第八章脂肪族卤代烃( aliphatic halogenated hydrocarbon) 81卤代烃的分类和命名 卤代烃的分类烃分子中的氢原子被卤原子取代后的化合物称为卤代烃,简称 卤烃。在卤代烃中,氟代烃的制备和性质与其它卤代烃相差较多,本节不作介绍。碘代 烃太贵,其大规模应用受到一定程度限制。 根据卤原子的不同,卤代烃可分为氟代烃、氯代烃、溴代烃及碘代烃;根据卤代烃 中所含卤原子数目多少,卤代烃可分为一(元)卤代烃及多(元)卤代烃;根据卤原子 所连的烃基不同,卤代烃可分为饱和卤代烃、不饱和卤代烃及卤代芳烃;根据与卤原子 直接相连的碳原子的种类不同,卤代烃可分为伯(一级,19)卤代烃、仲(二级,2°) 卤代烃和叔(三级,3°)卤代烃 二、卤代烃的命名 1.习惯命名法简单卤烃以烃基为取代基,卤素为母体来命名。例如 CH, CI CH, CH2C(CH3)HBr CH=CHCH.CI CH,CCBr 甲基氯 仲丁基溴 烯丙基氯 丙炔基溴 2.系统命名法复杂的卤代烃以烃基为母体,卤原子为取代基来命名。命名时选择 含有卤原子的最长碳链为主链,并遵循最低系列原则和次序规则(较优基团后列出) 例如 CH CH CHCH CH CH, CHCHCHL CI CH,=CCHCH=CHCH, CI CH Br H C Br 2-乙基-1-溴丁烷2-甲基-1,3-二氯丁烷2-甲基6-氯-3-溴-1,4-已二烯 H CH, CHC H (乙)-5-甲基-2-溴-3-已烯 1-甲基-4-氯环已烷 2-甲基-4-氯苯酚 82卤代烃的制法 一、烃的卤代在光照或加热条件下,烃分子中的氢原子可被卤素取代生成卤代烃 、不饱和烃与卤化氢或卤素加成烯烃或炔烃与卤化氢或卤素发生加成反应,生 成卤代烃 三、从醇制备醇与氢卤酸、三卤化磷和亚硫酰氯(SOCl2)等试剂作用生成卤代
烃,这是制备卤代烃最常见的方法。例如: CH3 CH_ CH2CH2OH HBr-- CH3 CH, CH, CH, Br H2O Br. p TOH CH, CHCHCH SOCl CH CHCHCH3 HCI+ sO2 OH CH 83卤代烃的物理性质 在室温下,除氯甲烷、氯乙烷和溴甲烷是气体外,其它常见的卤代烃大多为液体 高级卤代烃是固体。卤代烃的沸点随着相对分子质量的增加而升高。烃基相同而卤原子 不同的卤代烃中,碘代烃的沸点最高,溴代烃、氯代烃、氟代烃依次降低。直链卤代烃 的沸点高于含支链的异构体,支链越多,沸点越低 卤代烃不溶于水,能溶于醇、醚、烃等有机溶剂,有些卤代烃本身就是有机溶剂 氟代烃、一氯代烃相对密度小于1,多氟代烃、多氯代烃、溴代烃和碘化烃相对密度 大于1。卤代烃中卤原子增加,可燃性降低。例如,CCl4可以用作灭火剂,但它在高温 时遇水分解而产生剧毒的光气,所以灭火时要注意保持空气流通,以防中毒 纯净的卤代烃多数是无色的,溴代烷和碘代烷光照射下能缓慢分解出游离卤素而分 別带棕黄色和红棕色。卤代烃蒸气有毒,尽可能防止吸收。 84卤代烷的化学性质 卤代烷中卤素是官能团。卤代烃分子中,卤原子被其它试剂进攻而发生取代反应 从分子中消去卤化氢生成碳碳双键而发生消除反应。由于CⅠ、C—Br、C-Cl键键能 依次增大,因此,反应时卤代烷活性次序为 碘代烷>溴代烷>氯代烷。 取代反应卤代烷中卤原子电负性大于碳原子,C—X键极性大于C-C键和C H键。因此,亲核试剂容易进攻与卤原子相连接的碳原子而取代卤原子。这种由亲核 试剂进攻卤代烷中电子云密度较低的碳原子,从而发生的取代反应称为亲核取代反应 ( nucleophilic substitution reaction)。用Nu和SN分别表示亲核试剂和亲核取代反应 X表示离去基( leaving goroup)。常见的Nu为:OH,OR,NC,NH3,ONO2,I, RC≡C等。 1.水解伯卤代烷与碱的水溶液发生取代反应而生成醇一水解。例如: H O n-C.H CI+ NaOH n-CH oH Nacl 2醇解伯卤代烷与醇钠的醇溶液发生取代反应生成醚_醇解,这是制备混醚(R
