第五章卤代烃

1OrganicChemistryTelH)Email:zxr801@163.com主讲人：张小荣2第五章卤代烃§5-1卤代烃的分类和命名§5-2卤代烷的物理性质§5-3卤代烷的化学性质

§5-3-1卤代烷的反应

§5-3-2亲核取代反应一、反应二、亲核取代反应历程三、影响亲核取代反应的因素

§5-3-3消除反应一、消除反应的反应历程二、消除反应的取向3

三、消除反应的立体化学四、消除反应与取代反应的竞争

§5-3-4卤代烷与金属的反应一、有机镁化合物二、有机锂化合物

§5-4卤代烯烃和卤代芳烃

§5-4-1卤代烯烃一、卤乙烯型卤代烃二、烯丙型卤代烃

§5-4-2芳卤化合物4第五章卤代烃【本章重点】

亲核取代反应和消除反应的反应历程及影响因素。【必须掌握的内容】

1.亲核取代反应历程(SN1、SN2)及影响因素。

2.消除反应历程(E1、E2)及影响因素。§5―2卤代烷的物理性质(自学)

1.沸点：M↑，b.p↑。

碳原子数相同的卤代烷：RI＞RBr＞RCl

支链↑，b.p↓。§5―2卤代烃的分类和命名5

2.相对密度：

一氯代烷＜1；一溴代烷和一碘代烷＞1。

同系列中，卤代烷的相对密度随碳原子数的↑而↓。

3.可燃性：随X原子数目的↑而↓。§5―3卤代烷的化学性质§5-3-1卤代烷的反应

1.亲核取代反应：67

2.消除反应

(1)脱HX：

(2)脱X2：

3.与金属反应：8

(1)有机锂化合物的生成：

(2)有机镁化合物的生成：§5―3―2亲核取代反应一、反应：

1.水解：9

2.醇解:

该法是合成不对称醚的常用方法，称为Williamson(威廉逊)合成法。该法也常用于合成硫醚或芳醚。

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。10

3.氨解：

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(胺)的存在下进行。

4.氰解：

该反应的重要意义除可增长碳链外，还可以通过氰基转化为―COOH、―CONH2等官能团。11

该反应与卤代烷的醇解相似，亦不能使用叔卤烷，否则将主要得到烯烃。

5.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。

6.与硝酸银作用：

活性顺序：RI＞RBr＞RCl（R相同）12二、亲核取代反应历程：

1.双分子亲核取代反应(SN2——SubstitutionNucleo-philic)：

A.反应机理：以CH3Br的碱性水解为例：13

14

SN2反应的能量变化曲线如下图所示：

由图可见，在SN2反应中，新键的形成和旧键的断裂是同时进行的，是一个一步完成的反应。

B.SN2反应的立体化学：

SN2反应的立体化学特征：构型反转(亦称Walden转化)。15

2.单分子亲核取代反应(SN1)：

A.反应机理：以(CH3)3CBr的碱性水解为例：

由此可见，这是一个动力学一级反应，其反应速率只与叔丁基溴的浓度有关。

单分子亲核取代反应是分步进行的：

第一步：

第二步：

过渡状态中间体16

SN1反应的能量变化曲线如下图所示：

B.SN1反应的立体化学：

SN1反应的立体化学较为复杂，在正常情况下，若中心碳原子为手性碳原子，由于C+离子采取sp2平面构型，亲核试剂将从两边机会均等的进攻C+离子的两侧，将得17到外消旋化合物。

然而，100%的外消旋化是很少见的，经常是外消旋化伴随着构型反转，且构型反转要多些。

C.SN1反应的另一个特点——重排：

由于反应中包含有碳正离子中间体的生成，可以预料，它将显示出碳正离子反应的特性。

如：2,2-二甲基-3-溴丁烷的醇解：1819

卤代烷的亲核取代反应，既可按SN1历程进行，也可按SN2历程进行，究竟按哪种机制进行，与卤代烷的结构、亲核试剂、离去基团及溶剂等诸多因素有关。现分别讨论之。

1.烃基结构的影响

A.对SN2反应的影响:

如前所述：SN2反应的特点是亲核试剂从C―X键的背后接近反应中心碳原子的，显然，α-碳上连有的烃基↑，亲核试剂越难以接近反应中心，其反应速率必然↓。因此，在SN2反应中，卤代烷的活性次序应该是：20这一活性次序还可从另外方面得到解释：

