卤代烃亲核取代和消除反应机理

卤代烃亲核取代和消除反应机理
卤代烃亲核取代和消除反应机理

亲核取代反应历程

卤代烃的亲核取代反应是一类重要反应,由于这类反应可用于各种官能团的转变,在有机合成中具有广泛的用途,因此,对其反应历程的研究也就比较重要。在亲核取代反应中,研究最多的是卤代烃的水解,在反应的动力学、立体化学,以及卤代物的结构,溶剂等对反应速率的影响等都有不少的资料。根据化学动力学的研究及许多实验表明,卤代烃的亲核取代反应是按两种历程进行的,即双分子亲核取代反应(S N 2反应)和单分子亲核取代反应(S N 1反应)。

一、双分子亲核取代反应(S N 2反应)

实验证明:伯卤代烃的水解反应为S N 2历程。RCH 2Br+OH -→RCH 2OH+Br -,v =k [RCH 2Br]·[OH -],v 为水解速率,k 为水解常数。因为RCH 2Br 的水解速率与RCH 2Br 和OH -的浓度有关,所以叫做 双分子亲核取代反应(S N 2反应)。

1.S N 2反应机理:亲核试剂(Nu -)从离去基团(L)的背面进攻中心碳原子。当亲核试剂与中心碳原子之间逐渐成键时,离去基团与中心碳原子之间的键逐渐断裂,新键的形成和旧键的断裂是同步进行的协同过程,其反应过程如下所示。

反应物(sp 3) 过渡态(sp 2)

产物(sp 3) 2.S N 2反应的能量变化,可用反应进程-势能曲线图表示如下:

S N 2反应进程中的能量变化

3.S N 2反应的立体化学:背面进攻和构型翻转。

(1)背面进攻反应:在S N 2反应中,亲核试剂Nu -可以从离去基团的同一边或离去基团的背面进攻中心碳原子(C δ+)。若从离去基团的同一边进攻,则亲核试剂与带负电荷的离去基团(L δ-)之间,除空间障碍外,还因同种电荷相互排斥使反应活化能升高,不利于反应的进行。若从离去基团的背面进攻,则反应活化能较低,容易形成相对较稳定的过渡态,反应易于进行。

(2)构型翻转:在S N 2反应中,中心碳原子由反应底物时的sp 3杂化转变为过渡态时的

sp 2杂化,

这时亲核试剂与离去基团分布在中心碳原子的两边,且与中心碳原子处在同一直线上,中心碳原

C

δδNu C + L -

δδNu C + L δδNu C + L -Nu

子与它上面的其他三个基团处于同一平面内。随着反应的进行,这三个基团由原来靠近亲核试剂的一边经过渡态翻转到靠近离去基团的一边,最终离去基团被亲核试剂取代,中心碳原子发生了构型的翻转,这是S N2反应的立体化学特征,可以作为S N2反应机理判断的依据。这种构型的转化称为瓦尔登(Walden)转化。

过渡态

(S)-2-碘辛烷(R)-2-碘辛烷

4.影响S N2亲核取代反应的因素:从双分子亲核取代反应的动力学公式v=k[R-L]·[Nu-],可以看出,S N2亲核取代反应的反应速率与反应底物R-L和亲核试剂Nu-有关,可以分别从反应底物(包括烃基的结构和离去基团的性质)和亲核试剂Nu-两方面讨论对S N2亲核取代反应的影响。

(1)反应底物中烃基的结构:S N2反应是一步反应,反应底物在亲核试剂进攻下,经过渡态转变为产物,过渡态势能的高低直接关系到反应活化能的大小,过渡态势能越低就越稳定,反应的活化能就越低,反应越容易进行,反应速率越快。在过渡态中,由于有五个基团排布在中心碳原子的周围,相对于反应底物来说,空间变得更加拥挤,导致过渡态的势能升高,反应活化能增大。

因此,对于反应底物,因烃基结构不同而导致的空间因素对S N2反应的活性有重要影响。当中心碳原子上的氢被烷基取代后,亲核试剂从离去基团的背面进攻中心碳原子时的空间位阻增加,过渡态势能升高,反应活化能增大,反应速率减小。

对反应底物为伯、仲、叔卤代烃而言,其S N2反应的活性次序为:

CH3-L>RCH2-L>R2CH-L>R3C-L

(2)离去基团:离去基团是反应底物的构成部分,因此离去基团的离去能力直接与亲核取代反应的速率有关。在反应中,离去基团在亲核试剂Nu-对中心碳原子进攻的同时逐渐离开中心碳原子,这里发生了C-L键的异裂,L带着一对共价电子以L-形式离去。因此,若C-L键弱,且L有较强的承受负电荷的能力,容易以L-形式离去,是好的离去基团;若C-L键强,且L对负电荷的承受能力较弱,不容易以L-形式离去,是差的离去基团。L对负电荷的承受能力与L的碱性有关,

L承受负电荷的能力强,即L-相对较稳定,其碱性相对较弱。因此,离去基团L的碱性越弱,越容易离去,是好的离去基团。由于卤素负离子的碱性次序为:I-Br->Clˉ>Fˉ。对于不同卤素的卤代烃,其亲核取代反应的活性次序为:R-I>R-Br>R-Cl>R-F。

碘代烃的反应率最快,氟代烃最慢。例如,

--

2

取代反应中,它们都难以直接被其他亲核试剂取代。这种情况下,需要将它们转变为好的离去基团,才能使取代反应顺利进行。

(3)亲核试剂:在S N2反应中,离去基团是在亲核试剂对中心碳原子的亲核进攻下逐渐离去的,因此亲核试剂的亲核能力直接与取代反应的速率有关。亲核试剂可以是带有负电荷的离子或带有未共用电子对的中性分子。在多数情况下,试剂的亲核性与其碱性大小的顺序一致。

若亲核试剂中的亲核原子为同周期元素,则亲核性大小顺序与碱性强弱顺序相同,如CH3-> H2N->HO->Fˉ。但亲核性与碱性毕竟不完全一样,试剂的亲核性大小是根据它对亲核取代反应速率的影响来判断的,而碱性大小表现在结合H+的难易上,判断标准不同,结果也不完全相同。

如:

亲核性:CH3O—>CH3CH2O—>(CH3)2CHO—>(CH3)3CO—。

碱性:CH3O—

可见,试剂的亲核性与碱性的强弱顺序不一定是一致的。

对于同族元素,由于亲核试剂通常是用其负离子相应的盐,而常用的溶剂是水或醇等质子溶剂,在这种质子溶剂中,负离子的亲核性大小与其相应的碱性往往表现为不一致性。相对来说,对于带相同电荷的离子,离子半径小的负电荷更集中,其与溶剂质子生成氢键而溶剂化的能力也强;而离子半径大的负电荷相对较分散,其与溶剂质子生成氢键而溶剂化的能力相对较弱。然而,负离子在发生亲核取代反应前必须克服溶剂分子的溶剂化作用,离子半径大的负离子相对较容易克服溶剂化作用而显得有较强的亲核性。因此,对于同族元素,亲核性有I->Br->Cl->F-,RSˉ>ROˉ。

如果反应在非质子溶剂(如N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜等)中进行,因为没有生成氢键的溶剂化效应,所以其亲核性为I-

