《医学卤代烃》PPT课件.ppt

第七章 卤代烃 第一节 分类和命名 第二节 卤代烃的性质 一、物理性质 二、化学性质 ( 取代、消除、与金属反应 ) 三、亲核取代反应历程 四、消除反应历程 五、亲核取代与消除反应的关系 六、卤代烯烃和卤代芳烃 七、多卤代烃的性质 烃分子中的氢原子被卤素取代而生成的化合物称 卤代烃。卤原子(F、Cl、Br、I)是卤代烃的官能团。卤 代烃的结构通式： RX。 在有机体中含卤素的有机物不多。但许多卤代物具有 生理活性。如CH2=CH-CH2-Cl、C6H5-CH2-Cl具有很强的 催泪作用；氯霉素（含Cl）具有杀菌消炎作用；甲状腺素 是一种含碘的有机物。许多卤代烃用作农药、溶剂、制冷 剂、灭火剂、麻醉剂和防腐剂等。 由于RX性质一般较活泼，能发生多种化学反应而转 变成各种其它类型的化合物，所以卤代烃在有机合成中占 有很重要的地位。 第七章 卤代烃 (Halides) 第一节 分类和命名 一、分类 1.按R的结构 饱和卤代烃: C2H5Cl, Cl, (CH3)3C-Cl 乙烯型 RCH=CH-X 烯丙型 RCH=CHCH2-X 孤立型 RCH=CH(CH2)n X 不饱和卤代烃 卤代芳烃 苯型 ArCH=CH-X 苄型 ArCH=CHCH2-X 孤立型 ArCH=CH(CH2)n X 2.按C-X键C的类型 伯卤代烃 仲卤代烃 叔卤代烃 CH3CH2Cl CH2=CHCH2Br CH3CHCH3 Cl (CH3)3C-Cl 3.按X的种类 氟代烃（制法和性质特殊） 氯代烃、溴代烃、碘代烃 4.按X的数目 一卤代烃 CH3CH2Cl 用作局部麻醉剂 多卤代烃 HCI3 杀菌及和缓的防腐剂 CF3CHClBr 新型强效低毒麻醉剂 CF2Cl2 （F12）制冷剂 二、命名 普通命名法; 俗名; 系统命名法 1.普通命名法: 卤（代）某烃或某烃基卤。 CHCl3三氯甲烷 C2H5Cl 氯乙烷 叔丁基溴 氯乙烯 CH2=CHCl 乙烯基氯 n-C4H9-Cl i-C4H9-Cl (CH3)3CBr 氯仿 正丁基氯异丁基氯 乙基氯 苯氯甲烷 3-溴丙烯 溴苯 CH2=CH-CH2 Br Br CH2Cl Cl C F Cl Cl 三氯氟甲烷 苄基氯氯化苄 氟利昂-11 烯丙基溴 选母体：烃作母体，将 X 和烃中的 支链一样作为取代基来命名。 配基： 优先基团后列出。 2.系统命名： 编号：根据最低序列原则将主链编号。 CH3CH2CH-CH2CH2CH3 CH2Cl 或：3-氯甲基己烷 -甲基-溴丙烷 CH3CHCH2B r CH3 3 2 1 H3CCHCHCH3 CH3B r 1 2 3 4 3-甲基-2-溴丁烷(错) 2-甲基-3-溴丁烷 4 3 2 1 2-乙基-1-氯戊烷 CH2=CH-CH-CH2-Br CH3 CH3 I 1 2 3 4 5 6 7 H3CCHCHCH2CHCH CH3ClI CH3 CH3 7 6 5 4 3 2 1 2，6-二甲基-3-氯-5-碘庚烷 3-甲基-4-溴-1-丁烯 5-甲基-1-碘环己烯 卤素取代芳环氢时，以芳烃作母体. Br Br CH3 Cl CH2Cl Cl 3,5-二溴甲苯 对-氯苯氯甲烷 1-氯甲基-4-氯苯 2-氯萘 卤素取代侧链时，以链烃作母体，卤素和芳烃都作基： CH-CH2CHCl2 CH3 3-苯基-1,1-二氯丁烷 卤代芳烃的命名： 第二节 卤代烃的性质 一、物理性质 1. bp、mp比相应的烷烃高。 2. 溶解性：不溶于水，而能与烃混溶，并能溶解 许多非极性及弱极性有机物. 3. 密度： R-Cl X 键的极性序为CCl CBr CI， 但通常在化学反应中卤代烷所表现出来的活性正 好相反。（为什么？） 对化学活性起决定作用的是键的极化度。 