刑其毅有机化学-卤代烃.ppt课件

1、第第 七七 章章 卤代烃卤代烃alkyl halides 一一. 亲核取代反响亲核取代反响 (Nucleophilic Substitution Reaction)Nu-+ CXNuC+X- 亲核试剂 底物 产物 离去基团 亲核试剂亲核试剂 (Nu)：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。底物：反响中接受试剂进攻的物质。底物：反响中接受试剂进攻的物质。离去基团：带着一对电子离去的分子或负离子。离去基团：带着一对电子离去的分子或负离子。C5H11Cl + NaOHC5H11OH + NaClCH3CH2CH2ONa + CH3CH2ICH3CH2C

2、H2OCH2CH3 + NaIH2OX-( R=Me, 1oor 2o )OH-R-OHR-ORRO-RCOO-R-OCORR3NR-NR3X-+CN-SH-R-SH醇醚酯铵盐腈硫醇炔R-CNR-CCRRCC-RX( X=Cl, Br, I )1. 亲核取代反响的机理及其立体化学亲核取代反响的机理及其立体化学1双分子亲核取代反响双分子亲核取代反响 (SN2) 机理及其立体化学机理及其立体化学CH3Cl + OH-60oCH2OCH3OH + Cl-反应速率 = k2CH3ClOH- No CH3Cl OH- Rate(mol L-1 S-1) 1 0.0010 1.0 4.910-7 2 0.

3、0020 1.0 9.810-7 3 0.0010 2.0 9.810-7 4 0.0020 2.0 19.610-7HO- + C ClHHHHOCHClHHHOCHHH+ Cl-反应物 过渡态（T.S） 产物HO- + C HClHHHO C ClHHHHOCHHH+ Cl-势能 - - - - 反响一步完成。过渡态为势能最高点、控制反响速率，双分子反响一步完成。过渡态为势能最高点、控制反响速率，双分子 参与。双分子亲核取代参与。双分子亲核取代(SN2)。 *I- + CICH3HC6H13CH3COCH3*I CCH3HC6H13+ I- R SWalden (瓦尔登瓦尔登 ) 转化。构

4、型转化是转化。构型转化是SN2反响的立体化学特征。反响的立体化学特征。为什么亲核试剂总是从离去基团的反面进攻中心碳原子？为什么亲核试剂总是从离去基团的反面进攻中心碳原子？C L+Nn:-NuCLNu C + :L-Sp2Sp3p轨道 基团的排斥；过渡态能量；亲核试剂与离去基团的间隔。基团的排斥；过渡态能量；亲核试剂与离去基团的间隔。 rac / exc = 2 T1T2R3C-X +OH-R3C+Br-+OH-R3C-OHE决议速率步骤仅涉及一决议速率步骤仅涉及一种分子种分子(底物底物)。单分子。单分子亲核取代亲核取代(SN1) 。CRRR+ Nu:-NuCRRR + CRRRNu+ 50%

5、50% 外消旋产物外消旋产物 进攻概率相等进攻概率相等 SN1反响的立体化学特征是外消旋化。反响的立体化学特征是外消旋化。但，实践上外消旋化往往伴随某种程度的构型转化：但，实践上外消旋化往往伴随某种程度的构型转化：CH3CHClPhOH-H2OPhCH3CHOH87% 外消旋13% 构型转化离子对机制解释：离子对机制解释：RXR+X-R+ X-R+ + X-紧密离子对 溶剂分离子对 自由碳正离子较大的外消旋化百分比阐明主要发生了较大的外消旋化百分比阐明主要发生了SN1反响。反响。H2OSN1+重排CH3 C- CH CH3CH3H3C+H2OCH3- C- CH- CH3CH3H3COHCH3

6、-C-CH-CH3CH3BrH3CCH3-C-CH-CH3CH3H3C-H+ SN1反响的另一个特点：反响伴有重排。反响的另一个特点：反响伴有重排。 试解释试解释 (S)-3-甲基甲基-3-溴己烷在水溴己烷在水-丙酮中反响丙酮中反响, 结果结果 旋光性消逝的实验现实。旋光性消逝的实验现实。CH3CH2CH2CCH2CH3BrH3CCH3CH2CH2CCH2CH3 ( )OHH3C+-SN1 HCH3CCH2CH3SRCOCH3CH2CH2CH3C2H5H3C( )+ _H3CHHNHRHC2H5HC2H5OHCH3CH3OH+ 写出以下反响的产物构造写出以下反响的产物构造用构型式表示用构型式表