自由的卤素负离子(X-)亲核性比溶剂化的X-大得多,故亲核取代反应在非质子极性溶剂中要快得多。

中性分子的亲核性比相应的共轭碱负离子的亲核性小,如亲核性有HOˉ>H2O,ROˉ >ROH,RCOO->RCOOH,NH2->NH3,RNHˉ>RNH2。对于相同亲核原子的亲核试剂,碱性大的,亲核性也大,如ROˉ>RCOO-。

在S N2反应中,亲核试剂的空间因素也影响其亲核性,空间位阻大的亲核试剂不利于与底物的中心碳原子接近,表现为较低的亲核能力。例如,烷氧基负离子的亲核能力随烷基体积的增大而减小,即CH3Oˉ >CH3CH2O->(CH3)2CHO->(CH3)3COˉ。

二、单分子亲核取代反应(S N1反应)

实验证明:3°RX、CH2=CHCH2X、苄卤(Ph-X)的水解是按S N1历程进行的,如:

(CH3)3C-Br+OH-→CH3)3C-OH+Br-,v=k[(CH3)3C-Br]

因其水解反应速率仅与反应物卤代烃的浓度有关,而与亲核试剂的浓度无关,所以称为单分子亲核取代反应(S N1反应)。

1.S N1反应机理,S N1反应是分两步完成的:

反应的第一步是卤代烃电离生成活性中间体碳正离子,碳正离子再与亲核试剂进行第二步反应生成产物。故S N1反应中有活性中间体碳正离子生成。

2.S N1反应的能量变化,可用反应进程-势能曲线图表示如下:

S N1反应进程中的能量变化

3.S N1反应的立体化学:由于反应中间体的中心碳原子为sp2杂化,决定了碳正离子为平面构型,空的p轨道垂直于碳正离子所在的平面,因此亲核试剂可以从该平面的两边等概率地进攻碳正离子而生成取代产物。如果中心碳原子在取代产物中是手性碳原子,则取代产物应该是外消旋化(等概率的构型翻转+构型保持)的,这是S N1反应的立体化学特征,可以作为S N1反应机理判断的依据。

外消旋化示意图

5.影响S N1亲核取代反应的因素:从单分子亲核取代反应的动力学公式v=k[R-L]可以看出,S N1

亲核取代反应的反应速率只与反应底物R-L有关,而与亲核试剂Nu-无关。因此,可以分别从反应底物(包括烃基的结构和离去基团的性质)和影响反应中间体碳正离子的稳定性等方面讨论对S N1亲核取代反应的影响。

(1)反应底物中烃基的结构:S N1反应是经过碳正离子中间体的两步反应。第一步生成碳正离子中间体是反应速率的决定步骤,因此碳正离子容易形成,反应容易进行,反应速率就快。而碳正离子的稳定性与其正电荷的分散程度有关,凡有利于正电荷分散的因素都使碳正离子的稳定性增加。

碳正离子的稳定性次序为:(CH3)3C+>(CH3)2CH+>CH3CH2+>CH3+。

因此,对于反应底物为伯、仲、叔卤代烃,其S N1反应的活性次序为:

R3C-L>R2CH- L>RCH2- L>CH3-L

碳正离子中,中心碳原子为sp2杂化,中心碳原子及与其直接相连的三个原子在同一平面内。如果由于几何原因,碳正离子难以达到平面结构,则S N1反应很难进行。卤素连在桥头碳原子上的卤代烃,由于桥环的刚性,桥头碳既不易形成平面结构的碳正离子,又不利于亲核试剂从卤素的背面进攻和构型的翻转,因此它们很难发生亲核取代反应。例如,下列一些桥头碳上的溴代烃,尽管都是叔溴代烃,也难以发生S N1反应。

卤代烃与硝酸银的乙醇溶液作用生成硝酸酯和卤化银沉淀,反应是按S N1机理进行的亲核取代反应。

R-X+AgNO3R-ONO2(硝酸酯)+AgX↓

因此,根据反应中卤化银沉淀生成的速率不同,可以区别伯、仲、叔卤代烃。

(2)离去基团:离去基团的离去能力对S N1反应和S N2反应的影响具有相同的趋势,但离去能力大的离去基团对S N1反应的影响更大、更有利。对于相同烃基的卤代烃,其S N1反应活性为:RI>RBr>RCl>RF。在卤代烃的S N1反应中,加入Ag+、Hg2+等离子,这时离去基团就不是卤素负离子,而是离去能力更大、溶解度极小的AgX或HgX2,在此条件下卤代烃的亲核取代反应基本上都按S N1机理进行。例如:

在上述S N1反应中,可以看出碳架发生了重排,这是因为反应最初生成的伯碳正离子中间体经邻位碳原子上甲基的迁移,生成了更稳定的叔碳正离子。在S N1反应中,常可观察到碳正离子的重排。

(3)溶剂:由于在S N1反应中,通常是由中性分子经过渡态电离成带正电荷的反应中间体,其过渡态相对于反应底物而言电荷是增加的,因此极性溶剂或溶剂的极性增加有利于带正电荷中间体的稳定、过渡态的稳定以及反应活化能的降低,使反应速率加快。

6.离子对反应机理

S N1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。如,(S)-2-溴辛烷在60%水-乙醇中水解,产物中66%外消旋化,34%构型净转化。

(S)-2-溴辛烷(R)-2-辛醇(67%) (S)-2-辛烷(33%)为了更好地解释这种溶剂解反应中反应动力学与立体化学之间存在的差异,Winsteins用离子对反应机理解释这种实验现象。离子对反应机理认为,当底物分子按S N1机理发生溶剂解反应时,中心碳原子与离去基团之间发生共价键的异裂,这时生成的碳正离子和相应的负离子仍紧密地靠在一起,构成紧密离子对,紧密离子对周围被溶剂分子包围,并将各离子对隔离开来。然后,有少量溶剂分子进入紧密离子对的两离子之间,但两离子仍然组成一个离子对,这称为溶剂分隔离子对。随着溶剂分子不断渗入,正、负离子之间的距离不断扩大,正、负离子分别被溶剂分子包围并溶剂化,这称为溶剂化自由离子,其过程可简单表示如下:

整个过程是可逆的,反向过程称为返回。由紧密离子对经反向过程重新结合成原来的共价化合物称为内返。由溶剂化自由离子和溶剂分隔离子对经反向过程重新结合成原来的共价化合物均称为外返。

反应底物RX在解离过程中的各阶段除与底物的结构有关外,还与反应的溶剂有关,在非极性溶剂中,有利于形成紧密离子对和溶剂分隔离子对的状态;在强极性溶剂中,则有利于形成溶剂化自由离子的状态。紧密离子对、溶剂分隔离子对和溶剂化自由离子都可以与溶剂分子或其他亲核试剂结合生成取代产物。

如果取代反应发生在紧密离子对阶段,则溶剂分子或亲核试剂只能从离去基团的背面进攻,生成构型翻转的产物。如果取代反应发生在溶剂分隔离子对阶段,由于离去基团的空间阻碍,亲核试剂从离去基团的背面进攻比正面进攻有利,概率也大,这时得到的产物中,构型翻转的比构型保持的多,即可能得到部分构型翻转和部分外消旋化产物。只有当取代反应发生在溶剂化自由离子阶段,溶剂分子或亲核试剂从离去基团的背面和正面进攻的概率才相等,得到完全外消旋化的产物。因此,离子对机理可以满意地解释:在有些动力学为一级的S N1反应中,产物不是完全外消旋化,而是构型翻转的产物多于构型保持的产物。

