《有机化学》第七章卤代烃

第七章卤代烃

(Halohydrocarbon)

Monohalohydrocarbon:R－X1本章重点亲核取代反应机理（SN1，SN2）消去反应机理（E1，E2）SN1（SubstitutionNucleophliic1)SN2（SubstitutionNucleophliic2)E1(Elimination1)E2(Elimination2)2第一节卤代烃的分类和命名一、分类3卤代烯烃和卤代芳烃的分类4二、命名1.卤原子作取代基，编号从离卤原子最近的一端开始，取代基按“次序规则”较优基团在后列出。对卤原子，较优基团编号较大。2.卤代烃一般不作为一类母体化合物，个别普通名例外。56第二节卤代烃一、物理性质1.偶极矩2.沸点：分子极性较大，沸点比相应烷烃高3.溶解度：不溶于水4.密度：除一氯代烃和一氟代烃比水轻外，密度均大于1R－FR－ClR－BrR－I1.821.941.791.647二、化学性质键长(nm)0.1390.1760.1940.214键能(kJ/mol)456351293243C－X键容易异裂反应类型：亲核取代、消除、与金属作用、还原81.亲核取代反应亲核试剂是能提供电子的试剂，带有负电荷和孤对电子，用Nu：－来表示。如OH－、NH3等。9离去基团反应类型亲核取代反应的通式：带着一对电子进攻带着一对电子离开（a）底物为中性，亲核试剂带着一对孤对电子：亲核试剂反应底物取代产物10（c）底物带有正电荷，亲核试剂带有孤对电子：（d）底物带有正电荷，亲核试剂带有负电荷：（b）亲核试剂带有负电荷：11

制备醇制备醚鉴别卤代烃合成：增一个碳原子合成：增多个碳原子12鏻13鉴别反应

卤代烃试剂室温加热14卤代烃（烃基结构不同）的活性

烯丙式卤>三级卤代烷>二级卤代烷>一级卤代烷>乙烯式卤15卤代烃（卤原子不同）的活性ѐ键能ѐ极化度

RIRBrRClRF亲核取代活性16消除反应类型消除反应：是从一个化合物分子中消除两个原子或原子团的反应。β－消除:在相邻的两个碳原子上的原子或基团被消除，形成双键或叁键。α－消除:从同碳原子上消除两个原子或基团，形成卡宾：1,1－消除171，3－消除：饱和碳原子进行亲核取代反应时，常伴随消除反应的发生：18SaytzeffRule:消除反应的主要产物是双键上烃基取代最多的烯烃。19优先形成共轭烯烃203.与金属反应1）.与碱金属反应

Wurtz合成法R不能是3。烷基21Corey-House合成法22例123例2

242).Grignard试剂的生成

25乙烯卤和芳卤不活泼，要制得Grignard试剂，须改变溶剂，提高温度。26烯丙式卤和苄卤较活泼，要低温反应27Grignard试剂与活泼氢的反应28Grignard试剂与还原电位低于金属镁的卤化物作用，用于制备其它金属有机化合物金属有机化合物活泼行次序RLi、RNa>RMgX>RZnX>R2Cd294.还原

(1)催化氢化：H2，Ni、Pd、Pt…(2)化学还原：LiAlH4、NaBH4、Zn/HCl30LiAlH4和NaBH4之比较

LiAlH4

NaBH4活性高

中等选择性低

高还原基团COOH、CHO、CHOCOOR、RCOR’RCOR’－NO2、－CN试剂形状遇水剧烈分解溶于水31第三节亲核取代反应历程一.反应机理(ReactionMechanism) 1）.SN1机理 2）.SN2机理 3）.离子对机理二.立体化学 1）.SN2反应2）.SN1反应

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三.影响反应活性的因素 1）.底物的烃基结构 2）.离去基团(L) 3）.亲核试剂(Nu:) 4）.溶剂四.邻基参与反应五.亲核取代反应实例33一.反应机理1）.单分子亲核取代（SubstitutionNucleophilicUnimolecular)(SN1)反应机理第一步正碳离子的生成：第二步亲核试剂进攻正碳离子：第一步是决定反应速率的一步。34例35反应进程－能量图36例：二苯基氯甲烷在丙酮的水解反应：2）.双分子亲核取代（SubstitutionNucleophilicBimolecular)(SN2)反应机理二级反应按SN1机理进行：叔卤代烷及其衍生物和被共轭体系稳定的仲卤代烃及其衍生物37反应机理：T38SN2反应机理：LNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNuLNu39例40

