Chapter 3-Alkyl Halides

1、Organic ChemistryDr. Xiaohong ZhaoSchool of Environmental Science and EngineeringEmail: Chapter 3 Alkyl Halides三氯乙烯三氯乙烯聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）七氟丙烷七氟丙烷What are alkyl halides?What are alkyl halides?Alkyl halides are compounds in which a halogen atom (fluorine, chlorine, bromine or iodine) replaces a hydrogen a

2、tom of an alkane.Alkyl halides are also called haloalkanes3.1.1 Classification vClass of Halogen：Fluorohydrocarbon 、Chlorohydrocarbon、Bromohydrocarbon 、Iodohydrocarbon 。 vStructure of Alkyl：Alkyl halides:CH3CH2XRClRBrRI,RF3.1 Classification, Isomerism and NomenclatureUnsaturated alkyl halides:CHRCHX

3、卤代烯烃卤代烯烃RCHCHCH2XRCHCH(CH2)nX乙烯式乙烯式烯丙式烯丙式孤立式孤立式n n22卤代芳烃卤代芳烃 XCH2X乙烯式乙烯式烯丙式烯丙式CRRCRXXRCHCHCH2XCH2X一卤代烃一卤代烃CH3CH2Br二卤代烃二卤代烃 CH3CH CH2ClClCH3CCH3BrBr二卤代烷二卤代烷 偕二卤代烷偕二卤代烷 多卤代烃多卤代烃 CHF3CHCl3CHBr3CHI3氟仿氟仿 fluroform 氯仿氯仿 chloroform 溴仿溴仿 Bromoform 碘仿碘仿 Iodoform CCl4四氯化碳四氯化碳carbon tetrachloride vNumber of Ha

4、logen atom：vThe carbon atom to which the halogen is directly attached 伯卤代烃伯卤代烃 1 1卤代烃卤代烃 仲卤代烃仲卤代烃 2 2卤代烃卤代烃 叔卤代烃叔卤代烃 3 3卤代烃卤代烃 CH3CHCH2CH2CH3ClCH3CHCH2CH3BrCH3CCH3BrCH3PrimarySecondaryTertiaryv除了存在除了存在碳链异构碳链异构外，还存在卤素原子的外，还存在卤素原子的位置异构位置异构及及对映异构对映异构等。等。 CH3CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2ClCH3CH2CHCH3Cl*CH3CHCH3

5、CH3CH3CHCH2ClCH3CH3CCH3CH3ClC4H9Cl3.1.2 Isomerism CH3CH2CHCH2CHCH2CH3CH3Cl3-3-甲基甲基-5-5-氯庚烷氯庚烷4-4-甲基甲基-2-2-氯己烷氯己烷CH3CH2CH CH2CH CH3ClCH33.1.3 Nomenclature CH CH2ClCH3CH3CHCH2CHCH2CH3BrClCH3CHCH2CHCH3BrCl2-2-苯基苯基-1-1-氯丙烷氯丙烷4-4-氯氯-2-2-溴己烷溴己烷 2-2-氯氯-4-4-溴戊烷溴戊烷 H3CHBrH顺顺-1-1-甲基甲基-2-2-溴环丙烷溴环丙烷v卤代烯烃：卤代烯烃：

6、CH2CH CHCH3CH2Cl3-3-甲基甲基-4-4-氯氯-1-1-丁烯丁烯 ClCH34-4-甲基甲基-5-5-氯环己烯氯环己烯v卤代芳烃：卤代芳烃：ClClBr氯苯氯苯1-1-氯氯-4-4-溴苯溴苯3.2.1 physical properties（1）State: gas liquid solid（2）Boiling point烃基同烃基同 , RIRBrRCl卤素同卤素同 , 随烃基随烃基R碳链增加而升高碳链增加而升高碳链异构体碳链异构体 , 直链卤烃直链卤烃支链卤烃支链卤烃（3）Solubility: insoluble in water, soluble in most org

