《OrgCh09卤代烃》PPT课件.ppt

1,作业（P208） 2（1、3、5、7） 3 4（1、4、7、8） 5、6、7、9、 10（2、3、4 ， 4要考虑共轭效应） 11 (1、2、9、11、12) 13 15（注意：考察烯丙位重排P202）。,第14题不做，但将A：C8H12改为C6H12，第二行C8H13Br改为C6H13Br ）,2,第九章 卤代烃 (Alkyl halides),3,本章重点与难点,卤代烃的制法 卤代烃的性质 取代与消除的判别 卤代烃的鉴别 官能团的移动 碳链的延长,4,卤代烃烃类分子中的氢原子被卤素取代后生成的化合物，简称卤烃。 一般所说的卤烃只包括：氯代烃、溴代烃和碘代烃。氟代烃的制法和性质比较特殊。 在卤烃分子中，卤原子是官能团(注意：卤素在命名时总是作取代基)。 (1) 按照分子中母体烃的类别主要分为：卤代烷烃、卤代烯烃和卤代芳烃等。 (2) 根据分子中卤原子的数目，分为：一元卤烃、二元卤烃、三元卤烃等。二元和二元以上的卤烃称为多卤烃。,5,例如： 卤代烷烃： CH3Cl CH2Cl2 卤代烯烃： CH2=CHCl CHCl=CHCl 卤代芳烃：,按照与卤原子相连碳原子的不同，卤代烷可分为：伯卤代烷、仲卤代烷和叔卤代烷：,R-CH2-X,6,卤代烷简称卤烷。 1）习惯命名法：把卤烷看作是烷基和卤素结合而成的化合物而命名，称为某烷基卤：,正丁基氯,异丁基氯,叔丁基溴,新戊基碘,9.1 卤代烷 9.1.1 卤代烷的命名,CH3CH2CH2CH2Cl,(CH3)3CBr,(CH3)3CCH2I,7,(2)系统命名法 选择含有卤素原子的最长碳链为主链,把支链和卤素看作取代基,按照主链中所含碳原子数目称作“某烷”. 主链上碳原子的编号从靠近支链一端开始; 主链上的支链和卤原子根据立体化学次序规则的顺序,以“较优”基团列在后的原则排列.,2-甲基-4-氯戊烷,3-甲基-1-碘戊烷,8,当有两个或多个相同卤素时,在卤素前冠以二、三、.,4-甲基-3-溴庚烷,2-甲基-3,3,5-三氯己烷,9,当有两个或多个不相同的卤素时，卤原子之间的次序是：氟、氯、溴、碘。,2-甲基-3-氟-4-溴-1-碘丁烷,在多卤烷的命名中，常用“对称”和“不对称”、“偏”等字来命名：,1,2-二氯乙烷 对称二氯乙烷,1,1-二氯乙烷 不对称二氯乙烷 偏二氯乙烷,ClCH2CH2Cl,CH3CHCl2,10,(1) 烷烃卤代在光或高温下，常得到一元或多元卤代烃的混合物。,9.1.2 卤烷的制法,在实验室一般用于烯烃和芳烃。 此外，高度对称的原料可以通过控制反应比使用。 (注意这些反应均为游离基取代)。,溴代反应比氯代反应困难，但选择性好。 碘代反应更难，一般不用烷烃碘代制备碘烷，因为碘代时生成的碘化氢为强还原剂，能使反应逆向进行：,如在反应同时加入一些氧化剂（如碘酸、硝酸、氧化汞等）使HI氧化，则碘化反应能顺利进行：,11,(2)不饱和烃与卤化氢(马氏、反马、重排)或卤素加成,例：,属于那种类型反应？遵从什么规则？,12,(3) 从醇制备实验室最常用的方法：,(A)醇与氢卤酸作用:,这是可逆反应，增加反应物浓度并除水以提高产率。 氯烷的制备: 将浓盐酸和醇在无水氯化锌存在下制得; 溴烷的制备: 将醇与氢溴酸及浓硫酸(或溴化钠与浓硫酸)共热; 碘烷：则可将醇与恒沸氢碘酸(57%)一起回流加热。,醇与氢卤酸反应的速度与氢卤酸的浓度成正比； 氢卤酸与醇反应时的活性次序:HIHBrHCl； 醇反应速度3o2o1oCH3OH,此反应的缺点就是有时烃基发生重排(P225)。