卤化反应优秀公开课件

第五章卤化反应

有机化合物中引入卤素的反应(即C一X键的形成反应)称为卤化反应(Halogenation)。根据引入卤素的类别，卤化反应可分为氯化、溴化、碘化和氟化。许多有机卤化物广泛用于溶剂、杀虫刘、医药、植物生长激素等。有许多则是有机药物、染料、香料与炸药等的合成中间体。有机化合物中卤素的引入使极性增加，化学活泼性随之提高。脂肪族卤代物(尤其卤代烷类)、芳香族侧链卤代物中的卤原子具有很大的活泼性，容易为其它原子或基团所取代而形成种类繁多的有机物。因而卤化物在有机合成中起着重要的桥梁作用。卤化也就成为有机合成中基本的单元反应之一。例如，卤代乙烷的反应如下：5.1卤化反应（与金属的反应）（消除反应）（还原反应）（取代反应）Et-Cl与芳核直接相连的卤原子活泼性较小，一股情况下难以被其它原子或基团所取代。而当卤原子的邻位或对位有活化基团(如一NO2,一SO3H等)存在时，卤原子的活泼性将大为增加，可发生被-OH取代成酚的反应等，从而大大提高了芳香族卤代物在有机合成中的地位。即使卤素与芳核直接相连,例如氯苯，在适当条件下仍可为一0H、—NH2、一0R基等所取代生成相应的产物：2.不饱和化合物的加成反应（2）芳香族取代反应4.伴随氧化的氯化反应卤化反应以氯化在工业上应用最为广泛，溴化次之，碘化在特定条件下应用，氟化近来发展颇为迅速，具有广阔的发展前景。拟依此顺序分别予以论述。3.由C2以下的有机物为原料合成CH3CH2C≡CCOOH4.以苯为原料合成间二氯苯5.2.1．卤素可直接作为卤化剂的卤素主要是Cl2和Br2。I2的反应性很弱，有机物用其直接进行碘化颇为困难，若在高温下进行又往往伴随反应物的热分解。F2反应性极强，有机物用其进行氟化反应时将放出大量的热而使反应难以控制，而且反应释放出的能量足以使反应物分子中的大多数化学键发生断裂。(1)取代反应：Cl2和Br2可用于烷烃卤代、烯烃—烷基中氢原子的高温卤代、芳核及芳侧链卤代、羰基化合物与羧酸中—H的卤代等。例如：

5.2各种卤化剂的特性及其应用范围醇的活泼性：叔＞仲＞伯；HX的反应速率HI＞HBr＞HCl。该类卤化剂主要用于醇、羧酸及磺酸中一OH的置换，亦可用于醛酮中羰基的置换。5.2.3．PCI3、PCl5、POCl3、SOCl2等

NaOX与H0X既是卤化剂又是氧化剂。NaOX能使乙醇、乙醛、甲基酮及甲基仲醇(MeCH(OH)R)发生卤仿反应；HOX可经由与不饱和键的加成进行卤化反应。5.2.4NaOX及HOX2.环烯与NBS的反应与(1)类似，但常发生溴的加成或由初产物消除HBr生成芳环的副反应。3.链端有一个双键的烯烃或隔离双键的链二烯进行烯丙位溴代时，可发生重排生成不饱和溴化物。实际上，NBS(或NBA——N—溴代乙酰胺)还可在酸催化下用于烯键的加成，生成α-溴代醇。例如：NBS进行溴化具有两个显著的特点：(1)不会产生Br-，因而无二溴化副产物生成；(2)该试剂可溶于有机溶剂，不溶于水的烯类化合物可在有机溶剂中与其进行反应。氯化在工业上居重要地位，它与磺化、硝化一样均为将取代基引入芳核的基本方法。烃(脂肪烃、芳烃)、醇、羟酸等均可发生氯化反应，其中以苯、甲苯、醋酸为最重要。氯化剂有氯气和含氯化合物(HCl、PCl3、PCl5、Na0Cl、SOCl2)等。在若干场合，尤其芳核进行氯化时需有载氯体或在氯化催化剂的存在下进行。5.3氯化在实验室中，氯气由氯化物分解产生。氯化时气态物质可直接与氯相混合；液态物质则可将氯气吹入，固态物质宜先经溶剂溶解，再导入氯气。在上述场合反应进行缓慢，通常需在催化剂、加热和紫外光照射等条件下进行。反应过于剧烈时，气体反应可在非反应性气体（CO2、空气)中进行；5.3.1氯气的氯化液体反应可经由溶剂稀释。最常用的催化剂为I2、Fe、FeCl3、AlCl3、SbCl3、MoCl3等。其中铁屑为工业上常用的最有效的芳核氯代催化剂。其催化作用仅在与氯作用生成FeCl3并被溶于被氯化的反应物中时才能表现出来。常用的溶剂有CHCl3、CCl4、CS2、HOAc、PhN02、H2SO4、石油醚等。为简化氯气导入操作，氯气可在反应器中发生,即将被氯化物溶解或分散于浓盐酸中，随后加入CaOCl2与KClO3KMnO4或K2Cr207等氧化剂。1.氯气的取代