在过渡态中，亲核试剂的孤对电子所占有的轨道与中心碳原子的p轨道交盖的程度与离去基团与中心碳原子的p轨道的交盖程度相同按

SN2机理进行的底物特征：不被共轭体系稳定的仲卤代烷及其衍生物3）.离子对机理介于SN1与SN2之间的机理，建立在SN1机理基础之上。41（a）解离的正负离子形成紧密的离子对，整个离子对被溶剂化。（b）溶剂介入离子对后，正负离子被溶剂隔开。（c）离解的离子为自由离子。三个阶段：亲核试剂可以进攻四种状态的底物，从而得到不同的产物。423.反应的立体化学反应的立体化学与反应机理相关SN2机理：由于试剂从离去基团的背后进攻中心碳原子，所以产物发生构型转化－Walden转化。Nu:L+L-Nu43构型翻转(R)-(-)-2-辛烷[α]25D=-34.25°对映体的纯度=100%(S)-(-)-2-辛醇[α]25D=-9.90°对映体的纯度=100%α=+33.0°α=+31.1°α=-19.9°α=+33.0°α=+31.1°α=-19.9°α=+23.5°44SN1机理试剂从正碳离子的两面进攻中心碳原子，形成一对外消旋产物。正碳离子越稳定，消旋化程度越大外消旋化(Racemization)45SN1反应往往伴随少量构型转化产物：思考：46三.影响反应活性的因素底物的结构亲核试剂的浓度与反应活性离去基团的性质溶剂效应（1）底物结构的影响SN2反应：卤代烷的反应活性顺序是：甲基>伯>仲>叔原因：烷基的空间效应47新戊基卤代烷几乎不发生SN2反应：当底物中心碳原子连有较大基团时，Nu:难于从背后接近底物。48SN1反应：A.电子效应相对速率(k1)REti-prCH2=CH-CH2PhCH2Ph2CHPh3C0.260.690.86100~105~1010

当取代基具有＋I、超共轭效应、＋C效应，SN1反应速率增大,反应活性增大。49C2H5OCH2ClC-C-C-C-ClC2H5O-CH2CH2ClSN1反应速率1091.00.2当杂原子与中心碳原子相连时，所形成的正碳离子，因共轭效应而被稳定。B.空间效应溶剂解相对速度RBr在水中50°MeBr1.00EtBr1.00i-pBr11.6t-BuBr1.2×106四面体平面三角型键角增大，取代基空间效应越大，基团的空间拥挤程度减小。50烯丙基和桥头碳烯丙式卤代烃既有利于SN1，也有利于SN2：当按SN1历程时，产生烯丙基碳正离子，由于p－共轭效应，使正电荷得到分散，碳正离子趋于稳定。51当以SN2历程进行时，由于键的存在，可以和过渡态电子云交盖，使过渡态能量降低，从而有利于SN2。

52桥头碳上既不发生SN1，也不发生SN2。53当以SN1历程进行时，则要形成平面型碳正离子，而桥环系统限制了平面结构的形成，所以取代反应难以进行。

54（2）亲核试剂的强度NuNu-:CH3O-,HO-,I-Nu:H2O:规律：1〕带有负电荷的试剂的亲核性强于它的共轭酸：

－OH>H2O,CH3O->CH3OH2）带负电荷的试剂，负电荷越集中，亲核性越强；中性的试剂，进攻的原子电子云密度越集中，亲核性越强。A.当进攻原子为同一原子时，亲核性强度与碱性一致：RO->HO->>RCO2->ROH>H2OCH3O->PhO->CH3CO2->NO2-碱性是试剂与质子结合的能力；亲核性是试剂与带有部分正电荷的碳原子结合的能力。55当试剂中进攻的原子不同时，试剂的亲核性强度顺序与碱性有时不同：碱性：C2H5O->I-亲核性：I->C2H5O-B.同周期的元素，电负性越大，试剂的亲核性越弱，负电荷越分散，亲核性越弱：H2N->OH->F-C.试剂中的进攻原子为同族原子时，原子的可极化度越大，试剂的亲核性越强：56F-<Cl-<Br-<I-R-O-<R-S-<R-Se-D.当亲核试剂中取代基的空间效应较大时，对于试剂的亲核性，取代基的空间效应大于其电子效应亲核性依次减小亲核性依次减弱，碱性依次增强。57（3）离去基团(Leavinggroups)a)较好的离去基团是强酸的共轭碱：共轭酸1共轭碱2共轭碱1共轭酸2强酸的共轭碱是弱碱重要的离去基团是

pKa<5的酸的共轭碱，如：I-是强酸HI的共轭碱。58TsOHMsO-CF3SO3-是最好的离去基团。b)成键原子的可极化度越大，离去基团越易离去。的溶剂解的相对速率为：FClBrI可极化度依次增大59Question

