有机化学 第七章 卤代烷

离去基团的离去能力强，则对亲核取代反应有 利（无论SN1还是SN2）；但对SN1影响更大
相同烃基，不同卤素：
RI＞RBr＞RCl＞RF
在反应中，当离去基团的碱性大于亲核试剂的 碱性时，反应就不易发生。
（3）试剂亲核性对亲核取代反应的影响
试剂亲核性的强弱对SN1反应不重要； 试剂亲核性越强，对SN2反应越有利 碱 性：试剂对质子的亲合能力
SN1反应的这些特点（外消旋化、重排等）是由于 反应中生成了碳正离子中间体，研究SN1反应首先要掌握 碳正离子的结构和特性。
二、 影响亲核取代反应的因素 （1）烷基结构的影响 （2）离去基团的影响 （3）溶剂对亲核取代反应的影响 （4）试剂亲核性对亲核取代反应的影响
（1）烷基结构的影响
烷基结构对SN2的影响 卤代烷SN2反应的活性： CH3X > 1o RX R-Br + IR: CH3 150 CH3CH2 1
R X
Mg ether R Mg X
O R C OMgBr Br RH + Mg OR' Br RH + Mg NHR' Br RH + Mg OOCR' H3O O R C OH
R MgBr + CO2 R MgBr + R'OH R MgBr + R'NH2
R MgBr + R'COOH
以无水乙醚作为制备格氏试剂的溶剂 无水乙醚与格氏试剂形成Lewis酸和Lewis碱的络合物而 使格氏试剂稳定
3
过渡态的特点：
O C 键尚未完全形成， C Br 也未完全断裂；
过渡态出现了形式上的“五价碳”原子，该“五价碳”可看成为 原子或基团之间的排斥作用最小，有利于过渡态的形成。
sp2 杂化，
三个正常共价键在同一平面， 两个部分共价键在平面的两侧，此时，各个
• （2）SN1：单分子取代 外消旋化 重排
（因为SN1反应过渡态极性增大，SN2反应过渡态极性减小） SN2反应中, 用质子性溶剂, 使负离子亲核试剂Nu- 溶剂化, 降低 试剂的亲核性，反应速率减慢。
H O H :X:H H O H O H O H H
Nu:- + R-L
[ Nu
R
L]
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-
第七章 卤代烷 Alkylhalide
通式:
RX
X=F, Cl, Br, I
O O Cl ONa H N O Cl HN N H F
天然卤代烷: 海洋生物;抗菌、抗肿瘤
药物：
一、分类和命名 （一）分类 • 卤素种类、卤素多少 • 碳原子类型（伯、仲、叔）
R CH X R RR C X R
RCH2X
> 2o RX > 3o RX
(CH3)3 C 0.001
RI + Br (CH3)2 CH 0.01
V相对
烷基结构对SN1的影响 卤代烷SN1反应的活性： 3o RX
>
2o RX
>
1o RX
>
CH3X
H Nu H H X Nu H
CH3 X H
伯卤代烷
卤代甲烷
CH3 Nu H3C CH3
叔卤代烷
X Nu
CH3 H
CH3 CH3 X H
β碳上有分支的伯卤代烷
几种特殊结构的情况分析
溴代新戊烷的亲核取代
CH 3 CH 3 CCH 2 Br CH 3 (1) CH 3
C 2 H 5 OH S N1
CH 3
C 2 H 5 ONa, C 2 H 5 OH SN2
CH 3 CCH 2 OC 2 H 5 + Br CH 3 CH 3 + C H 3 C=CH CH 3
• 亲核试剂（nucleophile,Nu):OH-、RO-、HS-、RS-、CN-、 X-、C-(离子)；NH3、HOH、ROH(有孤对电子中性分子)
Nu Nu
+ R X + R X
底物
R Nu + R Nu +
产物
X X
离去基团
（二）、常见亲核取代反应
RX + RX + RX + RX + RX + RCl + NaOR NaCN NaSH RSNa AgNO3 NaI ROR + RCN + RSH RSR + + NaX NaX X X
H CH3 C C6H5
Cl
H Cl
慢
H
+ OH H2O
H OH + HO C CH3 C6H5
C CH3
