第05章卤代烃.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,重点：,卤代反应及机理（S,N,1、S,N,2历程及影响因素）,消除反应立体化学,有机金属化合物、卤代芳烃的性质,烯丙式卤代烃、乙烯式卤代烃性质,难点：,S,N,1、S,N,2,的立体化学及历程,亲核取代反应与消除反应的竞争,1,2.,按分子中卤原子所连烃基类型，分为：,卤代烷烃 R-CH,2,-X,卤代烯烃 R-CH=CH-X 乙烯式,R-CH=CH-CH,2,-X 烯丙式,R-CH=CH(CH,2,),n,-X n2 孤立式,卤代芳烃,乙烯式,烯丙式,5.1 卤代烃的分类、命名及同分异构现象,一、分类,1.按分子中所含卤原子的数目，分为一卤代烃和多卤代烃,。,CH,3,Cl CH,2,Cl,2,CHCl,3,(氯仿)CHI,3,（碘仿）,2,3.按卤素所连的碳原子的类型，分为：,3,卤代烯烃命名时，以烯烃为母体，以双键位次最小编号。,三、,同分异构现象,卤代烃的同分异构体数目比相应的烷烃的异构体要多，例如，一,氯丁烃除了碳干异构外，还有氯原子的位置异构。,卤代芳烃命名时，以芳烃为母体。,侧链卤代芳烃命名时，卤原子和芳环都,作为取代基。,2-苯基-1-氯丙烷,练习,6,有对映异构,立体异构：,1,2-,1,1-,1,3,7,状态：,C,4,以下的氟代烷，CH,3,Cl,CH,3,Br,CH,3,CH,2,Cl,常温常压下,为气体，C,15,以上卤代烃为固体。,溶解度：均不溶于水。,比,重：大多数卤代烃比重均大于,1,。,沸,点：高于相同碳数的烷烃，且 RI RBr RCl,燃烧性能：多卤代烃难燃，离火自熄。如聚氯乙烯即具有自熄性。,5.2 卤 代 烷,一、物理性质,二、光谱性质（自学）,8,碳带部分正电荷，易受带负电荷或孤电子对试剂的进攻。,分子中CX 键的键能（CF除外）都比CH键小。,键 CH CCl CBr CI,键能KJ/mol 414 339 285 218,故 CX 键比CH键容易断裂而发生各种化学反应。,三、化学性质,卤代烃中的 键为极性键，电子云明确偏向卤素一边：,9,亲核取代反应(Nucleophilic Substitution Reaction）,亲核试剂(Nu),：带负电荷的离子或带未共用电子对的中性分子。,底物：,反应中接受试剂进攻的物质。,离去基团：,带着一对电子离去的分子或负离子,10,1.水解反应,？,醇,11,1反应后分子中增加了一个碳原子，是有机合成中增长碳链的方法之一。,2-CN可进一步转化为-COOH，-CONH,2,等基团。,3.与氨反应,2.与氰化钠反应,胺,3,o,该反应与卤代烷的醇解相似，亦不能使用叔卤烷，否则将主要得到烯烃。,12,R-X一般为 1，（仲、叔卤代烷与醇钠反应时，主要发生消除,反应生成烯烃）。,该法是合成不对称醚的常用方法，称为,Williamson(威廉逊)合成法。,也常用于合成硫醚或芳醚。,4.与醇钠（RONa）反应,5.,卤离子交换反应：,NaBr与NaCl不溶于丙酮，而NaI却溶于丙酮，从而有利于反应的进行。,13,6.与AgNO,3,醇溶液反应,此反应可用于鉴别卤化物，因卤原子不同、或烃基不同的卤代烃，其亲核取代反应活性有差异。,14,从分子中脱去一个简单分子生成不饱和键的反应称为消除反应，又称E（,E,limination,）反应。,卤代烃与NaOH（KOH）的醇溶液作用时，脱去卤素与碳原子上的氢原子而生成烯烃。