鹵素置換反應(yīng)課件.ppt

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1、1.6 其 它 官 能 團(tuán) 化 合 物 的 鹵 置 換 反 應(yīng) 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 磺 酸 酯 的 鹵 置 換 反 應(yīng) see 芳 香 重 氮 鹽 化 合 物 的 鹵 置 換 反 應(yīng) see 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 的 定 義 定 義 :有 機(jī) 鹵 化 物 與 無 機(jī) 鹵 化 物 之 間 進(jìn) 行鹵 原 子 交 換 反 應(yīng) ,稱 為 Finkelstein鹵 素 交 換反 應(yīng) ,在 合 成 上 常 常 利 用 來 制 備 某 些 直 接用 鹵 化 方 法 難 以 得 到 的 碘 代 烴 和 氟 代 烴 . RX + X RX + X(X=Cl, Br, X=I

2、 , F, )I-可 以 取 代 Cl-、 Br-;F-也 可 以 取 代 Cl-、 Br-；這 到 底 是 逆 原 子 量 順 序 ， 還是 順 原 子 量 順 序 呢 ？ 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 機(jī) 理 反 應(yīng) 機(jī) 理 :大 多 屬 于 SN2機(jī) 理 RX + X RX + X(X=Cl, Br, X=I , F, )親 核 試 劑 離 去 基 團(tuán) 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 親 核試 劑 的 親 核 能 力 親 核 試 劑 的 親 核 能 力 在 質(zhì) 子 溶 劑 中 ,I-的 親 核 能 力 最 大 ; 在 非 質(zhì) 子 溶 劑 中 ,F-的 親 核 能 力 最

3、 大 . RX + X RX + X(X=Cl, Br, X=F )非 質(zhì) 子 溶 劑 RX + X RX + X(X=Cl, Br, X=I )質(zhì) 子 溶 劑 溶 劑 的 分 類 屬 于 質(zhì) 子 極 性 溶 劑 的 有 :水 、 甲 酸 、 甲 醇 、乙 醇 、 正 丁 醇 、 乙 二 醇 及 其 單 甲 醚 和 單 乙醚 等 ； 屬 于 質(zhì) 子 非 極 性 溶 劑 的 有 ： 乙 酸 、 戊 醇 、乙 二 醇 單 丁 醚 等 ； 屬 于 非 質(zhì) 子 極 性 溶 劑 的 有 ： 二 甲 基 亞 砜 、環(huán) 丁 砜 、 乙 腈 、 DMF、 硝 基 苯 、 N-甲 基吡 咯 烷 酮 、 乙 酐

4、、 丙 酮 等 ； 屬 于 非 質(zhì) 子 非 極 性 溶 劑 的 有 ： 烴 類 、 鹵 代烴 、 醚 類 、 酯 類 、 吡 啶 、 二 硫 化 碳 等 ； 一 些 極 性 非 質(zhì) 子 溶 劑 N-甲 基 吡 咯 烷 酮 環(huán) 丁 砜 在 質(zhì) 子 溶 劑 中 親 核 試 劑 的 親 核 性 鹵 代 烷 不 溶 于 水 ， 而 親 核 試 劑 往 往 是 無 機(jī) 鹽 ， 無機(jī) 鹽 溶 于 水 而 不 溶 或 幾 乎 不 溶 于 非 極 性 有 機(jī) 溶 劑中 ， 要 使 親 核 取 代 反 應(yīng) 在 溶 液 中 進(jìn) 行 ， 常 用 醇 或其 他 溶 液 如 丙 酮 中 加 水 ， 使 兩 者 都 能

5、溶 解 。 在 醇 和 水 這 樣 的 質(zhì) 子 溶 劑 中 ， 親 核 試 劑 與 溶 劑 之間 可 以 形 成 氫 鍵 ， 即 能 發(fā) 生 溶 劑 化 作 用 （ 溶 劑 與分 子 或 離 子 通 過 靜 電 作 用 ） 。 帶 相 同 電 荷 的 原 子 ，體 積 小 的 親 核 試 劑 ， 形 成 氫 鍵 的 能 力 強(qiáng) ， 溶 劑 化作 用 大 ， 這 樣 ， 削 弱 了 親 核 試 劑 與 中 心 碳 原 子 之間 的 作 用 ， 其 親 核 性 受 到 溶 劑 的 抑 制 最 為 顯 著 ，而 象 I -這 樣 體 積 較 大 的 試 劑 ， 被 溶 劑 化 較 小 ， 故 表現(xiàn)