7、示CH3CCH2CH3BrH+ -SRSN2(a)(b)CBrCH2CH2CH3C2H5H3C+ CH3OHSN1(c)BrH3CHH+ RNH2SN2(d)CH3ClHC2H5+ H2OSN12. 影响亲核取代反响速率的要素影响亲核取代反响速率的要素1烃基构造的影响烃基构造的影响 在在SN2反响中反响中RBr + I-CH3COCH3RI + Br-Compound Relative Rate CH3Br 30 CH3CH2Br 100CH3CH2Br 1 CH3CH2CH2Br 28(CH3)2CHBr 0.02 (CH3)2CHCH2Br 3 (CH3)3CBr 0 (CH3)3CCH2

8、Br 0.00001 Compound Relative Rate 主要影响要素是位阻效应主要影响要素是位阻效应(steric effect)或称空间效应。或称空间效应。 空阻越大，空阻越大，SN2 反响速率越小。反响速率越小。 在在SN1反响中反响中 RBr在在HCOOH-H2O中水解反响相对速率中水解反响相对速率 CompoundRelative Rate(CH3)3CBr (CH3)2CHBr CH3CH2Br CH3Br108 45 1.7 1.0 生成碳正离子稳定，所需活化能低，反响速率快。生成碳正离子稳定，所需活化能低，反响速率快。离解成碳正离子的倾向：离解成碳正离子的倾向：3oR

9、X 2oRX 1oRX CH3X 从烷基构造看亲核取代反响的活性：从烷基构造看亲核取代反响的活性：CH3 RCH2 R2CH R3CSN2 SN2 SN2 SN1 SN1 苯甲型和烯丙型卤化物进展苯甲型和烯丙型卤化物进展SN1或或SN2反响，活性都较高。反响，活性都较高。 在在SN1反响中反响中(中间体中间体)：CH2+CHH（苄基碳正离子）+在在SN2反响中反响中(过渡态过渡态)：CH2=CHCH2Br SN2 过渡态HHHHNuBrRelative rate of SN2 reactionCompoundRelative rateCH2ClCH2=CHCH2ClCH3CH2Cl93331

10、以下每一对化合物，哪一个更易进展以下每一对化合物，哪一个更易进展SN1反响？反响？ (B) (A) 以下每一对化合物，哪一个更易进展以下每一对化合物，哪一个更易进展SN2反响？反响？ (B) (B)a. CH3CH2CH2CHCH3 CH3CH2CCH3 BrBrCH3b. (A) (B)(A) (B) CHBrCH2Bra. CH3CH2CH2CCH3CH3ClCH3CH2CH2CHCH3Cl(A) (B)b. CH3CCHCH3IH3CCH3CH3CH2CHCHCH3I (A) (B)H3C 乙烯型卤化物与芳香型卤化物能否容易发生亲核取代反响，乙烯型卤化物与芳香型卤化物能否容易发生亲核取代

11、反响， 为什么？为什么？ p-共轭使共轭使C-X键具有部分双键的性质键具有部分双键的性质RX + AgONO2乙醇RONO2 + AgXCH2=CHCH2X 室温 CH2X( ) CH2=CH(CH2) Xn(n 2 )加热CH2=CH-XX( )加热无CH3CH=CH-ClCH3CH-CH=Cl+_ 2离去基团离去基团卤原子的影响卤原子的影响 C-X键弱，键弱，X-容易离去；容易离去；C-X键强，键强，X-不易离去；不易离去；X-离去倾向：离去倾向：I- Br- Cl- F- 离去基团离去基团(X-)在亲核取代反响中的相对速率在亲核取代反响中的相对速率离去基团 F- Cl- Br- I- 相

12、对速率 10-2 1 50 150 C-X键强弱与键强弱与X-的电负性有关、与碱性强弱有关。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。如：离去基团。如：RO- OH- NH2-是不好的离去基团。是不好的离去基团。 一些酯的酸根是好的离去基团。一些酯的酸根是好的离去基团。SOOO CH3CH3OSOCH3OOSOO-OCH3OSO-OO 3亲核试剂的影响亲核试剂的影响 对对SN1反响影响不大。在反响影响不大。在SN2反响中反响中: 试剂的亲核性与试剂的浓度、碱性及试剂的可极化性有关。试剂的亲