三、归纳总结

1.对S N1反应,反应速率:3°RX>2°RX>1°RX>CH3X。

对S N2反应,反应速率:CH3X>1°RX>2°RX>3°RX。

叔卤代烃主要进行S N1反应,伯卤代烃S N2反应,仲卤代烃两种历程都可,由反应条件而定。烯丙基型卤代烃(CH2=CHCH2-X)既易进行S N1反应,也易进行S N2反应。桥头卤代的桥环卤代烃既难进行S N1反应,也难进行S N2反应。

2.亲核试剂(Nu-)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S N1反应无明显的影响。亲核试剂的浓度愈大,亲核能力愈强,越有利于S N2反应的进行。

3.溶剂极性对亲核试剂的亲核性的影响:

(1)在质子型溶剂中,亲核试剂首先与H+结合,发挥的是它的碱性,而不是亲核性,在非极性溶剂中,亲核试剂的溶解度很低,不利于发挥亲核性,所以偶极型溶剂有利于亲核性。

(2)对于S N2反应来说,一般是电荷分散的过程,这样的过程需要极性低的溶剂才能稳定过渡态中间体。对于S N1反应来说,由于产生的是正碳离子,所以采用极性溶剂有利于稳定中间体。因此,溶剂的极性增加对S N1反应有利,对S N2反应不利。

卤代烃消除反应机理

卤代烃不仅能发生S N反应,还可以发生消除反应。卤代烃分子中消去卤化氢生成烯烃常称为消除反应(Elimination),用E表示。由于卤代烃中C-X键有极性,卤素的诱导作用可通过α-C传递到β-C上,使β-H原子有一定的酸性;在碱的作用下卤代烃易消去β-H和卤原子,称为β-消除;这种消除反应是制备烯烃的常用方法。如:

与卤代烃的S N反应相似,卤代烃在发生消除反应时,也有单分子和双分子消除机理,分别记为E1反应和E2反应。

一、单分子消除反应(E1反应)

1.叔卤代烷的消除反应主要按单分子机理进行。反应动力学显示为一级反应,其反应速率仅与反应物卤代烷的浓度成正比,反应速率υ=k[R-X]。E1反应与S N1反应有相似的机理,反应也是分两步进行。例如,叔丁基溴在无水乙醇溶液中首先发生C-Br键的异裂,溴带着一对电子以Br-形式离去,生成碳正离子中间体,然后溶剂分子乙醇作为Lewis碱进攻β-C上的氢原子,使C-H键发生异裂,原来C-H键上的共用电子对与相邻的带正电荷的碳原子生成C-C单键,最后得到烯烃。

在弱碱或稀碱作用下,叔卤代烃和部分仲卤代烃主要发生典型的单分子消除反应。卤素作为离去基团,离去能力大的都对单分子消除反应有利。极性质子溶剂如H2O、ROH、HCOOH等有利于碳正离子稳定性增加,也对单分子消除反应有利。

2.E1反应的势能曲线图与S N1反应相似:

由于单分子消除反应经过碳正离子中间体,因此有时可观察到碳正离子重排后的消除产物。

仲碳正离子叔碳正离子重排消除产物

在单分子消除反应中,如果有两个或两个以上不同的β-H,则可以在碳链的不同方向消除,

生成不同的烯烃。实验事实是从含氢最少的β-C原子上消除氢原子,而生成碳碳双键上取代基最多的烯烃是主要产物,符合Zaitsev(扎依采夫)规则。例如,

CH3CH2CBr(CH3)2CH3CH=C(CH3)2(71%)+CH3CH2(CH3)C=CH2(29%)

二、双分子消除反应(E2反应)

1.在双分子消除反应中,卤代烷在碱作用下消除HX生成烯烃,反应动力学显示为二级反应,

其反应速率与反应物卤代烷的浓度和碱的浓度成正比,化学反应速率v=k[R-X]·[B-]。

对于反应物,其Cα-X和Cβ-H键的断裂及Cα和Cβ之间π键的生成是协同进行的。例如,2-溴丁烷在乙醇钠的乙醇溶液中的消除过程如下:

双分子消除是一步反应,过程中经过由两种分子参与的过渡态,没有反应中间体。由于在形成E2消除反应的过渡态时,Cα-X和Cβ-H键已逐渐变弱,Cα和Cβ由sp3杂化逐渐过渡到sp2杂化,而Cα和Cβ上的p轨道也同时逐渐形成,为了使逐渐形成的p轨道能从侧面平行交盖成π键,因此要求H-C-C-X四个原子必须在同平面上。反式共平面的消除构象是比较稳定的对位交叉式构象,而顺式共平面的消除构象是不稳定的重叠式构象,因此E2消除通常是H-C-C-X处于反式共平面的反式消除。

在E2反应中,当有两种不同产氢时,消除时一般也是含氢较少的β-C提供β-H,生成碳碳双键上取代基相对较多的烯烃为主要产物,即产物也符合Zaitsev(扎依采夫)规则,这个结果与E1

反应相似。例如,

2-溴-2-甲基丁烷2-甲基-2-丁烯(70%) 2-甲基-1-丁烯(30%) 由于E2反应的产物烯烃符合扎依采夫规则,而叔卤代烃总是比仲卤代烃和伯卤代烃消除卤化氢后得到的烯烃在双键上的取代基多,因此在E2反应中,它们的反应活性次序为:叔卤代烃>仲卤代烃>伯卤代烃,这可以从碳正离子的稳定性的角度解释。

在某些E2反应中,如果碱的体积较大,而β-H周围的位阻环境又不一样,这时体积大的碱有利于进攻空间位阻小的β-H,主要产物不符合扎依采夫规则,这种生成的主要产物是碳碳双键上取代基最少的烯烃称为Hofmann(霍夫曼)烯烃。例如,

2-溴-2-甲基丁烷2-甲基-1-丁烯(72%) 2-甲基-2-丁烯(28%) 在E1和E2反应的速率决定步骤中都包含C-X键的断裂和卤原子的离去,因此对于不同卤原子的卤代烃,其消除反应速率一般来说为:RI>RBr>RCl。

三、共轭碱单分子消除反应(E1cb反应,cb代表反应物分子的共轭碱)

E1cb(unimolecular elimination from the conjugate base)是指β-H先与碱结合,生成碳负离子(作用物的共轭碱),然后碳负离子中的离去基团带一对电子离开,同时形成π键。

在E1cb反应中,先发生C-H键的异裂,然后才是C-X键的异裂。实际上,E1cb反应的类型并不多,它要求β-C上连有吸电子的取代基,能使β-H的酸性增强且形成的碳负离子的稳定性提高,还要求离去基团的离去倾向小。β-羟基酮在碱作用下的消除反应是典型的E1cb反应(按照E1cb反应,这里与离去基团羟基相连的碳原子为α-C,与α-C相连的碳原子为β-C),羰基的吸电子效应使β-H的酸性增强,在碱作用下先离去,同时形成的碳负离子又能与吸电子的羰基形成p- π共轭而比较稳定,且-OH又是不好的离去基团,因此反应按E1cb进行。例如,在碱催化下两分子丙酮缩合生成α,β-不饱和酮的反应(这里所指的α,β-碳原子与E1cb反应中指的不是同一碳原子)过程如下:

E1反应、E2反应和E1cb反应是β-消除反应中的三种极限机理。通常按E2机理进行的较多,但完全按协同机理进行仅是一种理想状态。如果β-H键的断裂先于Cα-L的断裂,则反应按E1cb 机理进行;如果Cα-L的断裂先于β-H键的断裂,则反应按E1机理进行。实际上E1通过E2到E1cb 是一个连续变化的过程,即E2可变过渡态理论(见下图)。该理论认为,多数消除反应的机理是介于典型的E1、E2、E1cb之间的,与反应底物的结构、离去基团的性质、反应试剂的性质(如碱的强弱、位阻效应)、溶剂效应等因素有关。

E1反应E2反应

-]

四、亲核取代反应和消除反应的竞争

亲核取代反应和消除反应是在同一反应体系中,由同一亲核试剂进攻反应底物的α-C和β-H 而引起的竞争反应,两种反应通常是同时发生和相互竞争的。

影响取代反应和消除反应比例的因素有反应底物的结构、试剂的亲核性(或碱性)和极性、溶剂的种类和极性、反应温度等。但最主要的因素是卤代烃的结构和试剂的碱性。

凡有利于碳碳双键的形成和稳定性增加的因素都对消除反应有利。对于卤代烃,β-C上连有吸电子取代基,可增强产β-H的酸性,有利于消除反应。α-C或β-C的烷基增多,或连有能与生成的碳碳双键形成共轭体系的取代基,都有利于消除反应。

1.烷基的结构:不同结构的卤代烃发生消除反应的活性一般为:3°RX>2°RX>1°RX。因为对于E1反应机理,第一步C+的形成为决速步骤,C+越稳定,越易形成,C+稳定性为:3°C+>2°C+>1°C+。对于E2反应机理,因为碱(B-)是与β-H相结合的,它不进攻α-C。当α-C上连有较多的支链烷基时,对E2反应有利。这是因为多个支链烷基的存在对部分双键的形成有推动作用,不仅可以降低过渡态的热力学能,还会使生成的烯烃获得最大程度的稳定。

2.试剂的碱性增强有利于消除反应,如C2H5O-的碱性比CH3COO-强,因此有利于消除反应,如,

S N2(21%) E2(79%)

S N2(100%)

因此,卤代烃的消除是用氢氧化钠或氢氧化钾的醇溶液,因为醇钠或醇钾的碱性更强。

NaOH+C2H5OH C2H5ONa+H2O(∵酸性:H2O>C2H5OH,∴碱性:OH-

3.反应温度也会影响消除/取代的比例,由于消除反应的活化能较高,因此升高反应温度有利

于消除反应。例如,

S N1(9%) E2(91%)

4.另外,碱的体积大小对消除/取代的比例也有影响,体积大的碱作为亲核试剂,不利于进攻α-C 生成取代产物,而有利于进攻β-H生成消除产物。例如,

CH3O-+CH3(CH2)15CH2CH2Br CH3(CH2)15CH=CH2+CH3(CH2)15CH2CH2-OCH3

E2(1%) S N2(99%)

(CH3)3CO-+CH3(CH2)15CH2CH2Br CH3(CH2)15CH=CH2+CH3(CH2)15CH2CH2-OC(CH3)3

E2(85%) S N2(15%)

5.溶剂的极性:溶剂的极性增加,不利于消除反应,有利于取代反应。极性溶剂对强碱的溶剂化作用会降低碱的强度,使碱与β-H的反应能力下降。另外,极性强不利于过渡态时负电荷的分散。E2反应中过渡态化学键的变化涉及了五个原子,负电荷更加分散,因此对E2反应更不利。

亲核取代反应的机理及影响因素.

教学目标:掌握各种因素对亲核取代反应机理的影响。 教学重点:烷基结构、亲核试剂、溶剂等因素对S N1 和S N2 反应的影响 教学安排:H 1,H3 —>H4;40min 基本概念:溶剂解:溶剂作为亲核试剂的亲核取代反应,称为溶剂解或溶剂解反应。溶剂解反应可根据所用的溶剂是水、乙醇还是乙酸,分别称为水解、乙醇解,乙酸解等。 卤代烷的亲核取代反应,既可按S N2 亦可按S N1 机理进行,但究竟按何种机理进行呢?这与卤代烷结构,离去基团亲核试剂和溶剂的性质等诸因素有关,下面分别讨论。 一、烷基结构的影响 1.烷基的结构对S N2 反应的影响 在卤代烷的S N2 反应中,如果中心碳原子上连接的取代烷基(支链)越多,它们对亲核试剂从碳卤键背后进攻中心碳原子的空间位阻就越大,使得发生有效碰撞的概率大为下降;而在过渡态时众多的支链与中心碳原子要保持在同一个平面内,其张力是很大的,这就使形 成过渡态需要有非常高的活化能,这些都将导致卤代烷进行S N2 反应的活性下降,反应速率减小。例如,I-与下面各溴代烷的丙酮溶液中于25℃发生S N2 反应时的相对反应速率为: 如果在卤代烷的β- 碳原子上连有支链烷基时,对S N2 反应的速率也有明显的影响,即卤代烷中心碳( α- 碳)原子上连接的烷基体积越大,其空间位阻越大,不利于亲核试剂的攻 击。例如,在C 2H5 OH 溶剂中C2H5ONa 与下面各溴代烷于55℃发生S N2 反应的相对反应速率为: 反应物CH3CH2B r CH3CH2CH2B r (CH3)2CHCH2B r (CH3)3CCH2B r 相对速 率 100 28 3.0 4.2×10-4 综上所述,卤代烷进行S N2 反应时,在其它条件相同时,不同结构卤代烷的反应活性次序为:

亲核取代反应及其影响因素

亲核取代反应及其影响因素 摘要:饱和碳原子上的亲核取代反应主要有两种:单分子亲核取代反应(S N1)与双分子亲核取代反应(S N2)。大多数反应介于这两种极端情况之间。人们提出离子对机理与邻近基团参与的理论来解释反应情况与构型变化的问题。亲核取代反应的反应速度,与烃基的数量、离去集团的大小、亲核试剂的活性以及溶剂的极性等有关。一般来说,烃基数量少,离去基团大,亲核试剂亲核性强,溶剂的极性弱,对S N2反应有利;烃基数量多,离去基团大,溶剂的极性强,对S N1反应有利。另外,亲核取代反应和对应的消除反应(单分子消除反应E1、双分子消除反应E2与S N1、S N2)互为竞争性反应。强碱和较高的温度有利于消除,弱碱和强亲核试剂有利于取代;有利于碳正离子生成的条件,有利于按单分子机理进行;不利于底物异裂的条件,有利于双分子反应。 正文: 一、烷基结构的影响 1.烷基的结构对S N2 反应的影响 反应中,如果中心碳原子上连接的取代烷基(支链)越多,它们对亲在卤代烷的S N2 核试剂从碳卤键背后进攻中心碳原子的空间位阻就越大,使得发生有效碰撞的概率大为下降;而在过渡态时众多的支链与中心碳原子要保持在同一个平面内,其张力是很大的,这就使形 反应的活性下降,反应速成过渡态需要有非常高的活化能,这些都将导致卤代烷进行S N2 率减小。例如,I-与下面各溴代烷的丙酮溶液中于25℃发生S N2 反应时的相对反应速率为: 反应的速率也有明显的影响,即卤如果在卤代烷的β- 碳原子上连有支链烷基时,对S N2 代烷中心碳( α- 碳)原子上连接的烷基体积越大,其空间位阻越大,不利于亲核试剂的攻击。 反应时,在其它条件相同时,不同结构卤代烷的反应活性综上所述,卤代烷进行S N2 次序为:

卤代烃的化学性质

卤代烃的化学性质 卤代烃最典型、最具代表性的反应有两类:亲核取代反应和消除反应,另外,卤代烷还可与活泼金属反生成金属有机化合物。 一、亲核取代反应 ? 在卤代烃分子中,由于Cl 的电负性大于C ,则C-Cl 键中的共用电子对就偏向于Cl 原子一端,使 Cl 带有部分负电荷(Cl -δ),碳原子带部分正电荷(C +δ)。这样C 原子就成为亲电反应中心,当与-OH 、-NH2等一些亲核试剂(带负电或富电子物种)时,亲核试剂就会进攻C +δ,Cl 则带一个单位负电荷离去。 ? 亲核试剂:带负电荷或有未共用电子对的具有亲核性的试剂。 ? 亲核取代反应:由亲核试剂进攻带部分正电荷的C +δ原子而引起的取代反应。 ? 亲核取代反应可用下面反应式表示 +X R X +R Nu -Nu - ? 亲核试剂(Nucleophile ) 通常用 :Nu- 表示。 ? 取代反应(Substitution ) 通常用 S 表示。 ? 亲核取代反应 就用 SN 表示。 ? 卤烃常见的亲核取代反应有: ? 1. 水解 2. 醇解 3. 氰解 4. 氨解 5. 与硝酸银的反应 6. 与炔化钠的反应 (一)卤烃的水解 ? 卤代烷与水作用,水解为醇,反应是可逆反应。如: CH 3CH 2Br + H 2O CH 3CH 2OH + HBr 在一般情况下,此反应很慢。为增大反应速率,提高醇的产率,常加入强碱(氢氧化钠),使生成的HX 与强碱反应,可加速反应并提高了醇的产率。 CH 3CH 2Br + NaOH CH 3CH 2OH + NaBr ? 此反应工业用途不大,因卤烷在工业上是由醇制取,但可用于有机合成中官能团的转化。用于复 杂分子中引入羟基(先卤代,再水解)。 (二)卤烃的醇解 ? 卤烃的醇解是卤烃与醇钠的醇溶液反应,生成醚。 CH 3CH 2Cl + CH 3CH 2ONa CH 3CH 2OCH 2CH 3 + NaCl ? 此反应是制备混合醚的经典合成方法,称为威廉森(Williamson )合成法。此法不能用叔卤烃与 醇钠反应,因为叔卤烃在强碱(醇钠)的作用下易发生消除反应生成烯烃。如: CH CH C CH 3 CH 33 Cl + CH 3ONa 3 CH 3 3 C CH 3 CH 2 3 (三)卤烃的氰解 ? 卤代烷与氰化钠或氰化钾的醇溶液中反应,生成腈。

高中化学卤代烃知识点

第二章 卤代烃 一.卤代烃的结构特点:卤素原子是卤代烃的官能团。C —X 之间的共用电子对偏向X , 形成一个极性较强的共价键,分子中C —X 键易断裂。 二.卤代烃的物理性质 (1)溶解性:不溶于水,易溶于大多数有机溶剂。 (2)状态、密度:CH 3Cl 常温下呈气态,C 2H 5Br 、CH 2Cl 2、CHCl 3、CCl 4常温下呈液态且密度> 1 g/cm 3 。 三.卤代烃的化学性质(以CH 3CH 2Br 为例) 1.取代反应 ①条件:强碱的水溶液,加热 ②化学方程式为: 2.消去反应 (1)实质:从分子中相邻的两个碳原子上脱去一个卤化氢分子,从而形成不饱和化合物。 例如: CH 3CH 2Cl : +NaOH ――→醇△ NaCl +CH 2===CH↑+H 2O (2)卤代烃的消去反应规律 ①没有邻位碳原子的卤代烃不能发生消去反应,如CH 3Br 。 ②有邻位碳原子,但邻位碳原子上不存在氢原子的卤代烃也不能发生消去反应。例如: 。 ③有两个相邻碳原子,且碳原子上均带有氢原子时,发生消去反应可能生成不同的产物。例: CH 3—CH===CH —CH 3+NaCl +H 2O

(3)二元卤代烃发生消去反应时要比一元卤代烃困难些。有些二元卤代烃发生消去反应后可在 有机物中引入三键。例如:CH 3—CH 2—CHCl 2+2NaOH ――→醇△ CH 3—C≡CH+2NaCl +2H 2O 上引入碳碳双键或碳碳三键。 五.检验卤代烃分子中卤素的方法(X 表示卤素原子) 1.实验原理 R —X +H 2O ――→NaOH △ R —OH +HX HX +NaOH===NaX +H 2O HNO 3+NaOH===NaNO 3+H 2O AgNO 3+NaX===AgX↓+NaNO 3 根据沉淀(AgX)的颜色可确定卤素:AgCl(白色)、AgBr(浅黄色)、AgI(黄色)。 2.实验步骤 (1)取少量卤代烃;(2)加入NaOH 水溶液;(3)加热;(4)冷却;(5)加入稀HNO 3酸化; (6)加入AgNO 3溶液,观察沉淀的颜色。 即RX ――→加NaOH 水溶液△ R —OH NaX ――→加稀HNO 3酸化R —OH HX ――→加AgNO 3溶液????? 若产生白色沉淀,卤原子为氯原子若产生浅黄色沉淀,卤原子为溴原子 若产生黄色沉淀,卤原子为碘原子

卤代烃消除反应的探究与思考

卤代烃消除反应的探究与思考 摘要:从反应机理的角度探讨了“无β氢的卤代烃”能发生消除反应并给出反应实证,提出了教学与资料编写要注重科学性,要关心和预见学生现在学习和未来学习有机衔接的思考。 关键词无βH的卤代烃β消除碳正离子重排α消除消除反应 1 问题的提出 长期以来,一些文献认为“无βH的卤代烃不能发生消除反应生成烯烃”。有代表性的表述如:(1)卤代甲烷不能发生消除反应,碳原子数必须≥2且与卤素原子直接相连的碳原子的邻位碳上必须有氢原子才能发生消除反应;(2)卤代烃一般可以发生消除反应,但只有一个碳原子的或具有下列结构的卤代烃不能发生消除反应,如CR2R3R1CH2X等;(3)2,2二甲基1氯丙烷是不能发生消除反应的,因为与氯原子相连的碳原子的相邻碳上没有氢[1~3]。 笔者对以上观点有不同的看法。本文运用文献研究成果,从卤代烃消除反应的机理探讨无βH的卤代烃的消除反应,并结合中学教学实际谈处理该知识点的策略,以期对无βH的卤代烃的教学有一个较为理性的认识。 2 卤代烃消除反应的机理 2.1 卤代烃消除反应的3种情况 卤代烃失去卤化氢或卤素,生成烯烃或炔烃的反应称为卤代烃的消除反应。可以根据消去2原子或基团的相对位置分为3类[4~6]。若消去的2个原子连在同一个碳原子上,称为1,1消除或α消除;2个消去的原子连在相邻的2个碳原子上,则称为1,2消除或β消除;2个消去的原子连在1,3位碳原子上,则称为1,3消除或γ消除。 中学教学主要涉及的是在溶液中进行的离子型反应,生成烯键或炔键,一般属β消除反应。 2.2 卤代烃消除反应的3种机理 根据消除反应所涉及的机理可将其分为单分子消除反应(E1)、双分子消除反应(E2)和单分子共轭碱消除反应(E1cb)[4~8]。 2.2.1 单分子消除

