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卤代烷是一类特殊的卤代烃,是一类烷烃中的原子被一些卤素原子取代后的化合物。它是有机合成的桥梁。

亲核取代反应[ | ]

亲核取代反应是卤代烷的特点反应之一,它是卤原子被其他亲核试剂的基团代替的反应,包括双分子亲核取代反应单分子亲核取代反应以及分子内亲核取代反应

双分子亲核取代反应[ | ]

亲核取代反应有如下通式

双分子亲核取代反应通式

这里以饱和碳原子上的亲核取代反应为例说明双分子的亲核取代反应。

饱和碳原子上的亲核取代反应有如下通式

双分子亲核取代反应通式

卤代烷的亲核取代指的是离去基团为卤素的情形。反应的过渡态中间体是如下自由基,它是平面型的,中心碳原子的杂化方式为杂化。

分子间亲核取代反应的中间体

从上述机理中我们不难看出:亲核试剂从离去基团的背面进攻与离去基团相连的碳原子,然后形成中间体,最后离去基团和碳原子之间的键断裂,离去基团离开,反应结束。因此这个过程中会发生构型翻转,新键在旧键的反方向形成,这是分子间亲核取代反应的特征。

例如,碱性条件下一溴甲烷变为甲醇

一溴甲烷变为甲醇

分子间的亲核取代在动力学上是二级反应(原料有两个分子),热力学上的一级反应(只有一个过渡态)。

亲核试剂从后面进攻的优点是亲核试剂远离负电中心,但也存在缺点:背后的位阻大,因此当卤原子直接相连的碳是大位阻碳(特别是三级碳原子)时反应不易发生。

单分子亲核取代反应[ | ]

只有一种分子参与了反应决速步的亲核取代反应称为单分子亲核取代反应。它是动力学上的一级反应,在反应过程中的中间体是碳正离子。

这里以饱和碳原子上的亲核取代反应为例说明单分子的亲核取代反应,它的单分子亲核取代反应有如下通式

这里一般是卤素,也可以是其他的离去基团。


单分子亲核取代反应通式

卤代烷的亲核取代指的是离去基团为卤素的情形。反应的过渡态中间体是碳正离子(中心碳原子只带六个电子的带正电荷的碳氢基团),它是平面型的,中心碳原子的杂化方式为杂化。从上述机理中我们不难看出:底物先自身发生解离产生碳正离子,然后亲核试剂从碳正离子的平面两侧进攻中心碳原子,然后形成稳定化合物,反应结束。因此这个过程中会出现发生构型翻转构型保持的产物,综合结果是外消旋体。

很明显,反应的易发生的前提是碳正离子在它的存在期内就被亲核试剂进攻,如果碳正离子十分活泼,亲核试剂还没来得及进攻碳正离子就消失了,那么反应就很难进行,碳正离子的稳定性在单分子的亲核取代反应中发挥着重要的作用。

分子内亲核取代反应[ | ]

如果化合物中的某个位置有离去基团,另一个位置有可作为亲核试剂进攻离去基团的基团,那么亲核取代反应就可以在分子内发生,特别是长链烷烃的衍生物中两个具有上述特征的基团(在一条链上之间相隔大约六个碳左右)可以发生成环反应。

例子:

成环反应

一般成环反应都在稀溶液中进行,且按照生成的环的稳定性来说,生成五元环的反应更易进行,其次是六元环、中环和大环,再次是三元环、四元环。

由分子内邻近基团参与而发生的亲核取代反应称为邻基参与。一般分两步进行。

反应的一般机理是

邻基参与

最后形成外消旋体。

消除反应[ | ]

有机化学中的1,2-消除反应(elimination)是一个很重要的反应,在有机合成中十分常用。其特例是双分子消除反应反应)、单分子消除反应反应)以及单分子共轭碱反应反应)。

双分子消除反应[ | ]

β消除反应是有机分子中失去两个相邻碳上所连基团或原子的反应。分子间的消除是由两分子参与决速步的β消除。

这里以饱和碳原子上的消除反应为例说明双分子的消除反应,反应有如下通式

双分子消除反应通式

这里一般是卤素离子,也可以是其他的离去基团,是带负电子的攻击基团。

双分子消除反应机理

卤代烷的消除指的是离去基团为卤素的情形。从上述机理中我们不难看出:试剂先去攻击底物同离去基碳原子相邻位碳上的氢,然后形成一个过渡态,过渡态中,攻击基团、两个相邻的碳原子、离去基团处于反式同一平面,这时双分子β消除的重要特点也是反应的易发生的主要条件之一,形成过渡态之后,离去基团和碳之间的键逐渐断裂,离去基带着一个电子离开,攻击基团将氢核夺走,氢核的电子流向两个碳之间参与形成碳碳双键,反应结束。