二、卤烷的化学性质 2 + - + 亲核取代反应 消除反应 与金属反应XH RCHCH 1. 取代反应 CX + Nu( ) d+d- Nu C + X () 被羟基(-OH)取代 () 被氰基(-CN)取代 () 被氨基(-NH2)取代 () 被硝酸根(-ONO2)取代 (5) 被烃氧基(-OR)取代 (1) 被-OH取代： 卤代烃与 NaOH 或 KOH 的水溶液共热，X 被-OH取代，产物为醇。这个反应也叫水解。 RX + H-OHR-OH + HX 此反应常用于将-OH引入一些较复杂的分 子中，因为有时直接引入-OH比直接引入-X更 为困难。 D RX + NaOH ROH + NaX (2) 被氰基取代： 卤代烷与NaCN或KCN的醇溶液共热，X被-CN 取代，生成腈。 Cl-CH2CH2CH2CH2-Cl + 2NaCN NC(CH2)4CN + 2NaCl 乙醇 通过这个反应，分子中增加了碳原子。且 腈中的CN-可转变成其它官能团。 H2O 己二酸己二胺 H (3) 被氨基取代：卤代烷与过量氨作用，生成胺。 RX + NH3(过量) RNH2 + HX 生成的胺是碱,又与HX成盐：R-NH3 X或写成 RNH2HX (4) 被烃氧基取代：卤代烷与醇钠（或酚钠） 作用，X被 -OR取代，生成醚。这是制备混合 醚的方法，叫Williamson醚合成法。 RX + NaOR ROR+ NaX (5) 被硝酸根取代 推测卤代烃的类型 卤烃与AgNO3的醇溶液共热,生成硝酸酯和AgX 沉淀： 不同结构的卤代烃卤原子活性不同,产生AgX的速度不同。 叔卤代烃 伯、仲卤代烃 RCH=CHCH2-X 孤立型(伯、仲) CH2=CH-X(乙烯型) 加热才起反应加热也不反应室温迅速生成AgX Problem 1：鉴别 C6H5-CH2-Cl， C6H5-CH2-CH2-Cl， C6H5-Cl C6H5-CH2-Cl， C6H5-CH2-CH2-Cl，C6H5-Cl 乙醇/ D RX + AgONO2 R-O-NO2 + AgX 在上述反应中，卤代烷称为底物。与卤原子相连 的C叫a 碳原子，它带部分正电荷，是反应的中心。 进攻试剂都有较大的电子密度，具有亲核性 亲核试剂(Nucleophilic reagent, Nu: or Nu:-). 底物受Nu:进攻，CX键异裂，X原子离开底物 分子，故称为离去基(Leaving group, L). 由亲核试剂进攻底物分子中带部分正电荷的中心 而引起的取代反应，叫亲核取代反应，以 SN 表示。 CX + Nu() Nu C + X 底物 d+ d- 亲核试剂 离去基 Problem 2: 1. CH3CH2-Br Na HS Na I ONa CH3CO2Na 2. H2N-CH2CH2CH2CH2Cl CH3CH2-SH (硫醇) CH3CH2-I (卤素互换反应) CH3CH2-O (芳醚) CH3CO2CH2CH3 (酯) NH 影响亲核取代反应的因素主要有： 1. RX中R的结构(在反应历程部分讨论)； 2. 亲核试剂的亲核能力: HS- RS- CN- I- NH3 OH- Br- OR- Cl F- H2O 3. 离去基的性质: -I -Br -Cl -F (氟代烃难发生取代反应) 2. 消除反应(b-Elimination) 由分子中脱去一个小分子(如HX、H2O等)形成不 饱和结构的反应称为消除反应。以 E 表示。 RCHCH2 + KOH RCH=CH2 + HX H X 乙醇 D ba 卤代烷除了a碳上脱去 X 外，还从 b 碳上脱去H， 故又称为 b-消除反应。由于叔卤代烷有3个b-C，其上 的H均有可能消除，故发生消除反应的活性： 叔卤代烷 仲卤代烷 伯卤代烷 对于仲卤代烷和叔卤代烷，消除反应可沿二 个或三个方向进行。 