第九章卤代烃主讲人：王碧教授

第九章卤代烃 主讲人：王碧教授

教学目的要求： 1. 理解卤代烃的分类、同分异构现象，掌握卤代烃的命名法及物理性质； 2. 掌握卤代烃的化学性质，取代反应（包括水解、醇解、氨解、与AgNO3及NaCN的反应）；消去反应（扎依采规则）；与金属反应（格试剂、有机锂试剂、武兹（Wurtz）反应）及有机金属化合物概念； 3. 掌握饱和碳上的亲核取代反应历程SN1和SN2及烃基结构，离去基团对亲核取代反应速率的影响。理解亲核取代的立体化学，瓦尔敦转化及外消旋化； 4. 掌握重要的卤代烃：氯乙烯、氯苯、氯苄、三氯甲烷、四氯化碳、氟里昂、四氯乙烯的性质与用途。

重点： 卤代烃的亲核取代反应，亲核取代反应历程的基本概念及重要因素，亲核取代的反应规律。难点：亲核取代反应机理以及亲核取代反应的立体化学等知识点的认识和理解。

9.1 卤代烷的分类、命名 一、分类 1. 按分子中所含卤原子的数目，分为一卤代烃和多卤代烃，卤原子的种类分为氟代烃、氯代烃、溴代烃和碘代烃。 2. 按分子中卤原子所连烃基类型，分为饱和、不饱和、芳香卤代烃：卤代烷烃 R-CH2-X 卤代烯烃 R-CH=CH-X 乙烯式 R-CH=CH-CH2-X 烯丙式 R-CH=CH（CH2）n-X ≥2 孤立式乙烯式卤代芳烃烯丙式

3.按卤素所连的碳原子的类型，分为： 二、卤代烃的命名 1.普通命名：简单的一卤代烷以相应的烷为母体，称卤某烷，或看作烷基的卤化物，称烃基卤，某些卤代烷则用俗名. 或溴代叔丁烷

2.系统命名（IUPAC命名) 以烷烃为母体，卤素为取代基 3-甲基-4-溴己烷 3-氯-1-溴丁烷反-1-氯甲基-4 -氯环己烷

2.系统命名（IUPAC命名) 3-甲基-4-溴己烷 3-氯-1-溴丁烷反-1-氯甲基-4 -氯环己烷

卤代烯烃命名时，以烯烃为母体，以双键位次最小编号。卤代烯烃命名时，以烯烃为母体，以双键位次最小编号。卤代芳烃命名时，以芳烃为母体。侧链卤代芳烃命名时，卤原子和芳环都作为取代基。

9.2 卤代烷的性质 一、物理性质室温下C1-2为气体，其它常见低级卤烃为液体，C15以上为固体。纯卤烃无色，但碘代烃因见光分解而显紫色。溶解性：不溶于水，能溶于醇、醚、烃。沸点：随碳数增加而增加，大烃基间沸点差小于小烃基间沸点差；同数碳卤烃：比重溴碘代烃比水重，氯代烃比水小。

二、化学性质 结构：卤代烷分子中，卤素的sp3杂化轨道与碳的sp3杂化轨道重叠形成σ键。 C—X键长： C—H C—C C—F C—Cl C—Br C—I 0.110 0.154 0.139 0.176 0.194 0.214 nm • 卤代烃的化学性质活泼，且主要发生在C—X 键上。因： • 分子中C—X 键为极性共价键，碳带部分正电荷，易受带正电荷或孤电子对的试剂的进攻。

②分子中C—X 键的键能（C—F除外）都比C—H键小。键 C—H C—Cl C—Br C—I 键能kJ/mol 414 339 285 218 故C—X 键比C—H键容易断裂而发生各种化学反应。强极性键，反应中易于发生键的异裂——亲核取代、消除等

（一）、亲核取代反应（Nucleophilic Substitution reaction，SN）（ S—取代、N—亲核的） R—X + Nu∶— R— Nu + X— 底物亲核基团离去基团：Nu——亲核试剂。由亲核试剂进攻引起的取代反应称为亲核取代反应（用SN表示）。亲核基团Nu∶—：HO—，R’O—，RC=C—，CN—，R’COO—，NO3— HS—，I —，—NH3,NH2R,NHR2,NR3，R’—，Ar—H，SCN— 亲核试剂：H2O/HO—，R’OH，RC=CNa，NaCN/醇，R’COOM， NaNO3，NaSH，KI/丙酮，NH3,NH2R,NHR2,NR3，R’—M，NaSCN

