面接近（与离去基团相反的那侧），这种进攻模式(见下面)导致了亲核试剂进攻的碳原子构型的改变，当取代发生时，构型发生翻转，类似雨伞遇到强风发生翻转: 一个分子如CH3Cl，没有方法证明亲核试

17、剂进攻使碳原子的构型翻转，因为氯甲烷中的一个碳与反向的构型是相同的。含有立体中心的分子如顺-1-氯-3-甲基环戊烷，通过立体化学的改变，我们可以观察到结构排布倒置。当顺-1-氯-3-甲基环戊烷与-OH发生SN2反应,产物是反-3-甲基环戊醇，OH连在环的对边。 这个反应的过渡状态如下所示：.8.6 叔丁基氯和氢氧根离子的反应: SN1反应当叔丁基氯和氢氧化钠在水和丙酮的混合物中反应，它的动力学结果与氯甲烷和氢氧化物的反应不同，生成叔丁醇的速率取决于叔丁基氯的浓度，与氢氧根离子的浓度无关，叔丁基氯的浓度加倍，反应速率也加倍，但是改变氢氧根离子的浓度(适当地)几乎不产生影响。叔丁基氯取代的速率在纯

18、水(-OH的浓度为10-7M)和在0.05M氢氧化钠水溶液中是相同的(-OH的浓度高500,000倍)。因此这个取代反应的平衡速率是关于叔丁基氯的一级反应：速率 (CH3)3CCl 速率 = k (CH3)3CCl我们能得出，-OH不参与过渡态的反应，该反应控制整个反应的速率仅含有叔丁基氯分子，在速度控制步骤这个反应可能是单分子反应(一级)，我们称这种反应是SN1反应(单分子亲核取代)。根据机理我们怎么来解释一个SN1反应呢?我们需要考虑到这个机理不止包含一个步骤的这种可能性，从一个多步反应中，我们期望的是哪种类型的动力学结果?让我们更进一步考虑这一点。 多级反应和速度控制步骤如果一个反应有一

19、连串的步骤，如果有一步在本质上慢于其他所有步骤，那么总反应的速率与这个慢步骤的速率是一样的，因此，这个慢步骤称为限速步骤或速度控制步骤。考虑如下的多级反应:这个例子的第一步本质上是缓慢的，意味着第1步的速度常数比第2步或第3步的速度常数小很多，即k1<< k2 or k3,当第2步和第3步是快速的，因为他们的速度常数较大，如果两种中间体的浓度不断变大，第2步和第3步能很快的进行(理论上)。因为第1步较缓慢，事实上，中间体的浓度一直都很小。 SN1反应的机理 叔丁基氯和水的反应机理很显然包含三步，形成两种不同的中间体。第一步是慢步骤速度控制步骤，叔丁基氯电离，形成叔丁基阳离子和氯离子

20、，在这步的过渡状态，叔丁基氯的碳-氯键几乎断裂，将形成离子：通过溶剂化，溶剂(水)使这些形成的离子稳定。因为通常是一种高吸热过程而且自由能上升过程，所以碳阳离子的形成一般较缓慢。 反应： 机理： 第1步在极性溶剂的帮助下氯原子带着一对电子离开所在的碳原子。该缓慢的步骤产生了相对稳定的3o碳正离子和氯离子，虽然在此没有表示，这些离子是被水分子溶剂化而稳定化的。 第2步水分子作为一种路易斯碱提供一对电子给碳正离子（路易斯酸），这使得碳正离子满足8电子要求。该步产物是叔丁金羊盐离子，或者是质子化的叔丁醇。 第3步另水分子作为一种路易斯碱接受叔丁金羊盐离子中的质子。该步产物是叔丁醇和水合质子。第二步中

21、中间体叔丁基阳离子与水快速反应生成叔丁基氧鎓离子(另一个中间体)，然后在第三步中传输一个质子给水分子生成叔丁醇。第一步碳-氯键异裂，因为这一步没有其他键生成，从自由能图上可以看出，应当高吸热，需要高的活化自由能。由于溶剂水的的电离能力,大部分都能发生反应。实验表明，在气相中(也就是无溶剂)，活化自由能大约是630 kJ mol-1，在水溶液中，活化自由能低很多，大约84 kJ mol-1，水分子包围着生成的阳离子和阴离子并使它们稳定。通过溶剂化作用，虽然步骤1生成的叔丁基阳离子是稳定的，但也是高活性的。阳离子形成以后立即与周围的水分子形成叔丁基氧鎓离子(CH3)3COH2+.(它可能有时候与-

