有机-第五版-高等教育出版第八章-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,*,目 标 要 求,1.了解卤代烃的分类和命名,2.掌握一卤代烃的性质,3.掌握亲核取代反应的两种机理,4.了解卤代烃的制备,5.了解重要的卤代烃,一.卤代烃分类和命名,卤代烃通式：,性质特殊,氟代烃,性质接近,通常总称,卤代烃,卤代烃的分类,伯（一级）卤代烃,仲（二级）卤代烃,叔（三级）卤代烃,一卤代,二卤代,多卤代,卤代烯烃,卤代芳烃,偕二卤代烃,邻二卤代烃,X,与sp,2,碳相连,性质特殊,二、一卤代烃的性质,1、物理性质,（1）室温下，除氟甲烷、氟乙烷、氯甲烷、氯乙烷及溴甲烷是气体外，其它常见的卤代烷都是液体。,（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1,2、光谱性质,1、IR：,CX的吸收频率随着卤素原子质量的增加而减小。,CF CCI CBr CI,吸收频率/cm-1,1400-1000 800-600 600-500 -500,2、,1,H NMR：,由于卤素的电负性比碳大，直接和卤素,相连的碳及相邻碳上质子的屏蔽效应降低，,质子的化学位移向低场移动，,值大于,烷烃。,HCF HCCI HCBr HCI,值,4-4.5 3-4 2.5-4 2-4,卤代烷烃的结构特点,卤素,对化学键的影响,吸电子的,诱导效应,一些元素的电负性,s,电子发生偏移，,X,起吸电子的诱导作用，C-X为极性共价键。,诱导效应,通过单键传递的电子效应,CX,键,的异裂,X,总是以负离子形式离去,自身异裂,在亲核试剂作用下异裂,亲核试剂,（,Nu,cleophile）:,一些带有未共享电子对的分子或负离子，与,正电性碳,反应时称为亲核试剂。,亲核试剂,(Nu),取代了卤素,(X),亲核取代反应,(,S,N,反应，,N,ucleophilic,S,ubstitution Reaction,),碳正离子,底物,离去基团,亲核试剂,带有孤对电子的电中性分子（路易斯碱）:H,2,O,ROH,NH,3,Pph,3,带有负电荷的负离子（共轭碱）:HO,-,RO,-,-,CN,X,-,a,和,b,位氢有弱酸性,在卤代烷中,a,和,b位,氢均有弱酸性,消除反应,(,E,limination Reaction,),（1）,卤代烷的亲核取代反应,（,S,N,反应,，,N,ucleophilic,S,ubstitution Reaction,）,反应通式,底物,(,substrate,),负离子型,亲核试剂,分子型,亲核试剂,亲核试剂：,至少含有一对未共用电子对,3、化学性质,与,负离子型亲核试剂的反应,（接下页）,（接上页）,与,分子型亲核试剂的反应,同时充当试剂和溶剂,溶剂解反应,1.水解反应,1加NaOH是为了加快反应的进行，使反应完全。,2此反应是制备醇的一种方法，但制一般醇无合成价值，可用于制取引入OH比引入卤素困难的醇。,具体反应类型,2.与氰化钠反应,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。,2CN可进一步转化为COOH，-CH,2,NH,2,等基团。,3,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。,CH,2,3.与氨反应,4、与醇钠（RONa）反应,R-X一般为1RX，（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。该法也常用于合成硫醚或芳醚。,因为生成的伯胺仍是一个亲核试剂，它可以继续与卤代烷作用，生成仲胺或叔胺的混合物，故反应要在过量氨(胺)的存在下进行。