(1)烷烃的氯代反应反应需在光照，高温或引发剂的存在下进行，为游离基连锁反应。例如，甲烷光照氯代反应中不论甲烷与氯气的比例如何，产物总是各种氯代产物的混合物，且难以分离。但控制条件可使其中某种产物为主，一般不加分离直接作为溶剂或有机合成的原料。烷烃氯代反应中，氢原子被氯取代循下列顺序：伯＜仲＜叔。提高反应温度，不论气相或液相反应，伯、仲、叔碳氯代反应的速度均近于相等，并且随着反应温度的提高或反应时间的延长，热分解加剧，其顺序为伯＞仲＞叔。低温有利于加卤，高温有利于取代。以丙烯为例，高温下主要发生游离基取代反应，主要产物为氯丙烯；较低温度下以双键的离子型加成反应为主，主要产物为1,2-二氯丙烷。

(2)烯烃的氯代反应(3)芳烃的氯代反应在Fe、FeCl3、AlCl3等催化剂的作用下，芳烃与氯发生取代反应。如苯在该悄况下生成一氯苯与二氯苯。甲苯在Fe、Al等催化剂作用下，发生芳核氯代生成邻氯甲苯与对氯甲苯。在较高温度(80~1000C或沸腾状态)、或加入有机过氧化物、或光照等条件下，则有利于侧链氯代，生成苯氯甲烷、苯二氯甲烷直至苯三氯甲烷。反应属游离基型反应。苯酚的氯化反应，若在碱性水溶液中进行，不论通入的氯气量的多少均生成2，4,6—三氯苯酚，若在非极性介质中进行，则不同的氯气量将改变产物中4—氯、2,4—二氯、2,4,6—三氯苯酚之间的比例.这是前者酚羟基转化为很强的邻对位定位基0-，从而使苯环的电子云密度显著增大的缘故。

羰基或硝基α—位的氢原子具有强的活泼性，可为氯取代生成相应的氯代物。反应有时在冰HOAc、CHCl3、DMF、H2O等介质中进行，并需用CaC03或Na0H中和生成的HCl以避免生成的氯代物发生水解。例如：(4)脂肪族羰基化合物和硝基化合物的氯代(5)醚的氯代

α-氯代醚虽可由醇、醛与HCl制备，而醚在低温下的直接氯代却可容易地生成-氯代或—二氯代醚。例如：思考题2.用C2以下的有机物为原料合成CH2=CH-O-CH=CH21.以乙醛为原料合成4-羟基丁醛3.用丙烯和C2以下的有机物为原料合成HOCH2CH2CH2CH=CH2(提示：经丙烯氯代→格氏试剂→环氧乙烷反应）4.以苯为原料合成5.以苯和C1有机化合物为原料合成除少数例外，脂环、芳环及具有隔离或共轭双键的化合物均易与氯气发生加成反应。共轭双键的化合物首先进行1，4—加氯，再进行2，3—加氯，纯粹的芳香族化合物可为氯完全饱和。一般可有离子型加成和游离基型加成两种方式。离子型反应过程中，氯分子受双键π电子的影响发生极化并与双键形成π络合物，此π络合物分离成带正电荷的σ络物，继而Cl-进行亲核反应形成产物。5.3.2氯气的加成Π-络合物σ-络合物由上述反应机理不难看出：由于在σ络合物形成最终产物的过程中，Cl-进攻具有平面结构的碳正离子，因而可有顺式加成和反式加成两种加成方式。烯烃与氯及其它卤素的加成以反式加成为主。在乙烯与氯加成生成1,2—二氯乙烷的反应中，不论采取何种加成方式均得到同一产物。但是环己烯与氯加成生成的二氯环己烷；却几乎很少经由顺式加成得到顺二氯环已烷，而多数得到反式加成产物反二氯环己烷,这一方面是由于络合物中①与②之间的键为环所固定，无法自由旋转；另一方面顺式加成产物两个氯原子同居一侧，分子能量较分居异侧的反式加成产物高。烯烃与氯的加成既是亲电加成，烯键的电子云密度的大小必然直接影响反应的难易程度。当烯键与供电基相连时反应性能提高，反应速度加快而与吸电子基团相连时则起相反的作用。总而言之，倘若烯键与四个强吸电子基相连，例如(NC)2C=C(CN)2、与氯无法发生这种加成作用，事实证明它实际上进行由Cl-首先进攻烯键的亲核反应。氯还能在引发剂作用下与烯键发生游离基型的加成反应。在光激发下同样可以发生这类加成反应——光氯化反应。这种游离基型的加成反应通常在非极性溶剂或在气相中进行。(1)氯化物的加成反应

