刑其毅有化学卤代烃

第第 七七 章章 卤代烃（卤代烃（alkyl halides） 一一. 亲核取代反应亲核取代反应 (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：底物：反应中接受试剂进攻的物质。反应中接受试剂进攻的物质。离去基团：离去基团：带着一对电子离去的分子或负离子。带着一对电子离去的分子或负离子。C5H11Cl + NaOHC5H11OH + NaClCH3CH2CH2ONa + CH3CH2ICH3CH2CH2OCH2CH3 + 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. 亲核取代反应的机理及其立体化学亲核取代反应的机理及其立体化学1）双分子亲核取代反应）双分子亲核取代反应 (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 0.0020 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 - - - - 反应一步完成。过渡态为势能最高点、控制反应速率，双分子反应一步完成。过渡态为势能最高点、控制反应速率，双分子 参与。参与。双分子亲核取代双分子亲核取代(SN2)。 *I- + CICH3HC6H13CH3COCH3*I CCH3HC6H13+ I- R SWalden (瓦尔登瓦尔登 ) 转化。转化。构型转化是构型转化是SN2反应的立体化学特征。反应的立体化学特征。为什么亲核试剂总是从离去基团的背面进攻中心碳原子？为什么亲核试剂总是从离去基团的背面进攻中心碳原子？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距离。基团的排斥；过渡态能量；亲核试剂与离去基团的距离。 rac / exc = 2 CH3CCH3Br + OH-CH3CH3COCH3H2OCH3CCH3OH + Br-CH3 = k1(CH3)3CBr2) 单分子亲核取代反应单分子亲核取代反应(SN1)机理及其立体化学机理及其立体化学CH3CCH3Br CH3CH3CCH3CH3+ Br-CH3CCH3CH3+ OH-CH3CCH3OH CH3（1）（2）slowfastH2OSN1+重排CH3 C- CH CH3CH3H3C+H2OCH3- C- CH- CH3CH3H3COHCH3-C-CH-CH3CH3BrH3CCH3-C-CH-CH3CH3H3C-H+ SN1反应的另一个特点：反应伴有反应的另一个特点：反应伴有重排重排。 试解释试解释 (S)-3-甲基甲基-3-溴己烷在水溴己烷在水-丙酮中反应丙酮中反应, 结果结果 旋光性消失的实验事实。旋光性消失的实验事实。CH3CH2CH2CCH2CH3BrH3CCH3CH2CH2CCH2CH3 ( )OHH3C+-SN1 HCH3CCH2CH3SRCOCH3CH2CH2CH3C2H5H3C( )+ _H3CHHNHRHC2H5HC2H5OHCH3CH3OH+ 写出下列反应的产物结构（用构型式表示）写出下列反应的产物结构（用构型式表示）CH3CCH2CH3BrH+ -SRSN2(a)(b)CBrCH2CH2CH3C2H5H3C+ CH3OHSN1(c)BrH3CHH+ RNH2SN2(d)CH3ClHC2H5+ H2OSN12. 影响亲核取代反应速率的因素影响亲核取代反应速率的因素1）烃基结构的影响）烃基结构的影响 在在SN2反应中反应中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)3CCH2Br 0.00001 Compound Relative Rate 主要影响因素是主要影响因素是位阻效应位阻效应(steric effect)或称空间效应。或称空间效应。 空阻越大空阻越大，SN2 反应速率越小。反应速率越小。 在在SN1反应中反应中 RBr在在HCOOH-H2O中水解反应相对速率中水解反应相对速率 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，反应速率快。生成碳正离子稳定，所需活化能低，反应速率快。离解成碳正离子的倾向：离解成碳正离子的倾向：3oRX 2oRX 1oRX CH3X 从烷基结构看亲核取代反应的活性：从烷基结构看亲核取代反应的活性：CH3 RCH2 R2CH R3CSN2 SN2 SN2 SN1 SN1 苯甲型和烯丙型卤化物进行苯甲型和烯丙型卤化物进行SN1或或SN2反应，活性都较高。反应，活性都较高。 在在SN1反应中反应中(中间体中间体)：CH2+CHH（苄基碳正离子）+在在SN2反应中反应中(过渡态过渡态)：CH2=CHCH2Br SN2 过渡态HHHHNuBrRelative rate of SN2 reactionCompoundRelative rateCH2ClCH2=CHCH2ClCH3CH2Cl93331 下列每一对化合物，哪一个更易进行下列每一对化合物，哪一个更易进行SN1反应？反应？ (B) (A) 下列每一对化合物，哪一个更易进行下列每一对化合物，哪一个更易进行SN2反应？反应？ (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是否容易发生亲核取代反应，乙烯型卤化物与芳香型卤化物是否容易发生亲核取代反应， 为什么？为什么？ p-p-共轭使共轭使C-XC-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-)在亲核取代反应中的相对速率在亲核取代反应中的相对速率离去基团 F- Cl- Br- I- 相对速率 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。