,例：合成甲基叔丁基醚,分析,：醚类化合物可由亲核取代制得,Williamson,醚合成法,切断,(,disconnection,),合成举例,Williamson 醚合成法,用,反合成分析,(,Retrosynthetic,analysis),法描述：,（Target molecule）,TM，,目标分子,表示有机反应的逆向,E.J.Corey,(1928 ),诺贝尔化学奖获得者(1990),甲基叔丁基醚的反合成分析,有两种切断方式,TM,哪一种更有合成意义？,合成路线的选择,方法,a,3,o,卤代烃，易消除,主要生成消除产物,只生成取代产物,方法,b,方法,b,是较好的合成路线,请注意合成路线的书写表达方式,5.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。,叔卤代烷,烯丙位卤代烃,苄卤,硝酸银,醇,室温下立即生成沉淀,仲卤代烷,硝酸银,醇,室温下需过反应一段时间才能生成沉淀,伯卤代烷,硝酸银,醇,需加热才能生成沉淀,取代反应小结,RX,为重要有机中间体,（,intermediates,）,一般情况下，消除与亲核取代反应同时存在（竞争）,制备烯烃的方法之一,b,消除反应,(,b,-,Elimination Reaction,),取代反应，S,N,2 or S,N,1,进攻,b位氢,进攻,a位碳,（2）消除反应,卤代烃的消除反应,例：一些卤代烷的消除,弱碱,强碱,注意：,主要产物的结构,有何特点？,例：,1,-,溴,-,1,2,-,二苯基丙烷的消除反应,（有二对对映体）,注意：,消除为立,体专一性,卤代烃的消除反应机理,动力学证据,反应速率,反应的立体化学,重排,现象,反应类型,I,RXB:,立体专一性,无,双分子机理,E2,II,RX,无选择性,有,单分子机理,E1,实验证据：存在两种类型的消除反应,E2,机理（双分子消除机理）,旧键的解离与新键的形成同时进行,（一步机理）,符合动力学特征,V,kRXB,:,五中心,过渡态,先消除,X,，,再消除,H,+,（分步机理）,第一步是决速步骤，符合动,力学特征,V,kRX,E1,机理（单分子消除机理）,碳正离子中间体,影响消除反应机理的一些因素,E2,机理,有利于E2机理的因素：,R,X,：,1,o,R,X,，,烷基位阻小,B(,碱,),：,强碱、大浓度有利,溶 剂：,弱极性溶剂有利,（过渡态电荷分散，极性减小）,E1,机理,过渡态,有利于E1机理的因素：,R,X,：,3,o,R,X,B(,碱,),：,对,E1,反应影响较小，但弱碱或低浓度碱，可减少,E2,的竞争,溶 剂：,大极性溶剂有利,（过渡态电荷密度增加，极性加大）,E1,机理 正碳离子重排,例：解释下列消除产物的生成机理,消除反应的取向（消除反应的,区位选择性,，,Regioselectivity,）,Zaitsev,规则,（一般情况下）消除优先生成,双键上取代基多,的烯烃。,Zaitsev,消除取向,E2 机理,E1 机理,烯烃的稳定性,为什么？,补充：,烯烃的类型及其稳定性,分类：将烯烃看作乙烯的取代产物,四取代烯烃,三取代烯烃,二取代烯烃,一取代烯烃,稳定性：多取代烯烃较稳定,乙烯,trans,cis,有,van der waals,排斥力,烯烃相对稳定性的测定,烯烃的氢化热,-,126.8,-,119.3,-,112.6,D,H,kJ/mole,氢化热,例：,Zaitsev,消除,取向的解释,反应过渡态已,有部分烯烃性质,，多取代基型过渡态较稳定。,E2,反应,较稳定,较不稳定,E1,反应,较稳定,较不稳定,Hofmann,消除,取向,Hofmann,取向：,消除,优先生成双键上,取代基少,的烯烃,大体积碱，,优先进攻位阻小的位置上的氢（,E2,机理）。