7、anic solvents3.2 Properties of Alkyl Halides（4）Density烃基同烃基同 , RIRBrRCl卤素同卤素同 , 随烃基随烃基R碳链增加而减少碳链增加而减少大多数卤代烷大多数卤代烷1NuCXCX+NuCX CX+NuRCH2CHCHXHHB3.2.1 Chemical properties碳卤键碳卤键静态极性：静态极性：C-Cl C-Br C-I 动态极化：动态极化： R-I R-Br R-Cl (与化学反应活性一致）与化学反应活性一致）2 ）NuRX+XRNu+v在亲核取代反应中，试剂进攻在亲核取代反应中，试剂进攻分子电子密度小分子电子密度小的地

8、的地方。方。 vNucleophiles：依靠自己的未共用电子对形成新键。：依靠自己的未共用电子对形成新键。负离子负离子：OH、RO、CN、X、RCC、-SH、-SR、I-、-CH（COOEt)2等，等， 有未共用电子对的有未共用电子对的分子分子:H2O、ROH、NH3、RNH2、ROR, RCN等。等。 nucleophile substrateproductHalide ionvLeaving groups：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。1). 水解反应水解反应 v和和NaOH或或KOH的的水溶液共热水溶液共热，生成相应的，生成相应的醇醇。 RCH2-X

9、NaOHRCH2OHNaX+水1加加NaOH是为了加快反应的进行，使反应完全。是为了加快反应的进行，使反应完全。2卤原子在芳环上时，反应则困难的多。卤原子在芳环上时，反应则困难的多。2). 与醇钠（与醇钠（RONa）反应）反应: (Williamson合成法合成法)R-X + RONaR-O R + NaX醚R-X一般为一般为1RX，（，（仲、叔卤代烷仲、叔卤代烷与醇钠反应时，主要与醇钠反应时，主要发生发生消除反应生成烯烃消除反应生成烯烃）。）。 ROH3). 与氰化钠反应与氰化钠反应 R X+ NaCNR CNNaX+C2H5OH1反应后分子中反应后分子中增加了一个碳原子增加了一个碳原子，是

10、有机合成中，是有机合成中增长碳增长碳链的方法之一链的方法之一。2CN可进一步转化为可进一步转化为COOH，-CONH2等基团等基团。 4).与氨反应与氨反应R NHR X + NH33X+R NH2NH4X+NH3R CNR C NH2OR COOH + NH3H2OH+H2OH+回流回流5). 与与AgNO3醇溶液反应醇溶液反应 R X + AgNO3R ONO2AgX+C2H5OH用途：用途：用于各类卤代烃的用于各类卤代烃的鉴别鉴别： 3卤代烃卤代烃 2卤代烃卤代烃 1卤代烃卤代烃 3卤代烃在卤代烃在室温下室温下能迅速反应，生成卤化银沉能迅速反应，生成卤化银沉淀，淀，2卤代烃反应较慢，卤代

11、烃反应较慢，1卤代烃卤代烃要加热要加热才才能反应。能反应。根据生成沉淀的快慢根据生成沉淀的快慢，可确定卤代烃的活性次序；，可确定卤代烃的活性次序；v亲核取代反应的活性：亲核取代反应的活性：vR3C-X R2CH-X RCH2-XvRI RBr RCl Elimination reactions从分子中从分子中脱去一个简单分子脱去一个简单分子生成不饱和键生成不饱和键的反应称为消除的反应称为消除反应，用反应，用E表示。表示。卤代烃与卤代烃与NaOH（KOH）的醇溶液）的醇溶液作用时，脱去卤素与作用时，脱去卤素与碳碳原子上的氢原子而生成烯烃。原子上的氢原子而生成烯烃。 RCH CH2HXNaOHRC

12、H CH2NaXH2O+C2H5OH1) 消除反应的活性消除反应的活性： 3RX 2RX 1RX2） 2、3RX脱卤化氢时，遵守脱卤化氢时，遵守扎依采夫扎依采夫（Sayzeff）规则）规则即主要产物是生成双键碳上连即主要产物是生成双键碳上连接接烃基最多的烯烃烃基最多的烯烃。CH3CHCHCH2BrHHKOHC2H5OHCH3CHCH2CH3CH3CH2CHCH281% 19% CH3CHCCH2BrHCH3HKOHC2H5OHCH3CHCCH3CH3CH3CH2CCH2CH371% 29% 消除反应与取代反应消除反应与取代反应在大多数情况下是同时进在大多数情况下是同时进行的，为竞争反应，哪种产

