(整理)第5章卤代烷

精品文档精品文档第五章卤代烷卤代烷可以看作是烃分子中一个或多个氢取代后所生成的化合物。其中卤原子就是卤代烃的官能团。R-X,X=Cl.、Br、I、F。卤代烃的性质比烃活泼得多，能发生多种化学反应，转化成各种其他类型的化合物。所以，引入卤原子往往是改造分子性能的第一步加工，在有机合成中起着桥梁的作用。自然界极少含有卤素的化合物，绝大多数是人工合成的。§1.卤代烷的命名1．结构简单的卤代烃可以按卤原子相连的烃基的名称来命名，称为卤代某烃或某基卤。（CH）CHBr,溴代异丙烷（异丙基溴）；CHCHCl，氯代苄（苄基氯）326522．较复杂的卤代烃按系统命名法命名：以含有卤原子的最长碳链作为主链，将卤原子或其他支链作为取代基。命名时，取代基按“顺序规则”较优基团在后列出。［烷烃为母体］123456CH3CH2CH2CHCH2CH2ClCH35432CH3CH2CH2CHCH2CH2CH2C14—甲基一2—氯己烷2—乙基一1—氯戊烷卤代环烷则一般以脂环烃为母体命名，卤原子及支链都看作是它的取代基。［卤代环烷命名］CH3顺一1—甲基一2—溟坏己烷较小的（原子序数小的）基团，编号最小

§2一卤代烷的结构和物理性质1．一卤代烷的结构卤代烷的同分异构体数目比相应的烷烃的异构体数多。如一卤代烷除了具有碳干异构体外，卤原子在碳链上的位置不同，也会引起同分异构现象。ch3ch3ch2ch2cich3chch3Cl2．偶极矩在卤代烷分子中，由于卤原子的电负性大于碳，使C-X键的电子云偏向卤原子，使C-X键成为一个极性共价键。6+6_CH3—Cl=1-86D3.物理性质（自学）§3.一卤代烷的化学反应卤代烷的化学性质活泼，这是由于官能团卤原子引起的。卤代烷分子中的碳卤键是极性共价键，当极性试剂与它作用时，C-X键在试剂电场的诱导下极化，由于C-X键的键能（除C-F键外）都比C-H键小（C-I218KJ/mol；C-Br285；C-Cl339；C-H414）。因此，C-X键比C-H键容易异裂而发生各种化学反应。亲核反应厂7+厂計Nu+R—XNu—R+X-Nu：OHRO-,HS-,RS-,-CN,R-COO-,NH

,3

这些进攻的离子或分子都能供给一对电子与缺电子的碳形成共价键,它们具有亲核的性质,称为亲核试剂。由亲核试剂进攻引起的取代反应称为亲核取代反应。卤代烷的反应活性次序为RI>RBr>RCl>RF究其原因：一方面是由于碳卤键键能为：C-F>C-Cl>C-Br>C-I。另一方面，对C-X键来说，共价键的极化度随原子半径的增大而增大，键极化度的强弱次序为：C-I>C-Br>C-Cl>C-F,这种动态极化，在分子的化学反应活性方面起着决定作用。如：RX+NaOH—————》R0且+NaX醇EX+NaCN———一》RCN+NaX（伯）一级卤代烃（二、三级卤代烃主要是消除产物）卤代烷进行亲核反应的结果，使烷基导入各种官能团或碳干骨架中去，所以卤代烷是良好的烷基化剂。这常用作鉴别卤化物的简便方法。消除反应^daX+CH3CH2ONaCH3CH2O^+C^C^OH+NaX+CH3CH2ONach+CH3CH2ONach3ch2oh32■55OC+CH3CH2OH+NaX卤代烷与氢氧化钠（或KOH）的醇溶液作用时，卤素常与0碳上的氢原子脱去一分子卤化氢而生成烯烃。这种脱去一个简单分子的反应叫做消除反应。消除反应的次序：三级卤代烷>二级卤代烷>一级卤代烷。