,Zaitsev 取向,Hofmann,取向,思考题：以下卤代烷在碱作用下消除，不论碱的体积大小，,均为,Hofmann,取向，试给出合理解释。,E2,消除的立体化学,立体专一性反应,立体专一性反应,(,Stereospecific,Reaction),具有一定立体结构的底物通过反应只生成一种类型的立体异构体。,立体有择性反应,(,Stereoselective,Reaction,),底物,通过,反应可以生成,2,个以上立体异构体，其中有一个占优势。,E2,消除,为,反式共平面,消除,（反式消除）,交叉式构象,负电荷相距较远,过渡态有部分,p,键性质,H,与,X,为反式共平面,sp,3,sp,2,消去的 H 和 X 必须在同一平面上，才能满足逐渐生成的 p轨道最大限度的交叠。,Anti periplanar,考虑顺式共平面消除,（顺式消除）,重叠式构象，较不稳定。,负电荷相距较近，有排斥作用,结论：顺式消除比反式消除难发生,H,与,X,为顺式共平面,Syn periplanar,例：解释,1,-,溴,-,1,2,-,二苯基丙烷的消除反应的立体专一性,为,E2,反式消除机理,转变为H和Br反式共平面构象,伞形式,Newman投影式,例：,解释下列两个异构体在相同反应条件下的不同反应结果,（环状化合物的,E2,消除）,消除速率,I:II,=,200:1,接下页,化合物,I,的反应解释,稳定的构象,Cl与两个a 键H为反式共平面，能发生消除,三取代烯烃，较稳定,二取代烯烃，较不稳定,化合物,II,的反应解释,稳定的构象,所有位 H 均不与 Cl 在同一平面上，不能消除,有一个 H与 Cl 在同一平面上，能发生消除，,但速度慢。,不稳定构象,取代反应对消除反应,S,N,与,E,烷基结构：,RX,中，,R,体积增加，消除比例上升。,碱性和亲核性：碱性强（,NH,2,RO,OH,等）,浓度大有利于消除。,温度：高温有利于消除（消除反应是吸热量较大的反应）。,溶剂：低极性溶剂对,E2,更好。,取代,消除,有利,有利,烷基卤化镁,Grignard试剂,（溶解于醚）,单电子转移机理（了解）,烷基锂,有机金属化合物,金属与碳直接成键,常用醚：,乙醚,四氢呋喃（THF）,（3）与金属反应,金属,有机化合物,离子型（与碱金属形成的化合物）,极性共价键型（与第,II,、第,III,族金属形成的化合物）,类型,烷基锂,烷基卤化镁（Grignard试剂，格氏试剂，格林雅试剂）,二烷基铜锂,烷基镉,金属,电负性,Li,1.0,Mg,1.2,Cd,1.7,Cu,1.9,直接法,金属,有机化合物的制备,较活泼金属可与 RX 直接反应,交换法,较不活泼金属，用交换法,反应活性：,R,I,R,Br,R,Cl,脂肪族,卤代物,芳香族,卤代物和,烯基,卤代物,烷基卤化镁（,Grignard,试剂,）的性质,Victor Grignard,(1875 1935),诺贝尔化学奖,（1912）,Grignard试剂,基本性质：活泼，不太稳定,现制现用,强碱,强亲核试剂,遇氧气发生反应,Grignard,作为碱,化合物,pKa,共轭碱,化合物,pKa,共轭碱,(CH,3,),3,C,-,H,71,(CH,3,),3,C,H,2,N,-,H,36,H,2,N,CH,3,CH,2,-,H,62,CH,3,CH,2,HC,C,-,H,26,HC,C,CH,3,-,H,60,CH,3,CH,3,CH,2,O,-,H,16,CH,3,CH,2,O,HO,-,H,15.7,HO,炔基Grignard试剂,应用,:,通过,Grignard,试剂制备氘代化合物或还原卤代烷至烷烃,制备,Grignard,试剂应在无水（无氧）条件下进行。,底物中不能有活泼氢存在。