22、OH反应，但水分子很多)。SN1反应的立体化学因为SN1反应第一步形成的碳阳离子具有平面三角形结构，亲核试剂会从前面或反面进行与它反应(如下所示)，它与叔丁基阳离子反应两种结果是一样的，因为用任一种方式进攻得到的产物都一样(通过检测模型可以相信结果)。 无论如何，与另外一些阳离子反应，两种不同的进攻方向可能会得到不同的产物，我们接下来将研究这一点。（1）包含外消旋作用的反应外消旋反应通过外消旋作用把光学活性化合物转变成外消旋形态，如果在反应期间初始化合物失去所有的旋光性,化学家把这种反应描述为完全外消旋作用.如果初始化合物仅仅失去部分旋光性,如果对映体仅有部分转变成外消旋形态,化学家把这种反应

23、描述为部分外消旋作用.将光学活性物质转变成外消旋形式的反应称作外消旋化作用。如果在反应中，原化合物完全失去其光学性质，化学家就把这个反应称作完全外消旋化；如果失去部分光学性质，则称作部分外消旋化。只要手性分子被转变成非手性中间体就发生外消旋化反应。这类反应是SN1反应，离去基团从立体异构的碳上离去。这些反应几乎总是完全外消旋化。如在水-丙酮溶剂中加热光学活性的（S）-3-溴-3甲基己烷，则得到外消旋的3-甲基-3-己醇。（S）-3-溴-3甲基己烷（S）-3-甲基-3-己醇（R）-3-甲基-3-己醇光学活性外消旋 原因：SN1反应过程中形成了没有手性的碳正离子中间体，因为其构型是平面型的。和水反

24、应时，以相同速率从任一边进行反应，生成等量的3-溴-3甲基己烷对映体。（2）溶剂化卤代烷和水的SN1反应是溶剂化的典型。溶剂化反应是以溶剂分子为亲核试剂的亲核取代反应。因为这里的溶剂是水，我们也可以称之为水解反应。如果反应在甲醇中进行，则可称作醇解。溶剂化：最后一个例子中，溶剂为甲酸，步骤如下：这些例子都是先形成碳正离子，然后再和溶剂分子反应。因此，溶剂化反应是SN1反应。8.7影响SN1和SN2反应的因素既然我们对SN1、SN2反应已经有所了解，我们下一步的任务是解释为什么氯代甲烷遵循sn2反应中的机理而叔丁基氯化物遵循SN1反应中的机理。我们也可以预测在不同的条件下卤代烷与亲核试剂反应遵循

25、的是SN1还是SN2反应机制。SN1还是SN2反应机制是与反应的相对速度有关的。如果一种卤代烷和亲核试剂在一个给定条件下遵循SN2反应机制下反应迅速，而遵循SN1反应机制的反应比较缓慢，则大多数分子将遵循SN2的反应机制。此外，另一卤代烷和另一亲核试剂遵循SN2反应机制时反应缓慢或基本不反应。若他们遵循SN1反应机制时反应十分迅速，则反应应遵循SN1反应机制。多次实验得出许多影响SN1和SN2反应的相对速率的因素。其中最主要的因素是：l 反应物的结构；l 亲核试剂的浓度及反应率（仅在双分子反应中）；l 溶剂的影响；l 离去基团的性质。反应物结构的影响SN2反应 简单烷基取代的SN2反应活性顺序

26、如下： 甲基>伯C>仲C>>叔CSN2反应中，甲基反应最迅速，叔丁基反应极其缓慢，几乎不反应。表8.4给出了典型SN2反应的相对速率。表8.4 卤代烷SN2反应的相对速率取代基化合物近似反应速率取代基化合物近似反应速率甲基CH3X30新戊基（CH3）3CCH2X0.000011级碳CH3CH2X13级碳（CH3）3CX02级碳（CH3）2CHX0.03 新戊基卤化物，虽然是一级碳，但是非常难反应：新戊基卤化物 造成这种反应活性规则的主要原因是因为其空间结构的影响。这种空间结构对相对反应速率造成的影响是由连接或靠近反应点的分子空间结构的性质决定的。有一种重要空间结构效应叫