6、出 強(qiáng) 的 親 核 性 能 。 在 質(zhì) 子 溶 劑 中 親 核 試 劑 的 親 核 性Br親 核 性 ： I- r-Cl- 在 非 質(zhì) 子 溶 劑 中 親 核 試 劑 的 親 核 性 順 序 在 非 質(zhì) 子 溶 劑 （ DMSO,DMF)中 ,親核 性 為 ： F- Cl- Br- I-.這 是 因?yàn)?非 質(zhì) 子 溶 劑 分 子 的 負(fù) 電 荷 裸 露 在外 ， 正 電 荷 被 掩 蔽 ， 它 易 溶 劑 化 正離 子 ， 而 不 易 溶 劑 化 親 核 試 劑 負(fù) 離子 。 這 樣 的 負(fù) 離 子 是 “ 赤 裸 裸 ” 的 ，有 較 大 的 親 核 性 。 親 核 性 即 親 核 試劑 與

7、 碳 原 子 結(jié) 合 的 能 力 。 F-與 碳 為同 周 期 ， 軌 道 大 小 相 近 、 重 疊 好 ，F(xiàn)-C鍵 能 大 ， 故 在 非 質(zhì) 子 溶 劑 中 F-的親 核 性 最 大 。 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 溶 劑 對 反 應(yīng) 歷 程 SN1的 影 響 過 渡 態(tài) 的 極 性 大 于 反 應(yīng) 物 ， 因 此 ， 極 性 大的 溶 劑 對 過 渡 態(tài) 溶 劑 化 的 力 量 也 大 于 反 應(yīng)物 ， 這 樣 溶 劑 化 釋 放 的 能 量 也 大 ， 所 以 離解 就 能 很 快 地 進(jìn) 行 。 增 加 溶 劑 的 極 性 能 夠加 速 鹵 代 烷 的 離 解 ， 對

8、SN1歷 程 有 利 。 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 溶 劑 對 反 應(yīng) 歷 程 SN2的 影 響 親 核 試 劑 電 荷 比 較 集 中 ， 而 過 渡 態(tài) 的 電荷 比 較 分 散 ， 也 就 是 過 渡 態(tài) 的 極 性 不 及親 核 試 劑 ， 因 此 ， 增 加 溶 劑 的 極 性 ， 反而 使 極 性 大 的 親 核 試 劑 溶 劑 化 ， 而 對 SN2過 渡 態(tài) 的 形 成 不 利 。 因 此 ， 在 SN2歷 程 中增 加 溶 劑 的 極 性 一 般 對 反 應(yīng) 不 利 。 極 性小 的 溶 劑 對 SN2有 利 。 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 溶 劑

9、對 反 應(yīng)歷 程 的 影 響 的 一 般 規(guī) 律 1 一 般 來 說 ， 在 極 性 不 太 弱 的 溶 劑 （ 如 含 水 乙 醇 ） 中 ， 叔鹵 代 烴 的 取 代 反 應(yīng) 是 按 SN1歷 程 進(jìn) 行 。 在 極 性 不 太 強(qiáng) 的 溶 劑 （ 乙 醇 ） 中 ， 伯 鹵 代 烴的 取 代 反 應(yīng) 是 按 SN2進(jìn) 行 。 仲 鹵 代 烴 的 取 代 反 應(yīng) 則 按 兩 種 歷 程 進(jìn) 行 ,通常 是 以 S N2為 主 。 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 溶 劑 對 反 應(yīng) 歷 程的 影 響 的 一 般 規(guī) 律 2 改 變 溶 劑 的 極 性 和 溶 劑 化 的 能 力 ，