,例,有活泼氢，应先保护,氘代,还原,提示,与,卤代烷的亲核取代,提示：,制备活泼卤代烷的,Grignard,试剂时，应采用低温和稀溶液反应，以防偶联发生。,Grignard,作为,亲核试剂,偶联反应,苄基、烯丙基、3,o,烷基,1,o,和 2,o,烷基卤代烷不发生偶联,例：,与环氧,乙烷衍生物的反应,三元环较活泼，易开环。,提示：,合成上用于制备比卤代烷,多2个碳,的,醇类,化合物,亲核取代,环氧乙烷,取代环氧乙烷,空间位阻小,烷氧基镁,伯醇,仲醇,与,醛酮的亲核加成反应,提示：,合成上用于制备比卤代烷,多 1 个碳原子的醇类,化合物。,羰基碳有亲电性,亲核加成,伯醇,仲醇,叔醇,醇,与酯类,加成,与,CO,2,加成,制备多1个碳的羧酸,CO,2,叔醇,Grignard,试剂在合成中应用小结,烃类化合物,各类醇,（多1碳）,羧酸,（,多1碳）,各类醇,（多2碳）,二烷基铜锂的主要性质,Corey House,烷烃合成法,例：,烷烃,亲核性较弱,对比,:,Wurtz,反应,（,1885,）,Wurtz,反应中间体可能是烷基钠,Wurtz,反应只能制备对称烷烃，不同卤代烷反应生成混合产物,对称烷烃,混合卤代烃的反应产物复杂,（4）还原反应,一卤代烷可以用氢化铝锂还原成烷烃，一碘代烷和一溴代烷比一,氯代烷更容易被还原。,亲核取代反应存在两种反应机理,动力学证据,反应速率,立体化学证据,对手性底物，,产物的立体化学,重排,现象,反应类型,I,RXNu,构型翻转,无,双分子机理,bimolecular mechanism,S,N,2,II,RX,消旋化,有,单分子机理,unimolecular mechanism,S,N,1,三、亲核取代反应历程S,N,旧键的解离与新键的形成同时进行,（一步机理）,反应一步完成，不经过任何其它中间体,1、双分子亲核取代反应机理（,bimolecular mechanism）,S,N,2机理,构型翻转,动力学特点：反应速率,k,RXNu,（双分子反应）,S,N,2,机理：,a.双分子反应（二级反应），反应速率,k,RXNu,-,b.一步反应,c.手性底物反应时发生构型转换瓦尔登转换,d.卤代烷发生反应的难易程度：伯卤仲卤叔卤,e.没有重排现象,构型转换型反应,C,X,键先解离，再与亲核试剂成键,（二步机理）,反应经过,碳正离子,中间体。,第一步应为决速步骤,碳正离子,2、单分子亲核取代反应机理（,unimolecular mechanism）,S,N,1机理,S,N,1,机理：,a.单分子反应（一级反应），反应速率,k,RX,b.二步反应,c.手性底物反应时得到外消旋体的混合物,d.卤代烷发生反应的难易程度：叔卤仲卤伯卤,e.有重排现象,消旋型反应,平面型（Sp,2,杂化）,碳正离子的重排性,迁移动力：,生成更稳定的正碳离子,1,2,-,H,迁移,其它形式的碳正离子的重排,1,2,-,H,迁移,1,2,-,CH,3,迁移,扩环，解除小环张力,写出下列反应的机理,溴乙烷与,NaOH,的反应（,S,N,2,机理）,机理：,希望通过这些例子，学习并基本掌握反应机理的表达方法,例题,叔丁基溴在,80,EtOH,水溶液中的水解反应（,S,N,1,机理）,机理：,注意,：机理有3步,写出反应机理解释下列主要反应产物的形成,解答：是,S,N,1机理,主要产物,绝对的按,S,N,2,或,S,N,1,机理的例子不多，一般情况下两种机理并存，并依反应条件而改变。