OR′)的方法( Willamson合成法)。例如 CHa CH, Br +(CH 3)2 CHONa CH3 CH2 OCH(CH3)2 Nabr 乙基异丙基醚 3氰解伯卤代烷与氰化钠发生取代反应生成腈—氰解。腈水解可得到比原来卤代 烷多一个碳原子的羧酸,此反应常用于制备脂肪酸。例如: n-C.H. Br+Na(CN乙醉 n-C.HCN+NaBr n-C,H.CN NaOH/HO n-C.H COONa +,H COOH 4氨解伯卤代烷与氨反应,卤原子可被氨基取代生成伯胺一氨解。伯胺仍是一个 亲核试剂,可继续与卤代烷反应,使氨基中的氢原子逐步被取代,生成仲胺、叔胺和季 铵盐。该反应通常得到一混合物,氨过量时生成伯胺。例如 C,H, Br+NH, -HBC,H,NH, CHSB(CH), NH C.HB (C2H5)3N CH B (C2H5)4NBr 仲卤代烷在发生水解、醇解、氰解和氨解时,反应的产率通常较低,而叔卤代烷则 主要发生消除反应而得到烯烃 5.与硝酸银的乙醇溶液反应卤代烷与硝酸银的乙醇溶液反应,生成硝酸烷基酯和 卤化银沉淀 R-X+ AgNO, ZH-R-O-NO,+ AgX, 卤代烷反应活性次序是:叔卤代烷>仲卤代烷>伯卤代烷>卤甲烷。根据生成沉淀 的速度和卤化银的颜色,可以鉴别不同的卤代烃。 与碘化钠的丙酮溶液反应氯代烷和溴代烷可以与碘化钠的丙酮溶液反应,生成 碘代烷。 R-X NaI-AIN-R-I-+NaX(X=Cl, Br) 卤代烷的反应次序为:卤甲烷>伯卤代烷>仲卤代烷>叔卤代烷。 在极性质子溶剂(如水、醇、酸)中,Ⅹ的亲核性次序为:I>Br>Cl>F,但 在极性非质子溶剂(如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等)中,Ⅹ的亲核性次序为:I仲卤代烷>伯卤
代烷。 当卤代烷有两种或三种不同的β-氢原子可供消除,主要消除含氢较少的β-碳原 子上的氢原子,从而生成双键碳原子上连接较多烃基的烯烃,这条经验规律称为札依采 夫规则( Saytzeff rule)。例如 CH3CHCHCH KOH-C2HSOH CH, CH=CHCH3 CH, CH, CH-CH2 H Br H 2-丁烯(81%)1-丁烯(19%) H CH, CH,(CH)2KOH-CHgOH CH, CH-C(CH_)2+ CH,CH, C-CH 2甲基2丁烯(71%)2-甲基-1-丁烯(29%) 三、与金属反应卤代烷与某些金属(如锂、钠、镁等)反应,生成金属原子与碳 原子直接相连的一类化合物,称为金属有机化合物,其中最重要的是有机镁化合物。 1.与锂、钠反应在惰性溶剂(如戊烷、石油醚、乙醚等)中,利于卤代烷反应生 成烷基锂。例如 CH, CHCH, CH,Br+2L/CH3cH.OCHACH3 10°d →CH3CH2CH2CH2Li+Lil 丁蒜溴 丁基锂 生成的烷基锂被含活泼氢的化合物(如水、醇、酸等)迅速分解成烷烃。因比溶剂 必须彻底干燥,反应最好在氮气、氩气等保护下进行。与钠反应是武慈反应。 CH2-CH2 烷基锂在乙隧或四氢呋喃(CH2CH2,简写作THF)溶液中与碘化亚钢反应生成二烷基 铜锂: EtDEt 2RL]+Cul R CuLi 烷基锶 二烷基铜锂 烷基锂先与碘化亚铜生成烷基铜(Ⅰ),后者再与另一摩尔烷基锂结合,生成能溶于乙醚或四氢呋 的二烷基锎锂。 