a.反应速率的快慢，与所需活化能的大小、过渡态生成的难易有关。如：21

b.在反应物中，随着中心碳原子上所连烃基的增多，由于烷基的+I效应，使中心碳原子的正电荷减少，从而不利于亲核试剂的进攻。

那么，同为伯卤烷，其SN2反应的相对活性又怎样呢？

结论：β-C上烃基↑，SN2反应速率↓。

B.对SN1反应的影响：22

SN1反应的难易取决于中间体碳正离子的生成，一个稳定的碳正离子，也一定是容易生成的碳正离子。因此，在SN1反应中，卤代烷的活性次序应该是：

对于这一活性次序的理论解释：

一是空间效应：

一是电子效应(σ,p-超共轭效应)；

基团拥挤

拥挤程度减少23

然而，对于桥环卤代烷，当X位于桥头碳上时，无论是SN1反应，还是SN2反应，均难以发生。如：

2.亲核试剂的影响

由于在SN1反应中，决定反应速率的关键步骤只与卤24代烷的浓度有关，故亲核试剂对SN1反应的影响不大。

但对于SN2反应，由于反应速率既与卤代烷的浓度有关，又与亲核试剂的浓度有关，因此，亲核试剂的影响是至关重要的。

显然，亲核试剂的亲核能力↑，浓度↑，反应υ↑。亲核试剂的亲核能力25

值得注意的是：亲核性是指在质子性溶剂(如：H2O、ROH)中的次序。若在非质子性溶剂中[如：(CH3)2SO、HCON(CH3)2]，其亲核能力刚好相反。

综上所述，判断一个试剂亲核能力的大小：

对于同周期元素或同种原子形成的亲核试剂，可用其碱性的强弱来判断；

对于同族元素形成的亲核试剂，可用可极化性的大小来判断。

3.离去基团的影响

无论SN1反应，还是SN2反应，在决定反应的关键步26骤中，都包含C―X键的断裂，因此，离去基团X―的性质对SN1反应和SN2反应将产生相似的影响，即卤代烷的活性次序是：

这一活性次序可从C―X键的离解能、可极化性、离去基团的碱性等方面来说明。27

由此可见，I－既是一个好的离去基团，又是一个好的亲核试剂。因此，这一特性在合成中有着重要的用途。

4.溶剂的影响

A.对SN1反应的影响：28

溶剂的极性↑，有利于SN1反应的进行。这是因为该反应在过渡状态已出现了部分正负电荷的高度极化状态，而极性溶剂的存在，有利于过渡状态的形成和进一步的离解。

电中性电荷增加

B.对SN2反应的影响：

溶剂对SN2反应的影响较为复杂，通常情况下是增强溶剂的极性对反应不利。29

反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷，只是电荷有所分散，因此溶剂对反应的影响不大。但溶剂极性↓，还是有利于反应的进行；溶剂极性↑，反而会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所减慢。

§5―3―3消除反应

卤代烷分子中消除HX生成烯烃的反应，称为卤代烃的消除反应，也称E反应(Elimination)。

又因消除的是β-H和卤原子，故又称β-消除反应。一、消除反应的反应历程30

与卤代烷的亲核取代反应相似，卤代烷的消除反应也有两种反应历程。

1.双分子消除反应(E2)

以CH3CH2CH2Br为例：

亲核取代反应β-消除反应31

由反应历程可见，卤代烷的双分子消除反应也是一步完成的反应，反应的动力学方程为：

2.单分子消除反应(E1)

上述反应的本质差别在于：按①进行反应，碱进攻的是α-C，发生的是亲核取代反应；按②进行反应，碱进攻的是β-H，发生的是消除反应。

以(CH3)3CBr为例：32

由此可见：a.反应也是分步进行的；b.反应速度只与RX有关，其动力学方程为：

总之，亲核取代反应和消除反应是相互竞争，伴随发生的。二、消除反应的取向

当卤代烷分子含有两个或两个以上不同的β-H原子可供消除时，生成的烯烃也就不止一种结构，那么，究竟优先消除哪一个β-H原子，这就是取向问题。

实践表明：卤代烷的β-消除反应，一是Saytzeff(查依采夫)取向,另一个是Hofmann(霍夫曼)取向。但在通33常情况下将遵循Saytzeff规则——生成连有取代基较多的烯烃。

E1消除：

活化能较低，易于形成。活化能较高，不易形成。34

从产物的电子效应看：Saytzeff产物有九个C―Hσ键参与的σ-π超共轭效应，而Hofmann产物只有五个C―Hσ键参与的σ-π超共轭效应，故以Saytzeff产物为主。

由此可见，无论是过渡态的稳定性，还是产物的稳定性，都说明主要产物应是Hofmann产物。E2消除：35

然而，当消除的β-H所处位置有明显的空间位阻或碱的体积很大时，其主要产物将是Hofmann产物。例如：36三、消除反应的立体化学

β-消除反应可能会有两种不同的顺反异构体生成。

将离去基团X与被消除的β-H放在同一平面上，若X与β-H在σ键的同侧被消除，称为顺式消除；若X与β-H在σ键的两侧(异侧)被消除，称为反式消除。

实践表明：在按E2机理进行消除的反应中，一般情况下发生的是反式消除。如：37

例如：

只有β-H与Cl处于反式

β-H和β’-H均与Cl处于反式，产物比例取决于产物的稳定性。38四、取代与消除反应的竞争

如前所述，在卤代烷的反应中，试剂既可进攻α-C原子而发生SN反应，也可进攻β-H原子而发生E反应，这是两个相互竞争的反应。然而，如何才能使反应按我们所需的方向进行，就必须对影响SN和E反应的因素有一个清楚的认识。