CH3CH2CHCH3 CH3CH=CHCH3+ CH3CH2CH=CH2 Br KOH/EtOH D 2-丁烯 (81%) 1-丁烯 (19%) CH3CH2-C-CH3 CH3CH=C-CH3 + CH3CH2C=CH2 Br KOH/EtOH D CH3CH3CH3 2-甲基-2-丁烯 71% 2-甲基-1-丁烯 29% 主要产物是双键上烃基最多的烯烃(最稳定的烯烃)( 为什么？)，即：仲或叔卤代烃脱 HX 时，主要是从含H较 少的b-C上脱氢。此称为Saytzeff规则。 卤代烃能与多种金属如Mg、Li、Na、K、Al 等反应生成CM键的金属有机化合物 (Organometalic compounds). RX + Mg R-Mg-X (烃基卤化镁) 无水乙醚 格氏试剂结构中的 C M 键极性很强，常 可起碳负离子的作用，具有很强的亲核性。它 可与其它有机物中带部分正电荷的碳原子连接 形成新的CC键（加长碳链）。 d- d+ 这种产物叫格氏试剂(Grignard reagent). 3. 与金属反应 CH3CHCH2-Br CH3 d- d+ CH3CHCH2-MgBr CH3 Mg 无水乙醚 CH3CHCH2-Br CH3 CH3 O CH3CHCH2C-OH 合成 d+ d- O = C = O 低温 CH3 CH3CHCH2-C-O-MgBr O CH3CHCH2C-OH + Mg CH3 O OH Br H+/H2O 2-甲基丁酸 H+/H2O R-CH2-O-MgX RMgX RX Mg 无水乙醚 HC = O H OH X MgR-CH2-OH + RX R-CH2-OH 合成 格氏试剂很易与含活泼H的化合物如 H2O、R-OH、 R-NH2 等反应生成相应的烃。 RMgX + H-OH RH + Mg(OH)X 所以在制备格氏试剂时必须防止这些物 质的存在，并采取隔绝空气中湿气的措施。 由于格氏试剂在有机合成中有广泛的应用 ，故有“有机合成中的万能试剂”的美称。Victor Grignard 因此获得1912 Nobel化学奖。 RMgX+ RH+Mg(OR)X ROH Bond being made 1. 双分子亲核取代反应(SN2) 如CH3Br的碱性水解 ： HO- + Br Nucleophilic backside attack HO 快 Inversion of configuration at carbon 慢 HOBr Transition state Bond being broken d-d- 三、亲核取代反应历程 碘甲烷碱性水解历程：SN2 (2) 反应速度 r = kCH3BrOH-, 为二级反应； (3) 伴随构型转化(Valden inversion). SN2历程的特点： (1) 反应连续而不分阶段； 过渡态Ea正 Ea逆 Stereochemical Evidence for SN2 Mechanism: HO- + Br C2H5 CH3 H Optically pure HO C2H5 CH3 H + Br - Optically pure, 100% inverted configuration (1) (2) CH3 H H Br + :OH- CH3 HH + Br- OH Only product 对于SN2历程，亲 核试剂OH-是从X原子 的背面进攻的，如果 中心碳原子的3个 H 逐个换为-CH3，由于 CH3的体积比 H大， 阻碍OH-接近中心碳， 使反应速度变慢，中 心碳上连的取代基越 多，体积越大，反应 速度就越慢。这种立 体效应称为空阻效应 。 