1、第 五 章,鹵 代 烷 (Alkyl halides),楊 宏 訓(xùn),2,2,一. 鹵代烷的命名,二. 一鹵代烷的反應(yīng),三. 親核取代反應(yīng)機(jī)理,四. 一鹵代烷的制備,五. 有機(jī)金屬化合物,第 五 章 鹵 代 烷 (Alkyl halides),第五章 鹵代烷 (Halogen alkane),一 分類(lèi)和命名,命名時(shí)鹵素做為取代基；如：,1氯丁烷,2甲基3溴丁烷,順1甲基2氯環(huán)己烷、,或：1R,2S1甲基2氯環(huán)己烷,二 一鹵代烷的制法,（1）烷（環(huán)烷）烴的鹵代：,例：,(2) 從烯烴：,(3) 從醇：,三、一鹵代烷的化學(xué)性質(zhì),分析 官能團(tuán),+ -,X被親核試劑Nu-取代,X與-H消除1分子HX,生

2、成有機(jī)金屬化合物,X被還原,結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),二 有機(jī)金屬化合物：,鹵代烴和金屬反應(yīng)可以生成含有碳-金屬鍵的金屬有機(jī)化合物 （NaOCH2CH3卻不是金屬有機(jī)化合物），下面主要討論幾種重 要的金屬有機(jī)化合物；,（一）有機(jī)鋰化合物,例：,8090,涉及金屬有機(jī)化合物的反應(yīng)通常都需要在無(wú)水無(wú)氧、非質(zhì)子溶劑 的條件下進(jìn)行，,烴基鋰是常見(jiàn)的堿性試劑；,烴基鋰也常用于制備R2CuLi（二烷基酮鋰）；,烴基鋰和二烷基銅鋰可做為親核試劑，和鹵代烴反應(yīng)生成長(zhǎng)鏈 的烷烴；,這里鹵代烴須采用伯RX，不要采用易發(fā)生消去反應(yīng)的仲和叔RX （烴基鋰和二烷基銅鋰是強(qiáng)堿，仲和叔RX在堿性介質(zhì)中易發(fā)生消 去反應(yīng)）；,例：,（按S

3、N2機(jī)理進(jìn)行）,（二）有機(jī)鎂化合物：,（烷基鹵化鎂）,又稱(chēng)為Grignard（格利雅、格氏）試劑，,反應(yīng)時(shí)常使用無(wú)水乙醚或四氫呋喃（THF）為溶劑，同時(shí)乙醚 （或四氫呋喃）兼具配位作用，對(duì)Grignard試劑起穩(wěn)定作用；,2. 反應(yīng)體系中不能存在具有活性氫的物質(zhì)（HA，水、醇、羧酸 等），否則會(huì)發(fā)生分解；,3. 烴基R中不能含活性氫及羰基（ ）等能分解Grignard試劑的官能團(tuán)；,4. 合成上的應(yīng)用：,Grignard試劑的制備很容易，使得它在合成上具有重要的作用；,例：,另外，在生成CC鍵的方法中具有重要用途，如醇、羧酸的合 成。,（三）有機(jī)鋅化合物：,反應(yīng)機(jī)理可能是：,1,3二鹵代烷在乙

4、醇溶液中與鋅作用生成環(huán)丙烷衍生物；,例：,（一）親核取代反應(yīng) (Nucleophilic Substitution) （SN）,反應(yīng)通式為：,親核試劑（Nu）：具有孤對(duì)電子的負(fù)離子或中性分子, 能進(jìn)攻 底物分子中帶正電荷的碳的試劑；常見(jiàn)的有,（1）負(fù)離子：OR，OH，SH，CN，X等，實(shí)驗(yàn)室中常 用它們的鈉鹽，鉀鹽。,（2）中性分子：如H2O，NH3，ROH，RNH2等。,離去基團(tuán)（L）：,具有較大電負(fù)性、容易帶一對(duì)電子離去的原子或基團(tuán)， 常見(jiàn)的除X外，還有OH、 NH2、OSO3R（硫酸酯基）等；,鹵代烷和不同親核試劑反應(yīng)的通式為：,生成醇,生成醚,生成腈,生成另一種鹵代烷,定性鑒別鹵代烴,

5、氨解，生成胺,水解,醇解,（二）還原 (P90),如LiAlH4（氫化鋁鋰、鋁鋰氫）、 NaBH4（硼氫化鈉）；,最常見(jiàn)的還原劑是金屬氫化物，,1. 底物和親核試劑的濃度越高，反應(yīng)活性越高；,2. 速度常數(shù)k越大，反應(yīng)活性越高；,影響速度常數(shù)的因素有：,（1）親核試劑Nu的親核性越強(qiáng)，反應(yīng)活性越高；( P95 ),（2）底物R的結(jié)構(gòu)，Nu進(jìn)攻底物中C的空間位阻越大，活性 越低； ( P93 ),（3）底物中離去基團(tuán)L的離去能力越強(qiáng)，反應(yīng)活性越高； ( P96 ),（4）溶劑極性越小，反應(yīng)活性越高。,SN2反應(yīng)的通式是：,v = kR-LNu,六 親核取代反應(yīng)機(jī)理,（四）SN2反應(yīng)的立體化學(xué)：,