1.烃基结构的影响

α-C上烃基↑，因空间位阻增大，故对SN2反应不利而对SN1、E1反应有利。

α-C上烃基↑，虽然对进攻α-C不利，但对进攻β-39H的影响不大，相对而言，对E2反应有利。

β-C上烃基↑，对SN2、E2都不利，而对SN1、E1有利，但对E1更有利。这是因为：叔卤烷易于消除40

2.亲核试剂的影响

亲核试剂对SN1反应影响不大，但对SN2反应影响很大。其一般规律是：

亲核试剂的亲核能力↑，对SN2反应有利。

试剂的亲核性↑，碱性↓，对SN2反应有利。

试剂的亲核性↓，碱性↑，对E2反应有利。

试剂的体积↑，不利于对α-C的进攻，故对消除反应有利。

试剂的浓度↑，对SN2、E2都有利。

3.溶剂的影响41

由此可见，溶剂的极性↑，有利于过渡状态电荷增加的反应，即对SN1、E1反应有利。因为极性↑，溶剂化作用↑，有利于C―X键的解离。

溶剂的极性↑，对电荷分散的反应不利，即对SN2、E2反应均不利，但对E2反应更不利。因为在E2反应中，过渡状态的电荷分散程度更大。42

4.反应温度的影响

温度升高对SN反应和E反应均有利，但对E反应更有利。因为消除反应需要拉长C―H键，形成过渡状态所需的活化能较大。§5―3―4卤代烷与金属的反应

卤代烷可与某些金属元素作用，生成一类由碳原子和金属原子直接相连的化合物，这类化合物统称为金属43有机化合物。

在这类化合物中，碳金属键中的碳原子(C－―M+)是以代负电荷的形态存在的，因而金属有机化合物中的烃基具有很强的亲核性和碱性。一、有机镁化合物

卤代烷与金属镁在无水乙醚(通称干醚或纯醚)中反应,生成烷基卤化镁：该反应是法国有机化学家Grignard(格利雅)于1901年在他的博士论文研究中首次发现的。为纪念这位化学家对44化学事业的贡献，人们将烷基卤化镁称为Grignard试剂，而把有Grignard试剂参与的反应，称为Grignard反应。

卤代烷与金属镁反应的活性顺序是：

Grignard试剂很活泼，它易于被空气中的氧所氧化，易于与含活泼氢的化合物作用而被分解为烷烃。45

制备Grignard试剂所用的溶剂：

乙醚、四氢呋喃(THF)、其它醚(如：丁醚)、苯等。

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。

Grignard试剂能与CO2、RCHO、RCOR’、RCOOR’等多种化合物反应，因而在合成中有着重要的用途。二、有机锂化合物46

金属锂在惰性溶剂中(如：戊烷、石油醚、乙醚等)与卤代烷(通常为RCl和RBr)作用，生成烷基锂。

与Grignard试剂相似，烷基锂亦很活泼，易于被空气氧化，遇水、酸、醇、氨等含活泼氢的化合物则分解，因此在制备和使用时，通常用N2或H2保护。

烷基锂与卤化亚铜作用生成二烃基铜锂。

二烃基铜锂是重要的烃基化试剂，又称有机铜锂试剂，它可与多种有机化合物反应。如：47

有机铜锂试剂具有碱性，反应中以1°RX效果最好。3°RX几乎不发生上述反应。另外，分子中含有―CO―、―COOR、―OH、―CN和孤立双键的卤代烃衍生物仍能发生此反应，而这些官能团却不受影响。如：

这是制备烷烃的一种方法，称为Corey-House合成。48§5―3卤代烯烃和卤代芳烃§5―3―1卤代烯烃

实验事实:49

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。一、卤乙烯型卤代烃

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,π-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：50

由此证明：氯乙烯分子中的C―Cl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：51

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。二、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。52

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历程进行反应，其反应中间体为碳正离子，由于p,π-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。

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：53

烯丙型卤代烃按SN2历程进行反应，也因双键的π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。54§5―3―2芳卤化合物一、苯环的位置对卤原子活泼性的影响

1.卤苯型卤代物

与氯乙烯相似，氯苯分子中氯原子的-I效应和p,π-共轭效应共同影响的结果，必然导致C―Cl键键长缩短，键的离解能增大。55

用共振论解释也可得到同样的结论。

由此可看出：卤苯型化合物的卤原子表现出较低的反反应活性，例如：56

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。

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。57

SN1反应：

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。