第四章 卤代烃 【本章重点】 亲核取代反应和消除反应的反应历程及影响因素。 【必须掌握的内容】 1. 亲核取代反应历程(SN1、SN2)及影响因素。 2. 消除反应历程(E1、E2)及影响因素。 §4―1 卤代烷的物理性质(自学) 1. 沸点：M↑，b.p↑。 碳原子数相同的卤代烷：RI＞RBr ＞RCl 支链↑， b.p↓。

2. 相对密度：一氯代烷＜1；一溴代烷和一碘代烷＞1。 同系列中，卤代烷的相对密度随碳原子 数的↑而↓。 3. 可燃性：随X原子数目的↑而↓。 练习： 1. 预测下列各对化合物哪一个沸点较高： (1) 正戊基碘与正己基氯；(2) 正丁基溴与异丁基溴； (3)正己基溴与正庚基溴； 2. 指出下列各组化合物哪一个偶极矩较大：

§4―2 卤代烷的化学性质 §4-2-1 卤代烷的反应 1. 亲核取代反应：

2. 消除反应 (1) 脱HX： (2) 脱X2： 3. 与金属反应：

(1) 有机锂化合物的生成： (2)有机镁化合物的生成： §4―2―2 亲核取代反应 一、反应： 1. 水解：

2. 醇解: 该法是合成不对称醚的常用方法，称为 Williamson (威廉逊)合成法。该法也常用于合成硫醚或芳醚。 采用该法以伯卤烷效果最好，仲卤烷效果较差，但 不能使用叔卤烷，因为叔卤烷易发生消除反应生成烯烃。 卤代醇在碱性条件下，可以生成环醚。

3. 氨解： 因为生成的伯胺仍是一个亲核试剂，它可以继续与 卤代烷作用，生成仲胺或叔胺的混合物，故反应要在过 量氨(胺)的存在下进行。 4. 氰解： 该反应的重要意义除可增长碳链外，还可以通过氰 基转化为―COOH、 ―CONH2等官能团。

该反应与卤代烷的醇解相似，亦不能使用叔卤烷， 否则将主要得到烯烃。 5. 卤离子交换反应： NaBr与NaCl不溶于丙酮，而NaI却溶于丙酮，从而 有利于反应的进行。 6. 与硝酸银作用： 活性顺序：RI ＞ RBr ＞ RCl

二、亲核取代反应历程： 1. 双分子亲核取代反应(SN2——Substitution Nucleo- philic)： A. 反应机理： 以CH3Br的碱性水解为例：

由此可见，这是一个动力学二级反应。其反应速率 与溴甲烷和碱的浓度成正比。

SN2反应的能量变化曲线如下图所示： 由图可见，在SN2反 应中，新键的形成和旧键 的断裂是同时进行的，是 一个一步完成的反应。 B. SN2反应的立体化学： SN2反应的立体化学特征：构型反转(亦称Walden转 化)。

A. 反应机理： 以(CH3)3CBr的碱性水解为例： 2. 单分子亲核取代反应(SN1)： A. 反应机理： 以(CH3)3CBr的碱性水解为例： 由此可见，这是一个动力学一级反应，其反应速率 只于叔丁基溴的浓度有关。 单分子亲核取代反应是分步进行的： 第一步： 过渡状态 中间体 第二步：

SN1反应的能量变化曲线如下图所示： B. SN1反应的立体化学： SN1反应的立体化学较为复杂，在正常情况下，若中 心碳原子为手性碳原子，由于C+离子采取sp2平面构型， 亲核试剂将从两边机会均等的进攻C+离子的两侧，将得

到外消旋化合物。 然而，100 % 的外消旋化是很少 见的，经常是外消旋化伴随着构型反 转，且构型反转要多些。 C. SN1反应的另一个特点——重排： 由于反应中包含有碳正离子中间体的生成，可以预 料，它将显示出碳正离子反应的特性。 如：2,2-二甲基-3-溴丁烷的醇解：