10、常 可改 變 反 應(yīng) 歷 程 。 在 極 性 很 大 的 溶 劑 （ 甲 酸 ） 中 ， 伯 鹵 代 烷 也按 SN1。 在 極 性 小 的 非 質(zhì) 子 性 溶 劑 中 （ 無 水 丙 酮 ， 介電 常 數(shù) 21） 中 ， 叔 鹵 代 烴 也 可 按 SN2進(jìn) 行 。（ 徐 積 功 有 機(jī) 化 學(xué) P166） 如 ： C 6H5CH2Cl水 解 的 反 應(yīng) ， 在 水 中 按 SN1歷程 ， 在 極 性 較 小 的 丙 酮 中 則 按 SN2歷 程 進(jìn) 行 。 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 溶 劑 的 選 擇 DMF、 丙 酮 、 四 氯 化 碳 、 二 硫 化 碳 、 丁 酮 ，

11、它們 均 為 非 質(zhì) 子 溶 劑 。 溶 劑 的 選 擇 要 有 利 于 無 機(jī) 鹵 化 物 在 其 中 的 溶 解度 大 ， 但 生 成 的 無 機(jī) 鹵 化 物 的 溶 解 度 小 或 幾 乎不 溶 ， 這 樣 可 使 鹵 素 鹵 素 置 換 反 應(yīng) 完 全 。 NaI/acetoneRCl/RBr RI + NaCl(NaBr)NaF、 NaCl、 NaBr、 NaI在 丙 酮 中 的 溶 解 度 （ g/100g） 分 別 為1.010-4,3.010-5,0.008,26; 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 鹵 代 烴 的 活性 順 序 由 于 大 多 數(shù) 為 SN2， 親 核

12、試 劑 是 從 離 去 基團(tuán) 的 背 面 進(jìn) 攻 碳 原 子 的 ， 烷 基 的 結(jié) 構(gòu) 如能 對 親 核 試 劑 的 接 近 起 阻 礙 作 用 ， 反 應(yīng)速 度 就 會 慢 。 所 以 活 性 順 序 為 ： 伯 鹵 烷 仲 鹵 烷 叔 鹵 烷 。 而 對 于 SN1機(jī) 理 的 取 代 ， 活 性 順 序 則 相 反 ： 叔 鹵 烷 仲 鹵 烷 伯 鹵 烷 。 因 為 決 定 S N1反 應(yīng)速 度 的 一 步 是 正 碳 離 子 的 形 成 ， 正 碳 離 子 越穩(wěn) 定 ， 越 活 躍 。 碘 化 物 (MI)與 氯 (溴 )代 烴 (RCl(Br)的 交 換 碘 化 物 與 氯 （ 溴

13、） 代 烴 的 交 換 碘 代 烴 很 活 潑 ， 常 作 為 藥 物 合 成 的 中 間 體 ， 某 些碘 化 物 本 身 就 是 藥 物 ， 但 碘 代 烴 往 往 難 于 通 過 加成 、 取 代 等 反 應(yīng) 獲 得 ， 所 以 通 過 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 是制 備 碘 代 烴 類 化 合 物 的 重 要 途 徑 。 常 用 的 無 機(jī) 碘 化 物 有 ： 碘 化 鈉 、 碘 化 鉀 催 化 劑 ： Lewis酸 及 某 些 金 屬 催 化 劑 。 碘 化 物 (MI)與 氯 (溴 )代 烴 (RCl(Br)的 交 換 實(shí) 例 Cl NO2 NO2 I NO2 NO2NaI / DM

14、F ,15min 142(70%)相 轉(zhuǎn) 移 催 化 在 芳 香 氟 化 反 應(yīng) 中 的 應(yīng) 用 碘 化 物 (MI)與 氯 (溴 )代 烴 (RCl(Br)的 交 換 實(shí) 例 HBr / FeBr3CH2Cl2 , 25 C 143a,b Ph Br Ph IKI /CuI /HMPT120 C ,10 h 143c(85%) Cl Br (99%)HBr / FeBr3CH2Cl2 , 25 C 143a,b Ph Br Ph IKI /CuI /HMPT120 C ,10 h 143c(85%) Cl Br (99%) 路 易 斯 酸 催 化亞 銅 鹽 催 化鹵 代 烯 烴 分 為 三