,（二）消除反应,15,1）消除反应的活性：,3RX 2RX 1RX,2）2、3RX脱卤化氢时，遵守扎依采夫（Sayzeff）规则,即主要产物是生成双键碳上连接烃基最多的烯烃。例如：,几种主、次产物？,16,卤代烃能与某些金属发生反应，生成有机金属化合物,金属原子直接与碳原子相连接的化合物。,1.与金属镁的反应,格氏试剂的结构还不完全清楚，一般认为是由R,2,Mg、MgX、,（RMgX),n,多种成分形成的平横体系混合物，一般用 RMgX,表示。,（三）与金属的反应,格氏试剂的反应：,17,1)与含活泼氢的化合物作用,上述反应是定量进行的，可用于有机分析中测定化合物所含活泼氢的数量目（叫做活泼氢测定法）。,18,格氏试剂遇水就分解，所以，在制备和使用格氏试剂时都必须,用,无水溶剂和干燥的容器,。操作要采取隔绝空气中湿气的措施。在,利用RMgX进行合成过程中还必须注意含活泼氢的化合物。,19,RMgX与醛、酮、酯、二氧化碳、环氧乙烷等反应，生成醇、,酸等一系列化合物。所以RMgX在有机合成上用途极广。格林,尼亚因此而获得1912年的诺贝尔化学奖（41岁）。,2),与醛、酮、酯、二氧化碳、环氧乙烷等反应,3)用与合成其它有机金属化合物,20,3.与金属锂反应,卤代烷与金属锂在非极性溶剂（无水乙醚、石油醚、苯）中,作用生成有机锂化合物：,2RX +2 Na RR +2NaX,此反应可用来从卤代烷制备含偶数碳原子，结构对称的烷烃,（只适用于同一伯卤代烷，不同烷基无实用价值）。,2.卤代烃与金属钠的反应（Wurtz 武兹反应）,21,可用于制备铜锂试剂：,用途：制备复杂结构的烷烃,22,例如：,此反应叫做科瑞（Corey）郝思（House）合成法。,23,卤代烷可以被还原为烷烃，还原剂采用氢化锂铝。反应只能在无水介质中进行。,（四）卤代烷的还原反应,对映体过量百分率（,%ee,），简称,ee,值,24,一、双分子亲核取代反应（S,N,2反应）,实验证明：伯卤代烷的水解反应为S,N,2历程。,5.3 亲核取代反应历程,因为RCH,2,Br的水解速率与RCH,2,Br和OH,-,的浓度有关，所以叫做双分子亲核取代反应（S,N,2反应）。,25,一步完成（新键的形成和旧键的断裂同步进行），无中间体,生成，经过一个不稳定的“过渡态”。,其反应过程中的轨道重叠变化如下图所示：,1反应机理,26,S,N,2反应机理的能量变化可用反应进程 位能曲线图表示如下：,2S,N,2反应的能量变化,27,1）异面进攻反应（Nu,-,从离去基团L的背面进攻反应中心）。,2）构型翻转（产物的构型与底物的构型相反即Walden转化）。,例如：,3S,N,2反应的立体化学,28,实验证明：3RX CH,2,=CHCH,2,X 苄卤的水解是按S,N,1历程进行的。,二、单分子亲核取代反应（S,N,1反应）,因其水解反应速度仅与反应物卤代烷的浓度有关，而与亲核试剂,的浓度无关，所以称为单分子亲核取代反应（S,N,1反应）。,29,两步反应（S,N,1反应是分两步完成的）。,第一步：,第二步：,反应的第一步是卤代烃电离生成活性中间体碳正离子，碳正离子,再与碱进行第二步反应生成产物。故S,N,1反应中有活性中间体,碳正离子生成。,1反应机理,30,2S,N,1反应的能量变化,31,1）特点一：外消旋化（构型翻转+构型保持）,S,N,1反应第一步生成的碳正离子为平面构型（正电荷的碳,原子为sp,2,杂化）。,第二步亲核试剂向平面任何一面进攻的几率相等。,3S,N,1反应的立体化学,32,2）,S,N,1反应的另一个特点：反应伴有重排。,试解释(S)-3-甲基-3-溴己烷在水-丙酮中反应,结果,旋光性消失的实验事实。