CH3BrC2HCH3BrC2H5OK,C2H5OHCH3h3ch2cc二ch2H3CH.CHH329％71％XR2HCch2rXR2HCch2rCH3-HXR2c=CCH2RCH3消除反应的主要产物是双键碳上连接烃基最多的烯烃，这个经验叫做扎依采夫（saytzeff）规则。与金属的反应①与金属镁的反应RX+Mg无水乙醴RMgXRX活性：R-I>R-Br>RCl卤代烷与镁作用生成有机镁化合物，该产物不需分离即可直接用于有机合成反应，这种有机镁化合物称格氏试剂（Grignard试剂）。格氏试剂是由RMg、MgX、（RMgX）等多种成分形成的平衡体系混合物，22n一般用RMgX表示。乙醚的作用是与格氏试剂络合生成稳定的溶剂化物：RR四氢咲喃（THF）和其他醚类也可作为溶剂。MI+MgXOH钮+砸KHMI+MgXOH钮+砸KH+MgX2+Mg——CCR1由于格氏试剂遇水就水解。所以，在制备格氏试剂时，必须用无水试剂和干燥的反应器。操作时也要采取隔绝空气中湿气的措施。通过上述反应，可用格式试剂用来测知某化合物中所含活泼氢的数目。可以用定量的甲基碘化镁与一定量的含活泼氢的化合物作用，便可定量地得到甲烷，通过测定甲烷的体积，可以计算出化合物所含活泼氢的数量，这叫做活泼氢测定法。

CH3MgI+ROHCH4t+ROMglii.格式试剂还可与还原电位低于镁的金属卤化物作用，这是合成其他有机金属化合物的一个重要方法。3RMgCl+A1C13rR3A1+3MgClE0=-1.660E0=-2.3702WgCl+CdC12►B2Cd+2MgClE0=-0.402E0=-2.3704RMgCl+SnCl4尸R4Sn+4MgClE0=+0.014E0=-2.370②与金属锂反应C4H9X+2Li石油醞»C4H9L1+LiX有机锂化合物的性质与格式试剂很相似，反应性能更为活泼，遇水、醇、酸等即分解。有机锂也可与金属卤代物作用生成各种有机金属化合物。2RLi+2RLi+Cui>Ea--^.522R^CuLi+LiIED=-3.045二烃基铜锂称为铜锂试剂，它是一个很好的烃基化试剂。可以用他合成较复杂的烷烃。R2CuLi+R'X>R——R+RCu+L£X（R可以是1。、2。、3。烷基、烯基、烯丙型或芳基。R'必须是1。）如：

RR1CH2CH2CH2CH2CHCH3目标分子

H3CH2CHC-Br-Li一Cu—（CCH2CH）2CuLi°屯（凶2）问tmCH3Ch34.还原卤代烷中卤素可被还原成烷烃。还原剂一般采用氢化锂铝。ClIHC——CH3|+LiAlD4-THFCH3|+LiAlD4-THFCH3LiAlH遇水立即反应，放出氢气。因此，反应只能在无水介质中进行。4L1A1H4+4H2O>A1（OH）3+LiOH+4H2‘硼氢化钠（NaBH）是比较温和的试剂，也可用还原卤代烷。在还原过程中,4分子内若同时存在羧基、氰基、酯基等可以保留不被还原。硼氢化钠可溶于水，呈碱性，比较稳定，能在水溶液中反应而不被水分解。（5）多卤代烷的性质。随着烷烃中卤原子的再导入，卤原子的化学活性明显地降低。如：CBr,CCl44都是很不活泼的化合物。烷烃溴代物的化学活性次序为：CHBr〉CHBr〉CHBr〉CBr。正因为多卤32234代烃的化学惰性和热稳定性，可用作冷冻剂、工业溶剂、烟雾剂、灭火剂等。§3.亲核取代反应的机理卤代烷的亲核取代反应是一类重要反应。亲核取代历程可以用一卤代烷的水解为例来说明。在研究水解速度与反应物浓度的关系时，发现有些卤代烷的水解仅与卤代烷的浓度有关。而另一些卤代烷的水解速度则与卤代烷和碱的浓度都有关系。例如：（在碱性条件下水解）OH-+CH3-Br—CH3OH+Bru=K[CHBr][OH-]3