R=1°、2°、3°烷基,烯基,烯丙基,芳基;X=Cl,Br, 二烷基铜锂与卤代烷反应,生成烷烃: R CuLi+RX→R一R'+RCu+LiX 二烷苳铜锂卤代烷 烷烃 卤代烷与二烷基铜锂起反应的话性大小次序为CHX>RCH2X>R2CHX>RCX,RD>RBr> RCl>RF,与S2反应和似。二烷基铜锂与仲卤代烷或叔卤代烷可能发生消去反应,二烷基铜 锂中的烷基为仲或叔烷基时与卤代烷反应的活性较小,本身也不稳定。因此,常用二烷基铜锂来 合成RCH2-CHR型烷烃。例如: Eto (CH,) CuLi+CHa(CHt)CHaI 6-d CHy(CHi). CH:+CH Cu+Lil 二甲基惭忸1-碘费烧 十一烷 90%
由于有机铜锂试剂具有碱性,反应中的卤代烃以伯卤代烃为佳,叔卤代烃不反应。但分 子中含有羰基、酯基、羟基、氰基、和孤立双键等卤代烃的衍生物,能反应,且不受影 响。例如 2.与镁反应卤代烷在绝对乙醚(也称为干醚,是不含少量乙醇和水的乙醚)中, 与金属镁反应生成烷基卤化镁(RMgX) RX+Mg千-R-Mgx 烷基卤化镁称为格利雅试剂( Grignard reagen),凡是格利雅试剂参与的反应称为格 利雅反应。格利雅由于首先合成烷基卤化镁而获得1912年的诺贝尔化学奖。 在制备格利雅试剂时,卤代烃的活性次序是:碘代烷>溴代烷>氯代烷。对于反应 活性较小的卤代烃(如氯乙烯和氯苯),制备格利雅试剂时,需要用四氢呋喃(缩写为 THF)作溶剂,以提高反应的温度。例如 CI + M 水T MgCl (卤苯型格利雅试剂) 制备格利雅试剂要用醚作溶剂,原因是格利雅试剂是路易斯酸,而醚是路易斯碱 它们可以形成稳定的配合物而使格利雅试剂溶解在醚中。配合物结构如下所示 CHCHOCHCH CHCHOCHCH 格利雅试剂是一个强极性试剂(R—MgX),它与含活泼氢的化合物(如酸、水、 醇、氨等)反应生成烷烃。 RH MgX RH mg(odx ROH RMgX RH +R OMgX NH RH Mg(NH,)X RC≡Cl RH +RCC- MgX 格利雅试剂可以被空气中的氧氧化,其氧化产物经水解生成醇。 RMgX +,O R-O-MgX H,0 ROH Mg(OH)X 因此,在制备格利雅试剂时,不仅醚需无醇、无水,卤代烷和使用的仪器需要干燥 无水,而且反应需要无氧环境(隔绝空气)
四、亲核取代反应机理许多实验结果表明,卤代烷的亲核取代反应有两种反应机 理:单分子亲核取代反应机理(S1)和双分子亲核取代反应机理(S2) 1.单分子亲核取代反应机理(S、1)实验证明,叔丁基溴在碱性溶液中水解速率, 仅与叔丁基溴的浓度成正比,而与碱的浓度无关。这说明决定反应速率的一步与试剂无 关,而仅取决于叔丁基溴本身C—Br键断裂的难易和它的浓度。 (CH3)3C-OH 因此,叔丁基溴水解分两步进行,其机理如下 第一步:(CH1)2C-Br_慢-[(CH1B门 过渡态 第二步:(CH3)2C+OH-一[(CH33-OH一CH2)C一OH 过渡态T2 叔丁基溴水解第一步速率慢,整个反应的速率显然由第一步来决定。而第一步反应 速率与反应物浓度成正比,与亲核试剂(OH)无关。在决定反应速率的慢步骤中,发 生共价键变化的只有一种分子,所以称之为单分子亲核取代反应( unimolecule nuclephilic substitution reaction),常用S1表示。 按SN1机理进行的反应是一级反应,活性中间体是碳正离子,整个反应过程经过两 种过渡态T和T2。中间体碳正离子是一个$p杂化的平面构型。亲核试剂(OH)在第 二步与碳正离子成键时,从平面两边进攻的机会是均等(50%)的。 CH\ CH3 ,CH3 HO-C-CH CHIC-OH (50%) (50%) 反应过程中能量的变化如图8.1所示。 CHs),C+ +Br--OH △H L(CH3)3C-( CH,)aC-B +B -OH O 反应进程 图81叔丁基溴水解反应的能量曲线