,13,(A)醇PX3、PCl5、SOCl2作用:,三种方法的共同优点是烃基不发生重排,14,上式为我们提供了按平衡移动原理把一种卤代烃转化为另一种卤代烃的方法。 例如：讲义中， RCl + NaI(丙酮溶液) RI + NaCl 即从氯烷制备碘烷的方法，产率高，但使用此溶剂只限于制备伯碘烷。,(4) 卤素的置换：,15,常温常压下：除氯甲烷、氯乙烷、溴甲烷是气体外，其它常见的一元卤烷为液体。C15以上的卤烷为固体。 一元卤烷的沸点随着碳原子数的增加而升高。 同一烃基的卤烷碘烷的沸点最高，其次是溴烷、氯烷。在卤烷的同分异构体中，直链异构体的沸点最高，支链越多，沸点越低。 一元卤烷的相对密度大于同数碳原子的烷烃。一氯代烷的相对密度小于1，一溴代烷、一碘代烷及多氯代烷的相对密度大于1；同一烃基的卤烷，氯烷的相对密度最小，碘烷的相对密度最大。 如果卤素相同，其相对密度随着烃基的相对分子量增加而减少。,9.1.3 卤烷的物理性质(自学),16,卤烷不溶于水，而溶于醇、醚、烃等有机溶剂中。 纯净的一元卤烷都是无色的。但碘烷易分解产生游离碘，故碘烷久置后逐渐变为红棕色。 不少卤烷带有香味，但其蒸汽有毒，特别是碘烷，应防止吸入。,卤烷在铜丝上燃烧时能产生绿色火焰，可鉴别卤素的简便方法。,17,CX键的伸缩振动吸收频率随卤素原子量的增加而减少：,卤烷的红外光谱,键的伸缩振动吸收频率 CF 14001000cm-1 CCl 850600cm-1 CBr 680500cm-1 CI 500200cm-1,18,例：1-氯己烷（Cl-CH2(CH2)4CH3）的红外光谱,19,官能团: 卤素 卤原子的电负性大于碳原子,因此C-X键是极性共价键: 实验测得的卤烷偶极矩也证明了这一点： 卤烷 CH3CH2Cl CH3CH2Br CH3CH2I 偶极矩 2.05D 2.03D 1.91D,可见，随着卤素电负性的增加，C-X键的极性也增大。 和C-C键或C-H键比较，C-X键在化学过程中具有更大的可极化度。,9.1.4 卤烷的化学性质,20,C-X键的键能也比较小: C-I 217.6 kJ/mol (52kcal/mol); C-Br 284.5 kJ/mol (68kcal/mol); C-Cl 338.9 kJ/mol (80kcal/mol); 因此，卤烷的化学性质比较活泼，反应都发生在C-X键上。所以，卤素是卤烃分子中的官能团。 (1) 取代反应 在卤烷的取代反应中，卤素易被负离子（如HO-，RO-，NO3- 等）或具有未共用电子对的分子（如NH3、H2O）取代，这些试剂叫亲核试剂，常用Nu：或Nu-表示。 亲核取代反应（Nucleophilic Substitution Reaction),21,亲核取代反应（Nucleophilic Substitution Reaction) 由亲核试剂进攻而引起的取代反应称为亲核取代反应，用SN表示。可用通式：,Nu- + RX RNu + X-,+,-,RX为反应物，又称底物；Nu-为亲核试剂；X-为离去基团。,22,一般的卤烷是由醇制得，所以一般比相应的醇价格高。 但在实际上在一些比较复杂的分子中要引入一个羟基常比引入一个卤素原子困难。因此，对这类分子的合成往往可以先引入卤素原子，然后通过水解再引入羟基。,(A)水解,卤烷与水作用，可水解成醇。该反应是可逆的。,常将卤烷与强碱（NaOH、KOH）的水溶液共热来进行水解：,23,工业上也可将一氯戊烷的各种异构体混合物通过水解制得戊醇的各种异构体的混合物，作工业溶剂：,卤烷水解反应的速度与卤烷的结构、使用的溶剂及反应条件等都有关。