南开大学有机化学课件(王积涛版) 08

Slow
(CH3)3COH + HBr (CH3)3C + Br
Step 2 Step 3
(CH3)3C + HOH
fast (CH3)3COHH
(CH3)3COHH
-H+ fast (CH3)3COH
CH3
C
H3C CH3
19
20
2. SN2 Bimolecular Nucelophilic Substitution
Weak bases are good leaving groups
如何判断离去基团的碱性！--其共轭酸的酸性！ 例：酸性 HI>HBr>HCl>HF 碱性 F->Cl->Br->I- 离去能力 I->Br->Cl->F-
亲核取代反应活性RI>RBr>RCl>RF
31
3. 亲核试剂的亲核性 SN1: 反应速度与亲核试剂的亲核性； SN2: 亲核试剂的亲核性强，反应快 影响试剂亲核性的因素？ (1) 试剂的碱性—碱性强，亲核性也强
CH3Cl + NaOH H2O CH3OH + NaCl
Rate = k [CH3Cl][HO-] mol L-1S-1 Mechanism
21
Molecular-orbital description of the SN2 reaction
22
Potential
energy
diagram for an SN2 reaction. The process
5
§2 物理性质
1. The C-X bond is polarized Haloalkanes have higher boiling points than the corresponding alkanes
The polar character of the C-X bond δ+ δ -
C X:
RX: CH3X
ν = k [CH3X][HO-] mol L-1S-1 动力学上称二级反应 SN2 双分子亲核取代 18
二、SN1和SN2机理
1. SN1 Unimolecular Nucelophilic Substitution
(CH3)3CBr + HOH Mechanism
Step 1 (CH3)3CBr
NaOH/乙醇 CH3CH=CHCH3
PhCH2CHCH3 NaOH/乙醇 PhCH=CHCH3 Cl
XH R C CR'
HX
KOH/乙醇 RC CR'
H X KOH/乙醇
X H
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H3C H3C
CH2
NaCN
H3C
CH3 C Cl
Na2CO3/H2O
CH3
H3C H3C
CH2
2. α-消除 在同一个碳上消除卤化氢分子
C X:
C-X极性：C-F>C-Cl>C-Br>C-I
::
C-X可极化度：C-F<C-Cl<C-Br<C-I 可极化度:在外界作用下键发生变形
断裂
7
2 不同结构烃基的影响
烯丙型 一般型 乙烯型
CH2=CHCHR
RCH=CHX
X > RX > X PhCH2X
RX 3° > 2° > 1°
RCH=CHX
R
O C
OMgX
H2O
RCO2H
2. 与金属Li作用
RX + 2 Li RLi + H2O
RLi + LiX RH + LiOH
R：一级, 二级, 三级烷基 芳基, 乙烯基
RLi + CO2 RLi + CuI 乙醚
0℃
RCO2Li R2CuLi
二烷基铜锂
R2CuLi + R'X
R R'
R’：一级烷基,芳基, 乙烯基 不能为三基烷基
CH3 CH3
Br G
CH3 CH3
Br H
Nu- 无阻碍
H3C
CH3
Br
G
阻碍
Nu- CH3
H3C
> Br H 29
(4) 比较如下化合物发生SN1反应的活性顺序
Br C(CH3)3
C(CH3)3
Br
I
>J
Br
(CH3)3C
(CH3)3C
Br
I
J
(CH3)3C
H
K
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2. 离去基团
离去基团易于离去(好的离去基团)有利于亲核取代 如何判断离去基团的离去能力？--主要判断离去基团的碱性！
Br Br
CH3
C2H5 CH3
I
CH3 I H H
Cl
2-甲基-3-溴丁烷 2-bromo-3-methylbutane
2-甲基-4-乙基-1-溴环己烷 1-bromo-4-ethyl-2-methylcyclohexane
1-甲基-2-碘环己烷 1-Iodo-2-methylcyclohexane (1R,2S)-1-甲基-2-碘环己烷 (1S,2R)-1-Iodo-2-methylcyclohexane 3-(氯甲基)戊烷 3-(chloromethyl)pentane
10
CH3 H3C C C CH
CH3
CH3 H3C C Br + HC CNa
CH3
H3C H3C
CH2
11
三、消除反应(Elimination Reaction, E)
1. β-消除 在相邻两个碳上消除卤化氢分子
βα
H
NaOH/乙醇
R C CH2
RCH=CH2
HX
CH3CH2CHCH3 Br
H OH
MgX(OH)
H OR'
MgX(OR')
RMgX +
H O2CR' H NH2 H C CR'
RH + R'CO2MgX MgX(NH2) R'C CMgX
RMgX + D2O
RD + Mg(OD)X
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RMgX + O2
ROOMgX RMgX ROMgX H2O ROH
RMgX + O C O
§4 亲核取代反应机理（Nucelophilic Substitution
Mechanism）
δδ
Nu:- + R X
R Nu + X-
一、反应动力学特征(Kinetics)
RX + H2O OH- ROH + HX
RX: (CH3)3CX ν = k [(CH3)3CX] mol L-1S-1
动力学上称一级反应 SN1 单分子亲核取代
金属有机化合物(Organometallic Compound): 分子中存在C-M键或M-M 键的一类化合物
1. 与Mg作用－Grignard试剂的形成 RX + Mg 醚 RMgX 格氏试剂
活性：RI>RBr>RCl
Br + Mg 乙醚
MgBr
CH2=CHCl Mg/THF CH2=CHMgCl
R X + AgONO2
丙酮
R X + NaI
R
R CN + NaX R NH2 + HX R NHR' + HX R OOCR' + NaX R'C C R + NaX R ONO2 + AgX
I + NaX X = Cl or Br
Note: R一般只能是伯卤代烃，仲或叔卤代烃在碱性条件 下易消除得到烯烃
Methylene dichloride 二氯甲烷
Chloroform
三氯甲烷
Carbon tetrachloride 四氯化碳
氟代环己烷 Fluorocyclohexane
4
2.系统命名法 总的原则：卤素只是一个取代基
Cl
4-甲基-2-氯己烷 2-chloro-4-methylhexane
Cl
2-甲基-3-乙基-4-氯己烷 4-chloro-3-ethyl-2-methylhexane
takes place in a single
step, with a single
transition state.