15、類 ： 1.鹵 素 原 子 與 雙 鍵 間 隔 兩 個(gè) 以 上 碳 原 子 ，與 鹵 烷 中 的 鹵 原 子 活 性 相 同 。 2.鹵 素 原 子 與 烯 丙 位 相 連 ， 活 潑 ，很 容 易 發(fā) 生 親 核 取 代 ； 3.鹵 素 原 子 與 雙 鍵 碳 原 子 相 連 ， 形 成 p-共 軛 體 系 ,很 不 活 潑 ， 需 要 一 些 過 渡 金 屬 催 化 劑 。 用 鎳 或 含 結(jié) 晶 水 的 二 溴 化 鎳 與 鋅 粉 的 混 合 物 可 催 化 溴 /碘 和 氯 /碘 交換 反 應(yīng) ， 由 此 可 以 制 備 某 些 用 其 它 方 法 難 以 得 到 的 碘 代 烷 。M

16、e Br Me I1)KI /Ni /DMF /150 ,24h 2)3%HCl 144(86%) Cl INiBr2 3H2O /Zn粉NaI /DMF /150 145 碘 化 物 (MI)與 氯 (溴 )代 烴 (RCl(Br)的 交 換 實(shí) 例 氟 化 物 (MF)與 氯 (溴 )代 烴 (RCl(Br)的 交 換 雖 然 氟 化 物 一 般 不 作 為 藥 物 合 成 的 中 間 體 ， 但是 一 些 氟 化 物 具 有 特 殊 的 生 理 活 性 ， 近 年 來 含氟 藥 物 發(fā) 展 很 快 ， 通 過 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 是 制 備 有機(jī) 氟 化 物 的 重 要 途 徑 。

17、常 用 的 氟 化 劑 ： 有 氟 化 鉀 、 三 氟 化 銻 、 五 氟 化 銻 、 氟 化 銀 等 ， 其 中氟 化 鉀 和 氟 化 銻 應(yīng) 用 最 廣 。 see 三 氟 化 銻 、 五 氟 化 銻 均 能 選 擇 性 地 作 用 于 同 一 碳 原子 上 的 多 鹵 原 子 ， 而 不 與 單 鹵 原 子 發(fā) 生 交 換 .利 用 這一 性 質(zhì) ， 常 可 將 脂 肪 鏈 或 芳 環(huán) 上 的 三 鹵 甲 基 有 效 地轉(zhuǎn) 化 成 三 氟 甲 基 ， 該 法 常 用 于 制 備 某 些 三 氟 甲 基 的藥 物 。 n- C8H17Cl n- C8H17FKF /Bu4NBr 147a(

18、69%) PhCH2Br PhCH2FKF-CaF2 (1 : 2 )CH3CN/reflux , 15h (81%)147b Br3C NO2 F3CSbF3 55 melt (90%)148NO2怎 樣 獲 得 該 化 合物 呢 ？ 氟 化 物 (MF)與 氯 (溴 )代 烴 (RCl(Br)的 交 換 實(shí) 例 n-C7H15CH2Fn- C7H15CH2Br 18-croarn-6 / KFPhH /25 149(92%) 在 氟 交 換 反 應(yīng) 中 還 常 加 入 相 轉(zhuǎn) 移 催 化 劑 ， 如 季 銨 鹽 、 冠 醚 等 ，它 們 可 增 加 堿 金 屬 鹵 化 物 在 非 極 性

19、溶 劑 中 的 溶 解 度 ， 從 而 促 進(jìn) 反 應(yīng)的 進(jìn) 行 。氟 化 物 (MF)與 氯 (溴 )代 烴 (RCl(Br)的 交 換 實(shí) 例 相 轉(zhuǎn) 移 催 化 條 件 下相 轉(zhuǎn) 移 催 化 在 芳 香 氟 化 反 應(yīng) 中 的 應(yīng) 用 .化 工 生 產(chǎn) 與 技 術(shù) ， 2003,10(2):1-4 相 轉(zhuǎn) 移 催 化 劑 有 助 于 KF溶 于 有 機(jī) 溶 劑 鹵 化 物 的 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 需 要 注 意 的 問 題 需 要 注 意 的 問 題 ： 制 取 氟 代 烴 必 須 選 用 耐腐 蝕 材 料 做 反 應(yīng) 器 ， 如 不 銹 鋼 、 鎳 、 聚 乙烯 等 ； 操 作 中

