卤代烃 金属有机化合物

烃分子中的氢原子被卤素原子取代后的化合物称为卤代烃（Haloalkane），简称卤烃。卤代烃的通式为：(Ar)R-X，X为卤素原子，可看作是卤代烃的官能团，包括氟、氯、溴、碘。

卤代烃 金属有机化合物

• 卤代烃的化学反应
  • 亲核取代反应(SN)
    • 碳卤键的极性使与卤原子直接相连的α-C具有正电性，容易被带有负电荷或未共用电子对的亲核试剂（Nu）进攻
    • 不同卤代烃的卤原子被取代的难易次序：RI>RBr>RCl>RF
    • 反应中受试剂进攻的物质称为底物，卤原子被亲核试剂取代，以X⁻形式离去，称为离去基团。
    • 水解
      • 卤代烃与强碱水溶液共热，卤原子被羟基取代生成醇。
    • 醇解
      • 卤代烃与醇钠（R′ONa）在相应醇溶液中反应，卤原子被烷氧基（-OR）取代生成醚。
    • 氨解
      • 卤原子被氨基取代生成伯胺
    • 氰解
      • 卤代烃与氰化钠或氰化钾作用，卤原子被氰基取代生成腈（R-CN）
    • 与硝酸银-醇溶液的反应
      • 生成卤化银沉淀和硝酸酯（R-ONO₂）
        • 可根据生成沉淀的快慢鉴别卤代烃
  • 消去反应
    • 消去卤化氢生成烯烃的反应。
    • 在碱的作用下卤代烃消去β-H和卤原子，生成烯烃？
    • 卤代烃消去反应活性:3゜RX>2°RX>1°RX
    • Zaitsev规则:主要从含氢较少的β-C上脱去氢原子。主要生成双键碳原子上连有较多取代基的烯烃。
  • 卤代烃的还原
    • 在较强的还原剂如氢化铝锂作用下可被顺利还原。
  • 与金属的反应
    • 格氏试剂
      • 卤代烃与金属镁在无水乙醚中反应，生成烃基卤化镁（RMgX）
        • 乙醚的作用是与格氏试剂络合成稳定的溶剂化物，四氢呋喃和其他醚类也可作溶剂。
    • 有机锂试剂
      • 卤代烃与金属锂在非极性溶剂中反应生成有机锂化合物。
      • 有机锂性质与格氏试剂相似，但更活泼，反应副产物更少。
      • 烷基锂可与卤化亚铜生成二烷基铜锂（R₂CuLi）称为有机铜锂试剂。
• 饱和碳原子上亲核取代反应历程
  • 单分子取代反应Sₙ1
    • 碳正离子中间体可能会发生重排生成一个较稳定的碳正离子。
    • 将只有一种分子参与决速步的亲核取代反应称为单分子亲核取代反应（Sₙ1）
    • 反应第一步生成活性中间体碳正离子和卤负离子，为反应的决速步。
    • 反应第二步碳正离子与亲核试剂OH⁻作用，生成醇
    • 从立体化学分析，产物应该是一对等量对映体的混合物---外消旋体。
  • 双分子取代反应Sₙ2
    • 将两种分子参与决速步的亲核取代反应称为双分子亲核取代反应。
    • 碳-卤键的断裂和C-OH键的生成同时进行，无中间体的生成。
    • 亲核试剂进攻中心碳原子总是从离去基团的背面进攻。在这过程中中心碳原子和三个未参与反应的键发生翻转，称为Walden翻转（构型翻转）。
      • Sₙ2反应的立体化学特征
• 影响亲核取代反应的因素
  • 烃基结构的影响
    • 对Sₙ1反应的影响
      • 烷基正离子越稳定，生成时的活化能越低，反应速率越快。
    • 对Sₙ2反应的影响