27、做空间位阻效应。由此，这种在反应点或靠近反应点的原子或原子团的空间分布阻碍或者延迟反应的进行。 对于一些参与反应的部分（分子或离子），他们的反应中心必须在一定的间距才能发生反应。虽然大多数分子有合理的可变性，但非常庞大的基团仍就阻碍反应中必须的过度态的形成。在某些情况下甚至能完全阻止其过渡态的形成。 在SN2反应中，亲核试剂必须从离去基团的碳原子的背面进攻。因为这样，在反应碳原子上或靠近反应碳原子的庞大取代基团才能有较低的抑制效果。这样造成反应中必须的过度态的自由能增大，所以，整个反应的活化自由能也增加。在简单的烷基卤化物中，甲基卤化物遵循SN2反应机理最迅速，因为仅有三个很小的氢原子阻碍亲核

28、试剂的进攻。新戊基卤化物的反应活性最小，是因为庞大的基团强力阻碍了亲核试剂的进攻。（从实际的观点来看，三级反应物都不遵循SN2反应机理。）图8.10 SN2反应的空间效应SN1反应 决定有机物遵循SN1反应机理的反应活性的最主要的因素是碳正离子排列的相对稳定性。除此，在强酸性条件下发生的此类反应，我们将在以后学习，只有能生成碳正离子相对稳定性的有机化合物能够遵循SN1反应机理。在我们所深入学习的简单烷基卤化物中，只有三级卤化物（从实际目的出发）遵循SN1反应机理。（稍后我们将学习某种叫作烯丙型和苄型的有机卤化物，因其拥有相对稳定性的碳正离子，也能遵循SN1反应机理。）三级碳正离子相对稳定因其在

29、三个相邻的碳原子上的键与碳正离子的p轨道共享电子云密度形成共轭效应。二级和一级碳正离子的共轭效应相对较小，因此稳定性较次，甲基碳正离子则不稳定。碳正离子结构的相对稳定性对SN1反应机制有很重要的影响，这意味着反应的缓慢阶段（如：RLR+L-）的活化自由能足够的低，使反应在维持在合理的速率下进行。亲核试剂的浓度及强度的影响因为亲核试剂不参与SN1反应中决定速率的阶段，因此SN1反应的速率既不受亲核试剂浓度的影响，也不受其性质的影响。然而SN2反应速率，既取决于进攻的亲核试剂的浓度又受其性质的影响，我们学习过怎样提高亲核试剂的浓度来提高SN2反应速率，现在来考察亲核试剂的性质怎样影响SN2反应的速

30、率。亲核试剂的相对强度是以给定的某种反应物的SN2反应的速率快慢来衡量的。一种良好的亲核试剂必须能够和给定的反应物迅速的进行SN2反应。反之，劣质的的亲核试剂则在相同可比性的条件下与同种反应物进行SN2反应的速率缓慢。（作为以上提结论，我们不能以SN1反应来比较亲核试剂的亲核性，因其不参与SN1反应中决定速率的阶段。）例如，甲氧基阴离子，是作为碘甲烷取代反应的一种优良的的亲核试剂。它能使Sn2反应迅速进行并生成二甲基醚：此外，甲醇是碘代甲烷反应的劣质的亲核试剂。在相同的可比条件下反应缓慢。因为它不是一种足够强效的路易斯碱，不能以有效的速率来置换碘代物中的离去基团： 亲核试剂的相对强度与两种结构

31、特性有关：l 带负电的亲核试剂的反应活性总是它的共轭酸更强些。因此HO-的亲核性比H2O强，RO- 的亲核性比ROH强。l 在具有相同亲核性原子的一组亲核试剂中，其亲核性与它的碱性相同。例如，氧化物的反应活性顺序如下：RO->HO->>RCO2->ROH>H2O这也是它们碱性的排列顺序。烷氧基负离子(RO-)比氢氧根负离子(HO-)的碱性稍强些，而氢氧根负离子(HO-)的碱性比羧酸负离子(RCO2-)强许多，如此类推。亲核性相形于碱性 亲核性与碱性相关时，就不能以相同的方来衡量它们。碱性用pKa来表示，是以配位（碱基）电子对，质子，共轭酸，共轭碱的平衡位置衡量的。

32、亲核性是以相对反应速率来衡量的，取决于配位电子对与离去基团的原子（通常是碳原子）反应的速率快慢。例如，氢氧根负离子(HO-)的亲核性比氰根负离子(CN-)强；到达平衡时对质子有更强的亲和力（H2O的pKa是16，而HCN的pKa是10）。虽然如此，氰根负离子仍是一种较强的亲核试剂，它与离去基团的碳原子的反应速率要比氢氧根离子更迅速。 SN2反应的的溶剂效应：极性质子及非质子溶剂水或醇称为质子溶剂氢原子与强电负性的元素（氧）相连。因此，质子溶剂分子可以与亲核试剂形成氢键。氢键效应的作用阻碍亲核试剂以及阻碍取代反应的进行。一个溶解性较强的亲核试剂要参加亲核反应，它必须要脱离与溶剂分子的作用才能进攻