13、物占优则与行的，为竞争反应，哪种产物占优则与反应物反应物结构结构和和反应的条件反应的条件有关。有关。 RM （M = 金金属属，metal）金属金属电负性电负性Li1.0Mg1.2Cd1.7Cu1.9 卤代烃能与某些金属发生反应，生成卤代烃能与某些金属发生反应，生成有机金属化合物有机金属化合物金属原子直接与碳金属原子直接与碳原子相连接的化合物。原子相连接的化合物。RLi烷基锂烷基锂 RMgXR2CdR2CuLi烷基卤化镁（烷基卤化镁（Grignard试剂，试剂，格氏试剂格氏试剂，），）二烷基铜锂二烷基铜锂烷基镉烷基镉(1) (1) 和镁反应和镁反应 X = Cl Br IVictor Grig

14、nard(1871 1935)诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖（1912）vGrignard试剂试剂的的组成组成：很复杂，为：很复杂，为RMgX、R2Mg、MgX2、(RMgX)n等等的混合体系，但常用的混合体系，但常用RMgX表示。表示。 乙醚的作用乙醚的作用是与格氏试剂是与格氏试剂络合成络合成稳定稳定的溶剂化物，的溶剂化物， 既是溶剂，又是稳定既是溶剂，又是稳定化剂化剂 。MgRXOC2H5C2H5OC2H5C2H5苯、四氢呋喃（苯、四氢呋喃（THFTHF）和其他醚类也可作为溶剂。）和其他醚类也可作为溶剂。RXMgRMgXdry Et2ORIRB rRC lRFRMgX R 和和含活泼氢含活泼氢的

15、化合物反应，的化合物反应，迅速分解迅速分解生成烷烃生成烷烃。 MgXRHOHH ORHO CROHNR(H)2H CCRRHMgX(OH)MgX(OR)MgX(OCR)OMgXNR(H)2CRMgXCHXMgX2RXMgRMgXdry Et2OD2OH2ORDRH了解了解能和空气中的能和空气中的O2、CO2缓慢作用。缓慢作用。 RMgXO2ROMgXH2OR0HRMgXCO2RCOOMgXH2ORCOOH制备制备Grignard试剂应试剂应在无水（无氧）条件下在无水（无氧）条件下进行。进行。底物中不能有底物中不能有活泼氢活泼氢存在。存在。可可测定测定化合物中的化合物中的活泼氢活泼氢。如用。如用

16、CH3MgI和待测物反应，和待测物反应，1mol1mol的活泼氢能生成的活泼氢能生成1mol1mol甲烷。甲烷。 (2) (2) 和钠反应和钠反应 v有机钠化合物，碳和钠之间是非常活泼的有机钠化合物，碳和钠之间是非常活泼的离子键离子键。v武慈武慈Wurtz反应反应： 2RX + 2NaR R2NaX+vWurtz-Fittig反应反应：CH3CH2CH2CH2Br+NaBrCH2CH2CH2CH3v有机化合物分子中的原子或原子团被亲核试剂取代有机化合物分子中的原子或原子团被亲核试剂取代的反应称为的反应称为亲核取代反应亲核取代反应。 RCH2 L + NuRCH2 NuL+v反应过程：反应过程：

17、反应物反应物亲核试剂亲核试剂 中心碳原子中心碳原子 离去基团离去基团1)两种历程两种历程 : :(1) 双分子亲核取代机理（双分子亲核取代机理（S SN2）溴甲烷碱性水解溴甲烷碱性水解 = K CH3BrOH在决定反应速度步骤中一定包含有在决定反应速度步骤中一定包含有两种粒子的碰撞两种粒子的碰撞。一步完成一步完成（新键的形成和旧键的断裂（新键的形成和旧键的断裂同步进行同步进行），无中间），无中间体生成，经过一个体生成，经过一个不稳定不稳定的的“过渡态过渡态”。 CHBrHHHH HHOCHHHHO +HO C Br+ Br过渡态HO 从离去基团溴原子的背面进攻中心碳原子，受溴原子的电子效应和空