      • 反应中心碳原子上连接的烃基越多，拥挤程度增大，难以发生翻转，反应所需的活化能增加，反应速率降低。
  • 离去基团的影响
    • 离去基团的离去能力越强，亲核取代反应越易进行，反应速率越大。
      • 离去基团共轭酸酸性越强，离去能力越强。
  • 亲核试剂的影响
    • Sₙ1反应中，试剂亲核性的强弱对反应速率不产生显著影响。
    • 进攻试剂的亲核能力越强，Sₙ2反应越易进行。
    • 带有负电荷的亲核试剂有更强的亲核性。
    • 同一周期的不同亲核试剂，亲核性的顺序与碱性顺序一致
    • 同一主族的亲核试剂，亲核性的顺序与碱性顺序相反。
    • 空间位阻很大的试剂，如CH₃O⁻，随碱性增强但亲核性降低。
    • 与亲核性有关的因素
  • 溶剂的影响
    • 极性溶剂有利于Sₙ1反应，溶剂的极性越强越有利。
    • 弱极性非质子溶剂有利于Sₙ2反应。
• 其他卤代烃
  • 乙烯型或卤苯型卤代烃的因卤原子未共用电子对所在的p轨道可以与碳碳双键或苯环的π轨道构成p-π共轭体系，所以这类碳卤键很难断裂。
  • 烯丙型和苯甲型的碳卤键断裂后，α-C由sp³杂化转化为sp²杂化，未参与杂化的p轨道可与碳碳双键或苯环的π轨道形成p-π共轭体系，体系稳定。所以这类卤代烃比饱和卤代烃有更活泼的化学性质。
• 取代反应与消除反应的竞争
  • 烃基结构的影响
    • β-C上支链越多越有利于消除。
  • 试剂的影响
    • 碱性越强，浓度越大，体积越大，越有利于E2反应。
  • 溶剂极性的影响
    • 增大溶剂极性有利于取代反应
  • 反应温度的影响
    • 升高温度有利于消除反应，因为消除反应的活化能比取代反应大。
• 影响消除反应的因素
  • 消除能得共轭烯烃时，优先生成共轭烯烃。
  • 烃基结构的影响
    • α-C连接的烃基越多，β-H越多，被碱进攻的机会越多，反应速率越大。
    • 对于E1、E2，都是叔卤代烃最容易发生反应。
  • 离去基团的影响
    • E1、E2的反应都涉及碳卤键的断裂，离去基团越易离去，反应越易进行。
  • 进攻试剂的影响
    • E1的决速步是底物碳卤键的异裂，进攻试剂对E1的反应速率影响不大。
    • E2是进攻试剂进攻β-H，进攻试剂碱性越强或浓度越大，越有利于E2反应。
  • 溶剂的影响
    • 增加溶剂的极性有利于E1反应。
• 消除反应历程
  • 单分子消除E1
    • 消除取向符合Zaitsev规则
    • 决速步中只有一种分子参与了过渡态的形成，称为单分子消除反应。
    • 经过碳正离子中间体。
  • 双分子消除E2
    • 反应在浓的强碱条件下进行
    • 一步反应，有两种分子参与了过渡态的形成。
    • 被消除的两个基团必须处于反式共平面的位置。
• 如有大体积碱，优先进攻空间位阻小的氢
• 如果卤原子连在桥环化合物的桥头碳原子上，无论Sₙ1，Sₙ2反应都很困难。 Sₙ1反应时不易形成碳正离子，Sₙ2反应不利于亲核试剂从背面进攻。
• 使用格氏试剂必须用无水溶剂和干燥的容器，无氧环境，且底物中不能有活泼氢存在。
• 转变成腈后，分子中增加一个碳原子，有机合成中增长碳链的方法之一。
• 制备醚尤其是不对称醚的一种常用方法，Williamson合成法。