,讨论,S,N,1,33,S,N,1反应在有些情况下，往往不能完全外消旋化，而是其构型,翻转 构型保持，因而其反应产物具有旋光性。,例如：,3）部分外消旋化现象（构型翻转 构型保持）,34,离子对历程认为：反应物在溶剂中的离解分步进行。可表示为：,当反应物,全部离解成离子,后再进行反应，就只能得到外消旋产物。,3）S,N,1历程非外消旋的理论解释离子对历程,在,紧密离子对,中R+和X-之间尚有一定键连，因此仍保持原型，亲核试剂只能从背面进攻，导致构型翻转。,在,溶剂分隔离子对,中，离子被溶剂隔开，如果亲核试剂介入溶剂,的位置进攻中心碳，则产物保持原构型，由亲核试剂介入溶剂的背,面进攻，就发生构型翻转。,35,S,N,1,单分子反应,V=K R-X,两步反应,有中间体碳正离子生成,构型翻转+构型保持,有重排产物,S,N,2,双分子反应,V=K R-X Nu：,一步反应,形成过渡态,构型翻转（瓦尔登转化）,无重排产物,S,N,1反应与S,N,2反应的区别：,36,写出下列反应的产物结构（用构型式表示）,37,1.烃基结构的影响,主要影响因素是,位阻效应,(steric effect)或称空间效应。,空阻越大，越阻碍亲核试剂从离去基团背面进攻-C，越难形成过渡态，S,N,2 反应速率越小。,三、影响亲核取代反应的因素,卤代烷的亲核取代是S,N,1还是S,N,2，取决于以下因素：,1）对S,N,2的影响,S,N,2反应决定于过渡态形成的难易。,38,S,N,1反应决定于碳正离子的形成及稳定性。,碳正离子的稳定性：,S,N,1反应的速度：,2）对S,N,1的影响,RBr在HCOOH-H,2,O中水解反应相对速率,从烷基结构看亲核取代反应的活性：,39,苄基型和烯丙型卤化物进行S,N,1或S,N,2反应，活性都较高。,在S,N,1反应中(中间体)：,在S,N,2反应中(过渡态)：,40,下列每一对化合物，哪一个更易进行S,N,1反应？,(B),(A),下列每一对化合物，哪一个更易进行S,N,2反应？,(B),(B),讨论,41,乙烯型卤化物与芳香型卤化物是否容易发生亲核取代反应，,为什么？,p-共轭使C-X键具有部分双键的性质,42,2.离去基团卤原子的影响,C-X键弱，X,-,容易离去；C-X键强，X,-,不,易离去；,X,-,离去倾向：I,-,Br,-,Cl,-,F,-,离去基团(X,-,)在亲核取代反应中的相对速率,C-X,键强弱与X,-,的电负性有关、与碱性强弱有关。,碱性较弱的基团是好的离去基团。碱性较强的基团是不好的,离去基团。如：RO,-,OH,-,NH,2,-,是不好的离去基团。,一些酯的酸根是好的离去基团。,43,3.亲核试剂的影响,试剂的亲核性与试剂的浓度、碱性及试剂的可极化性有关。,a.在亲核原子相同的一组亲核试剂中，亲核性顺序与碱性一致。碱性越强，亲核性越强。,b.,在同一周期中的各种原子，其亲核性顺序与碱性一致。,c.在同族元素中，周期高的原子亲核性大。,对S,N,1反应影响不大。,在S,N,2反应中:,44,d.负离子的亲核性大于它的共轭酸,4.溶剂极性的影响,+,-,过渡态因溶剂化而稳定，活化能降低，反应速率加快。,溶 剂 乙醇 乙酸 醇,水=2,3,醇,水=1,4 水,相对速率 1 2 100 14000 10,5,（1）,在S,N,1,反应中，增加溶剂的极性或使用质子溶剂，有利于卤代烷的离解。,45,-,-,卤负离子溶剂化程度：F,-,Cl,-,Br,-,I,-,卤负离子亲核性顺序：I,-,Br,-,Cl,-,F,-,在非质子偶极溶剂中，负离子的亲核性比溶剂化的负离子大，,有利于S,N,2反应。