,这一方法有其自身的缺点：但氯代烃为3o时，通常发生消除而不发生取代，因此不能用于三级醇的制备。,24,在醇溶液中加热回流反应，生成腈(伯:RCN)。,该反应作为增长碳链的方法之一。 通过氰基可再转变为其他官能团，如：羧基( -COOH )、酰等胺基(-CONH2)等。(R如为仲、叔烷基易消除),氨比水或醇具有更强的亲核性，卤烷与过量的氨作用可制伯胺(不纯，实验室一般不用，见教材)：,(B) 与氰化钠(钾)作用,(C) 与氨作用,25,此反应用于制备混醚，被称为威廉逊法。 由于消除反应的竞争，最好使用1oRX，一般不用2oRX，绝对不用3oRX。,(D) 与醇钠作用,为什么不把甲醇转化成甲醇钠，然后再与叔丁基氯反应制备产物？,26,(E) 与硝酸银作用,卤烷反应活性次序：苯甲和烯丙3o2o1oCH3X 此反应可用于卤烷的分析鉴定。,27,注意：卤原子被氢取代的反应:,这是书中的举例，反应式正确，但配平错误。,28,消除反应这种从分子中失去一个简单分子生成不饱和键的反应，称为消除反应，用E表示。,(2)消除反应（Elimination reaction),(A)脱卤化氢,该反应在有机合成上常作为在分子中引入碳碳双键和碳碳叁键的方法。,29,卤烷脱卤化氢的难易与烃基结构有关：,叔卤烷最易，仲卤烷次之，伯卤烷最难,叔卤烷和仲卤烷在脱卤化氢时可能得到两种不同的消除产物： 例1：,30,例2：,2-甲基-2-丁烯 71%,2-甲基-1-丁烯 29%,查依采夫规则 卤烷脱卤化氢时，氢原子往往是从含氢较少的碳原子上脱去的。 在大多数情况下，卤烷的消除反应和取代反应同时进行的，而且相互竞争，哪种反应占优势则与分子的结构和反应条件有关。,（补充）注意：随着溶剂中碱性增强(如：叔丁醇钠)、基团增大，反查依采夫规则的产物比例增加(E2)。,31,邻二卤化物除了能发生脱卤化氢反应生成炔烃或较稳定的共轭二烯烃外，在锌粉（或镍粉）存在下，邻二卤化物更能脱去卤素生成烯烃：,如果是邻二碘化物，一般在加热的条件下脱碘反应很快就进行，这也是碘和双键较难发生加成反应的原因。,(B) 脱卤素,32,孚兹 (Wrtz)反应烷基钠形成后容易进一步与卤烷反应生成烷烃：,该方法产率低，副产物多。只适用于结构对称且C数为偶数的烷烃的制备。,(3) 与金属钠作用,(A) 与金属钠作用：,33,孚兹 (Wrtz)-菲蒂希反应-制备芳烃: 例如:,注意：该方法无重排。（对比傅克烷基化反应）,34,卤代烃与金属镁在无水乙醚作用下生成烃基卤化镁(格氏试剂，Grignard 试剂)(1900年发现，1912年诺奖)。,(B) 与镁作用,(a) 如果使用乙烯型或苯型卤代烃，需要使用四氢呋喃(THF)等高沸点溶剂；(不绝对，具体情况见下页) (b) 如果使用烯丙型、苯甲型以及3oRX，必须控制低温，否则发生类似Wurtz反应的偶联； (c) 制备格氏试剂的卤代烃活性：RI RBr RCl,35,36,格氏试剂的性质及用途,37,例：一些破坏格氏试剂的带活泼氢的物质,38,如何从相应的烷烃、环烷烃制备下列化合物？,思考题1,(1),(2),(1),(2),39,注意：,（1）在制备Grignard试剂时：若仅连有惰性基团（如：-OCH3、烷基等）时，容许。 （2）若含有活泼 H（如：-NH2、H2O、醇等）、或碳杂双键（如：-CHO）等，则不能制备Grignard)试剂（它们之间有反应）。,涉及这些基团，需要先保护之，再制备格氏剂。