离去基团。如：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反应影响不大。在反应影响不大。在SN2反应中反应中: 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. 在亲核原子相同的一组亲核试剂中，亲核性顺序与碱性一致。在亲核原子相同的一组亲核试剂中，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，反应速率加快。过渡态因溶剂化而稳定，活化能降低，反应速率加快。 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反应中，增加溶剂的极性或使用质子溶剂，有利于卤反应中，增加溶剂的极性或使用质子溶剂，有利于卤 代烷的离解。代烷的离解。 :X:-HHHHOOOOHHHHNu:- + R-LNuRL - - - - 卤负离子溶剂化程度：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反应。反应。 SN2反应中反应中, 增加溶剂极性增加溶剂极性, 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，反应速率减慢。试剂的亲核性，反应速率减慢。1.210106 6非质子偶极溶剂的结构特征：非质子偶极溶剂的结构特征：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。CH3CH2CH2CH2I + 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. 预测下列反应能否顺利进行预测下列反应能否顺利进行1) CH3CH2OH + I-CH3CH2I + OH-2) CH3CH2NH2 + Br-CH3CH2Br + NH2-CH3CH2OSO2+ Cl-CH3CH2Cl + -OSO23) 2. 增加溶剂的极性对下列反应速率有何影响？增加溶剂的极性对下列反应速率有何影响？ CH3O- + CH3CH2BrCH3OCH2CH3 + Br-(CH3)3CBr + H2O(CH3)3COH + HBr1)2) 3 成环的成环的SN2反应与卤代环烷烃的反应与卤代环烷烃的SN2反应反应 离去基团和进攻试剂处于分子内合适的位置，易发生分子内离去基团和进攻试剂处于分子内合适的位置，易发生分子内 的的SN2反应。反应。 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， 成环反应容易进行。成环反应容易进行。BrBrNHCCF3NClOSNi275%?F3CCNOBrNCl 卤代环烷烃的卤代环烷烃的SN2反应反应CH3CH3ClCH3CH3Cl(A) (B)HHHCH3CH3HHHCH3CH3ClClNuNu反应活性与过渡态势能有关。反应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 邻基参与使邻基参与使反应速率加快。反应速率加快。CH3CH2SCH2CH2Cl + H2OkCH3CH2SCH2CH2OHCH3CH2CH2CH2CH2CH2Cl + 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, 即即构型保持。构型保持。CBrCOO-CH3HOH-COHCOO-CH3H(S)(S)C2H5S:CH2CH2Cl-Cl-C2H5S+CH2CH2:OH2C2H5SCH2CH2+OH2-H+C2H5SCH2CH2OH 反应经历环状过渡态反应经历环状过渡态CC:O-OBrH3CHSNi2CCOOH3CH:OH-SN2CCOOHH3CHO-C6H5CH=CHCH2CH2CH2ClOH-H2OC6H5CHOHCH2CH2ClCH2C6H5CH=CHC6H5CH+H2OOH-CCHO+CHCBrC2H5HCH3CHCOHC2H5HCH3CH3HC2H5HCCHH+CH3C2H5 邻基参与有时得到一定构型的邻基参与有时得到一定构型的重排产物。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）含杂原子的邻近基团（如：）含杂原子的邻近基团（如：COO-、OH、OR、NH2、 SR、Cl、Br、I .）（2）邻近双键参与）邻近双键参与（3）邻近芳基参与）邻近芳基参与OOHOHHHHHCH2OPOPOOPOHOHOHOHOOAdenineLeaving group-O2CCHCH2CH2SCH3+NH3Methionine (蛋氨酸）ATP Adenine = NNNNNH2（6-氨基嘌呤）OO-O2CCHCH2CH2SNH3 -OPOPOOPOHOHOHOHOOHOHHHHHCH2AdenineCH3+CH3NCH3CH2CH2OHCH3NCH3CH2CH2OHCH3+-O2CCHCH2CH2SNH3 OOHOHHHHHCH2Adenine+Choline CH3CHCH3BrC2H5ONaC2H5OH,CH3CH=CH2 + NaBr + C2H5OHCH3CCH3CH3BrC2H5ONaC2H5OH,CH3C=CH2CH3 + NaBr + C2H5OH -消除反应、消除反应、1，2-消除反应消除反应CCXH + :B-C=C+ HB + :X-二二. 消除反应消除反应 (Elimination reaction) CH3-CH2-CH-CH3BrKOH-C2H5OH CH3CH=CHCH3 (81%)CH3CH2CH=CH2 (19%)HCH3BrH3CC2H5ONaC2H5OHCH3CH3 2. E2机制机制CCHXROHCCRO-C=C+ ROH + X-X - -1. 