3. 分子内亲核取代反应机理— 邻基效应 当亲核试剂与离去基团处于同一分子内时，能否发 生分子内的亲核取代？回答是肯定的，可以。但这是有 条件的。以氯乙醇为例：

该反应得以进行的有利条件是：分子内的氧负离子距中 心碳原子的距离最近，且处于反式共平面的有利位置， 从而有利于从Cl原子的背后进攻中心碳原子。 这是一种分子内的SN2反应。象这种同一分子内，一 个基团参与并制约与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 用产生的影响，又称邻基效应。 邻基参与在加成反应、消除反应等反应中也普遍存 在，他在有机化学中也是研究较为活跃的内容之一。 三、影响亲核取代反应的因素

卤代烷的亲核取代反应，既可按SN1历程进行，也可 亲核试剂、离去基团及溶剂等诸多因素有关。现分别讨 论之。 1. 烃基结构的影响 A. 对SN2反应的影响: 如前所述： SN2反应的特点是亲核试剂从 C―X 键的 背后接近反应中心碳原子的，显然，α- 碳上连有的烃基 ↑，亲核试剂越难以接近反应中心，其反应速率必然↓。 因此，在SN2反应中，卤代烷的活性次序应该是：

这一活性次序还可从另外方面得到解释： a. 反应速率的快慢，与所需活化能的大小、过渡态生 成的难易有关。如：

b. 在反应物中，随着中心碳原子上所连烃基的增多， 由于烷基的+I效应，使中心碳原子的正电荷减少，从而不 利于亲核试剂的进攻。 那么，同为伯卤烷，其SN2反应的相对活性又怎样呢？ 结论：β- C上烃基↑， SN2反应速率↓。 B. 对SN1反应的影响：

SN1反应的难易取决于中间体碳正离子的生成，一个 稳定的碳正离子，也一定是容易生成的碳正离子。因此， 对于这一活性次序的理论解释： 一是电子效应(σ,p - 超共轭效应)； 一是空间效应： 拥挤程度减少 基团拥挤

然而，对于桥环卤代烷，当X位于桥头碳上时， 无论 是SN1反应，还是SN2反应，均难以发生。如： 2. 亲核试剂的影响 由于在SN1反应中，决定反应速率的关键步骤只与卤

代烷的浓度有关，故亲核试剂对SN1反应的影响不大。 关，又与亲核试剂的浓度有关，因此，亲核试剂的影响 是至关重要的。 显然，亲核试剂的亲核能力↑，浓度↑，反应υ↑。 试剂亲核能力的强弱取决于两个因素：a. 试剂的碱性 (即给电子性)；b.试剂的可极化性(即极化度或变形性)。 (1) 试剂的碱性： 试剂的碱性与亲核性是两个不同的概念，二者的关 系可能一致，也可能不一致。

A. 亲核性与碱性一致： a. 同周期元素所形成的亲核试剂 b. 同周期中的同种原子形成的不同亲核试剂 B.亲核性与碱性不一致(亲核试剂体积大小的影响)：

(2) 试剂的可极化性 可极化性系指分子中周围电子云在外电场的影响下 发生形变的难易程度。易形变者，可极化性大。 在亲核取代反应中，可极化大的原子或基团，因形 变而易于接近反应中心，从而降低了达到过渡状态所须 的活化能，故亲核能力增强。 显然，同族元素，随原子序数的增大，核对核外电 子的束缚力↓，可极化性↑，亲核能力↑。

值得注意的是：亲核性 是指在质子 性溶剂(如：H2O、ROH)中的次序。若在非质子性溶剂 中[如：(CH3)2SO、HCON(CH3)2]，其亲核能力刚好相反。 综上所述，判断一个试剂亲核能力的大小： 对于同周期元素或同种原子形成的亲核试剂，可用 其碱性的强弱来判断； 对于同族元素形成的亲核试剂，可用可极化性的大 小来判断。 3. 离去基团的影响 无论SN1反应，还是SN2反应，在决定反应的关键步

骤中，都包含C―X键的断裂，因此，离去基团X―的性质 对SN1反应和SN2反应将产生相似的影响，即卤代烷的活 性次序是： 这一活性次序可从C―X键的离解能、可极化性、离 去基团的碱性等方面来说明。