CH3
C C6H5
C6H5
（3）SN1反应的另一个特点——重排： 如：2,2-二甲基-3-溴丁烷的醇解：
CH3 CH3 C CH CH3 CH3 Br CH3 CH3 C CH CH3 CH3 Br
CH3
-
OSO2
-
OSO2
NO2
离去基团的离去能力越强，对SN1和SN2反应越有利。
键能越弱，越易离去
卤代烷 CH3F CH3Cl 949.77 CH3Br 915 CH3I 887.01
离解能（kJ/mol）1071.10
离去基团碱性越弱，越易离去
HF < HCl < HBr < HI, 碱性： F- > Cl- > Br - > I-
R Mg CH3CH2 O CH2 H2C CH3 CH3 O CH2CH3 X
卤代烷的反应活性是 RI＞RBr＞RCl
伯卤代烷最合适，仲卤代烷也可 以，但叔卤代烷在碱金属镁的作 用下，主要发生消除反应，故难 以制成格氏试剂
五、多卤代烷与氟代烷
O O S Cl H N O Cl ONa HN N H F .2 HCl N CF3 CH2CH2CH2 N N CH3
Nu H C C L Nu H C C L C C + NuH
（2）E1
C2H5OH SN 1 CH3 H3C C CH2CH3 Br H H H2C C CHCH3 CH3 E1 OC2H5 H3C C CH2CH3 CH3
H3C C CHCH3 + CH3
双氯芬酸钠
5-氟尿嘧啶
盐酸三氟拉嗪
O F N HN
诺氟沙星
O COOH F N CH3 HN
环丙沙星
COOH N
CF3
N
CF3
血防846
第四节 亲核取代反应和消除反应机理 一、亲核取代反应 • （1）SN2: 双分子取代 构型翻转（瓦尔登转化、伞型翻转）
H3C HO C2H5 C H Br HO C2H5 CH3 C H Br HO CH3 C C H + 2 5 H
在质子性溶剂中， 半径越小的离子越 容易被溶剂化
偶极溶剂对SN2反应有利。 • 卤素离子在偶极溶剂如DMF中，亲核性与 碱性顺序一致，与质子溶剂中相反。
卤负离子碱性顺序： F- > Cl- > Br- > I卤负离子亲核性顺序： F- > Cl- > Br- > I-
三、消除反应机理
（1）E2
C2H5O C2H5OH
C2H5O C2H5OH
C2H5O CH3 CH3
CH3 CH3OC2H5
CH3 C CH CH3 + CH3 C CH CH3
CH3 CH3 C CH CH3 CH3OC2H5
(SN2)
(SN1)
C2H5O C2H5OH
CH3 CH3
CH3
+
CH3 C CH CH3
重排
CH3 C CH CH3 Байду номын сангаасH3
鉴别
RONO2 + AgX RI + NaCl
二、消除反应
CH3CHCH3 Br H H3C C CH2 Br Br C2H5OH KOH, heat CH3CH CH2 + KBr
KOH/C2H5OH or NaNH2
H3C C CH
Br
C2H5OH KOH
（一）区域选择性反应-Zaitsev规则 消除反应取向
（二）命名
CH3 H Br CH2CH3
(S)-sec-butyl bromide (S)-溴代仲丁烷
H Cl H Br
（1R,2S)-1-bromo-2-chlorocyclohexane (1R,2S)-1-溴-2-氯环己烷
CH2
H CH C CH2Cl CH3
3-methyl-4-chlorobutaene 3-甲基-4-氯-1-丁烯
+
C2H5O C2H5OH
C2H5O CH3 CH3 C CH CH3 CH3
。 2 碳正离子
。 3 碳正离子
由于反应中包含有碳正离子中间体的生成，可以预 料，它将显示出碳正离子反应的特性。
（4）碳正离子结构和稳定性
• R3C+>R2CH+>RCH2+>CH3+
（5）SN1中碳正离子：重排、消除
CH3 CH3 CH3 H2 H H2 2 C2H5OH + H3C C C Br H3C C C CH3 + H3C C C CH3 H2C C C CH3 H CH3 OC2H5 CH3
R-2-丁醇
Br