,40,亲核取代反应是卤烷的一个重要反应。如前述，通过此类反应可以将卤素官能团转变为其他多种官能团。 例1：溴代烷的水解：,有些卤烷的水解反应速度仅与卤烷本身的浓度有关。 有些卤烷的水解速度不仅与卤烷的浓度有关，而且还和试剂（例如碱）的浓度有关。,(4) 饱和碳原子上的亲核取代反应历程,41,例: 叔丁基溴在碱性溶液中的水解速度,仅与卤烷的浓度成正比:,水解 = k (CH3)3CBr,上述反应可认为分两步进行:,(A) 单分子亲核取代反应(SN1),42,第一步:叔丁基溴在溶剂中首先离解成叔丁基碳正离子和溴负离子:,过渡态,碳正离子是个中间体，性质活泼，称为：活性中间体。,43,第二步：叔碳正离子立即与试剂OH-或水作用生成水解产物-叔丁醇:,对多步反应来说：生成最后产物的速度主要由速度最慢的一步来决定。,在速控步中，发生共价键变化的只有一种分子，所以称作单分子反应历程。 这种单分子亲核取代反应常用SN1来表示。,44,叔丁基溴水解反应的能量曲线,45,如果卤素是连在手性碳原子上的卤烷发生SN1水解反应，可得到“构型保持”和“构型转化”几乎等量的两个化合物，即外消旋体混合物（可以此鉴别历程SN1或 SN2 ）：,构型保持,构型转化,SN1反应的立体化学：,46,SN1反应的另一个特点：由于反应过程中有正碳离子中间体，反应伴有重排。,47,溴甲烷的碱性水解的反应速度不仅与卤烷的浓度成正比，而且也与碱的浓度成正比：,水解 = k CH3BrOH-,反应机理：,过渡态,构型相反 瓦尔登转化,(B) 双分子亲核取代反应（SN2）,48,溴甲烷水解能量曲线,SN2，新键已部分 形成旧键已部分 断裂。,过渡态结构,49,如果卤素是连在手性碳原子上的卤烷发生SN2反应，则产物的构型与原来反应物的构型相反。,= - 34.6,= +9.9,瓦尔登转化是SN2反应的一个重要标志。,例：（-）-2-溴辛烷水解,50,(a) 烷基结构对SN1反应的影响 溴甲烷、溴乙烷、2-溴丙烷和2-甲基-2-溴丙烷等在极性较强的溶剂（甲酸溶液）中水解时，测得的这些反应按SN1历程的相对速度如下：,相对速度 108 45 1.7 1.0,(5) 影响亲核取代反应的因素,(A) 烃基的影响,51,伯烷基离子的能量比叔烷基高很多(约167.4 kJ/mol)，有人认为甲基和伯烷基碳正离子在溶液中不能作为活性中间体生成。下列正碳离子稳定性较高，如：,因它们都连着供电子性能的基团而使它们稳定性提高。,烷基碳正离子的稳定性：,52,溴甲烷、溴乙烷、2-溴丙烷和2-甲基-2-溴丙烷等在极性较小的无水丙酮中与碘化钾反应,可生成相应的碘烷。实验证明，这些反应是按SN2历程进行的，其相对速度如下:,相对速度 150 1 0.01 0.001,因而,按SN2历程进行反应时,卤烷的活性次序一般为: CH3X 伯卤烷 仲卤烷 叔卤烷.,(B) 烷基结构对SN2反应的影响,53,立体效应碳原子上的烃基能阻碍亲核试剂的接近，提高了反应的活化能而使反应速度降低。 电子效应 碳原子上的氢被烃基取代后，碳原子上的电子云密度将增加,也不利于亲核试剂对反应中心的接近。,SN2反应中的空间效应,一般认为：立体效应的影响大于电子效应,54,对伯卤烷来说：-碳原子上的氢被甲基(烷基)取代后，也能阻碍亲核试剂的进攻。 例：伯卤烷RX和C2H5O-在乙醇溶剂中(55oC)按SN2反应生成醚的相对速度：,相对速度100 28 3 0.00042,55,-碳原子上的三个甲基对亲核试剂的进攻起空间阻碍作用:,所以，烃基结构中的空间效应对SN2反应速度影响甚大。