在动力学研究中，把反应速率式子里各浓度项的指数叫做级数，把所有浓度项指数的总和称为该反应的反应级数。对上述反应来说，反应速率相对于[CHBr]3和[OH-]分别是一级，而整个水解反应则是二级反应。ch3ch3OH-+CH3-C-Br—CH3-C-OH+Br_CH3ch3u=K[（CH）CBr]33反应速率只与卤代烷的浓度成正比，而与碱的浓度无关。反应速率对[（CH）3CBr]是一级反应。对碱则是零级，整个水解反应是一级反应。3从上述实验现象和大量的事实说明：卤代烷的亲核取代反应是按照不同的历程进行的。一、两种历程：S2与S1NN1.双分子历程（S2）N对溴甲烷等这类水解反应，认为决定反应速率的一步是由两种分子参与的。反应过程可以描述如下：认为整个反应是一步完成的，亲核试剂是从反应物离去基团的背面向碳进攻。Br+Br+HHH/'C-OH这类反应进程中的能量变化可用反应进程一位能曲线表示。由于在反应过程中，其决定反应速度的一步发生共价健变化的有两种分子，或者说有两种分子参与了过渡态的形成，因此，这类反应历程称为双分子亲核取代反应：B0C1HH.B0C1HH.H+H：」Br「二H历程，简称为双分子历程，用S2表示(S代表亲核取代反应，NNSubstitution,Nucleophilic,bimolecular,”2"代表双分子)。从轨道理论来看，在S2在反应的过渡态中，中心碳原子从原来的sp3杂化轨道变为sp2杂化轨N道，三个C-H键排列在一平面上，互成1200：另外还有一个p轨道与OH-和Br部分键合。如果OH-从溴的同侧进攻，则形成的过渡态C-OH和C-Br势必处在同一侧，它们之间斥力较大，内能高，不稳定，难生成。R弋戶亠H"'^C—Br+H0-h1111c"内能高不稳定H/H0因此，在反应中亲核试剂只能从背面进攻碳原子。2•单分子历程(S1)N溴代叔丁烷的水解分两步：I1(HsCbC-Br^^[(H3C)3C-Br|—C(CH3)3+B「|2(CH3)3C++OH-(叭丨(CH3)3C9h](CH3)3C_OH对于多步反应来说，生成最后产物的速率由速率最慢的一步来控制。叔丁基溴的水解反应中，C-Br键的离解需要较大的能量，反应速度比较慢，而生成的碳正离子只有高度的活泼性，它生成后立即与OH-作用，因为第一步反应所需活化能较大，是决定整个反应速率的步骤，所以整个反应速率仅与卤代烷的浓度有关。这类反应历程进行过程的能量变化可用位能曲线图表示。S1反应的特征是分步进行的单分子反应，并有活泼中间体碳正离子的生成。N二、S1和S2的立体化学NN1.S2的立体化学。N亲核取代反应按双分子历程进行时，被认为亲核试剂是从离去基团的背面进攻中心碳原子的。NIJ+R1111C——|_>-[|\||jiiiiQiiii|_]NU一Qi111p2+|_aeW在反应中手性碳原子的构型发生了翻转，即产物的构型与原来化合物的相反。这种反应过程称为构型的翻转或叫做瓦尔登（Wslden）转化。大量立体化学的实验事实已经证明了S2反应过程往往伴随着构型转化。N如：已知（一）-2-溴辛烷和（一）-2-辛醇属同一构型，其比旋光度分别为-34.90，-9.90将（一）-2-溴辛烷与NaOH进行水解反应而制得2-辛醇比旋光度为＋9.90。这说明，通过水解反应，手性中心碳原子的构型已翻转。根据大量立体化学和动力学研究材料，可以得下面结论：按双分子历程进行亲核取代反应政治，总伴随着构型的翻转，也可以这样说，完全的构型转化可作为双分子亲核取代反应的标志。