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三、影响反应机理及反应活性的因素
1. 烷基的结构 (1) 电子效应 (2) 空间效应（烷基的体积）
SN1 决速步 R X
R+ + X-
电子效应: 形成碳正离子稳定性顺序 3oRX>2oRX>1oRX>CH3X
::
2. The bond strength of C-X decreases as the size of X increases
6
§3 卤代烃的化学性质
一、反应的一般规律(General rule)
1 不同卤素的影响 反应活性：RI>RBr>RCl>RF
The polar character of the C-X bond δ+ δ -
Cl Cl Cl C l
Perchlorobiphenyl (Decachlorobiphenyl PCB)
CF3CHBrCl as Inhalation Anesthetics
2
§1 分类和命名
一、分类
1 按烃基：饱和卤代烃，不饱和卤代烃，卤代芳烃 2 按卤素多少：一卤代，二卤代，多卤代烃 3 按与卤素相连碳原子级数：一级，二级以及三级卤代烃
H2C C Br CH3
CH3C CH + HBr
Ph
Br
+ (CH3CH2CH2CH2)2CuLi
H
H
Ph
CH2CH2CH2CH3
H
H
构型保持
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五、还原反应(Reductive Reaction)
R-X Reductive RH 还原剂：Zn/HCl, Na/NH3(l), H2/Pd, LiAlH4
CHCl3 NaOH CCl2 + NaCl + H2O
二氯卡宾
NaOH - Cl-
CCl3
卡 宾 (Carbene) － 碳 烯 ：
活泼中间PhCH=CH2 + CCl2 + CCl2
Ph C
Cl Cl
Cl C
Cl
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四、与活泼金属反应(Reaction with active metals)
RX: X = F, Cl Br or I
CCl3
Cl
CH
Cl
1,1,1-Trichloro-2,2-bis(4chlorophenyl)ethane (DDT)
Cl Cl Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Chlordane 氯丹
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Lindane 林丹
Cl Cl
Cl Cl
C l
Cl
空间效应: 空助效应－形成碳正离子后分子内基团间排斥减小
结论: SN1反应活性顺序 3oRX>2oRX>1oRX>CH3X
SN2 决速步 Nu:- + R X
R Nu + X-
空间阻碍: 与离去基团相连碳上取代基多，妨碍亲核试剂接近中心碳原子
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结论: SN2反应活性顺序 3oRX<2oRX<1oRX<CH3X
SN1
+
X
碳正离子不稳定
SN2背面进攻受阻
桥头卤代烃既难于发生 SN1也难于发生SN2
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Problems
(1) 比较如下化合物发生SN1反应的活性顺序
CH2X A
CH3O
CH2X B
CH3O C
CH2X
C>A>B
(2) 比较如下化合物发生SN1反应的活性顺序
Br
D
Br E
Br F
D>F>E
(3) 比较如下化合物发生SN2反应的活性顺序
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二烷基铜锂的反应
CH3CH2CH2Br + [(CH3)2CHCH2]2CuLi
(CH3)2CHCH2CH2CH2CH3
CuI + (CH3)2CHCH2Li
(CH3)2CHCH2Br + Li
H2C C 2 CuLi + Br CH3
CH3
H2C C CH3
CH3
CuI + H2C C Li CH3
R X + H2O/OH-
R OH + X- 碱性水解
R X + NaSH R X + R'ONa
R SH + NaX
硫醇
R OR' + NaX
R X + R'SNa
R SR' + NaX
9
R X + NaCN
R X + NH3
R X + R'NH2
R X + R'CO2Na
R X + R'C CNa
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26
SN1活性增大
CH3X 1°RX 2°RX 3°RX
SN2活性增大
CH2=CHCHX
SN1
PhCH2X
27
SN2
C
Nu
L
L
烯丙型，苄基型卤代烃
SN1和SN2均易发生； Ph2CHX, Ph3CX则主要
发生SN1反应
Nu
RCH=CHX
RCHCH=X
乙烯型卤代烃以及卤代
X
苯SN1和SN2均不易发生
MgBr
Br
MgBr
2 Mg/THF
Mg/乙醚
MgCl
Cl
Cl
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Grignard试剂的反应
RMgX + R'X
R-R' + MgX2 偶联反应
MgBr + CH2=CHCH2Cl
CH2CH=CH2
Grignard试剂被活性氢分解－活性氢如H2O, ROH, RSH, RCO2H HX, RNH2, 端炔氢，etc.
RCHCH=X
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二、亲核取代反应(Nucleophilic Substitution Reaction, SN)
δδ
Nu:- + R X
R Nu + X-
亲核试剂 反应底物
离去基团
Nu:- H2O/OH-, ROH/RO-, RCO2-, ONO2-SH, RS-; NH3, RNH2; R-: CN-, RMgBr; I-
1° R CH2X
伯卤代烃
2° R2CHX
仲卤代烃
3° R3CX
叔卤代烃
3
二、命名
1.普通命名法
CH3CH2CH2CH2I
碘代正丁烷 Iodobutane
CH3 H3C C Br
CH3
叔丁基溴，溴代叔丁烷 t-butyl bromide
CH2Cl
苄基氯，氯化苄 Benzyl chloride