,（2）S,N,2反应中,增加溶剂极性,使负离子亲核试剂溶剂化,降低试剂的亲核性，反应速率减慢。,46,非质子偶极溶剂的结构特征：,偶极正端藏于分子内部，偶极负端露于分子外部。,（不带电荷的试剂）,1,1.2106,47,1.预测下列反应能否顺利进行,2.增加溶剂的极性对下列反应速率有何影响？,讨论,48,3 成环的S,N,2反应与卤代环烷烃的S,N,2反应,离去基团和进攻试剂处于分子内合适的位置，易发生分子内的S,N,2反应。S,Ni,(Substitution Nucleophilic internal),五元、六元环，成环时环张力小，过渡态势能低、活化能低，成环反应容易进行。,49,卤代环烷烃的S,N,2反应,反应活性与过渡态势能有关。,-,-,-,-,50,4 邻基参与,S,Ni,2,邻基参与使反应速率加快。,K:K=310,3,:1,51,邻基参与使产物具有一定的立体化学特征,即构型保持。,反应经历环状过渡态,52,邻基参与有时得到一定构型的重排产物。,53,邻基参与的主要类型：,（1）含杂原子的邻近基团（如：COO,-,、OH、OR、NH,2,、,SR、Cl、Br、I.）,（2）邻近双键参与,（3）邻近芳基参与,5.4 消去反应机理,亲核取代和消除反应往往同时发生，机理有共同之处，消除反应可分为单分子消除反应（E1）和双分子消除反应（E2）。,-消除反应、1，2-消除反应,54,一、双分子消除反应（,E2机制,）,-,-,C-H键和C-X键的断裂、,键的形成协同进行，经过渡态一步完成。底物与试剂参与形成过渡态。双分子消除。,反应速率=,RXB,-,消除需符合共平面几何要求（H-CC-X 共平面）,55,顺式共平面消除,当反式不能消除时用顺式消除,反式共平面消除,（能量低）,56,对位交叉构象 重叠构象,反式共平面消除,反式消除与顺式消除其过渡态能量比较：,57,?,反应经历碳正离子中间体，伴有,重排,发生。,反应速率=,RX,二、单分子消除反应（,E1,机制）,58,三、邻二卤代烷失卤素,共平面反式消除。中间体：碳负离子。,1.碘化物与邻二卤代烷作用,单分子共轭消除E1cB,59,60,61,三.亲核取代与消除反应的竞争,S,N,2与E2：,2.,金属锌与邻二卤代烷作用,A.S,N,2与E,2,62,B.S,N,1与E1：,1.烷基结构的影响,63,2.试剂的影响,强碱、位阻碱或增加碱的浓度，有利于消除反应。,64,3.反应温度的影响,4.溶剂的影响（略）,65,讨论,1.下列反应主要是取代还是消除？,2.括号中哪一个试剂给出的消除/取代比值大？,66,一、物理性质（自学）,二、化学性质,其化学性质与卤代烷相似，但反应活性差异较大。,1化学反应活性,决定于两个因素：,1）烃基的结构：烯丙式 孤立式 乙烯式,2）卤素的性质：R-I R-Br R-Cl,5.5 一卤代烯烃和一卤代芳烃,67,反应实例：,68,一、由烃制备,1.烷烃、芳烃侧链的光卤代（Cl、Br）,2.烯烃-H的高温卤代,3.芳烃的卤代（Fe催化），亲电取代,4.烯、炔加HX、X,2,，亲电加成,5.6 卤代烃的制法,5.NBS试剂法,69,6.氯甲基化反应制苄氯的方法,苯环上有第一类取代基时，反应易进行；有第二类取代基和卤素时则反应难进行。,NBS试剂是进行烯丙式烃类-H溴代的特殊试剂。,70,1醇与HX作用,2醇与卤化磷作用,3醇与亚硫酰氯作用制氯代烷,二、由醇制备,此反应的优点是，产率高，易提纯。,71,