第六章卤代烃

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第六章 卤代烃
亲核取代反应 消除反应 金属有机化合物的合成及反应 卤代芳烃的亲核取代反应
6.1 分类与命名
1.分类与命名 按照卤素原子联结的碳原子级别可分为 伯卤代烃(1RX) CH3CH2CH2Br 1-溴丙烷 仲卤代烃(2RX) Br
CH3CHCH3 2-溴丙烷
叔卤代烃(3RX)
CH3 CH3C-Br CH3 2-溴-2-甲基丙烷
CH3CH2CHCH3 C2H5ONa C2H5OH Br
CH3CH=CHCH3
CH3
CH3CBr C2H5OH CH3
C2H5ONa
CH3 CH3C=CH2
消除方向是有选择性的:
C2H5ONa Br C2H5OH 主产物 + 次产物
(CH3)3COK Br (CH3)3COH 次产物
+ 主产物
生成取代多的烯烃为 Saytzerff消除方向
Zn
Br H
O n n=2或6
1. Br2 2. NaNH2/NH3(液)
O n
以强碱NaNH2消除2个HBr得到叁键。
3. 消除方向的解释
Saytzerff消除方向:
HXH B C3H7-C-C-C-H HHH
HX H C3H7-C-C-C-H HH H B
X H H C3H7-C-C-C-H B HHH
HO NaOH
OH CH3OOC O H CH3 80%
OH
NO2 OH Br Cl K2CO3, DMF
NO2 OH NO2 CH3 K2CO3, DMF O
NO2
O
Cl
CH3 O NO2
C. 试剂亲核性的影响
试剂的亲正电性就是亲核性;其中正 电包括了一般的正电中心,如R-X中的烃基 和C=O中的C原子等,此时我们称试剂发挥 的是它的“亲核性”;正电还包括了最小 的正电物种即H+,此时我们称试剂发挥的 是它的“碱性”。
b C2H5 C 3H7
CH3 C OH S-构型
OH-
亲核试剂从正碳离子两面进攻的几率相等, 生成两种结构的产物,为对映体关系。
D.SN2机理和SN1机理的比较
SN2机理
亲核试剂进攻中心碳原子,才导 致C-X断裂
SN1机理
C-X键首先发生断裂,形成正碳离 子,才给亲核试剂创造了与中心碳 原子结合的机会
CH3CH2CH2CH2OH
HBr
CH3CH2CH2CH2Br + H2O
CH3CH2CH2CH2OH
O CH3 S-Cl + HO O
H+
CH3CH2CH2CH2 Br
OH2
O COOCH3 H CH3
COOCH3 H CH3
NaOH CH3
S-O O 84%
不涉及手性中心的反应,所以产物构型保持
SN1机理
3RX;CH2=CHCH2X, phCH2X,生成稳定的正碳 离子 离去性能好对反应有利
离去性能好对反应有源自文库 亲核性强对反应有利 弱极性溶剂有利
亲核性强弱与反应关 系不大 强极性溶剂有利
6.3 化学性质II——消除反应
1. 消除反应的事实
CH3CH2CH2CH2Br C2H5ONa C2H5OH CH3CH2CH=CH2
6.2 化学性质I——亲核取代反应
1.亲核取代反应事实
R - X + NuA. 水解反应
H2O CH3C-Br OHCH3 CH3 CH3 CH3C-OH CH3
R - Nu + X
-
B. 醇解反应——合成醚的方法
Williamson法合成醚: 10 RX + R'ONa R-O-R'
CH3O
OH
在过渡态,中心碳原子杂化状态 由sp3转化为sp2,但联有五个基 团,空间拥挤
亲核试剂带来的负电荷被分散 产物构型翻转
正碳离子中间体,杂化状态为sp2, 但只联有三个基团,空间不拥挤
形成正碳离子,产生一个正电荷 产物外消旋化
3.影响亲核取代反应的因素 影响亲核取代反应的因素 内在因素:烃基、离去基团 外在因素:试剂亲核性、溶剂效应 A. 烃基的影响 SN2机理:1RX、CH2=CHCH2X、phCH2X SN1机理:3RX、CH2=CHCH2X、phCH2X
6.4 化学性质III——与金属的反应
1.与Na的反应