6、Nu從離去基團(tuán)L的背面進(jìn)攻反應(yīng)中心C，產(chǎn)物中C*的 構(gòu)型發(fā)生翻轉(zhuǎn)（產(chǎn)物的構(gòu)型與底物的構(gòu)型相反），即瓦爾登 （Walden）轉(zhuǎn)化。,例：,R,S,二、單分子親核取代反應(yīng)（SN1）機(jī)理：,溴代叔丁烷的堿性條件下的水解反應(yīng)，經(jīng)測(cè)定其水解速率只與 鹵代烴的濃度成正比，而與堿的濃度無(wú)關(guān)。不加NaOH，反應(yīng)速度 也無(wú)顯著變化。,v = k(CH3)3CBr,反應(yīng)對(duì)(CH3)3CBr是一級(jí)的，對(duì)堿是零級(jí)，因而以上水解反應(yīng) 是一級(jí)反應(yīng)。,因其水解反應(yīng)速度僅與反應(yīng)物鹵代烷的濃度有關(guān)，而與親核試劑 的濃度無(wú)關(guān)，所以稱(chēng)為單分子親核取代反應(yīng)（SN1反應(yīng)）。,（一） SN1反應(yīng)機(jī)理：,分兩步反應(yīng)：,第一步：,生成活性中

7、間體碳正離子；,過(guò)渡態(tài)（1）,中間體,第二步：,過(guò)渡態(tài)（2）,（三）SN1機(jī)理的典型反應(yīng)條件：,AgNO3/乙醇溶液,（白色或黃色）,任意結(jié)構(gòu)的RX在AgNO3/乙醇溶液中反應(yīng)都按SN1機(jī)理進(jìn)行是因?yàn)椋?AgX沉淀的生成促使了碳正離子的形成，而中間體碳正離子的形成 標(biāo)志著SN1機(jī)理；,該反應(yīng)產(chǎn)生白色或黃色沉淀可用于定性鑒別SN1反應(yīng)活性較高的 RX,例：,盡管底物為伯鹵代烷，但C的空間位阻大，且水的親核性低， 按SN2機(jī)理進(jìn)行較難，,產(chǎn)物中含有重排產(chǎn)物，所以應(yīng)該按SN1機(jī)理進(jìn)行；,三、影響親核取代反應(yīng)的因素總結(jié)：,（一）底物烴基結(jié)構(gòu)的影響：,1. 對(duì)SN1的影響,SN1反應(yīng)活性決定于碳正離子的

8、形成及穩(wěn)定性。,碳正離子的穩(wěn)定性是：,SN1反應(yīng)的速度是：,例：,水的親核性弱，有利于按SN1機(jī)理進(jìn)行）；,（機(jī)理類(lèi)型判斷：,相對(duì)速度,1 1.7 4.5 1108,2. 對(duì)SN2的影響：,SN2反應(yīng)決定于過(guò)渡態(tài)形成的難易。,當(dāng)反應(yīng)中心碳原子（- C）上連接的烴基多時(shí)，空間位阻大， 阻礙了親核試劑從離去基團(tuán)背面進(jìn)攻- C（接近反應(yīng)中心）。過(guò) 渡態(tài)難于形成，SN2反應(yīng)就難于進(jìn)行。,例：,（機(jī)理類(lèi)型判斷：,I的親核性強(qiáng)，有利于按SN2機(jī)理進(jìn)行）；,相對(duì)速度,22100 1350 1 測(cè)不出,當(dāng)伯鹵代烷的位上有側(cè)鏈時(shí)，取代反應(yīng)速率明顯下降。,例：,（機(jī)理類(lèi)型判斷：,伯RX傾向于SN2機(jī)理，且C2H5

9、O親核性較強(qiáng)也 有利于按SN2機(jī)理進(jìn)行）；,相對(duì)速度,例：,為什么,進(jìn)行SN1和SN2反應(yīng)的活性都很低？,按SN1機(jī)理進(jìn)行時(shí)，,中間體碳正離子的中心碳原子為sp2雜化，要 求平面結(jié)構(gòu)，,而,由于環(huán)的存在，無(wú)法達(dá)到平面結(jié)構(gòu)，不 穩(wěn)定，所以按SN1機(jī)理進(jìn)行時(shí)活性低；,按SN2機(jī)理進(jìn)行時(shí)，中心碳原子（- C）上的空間位阻大，所以 按SN2機(jī)理進(jìn)行時(shí)活性低；,（二）離去基團(tuán)（L）的影響：,SN1機(jī)理是離去基團(tuán)在沒(méi)有親核試劑進(jìn)攻的幫助下離去，從而生 成碳正離子；,顯然離去基團(tuán)易離去的，容易按SN1機(jī)理進(jìn)行；,SN2機(jī)理是離去基團(tuán)須在親核試劑進(jìn)攻的幫助下離去，,顯然離去基 團(tuán)越難離去的，采用SN2機(jī)理的可