1、水解反应

实验表明：溴甲烷的水解速度与体系中[HO—]浓度有关，随着[HO—]浓度增大，反应速率加快；当碳原子上的氢被甲基取代，反应速率下降，即：反应速率 ＝ k2[RBr][HO—]，动力学上为二级反应，称SN2反应。三级溴代烷水解不受HO—浓度的影响，，反应速率＝ k1[RBr]在动力学上为一级反应，称SN1反应。

2.与氰化钠反应 (1)反应后分子中增加了一个碳原子，是有机合成中增长碳链的方法之一。 (2)CN可进一步转化为–COOH，-CONH2等基团。 3.与氨反应 4.与醇钠（RONa）反应 R-X一般为1°RX，（仲、叔卤代烷与醇钠反应时，主要发生消除反应生成烯烃）。

5、被硝基取代 R—X + AgNO3/乙醇 R—ONO2 + AgX↓ 反应活性： I＞Br＞Cl＞F 烯丙基卤、苄卤＞叔卤代烷＞仲卤代烷＞伯卤代烷＞CH3X 应用：此反应可用于鉴别卤化物，因卤原子不同、或烃基不同的卤代烃，其亲核取代反应活性有差异。

6、卤素互换 氯代烷、溴代烷可与KI/丙酮作用，氯、溴被碘取代生成碘代物 R—Cl（Br) + KI R—I + KCl ↓(KBr) 丙酮反应速率：伯>仲>叔卤代烷应用：鉴别伯氯代烷、伯溴代烷

（二）消除反应 从分子中脱去一个简单分子生成不饱和键的反应称为消除反应，用E表示。卤代烃与NaOH（KOH）的醇溶液作用时，脱去卤素与β碳原子上的氢原子而生成烯烃。

1）消除反应的活性： 3°RX > 2°RX > 1°RX 2） 2°、3°RX脱卤化氢时，遵守扎依采夫（Sayzeff）规则 ——即主要产物是生成双键碳上连接烃基最多的烯烃。例如：

（三）与金属的反应 卤代烃能与某些金属发生反应，生成有机金属化合物 ——金属原子直接与碳原子相连接的化合物。 1.与金属镁的反应格氏试剂的结构还不完全清楚，一般认为是由R2Mg、MgX、（RMgX）n 多种成分形成的平横体系混合物，一般用 RMgX 表示。注意：制备格氏试剂必须在无水条件下，除无水乙醚外，也可用苯、四氢呋喃为溶剂。格氏试剂必须在隔绝空气条件下保存。生成格氏试剂的难易： RI＞RBr＞RCl 实验室常用溴化物制备格氏试剂。

1)与含活泼氢的化合物作用 上述反应是定量进行的，可用于有机分析中测定化合物所含活泼氢的数量目（叫做活泼氢测定法）。

格氏试剂遇水就分解，所以，在制备和使用格氏试剂时都必须用无水溶剂和干燥的容器。操作要采取隔绝空气中湿气的措施。格氏试剂遇水就分解，所以，在制备和使用格氏试剂时都必须用无水溶剂和干燥的容器。操作要采取隔绝空气中湿气的措施。在利用RMgX进行合成过程中还必须注意含活泼氢的化合物。

2)与醛、酮、酯、二氧化碳、环氧乙烷等反应 RMgX与醛、酮、酯、二氧化碳、环氧乙烷等反应，生成醇、酸等一系列化合物。所以RMgX在有机合成上用途极广。格林尼亚因此而获得1912年的诺贝尔化学奖（41岁）。 3)用与合成其它有机金属化合物

2.与金属钠的反应（Wurtz 武兹反应） 2R—X + 2 Na R—R + 2NaX 此反应可用来从卤代烷制备含偶数碳原子，结构对称的烷烃（只适用于同一伯卤代烷，不同烷基无实用价值）。 3.与金属锂反应卤代烷与金属锂在非极性溶剂（无水乙醚、石油醚、苯）中作用生成有机锂化合物：制备：用途：制备复杂结构的烷烃′

实例： 此反应叫做科瑞（Corey）—— 郝思（House）合成法。

（四）卤代烷的还原反应 卤代烷可以被还原为烷烃，还原剂采用氢化锂铝。反应只能在无水介质中进行。

9.3 饱和碳原子上的亲核取代反应机理 一、双分子亲核取代反应（SN2反应）实验证明：伯卤代烷的水解反应为SN2历程。因为RCH2Br的水解速率与RCH2Br和OH -的浓度有关，所以叫做双分子亲核取代反应（SN2反应）。