由此可见，I－既是一个好的离去基团，又是一个好 的亲核试剂。因此，这一特性在合成中有着重要的用途。 4. 溶剂的影响 A. 对SN1反应的影响：

溶剂的极性↑，有利于SN1反应的进行。这是因为该 反应在过渡状态已出现了部分正负电荷的高度极化状态， 电中性 电荷增加 溶剂的极性↑，有利于SN1反应的进行。这是因为该 反应在过渡状态已出现了部分正负电荷的高度极化状态， 而极性溶剂的存在，有利于过渡状态的形成和进一步的 离解。 B. 对SN2反应的影响： 溶剂对SN2反应的影响较为复杂，通常情况下是增强 溶剂的极性对反应不利。

反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷， 只是电荷有所分散，因此溶剂对反应的影响不大。但溶 剂极性↓，还是有利于反应的进行；溶剂极性↑，反而 会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所减慢。 练习： 1. 下面各对亲和取代反应，各按何种机理进行？哪一 个更快？为什么？

2. 卤代烷与NaOH在水-乙醇溶液中进行反应，下列 哪些是SN2机理？哪些是SN1机理？ (1) 产物发生Walden转化； (2) 增加溶剂的含水量反应明显加快； (3) 有重排反应； (4) 叔卤烷反应速率大于仲卤烷； (5) 反应只有一步。

卤代烷分子中消除HX生成烯烃的反应，称为卤代烃 的消除反应，也称 E 反应( Elimination )。 3. 指出下列各对反应中，何者较快？为什么？ §4―2―3 消除反应 卤代烷分子中消除HX生成烯烃的反应，称为卤代烃 的消除反应，也称 E 反应( Elimination )。

又因消除的是β- H 和卤原子，故又称β- 消除反应。 一、消除反应的反应历程 与卤代烷的亲核取代反应相似，卤代烷的消除反应 也有两种反应历程。 1. 双分子消除反应(E2) 以CH3CH2CH2Br为例： 亲核取代反应 β- 消除反应

上述反应的本质差别在于：按①进行反应，碱进攻 的是α-C，发生的是亲核取代反应；按②进行反应，碱 进攻的是β-H，发生的是消除反应。 由反应历程可见，卤代烷的双分子消除反应也是一 步完成的反应，反应的动力学方程为： 2. 单分子消除反应(E1) 以(CH3)3CBr为例：

由此可见：a. 反应也是分步进行的；b. 反应速度只 与RX有关，其动力学方程为： 总之，亲核取代反应和消除反应是相互竞争，伴随 发生的。 二、消除反应的取向 当卤代烷分子含有两个或两个以上不同的β- H 原子 可供消除时，生成的烯烃也就不止一种结构，那么，究 竟优先消除哪一个β- H 原子，这就是取向问题。 实践表明：卤代烷的β- 消除反应，一是Saytzeff(查 依采夫)取向,另一个是Hofmann(霍夫曼)取向。但在通

常情况下将遵循Saytzeff规则——生成连有取代基较多的 烯烃。 活化能较低，易于形成。 活化能较高，不易形成。

从产物的电子效应看： Saytzeff 产物有九个C―Hσ 键参与的σ-π超共轭效应，而Hofmann 产物只有五个C ―Hσ键参与的σ-π超共轭效应，故以Saytzeff 产物为主。 E2消除： 由此可见，无论是过渡态的稳定性，还是产物的稳 定性，都说明主要产物应是Hofmann 产物。

然而，当消除的β- H 所处位置有明显的空间位 阻或碱的体积很大时，其 主要产物将是Hofmann产 物。例如：

三、消除反应的立体化学 β- 消除反应可能会有两种不同的顺反异构体生成。 将离去基团X与被消除的β- H 放在同一平面上，若 X与β- H 在σ键的同侧被消除，称为顺式消除；若X与 β- H在σ键的两侧(异侧)被消除，称为反式消除。 实践表明：在按 E2 机理进行消除的反应中，一般情 况下发生的是反式消除。如：

例如： 只有β-H与Cl处于反式 β-H和β’-H均与Cl处于反式， 产物比例取决于产物的稳定性。

四、取代与消除反应的竞争 如前所述，在卤代烷的反应中，试剂既可进攻α-C 原子而发生SN反应，也可进攻β-H原子而发生E反应，这 是两个相互竞争的反应。然而，如何才能使反应按我们 所需的方向进行，就必须对影响SN和E反应的因素有一个 清楚的认识。 1. 烃基结构的影响 α-C上烃基↑，因空间位阻增大，故对SN2反应不利 而对SN1、E1反应有利。 α-C上烃基↑，虽然对进攻α-C不利，但对进攻β-