A. Wurtz反应 1RX + 2Na R-R 2CH3CH2CH2Br + Na CH3CH2CH2CH2CH2CH3 B. Wurtz-Fitting反应 1RX + phX + 2Na R-ph + 2NaX phBr + CH3CH2CH2Br + Na phCH2CH2CH3
C4H9MgBr + H2O
与CO2和O2的反应
RMgX + CO2 RMgX + O2
RCOOMgX RCOOH 增加一个碳的方法 H3+O ROOMgX ROOH
H3+O
与活泼卤代烃的偶联反应
RMgX + R'X R-R' R'= RCH=CHCH2phCH2- 等活泼卤代烃
•与醛(酮)反应——生成醇
C3H7-CH=CHCH3
C-H断键程度<C-X断键程度, 具有正碳离子性质,生成稳定 的烯烃,即取代多的烯烃。
Hofmann消除方向:
HX H B C3H7-C-C-C-H HHH
HX H C3H7-C-C-C-H HH H B
X H H C3H7-C-C-C-H B H HH
C3H7-CH2CH=CH2
C-Br键即将断裂,C-OH即将形成, 中心碳原子sp2杂化,五个基团连在 同一碳原子上,空间比较拥挤;由亲 核试剂带来的负电荷被分散。
C.SN1机理
S-构型 CH3 C2H5 C 3H 7 C-Br首先断裂, 生成碳正离子。 C Br
a
CH3 C C 2H 5 C H 3 7
b
a HO
CH3 C C 2H 5 C3H7 R-构型
反应速率只与一个反应物的浓度相关,称该反应为单分子 历程,其机理为SN1机理。
B.SN2机理
S-构型 CH3 H D
OH
-
CH3 HO C H D Br
R-构型 CH3 C HO D H C-Br键彻底断裂, C-OH完全形成, 产物的中心碳原子 构型发生翻转。
C Br
OH-沿C-Br键轴背面 进攻中心碳原子。
H2O表现为亲核性
B. E2机理:反应速率=k[RX][B-]
H Br RO ROH
强 碱: (CH3)3COK、NaH、NaNH2 一般碱性:NaOC2H5、NaOH
半成键状态
具备双键的性质
强碱条件、氟代烃是Hoffmann消除 一般碱性、其它卤代烃是Saytzerff消除
H Br
B
Br
H
B
H Br 半断键状态
亲核性 CH3O >CH3CH2O > (CH3)2CHO > (CH3)3CO 碱性 CH3O <CH3CH2O < (CH3)2CHO < (CH3)3CO
亲核性及碱性在周期表中的规律:
同周期中电负性越小的原子亲核性及碱性强
R3C->R2N->RO->FH2N->HO->F-
同族中体积越大变形性越好,亲核性就越强; 同族中共轭酸的酸性越弱,其碱性就越强: 亲核性:I->Br->Cl->F碱 性:I-<Br-<Cl-<F-
生成取代少的烯烃为 Hoffmann消除方向
2. 消除反应机理 A. E1机理: 反应速率=k[RX]
RX 异裂 慢反应步骤 R + X -H+
C=C
E1消除实例:注意正碳离子重排
OH Br H2O
OHBr 消除过程中正碳离子重排
HO
取代过程中正碳离子重排
Br
H 2O
OHBr OH-表现为碱性
CH3 OHCH3-C-CH2Br CH3
很难发生反应。
B. 离去基团的影响
O2N SO3 > SO3 > CH3 (-OTs) SO3 (p-CH3-OTs)
(p-NO2-OTs)
I > H2O (OH ) > Br > Cl > F >
无论对于SN2还是SN1机理,离去性能好的 基团总是有利于反应的顺利进行的。
C-H断键程度>C-X断键程度, 具有负碳离子性质,只能生成 在能够使负碳离子稳定的位置, 即有吸电子基团,或是离推电 子基团远的地方,最终取代少 的烯烃。
总结:
伯卤代烃优先发生取代反应; 叔卤代烃优先发生消除反应; SN2反应产物构型翻转; SN1反应产物外消旋化; E1消除伴随正碳离子重排; E2消除立体化学为反式共平面。
亲核性及碱性受到溶剂效应的影响:
溶剂 极性溶剂
质子型 偶极型
醇、酸、水、氨等可以电离H+ 二甲基亚砜(DMSO) N,N-二甲基甲酰胺(DMF) 吡啶
非极性溶剂
O CH3SCH3 O HCN(CH3)2 (DMF) (DMSO) 与水互溶的非质子型极性溶剂 N