2双分子亲核取代反应机理(S、2)实验证明,溴甲烷的碱性水解反应速率不仅 与卤代烷的浓度成正比,也与碱的浓度成正比。 CH Br Oh CH OH Br U水解=k[CH3Br][oH 溴甲烷的碱性水解反应机理及反应过程中能量的变化如图8.2所示。如下: H Ho+ B H HO--C H 过渡态 HO--..B △E HO+H-C-Br H Hoc一H+Br 反应进程 图82溴甲烷水解反应的能量曲线 溴甲烷碱性水解反应中,反应物(CHBr)和亲核试剂(OH)两者都参与了反应 速率的控制步骤,这种亲核取代反应称为双分子亲核取代反应( bimolecule nuclephilic substitution reaction),用S2表示。在这个S2反应过程中,由于溴原子带部分负电荷 因此亲核试剂OH总是沿着C—Br键的背面进攻碳原子。生成产物后,羟基处于原来溴 的对面,甲基上的三个氢原子也完全转向到溴原子的一边,这个过程好象雨伞被大风吹 得向外翻转一样。产物甲醇与反应物溴甲烷具有相反的构型,这称为瓦尔登转化或瓦尔 登反转( Walden inversion)。但这种构型转化,只有当中心原子是手性碳原子时,才能观 察出来 按S2机理进行的反应是二级反应,整个反应过程没有中间体,但经过了一种能量
较高的过渡态。在反应过程中,伴随着旧键的断裂和新键的生成,中心碳原子以反应物 的sp3杂化转变为过渡态的sp2杂化,再从过渡态的sp2杂化恢复到产物的sp3杂化 3分子内亲核取代反应机理邻基效应如果亲核试剂与被取代的离去基团是处于 同一分子内,可以发生有条件的取代反应。例如: 分子内的氧负离子比外界的OH进攻中心碳原子更有力,因为它距中心碳原子最近, 且是反式共平面,比S2更有利。这种同一分子内,一个基团参与并制约和反应中心相 连的另一个基团所发生的反应,称为邻基参与。它是分子内基团之间的特殊作用所产生 的影响,又称邻基效应。亲核试剂和离去基不一定非在相邻两个碳原子之间。邻基参与 时反应速率加快,这种现象称为邻助作用 当离去基团所连的碳原子是手性碳原子时,若发生分子内的反应,将限制产物的构 型。例如 生成100%的构型保持产物(SN和SN2都不能)。 能发生邻基参与的基团是:具有未共用电子对的杂原子,如氧、氮、硫、卤原子等, 这种参与称为n-参与;碳碳双键和苯环的电子,这种参与称为π-参与;环丙基和碳碳 键电子,这种参与称为σ-参与。其结果是生成环状化合物,或是促进反应速率明显增 加,或限制产物的构型,或几种情况兼而有之。邻基参与也可存在于其它类型的反应中, 如消除、重排、加成、氧化还原、自由基反应等。对反应速率和反应产物有较大影响。 五、影响亲核取代反应的因素卤代烷的亲核取代反应可以分为Sl和S2两类, 究竟按何种机理进行,主要受到卤代烷的结构、离去基团、亲核试剂和溶剂性质等因素 的影响 1烷基结构的影响实验表明,卤代烷发生SNl反应时,活性次序为:叔卤代烷> 仲卤代烷>伯卤代烷>卤甲烷,这是由于碳正离子的稳定性;但发生S2反应时,活性 次序恰好相反。烷基结构对SN1的影响主要考虑电子效应,对S2的影响主要考虑空间 效应。因为按SN1机理反应时,生成的中间体是碳正离子,所以能生成稳定碳正离子的 卤代烷,进行SN1反应活性高。碳正离子稳定次序为:3R>2R>1R>CH3。所以卤代 烷发生S1反应,活性次序为:叔卤代烷>仲卤代烷>伯卤代烷>卤甲烷。按S2机理 反应时,亲核试剂是从离去基团的背面进攻碳原子的,烷基的结构如能对亲核试剂的接