亲核取代反应及其影响因素

亲核取代反应及其影响因素 航03班 林三春 2010011556 摘要: 本文分为四部分。第一部分论述了亲核取代反应的组成部分:亲核试剂、离去基团、反应底物,特地列出了常见的亲核试剂、常见的离去基团。第二部分论述了亲核取代反应机理,主要论述了四种:SN1、SN2、离子对机理和邻近基团参与机理,其中还包括各种机理的实验现象验证,以及对反应产物的影响,如对构型的影响。第三部分论述了亲核反应的影响因素,主要有烃基、离去基团、溶剂和亲核试剂四种,详细地说明了这四种因素如何影响反应。给出了判断离去基团的好坏,以及比较亲核试剂的亲核性的方法。最后一部分论述了亲和取代反应与消除反应的竞争关系,其中包括SN1与E1竞争,SN2与E2竞争。主要以卤代烃为例阐述的。 在论述的同时,还附有适当的图示,以及实验数据,通过比较等手段,使得论述更加有说服力。 全文通过这四个部分,详细、全面地介绍了亲核取代反应。 正文: 亲核取代反应,简称SN 亲核取代反应,通常发生在带有正电或部分正电荷的碳上,碳原子被带有负电或部分负电的亲核试剂(Nu:-)进攻而取代。 一、亲核取代反应的重要组成成分: 亲核取代反应中涉及到的三个重要组成成分为:亲核试剂、离去基团、反应底物。 称为反应底物。进攻反应底物的试剂CH30Na (或 CH3O —)是带着电子对与碳原子结合成键的,它本身具有亲核性,称为亲核试剂,一般用Nu 表示。这类反应之所以称为亲核取代也正是因为它是由亲核试剂进攻反应底物而引起的取代反应。反应底物上的溴原子带着电子对从碳原子上离去,所以Br-;称为离去基团,一般用L 表示。该取代反应是在与溴相连的那个碳原子上进行的,常称该碳原子为中心原子,或反应中心。 .一般的亲核取代反应可以用如下的通式表示: 。其中R —L 为反应底物,L —为离去基团,Nu —为亲核试剂,弯箭头表示电子转移的方向。 1、亲核试剂: 亲核性是指:带负电荷或孤对电子的试剂即亲核试剂对亲电子原子的进攻的能力。 具有亲核性的物质叫做亲核试剂。凡是带有未共享电子对的物质(如Lewis 碱)都具有一定的亲核性,它们都可能作为亲核试剂。亲核试剂可以是中性分子,也可以是带负电的阴离子。下表列出的是亲核取代反应中常见的一些亲核试剂:

烃和卤代烃的方程式

《烃和卤代烃》化学方程式书写 一、烷烃 1、甲烷的燃烧: 2、甲烷的取代反应(一氯取代): 3、乙烷的一氯取代反应: 4、烷烃的燃烧: 二、烯烃 1、烯烃的燃烧: 2、乙烯的加成反应 (1)与溴加成: (2)与H2加成: (3)与HX加成: (4)与水加成: 3、乙烯的加聚反应: *4、1,3-丁二烯与氯气加成 (1)完全加成: (2)1,2-加成: (3)1,4-加成: 三、炔烃 1、乙炔的实验室制法:

2、乙炔与溴的加成反应: 3、乙炔与HCl的加成: 4、炔烃的燃烧: 四、芳香烃 1、苯与溴的卤代反应: 2、苯的硝化反应: 3、苯的加成反应: 4、甲苯与溴的卤代反应:(1)取代在侧链: (2)取代在苯环邻位:(3)取代在苯环对位:(4)三取代: 5、甲苯的硝化反应:(1)取代在苯环邻位:(2)代在苯环对位:(3)三取代: 6、甲苯与H2的加成反应: 五、卤代烃 1、溴乙烷的取代反应: 2、溴乙烷的消去反应:

《烃和卤代烃》化学方程式书写 一、烷烃 1、甲烷的燃烧: 2、甲烷的取代反应(一氯取代): CH 4+Cl 2CH 3Cl+HCl 3、乙烷的一氯取代反应: CH 3CH 3+Cl 2CH 3 CH 2Cl+HCl 4、烷烃的燃烧: 二、烯烃 1、烯烃的燃烧: 2、乙烯的加成反应 (1)与溴加成: CH 4 + 2O CO 2 + 2H 2O 燃烧 CH 2=CH 2 + Br 2 CH 2BrCH 2Br C n H 2n+2 + O 2 n CO 2 + (n + 1)H 2O 3n+1 2 燃烧

(2)与H 2加成: (3)与HX 加成: (4)与水加成: 3、乙烯的加聚反应: 4、 1,3-丁二烯与氯气加成 (1)完全加成: (2)1,2-加成: (3)1,4-加成: 三、炔烃 CH 3CH=CH 2 + H 2 CH 3CH 2CH 3 催化剂 CH 2=CH 2 + HCl CH 3CH 2Cl 催化剂 ―CH 2―CH 2― n n CH 2=CH 催化剂Cl Cl + Cl 2催化剂 Cl + Cl 2催化剂 Cl Cl + 2Cl 2催化剂Cl Cl Cl

高中化学卤代烃知识点

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第二章 卤代烃 一.卤代烃的结构特点:卤素原子是卤代烃的官能团。C —X 之间的共用电子对偏向X , 形成一个极性较强的共价键,分子中C —X 键易断裂。 二.卤代烃的物理性质 (1)溶解性:不溶于水,易溶于大多数有机溶剂。 (2)状态、密度:CH 3Cl 常温下呈气态,C 2H 5Br 、CH 2Cl 2、CHCl 3、CCl 4常温下呈液态且密度> 1 g/cm 3。 三.卤代烃的化学性质(以CH 3CH 2Br 为例) 1.取代反应 ①条件:强碱的水溶液,加热 ②化学方程式为: 2.消去反应 (1)实质:从分子中相邻的两个碳原子上脱去一个卤化氢分子,从而形 成不饱和化合物。 例如: CH 3CH 2Cl : +NaOH ――→醇 △NaCl +CH 2===CH↑+H 2O (2)卤代烃的消去反应规律 ①没有邻位碳原子的卤代烃不能发生消去反应,如CH 3Br 。 ②有邻位碳原子,但邻位碳原子上不存在氢原子的卤代烃也不能发生 消去反应。例如: 。 ③有两个相邻碳原子,且碳原子上均带有氢原子时,发生消去反应可能 生成不同的产物。例:

CH 3—CH===CH —CH 3+NaCl +H 2O (3)二元卤代烃发生消去反应时要比一元卤代烃困难些。有些二元卤代烃发生消去反应后可在有机物中引入三键。例如:CH 3—CH 2—CHCl 2+ 2NaOH ――→醇 △CH 3—C≡CH+2NaCl +2H 2O 的消去反应可在碳链上引入碳碳双键或碳碳三键。 五.检验卤代烃分子中卤素的方法(X 表示卤素原子) 1.实验原理 R —X +H 2O ――→NaOH △R —OH +HX HX +NaOH===NaX +H 2O HNO 3+NaOH===NaNO 3+H 2O AgNO 3+NaX===AgX↓+NaNO 3 根据沉淀(AgX)的颜色可确定卤素:AgCl(白色)、AgBr(浅黄色)、AgI(黄色)。 2.实验步骤 (1)取少量卤代烃;(2)加入NaOH 水溶液;(3)加热;(4)冷却;(5)加入稀HNO 3酸化; (6)加入AgNO 3溶液,观察沉淀的颜色。 即RX ――→加NaOH 水溶液△ R —OH NaX ――→加稀HNO 3酸化R —OH HX ――→加AgNO 3 溶液????? 若产生白色沉淀,卤原子为氯原子若产生浅黄色沉淀,卤原子为溴原子 若产生黄色沉淀,卤原子为碘原子

