医用有机化学--chapter05 卤代烃

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1、第5章 卤代烃,Halohydrocarbons,本主要内容,卤代烃的命名；伯、仲、叔卤代烷的结构 诱导效应 卤代烷的亲核取代反应及反应机理和影响因素 消除反应及机理；消除与取代的竞争 有机金属化合物的生成与应用,第5章 卤 代 烃,本章重点： 诱导效应 卤代烷的亲核取代反应及反应机理消除反应及机理；消除与取代的竞争 有机金属化合物的生成与应用,本章难点： 卤代烷的亲核取代反应及反应机理亲核取代反应的立体化学 消除反应及机理；消除与取代的竞争,第5章 卤 代 烃,烃分子中的一个或多个氢原子被卤素取代而生成的化合物称卤代烃(halohydrocarbon)，简称卤烃。 卤原子（F、 Cl、 Br

2、、 I）是卤代烃的官能团。 结构通式为：RX,第5章 卤 代 烃,第5章 卤 代 烃,卤代烃具有广泛的用途。因其众多的化学性质而称为有机合成的“桥梁”。在医学上也有许多用途，如足球场上医生使用的喷雾剂即为氯乙烷(bp.12.2)；三氯甲烷即氯仿早在1847年作为全身麻醉剂使用，其麻醉作用比乙醚还强。 FC人造血液，全氟三丙胺，简称“氟碳”或“FC”。,5.1 卤代烃的分类与命名,5.1.1 分类,1. 普通命名法,在烃基名称之前（或后）加上卤素的名称，称为卤（代）某烃或某烃基卤。,CHCl3,三氯甲烷,氯仿,C2H5Cl,氯乙烷 chroloethane,叔丁基溴 (tert-butyl br

3、omide),(CH3)3CBr,乙基氯,5.1.2 卤代烃的命名,卤素英文名称和字头：,Fluorine fluoro(-F) fluoride Chlorine chloro(-Cl) chloride Bromine bromo(-Br) bromide Iodine iodo(-I) iodide,5.1.2 卤代烃的命名,溴乙烯(乙烯基溴) vinyl bromide,CH2=CHBr,烯丙基溴 allyl bromide,溴苯 Phenyl bromide,5.1.2 卤代烃的命名,邻溴甲苯 2-bromotoluene,苄基氯 benzyl chloride,烯丙基氯 Allyl

4、 chloride,5.1.2 卤代烃的命名,2. 系统命名法,选含卤原子的最长碳链作为主链，卤原子作为取代基，按照烷烃或烯烃的命名法编号，支链和不同取代基按立体化学中的“次序规则”排列，优先次序高的基团后列出 ：,5.1.2 卤代烃的命名,5.1.2 卤代烃的命名,1 2 3 4 5 6 7,7 6 5 4 3 2 1,2,6-二甲基-3-氯-5-碘庚烷 3-chloro-5-iodo-2,6-dimethylheptane,5 4 3 2 1,2-甲基-4-苯基-1,3-二氯戊烷 1,3-dichloro-2-methyl-4-phenylpentane,5.1.2 卤代烃的命名,(4R)

5、-2-甲基-4-氯庚烷 (4R)-4-chloro-2-methyl-heptane,3-甲基-4-溴-1-丁烯 4-bromo-3-methyl-1-butene,5.1.2 卤代烃的命名,5.2 卤代烃的物理性质,1. 状态 CH3I b.p：40 其它为气体CH3CH2Cl b.p：12.2 其它为液态,3. 溶解度 不溶于水，易溶于醇、醚、苯等有 机溶剂,4. 密度 一氟代烃、一氯代烃的密度小于1，其它卤代烃的密度大于1。,2. 沸点 碳卤键虽具极性，但不能形成分子间的氢键，因而沸点高于相应烷烃而低于醇。,卤代烃的蒸汽有毒损坏肝脏，氯仿长时间接触可导致肝硬化。,5.3 卤代烃的化学性质