1．反应机理 一步完成（新键的形成和旧键的断裂同步进行），无中间体生成，经过一个不稳定的“过渡态”。 SN2机理过渡态其反应过程中的轨道重叠变化如下图所示：

SN2机理的一般表示式为： 过渡态反应形成过渡态需要活化能，一旦形成过渡态，体系释放能量，迅速生成产物。因此，反应的第一步为控制反应速率的一步。由于控制反应速率的一步是双分子的，需要两种分子碰撞反应，因此，反应为双分子的亲核取代反应。过渡态的结构：部分成键部分断裂

2．SN2反应的能量变化

3．SN2反应的立体化学 1）异面进攻反应（Nu-从离去基团L的背面进攻反应中心）。为什么亲核试剂总是从离去基团的背面进攻呢？ A、离去基团从正面进攻会受到携带电子的离去基团的排斥。 B、从背面进攻能形成较为稳定的过渡态，降低反应的活化能。 2）构型翻转（产物的构型与底物的构型相反即瓦尔登Walden转化，此时消旋化速率是交换反应速率的两倍）。例如：

二、单分子亲核取代反应（SN1反应） 实验证明：3°RX ， CH2=CHCH2X ，苄卤的水解是按SN1历程进行的。因其水解反应速度仅与反应物卤代烷的浓度有关，而与亲核试剂的浓度无关，所以称为单分子亲核取代反应（SN1反应）。

1．反应机理 两步反应（SN1反应是分两步完成的）。第一步：第二步：反应的第一步是卤代烃电离生成活性中间体碳正离子，碳正离子再与碱进行第二步反应生成产物。故SN1反应中有活性中间体—— 碳正离子生成。

2．SN1反应的能量变化

SN1机理的一般表示式为： C—X键的离解需要较高能量，当达到能量最高点时，形成第一个过渡态Ts1[R3C…..X]，然后快速解离成C+中间体， C+与Nu-成键也需要一定的能量，经过[R3C….Nu]过渡态Ts2形成产物。由于决定反应速率的一步是过渡态势能最高的一步，即C—X键的离解，此步只涉及到一种分子，因此，反应称单分子亲核取代反应。 δ+δ- δ+δ-

3．SN1反应的立体化学 1）外消旋化（构型翻转 + 构型保持）因：SN1反应第一步生成的碳正离子为平面构型（正电荷的碳原子为sp2杂化的）。第二步亲核试剂向平面任何一面进攻的几率相等。碳正离子的形成是决定整个反应速率的步骤。亲核试剂与碳正离子反应时，可从碳正离子平面的两边进入，反应几率相等，结果得到外消旋化的产物。即50％构型保持和50％的构型转化。完全理想的SN1反应只是一种极限情况，在大多数情况下，产物并非完全的外消旋化，往往是一部分外消旋化，一部分构型转化。

2）部分外消旋化（构型翻转 > 构型保持） SN1反应在有些情况下，往往不能完全外消旋化，而是其构型翻转 > 构型保持，因而其反应产物具有旋光性。例如：理论解释——离子对历程

温斯坦（Weinstein.S）离子对机理： 离子对历程认为，反应物在溶剂中的离解是分步进行的。可表示为：紧密离子对（1）溶剂分隔离子对（2）溶剂化离子（3） Nu— Nu— Nu— NuR NuR + RNu NuR + RNu 构型转化（SN2）构型转化或保持外消旋化（SN1）底物分子离解的方式既与底物有关，也与溶剂有关，通常情况下，非极性溶剂倾向生成（1）和（2），强极性溶剂中，倾向生成（3）。在紧密离子对中R+ 和X -之间尚有一定键连，因此仍保持原构型，亲核试剂只能从背面进攻，导致构型翻转。

在溶剂分隔离子对中，离子被溶剂隔开，如果亲核试剂介入溶剂的位置进攻中心碳，则产物保持原构型，由亲核试剂介入溶剂的背面进攻，就发生构型翻转。在溶剂分隔离子对中，离子被溶剂隔开，如果亲核试剂介入溶剂的位置进攻中心碳，则产物保持原构型，由亲核试剂介入溶剂的背面进攻，就发生构型翻转。当反应物全部离解成离子后再进行反应，就只能得到外消旋产物。因此，SN2反应总是伴随着构型的翻转，或者说，完全的构型转化往往是SN2反应标志。