20、 要 注 意 環(huán) 境 的 通 風(fēng) 、 并 加 強(qiáng)防 毒 、 防 腐 蝕 等 措 施 ； 副 反 應(yīng) ： 在 鹵 素 交 換 反 應(yīng) 中 常 見 的 為 消 除反 應(yīng) ， 尤 其 是 在 叔 鹵 代 烴 的 鹵 交 換 反 應(yīng) 中常 因 易 形 成 穩(wěn) 定 的 碳 正 離 子 而 傾 向 于 發(fā) 生消 除 ， 從 而 收 率 降 低 。 磺 酸 酯 的 鹵 置 換 反 應(yīng) 為 避 免 醇 羥 基 在 直 接 鹵 置 換 反 應(yīng) 中 可 能 產(chǎn) 生 的副 反 應(yīng) ， 可 先 將 醇 用 磺 酰 氯 轉(zhuǎn) 化 成 相 應(yīng) 的 磺 酸酯 ， 再 與 親 核 性 鹵 化 劑 反 應(yīng) ， 生 成 所 需 的

21、 鹵 代烴 。 由 于 磺 酰 氯 及 其 酯 的 活 性 大 ， 磺 酰 化 和 鹵置 換 反 應(yīng) 均 在 較 溫 和 的 條 件 下 進(jìn) 行 ， 且 常 比 鹵素 交 換 反 應(yīng) 更 有 效 。 。 常 用 的 鹵 化 鈉 、 鹵 化 鉀 、 鹵 化 鋰 、 鹵 化 鎂 等 。 反 應(yīng) 溶 劑 為 丙 酮 、 醇 和 DMF等 極 性 溶 劑 。 TsOCH2 CH2OTs CH2OTsTsOCH2BrCH 2 BrCH2 CH2Br CH2Br CH2I CH2I CH2I CH2INaI/Me2CO ,4h NaI/Me2CO (95%) , 90h(63%) 152 OTs IMgI

22、2 / Et3NCH 3CN / 120 , 60h 153 磺 酸 酯 的 鹵 置 換 反 應(yīng) 實(shí) 例 芳 香 重 氮 鹽 化 合 物 的 鹵 置 換 反 應(yīng) 該 反 應(yīng) 的 必 要 性 ： 以 芳 胺 為 原 料 ， 經(jīng) 過 重 氮 化 ，然 后 進(jìn) 行 鹵 置 換 反 應(yīng) ， 可 將 鹵 素 原 子 引 入 到 直接 用 鹵 代 反 應(yīng) 難 以 引 入 的 芳 烴 位 置 上 ， 這 個(gè) 反應(yīng) 是 制 備 鹵 代 芳 烴 的 重 要 補(bǔ) 充 形 式 ， 特 別 是 在氟 代 芳 烴 、 碘 代 芳 烴 的 制 備 上 應(yīng) 用 更 廣 。 Sandmeyer反 應(yīng) ： 芳 香 重 氮 鹽

23、在 氯 化 亞 銅 或 溴化 亞 銅 催 化 下 ， 重 氮 基 被 置 換 成 氯 、 溴 和 氰 基的 轉(zhuǎn) 化 反 應(yīng) 稱 為 Sandmeyer反 應(yīng) 。 ArN2 X HX / CuX ArX + N2 Sandmeyer反 應(yīng) 機(jī) 理可 見 Cu 2Cl2前 一 步 提 供 電 子 ， 為 還 原 劑 ；后 一 步 CuCl2為 氧 化 劑 。 用 亞 硝 酸 鈉 和 無機(jī) 酸 是 常 用 的 制備 芳 香 重 氮 鹽 的廉 價(jià) 試 劑 芳 香 重 氮 鹽 化 合 物 的 鹵 置 換 反 應(yīng) 氯 置 換 實(shí) 例NH2O 2N NO2 H2N NO2 Cl NO2 ClO2N NO21