卤代烃亲核取代和消除反应机理

亲核取代反应历程 卤代烃的亲核取代反应是一类重要反应,由于这类反应可用于各种官能团的转变,在有机合成中具有广泛的用途,因此,对其反应历程的研究也就比较重要。在亲核取代反应中,研究最多的是卤代烃的水解,在反应的动力学、立体化学,以及卤代物的结构,溶剂等对反应速率的影响等都有不少的资料。根据化学动力学的研究及许多实验表明,卤代烃的亲核取代反应是按两种历程进行的,即双分子亲核取代反应(S N 2反应)和单分子亲核取代反应(S N 1反应)。 一、双分子亲核取代反应(S N 2反应) 实验证明:伯卤代烃的水解反应为S N 2历程。RCH 2Br+OH -→RCH 2OH+Br -,v =k [RCH 2Br]·[OH -],v 为水解速率,k 为水解常数。因为RCH 2Br 的水解速率与RCH 2Br 和OH -的浓度有关,所以叫做 双分子亲核取代反应(S N 2反应)。 1.S N 2反应机理:亲核试剂(Nu -)从离去基团(L)的背面进攻中心碳原子。当亲核试剂与中心碳原子之间逐渐成键时,离去基团与中心碳原子之间的键逐渐断裂,新键的形成和旧键的断裂是同步进行的协同过程,其反应过程如下所示。 反应物(sp 3) 过渡态(sp 2) 产物(sp 3) 2.S N 2反应的能量变化,可用反应进程-势能曲线图表示如下: S N 2反应进程中的能量变化 3.S N 2反应的立体化学:背面进攻和构型翻转。 (1)背面进攻反应:在S N 2反应中,亲核试剂Nu -可以从离去基团的同一边或离去基团的背面进攻中心碳原子(C δ+)。若从离去基团的同一边进攻,则亲核试剂与带负电荷的离去基团(L δ-)之间,除空间障碍外,还因同种电荷相互排斥使反应活化能升高,不利于反应的进行。若从离去基团的背面进攻,则反应活化能较低,容易形成相对较稳定的过渡态,反应易于进行。 (2)构型翻转:在S N 2反应中,中心碳原子由反应底物时的sp 3杂化转变为过渡态时的 sp 2杂化, 这时亲核试剂与离去基团分布在中心碳原子的两边,且与中心碳原子处在同一直线上,中心碳原 C δδNu C + L - δδNu C + L δδNu C + L -Nu

高中选修5卤代烃知识点

高中选修5卤代烃知识点 一、溴乙烷 1.分子结构 2.物理性质 纯净的溴乙烷是无色液体,沸点为38.4 ℃,密度比水大,难溶于水,易溶于乙醇等有机溶剂。 3.化学性质 (1)取代反应(水解反应)

由实验可知 ①溴乙烷与氢氧化钠溶液共热时断裂的是C—Br键,水中的羟基与碳原子形成C—O键,断下的Br与水中的H结合成HBr。 ②溴乙烷与NaOH溶液共热反应的化学方程式为: 反应类型为:取代反应。 (2)消去反应 由实验可知: ①溴乙烷与氢氧化钠溶液共热反应后,化学方程式为: ②消去反应:有机化合物在一定条件下,从一个分子中脱去一个或几个小分子(如H2O、HX等),而生成含不饱和键化合物的反应。 (1)由溴乙烷的结构认识其水解反应与消去反应 溴乙烷分子结构为

①在强碱的水溶液中,在b处断键,发生取代(水解)反应。 ②在强碱的醇溶液中,在a、b处断键,发生消去反应。 ③条件不同,其断键位置不同。 (2)消去反应的特点 ①从反应机理看:消去反应是从相邻的两个碳原子上脱去一个小分子,相邻的两个碳原子各断一个化学键。 ②从产物看:消去反应的产物中一定有不饱和产物和一个或几个小分子。二、卤代烃 1.概念与分类 (1)概念: 烃分子中的氢原子被卤素原子取代后生成的化合物。 (2)分类: ①按分子中卤素原子个数分:一卤代烃和多卤代烃。

②按所含卤素原子种类分:氟代烃、氯代烃、溴代烃、碘代烃。 ③按烃基种类分:饱和卤代烃和不饱和卤代烃。 ④按是否含苯环分:脂肪卤代烃和芳香卤代烃。 2.物理性质 常温下,卤代烃中除少数为气体外,大多为液体或固体,卤代烃不溶于水,可溶于大多数有机溶剂。某些卤代烃本身就是很好的有机溶剂。 3.化学性质 (1)取代反应(水解反应) (2)消去反应 4.卤代烃中卤素原子的检验 (1)实验流程

高中化学:卤代烃知识点

高中化学:卤代烃知识点 一、溴乙烷 1.分子结构 2.物理性质 纯净的溴乙烷是无色液体,沸点为38.4 ℃,密度比水大,难溶于水,易溶于乙醇等有机溶剂。 3.化学性质 (1)取代反应(水解反应) 由实验可知 ①溴乙烷与氢氧化钠溶液共热时断裂的是C—Br键,水中的羟基与碳原子形成C—O键,断下的Br与水中的H结合成HBr。 ②溴乙烷与NaOH溶液共热反应的化学方程式为: 反应类型为:取代反应。 (2)消去反应

由实验可知: ①溴乙烷与氢氧化钠溶液共热反应后,化学方程式为: ②消去反应:有机化合物在一定条件下,从一个分子中脱去一个或几个小分子(如H2O、HX等),而生成含不饱和键化合物的反应。 (1)由溴乙烷的结构认识其水解反应与消去反应 溴乙烷分子结构为 ①在强碱的水溶液中,在b处断键,发生取代(水解)反应。 ②在强碱的醇溶液中,在a、b处断键,发生消去反应。 ③条件不同,其断键位置不同。 (2)消去反应的特点 ①从反应机理看:消去反应是从相邻的两个碳原子上脱去一个小分子,相邻的两个碳原子各断一个化学键。 ②从产物看:消去反应的产物中一定有不饱和产物和一个或几个小分子。 二、卤代烃 1.概念与分类 (1)概念: 烃分子中的氢原子被卤素原子取代后生成的化合物。 (2)分类: ①按分子中卤素原子个数分:一卤代烃和多卤代烃。 ②按所含卤素原子种类分:氟代烃、氯代烃、溴代烃、碘代烃。 ③按烃基种类分:饱和卤代烃和不饱和卤代烃。 ④按是否含苯环分:脂肪卤代烃和芳香卤代烃。 2.物理性质 常温下,卤代烃中除少数为气体外,大多为液体或固体,卤代烃不溶于水,可溶于大多数有机溶剂。某些卤代烃本身就是很好的有机溶剂。 3.化学性质