33、联有离去基团的碳原子。小的亲核原子的氢键作用大于大的亲核试剂。这种趋势在元素周期表的同一族中得到体现。例如，氟离子与其他卤素相比有较好的溶解性，因为它是最小并且是电子云密度最大的卤离子。因此，在质子溶剂中，氟离子的反应活性不如其它卤原子。碘离子是最大的卤原子，它在质子溶剂中的溶解性较小；因此，它的亲核作用最强。在质子溶剂中，卤离子的亲核反应性如下：在质子溶剂中卤离子的亲核性：I->Br->Cl->F-这种规则同样适用于氧和硫亲核试剂。硫原子比氧原子大，因此在质子溶剂中的溶解性不如氧。所以，硫醇的亲核性强于醇，RS-离子的亲核性强于RO- 离子。含有大的亲核原子的亲核试剂的反应

34、性并不是完全取决于其溶解性。大原子有较大的极化性（电子云容易迁移）。在质子溶剂中的相对亲核性SH->CN->I->OH->N3->Br->CH3CO2->Cl->F->H2O极性非质子溶剂 非质子溶剂是在电负性较强的元素上不联有氢原子的分子。许多极性非质子溶剂被化学家们广泛应用于SN2反应。一些例子如下所示：N，N-二甲基甲酰胺 二甲亚砜 N，N-二甲基乙酰胺 六甲基磷酰胺 所有这些溶剂（DMF, DMSO, DMA, and HMPA）可以溶解离子化合物，它们对正离子有很好的溶解性。同样，质子溶剂对正离子也有很好的溶解性：溶剂的负极在正离

35、子结合，孤对电子填充正离子的空轨道。被质子溶剂水溶剂化的钠离子被非质子溶剂DMSO溶剂化的钠离子然而，由于它们不能形成氢键以及它们的正电中心由于空间效应隐藏于相互作用的离子之间，非质子溶剂对阴离子的溶解性并不是太好。在这些溶剂中，阴离子不会随着溶解而趋于稳定。这些“裸露”的离子在碱或亲核试剂的条件下有很高的反应性。例如，在溶剂二甲亚砜中，卤离子的反应性与在质子溶剂中的相反，与它们的碱性趋势相同：卤离子在非质子溶剂中的亲核性：F- > Cl- > Br- > I在极性非质子溶剂中，SN2反应速率会有很大的不同。这种增加程度可大至百万倍。SN1反应的溶剂效应：溶剂的电离能力在SN

36、1反应中，极性质子溶剂可以增加卤代烷的电离速率，因为它们对正离子和负离子有很大的溶解性。这是由于溶剂对过渡态至中间体的稳定作用比反应物大；因此活化能较低。吸热反应这步的过渡态形成分离的电荷，因此其与最终产生的离子相似：反应物 过渡态 产物分离的电荷形成溶剂的极性可粗略地用介电常数来表征。介电常数是溶剂隔绝异种电荷能力的量度。在高介电常数的溶剂中，离子之间的静电吸引和排斥力较小。表8.5给出了一些常用溶剂的介电常数。水是促进离子化的最有效的溶剂，但是大多数的有机化合物在水中不溶解甚至不会有微溶。然而,他们通常可以在酒精, 和使用混合溶剂的条件下被溶解。甲醇 - 水和乙醇 - 水是亲核取代反应的常

37、用的混合的溶剂。表8.5 常用溶剂的介电常数8.7.5 离去基团的性质 离去基团是用来吸引电子对离开基体的基团。最好的离去基团是在离去的时候能变成是一个相对稳定的阴离子或是个中性的分子。首先，让我们考虑从基体离去时变成阴离子的基团。因为弱碱能有效地减少负面影响，所以变成弱碱基团是较好的离去基团。大体上，最好的离去基团是那些在它们离去后能被归类为弱碱的基团。 稳定负电荷的重要性可才过渡态的结构来理解，因为不管是SN1或是SN2反应，在过渡状态形成时离去基团都开始获得一个负电荷。 SN1 反应（速度控制步骤）过渡状态SN2 反应过渡状态 稳定了形成的离去基团上的负电荷，就能够稳定过渡态 (降低它的