β-C上烃基↑，对SN2、 E2都不利，而对SN1、 E1有 利，但对E1更有利。这是因为： H的影响不大，相对而言，对E2反应有利。 叔卤烷易于消除 β-C上烃基↑，对SN2、 E2都不利，而对SN1、 E1有 利，但对E1更有利。这是因为：

2. 亲核试剂的影响 亲核试剂对SN1反应影响不大，但对SN2反应影响很 大。其一般规律是： 亲核试剂的亲核能力↑，对SN2反应有利。 试剂的亲核性↑，碱性↓，对SN2反应有利。 试剂的亲核性↓，碱性↑，对E2反应有利。 试剂的体积↑，不利于对α-C的进攻，故对消除反 应有利。 试剂的浓度↑，对SN2、 E2都有利。 3. 溶剂的影响

由此可见，溶剂的极性↑，有利于过渡状态电荷增 加的反应，即对SN1、E1反应有利。因为极性↑，溶剂化 作用↑，有利于C―X键的解离。 溶剂的极性↑，对电荷分散的反应不利，即对SN2、 E2反应均不利，但对E2反应更不利。因为在E2反应中， 过渡状态的电荷分散程度更大。

4. 反应温度的影响 温度升高对SN反应和E反应均有利，但对E反应更有 利。因为消除反应需要拉长C ―H键，形成过渡状态所需 的活化能较大。 练习： 1. 下列化合物按E1机理消除HBr的难易排列成顺， 并写出其主要产物。

4. 对于RC≡CNa + CH3X―→RC ≡CCH3这 一反应，为什么用仲卤烷和叔卤烷的效果不好？ 2. 试预测下列个反应的主要产物，并简单说明理由。 3. 反应 NH3+RX ，溶剂的极性↑对SN2反应是有利还 是不利？ 4. 对于RC≡CNa + CH3X―→RC ≡CCH3这 一反应，为什么用仲卤烷和叔卤烷的效果不好？ §4―2―4 卤代烷与金属的反应 卤代烷可与某些金属元素作用，生成一类由碳原子 和金属原子直接相连的化合物，这类化合物统称为金属

以代负电荷的形态存在的，因而金属有机化合物 中的烃基具有很强的亲核性和碱性。 有机化合物。 在这类化合物中，碳金属键中的碳原子(C－―M+)是 以代负电荷的形态存在的，因而金属有机化合物 中的烃基具有很强的亲核性和碱性。 一、有机镁化合物 卤代烷与金属镁在无水乙醚(通称干醚或纯醚)中反 应,生成烷基卤化镁： 该反应是法国有机化学家Grignard(格利雅)于1901年在 他的博士论文研究中首次发现的。为纪念这位化学家对

化学事业的贡献，人们将烷基卤化镁称为Grignard试剂， 而把有Grignard试剂参与的反应，称为Grignard反应。 卤代烷与金属镁反应的活性顺序是： Grignard试剂很活泼，它易于被空气中的氧所氧化， 易于与含活泼氢的化合物作用而被分解为烷烃。

Grignard试剂在醚中有很好的溶解度，醚作为Lewis 碱，与Grignard试剂中的Lewis酸中心镁原子形成稳定的 络合物。 乙醚、四氢呋喃(THF)、其它醚(如：丁醚)、苯等。 Grignard试剂在醚中有很好的溶解度，醚作为Lewis 碱，与Grignard试剂中的Lewis酸中心镁原子形成稳定的 络合物。 Grignard试剂能与CO2、RCHO、RCOR’、RCOOR’等多种化合物反应，因而在合成中有着重要的用途。 二、有机锂化合物

金属锂在惰性溶剂中(如：戊烷、石油醚、乙醚等) 与卤代烷(通常为RCl和RBr)作用，生成烷基锂。 与Grignard试剂相似，烷基锂亦很活泼，易于被空 气氧化，遇水、酸、醇、氨等含活泼氢的化合物则分解， 因此在制备和使用时，通常用N2或H2保护。 烷基锂与卤化亚铜作用生成二烃基铜锂。 二烃基铜锂是重要的烃基化试剂，又称有机铜锂试 剂，它可与多种有机化合物反应。如：