,R,的结构,C,X,键,强度,体积,浓度,亲核能力,浓度,对亲核试剂的影响,对反应的影响,稳定性,3、影响亲核取代反应机理和反应速度的因素,（1）底物结构对机理的影响,S,N,2,机理,S,N,1,机理,CX键强度：,F Cl Br I,R,的空间位阻小,a-,碳,正电性大,C,X,键易解离,有利因素,生成的正碳离子稳定,C,X,键易解离,有利因素,S,N,2,机理与烷基的结构,相对速率,相对速率,空间位阻效应,电子效应,S,N,2,机理与取代基,体积,相对速率,主要原因：,空间位阻效应,S,N,1,机理与烷基的结构,相对速率,相对速率,正碳离子稳定性,空助效应（消除,X,减少基团拥挤）,苄基（,benzyl,）与烯丙基（,allyl,）,卤代烃的亲核取代,S,N,2,苄基与烯丙基,卤代烃,易发生,S,N,2,相对速率,S,N,1,相对速率,桥头卤素难被取代,不反应,不反应,S,N,2,S,N,1,S,N,2难,:无法翻转（刚性结构）,位阻（叔碳）,S,N,1难,:碳正离子不是平面,（CX难解离）,S,N,1,3,o,苄基,烯丙基,2,o,1,o,BEST,WORST,(fastest),(slowest),桥头型,BEST,(fastest),WORST,总结：,R,结构对取代机理的影响,S,N,2,甲基,新戊基,苄基,烯丙基,1,o,2,o,3,o,桥头型,(slowest),注意反应条件改变对机理的影响,S,N,1机理,新戊基,S,N,1,S,N,2均慢,（2）亲核试剂对机理的影响,亲核能力,浓度,亲核试剂,S,N,2,机理,S,N,1,机理,亲核能力强,浓度大,有利因素,亲核能力、浓度,与决速步骤无关,S,N,2,速率,k,RX,Nu,S,N,1,速率,k,RX,问题,1,：,如何衡量亲核试剂的亲核性？,问题,2,：,亲核性与碱性的关系如何？,所有的亲核试剂都是碱，,所有的碱也都是亲核试剂,定义,亲核性：,有未共用电子对的负离子和分子与,正电性碳,原子的反应能力,碱 性：,有未共用电子对的负离子和分子与,质子,的反应能力,测量方法,亲核性：,测定亲核试剂与某一底物进行,S,N,2,反应的相对速率，速率快者亲,核性强。,（动力学参数）,碱 性：,测定碱与H,2,O的反应，平衡常数Kb大者碱性强。,（热力学参数）,如,化合物,pKa,共轭碱,化合物,pKa,共轭碱,(CH,3,),3,C,-,H,71,(CH,3,),3,C,H,2,N,-,H,36,H,2,N,CH,3,CH,2,-,H,62,CH,3,CH,2,HC,C,-,H,26,HC,C,CH,3,-,H,60,CH,3,CH,3,CH,2,O,-,H,16,CH,3,CH,2,O,HO,-,H,15.7,HO,共轭酸碱理论：酸是质子的,给予体,，碱是质子的,接受体,。,一个酸释放质子后产生的酸根，即为该酸的,共轭碱,；,一个碱与质子结合后形成的质子化合物，即为该碱的,共轭酸,。,HCl H,+,+Cl,-,酸,共轭碱,NH,3,+H,+,NH,4,+,碱,共轭酸,同种或同周期中心原子的亲核性与碱性顺序大致相同,未共用电子对在氧原子上,同一周期原子,同族中心原子亲核性与碱性顺序不相一致,（受溶剂影响）,质子性溶剂中,非极性和,低极性溶剂,烷烃，苯，醚类，酯类,（亲核试剂较难溶解，较少使用）,非质子性溶剂,（偶极溶剂）,质子性溶剂,极性溶剂,溶剂分类,具有可解离活泼氢,（非质子性溶剂）,一些溶剂的极性（介电常数）,质子性溶剂,非质子性溶剂,质子性极性溶剂中,同族元素,的亲核性与碱性,亲核性,碱性,强,强,强,弱,弱,弱,强,弱,强,弱,溶剂化作用(课本P17页),极化作用(课本P11页),体积小，负电荷集中，溶剂化作用大，亲核性减弱。,大体积原子对外层电子束缚能力弱，可极化性强（易变形）,强,弱,非质子性极性溶剂中同族元素的亲核性与碱性,正离子被溶剂化了，负离子完全释放出来。,负电荷密度大者亲核性较强（与碱性顺序一致）。