38、自由能)；自由能降低使得反应活化能降低，反应速度因此而升高。碘离子是卤素中最好的离去基团而氟离子是最弱的离去基团:I- > Br- > Cl- >> F- 碱性次序为:F- >> Cl- > Br- > I-另外还有一些如烷基磺酸盐离子、烃基硫酸盐离子和对甲苯磺酸盐离子等具有弱碱性的离子是好的离去基团。烷基磺酸阴离子 A烷基硫酸阴离子 对-甲苯磺酸阴离子这些阴离子是强酸的共轭碱。 三氟甲烷基磺酸盐阴离子(CF3SO3-，俗称三氟磺酸阴离子)是化学家们所知道的最好的一种离去基团，它是超强酸CF3SO3H(pKa -5到-6)的阴离子:CF3SO3-

39、三氟磺酸根( “超级”离去基团) 强碱性的阴离子很少作为离去基团，例如，氢氧根离子是一个强碱性的离子，因此如下的反应不会发生：这个反应不会放生,因为离去基团是强碱性的。然而，当酒精溶解在强酸溶液中时，由于亲核试剂的影响反应可以进行。因为质子酸对酒精中的羟基有质子化作用，离去基团不再是一个氢氧根阴离子，现在它是以一种碱性比氢氧根弱的多的水分子形式离去，是一种好的离去基团。这个反应能发生,因为离去基团是弱碱性的。 象氢负离子和烷基负离子等超强碱事实上从不会成为离去基团。因此如下反应是不现实的:8.7.6 SN1和SN2比较: 稳定的碳正离子，使用弱的亲核试剂以及使用活性高的离子化溶剂使得烃基卤化物

40、的亲核取代反应偏向单分子取代SN1。因此，SN1机理在叔卤化物的取代反应方面很重要，尤其是溶剂极性高时。因为它是一个中性分子(溶剂)，而不是一个阴离子，所以在溶剂分散作用中极性影响弱。如果我们想要一个烃基卤化物反应按SN2机理进行，我们应该使用一个相对空间位阻小的烃基卤化物,强亲核试剂，电荷集中的溶剂。对于卤代烃, 按SN2 反应的速度的次序是: 叔卤化物一般不按SN2 机理反应。 离去基团的效果在 SN1 和 SN2 反应方面是相同的:烃基碘化物反应得最快速；氟化物反应得最慢。(由于烃基氟化物反应很慢，所以它们很少被用于亲核取代反应。)RI>RBr>RCl SN1 或SN2这些影

41、响因素综述在表 8.6中。表8-6 影响SN1和SN2的因素因素SN1底物3o（要求形成一个相对稳定的碳正离子）甲基1o2o（要求空间位阻小的底物）亲核试剂弱路易斯碱，中性分子，亲核试剂可能是溶剂（溶剂解）强路易斯碱，高浓度的亲核试剂有利溶剂极性溶剂（如醇，水）极性非质子溶剂（如DMF，DMSO）离去基团对SN1和SN2均：IBrClF离去基团离去后的碱性越弱，则离去基团越易离去8.8 有机合成: SN2 反应用于官能团转换SN2反应是一个很有用处的有机合成反应，因为我们可以用它来将一个官能团转换为另一个官能团 一个官能团转变或官能团互变的过程。在图8-2中所示，官能团如甲基、伯或仲卤代烷可以

42、被转变成醇、醚、硫醇、硫醚、腈和酯等等。(注意: “-thio”前缀使用在一个名字中意味着一个硫原子已经代替化合物中的一个氧原子。)由炔基负离子发生烃化反应形成碳-碳键也是SN2反应。图 8-2利用SN2反应对甲基、伯、仲卤代烃进行官能团转换烃基氯化物和溴化物也是容易的通过亲核取代反应制得。化合一个卤原子加到乙烯双原子的一个碳原子上叫做乙烯基卤化物:那些有卤原子的苯环叫做苯环卤化物;乙烯基卤化物苯基卤化物乙烯基卤化物和苯基卤化物的SN1或SN2一般来说不宜发生，他们不宜发生SN1反应是因为乙烯基和苯的碳正离子极不稳定并且不宜得到。它们不易发生SN2反应是因为乙烯基和苯环上的碳卤键比烷基上的碳卤