这是制备烷烃的一种方法，称为Corey-House合成。 有机铜锂试剂具有碱性，反应中以1°RX效果最好。 3°RX几乎不发生上述反应。另外，分子中含有―CO―、 ―COOR、 ―OH、 ―CN和孤立双键的卤代烃衍生物仍 能发生此反应，而这些官能团却不受影响。如： 练习： 1. 完成下列反应：

2. 下列化合物能否用来制备Grignard试剂？为什么？

§4―2―5 相转移催化反应 相转移催化反应( Phase Transfer Catalytic Reaction 简称 PTC ) 是20世纪60年代提出来的，虽然提出的时间 不长，但在有机合成化学中已占有重要的地位。 该反应是指：在互不相溶的两种反应物所构成的两 相(非均相)中，借助一种催化剂，使反应物之一由原来所 在相穿过两相之间的界面而转移到另一反应物所在相中， 使两种反应物在均相中进行反应。 在非均相反应中，能将反应物由一相转移到另一相 的催化剂，成为相转移催化剂。

常用催化剂：鎓盐类(如：季铵盐)、叔胺类、冠醚等。 相转移催化反应的特点是：反应条件温和、操作简 便、反应速率快、选择性好、产率高。

§4―3 卤代烯烃和卤代芳烃 §4―3 ―1 卤代烯烃 实验事实:

由此可见，在卤代烯烃中卤原子与双键的相对位置 不同，其反应活性差异颇大。 一、卤乙烯型卤代烃 卤乙烯型中的典型化合物就是氯乙烯，其结构特点： 氯原子的-I效应和p,π-共轭效应共同影响的结果，从 而使键长发生了部分平均化。即：

由此证明：氯乙烯分子中的C―Cl键结合的比较牢固，因而Cl原子不活泼，表现在： 不易与亲核试剂NaOH、RONa、NaCN、NH3等发生 反应； 不易与金属镁或AgNO3-alc.反应，如：

消除HX的反应也必须在很强烈的条件下或者采用更 强的碱才能进行。如： 进行亲电加成反应也比乙烯困难，但与不对称试剂加 成是仍遵循马氏规则。 练习： 写出下列反应机理，并解释反应为什么遵循马氏规则。

二、烯丙型卤代烃 烯丙基氯容易与NaOH、RONa、NaCN、NH3等亲核 试剂作用，且主要按SN1历程进行，其亲核取代反应速度 要比正丙基氯快大约80倍左右。 烯丙型卤代烃活泼的原因是由其结构的特殊性决定的。 按SN1历程进行反应，其反应 中间体为碳正离子，由于p,π-共 轭效应的存在，使得碳正离子具有 相当好的稳定性而易于形成。

由于烯丙型卤代烃易于按SN1历程进行反应，所以某 些烯丙型卤代烃在反应时就体现出了碳正离子可以发生重 排这一普遍特性。如： 烯丙型卤代烃按SN2历程进行 反应，也因双键的π轨道与正在 形成和断裂的键轨道从侧面相互 交盖，使过渡状态的负电荷更加

分散，过渡状态能量降低而容易生成，从而有利于SN2反 应的进行。 §4―3 ―2 芳卤化合物 一、苯环的位置对卤原子活泼性的影响 1. 卤苯型卤代物 与氯乙烯相似，氯苯分子中氯原子的-I效应和p,π-共

轭效应共同影响的结果，必然导致C―Cl键键长缩短，键 的离解能增大。 用共振论解释也可得到同样的结论。 由此可看出：卤苯型化合物的卤原子表现出较低的反

反应活性，例如： 在一般条件下，卤原子不易被 等亲核试剂取代； 与AgNO3-alc. 溶液不反应； 在F-C反应中，不能象RX那样作为烃基化试剂使用。 2. 苄基型卤代物 苄基型卤代物与烯丙型卤代物相似，其X原子比较活 泼。 苄基型卤代物无论进行SN1反应还是SN2反应都比较容 易，尤其是SN1反应。