近起阻碍作用,反应活性就会降低。α-碳原子上的烷基与氢原子相比,更大的阻碍了 亲核试剂的接近,烷基越多,阻碍越大。此外,烷基越多,生成的过渡态“拥挤”程度 越大,过渡态能量越高。所以卤代烷发生S2反应,活性次序应是:卤甲烷>伯卤代烷 >仲卤代烷>叔卤代烷 2离去基团的影响由于SN1和S2反应的慢步骤都包括CX键的断裂,离去基 团Ⅹ的离去能力强,对反应都有利,但对SN1更有利。因为S2反应中,参与过渡态 形成的还有亲核试剂。所以卤代烷的活性次序为:RI>RBr>RC1>RF 3亲核试剂的影响亲核试剂对SN1反应无明显影响,但由于它参与了S2反应过 渡态的形成,对SN2反应有很大的影响。亲核试剂浓度越大,亲核能力越强,反应按 S2进行的趋势就越大。 (1)当亲核原子相同时,极性质子溶剂中,试剂的碱性越强,其亲核性越强。例 sH: C2HsO>HO>C6HSO>CH3 CO2>H2O 试剂的亲核性与碱性是两个不同的概念,它们的大小次序并不完全一致。 在质子性溶剂中,一些常见亲核试剂的亲核能力强弱次序为:CN>r>NH3>RO >OH>Br>PhO>C>H2O>F。I既是良好的离去基,又是一个好的亲核试剂,所 以常常作为S2反应的催化剂。 (2)亲核原子是同族时,试剂的可极化度越大,其亲核性越强。例如:I>Br>CI>F R3P>R3 (3)亲核原子是同周期时,原子的原子序数越大,其亲核性越强。例如: OH >F R3P>R2S 4溶剂极性的影响溶剂极性增大,能加速C-X键的断裂,使反应有利于按S1 机理进行。增大溶剂的极性会使极性大的亲核试剂溶剂化,对S2不利。 综上所述,在极性较大的溶剂(如含水的乙醇溶液)中,叔卤代烷主要按S1机理 进行。而在极性较小的溶剂(如乙醇)中,卤甲烷和伯卤代烷主要按S2机理进行。仲 卤代烷同时按照两种机理进行,一般以SN2为主:在强极性溶剂中,用弱亲核试剂与卤 代烷反应,主要按S机理进行。例如,硝酸银的乙醇溶液与卤代烷反应主要按S机 理进行。在弱极性溶剂中,用强亲核试剂与卤代烷反应,主要按S2机理进行。例如, 碘化钠的丙酮溶液与卤代烷反应主要按S2机理进行。 六、消除反应机理消除反应也分为单分子消除和双分子消除两种反应机理,它们 分别用E1和E2表示。 1单分子消除反应(E1)机理E1反应与SN1反应有相似的机理,反应也分两步
进行。卤代烷在碱性水溶液中解离为碳正离子,OH若进攻碳正离子的中心碳原子,则 生成取代产物;若进攻β-氢原子则发生消除反应生成烯烃。叔丁基溴进行E1反应的 机理可表示如下 CH CH-C-X CH CH-C-CH2 CH 由此可见,E1和SN1经常同时发生,是两个互相平行、互相竞争的反应。究竞何 者占主导,则主要取决于碳正离子在第二步反应中,消除质子或与试剂结合的相对趋势 而定。 2双分子消除反应(E2)机理卤代烷与强碱的乙醇溶液共热,一般都按E2机理 进行消除反应,E2机理可以表示如下 RCHCH-X+OH R一CH=CH,+H,O+X R-CHE-CH 过渡态6 卤代烷与试剂OH都参与了反应速率的控制步骤。这种反应机理称为双分子消除反 应机理(E2)。反应过程中,β-氢原子和卤原子的离去以及碳碳双键的生成是同时发 生的。E2反应中形成的过渡态与S2很相似,其区别是在E2中试剂进攻β-氢原子, 而在S2中则进攻a-碳原子。 B(亲质子性) B(亲核性) (L代表离去基团,?:表碱性试剂) 由此可见,E2和S2经常同时发生,是两个互相平行、互相竞争的反应。 七、影响消除和取代反应的因素 (1)烷基结构的影响烷基结构对二者的影响为: 主要是空间因素。消除反应中,试剂进攻的是外围β-氢原子,所受空间阻碍小于 进攻a-碳原子,因此卤代烷发生消除反应活性次序是:3°RX>29RX>1°RX (2)亲核试剂的影响亲核试剂的碱性越强,对消除反应越有利。消除反应中, 试剂进攻的β-氢原子酸性较弱,增加试剂的碱性有利于消除反应 (3)溶剂的影响极性大的溶剂有利于电荷的集中而不利于E2过渡态(涉及五个