,如：,M,X,在,DMSO,中,亲核性与碱性,强,弱,free,试剂的体积对亲核性的影响,大体积弱亲核性强碱,大体积碱强碱,强,弱,强,弱,亲核性,试剂的体积作用,烷基给电子作用,碱 性,弱,强,强,弱,（3）,溶剂极性对反应机理的影响,极性大：,对极性大（电荷密度集中）体系有利。,极性小：,对极性小（电荷密度分散）体系有利。,S,N,2 机理,S,N,1 机理,电荷密度集中,（极性大）,电荷密度分散,（极性减小）,极性较小,极性增加,低极性溶剂对稳定过渡态有利,极性溶剂对稳定过渡态有利,各种影响亲核取代机理的因素总结,对S,N,2有利的因素,对S,N,1有利的因素,典型的S,N,2,典型的S,N,1,（4）,离去基团对取代反应的影响,离去基团,L,eaving Group,好离去基团的条件：,是稳定的弱碱,碱性顺序,强,弱,离去相对速率,10,-2,1 50,150,好离去基团,溶于丙酮,碘离子的亲核取代问题,利用碘离子促进（催化）反应行,通过卤素交换制备碘代物,碘离子的,高亲核性,和,好离去性,溶解性能的差别,不溶于丙酮,S,N,2,四、卤代烃的制备,1、由烃制备,烃的卤代,烯烃或芳烃,-H的取代,为降低反应温度，可改用N-溴丁二酰亚胺（简写NBS）,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。,2、由醇制备,醇与卤化磷作用,实际操作是：,此反应的优点是，产率高，易提纯。,醇与HX作用,醇与亚硫酰氯作用制氯代烷,此反应的优点是，产率高，易提纯。,3、卤代物互换,一.卤代烯烃的分类,例：,卤代烯烃,按照X与不饱和碳的相对位置，卤代烯烃可分为三类：,五、几种重要的卤代烃,双键位置对卤原子活泼性的影响,X与C=C的相对位置不同，化学性质大为不同。卤原子活泼性顺序为：,例1：,例2：,Why?,(1)乙烯型卤代烃,以氯乙烯为例：,乙烯型卤代烯烃的化学性质：难取代，难消除。,乙烯型卤代烯烃中卤原子的不活泼性是相对的，在一定条件下，也可发生反应：,氯乙烯分子中的双键的性质仍然保留，可发生加成和聚合反应：,(2)烯丙型卤代烃,烯丙型卤代烯烃中的C-X键易断。例：,烯丙型卤代烯烃的特殊活泼性是由于亲核取代反应的中间体或过渡态稳定。,对于,双分子,反应：,对于,单分子,反应：,例1：,例2：,例3：,(3)隔离型卤代烃,例：,芳环上的亲核取代反应 I 加成消除机理,一般条件下芳环上的亲核取代较难发生,例：,为什么？,S,N,2过程,C(sp,2,)Cl不易断裂,无法翻转,S,N,1过程,卤苯,含硝基芳香卤代物的取代,邻或对位硝基可促进取代进行,硝基数目多，取代更加容易,取代反应的机理,加成消除机理,实验证据：,i.,动力学证据：双分子反应,ii.,NO,2,在间位时反应难发生,iii.,X 为 Cl,Br,I 时反应的速率接近,iv.,X=F 时反应速率较快,v.,邻对位硝基增加，反应更加容易,加成,消除,慢,快,芳环上的亲核取代反应 II 苯炔机理,一般性亲核能力的亲核试剂在常温常压不反应,两种不同的反应情况,强亲核试剂较易进行取代。,通过什么机理？,苯炔机理（消除加成机理）,苯炔,(Benzyne),苯炔的结构,苯炔的性质：,活泼、易反应（不能分离、可捕获）,p,键,(,sp,2,-sp,2,),未参与环的共振,sp,2,sp,2,苯炔机理的实验证据：,如果通过其它机理，产物可能有什么不同？,(i),环上有标记时生成两种产物,较快,较慢,(ii),同位素效应,说明机理中可能有夺氢步骤,(iii),离去基团,X,的邻位无,a,氢时，反应不发生,取代反应速率:,同位素效应,No Reaction,(iv),环上有强吸电子基时，产物单一,未生成,苯炔机理的解释,不稳定,较稳定,说明了什么？,作业：,P254页,1，5，6，11，12，16，20,