13、核性与试剂的浓度、碱性及试剂的可极化性有关。a. 在亲核原子一样的一组亲核试剂中，亲核性顺序与碱性一致。在亲核原子一样的一组亲核试剂中，亲核性顺序与碱性一致。 碱性越强，亲核性越强。碱性越强，亲核性越强。RO- HO- ArO- RCOO- ROH H2Ob. 在同一周期中的各种原子，其亲核性顺序与碱性一致。在同一周期中的各种原子，其亲核性顺序与碱性一致。R3C- R2N- RO- F- R3P R2S c. 在同族元素中，周期高的原子亲核性大。在同族元素中，周期高的原子亲核性大。I- Br- Cl- F- ; RS- RO- ; R3P R3N d. 负离子的亲核性大于它的共轭酸负离子的亲核

14、性大于它的共轭酸RO- ROH ; HO- H2O ; NH2- NH3 4溶剂极性的影响溶剂极性的影响RX + HSRXHSR+ + XHS-质子溶剂 + - 过渡态因溶剂化而稳定，活化能降低，反响速率加快。过渡态因溶剂化而稳定，活化能降低，反响速率加快。 溶剂溶剂 乙醇乙醇 乙酸乙酸 醇醇 水水=2 3 醇醇 水水=1 4 水水 相对速率相对速率 1 2 100 14000 105 在在SN1反响中，添加溶剂的极性或运用质子溶剂，有利于卤反响中，添加溶剂的极性或运用质子溶剂，有利于卤 代烷的离解。代烷的离解。 :X:-HHHHOOOOHHHHNu:- + R-LNuRL - - - - 卤

15、负离子溶剂化程度：卤负离子溶剂化程度：F- Cl- Br- I-卤负离子亲核性顺序：卤负离子亲核性顺序： I- Br - Cl- F- 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，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， 有利于有利于SN2反响。反响。 SN2反响中反响中, 添加溶剂极性添加溶剂极性, 使负离子亲核试剂溶剂化使负离子亲核试剂溶剂化, 降低降低 试剂的亲核性，反响速率减慢。试剂的亲核性，反响速率减慢。1.2106非质子偶极溶剂的构造特征：非质子偶极溶剂的构造特征：偶极正端藏于分子内部，偶极负端露于分子外部。偶极正端藏于分子内部，偶极负端露于分子外部。CH3

16、CH2CH2CH2I + N(CH3)3CH3CH2CH2CH2N(CH3)3I+-不带电荷的试剂不带电荷的试剂CH3-S-CH3OH-C-NOCH3CH3DMSODMFCH3I + Cl-25oCCH3Cl + I-例：溶剂 CH3OH DMF 相对速率 1 1. 预测以下反响能否顺利进展预测以下反响能否顺利进展1) CH3CH2OH + I-CH3CH2I + OH-2) CH3CH2NH2 + Br-CH3CH2Br + NH2-CH3CH2OSO2+ Cl-CH3CH2Cl + -OSO23) 2. 添加溶剂的极性对以下反响速率有何影响？添加溶剂的极性对以下反响速率有何影响？ CH3O

17、- + CH3CH2BrCH3OCH2CH3 + Br-(CH3)3CBr + H2O(CH3)3COH + HBr1)2) 3 成环的成环的SN2反响与卤代环烷烃的反响与卤代环烷烃的SN2反响反响 离去基团和进攻试剂处于分子内适宜的位置，易发生分子内离去基团和进攻试剂处于分子内适宜的位置，易发生分子内 的的SN2反响。反响。 SNi (Substitution Nucleophilic internal)NH2BrNH2+SNi2-H+NHBrBr-H+NBrSNi2N+ Br- 五元、六元环，成环时环张力小，过渡态势能低、活化能低，五元、六元环，成环时环张力小，过渡态势能低、活化能低， 成

18、环反响容易进展。成环反响容易进展。BrBrNHCCF3NClOSNi275%?F3CCNOBrNCl 卤代环烷烃的卤代环烷烃的SN2反响反响CH3CH3ClCH3CH3Cl(A) (B)HHHCH3CH3HHHCH3CH3ClClNuNu反响活性与过渡态势能有关。反响活性与过渡态势能有关。 - - - - 4 邻基参与邻基参与CH2OHCH2Cl OH-, H2O 加热或Ca(OH)2, 加热CH2CH2OCH2OHCH2ClOH- -H2OCH2O-CH2Cl -Cl-CH2CH2O SNi2 邻基参与使反响速率加快。邻基参与使反响速率加快。CH3CH2SCH2CH2Cl + H2OkCH3