18、间效应的影响最小。复sp3中心碳原子与五个其他原子或基团相连接，由于较为拥挤，导致其热力学稳定性差，易于断键，使中心碳原子恢杂化。过渡态的特点过渡态的特点: :O-C键尚键尚未完全未完全形成形成, C-Br也未完全形成断裂也未完全形成断裂sp2v反应的能量变化可用位能曲线表示：反应的能量变化可用位能曲线表示： E EE Ea aHHOH + CH3Br HO CH3 Br+ BrCH3OH反应进程反应进程(2) 单分子历程单分子历程SN1 (CH3)3C Br(CH3)3C OH+OH Br水解反应速度水解反应速度仅与反应物卤代烷的浓度有关仅与反应物卤代烷的浓度有关，而与亲，而与亲核试剂的浓度

19、无关，所以称为核试剂的浓度无关，所以称为单分子亲核取代反应单分子亲核取代反应（SN1反应）。反应）。 (CH3)3C Br(CH3)3C +慢 (CH3)3C Br+ Brv反应是反应是分两步分两步进行的：进行的： (CH3)3C +(CH3)3C OH(CH3)3C OH+OHv反应的位能曲线：反应的位能曲线： E E反应进程反应进程(CH3)3C Br (CH3)3C Br+(CH3)3C + (CH3)3C OH+(CH3)3C OHE E1 1HHE E2 2v反应的反应的活性中间体活性中间体为为碳正离子碳正离子。C CH3+CH3CH3sp2杂化杂化2p空轨道空轨道正电荷分散程度越大

20、，碳正离子越稳定。正电荷分散程度越大，碳正离子越稳定。碳正离子碳正离子重排重排: SN1反应的特征反应的特征2)亲核取代反应的立体化学亲核取代反应的立体化学 SN2反应的立体化学反应的立体化学 构型转化构型转化-瓦尔登（瓦尔登（Walden）转化）转化 在在SN2反应中，反应中，Nu-从从离去基团离去基团L的的背面背面进攻反应中心。进攻反应中心。 CLNuNuCL-Nu-CL（- -）-2-2-溴辛烷溴辛烷（+ +）-2-2-辛醇辛醇 = -34.2 = -34.2。 = +9.9 = +9.9。HOCC6H13H3C+BrHSN2HOCC6H13HCH3+ Br实验实验1SN1反应与反应与S

21、N2反应的区别反应的区别 SN1 SN2 单分子反应单分子反应 双分子反应双分子反应 V = K R-X V = K R-X Nu： 两步反应两步反应 一步反应一步反应 有中间体碳正离子生成有中间体碳正离子生成 形成过渡态形成过渡态 - 构型翻转（瓦尔登转化）构型翻转（瓦尔登转化） 有重排产物有重排产物 无重排产物无重排产物 NuRX+XR+Nu溶溶剂剂l 亲核能力亲核能力 l 浓度浓度l R的结构的结构l CX键强度键强度l 浓度浓度l 对亲核试剂的影响对亲核试剂的影响l 对反应的影响对反应的影响l 稳定性稳定性 绝对的按绝对的按 SN2 或或 SN1 机理的例子机理的例子不多，一般情况下两

22、种机理并存，并依不多，一般情况下两种机理并存，并依反应条件而改变。反应条件而改变。1) 烃基结构烃基结构(1) 对对SN1的影响的影响SN1反应的反应的难易取决于中间体碳正离子的生成难易取决于中间体碳正离子的生成，一个，一个稳定稳定的的碳正离子，也一定是碳正离子，也一定是容易容易生成的碳正离子。因此，在生成的碳正离子。因此，在SN1反反应中，卤代烷的活性次序应该是：应中，卤代烷的活性次序应该是：1。RX 2。RX3。RXCH3X空间效应空间效应CH3CBrCH3CH3CCH3CH3CH3+基团拥挤基团拥挤 拥挤程度减少拥挤程度减少电子效应：烷基为供电子基，分散电子效应：烷基为供电子基，分散C+