4、SN1反应的特征——有重排产物生成 因SN1反应经过碳正离子中间体，重排是碳正离子的特征，倾向于重排成一个更稳定的碳正离子。例如： SN1重排取代产物 SN1重排消除产物

SN2取代产物 烯丙基卤代烃进行SN1反应时，往往会发生烯丙位重排：重排产物

SN1反应与SN2反应的区别 SN1 SN2 单分子反应双分子反应 V = K [ R-X ] V = K [ R-X ] [ Nu：] 两步反应一不反应有中间体碳正离子生成形成过渡态构型翻转 + 构型保持构型翻转（瓦尔登转化）有重排产物无重排产物

*5.邻基参与 SN2 构型翻转 SN1 构型保持 S—α—溴丙酸乳酸

构型保持 在内酯中手性碳原子的构型发生了翻转，碳正离子的构型被固定，因此，亲核试剂（-OH）就只能从原来溴原子离区的方向进攻，手性碳原子的构型再一次发生翻转，经过两次翻转，结果使100%保持原来的构型不变。实验表明，在决速步骤中若有邻基参与，反应速度显著提高，因邻基处于适于发生反应的位置，而溶剂中亲核试剂与有机分子的碰撞正好在适于起反应的位置几率很小。这种由于邻基参与而使反应速度加快的现象称邻位促进或邻位协助。

三、影响亲核取代反应的因素 一个卤代烷的亲核取代反应究竟是SN1历程还是SN2历程，要从烃基的结构、亲核试剂的性质、离取基团的性质和溶剂的极性等因素的影响而决定。 1．烃基结构 1）对SN1的影响 SN1反应决定于碳正离子的形成及稳定性。影响因素：电子效应，空间效应碳正离子的稳定性是： SN1反应的速度是：

2）对SN2反应的影响 SN2反应决定于过渡态形成的难易。当反应中心碳原子（α- C）上连接的烃基多时，过渡态难于形成，SN2反应就难于进行。当伯卤代烷的β位上有侧链时，取代反应速率明显下降。例如：原因：α- C原子或β- C原子上连接的烃基越多或基团越大时，产生的空间阻碍越大，阻碍了亲核试剂从离去基团背面进攻 α- C（接近反应中心）。

归纳：普通卤代烃的SN反应活性 对SN1反应：3°RX > 2°RX > 1°RX > CH3X 对SN2反应：CH3X > 1°RX > 2°RX > 3°RX 叔卤代烷主要进行SN1反应，伯卤代烷SN2反应，仲卤代烷两种历程都可，由反应条件而定。烯丙基型卤代烃既易进行SN1反应，也易进行SN2反应。桥头卤代的桥环卤代烃既难进行SN1反应，也难进行SN2反应。

2、离去基团的性质 无论是SN1还是SN2都是：离去基团的碱性越弱，越易离去。 X—：碱性：Cl—＞Br—＞I— 离去倾向：I—＞Br—＞Cl— 反应活性：RI ＞RBr＞RCl I—很容易离去——体积大、电荷分散、碱性弱、键能弱。一些离去基团在SN反应中的相对反应速率 F— Cl— Br— H2O I— p-CH3 PhSO3— PhSO3— p-NO2PhSO3— V相对10-1 1 50 50 150 190 300 2800 应用：利用卤代烷中离去基团的难易，可以粗略鉴别不同的卤代烷。如碘代烷、叔卤代烷在室温下可与AgNO3的醇溶液反应生成AgX沉淀；苄基、烯丙卤代烷能与AgNO3的醇溶液立即反应；而一级、二级氯、溴代烷需要温热后反应；烯卤、芳卤则不反应。

碱性很强的基团（如 R3C -、R2N -、RO-、HO-等）不能作为离去基团进行亲核取代反应，象R-OH、ROR等，就不能直接进行亲核取代反应，只有在H+性条件下形成ROH2 +和RO - +R +后才能离去。例如：离去能力：RSO3-＞RCOO- ＞C6H5O-

3、亲核试剂的性能 在亲核取代反应中，亲核试剂的作用是提供一对电子与RX的中心碳原子成键，若试剂给电子的能力强，则成键快，亲核性就强。亲核试剂的强弱和浓度的大小对SN1反应无明显的影响。亲核试剂的浓度愈大，亲核能力愈强，有利于SN2反应的进行。试剂的亲核性与下列因素有关： 1)试剂所带电荷的性质

第九章 卤代烃 主讲人： 王 碧 教授