为什么说I－既是好的亲核试剂，又是好的离去基团？60（4）溶剂效应介电常数ε越大，溶剂的极性越大。介电常数是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力。（μ＝0）（μ≠0）非极性溶剂：CCl4,,CS2,极性溶剂质子型：EtOH,H2O,CH3COOH非质子型：THF,Et2O,DMF,DMSO,HMPT质子型溶剂通过氢键缔合非质子型溶剂通过偶极与偶极相互作用极性溶剂可以稳定正离子，也可稳定负离子。61SN1反应：SN2反应：在质子型溶剂中：试剂的亲核性强度顺序为：SH->CN->I->OH->N3->Br->CH3CO2->Cl->F->H2O62SN2反应常在极性非质子型溶剂中进行。常见的极性非质子型溶剂有：N,N-二甲基甲酰胺DMF(Dimethylformamide)二甲亚砜DMSO(Dimethylsulfoxide)六甲基磷酰胺HMPT(Hexamethylphosphorictriamide)63在极性非质子型溶剂中，X-的反应活性顺序为：F->Cl->Br->I-这与在质子型溶剂中的顺序相反。质子型溶剂与非质子型溶剂对SN2反应的影响：溶剂k2DMF3×103CH3OH3×10-2问题：下列反应在哪种溶剂中易于进行，是DMF还是

CH3OH?为什么？64四、邻基参与反应

位于邻近反应中心（通常为位）的具有亲核性的基团参与分子的亲核反应，叫邻基参与反应。邻基参与的作用：1）加速化学反应；2）往往有环状中间产物生成能参与的邻基：－CO2－、－O－、－OH、－OR、NR2、－X、etc.65分子内亲核取代(SN2)66(S)-2-溴丙酸与浓NaOH溶液反应，得到构型转化产物(SN2).

67（R）-2-溴丙酸与稀NaOH溶液、Ag2O反应生成光学活性的（R）-2-羟基丙酸钠，在反应过程中手性碳原子构型保持（两次SN2）。68Wenstein和Lucas发现：赤型-3-溴-2-丁醇与浓HBr反应，转变为内消旋2,3-二溴丁烷；而苏型-3-溴-2-丁醇与浓HBr反应，转变为外消旋2,3-二溴丁烷。69机制：

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五、亲核取代反应实例——合成上的应用71通过SN1和SN2反应

实现官能团的相互转化

721、卤代烃与醇的转化反应731、卤代烃与醇的转化反应741、卤代烃与醇的转化反应醇转化为卤代烃常在酸性条件下进行，因为羟基不是一个好的离去基团。邻基参与效应75含碳亲核试剂的制备及应用Thedifferencebetweencarbonnucleophileandheteroatomnucleophile1.CarbonnucleophilesenterintorelativelyfewSN2reactionswithsp3-hybridizedcarbon.Thisis,inpart,becausetheyaremuchstrongerbasesandbringaboutcompetingeliminationreactions.76含碳亲核试剂的制备及应用Theyaresufficientlybasictoabstractnotonlyrelativelyacidicprotons,suchasthoseattachedtoheteroatoms,butalsothemuchlessacidicprotonsattachedtocarbon.So，themorecharacteristicreactionsofcarbonnucleophilesarenucleophilicadditiontosp2-hybridizedcarbon.77含碳亲核试剂的制备及应用2.Mostofthecarbonnucleophilesarehighlyreactivesubstancesthatarestableonlyintheabsenceofairandwater.Therefore,theirusedependsontheavailabilityofmoresophisticatedlaboratorytechniquesthanarerequiredforthemanipulationofheteroatomsnucleophiles.78含碳亲核试剂的制备及应用-CN作亲核试剂——腈和羧酸的制备一级卤代烷与氰化钠反应得腈后水解是制备增长一个碳的羧酸的好方法三级卤代烷易发生消去反应，二级卤代烷的产率不高腈的控制水解是制备酰胺的一个方法79药物合成中的应用实例1、普鲁卡因（Procaine）研究背景：普鲁卡因是优良的局麻药。临床最早（1884年）使用的局麻药是从南美洲古柯树叶中提取出的可卡因（Cocaine）。因为毒性大，易成瘾，水溶液不稳定，来源有限等缺陷，所以人们开始了其代用品研究80药物合成中的应用实例在构效关系研究基础上，发现苯甲酸酯类化合物阿索方和新阿索方均有较强的局麻作用81药物合成中的应用实例阿索方或新阿索方的水溶度太小，不能供注射应用，而制成盐酸盐的酸性又太强，也不能应用。为了克服此缺点，合成了一系列的氨基苯甲酸酰胺酯和氨代烷基酯，终于在1904年合成了优良的局麻药普鲁卡因。82药物合成中的应用实例请思考：如何从对氨基苯甲酸合成普鲁卡因？83药物合成中的应用实例2、盐酸三氟哌丁苯——抗精神病药TrifluperidolHydrochloride84药物合成中的几个应用实例3、镇静催眠药—苯巴比妥Phenobarbital85药物合成中的应用实例4、丙戊酸钠——抗惊厥作用（SodiumValproate）典型的丙二酸酯合成法86含碳亲核试剂的制备及应用Thedifferencebetweencarbonnucleophileandheteroatomnucleophile1.由于碳亲核试剂的强碱性，使得它们容易进攻连碳的氢而引起消去反应，因此它们更多地用于对sp2-杂化碳的加成，而较少用于对sp3-杂化碳的取代。2.涉及的碳亲核试剂很活泼，对反应条件提出了更高的要求。87含碳亲核试剂的制备及应用-CN作亲核试剂——腈和羧酸的制备一级卤代烷与氰化钠反应得腈后水解是制备增长一个碳的羧酸的好方法三级卤代烷易发生消去反应，二级卤代烷的产率不高腈的控制水解是制备酰胺的一个方法88含碳亲核试剂的制备及应用碳亲核试剂：1、sp-杂化碳试剂：-