23、，增加稳定性，增加稳定性Steric Effects on SN2 ReactionsCHHHBrCHHCH3BrCHH3CCH3BrCCH3H3CCH3Br(2) 对对SN2的影响的影响:空间位阻空间位阻SN2反应的特点是亲核试剂从反应的特点是亲核试剂从 CX 键的键的背后背后接近反应中心接近反应中心碳原子的，显然，碳原子的，显然，- 碳上碳上连有的烃基连有的烃基，亲核试剂，亲核试剂越难以接越难以接近反应中心近反应中心，其，其反应速率必然反应速率必然。因此，在。因此，在SN2反应中，卤反应中，卤代烷的活性次序应该是：代烷的活性次序应该是：CH3X 1。RX 2。RX3。RX空间位阻效应空间位

24、阻效应 电子效应电子效应：烷基为给电子基，会增大：烷基为给电子基，会增大C C原子原子上的电子云密度，不利于形成过渡态上的电子云密度，不利于形成过渡态CHHHIBrCH3CH3CH3CH3CHHIBrCHIBrCIBrCH3CH3从 左 至 右 ， 随 着 烃 基 的 增 多 ， 过 渡 状 态 的 拥 挤 程 度 增 大 ，达 到 过 渡 状 态 所 需 的 活 化 能 增 加 ， 因 此 ， 反 应 速 率 降 低 。R-Br + KIR-I + HBrSN2( )反反应应丙丙酮酮反反应应物物相相对对速速度度CH3BrCH3CH2BrCH3 2CHBrCH3 3-CBr（ ）（ ）0.01

25、0.0011150H2CCHXHCCXArXCH2CH2CHCH2XXCHHNuCl归纳归纳：普通卤代烃的：普通卤代烃的SN反应反应 2、对、对SN1反应是反应是: 3RX 2RX 1RX CH3X 1、对、对SN2反应是：反应是： CH3X 、 1RX 2RX 3RX 4、烯丙基型卤代烃烯丙基型卤代烃既易进行既易进行SN1反应，也易进行反应，也易进行SN2反应。反应。 3、叔卤代烷叔卤代烷主要进行主要进行SN1反应，反应，伯卤代烷伯卤代烷SN2反应，仲卤反应，仲卤代烷两种历程都可，由反应条件而定。代烷两种历程都可，由反应条件而定。 1。RX2。RX3。RXCH3XSN2SN12) v亲核性和

26、碱性：亲核性和碱性：亲核试剂的亲核试剂的亲核能力亲核能力，浓度浓度，反应，反应。 两个不同的概念两个不同的概念，二者的关系可能一致，也可能不一致。，二者的关系可能一致，也可能不一致。v试剂亲核性的规律：试剂亲核性的规律： 亲核原子相同时亲核原子相同时，亲核性和碱性的强弱亲核性和碱性的强弱一致。一致。 RO- OH- ArO- RCOO- ROH H2O 带负电荷的试剂带负电荷的试剂亲核性比它的共轭酸强。亲核性比它的共轭酸强。 OH- H2O RO- ROH 亲核原子为亲核原子为同周期元素同周期元素，亲核性与，亲核性与碱性强弱碱性强弱一致一致。 H2N- OH- F- R3C- R2N- RO-

27、 F- 亲核原子为亲核原子为同族元素同族元素时，亲核性与碱性强弱时，亲核性与碱性强弱顺序顺序相反相反。 RS- RO-RSH ROH I- Br- Cl- F-体积较大体积较大的试剂不易接近碳原子，亲核性较小。的试剂不易接近碳原子，亲核性较小。 CH3O- CH3CH2O- (CH2)2CHO- (CH3)3CO-无论无论SN1反应，还是反应，还是SN2反应，在反应，在决定反应的关键步骤中决定反应的关键步骤中，都包含都包含CX键的断裂键的断裂，因此，因此，离去基团离去基团X的性质对的性质对SN1反反应和应和SN2反应将产生相似的影响反应将产生相似的影响，即卤代烷的活性次序是：，即卤代烷的活性次