烯烃、炔烃按Markownikov的择向规律与HCl进行加成反应：烯烃亦可与H0Cl加成生成氯代醇，后者是形成环氧化物的原料。在实际生产中，常用氯和水代替次氯酸。如将乙烯与氯通入水中以生产氯乙醇。其反应同样属于亲电加成：5.3.3氯化物的氯化不饱和烃还可经由与卤代烃的加成实现氯化，例如烯烃可与CCl4发生游离基加成反应：反应可在光、热或引发剂引发下进行，气态的烯烃可在氮气中进行。该反应的主要副反应为调聚反应，有时将发生预期产物的重排或脱氯化氢。使用超过量的卤代烃可使调聚副产物减少为最低限度。在与CHCl3加成时,C—H键发生断裂：(2)氯化物的取代反应N—氯代丁二酰亚胺(NCB)可作氯源进行氯代反应。氯化物HCl、PCl3、PCl5、POCl3、SOCl2、SO2Cl2、S2Cl2等为常用的氯化剂。使醇、羧酸与磺酸中的羟基置换为氯，分别生成卤代烃、酰氯与磺酰氯。醇与卤化磷的反应机理与醇的结构有关。一般伯醇难以形成稳定的正碳离子，多按SN2机理进行反应：(3)．氯化物与醇、羧酸、磺酸的羟基置换反应而叔醇可形成稳定的正碳离于，多按SN1机理进行反应：醇与SOCl2的反应为分子内的亲核取代反应，所谓SNi可表示如下：以1,4—二氧六环为溶剂按上述机理进行。而若在弱亲核试剂(如吡啶)中进行反应则按SN2机理进行，无溶剂时则按SN1机理进行。于是，按上述三种机理将分别得到构型不变、构型转化和外消旋产物。羧酸与PCl3、PCl5、SOCl2反应是制备酰氯的常用方法。五氯化磷为强氯化剂，但副产物磷酰氯具有挥发性而将随同产物被蒸出。与SOCl2的作用虽除酰氯外，副产物均为气态物质，但却需从酰氯中分离过量的SOCl2。与PCl3作用虽有许多优点，但H3PO3为其副产物。例如：

芳香族伯胺先制成重氮盐，继而在CuCl存在下分解,可顺利地完成以Cl原子置换重氮基的过程。该反应谓Sandmeyer反应。反应机理如下5.3.4重氮基的氯置换反应Gattermann反应可视为上述反应的改良，它使用铜粉与氯化氢代替氯化亚铜：上述两种反应的特点是可将氯原子引入芳核的指定位置上，因此可得到纯粹的卤代物。若改由芳烃直接氯化则将得到邻位和对位异构体的混合物．例如：思考题1.以甲苯为原料合成2.写出下列反应历程3.以C3以下的有机物为原料合成

5.4.1溴素的加成反应通常在如冰HOAc、CHCl3、CS2等有机溶剂中进行。烯烃与溴的加成在室温下即可进行，收率常为定量，炔烃与溴加成的速度不及前者。共轭二烯烃与溴的加成得到1,2—与l,4—加成的混合物，两者的比例，低温下为动力学控制以l,2—加成产物为主；较高温度时为热力学控制，以较为稳定的1,4—加成产物为主。5.4溴素的溴化溴的取代多于溶剂中进行，有时需加入催化剂如Fe、FeCl3、AlBr3、P、I2等。5.4.2溴素的取代

(1)HBrHBI能置换醇中的羟基为溴代物，其反应速度不及HI，但比HCl快。HBr与不对称烯烃的加成在有过氧化物存在下按游离基机理进行反应。HCl与HI均不进行此种游离基加成反应。

5.4.3溴化物的溴化(2)HOBr的溴代（3）PBr3的溴化反应(4)NBS的溴代前已述及NBS是烯丙型不饱和化合物的溴代试剂。这一试剂在有机合成中