6、,有机化学反应大多发生在极性键的电性中心。CX键极性大，强度低因而容易发生化学反应。,+,-,+,亲核取代反应,消除反应,与金属反应,5.3.1 亲核取代反应及其反应机理,卤代烃中碳卤极性键的正电中心相对更不稳定，容易接受富电子试剂（带有负电荷或孤对电子的试剂）的进攻，富电子试剂称为亲核试剂（以Nu:表示)，因而由亲核试剂向缺电子的碳进攻所引起的取代反应就叫亲核取代反应(Nucleophilic Substitution)。,1. 亲核取代反应,1 被羟基(-OH)取代水解 2 被烃氧基(-OR)取代醇解 3 被氨基(-NH2)取代氨解 4 被氰基(-CN)取代氰解 5 被硝酸根(-ONO2)

7、取代与硝酸银的醇溶液作用,1. 亲核取代反应,(1) 被羟基(-OH)取代,卤烷与KOH或NaOH水溶液共热则卤原子被羟基取代生成醇。,卤代烃反应难易：RIRBrRCl,例：,1. 亲核取代反应,卤代烃与醇钠反应生成醚。,这是合成醚的反应-Williamson反应。,(2) 被烃氧基(-OR)取代,汽油抗震剂甲基叔丁基醚(MTBE),例：,1. 亲核取代反应,(3) 被氰基(-CN)取代,卤代烷与氰化钠或氰化钾的醇溶液共热，则氰基取代卤原子而得到腈。增长碳链，腈水解可得多一个碳的羧酸。,腈,1. 亲核取代反应,(4) 被氨基（-NH2）取代,卤代烃与氨作用生成胺。,胺类,由于产物是胺类，其亲核

8、能力比氨更大，会与反应体系中的卤代烷发生进一步的取代。所以，反应中实际上常得到各级胺（RNH2、R2NH、R3N）的混合物。,1. 亲核取代反应,(5) 硝酸银醇溶液的反应,卤烷与硝酸银的醇溶液共热，卤原子被硝酸根取代生成硝酸酯和卤化银。,因有卤化银沉淀产生，这反应可作为卤代烃的鉴别反应。,Ag+ONO2-,硝酸酯,卤烃反应活性:烯丙基卤烃叔卤烃仲伯,1. 亲核取代反应,离去 基团,卤代烃的亲核取代反应可用通式表示:,底物,亲核试剂,产物,中心碳原子,+,-,1. 亲核取代反应,由亲核试剂首先进攻电子云密度较低的中心碳原子而引起的取代反应，用SN表示。,亲核取代反应(Nucleophilic-

9、substitution)：,亲核试剂(nucleophilic reagent)：,OH-、CN-、OR-、 NH3、 ONO2-,1. 亲核取代反应,2. 亲核取代反应机理,卤代烷在氢氧化钠溶液中的水解反应是饱和碳原子上亲核取代反应的典型例子，根据化学动力学和立体化学等许多实验结果表明，卤代烷的亲核取代反应，通常按两种反应机理进行： SN1单分子亲核取代反应 SN2双分子亲核取代反应,(1) 双分子亲核取代反应（SN2）,溴甲烷的碱性水解过程是双分子反应历程。,vkCH3BrOH-,由于反应速度不但与卤代烷的浓度有关，而且与亲核试剂浓度有关，此历程为双分子反应历程(bimolecular

10、nucleophilic substitution)，用SN2表示。,产物的构型与底物的构型不一样，此过程叫构型转化，或构型翻转，亦常称为瓦尔登 (Walden)转化。,过渡态,sp2,+ -,- + -,(1) 双分子亲核取代反应（SN2）,(1) 双分子亲核取代反应（SN2）,SN2反应历程的特点：,双分子反应。 反应一步完成。 反应过程伴随构型转化。,(1) 双分子亲核取代反应（SN2）,构型转化是SN2反应的一个重要立体化学特征。,(1) 双分子亲核取代反应（SN2）,SN2反应的难易取决于卤代烷的空间 位阻的大小，空间位阻愈小，愈易按 SN2反应。,空间位阻大小的顺序:CH3X伯卤代