,伯卤代烃,56,叔溴烷易失去Br-而形成稳定的碳正离子，所以它主要按SN1历程进行亲核取代反应；而伯溴烷则反之，主要按SN2历程进行；仲溴烷则处于两者之间。 CH3Br、(CH3)2CHBr、(CH3)3CBr这个系列中，水解历程是一个由SN2转变为SN1的过程。,溴烷的烷基对水解速度的影响,57,注意1：伯卤烷一般易发生SN2反应，但如果控制条件，也会发生SN1反应。,络合物,在有机分析鉴定中，用硝酸银的乙醇溶液与伯卤烷作用就属于SN1反应。,伯卤烷在室温时反应很慢，加热后才有AgCl沉淀的产生。,例1：伯卤烷在银或汞离子存在下，这些离子可促使碳卤键的断裂：,58,注意2：叔卤烷一般易发生SN1反应，但如果控制条件，也会发生SN2反应。 例2：叔氯烷（或叔溴烷）与碘化钠的丙酮溶液反应，因为碘离子很容易进攻氯（或溴）的-碳原子，于是形成过渡态，使叔氯烷（或叔溴烷）发生SN2反应。,59,离去基团的倾向越大，取代反应就越容易进行，反应速度就越快。 当卤烷分子的烷基结构相同：不同卤烷的反应速度次序是： RI RBr RCl 因为SN1或SN2中，都要求把C-X键拉长削弱，最后发生异裂。如: (CH3)3C-X在80%乙醇中反应的相对速度为:,(B) 卤素的影响,X： Cl Br I 相对速度: 1.0 39 99,60,一般说来：离去基团容易离去，使反应中易生成碳正离子中间体，该反应就有利于按SN1历程进行。 卤离子或其他离去基团离去能力的大小次序与它们的共轭酸的强弱次序相同,即: 强酸的负离子(I- 、 )是好的离去基团，易离去； (2) 弱酸的负离子(如OH-、RO-、NH2-等)是差的离去基团，难离去。 总之，离去基团的碱性越小越易离去。 例如：氢卤酸中酸性大小次序：HI HBr HCl，卤素负离子离去的能力大小次序是： I- Br- Cl-,61,在SN1反应中，反应速度与亲核试剂无关。 在SN2反应中，由于亲核试剂参与了过渡态的形成，因此，亲核试剂的亲核能力和浓度将会直接影响反应速度：,亲核试剂的浓度越大，亲核试剂的亲核能力越强，反应按SN2历程进行的趋势越大。,亲核试剂的亲核性一般与它的碱性、可极化度有关：,(C) 亲核试剂的影响,62,一般讲：碱性强的亲核试剂其亲核能力也强，如碱性HO- H2O，亲核性也是HO- H2O. 亲核性和碱性是两个不同的概念。 (1) 当试剂的亲核原子相同时，它们的亲核性和碱性是一致的: C2H5O- HO- C6H5O- CH3CO2- (2) 当试剂的亲核原子是周期表中同一周期的元素时，试剂的亲核性和碱性强弱次序也是呈对应关系的： R3C- R2N- RO- F- (3) 当试剂的亲核原子是周期表中同一族元素时，情况复杂。,(a) 试剂的亲核性与碱性有关,63,(4) 一般讲：周期表中第三、四周期元素的亲核力强；第二周期元素的碱性强。,在质子溶剂中，常见的亲核试剂的亲核能力大概次序是： RS- ArS- CN- I- NH3(RNH2) RO- HO- Br- PhO- Cl- H2O F-,64,一般认为：碱性相近的亲核试剂，其可极化度大的则亲核能力强。,(b) 试剂的亲核性与可极化度有关,原子半径越大，可极化性越大，易成键。,亲核能力: I- F-,65,溶剂的极性大小对反应历程的影响也很大。一般说来，介电常数大的极性溶剂有利于卤烷的离解，所以，有利于按SN1历程进行。,总之，影响亲核取代反应的因素很多，要确定一个反应的历程需要综合考虑。