SN1反应： 这种电子离域的结果，使苄基正离子的正电荷得到分 散，故体系能量降低，较为稳定，因而容易形成。 SN2反应： 过渡状态中环上π轨道与反应中 心碳原子的轨道共轭，形成一个整体， 从而使过渡状态稳定。

二、芳卤化合物的化学性质 芳卤化合物既可发生环上的亲电取代反应，也可发生 环上的亲核取代反应。 1. 芳环上的亲电取代反应 芳卤可发生卤代、硝化、磺化、酰基化反应。 值得注意的是： 与芳环直接相连的卤原子作为第一类定位基，使新引 入基团进入它的邻位或对位，但它使苯环钝化，其反应速 度比苯的亲电取代反应速度慢。 2.芳环上的亲核取代反应

(1) 芳环上的亲核取代反应 A. 水解： 与苯环直接相连的卤原子，一般难以水解，必须在高 温、高压和催化剂作用下，才能发生反应： 然而，当氯原子的邻位和 / 或对位连有强吸电子基时 (如：硝基等)，水解反应就容易发生，且吸电子基越多， 反应越容易进行。

B. 氨解： 与水解反应相似，芳卤的氨解也必须在强烈的条件下 才能与NH3反应，生成芳胺。同样，当氯原子的邻位和 / 或对位连有强吸电子基时，可加速反应的进行。

芳环上的卤原子被其它亲核试剂(如：CNˉ、ROˉ、PhOˉ、H2NNH2等)取代的情况与水解、氨解相似。 (2)芳环上亲核取代反应的机理 A. 加成―消去机理 以卤苯为例： 第一步： 亲核试剂进攻，加到苯环卤原子所在碳原子上，生成

一个被共振稳定化的碳负离子，这是控制反应的关键步骤。 第二步： 卤原子以Xˉ的形式离开苯环生成产物。 该分步反应称为加成―消去历程。 正因为反应的中间体为碳负离子，所以，当卤原子的 邻位和 / 或对位连有强吸电子基时，必然可使负电荷分散 到苯环和硝基上，从而加速反应的进行。

显然，若苯环上连有―R、 ―O等供电子基时，将不 利于碳负离子中间体的稳定，从而使芳环上的C ―X键钝 化，更加难以发生亲核取代反应。 在卤代烷的SN反应中，卤原子的离去能力是I＞Br ＞ Cl ＞F；但在芳环上的亲核取代反应中，最容易离去的是 F，其它卤原子相差较小，即：F Br≈Cl＞I。这是因为 碳负离子上连有强吸电子基团时，有利于负电荷的分散。

B. 消去―加成机理(苯炔机理) 实验事实： 上述事实的共同特点是：新引入的基团不仅进入卤原 子原来的位置，还进入了卤原子的邻位。

这些实验事实，用加成―消去机理是难以解释的，然 而用消去―加成机理(苯炔机理)却能得到合理的解释。 以氯苯的氨解为例说明之： 该历程的前两步是从氯苯中消去一分子HCl，生成活 泼的苯炔中间体，后两步是在苯炔的碳碳三键上加进了一 分子的NH3，故称消去―加成机理；又因该类反应是经过 苯炔中间体完成的，故又称苯炔机理。

苯炔的结构如下图所示： 可以预见：一是苯炔具有高度的反应活性(因为两个 互不平行的sp2杂化轨道，侧面交盖很少，所构成的π键 较为脆弱)；二是苯环上连有的所有取代基对苯炔的生成

和稳定，只存在诱导效应，而不存在共轭效应(因为由两 个互不平行的sp2杂化轨道构成的第二个π 键与苯环中的 共轭π键相互垂直)。 练习： 1. 完成下列反应：

2. 用KN(C2H5)2 - (C2H5)2NH处理N-甲基-N-(2’-邻氯苯 什么？(2) 写出反应历程。 3. Grignard试剂的生成 卤原子与侧链相连的芳卤化合物在纯醚中能与金属镁 顺利地生成相应的Grignard试剂。 然而，当卤原子与苯环直接相连时，卤原子的活性则 较低，其活性顺序是： I＞Br ＞Cl ，因此，氯苯则需要

使用高沸点的溶剂(如：THF),并在较高的温度下进行反 应。如： 练习： 完成下列转化(无机和有机试剂任选)：