这个过程中是反式共平面消除,原因是在过渡态形成的过程中,两个碳逐渐由杂化转变为杂化,每个碳都要形成一个p轨道,而只有在共平面的条件下,两个垂直的p轨道才能重叠形成键,而这时底物只能取两种构象——交叉构象反式消除和重叠构象顺式消除,但是后者不稳定,因此进行反式消除。

容易看出双分子的消除是动力学上的二级反应,热力学上的一步反应。

单分子消除反应[ | ]

卤代烷的消除指的是离去基团为卤素的情形。以三级溴丁烷的反应为例,它的机理是

三级卤代烷的单分子消除反应

从上述机理中我们不难看出:底物先发生自我解离,产生碳正离子,然后溶剂乙醇上带有孤电子对的氧进攻碳正离子β位的氢并与之结合,受攻击的加急上的氢原先所带的电子刘翔甲基和中心碳原子之间的化学键进而形成双键,最后带有正电荷的乙醇脱氢变为乙醇,反应结束。

这个机理是碳正离子机理,因此碳正离子越稳定,反应越容易发生,三级卤代烃生成的碳正离子比较稳定,分子内的消除往往是在三级卤代烃下进行的。

容易看出单分子的消除是动力学上的一级反应,热力学上的两步反应。

Zaitsev 规则[ | ]

如果离去基团不处于末端位置,且离去基所连的碳的多个相邻碳上均有氢,那么消除反应会有一定的选择性,在综合很多例子和经验之后,Zaitsev 提出如下经验规律:

在β消除反应中,主要产物是由含氢较少的β碳氢原子被取代得到的,生成取代较多的稳定烯烃。

这就是消除反应的区域选择性。

例如,2-溴-2-甲基-丁烷在乙醇和氢氧化钾的溶剂中可以消除,主要产物是2-甲基-2-丁烯。

Zaitsev 规则是经验规律,它的实质是要尽可能生成稳定的烯烃,在上面的例子中,2-甲基-2-丁烯比副产物1-甲基-2-丁烯要稳定,但是在某些条件下由于位阻或刚性因素,在反式共平面的条件下很难生成两种烯烃中较稳定的那种,这时只能求其次生成不稳定的烯烃,这种现象在环状化合物中比较常见,例如下面的例子:

环己烷的 Zaitsev 规则

消除时环己烷衍生物可能不是优势构象消除,这时消除的速率会很慢。

反式共平面消除总是要比生成稳定烯烃更重要,在另一些特殊情况下,无论怎样都不会反式共平面消除时才不得不使用顺式消除,这时的消除速率很慢:

桥环卤代烃的消除

桥环卤代烃的桥头位置后方位阻很大,攻击基团不容易接近,故他只能进攻桥上的氢。

还原反应[ | ]

卤代烃中卤原子变为氢原子、卤原子所连碳原子被还原的反应称为卤代烃的还原,常见的还原反应有:

  1. (酸性还原)
  2. (催化氢解)适用于三级卤代烷和苄型、烯丙型、芳香型卤代烃,但是选择性差。
  3. (碱性温和还原剂),适用于三级卤代烃和二级卤代烃,反应比较慢但选择性高。
  4. (碱性强烈还原剂),适用于一级卤代烃,还原能力强但选择性差。
  5. (活泼金属的液氨溶液)反应特点:温和,定向反应(双键构型不变),

上述还原反应不是很重要主要是因为原料和催化剂比产物昂贵得多,一般用于分析反应机理。

与金属反应[ | ]

卤代烃和金属反应可以得到有机金属化合物,例如格氏试剂、有机锂试剂和二烷基铜锂。可以用于碳链延长。

  1. 延长对称烃类可以通过卤代烃和活泼金属直接反应得到,其机理是离子型的有机金属化合物作为了中间产物。例如
  2. 延长非对称烃类可以通过卤代烃和有机金属化合物反应,例如
    1. 一级、二级卤代烃、乙烯型、烯丙型、芳基、芳甲基的烃类的碳链延长可以考虑使用二烃基铜锂。
    2. 三级卤代烃、烯丙基、苄基的烃类的碳链延长可以考虑使用烃基锂试剂或格氏试剂。
有机金属化合物用于碳链延长
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