CN，RC=C-通过酸碱反应获得炔基负离子与卤代烃或磺酸酯反应是合成炔烃的好方法89含碳亲核试剂的制备及应用2、sp2

和sp3杂化碳亲核试剂——

活泼亚甲基化合物（醛、酮、酯）它们的反应主要是加成碱性条件下形成的烯醇负离子进攻卤代烃的碳得到烃基化产物也是十分重要的碳-碳键构筑方法90含碳亲核试剂的制备及应用3、sp2

和sp3杂化碳亲核试剂——有机金属化合物（OrganometallicCompounds）特点：对反应条件要求高，因为活性高91OrganometallicCompoundsFormationofOrganolithiumandOrganomagnesiumCompoundsOrganometalliccompoundsareformedbytreatmentofanalkylhalideorarylhalidewithazero-valentmetal,usuallylithiumormagnesium.92OrganometallicCompounds93OrganometallicCompoundsThemetalatomsinbothorganolithiumandorganomagnesiumcompoundscoordinateparticularlywellwiththeoxygenatomsofethers.Therefore,ethersuchasTHForethyletherarecommonlyusedassolventsforboththeformationoforganometallicreagentsandtheirsubsequentreactions.94OrganometallicCompoundsOrganomagnesiumcompoundsarecommonlycalledGrignardReagentsinrecognitionoftheFrenchchemistFrancoisVictorGrignard,whowashonoredin1912withtheNobelprizeforhisdiscoveryofthisclassofcompounds.95OrganometallicCompoundsNote:TheoverallprocessofformationofGrignardreagentresultsininsertionofmagnesiumbetweenthecarbonatomandthebromineatomtowhichthecarbonwasoriginallyattached.Thus,thereactioninthiswayisoftencalledasinsertionreaction.96OrganometallicCompoundsReactionsofOrganolithiumandOrganomagnesiumCompounds

Theyaregenerallypoornucleophileswithrespecttoalkylhalidesandalkylsulfonateesters,sp3-hybridizedelectrophilecarbonspecies.Inaddition,theyareverystrongbasesandpromoteeliminationreaction.97OrganometallicCompounds1.WithEpoxides----SN2reactionItisagoodpathwaytoobtaintheincreasingtwocarbonatomsalcoholTheC-Obondsofanepoxideareweakerthanthoseofotherethers(why?).AndtheyareweakenedbythecomplexationbetwwenthemetalactingasaLewisacidandtheoxygenactingasaLewisbase.98OrganometallicCompounds99OrganometallicCompounds2.Withcompoundscontainingactive-protongroup(OH,NH,COOH)(制备中需彻底除去水分，不能有醇、胺、羧酸等存在）ReductionofAlkylHalidesIsotopicLabeling100OrganometallicCompounds3.GrignardReagentsreactingwithCO2----angoodalternativemethodforobtainingcarboxylic