19、CH2SCH2CH2OHCH3CH2CH2CH2CH2CH2Cl + H2OK CH3CH2CH2CH2CH2CH2OHK : K = 3103 : 1 邻基参与使产物具有一定的立体化学特征邻基参与使产物具有一定的立体化学特征, 即构型坚持。即构型坚持。CBrCOO-CH3HOH-COHCOO-CH3H(S)(S)C2H5S:CH2CH2Cl-Cl-C2H5S+CH2CH2:OH2C2H5SCH2CH2+OH2-H+C2H5SCH2CH2OH 反响阅历环状过渡态CC:O-OBrH3CHSNi2CCOOH3CH:OH-SN2CCOOHH3CHO-C6H5CH=CHCH2CH2CH2ClOH-H2

20、OC6H5CHOHCH2CH2ClCH2C6H5CH=CHC6H5CH+H2OOH-CCHO+CHCBrC2H5HCH3CHCOHC2H5HCH3CH3HC2H5HCCHH+CH3C2H5 邻基参与有时得到一定构型的重排产物。 5 生物亲核取代生物亲核取代, 生物甲基化生物甲基化 胆碱胆碱 (Choline)存在于生物体内存在于生物体内, 是生物体代谢的中间产物是生物体代谢的中间产物, 有抗脂肪肝的作用。有抗脂肪肝的作用。CH3N+CH2CH2OHCH3CH3( Choline ) 邻基参与的主要类型：邻基参与的主要类型：1含杂原子的临近基团含杂原子的临近基团如：如：COO-、OH、OR、NH

21、2、 SR、Cl、Br、I .2临近双键参与临近双键参与3临近芳基参与临近芳基参与OOHOHHHHHCH2OPOPOOPOHOHOHOHOOAdenineLeaving group-O2CCHCH2CH2SCH3+NH3Methionine (蛋氨酸）ATP Adenine = NNNNNH2（6-氨基嘌呤）OO-O2CCHCH2CH2SNH3 -OPOPOOPOHOHOHOHOOHOHHHHHCH2AdenineCH3+CH3NCH3CH2CH2OHCH3NCH3CH2CH2OHCH3+-O2CCHCH2CH2SNH3 OOHOHHHHHCH2Adenine+Choline CH3CHCH3

22、BrC2H5ONaC2H5OH,CH3CH=CH2 + NaBr + C2H5OHCH3CCH3CH3BrC2H5ONaC2H5OH,CH3C=CH2CH3 + NaBr + C2H5OH -消除反响、消除反响、1，2-消除反响消除反响CCXH + :B-C=C+ HB + :X-二二. 消除反响消除反响 (Elimination reaction) CH3-CH2-CH-CH3BrKOH-C2H5OH CH3CH=CHCH3 (81%)CH3CH2CH=CH2 (19%)HCH3BrH3CC2H5ONaC2H5OHCH3CH3 2. E2机制机制CCHXROHCCRO-C=C+ ROH +

23、X-X - -1. 消除的取向消除的取向saytZeff(查依切夫查依切夫)规那么规那么氢从含氢较少的氢从含氢较少的碳上脱去，生成取代基较多的稳定烯烃。碳上脱去，生成取代基较多的稳定烯烃。 消除需符合共平面几何要求消除需符合共平面几何要求H-CC-X 共平面共平面CCHX-HXC=C 反式共平面消除反式共平面消除 能量低能量低CCHX-HXC=C 顺式共平面消除顺式共平面消除 当反式不能消除时用顺式消除当反式不能消除时用顺式消除C-H键和键和C-X键的断裂、键的断裂、键的构成协同进展，经过渡态一键的构成协同进展，经过渡态一步完成。底物与试剂参与构成过渡态。双分子消除。步完成。底物与试剂参与构成

24、过渡态。双分子消除。 反响速率反响速率=RXB-HBXHBX 对位交叉构象 重叠构象C6H5HH3CBrHC6H5BrHC6H5HC6H5H3C-HBrCH3C6H5HC6H5(Z-) 反式共平面消除反式共平面消除反式消除与顺式消除其过渡态能量比较：反式消除与顺式消除其过渡态能量比较： HHBrHC2H5NaOHC2H5OHCH3?C2H5CH3HCH3BrHHC2H5H 3. E1机制机制step 1CH3CClCH3CH3slowCH3C+ + Cl-CH3CH3step 2 HO:-C+ CH3CH3CHHHfastC=CHHCH3CH3+ H2O 反响阅历碳正离子中间体，伴有重排发生。