卤代烃 金属有机化合物

• 卤代烃的化学反应
  • 亲核取代反应(SN)
    • 碳卤键的极性使与卤原子直接相连的α-C具有正电性，容易被带有负电荷或未共用电子对的亲核试剂（Nu）进攻
    • 不同卤代烃的卤原子被取代的难易次序：RI>RBr>RCl>RF
    • 反应中受试剂进攻的物质称为底物，卤原子被亲核试剂取代，以X⁻形式离去，称为离去基团。
    • 水解
      • 卤代烃与强碱水溶液共热，卤原子被羟基取代生成醇。
    • 醇解
      • 卤代烃与醇钠（R′ONa）在相应醇溶液中反应，卤原子被烷氧基（-OR）取代生成醚。
    • 氨解
      • 卤原子被氨基取代生成伯胺
    • 氰解
      • 卤代烃与氰化钠或氰化钾作用，卤原子被氰基取代生成腈（R-CN）
    • 与硝酸银-醇溶液的反应
      • 生成卤化银沉淀和硝酸酯（R-ONO₂）
        • 可根据生成沉淀的快慢鉴别卤代烃
  • 消去反应
    • 消去卤化氢生成烯烃的反应。
    • 在碱的作用下卤代烃消去β-H和卤原子，生成烯烃？
    • 卤代烃消去反应活性:3゜RX>2°RX>1°RX
    • Zaitsev规则:主要从含氢较少的β-C上脱去氢原子。主要生成双键碳原子上连有较多取代基的烯烃。
  • 卤代烃的还原
    • 在较强的还原剂如氢化铝锂作用下可被顺利还原。
  • 与金属的反应
    • 格氏试剂
      • 卤代烃与金属镁在无水乙醚中反应，生成烃基卤化镁（RMgX）
        • 乙醚的作用是与格氏试剂络合成稳定的溶剂化物，四氢呋喃和其他醚类也可作溶剂。
    • 有机锂试剂
      • 卤代烃与金属锂在非极性溶剂中反应生成有机锂化合物。
      • 有机锂性质与格氏试剂相似，但更活泼，反应副产物更少。
      • 烷基锂可与卤化亚铜生成二烷基铜锂（R₂CuLi）称为有机铜锂试剂。
• 饱和碳原子上亲核取代反应历程
  • 单分子取代反应Sₙ1
    • 碳正离子中间体可能会发生重排生成一个较稳定的碳正离子。
    • 将只有一种分子参与决速步的亲核取代反应称为单分子亲核取代反应（Sₙ1）
    • 反应第一步生成活性中间体碳正离子和卤负离子，为反应的决速步。
    • 反应第二步碳正离子与亲核试剂OH⁻作用，生成醇
    • 从立体化学分析，产物应该是一对等量对映体的混合物---外消旋体。
  • 双分子取代反应Sₙ2
    • 将两种分子参与决速步的亲核取代反应称为双分子亲核取代反应。
    • 碳-卤键的断裂和C-OH键的生成同时进行，无中间体的生成。
    • 亲核试剂进攻中心碳原子总是从离去基团的背面进攻。在这过程中中心碳原子和三个未参与反应的键发生翻转，称为Walden翻转（构型翻转）。
      • Sₙ2反应的立体化学特征
• 影响亲核取代反应的因素
  • 烃基结构的影响
    • 对Sₙ1反应的影响
      • 烷基正离子越稳定，生成时的活化能越低，反应速率越快。
    • 对Sₙ2反应的影响
      • 反应中心碳原子上连接的烃基越多，拥挤程度增大，难以发生翻转，反应所需的活化能增加，反应速率降低。
  • 离去基团的影响
    • 离去基团的离去能力越强，亲核取代反应越易进行，反应速率越大。
      • 离去基团共轭酸酸性越强，离去能力越强。
  • 亲核试剂的影响
    • Sₙ1反应中，试剂亲核性的强弱对反应速率不产生显著影响。
    • 进攻试剂的亲核能力越强，Sₙ2反应越易进行。
    • 带有负电荷的亲核试剂有更强的亲核性。
    • 同一周期的不同亲核试剂，亲核性的顺序与碱性顺序一致
    • 同一主族的亲核试剂，亲核性的顺序与碱性顺序相反。
    • 空间位阻很大的试剂，如CH₃O⁻，随碱性增强但亲核性降低。
    • 与亲核性有关的因素
  • 溶剂的影响
    • 极性溶剂有利于Sₙ1反应，溶剂的极性越强越有利。
    • 弱极性非质子溶剂有利于Sₙ2反应。
• 其他卤代烃
  • 乙烯型或卤苯型卤代烃的因卤原子未共用电子对所在的p轨道可以与碳碳双键或苯环的π轨道构成p-π共轭体系，所以这类碳卤键很难断裂。
  • 烯丙型和苯甲型的碳卤键断裂后，α-C由sp³杂化转化为sp²杂化，未参与杂化的p轨道可与碳碳双键或苯环的π轨道形成p-π共轭体系，体系稳定。所以这类卤代烃比饱和卤代烃有更活泼的化学性质。
• 取代反应与消除反应的竞争
  • 烃基结构的影响
    • β-C上支链越多越有利于消除。
  • 试剂的影响
    • 碱性越强，浓度越大，体积越大，越有利于E2反应。
  • 溶剂极性的影响
    • 增大溶剂极性有利于取代反应
  • 反应温度的影响
    • 升高温度有利于消除反应，因为消除反应的活化能比取代反应大。
• 影响消除反应的因素
  • 消除能得共轭烯烃时，优先生成共轭烯烃。
  • 烃基结构的影响
    • α-C连接的烃基越多，β-H越多，被碱进攻的机会越多，反应速率越大。
    • 对于E1、E2，都是叔卤代烃最容易发生反应。
  • 离去基团的影响
    • E1、E2的反应都涉及碳卤键的断裂，离去基团越易离去，反应越易进行。
  • 进攻试剂的影响
    • E1的决速步是底物碳卤键的异裂，进攻试剂对E1的反应速率影响不大。
    • E2是进攻试剂进攻β-H，进攻试剂碱性越强或浓度越大，越有利于E2反应。
  • 溶剂的影响
    • 增加溶剂的极性有利于E1反应。
• 消除反应历程
  • 单分子消除E1
    • 消除取向符合Zaitsev规则
    • 决速步中只有一种分子参与了过渡态的形成，称为单分子消除反应。
    • 经过碳正离子中间体。
  • 双分子消除E2
    • 反应在浓的强碱条件下进行
    • 一步反应，有两种分子参与了过渡态的形成。
    • 被消除的两个基团必须处于反式共平面的位置。
• 如有大体积碱，优先进攻空间位阻小的氢
• 如果卤原子连在桥环化合物的桥头碳原子上，无论Sₙ1，Sₙ2反应都很困难。 Sₙ1反应时不易形成碳正离子，Sₙ2反应不利于亲核试剂从背面进攻。
• 使用格氏试剂必须用无水溶剂和干燥的容器，无氧环境，且底物中不能有活泼氢存在。
• 转变成腈后，分子中增加一个碳原子，有机合成中增长碳链的方法之一。
• 制备醚尤其是不对称醚的一种常用方法，Williamson合成法。