溶剂极性对亲核试剂的亲核性的影响
在质子型溶剂中,亲核试剂首先与H+ 结合,发挥的 是它的碱性,而不是亲核性,在非极性溶剂中,亲 核试剂的溶解度很低,不利于发挥亲核性,所以偶 极型溶剂有利于亲核性。
亲核性受到电子效应和空间效应的影响:
推电子基团有利于负电荷的集中,可以提高试剂 的亲核性及碱性:
RO > OH > ArO > RCOO > ROH > H2O
体积大不利于试剂亲核性的发挥,使亲核性下降, 但碱性提高;这是因为亲核性表现在进攻中心原子 时的性能,体积大不利于“运动”;碱性表现在结 合最小的H+上,本身的体积关系不大。
CH2CN
H3+O
OH O NH Cl Cl
Cl CH2COOH
双氯芬酸
2.亲核取代反应机理
A. 动力学结果
CH3CH2Br OH CH3CH2OH + Br 反应速率=k[CH3CH2Br][OH-]
反应速率同时与两个反应物浓度相关,称该反应为双分子 历程,其机理为SN2机理。
(CH3)3CBr OH (CH3)3COH + Br 反应速率=k[(CH3)3CBr]
D. 溶剂效应
对于SN2反应来说,一般是电荷分散的过程,这样 的过程需要极性低的溶剂才能稳定过渡态,对于 SN1反应来说,由于产生的是正碳离子,所以,电 荷是从无到有的过程,宜采用极性溶剂有利于稳定 中间体。
总结:影响SN2和SN1机理的因素
SN2机理
烃 基
离去 基团 亲 核 性 溶 剂
1RX;CH2=CHCH2X, phCH2X,体积小,利于翻 转
2Li RX -LiX RLi CuX 各种R'X R2CuLi 二烷基铜锂 R-R' 合成烷烃的方法
2.与Mg、Li的反应
RX
2Li
绝对乙醚 或绝对四氢呋喃
RLi + LiX 有机锂试剂
RX
Mg
绝对乙醚 或绝对四氢呋喃
RMgX Grignard试剂
RLi和RMgX的反应
与活泼氢的反应
RMgX + HY RH + MgXY C4H10 HY=各种含活泼氢的化合物 如:酸、醇、水、氨、端炔等。 MgBr D2O D
BrCH2CH2COOH CH3O NaH, DMF
O COOH
COOCH3 NaH, DMF 足量 RBr HO OH
CH3 N N CH3 N N SH BrCH2COOC2H5 NaOH / H2O CH3
COOCH3
OH
(R=CH3(CH2)11)
RO OR
OR
CH3 N N N N
61%
SCH2COOC2H5
RX R2NH RX
40 胺——季胺盐
0
R3N
RX R4N X
30 胺
COOCH3 Fe (CH2)4Cl CH3CH2CH2NH2
COOCH3 Fe (CH2)4NH(CH2)2CH3
E. 氰解反应——增加一个碳原子的方法
Cl CH3
Cl
Cl2 hv
Cl
CH2Cl
Cl NH2 Cl CuI
NaCN
B
-HBr -B
消除的立体化学为反式共平面消除
E2消除实例:
H CH3 H Cl H H D NaOCH 3 CH3 D
CH3 H H
Cl
D NaOCH 3
CH3
D 构象转换 (a键 e键) H CH3 Cl H H
在稳定构象中,从反式共平面消除HX
ph H H D NaOCH3 H Cl CH3
C. 酸解反应——合成酯的方法
Br CH3COONa O H C N(CH3)2 O O
N,N-二甲基甲酰胺,简称DMF,与水互溶的有机溶剂
CH2Cl CH3COOH CH3COONa CH2Cl
CH2OOCCH3
CH2OOCCH3
D. 氨解反应
RX + NH3 1 胺
2 胺
0
RNH2 + HX
H Cl ph CH3
Cl H
D
转化为稳定构象
H CH3 ph
D
CH3
ph H H ph CH3 NaOCH3 H Br
H
从反式共平面 消除DCl
H Br ph
ph H CH3 只能将HBr处于反式 ph
ph
H H ph Br
CH3
从反式共平面 消除HBr
CH3 ph
H ph
H
Br
Zn
Br H
Br H
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