CH3 CH3 CH3Br CH3CH2Br CH3-CH-Br CH3 -C-Br CH3 SN2反应速度比较： 200,0001,000 12 1 RI RBr RCl RF (极化度,离去基的碱性) SN2反应的难易主要取决于卤代烷空间位阻 的大小，空间位阻愈小，愈易按SN2反应. 叔卤代烷一般不按SN2历程进行。 碘代相 对速度 : 2. 单分子亲核取代反应历程(SN1) (CH3)3C-Br + OH- (CH3)3C-OH + Br - 单分子历程可分为2步： (1) (CH3)3C-Br(CH3)3CBr (CH3)3C+ + Br- Slow d+ d- (2) (CH3)3C+ + OH- (CH3)3COH(CH3)3C-OH Fast 过渡态 B 产物 d+ d- 由于在决速步(1)中只有1个叔丁基溴参加反应( 仅涉及CX键的断裂)，叫做单分子历程（SN1）。 过渡态 A 叔卤代烷在碱性溶液中的水解是按单分子历程进行的。 叔正碳离子 CH3 CH3 CH3 C CH3 Br CH3 CH3 CH3 CH3 OH CH3 HO CH3 CH3 CH3 -Br- + 构型转化 HO- 构型保持 (1) 反应分两步进行； (2) 有正碳离子生成; (4) 产物构型外消旋化； (3) 反应速度 r = kRX，为1级反应； SN1历程的特点： (5) 常伴随重排产物 CH3 C C6H5 H H H O Cl H C6H5 CH3 Slow 水解 -H+/Fast OH H C6H5 CH3 HO H C6H5 CH3 + 构型翻转：51%构型保持：49% (98%racemization、2%invertion, Why?) Some very elegant mechanistic work demonstrates that alkyl halides often exist in ion pairs that is R+X- in solvolysis reactions. Cl- H2O SN1 condition CH3 CH3CCH2 + I- CH3 1o carbocation + SN1反应常伴随重排产物 CH3 CH3CCH2 I CH3 CH3 CH3CCH2 CH3 + 3o carbocation CH3 CH3CCH2 OH CH3 No rearranement H2O/OH- SN2 condition CH3- migrate CH3 CH3CCH2 CH3 OH rearranement product H2O,-H+ （1）电子效应：烷基的供电子效应及CH s,p -超共轭效应有利于稳定碳正离子中间体。有利 于稳定正碳离子的因素就有利于SN1。 影响SN1反应的因素： CH3 CH3 CH3-C-X CH3-CH-X CH3CH2-X CH3-X CH3 SN1反应速度：叔卤代烃 仲卤代烃 伯卤代烃 + - （2）立体效应：a-C上取代的烷基数目增加，空间阻碍 作用也增大，这虽不利于SN2，却有利于SN1反应（空助效 应）。对于SN1，空助效应与电子效应是一致的。 H3C C C Br 3 H C 3 H 叔丁基溴 叔丁基正碳离子 SP2 3 C CH 3 C 3H CH Question 3: Arrange the following compounds in order of increasing SN1 reactivity: C(CH3)3 CH(CH3)2 C(CH3)3 (CH3)3C-C-Br CH3-C-Br (CH3)3C-Br C2H5-C-Br C(CH3)3 CH3 C2H5 A B C D 亲核取代反应的两种历程在反应中是同时存在、相互 竞争的，只是在某一特定条件下哪种历程占优势的问题。 