1.S1的立体化学。N在S1的反应中，决定反应速率的一步中形成的碳正离子具有平面构型（sp2N杂化）亲核试剂向平面的任一面进攻的几率是相等的，因此生成的产物按理是外消旋化合物，是非光学活性物。这个过程称为外消旋化。构型转化构型保持外消旋体在有些si反应情况下，实验结果确实如此，但在多数情况下，结果并不那N么简单，往往是在外消旋化的同时，构型转化部分和构型保持部分不相等，从而使产物具有不同程度的旋光性。2-溴代辛烷水解后，生成34%外消旋物质和66%构型转化的旋光物质。(即构型保持占17%，构型转化占83%)所以，从立体化学观点看，si历程通过生成碳正离子进行取代反应时，N在发生消旋作用的同时，通常还伴随着部分构型的转化。温思坦(Winstein,S.)离子对理论对上述S1出现的部分构型转化的现象N进行了说明。离子对历程：离子对历程认为，反应物在溶液中的离解是分阶段的。首先是分子离解生成碳正离子和负离子，但这两个带相反电荷的离子仍紧靠在一起形成离子对，称为紧密离子对；接着是少数溶剂分子掺入到离子对中间而把两个离子对分隔开来，但仍然是一个离子对，通常称为溶剂分隔离子对；最后被离解成离子，每个离子被溶剂的分子所包围。在紧密离子对中R+和X-之间尚有一定键连，因此仍能保持原来的构型。溶剂分子（S）或亲核试剂是从背面进攻，导致构型翻转。在溶剂分隔的离子对中不及紧密离子对那么紧密，如果亲核试剂在这时取代介入溶剂的位置进攻碳中心，产物将保持原有构型。如果试剂从介入溶剂的背面进攻，就发生构型的翻转。因此，在这个阶段进行的取代反应，随着亲核试剂的强弱，溶剂极性的大小和反应物结构的不同，除得到外消旋产物外，有时还会生成相当数量构型转化的旋光性物质（即从离去基团背后进攻的几率较大）。如果反应物全部解离成离子后，由于生成碳正离子的平面构型，就只能得到外消旋产物，这就是典型的S1历程。N因为传统的S2历程中的过渡态并未得到直接的实验证明，所以有人建N议：所有亲核取代反应都是通过离子对历程进行的，而S2、S1历程只是亲核取NN代历程的两种极限情况。离子对理论提出了一个连续一体的概念，即在化学反应进程中反应物是在不断变化的。至于在这一反应的连续进程中，反应物的空间结构究竟是如何随着时间、条件的不同而变化的，尚有待进一步提索、论证。典型的S1反应基本得到外消旋产物，因此，比较产物与反应物之间旋光N性的变化，可有助于初步鉴别反应是S1还是S2。S1反应，常伴随着部分构型NNN转化，还有重排产物。最后我们还得指出，这是所讲的一个反应完全按S1或S2NN历程进行是比较少见的，对于一般卤代物的亲核取代反应来讲，这两种历程是并存的。3.邻近基因的参与。a-溴代烷丙酸负离子按S1历程进行水解，醇解反应时，其构型完全保持N不变。\_c/0'0H-,\c/°"BrOH1叩嘟缠棧这种异常现象的产生可能是a-溴代丙酸负离子按S1历程电离产生碳正N离子时，分子内中心碳原子邻近带负电荷的羧基离子，象亲核试剂一样，从连接溴离子的背面向中心碳原子进攻，进行了分子内的类似于S2反应，生成不稳定N