,(D) 溶剂的影响,66,(D) 溶剂的影响(续),一般，质子溶剂中，碱性越强，亲核性越差；例如在水中，I- Br- Cl- 非质子溶剂中，碱性越强，亲核性越强，例如在非质子溶剂中：I- Br- Cl-,67,在进行饱和碳原子上的亲核取代反应时，除了生成取代产物常外，还有烯烃的生成。这是同时还有消除反应发生(竞争反应)。例如：,究竟取代还是消除，则要看反应物的结构和反应条件。,消除反应也存在单分子消除反应和双分子消除反应两种不同的历程.,(6)消除反应(Elimination reaction)机理,68,单分子消除反应也是分两步进行的： (1) 第一步是卤烷分子在溶剂中先离解成碳正离子； (2) 第二步是在碳原子上脱去一个质子，同时在与碳原子之间形成一个双键：,SN1和E1历程常同时发生,如何衡量何者占优势，视正碳离子在第二步中消除质子或与试剂结合的相对趋势而定。,(A) 单分子消除反应(E1),69,此外：E1或SN1反应中生成的正碳离子还可以发生重排而转变为更稳定的碳正离子，然后再消除质子(E1)或与亲核试剂作用(SN1).,例如: 新戊基溴和乙醇作用:,70,双分子消除反应是碱性亲核试剂进攻卤烷分子中的氢原子，使这个氢原子成为质子和试剂结合而脱去，同时，分子中的卤原子在溶剂作用下带着一对电子离去，在 碳原子与碳原子之间形成了双键。反应经过一个较高的过渡态。,(B) 双分子消除反应,例如： 伯卤烷在强碱的作用下所发生的消除反应：,B- = OH-, C2H5O- 等，X = Cl, Br, I 等,71,上述反应历程：新键的生成和旧键的破裂同时发生的。反应速度与反应物浓度以及进攻试剂的浓度成正比，这说明反应是按双分子历程进行的，因此叫双分子消除反应，以E2表示。 过渡态：,（E2）,（SN2）,:B代表碱性试剂； L代表离去基团,因此， E2和SN2反应也往往是同时发生的。,72,消除反应常常与亲核取代反应同时发生并相互竞争。 消除产物和取代产物的比例受反应物结构、试剂、温度、溶剂等多种因素的影响。 (a) 反应物结构的影响 没有支链的伯卤烷与强亲核试剂作用：主要起SN2反应。 如卤烷碳原子上支链增加，对碳原子进攻的空间空间位阻加大，则不利于SN2而有利于E2。 碳原子上有支链的伯卤烷也容易发生消除反应；,(C) 影响消除反应的因素,73,碳原子上有支链的伯卤烷容易发生消除反应因为碳原子上的烃基会阻碍试剂从背面接近碳原子而不利于SN2的进行。 例如:溴烷和乙醇钠在乙醇中反应，其取代产物和消除产物的百分比如表：(195页) 叔卤烷在没有强碱存在时起SN1和E1反应，得到取代产物和消除产物的混合物：,取代产物 消除产物,74,碳原子上烷基增加时，则对E1 反应比SN1反应更有利。 例：叔卤烷在25时与80%乙醇作用，得到消除和取代产物的产率分别是：,消除%,取代%,16 34 62 78,84 66 38 22,75,仲卤烷的情况较复杂，介于两者之间，而碳原子上有支链的仲卤烷更易生成消除产物。例如：,卤代物的结构对消除和取代反应有如下影响:,所以，常用叔卤烷制备烯烃，伯卤烷制备醇、醚等取代物,76,亲核性强的试剂有利于取代反应，亲核性弱的试剂有利于消除反应。 碱性强的试剂有利于消除反应，碱性弱的试剂有利于取代反应。,当伯或仲卤烷用NaOH水解时，往往得到取代和消除两种产物(因为：OH-既是亲核试剂又是强碱)；,(b) 试剂的影响,而当卤烷与KOH的醇溶液作用时，由于试剂为碱性更强的烷氧负离子RO-，故主要产物是烯烃；如果碱性加强或碱的浓度增加，消除产物