28、序是：RIRBrRClRF 这一活性次序可从这一活性次序可从CX键的键的离解能、可极化性、离去基离解能、可极化性、离去基团的碱性团的碱性等方面来说明。等方面来说明。4)溶剂溶剂 OSH3CCH3OCHNCH3CH3CH3CNOCH3CCH3DMFDMSO(Dimethyl Sulfoxide)(N, N Dimethylformamide)二二甲甲亚亚砜砜N, N 二二甲甲基基甲甲酰酰胺胺ROH H2O RCOOHNuXRNuRX NuRX+XRRXXR X+极性大：极性大：对极性对极性大大（电荷密度集中）体系有利。（电荷密度集中）体系有利。极性小：极性小：对极性对极性小小（电荷密度分散）体系

29、有利。（电荷密度分散）体系有利。SN2 机理机理SN1 机理机理电荷密度集中电荷密度集中（极性大）（极性大）电荷密度分散电荷密度分散（极性减小）（极性减小）极性较小极性较小极性增加极性增加低极性低极性溶剂对稳溶剂对稳定过渡态有利，定过渡态有利，影响不大影响不大极性溶剂极性溶剂对对稳定稳定过渡态过渡态有利有利NuXRNuRX NuRX+XRRXXR X+XR：1o ， 2oNu：强强亲亲核核性性， 大大浓浓度度溶溶剂剂：非非质质子子性性， 低低极极性性XR：3o, 烯烯丙丙型型, , 苄苄基基型型Nu：弱弱亲亲核核性性（避避免免SN2）溶溶剂剂：大大极极性性对对SN2有利有利的因素的因素对对SN

30、1有有利的因素利的因素 E2S 2NHOCH2C2H5CH3CH=CH2+ Cl-+ HClHO-进攻CC2H5O-进攻HCH3CHCH2ClHCH3-CH CH2 ClHROHO C ClC2H5HH CH3CH3CH3CH3CH3 C Br慢CH3 C +CH3 C OHCH2 CCH3CH3E1NS 1进攻HC2H5O-,快进攻COH-,快CH3CH3-Br-Br-CH3CH3CH3-C-CH2+CH3-C-CH2-CH3CH3+CH3-C=CH-CH3CH3-H+CH3-C-CH2BrCH3CH3重排甲基迁移3 C+。1 C+。 CH3CHC(CH3)2baCH3CH2C+(CH3)2

31、E1：BrCH3CH2C(CH3)2CH3CH2C+(CH3)2（主要产物）CH3CH2CCH2CH3次要产物（）失去1 H。失去2 H。3 C+。E2C2H5O-进攻HC2H5O-进攻HCH3CH=CHCH3CH3CH2CH=CH2（主要产物）（次要产物）2个H与双键超共轭6个H与双键超共轭CH3CHCHCH2HBrH CH3CHCH2CH=CH2CH3CH3CHCH=CHCH3CH3CH3C=CHCH2CH3CH3消除产物CH3CHCH2CH2CH2XCH3CH3CCH2CH2CH3CH3XCH3CHCH2CHCH3CH3X2 RX。3 RX。1 RX。卤代烷8个 H超共轭4个 H超共轭2

32、个 H超共轭CH3CHCH2CH2CH2CH3CH3CCH2CH2CH3CH3CH3CHCH2CHCH3CH32 C+。3 C+。1 C+。活性中间体CH3CHCH2CH=CH2CH3CH3CHCH=CHCH3CH3CH3C=CHCH2CH3CH3CH3CHCH2CH3CHCH2XHNuCH3CHCH3CHCHXHNuCH3CH3CCH3XCHCH2CH3HNu消除产物过渡态CH3CHCH2CH2CH2XCH3CH3CCH2CH2CH3CH3XCH3CHCH2CHCH3CH3X2 RX。3 RX。1 RX。卤代烷8个 H超共轭4个 H超共轭2个 H超共轭稳定不稳定 次之 消除反应与取代反应都在碱性条件下进行，相互竞争。 S 1E1分两步进行，有活性中间体一步完成，有过渡态NNE2S 2C+直接与O H-结合失去H取代消除S 1N（）(E1)）（S 2N取代(E2)消除三个原子参与过渡态五个原子参与过渡态NuNu进攻H进攻C究竟以何者为主？ (CH3)3CBr(CH3)3COC2H5 + (CH3)2C=CH225 C。C2H5ONa/C2H5OH3%97%CH3CH2CH2BrCH3(CH2)2OC2H5 + CH3CH=CH2C2H5ONa