的内酯。在此同时，产生碳原子的构型发生了转化。这时，羧基负离子好象在背面固定了碳正离子的构型。Hv/O-吨、一OHT/°—旷厂气OH0因此，当亲核试剂（HO-）进攻时，就只能从原来溴离子脱离的方向引入，手性碳原子的构型再发生一次转化。经过两次转化，结果使100%保持原来的构型不变。在有机化学反应中，有很多与此类似的有邻近基因参与的亲核取代反应。若反应物分子内中心碳原子邻近有：—O"—OH—OR—NH2—X—Co等基因存在，则空间距离适当时，这些基因就可以借它们的负电荷或未共用电子对参与分子内的亲核取代反应。如：OHH0_HoII0H_II1-Br/'-R—CH—C—R_hqO・尺―CH—C—R—R—CH—CH—RBr'Br生成环状化合物。三、影响亲核取代反应活性的因素：饱和碳原子上的亲核取代反应可按两种不同历程进行。但对一种反应物来说，在一件下究竟按什么历程进行，反应活性如何，这与反应物的结构，亲核试剂的性质和溶剂的性质等因素都有密切的关系。烷基结构。卤代烷烷基的电子效应和空间效应对取代反应活性都有明显的影响。（1）对S2历程的影响。N6_6_Nu+B.—X[NU---B.---X]>Nu—R+X_徳态甲基溴、乙基溴、已丙基溴和叔丁基溴在极性较小的无水丙酮中与碘化钾作用是按S2历程进行的，生成相应的碘化烷。NI■+EBr>IR+Br_相对速率次序为：CHBr3CHCHBr(CH)CHBr32(CH)C33-Br15010.010.001在S2反应中，决定反应速率的关键是其过渡态是否容易形成。N从电子效应来看：a-碳上电子云密度低，有利于亲核试剂进攻。从空间效应看：当a-碳原子周围取代数目越多，拥挤程度也将越大，对反应所表现的立体障碍也将加大，进攻试剂必须克服空间阻力，才能接近中心碳原子而达到过渡态。所以，从空间效应来说，随着a-碳原子上烷基的增加，S2N反应速率将依次下降。空间效应是最重要的因素。（2）对S1历程的影响。N■If5++-R—X[E.---X]E.+X过渡态中间体决就率的一步当反应按S1历程进行时，a-碳原子上的烷基取代基增多，使其反应速率N增加。甲酸R—Br+H2OB.OH+HBr反应速率比：CHBrCHCHBrCH)CHBr((CH)CBr33232331.01.74.5107

卤代烷起S1反应的速率与碳正离子稳定性的次序是一致的。中间体越稳定N反应速率越大，S1电子效应是主要影响因素。综上所述：（反应速度）Np增加RX=CH3X1°2°3°Shd增加在伯碳原子上的亲核取代反应主要按S2历程进行，在叔碳原子的亲核取N代反应主要按S1历程进行，在仲碳原子的亲核取代反应则根据具体反应条件而N定。空间阻力较大，又不易形成碳正离子的卤代物不易发生SI、S2亲核取代反NN应。如果被取代的基团连接在桥环化合物的桥头碳原子上进行亲核取代反应时，不论是S1或S2历程都是显得十分困难。如:NNC1碍g/酉拿C1回涼48h都没有氯原子被取代的反应发生K10H/醇資回21h若亲核试剂按S2历程，从背面进攻中心碳原子，位阻大，可能性几乎完N全被排除。（氯的背面是一个环，亲核试剂不能从背面进攻，所以S2反应也很N难进行）若按S1历程进行，氯化物首先要离解为碳正离子，但桥环系统牵制着桥头N碳正离子伸展为平面构型，不稳定。因此阻碍了氯化物的解离，取代反应很难进行。离去基团的性质。亲核取代反应无论按那种历程进行，离去基团总是带着电子对离开中心碳原子的。因此，无论是S1或S2反应，离去基团的碱性越弱，在决定速率步骤中NN愈容易带着电子对离开中心碳原子，即反应物愈容易被取代。假使离去基团特别容易离去，那么反应中有较多的碳正离子中间体生成，反应就按S1，假使离去N基团不容易离去，反应就按S2。N如：碱性次序I-<Br-<Cl-.在卤代烷中它们的离去倾向是：I->Br->Cl-卤代烷的亲核取代反应活性是：RI>RBr>RCl也可以从C-X键的键能和可极性化来解释。