10、能性越大；,綜合而言，不管是SN1或SN2機(jī)理，離去基團(tuán)越易離去，反應(yīng)活性 越高；,常見(jiàn)基團(tuán)的離去傾向：,L,離去傾向,6.0 3.0 1.0 1.0 0.02 0.01 0.001,（KL/KBr）,（三）親核試劑Nu的影響：,1. 對(duì)SN1的影響：,按SN1機(jī)理進(jìn)行時(shí)，與親核試劑的親核性無(wú)關(guān)；,2. 對(duì)SN2的影響：,按SN2機(jī)理進(jìn)行時(shí)，親核試劑親核性越強(qiáng)的，反應(yīng)活性越高；,綜合而言，當(dāng)親核試劑親核性強(qiáng)時(shí)，如I等，更容易按SN2機(jī)理 進(jìn)行；,而親核試劑親核性弱時(shí)，如H2O、CH3CH2OH，更容易按SN1機(jī) 理進(jìn)行；,例：,4days 50,（1）,幾mins 100,由于是伯鹵代烷，上述

11、兩個(gè)反應(yīng)都屬于SN2機(jī)理類(lèi)型；,反應(yīng)（2）中CH3CH2ONa的親核性強(qiáng)于CH3CH2OH，所以反應(yīng) 活性更高，產(chǎn)率更大；,（2）,3. 常見(jiàn)試劑的親核能力及判斷方法：,如：,、,、,、,、,、,、,強(qiáng),中等,弱,試劑的親核性與中心原子的負(fù)電荷密度、變形性及空間體積（位 阻）有關(guān)；,負(fù)電荷密度越高、變形性越大、空間體積（位阻）越小， 親核性越大；,、,（四）溶劑極性的影響：,極性較大的溶劑有利于提高電荷較集中（極性較大）的物質(zhì)的溶 劑化效應(yīng)，從而提高穩(wěn)定性（降低位能）；,所以提高溶劑極性對(duì)電荷較集中物質(zhì)的穩(wěn)定性提高強(qiáng)于電荷較分 散物質(zhì)的穩(wěn)定性提高；,1常見(jiàn)溶劑的極性：,苯 乙醚 乙醇 丙酮 水

12、 甲酰胺（HCONH2）,介電常數(shù),3 4 24.3 25 78 111,例：,（SN1機(jī)理）,溶劑,C2H5OH C2H5OH-H2O H2O,V（相對(duì)）,1 1029 1450,四、和親核取代反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)的副反應(yīng)：,和親核取代反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)的主要副反應(yīng)是消去反應(yīng)，,是親核取代為主，還是消去反應(yīng)為主，取決于底物RX結(jié)構(gòu)、親 核（堿性）試劑的強(qiáng)弱、反應(yīng)溫度等因素；,通常情況下，叔RX、親核試劑的堿性較強(qiáng)、反應(yīng)溫度較高有利 于消去反應(yīng)；,溶劑極性,大,例：,58 29 13,盡管是叔RX，但水和乙醇的堿性較弱，且反應(yīng)溫度不高，使得 消去產(chǎn)物比例較低；,例：,伯RX，親核取代為主；,例：,叔RX，N

13、aCN具有一定堿性，消去反應(yīng)為主；,例：,(CH3)3CO空間體積大，親核性弱，堿性強(qiáng)，消去反應(yīng)為主；,有關(guān)親核取代反應(yīng)和消去反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)在第六章“烯烴”中還會(huì)進(jìn)一 步討論；,從一個(gè)分子中消去一個(gè)小分子的反應(yīng)，例：HX。,常用的催化劑是強(qiáng)堿，例：乙醇鈉的乙醇溶液。,消去方式：1,1-消去、1,2-消去。,(1). 1,1-消去（-消去）（Page 563）,卡賓,卡賓：,及其衍生物的總稱(chēng)，例：,二氯卡賓。,例：,（二）消除反應(yīng)（Elimination Reaction）（E）,（2） 1,2-消去 （消去反應(yīng)）,鹵代烷在強(qiáng)堿（如NaOEt/HOEt）存在下加熱，脫去HX生成烯烴，,反應(yīng)通式：,由于脫去的氫原子是CH，所以又稱(chēng)為消去反應(yīng)；,例：,（二）消除反應(yīng)（Elimination Reaction）（E）,a. 區(qū)域選擇性：,通常情況下符合查依且夫（Saytzeff）規(guī)則，,即消去C上含氫 較少的氫原子而生成的烯烴為主要產(chǎn)物；,又可表達(dá)成：,主要產(chǎn)物為雙鍵上烷基較多的烯烴（或穩(wěn)定性