消除的取向消除的取向saytZeff(查依切夫查依切夫)规则规则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。 消除需符合消除需符合共平面共平面几何要求（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、 键的形成协同进行，经过渡态一步键的形成协同进行，经过渡态一步完成。底物与试剂参与形成过渡态。完成。底物与试剂参与形成过渡态。双分子消除。双分子消除。 反应速率反应速率=RXB-HBXHBX 对位交叉构象对位交叉构象 重叠构象重叠构象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 反应经历碳正离子中间体，伴有反应经历碳正离子中间体，伴有重排发生。重排发生。反应速率反应速率=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。共平面反式消除。中间体：中间体：碳负离子。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-I- ?BrBr-I-OHOHBr2(1 mol)BrBrCH3CO3HNa2CO3BrBrOH+H2OBrOHOHBrNaI三三. 亲核取代与消除反应的竞争亲核取代与消除反应的竞争 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行消除反应时，哪试比较六氯环己烷各种异构体与碱作用进行消除反应时，哪 一个反应速率最慢？一个反应速率最慢？ClHHClClHClHHClClHClClHHClHClClHClHHClHHClHClClClClClClClClClCLHHClHClClHHHHHHHHHHHClClHCl -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. 烷基结构的影响烷基结构的影响CH3CH2ONa + CH3CH2BrC2H5OH55oCCH3CH2OCH2CH3 + CH2=CH2SN ECH3CH2ONa + CH3CHCH3BrC2H5OH55oCCH3CH2OCHCH3CH3+ CH2=CHCH3CH3CH2ONa + CH3CCH3BrCH3C2H5OH55oCCH3CCH3CH3OCH2CH3+ 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、位阻碱或增加碱的浓度，有利于消除反应。强碱、位阻碱或增加碱的浓度，有利于消除反应。CH3CBrCH3CH325oCC2H5OHC2H5OHC2H5ONa(CH3)2C=CH2(CH3)2C=CH219%93% 3. 反应温度的影响反应温度的影响4. 溶剂的影响（略）溶剂的影响（略）CH3CHCH3 + OH-Br80%C2H5OHCH3CHCH3 + CH3CHCH3 + CH3CH=CH2OHOC2H5SNE50oC 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.下列反应主要是取代还是消除？下列反应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-C）1. 有机镁化合物有机镁化合物制备格氏试剂的卤代烷活性：制备格氏试剂的卤代烷活性：RIRBrRClBrCl+ Mg无水乙醚OMgBrClMgBrMgClRX + Mg无水乙醚RMgX 格林雅(Grignard)试剂 格氏试剂RMgX +H2OROHRCOOHRNH2R-H + MgXOH(OR,OCR,NHR)O 与氧、二氧化碳反应与氧、二氧化碳反应RMgX + CO2RCOOMgXH3O+RCOOH 与活泼卤代烷发生偶联反应（形成碳碳键方法之一）与活泼卤代烷发生偶联反应（形成碳碳键方法之一）CH3CH2MgBr + CH2=CHCH2BrCH3CH2CH2CH=CH294% Grignard试剂很活泼。试剂很活泼。 与含活泼氢化合物反应与含活泼氢化合物反应.。格氏试剂被分解。格氏试剂被分解。 2. 有机锂化合物有机锂化合物RX + 2LiRLi + LiX2RLi + CuXR2CuLi + LiX（二烃基铜锂）R2CuLi + RXR-R + RCu +LiX CH2=CBrCH3CH2=C LiCH3LiCuXCH2=C LiCH3CH2=CCH32CuLiBrCH3CH2=CCH3CH3(80%) 格氏试剂与羰基化合物、羧酸衍生物等反应。格氏试剂与羰基化合物、羧酸衍生物等反应。Br + (CH3)2CuLidiethyl etherCH3 RX 还原剂 RHClCH2H2/pdCH3 催化氢解CH3CH2CH2CHCH3BrZnCH3COOHCH3CH2CH2CH2CH3 还原试剂还原试剂: LiAlH4 NaBH4 Zn/HCl HI 催化氢解催化氢解 Na + NH3等等 五五. 卤代烷的还原反应卤代烷的还原反应六六. 卤代烷的合成卤代烷的合成1. 烷烃卤代。烷烃卤代。2. 醇与醇与SOCl2、HX或或PX3(X=I, Br,Cl)反应。反应。 3. 烯烃与烯烃与HX加成或由烯烃加成或由烯烃a-H卤代。卤代。 4. X2(X=Br, Cl)与烯烃反应制邻二卤化物。与烯烃反应制邻二卤化物。5. RX + X-RX + X- (卤素交换)4-4 ( ) ( ) 4-7、14、15、17、35、384-43 ( ) ( )5-28 () ( ) ( ) ( ) ( ) 为什么催化量的为什么催化量的KI能加快能加快RCH2Cl与与OH-反应反应 生成生成RCH2OH？