11、烷仲叔 不同卤代烷SN2反应的相对速度：CH3X伯卤代烷仲叔,(1) 双分子亲核取代反应（SN2）,(2) 单分子亲核取代反应(SN1),叔卤代烃的水解反应是单分子反应历程。,该反应的决速步骤与OH-无关，只有溴代叔丁烷参与了反应速率的控制步骤，在动力学上称为一级反应。,它的反应速率表示为：,第二步：,第一步：,叔正碳离子,+ -,过渡态A,过渡态B,+ -,(2) 单分子亲核取代反应(SN1),(2) 单分子亲核取代反应(SN1),(2) 单分子亲核取代反应(SN1),由于反应速率由慢的第一步控制，其速率只与叔卤代烃的浓度有关，而与亲核试剂的浓度无关。这种反应历程称为单分子反应历程(unim

12、olecular nucleophilic substitution)， 用 SN1表示。,SN1反应的特点：,单分子反应。 反应分两步进行。 有正碳离子生成。 产物构型外消旋化。,(2) 单分子亲核取代反应(SN1),卤代烷与氢氧化钠在水-乙醇溶液中进行反应，从下列现象判断哪些属于SN2历程，哪些属于SN1历程？（1）产物的构型完全转变（2）有重排产物（3）增加氢氧化钠浓度，反应速率明显加快（4）叔卤代烷反应速度明显大于仲卤代烷（5）反应不分阶段一步完成,思考题,(1) SN2的立体化学构型翻转（Walden转化1896年）,底 物,过渡态,产 物,离 去基,亲核 试剂,SN2的立体化学特征

13、是构型翻转，反之构型翻转就是SN2反应的标志。,3. 亲核取代反应的立体化学,R-(-)-2-溴辛烷的水解,R-(-)-2-溴辛烷,S-(+)-2-辛醇,： -34.60 +9.90,3. 亲核取代反应的立体化学,注意：瓦尔登转化是指骨架构型转变，并不一定就是R构型转变为S 或S构型转变为R。,R-型,R-型,3. 亲核取代反应的立体化学,(2) SN1的立体化学外消旋化,外消旋体,构型保持50%,构型转化50%,sp2,3. 亲核取代反应的立体化学,例：S-3-溴-3-甲基己烷水解,构型翻转,构型保持,3. 亲核取代反应的立体化学,外消旋化和有时伴随的C+重排是SN1的标志,3. 亲核取代反

14、应的立体化学,SN1反应的难易取决于正碳离子的稳定性。,正碳离子稳定性顺序:3正碳离子2 1 CH3 不同卤代烷进行SN1的相对速度：叔卤代烷 仲伯 CH3X,3. 亲核取代反应的立体化学,4. 影响亲核取代反应的因素,在一个反应中，SN1和SN2反应是同时存在的。哪种占优势，受多种因素的影响。主要影响因素有：烷基的结构离去基的离去倾向亲核试剂溶剂的极性等,（1）烷基结构的影响,4. 影响亲核取代反应的因素,不同卤代烃SN1相对反应活性是：叔卤烃 仲卤烃 伯卤烃CH3X与碳正离子的稳定性次序一致 不同卤代烃SN2相对反应活性为： CH3X 伯卤烃 仲卤烃 叔卤烃由空阻效应决定,4. 影响亲核取

15、代反应的因素,小结：,叔卤代烃易按SN1历程进行。 伯卤代烃易按SN2历程进行。 仲卤代烃可同时按SN1和 SN2历程进行。,4. 影响亲核取代反应的因素,（2）亲核试剂的影响,亲核试剂对SN1历程影响不大，这是由于SN1历程的反应速率只与卤代烃的浓度有关。在SN2反应中，亲核试剂的亲核性越强（电负性小，给电子能力强），体积越小（空间阻碍小）则SN2反应速率越快。,4. 影响亲核取代反应的因素,Nu-较强有利于SN2; 较弱有利于SN1,4. 影响亲核取代反应的因素,试剂的亲核性和碱性,A. 具有相同进攻原子的亲核试剂碱性与亲核性一致： CH3OHOC6H5OCH3COO因为相应共轭酸的酸性： CH3OHH2OC6H5OHCH3COOH Pka 15.9 15.7 9.89 4.76,4. 影响亲核取代反应的因素,B同周期元素组成的负离子试剂 碱性与亲核性一致：R3CR2NROF 相应共轭酸的酸性：R3CH R2NH ROH HF C相同进攻原子的负离子和中性分子RO ROH； HO H2O；NH2 NH3,