S-2-溴丁烷
SN2反应是一个动力学二级反应。其反应速率 与溴甲烷和碱的浓度成正比。
H HO + H H C
H HO
Br
δ
H
δ
C H H
Br
HO
C
H H
+
Br
HO 从离去基团溴原子的 背面进攻中心碳原子，受溴原 子的电子效应和空间效应的影 响最小。
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 复 sp 杂化。
• 扎衣采夫规则：优先产物是双键上连有较多烷基的烯烃
CH3 H3C C CH2CH3 Br NaOC2H5 C2H5OH H3C C CHCH3 + CH3 70% H2C C CH2CH3 CH3 30%
R2C CR2 > R2C CHR > R2C CH2 >RHC CHR > RHC CH2 > H2C CH2
亲核性强
_
Br
_
Cl
_
F
_
碱性强
RS
亲核性强
_
_
碱性强
碱性强
可极化性与溶剂的性质有关
O R
R
R3P
亲核性强
N 3
亲核试剂亲核性的强弱，不仅影响SN2反应 速率，而且对亲核取代反应的机理也有影响。
主动进攻
强的 亲核试剂
卤代烷 溶剂作用
SN2反应
进攻乏力
弱的 亲核试剂
卤代烷 只好等待
正碳 离子
SN1反应
E1
-
CH 3 CCH 2 CH 3 OC 2 H 5 (2)
(3)
亲核试剂强，SN2；亲核试剂弱，溶剂极性强，SN1
（2）离去基团（Leaving group）的影响
不好的离去基团有 F-， HO-， RO-， -NH2， -NHR， -CN 好的离去基团有 Cl- Br - H2O I -
OSO2
（4）溶剂对亲核取代反应的影响
溶剂的分类：质子溶剂、偶极、非极性溶剂 质子性溶剂都是极性的溶剂
极性（偶极）溶剂
非质子性溶剂
非极性溶剂
_ δ O C H δ+ N(CH3)2
_ δ O S + CH H3C δ 3 CH3CH2 _ Oδ
+ δ H
非质子性极性溶剂
极性质子性溶剂
溶剂对反应影响的规律 极性溶剂对SN1反应有利，对SN2反应多数情况不利。
亲核性：一个试剂在形成过渡态时对碳原子的亲合能力 亲核试剂的亲核性由两种因素决定 试剂的给电子能力 试剂的可极化性
给电子能力强，可极化性大，试剂亲核性强
决定亲核性因素
碱性（给出电子的能力）：碱性越强，亲核性越强 中心原子相同时：亲核性与碱性顺序一致
亲核性大小顺序 CH3O― > HO― > PhO― > CH3COO― > NO― > CH3OH 共轭酸的pKa 15.9 15.7 9.89 4.8 -1.3 -1.7
CHCl3
Chloroform 氯仿
CHI3
Iodoform 碘仿
二、结构
X C X=F, Cl, Br, I
• 诱导效应（-I）：吸电子
三、物理性质
• 气体：四碳以下氟代烷、两碳以下氯代烷、溴甲烷 • 密度较高，一般比水重 • 稳定性
四、化学反应：亲核取代、消除反应、生成有机金属
一、亲核取代反应
慢
(CH3)3C Br (CH3)3C + OH
(CH3)3C
Br
(CH3)3C OH
+ Br
(CH3)3C
快
(CH3)3COH
SN1反应是动力学一级反应，反应速率只与卤代烷的 浓度有关。
由于经历sp2平面构型的C+离子历程，亲核试 剂将从两边机会均等的进攻C+离子的两侧。
C
Nu
当中心碳原子为手性碳原子时，将得到外消旋化合物。
中心原子不同，但同周期并有相同电荷时，亲核性与碱性顺序也一致
R3C― 碳负离子 碱性大 亲核性大
R2N― 胺负离子
RO― 烷氧基负 离子
F― 氟离子 碱性小 亲核性小
可极化性：可极化性越强，亲核性越强
中心原子不同，但处于周期表同一族时，受溶剂影响。
在质子溶剂中，亲核性和碱性强弱顺序相反。
I
（二）消除反应卤代烷活性 • 叔 >仲 > 伯
三、还原反应
RX + H2 catalyst RH + HX
H H3C C CH2CH3 Br
Zn
H2 H3C C CH2CH3
n-C8H17Br + LiAlH4
THF reflux
n-C8H18
四、有机金属化合物形成 • 格林雅（Grignard)：亲核试剂