一些离去基团的离去次序为：夕、、—SO3—怒等强酸的酸根都是很好的离去基团ROH+夕、、—SO3—怒等强酸的酸根都是很好的离去基团ROH+RSO2CI*E.OSO2R1比醇易发生亲核取代反应至于碱性很强的基团如：RC-、RN-、RO-、HO-等则不能作为离去基团进行亲32核取代反应，它们只是在酸性（包括路易斯酸）条件下形成如：R-OH+、R-OH+-R2使离去基团的碱性相应减弱后，才有可能进行亲核取代反应。如：Br+CH3（CH3）2CH2OH、夫、■CH3CH2CH2CH2Br+OH-HBr+CH3CH2CH2CH2OHCH3CH2CH2CH2—OH2+Br-Sh2CH3CH2CH2CH2Br+H2O试剂的亲核性。（指试剂与碳原子的结合能力）在亲核取代反应中，亲核试剂的作用是提供一对电子与RX的中心碳原子成键，若试剂给电子的能力强，则成键快，亲核性就强。按S1进行是时，反应速率只决定于RX的解离，而与亲核试剂无关，因此N试剂亲核性的强弱，对反应速率不产生显著影响。按S2进行时，亲核试剂参与过渡态的形成，其亲核性能的大小对反应速度N将产生一定的影响。一般说，进攻的试剂亲核能力越强，反应经过S2过渡态所N需的活化能就越低，S2反应越易进行。N试剂亲核性与以下因素有关：（1）一个带负电荷的亲核试剂要比相应呈中性的试剂更为活泼。如：HO->HO,RO->ROH2（2）试剂的碱性。亲核试剂都是带有负电荷或未共用电子对的，所以它们都是路易斯碱，一般说，试剂的碱性愈强，亲核能力也愈强。亲核试剂的亲核能力大致与其碱性强弱次序相对应。如：EtO->HO->CHO->CHCOO-（相同原子负离子越稳定，碱性越弱）653同周期的：RC->RN->RO>F（电负性越大，碱性越弱，越不易提供电子对）32（3）试剂的可极化性。亲核试剂的可极化性越大，它进攻中心碳原子时，其外层电子就越易变形而伸向中心碳原子，从而降低了形成过渡态时所需的活化能，因此其亲核性能也越强。（碳原子在正电荷的吸引下，亲核试剂负电荷伸向碳正离子）对碘负离子来说，无论作为亲核试剂还是作为离去基团都表现出很高的活性。因碘负离子可极化性大。亲核性强，碱性弱，易离去。当伯氯代烷进行S2水解反应时，常可在溶液中加入少量1-，使反应大为加N快，而I-自身却未耗损。RCH2C1+H20>RCHsOH+HC1I-+KCH2C1RCJM+CrI-件亲核试剂RCH2I+H20RCH20H+HII-作箱去基团（4）溶剂化作用卤代烷不溶于水，而亲核试剂往往是无机盐，溶于水而不溶或几乎不溶于非极性有机溶剂中，要使亲核取代反应在溶液中进行，常用醇或其他溶液如丙酮中加水，使两者都能溶解。①.在醇和水这样的质子溶剂中，亲核试剂与溶剂之间可以形成氢键，即能发生溶剂化作用。带相同电荷的原子，体积小的亲核试剂，形成氢键的能力强，溶剂化作用大，这样，削弱了亲核试剂与中心碳原子之间的作用，其亲核性受到溶剂的抑制最为显著，而象I-这样体积较大的试剂，被溶剂化较小，故表现出强的亲核性能。②.在非质子溶剂（DMSO,DMF）中，亲核性为：F->Cl->Br->I-.这是因为负电荷裸露在外，正电荷被掩蔽，它易溶剂化正离子，而不易溶剂化亲核试剂负离子。这样的负离子是“赤裸裸”的，有较大的亲核性。亲核性即亲核试剂与碳原子结合的能力。F-与碳为同周期，轨道大小相近、重叠好，F-C键能大,故在非质子溶剂中F-的亲核性最大。溶剂的影响：溶剂和分子或离子通过静电的作用称为溶剂化效应。对S1历程:NRX一H]一丈+X-述度态过渡态的极性大于反应物，因此，极性大的溶剂对过渡态溶剂化的力量也大于反应物，