43、键更牢靠(接下来我们将看到为什么)，并且双键和苯环上的电子排斥亲核试剂从后面进攻。8.9 卤代烃的消除反应 烷基卤化物消去反应是与取代反应相竞争的很重要的反应.在消去反应中一些消去分子的碎片是从反应物邻近的原子上移除(消去). 脱卤化氢 一种广泛使用的制备烯烃的合成是从烷基卤化物相邻原子上脱去HX，在加热和强碱条件下促使该反应的进行，例如： 像这样的反应并不只限于脱溴化氢，同样氯代烃可以脱去氯化氢，碘代烃脱去碘化氢也导致烯烃生成。当卤代烃脱去卤化氢的反应，我们称之为脱卤化氢反应。 这些消去反应，像SN1和SN2反应，一个离去基团和一个拥有一对孤对电子的路易斯碱的进攻基团。 化学家通常称被进攻的

44、碳原子为碳原子，并且,其他与碳原子相邻的碳原子为碳原子，与碳原子相连的氢原子称之为氢原子。因此，那些在脱卤化氢反应中氢从碳原子上脱去的反应叫做-消去，我们也常称其为1,2消去。 在下一节里我们将要涉及更多的关于脱卤化氢反应的内容，但是我们在这里先考察一些重要的方面。脱卤化氢反应中用到的碱在脱卤化氢反应中用到了许多强碱.氢氧化钾酒精溶液作为试剂经常被用到,但是醇的钠盐，例如乙醇钠，经常显出明显的优势。 乙醇钠酒精溶液可以通过在酒精中加入金属钠的方法制备：醇醇钠 这个反应是一个氧化还原反应：钠，一种碱金属，与和氧原子结合的氢原子反应放出氢气，钠原子和水反应，这个反应剧烈并且随时有爆炸的危险.氢氧化

45、钠 醇钠同样可以通过乙醇与氢化钠反应制备。氢负离子是一个极强的碱(氢气的pKa是36)。 醇钠(钾)经常用过量的乙醇进行制备，过量的乙醇作为溶剂参加反应。醇钠经常用这种方法制备。乙醇 醇钠溶于醇中 叔丁醇钾是另一种高活性的卤代反应试剂。叔丁醇 叔丁醇钾8.10消去反应机理消去反应发生有多种机理。对于烷基卤化物，有两种反应机理尤其重要，因为这两种非常接近于我们前面所学的SN2和SN1反应。一种反应，叫做E2 反应，是双分子消去反应；另一个反应是E1，它是单分子消去反应。 E2反应 当异丙基溴和乙醇钠在乙醇中加热生成烯丙基的过程中，放映速度取决于异丙基溴和乙醇钠的浓度。反应速度首先取取决于每一个反

46、应物浓度，其次才是所有的浓度。 Rate CH3CHBrCH3C2H5O- Rate = k CH3CHBrCH3C2H5O- 由此我们可以看出确定反应速度的步骤必需包含卤化物和醇盐的浓度。这个反应就是双分子反应。大量试验表明反应按如下步骤进行（E2 反应机理）：首先，碱性乙氧基负离子从碳原子上移走一个质子，乙氧基负离子的电子对和质子成键。与此同时CH键上的电子对移动并形成键双键，并且溴原子带着与碳上结合的电子离开。 E1 反应消除反应可以通过另一种与8.8节中介绍的不同的途径来进行，例如叔丁基氯与80%的醇水溶液在25下反应，取代产物的产率为83%，消除产物(2-甲基丙烯)的产率为17。对于

47、这两个反应，开始的步骤都是叔丁基阳离子的形成。这同样也是两种反应的速率控制步骤，因此，这两个反应都是单分子的。 （溶剂化物质） （溶剂化物质）反应究竟是取代还是消除取决于下一个步骤 (快速反应步骤)。如果溶剂分子作为亲核试剂进攻丁基阳离子的正碳原子，则产物为叔丁基醇或者叔丁基醚，反应为SN1反应：然而,如果溶剂分子作为碱，而且除去一个氢原子当做一个质子,则产物为2-甲基丙烯，反应为 E1反应，E1反应几乎总是伴随着SN1反应发生的。E1反应的机理：机理：第一步：在极性溶液中，由于 这个慢步骤产生稳定的30碳正离孤对电子对作用， 子和一个氯离子这种离子被周围的 氯远离碳原子 水分子包围着，因此在溶液中很稳定第二步： 水分子与碳正离子的碳原子 这步反应的产物为上的一个氢原子反应，由于相邻 烯烃和水合氢离子的正电核的作用使氢原子显酸性的。8.