卤代烃练习题

(时间:30分钟) 考查点一卤代烃的性质及应用 1.下列物质中,不属于卤代烃的是()。 A.CH2Cl2 B.CCl2F2 D.CH3COCl 解析卤代烃是卤素原子取代了烃分子中的氢原子,卤代烃中含有碳、氢和卤素原子,也可不含氢原子,但不能含有其他元素的原子。 答案 D 2.为了使氯乙烷的水解反应进行比较完全,水解时需加入()。 A.NaCl B.NaHSO4C.NaOH D.乙醇 解析卤代烃水解的条件为NaOH水溶液、加热。 答案 C 3.下列关于卤代烃的叙述中正确的是()。 A.所有卤代烃都是难溶于水,密度比水小的液体 B.所有卤代烃在适当条件下都能发生消去反应 C.所有卤代烃都含有卤原子 D.所有卤代烃都是通过取代反应制得的 解析A有的是气体;B有的不能如CH3Cl;D有的可以通过加成制得。 答案 C 4.以溴乙烷为原料制取1,2-二溴乙烷,下列转化方案中最好的是()。

解析在有机物的制备反应中,应尽量选择步骤少、产率高、副反应少的合成路线。对此题而言,选择加成反应比取代反应要好得多,而使用加成反应,必须先发生消去反应生成不饱和烃,显然D的步骤较少,最后产率也较高。 答案 D 5.为了保护臭氧层,可采取的有效措施是()。 A.减少二氧化硫的排放量 B.减少含铅废气的排放量 C.减少氟氯烃的排放量 D.减少二氧化碳的排放量 解析氟氯烃、氮的氧化物是破坏臭氧层的主要物质。 答案 C 6.下列物质分别与NaOH的醇溶液共热后,能发生消去反应,且生成的有机物 不存在同分异构体的是()。 连有0氢原子;C中无β碳原子,A中的β碳原子上没有氢原子,所以A、C都

卤代烷的消除反应(A)

教学目标:掌握卤代烷的消除反应机理、立体化学、反应取向及影响因素。 教学重点:消除反应机理,反应取向——Saytzeff 规则。 教学安排:H ,H5—>H6;40min 3,H4 卤代烷不仅能发生S N反应,还可以发生消除反应。卤代烷分子中消去卤化氢生成烯烃常称为消除反应(Elimination)用E 表示。由于卤代烷中C-X 键有极性,卤素的诱导作用可通过α 碳传递到β 碳上,致使β-H 原子有一定的“酸性”;在碱的作用下卤代烷易于消去β-H 和卤原子,称为β-消除;这种消除反应是烯烃的一种制备方法。如: 与卤代烷的S N反应相似,卤代烷在发生消除反应时,也有双分子和单分子消除机理,分别记为E2 和E1。 一.双分子消除反应(E2) 1.E2反应机理 在卤代烷的双分子消除反应机理中,反应是一步完成的,其反应速率与反应物和亲核试剂的浓度成正比,故称为双分子消除反应机理。记为E2。反应的动力学方程为: 在反应过程中,碱对卤代烷的β-H 进攻,同时C-X 键开始发生异裂,在达到过渡态时,Cβ-H 键和Cα-H 键都达到了高度的异裂活化状态,此时Cβ-Cα之间已有了部分双键的性质,这两个而原子已有部分sp2杂化的特性。这时反应体系处于最高能量水平,随着反应的时行,β-H 完全成碱结合,卤负离子彻底离去,最终生成了烯烃。 2.立体化学 实验表明,在按E2 机理进行的消除反应中,一般发生反式消除即卤原子与β-H 在σ 键的两侧(异侧)被消除。 β-H 与X 处于反式共平面能量低:观看动画

例: 二.单分子消除反应(E1) E1 反应与S N1 反应有相似的机理,反应也是分两步进行。首先卤代烷在碱性水溶液中解离为碳正离子,随后OH-若进攻碳正离子的中心碳原子,则生成取代产物;若进攻β- 氢原子则发生消除反应生成烯烃。两者也是相伴而生。E1 消除反应的机理可表示如下(以叔丁基卤为例): 第一步是慢步骤,第二步是快的,即反应速度取决于卤代烷的浓度,反应的动力学方程为:υ=k[RX],故这种反应机理称为单分子消除反应机理。 与S N1 反应相似,E1 反应也常常发生重排反应,例如: 三.消除反应的取向 当卤代烷含有两个或两个以上不同的β- 氢原子可供消除时,究竟哪一个氢原子被消除呢?这就是取向问题。实验证明,卤代烷脱卤化氢时,氢原子主要从含氢较小的相邻碳原子(β- 碳原子)上脱去。换言之,主要生成双键碳原子上连有较多取代基的烯烃。这是一条经验规律,称为Saytzeff 规则,这种消除取向称为Saytzeff 取向。反之,生成双键碳原子上连有较少取代基的烯烃,则为Hofmann 取向。例如:

卤代烃的消去反应

卤代烃的消去反应 教学目标:1记住卤代烃发生消去反应的条件,会书写卤代烃消去反应的化学方程式。 2初步认识卤代烃发生消去反应的机理,会判断哪类卤代烃能发生取代反应,哪类不能。 3能区分取代反应和消去反应的反应条件,能认识取代反应和消去反应的键的断裂方式。 4初步认识卤代烃的两个性质是有机物引入多个官能团的桥梁。 教学重点:卤代烃的消去反应 教学难点:卤代烃发生消去反应的机理 教学方法:讲练结合 教学过程: 环节一:作业检测与复习引入 发小片了测试,选取5位学生上黑板完成,老师学生共同评价并给出分数。 1.写出的化学式为:__________。它的一氯代物有几种? CH3 2.写出的化学式为:__________。它的一氯代物有几种? CH3 3.上述两种物质它们是苯的同系物吗?为什么? 是芳香烃吗?为什么? 4.写出溴乙烷与氢氧化钠的水溶液共热的反应方程式 5.写出一溴丙烷与氢氧化钠水溶液共热的反应方程式 6.画出实验室制取溴苯的装置图 环节二:卤代烃的消去反应的化学方程式 设问:卤代烃发生水解反应的条件是什么?是什么键断裂发生反应的呢? 学生:与氢氧化钠的水溶液共热,是卤代烃中的碳卤键断开发生取代反应的。 设问:卤代烃与氢氧化钠的乙醇溶液共热会发生什么反应呢? 探究:1已知有一种气体生成且能使酸性高锰酸钾褪色也能使溴的四氯化碳褪色 学生:乙烯或乙炔 探究:2点燃气体有黑烟且火焰较明亮 学生:生成乙烯

探究:3试写出反应的化学方程式 环节三:消去反应的机理: 探究:4如何从微观角度来分析卤代烃发生的消去反应呢? 学生:碳溴键断裂,邻碳上的碳氢键断裂生成溴化氢和乙烯,溴化氢与氢氧化钠反应生成溴化钠和水。 练习:分别写出2-溴丙烷、2-溴丁烷发生消去反应的化学方程式。CH3CHBrCH3+NaOH → CH3CH=CH2↑+NaBr+H2O 设问:一氯甲烷能发生消去反应吗?2,2-二甲基-1-丙烯能发生消去反应吗? 学生:不能 探究:5能发生消去反应的卤代烃的条件 学生:至少有两个碳且相邻碳上必须有氢。 环节四:溴乙烷消去反应的实验与产物验证 探究:6反应装置与检验试剂 学生:液液加热装置,溴水或酸性高锰酸钾 设问:若用酸性高锰酸钾检验乙烯,为什么前面加一个盛有水的试管 学生:吸收挥发出的乙醇 环节五:练习与提高 1.比较溴乙烷的取代反应和消去反应,3分钟完成下表。 2.分别写出1-溴丙烷和1-溴丁烷水解反应和消去反应的化学方程式

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