CH3 CH3 CH3X CH3CH2X CH3-CH-X CH3 -C-X CH3 空阻小 SN2易 供电效应及 空间效应大 SN1易 SN2 and SN1 按SN2变难,按SN1变易 烃基结构对历程的影响 电子效应 主要影响 SN1历程 立体效应 主要影响 SN2历程 亲核试剂的亲核能力对历程的影响 溶剂极性大小对历程的影响 亲核试剂对SN1历程影响不大。 亲核试剂的亲核性越强，体积越小，则SN2反 应速率越快。 溶剂极性大有利于SN1历程(能稳定碳正离子)， 溶剂极性小有利于SN2历程. 四、消去反应(Elimination)的历程 解离：(CH3)3C-Br (CH3)2C+-CH2 + :Br - H Slow a b 去H+： (CH3)2C+- CH2 (CH3)2C=CH2 + H+ H OR- Fast a b 1. E1：单分子消去历程 E1反应的速度只与卤代烷浓度成正比：r = kR-X。 E1与SN1一样分两步进行，它们常同时发生。有利于SN1 的因素也有利于E1 ，即反应速度有： 叔卤代烃 仲卤代烃 伯卤代烃。 2. E2: 双分子消去历程。大部分 E2 是反式消除。 CH3O- CH3OH+KOH Slow C6H5 H CH3 H C6H5 X C6H5 CH3H C6H5 -HX Fast C6H5 C6H5 C=C CH3 H CH3O- 过渡态 C6H5 H H C6H5 X CH3 反应的择向符 合saytzeff规则。 三类卤代烃进行E2反应速度比较(同E1)： CH3 CH3 CH3-C-X CH3-CH-X CH3CH2-X CH3-X CH3 试剂的碱性强, 溶剂的极性小,有利于E2。 过渡态 C6H5 H H C6H5 X CH3 五、亲核取代反应与消除反应的关系 在大多数情况下。卤代烷的取代反应和消除反应 常常是同时进行的。 RCHCH2X H ba SN OH-/H2O E OH-/EtOH R-CH2CH2-OH + X- R-CH=CH2 + HX OH- SN E 以水作溶剂有利于取代，以醇作溶剂有利于消 除；试剂的碱性增强，有利于消除。在KOH的醇溶 液中以消除为主，是因为生成了更强的碱： C2H5OH + K+OH- C2H5O-K+ + H2O 1. 卤代烃的结构对消除和取代反应有以下的影响： R-X = CH3-X ，1o ， 2o ， 3o 将影响两类反应的因素一般归纳如下： 消 除 增 加 取 代 增 加 因此制烯烃一般用叔卤代烃,而制备醇一般用伯卤代烃. 2. 试剂的碱性 碱性越强，浓度越大，越有利于消除。 3. 溶剂的极性 低极性溶剂有利于消除。 4. 温度的影响 升高温度有利于消除。 六、卤代烯烃和卤代芳烃 CH2=CH-CH2-X CH2=CH-CH2-CH2-X CH2=CH-X C6H5-CH2-Cl C6H5-CH2-CH2-Cl C6H5-Cl 烯丙型/苄型卤烃孤立型卤烃 乙烯型卤烃 化学性质上的差异是它们在结构上的差异的反映。 亲核取代反应的活性与卤原子和 p键 的相对 位置有关： 1. 乙烯型卤代烃： CH3CH2 Cl (m=2.05D) CH2=CH- Cl (m=1.45D) C6H5 Cl 176pm 169pm 170pm CH3CH2 Br CH2=CHBr CH2=CH-CH2 -Br C6H5CH2Br C6H5Br 285Kj/mol 318Kj/mol 230Kj/mol 238Kj/mol 335Kj/mol X直接与双键碳原子相连。由于p,p-共轭作用， CX键具有部分双键的性质，键较牢固。试比较它 们的键长和键能。 Cl AgNO3 不反应 醇 CH2=CHCl + AgNO3 不反应 醇 RCHCHX p-共轭使C-X键的电子云密度增加，极性减弱。 这