24、)NaNO2/H2SO4/40 , 0.5h2)CuCl/HCl/80 , 20min t- BuSNO/CuCl2CH3CN 154(74%) 155(98%) N2 II2DMSO (90%) 156 在 芳 香 重 氮 鹽 的 碘 置 換 反 應(yīng)中 可 不 必 加 入 銅 鹽 ， 只 需 將 重 氮鹽 和 碘 化 鉀 或 碘 素 直 接 加 熱 反 應(yīng)即 能 制 得 碘 代 烴 。 碘 為 還 原 劑 。 芳 香 重 氮 鹽 化 合 物 的 鹵 置 換 反 應(yīng) 碘 置 換 實(shí) 例 NH2 OMe NH2 HO F HO N2 PF6 OMe 1)NaNO2/HCl/H2O 2)65%HP

25、F6 (97%) F OMe 120 C (60%) 1)56%HBF4/NaNO2/H2O/0 C 2)CuCl/80 90C, 2h (71%) 158 當(dāng) 采 用 Sandmeyer反 應(yīng) 來 制 備 氟 代 芳 烴 時(shí) ， 因 氟 離 子 的 活 性 ?。?在 水 溶 液 中 ） ， 收 率 不 高 。 將 芳 香 重 氮 鹽 轉(zhuǎn) 化 成 不 溶 性 的 重 氮氟 硼 酸 鹽 或 氟 磷 酸 鹽 ， 或 芳 胺 直 接 用 亞 硝 酸 鈉 和 氟 硼 酸 進(jìn) 行 重 氮化 ， 此 重 氮 鹽 再 經(jīng) 熱 分 解 （ 有 時(shí) 在 氟 化 鈉 或 銅 鹽 存 在 下 加 熱 ） ，就 可

26、以 制 得 較 好 收 率 的 氟 代 芳 烴 ， 此 稱 為 Schiemann反 應(yīng) 。芳 香 重 氮 鹽 化 合 物 的 鹵 置 換 反 應(yīng) 氟 置 換 實(shí) 例 Schiemann反 應(yīng) 機(jī) 理 一 般 認(rèn) 為 是 在 發(fā) 生 重 氮 化 反 應(yīng) 生 成 重 氮 鹽 后 ， 芳 香 重 氮鹽 首 先 分 解 放 出 氮 氣 生 成 苯 正 離 子 ， 然 后 氟 硼 酸 根 離 子（ BF4） 進(jìn) 攻 苯 正 離 子 ， 先 生 成 PhBF4， 然 后 分 解 為 氟苯 。 因 此 這 個(gè) 反 應(yīng) 屬 于 單 分 子 芳 香 親 核 取 代 反 應(yīng)（ SN1Ar） 。 N N B F

27、F F F F + BF3 Schiemann反 應(yīng) 操 作 在 冷 的 芳 基 重 氮 鹽 水 溶 液 中 加 入 氟 硼 酸 （ HBF4）或 氟 硼 酸 鈉 （ NaBF4） 溶 液 ， 立 即 析 出 重 氮 氟硼 酸 鹽 晶 體 。 將 晶 體 濾 出 、 洗 凈 、 充 分 干 燥 后()， 小 心 地 加 熱 ， 即 分 解 放 出 氮 氣 （ N2） 和 三氟 化 硼 （ BF3） 氣 體 ， 得 到 芳 基 氟 （ ArF） 。 優(yōu) 點(diǎn) ： 該 氟 硼 酸 鹽 與 鹽 酸 重 氮 鹽 或 高 氯 酸 重 氮鹽 不 同 ， 在 干 燥 時(shí) 也 比 較 穩(wěn) 定 ， 不 容 易 發(fā) 生 爆炸 ， 只 在 加 熱 時(shí) 分 解 為 氟 化 物 ， 產(chǎn) 率 較 高 。 思 考 的 問 題 制 備 氟 代 化 合 物 有 哪 些 方 法 ？ 制 備 碘 代 化 合 物 有 哪 些 方 法 ？