25、反响阅历碳正离子中间体，伴有重排发生。反响速率反响速率=RXCH3CCH3CH3CH2BrC2H5OH解离CH3CCH3CH3CH2+-CH3迁移CH3CCHCH3CH3H+-H+C=CHCH3CH3CH34. 邻二卤代烷失卤素邻二卤代烷失卤素共平面反式消除。中间体：碳负离子。共平面反式消除。中间体：碳负离子。1) 碘化物与邻二卤代烷作用碘化物与邻二卤代烷作用 CCBrBrI-BrICCBr-Br-CCBrHCH3CH3HBr-I-CCCH3CH3HHBrBrHCH3HCH3I-2) 金属锌与邻二卤代烷作用金属锌与邻二卤代烷作用 CCXXZnCC+ ZnX2BrBr-I- ?BrBrBrBr-

26、I- ?BrBr-I-OHOHBr2(1 mol)BrBrCH3CO3HNa2CO3BrBrOH+H2OBrOHOHBrNaI三三. 亲核取代与消除反响的竞争亲核取代与消除反响的竞争 SN2与与E2：RO：-HCCXa bE2SN2abC=C+ ROH + X-HCCOR + X- 试比较六氯环己烷各种异构体与碱作用进展消除反响时，哪试比较六氯环己烷各种异构体与碱作用进展消除反响时，哪 一个反响速率最慢？一个反响速率最慢？ClHHClClHClHHClClHClClHHClHClClHClHHClHHClHClClClClClClClClClCLHHClHClClHHHHHHHHHHHClCl

27、HCl -体体 -体体 -体体 -体体 -体体 SN1与与E1：CH3CClCH3CH3slowCH3C+CH3H2CHC2H5OH(H2O)SN1E1(CH3)3COC2H5H+(CH3)3COHH+-H+-H+(CH3)3COC2H5(CH3)3COHC=CH2CH3CH31. 烷基构造的影响烷基构造的影响CH3CH2ONa + CH3CH2BrC2H5OH55oCCH3CH2OCH2CH3 + CH2=CH2SN ECH3CH2ONa + CH3CHCH3BrC2H5OH55oCCH3CH2OCHCH3CH3+ CH2=CHCH3CH3CH2ONa + CH3CCH3BrCH3C2H5O

28、H55oCCH3CCH3CH3OCH2CH3+ CH2=CCH3CH390% 10%21% 79%9% 91% 3oRX 2oRX 1oRX CH3X难 易SN2难易E1、E2 2. 试剂的影响试剂的影响 强碱、位阻碱或添加碱的浓度，有利于消除反响。强碱、位阻碱或添加碱的浓度，有利于消除反响。CH3CBrCH3CH325oCC2H5OHC2H5OHC2H5ONa(CH3)2C=CH2(CH3)2C=CH219%93% 3. 反响温度的影响反响温度的影响4. 溶剂的影响溶剂的影响略略CH3CHCH3 + OH-Br80%C2H5OHCH3CHCH3 + CH3CHCH3 + CH3CH=CH2O

29、HOC2H5SNE50oC 42% 58%80oC 39% 61% 100oC 34% 66% CH3(CH2)16CH2BrCH3ONaCH3OH, 65oC(CH3)3CONa(CH3)3COH,40oCCH3(CH2)16CH2OCH3CH3(CH2)15CH=CH299%1%CH3(CH2)16CH2OC(CH3)315%CH3(CH2)15CH=CH285%1.以下反响主要是取代还是消除？以下反响主要是取代还是消除？a CH3CH2CH2Cl + I -b (CH3)3CBr + CN -(EtOH)c CH3CHBrCH3 + OH-(H2O)d (CH3)3CBr + H2O2.括号中哪一个试剂给出的消除括号中哪一个试剂给出的消除/取代比值大？取代比值大？a ( Me3CO- 或 CH3CO- ) + b C2H5O- + ( CH2=CHCH2CH2Br 或 CH3CH2CH2CH2Br )Br四四. 有机金属化合物有机金属化合物M-C1. 有机镁