卤代烃亲核取代和消除、和金属反应

1 六, 卤代烃的亲核取代反应、消除反应及和金属的反应

卤代烃的亲和取代和消除是有机化学中的难点，希望同学们能比较仔细地阅读本部分内容。这里有一些内容和一般的教科书中介绍的有所不同。

6-1 卤代烃的亲核取代反应，SN1和SN2

在有机化学反应中，常常把反应物分为底物和试剂。在讨论卤代烃的反应中，卤代烃就是底物。本节主要讨论卤代烷作为底物的取代反应。

卤代烷就是烷烃中的一个氢为卤素取代的“结构为RX（R=烷基，X=卤素）的化合物，又称为烷基卤[化物]，P5。”取代反应就是“分子中某一原子或基团被另一原子或基团替换的基元或分步反应，P86。”

卤代烷的亲核取代反应就是富电子的或带负电荷的试剂把卤代烃中卤素取代下来的反应。这个反应在合成中非常有用。例如：

RX + Na+ OH  ROH + Na+X

RX + Na+ OR’  ROR’ + Na+X

制醚的重要方法，称为Williamson醚合成法

RX + Na+ CN  RCN + Na+X 制腈的重要方法

RX + Na+ C≡CH  RC≡CH + Na+X 把炔键引入分子

从上面的几个反应来看，钠离子没有在反应中起作用，起作用的是OH、OR、CN、C≡CH等负离子。是这些负离子把卤素负离子取代了下来。在这个反应中卤代烷中的卤素是带着一对电子成为卤素负离子离去的，叫做离去基团。如果把带负电荷的亲核试剂写成Nu 2 而把离去基团写成L。那么卤代烷的亲核取代反应就可以拓展为：

RL + Nu  RNu + L

这实际上可看成是一个广义的酸碱反应。只要是带负电荷的亲核试剂Nu的碱性比取代下来的离去基团L的碱性强，这种反应就能发生。亲核试剂可以是：HO、RO、CN、HC≡C、RCOO、CH3COCHCOOC2H5（以后会知道这就是乙酰乙酸乙酯的合成法）、C2H5OOCCHCOOC2H5（丙二酸二乙酯合成法）……如果把上面的氧原子换成硫原子，又是一批亲核试剂。以后只要找碱性比离去基团负离子的碱性强的亲核试剂，就有可能进行有关的亲核取代反应。（要注意，有时还会发生消除反应。）

离去基团也不限于卤素，对甲苯磺酸根（常简写为TsO），水……都可以作为离去基团，只要离去下来的是很弱的碱就可以了。

在卤代烷的亲核取代反应中，有两种可能，一种是卤代烷先电离，生成碳正离子和卤素负离子。然后碳正离子再和溶剂分子等结合。以叔丁基溴为例，反应如下：

(CH3)3CBr(CH3)3C+Br(CH3)3C+H2O(CH3)3COH2(CH3)3COH H

这个反应是一个两步的反应（最后一步质子可上可下，是一个快速的平衡），这个反应中的第一步是卤代烷的电离，这一步是比较慢的。第二步是碳正离子和水（一个碱）结合，是很快的，对整个反应的速率没有影响。因此，第一步反应是决定反应速率的步骤，叫决速步骤。是这一步反应决定了整个反应的速度。而在这步反应中只涉及 3 到卤代烃的浓度，反应的速率只和卤代烷的浓度有关系，反应速率方程可以表示为：r = k[RX]。这是一个只和一个反应物的浓度成正比的亲核取代反应，就叫一级亲核取代反应，用外文简化表示即SN1。图6-1是卤代烃水解的SN1反应进程图。

反应进程G+H2ORXR+HXROH

图6-1 SN1反应进程图

从图6-1可以看出反应是分为两步的。第一步电离要经过一个能量很高的第一个过渡态，这一步是两步中最慢的。曲线中间的底部是活泼中间体碳正离子，而碳正离子的稳定性顺序是3º > 2º > 1º，这也是它们生成的难易程度。容易生成碳正离子的反应，过渡态的能量就比较低。而第二步碳正离子和溶剂分子结合，过渡态能量低得多，对反应速率没有影响。所以，卤代烷进行SN1反应的容易程度是3º > 2º >

1º，像烯丙基卤、苄基卤等也都是容易进行SN1反应的。

下面这个反应中有碳正离子产生，会发生重排。在这个反应中除了水以外，还用了醇，这是为了增加烃基溴的溶解度。由于反应体系中水和乙醇都是亲核试剂，因此生成的碳正离子中间体可以分别和水（a），乙醇（b）进行反应，生成醇和醚。 4 BrH2OC2H5OH BrH3CC2H5OHC2H5HOH2OH2O H HHOC2H5Oabba

如果连接卤素的碳原子是手性中心，那由于产生的碳正离子是平面的，水可以从上下两面和碳正离子结合，原来的手性分子就会外消旋化变成一对对映体。例如：

HBrCH3OCH3H2OOHOHCH3OCH3+HOHCH3OCH3

因为碳正离子是平面结构，桥环中的连接在桥头的卤素就不会进行反应。例如：

ClH2O / C2H5OH无反应

因为碳正离子是很强的酸，在碱性的溶液里很难生成，SN1反应应当在中性，最好是在酸性的溶液里进行。由于卤代烷要电离，溶剂的极性最好要强，因此可选的溶剂为水、甲酸等等。

问题6-1 新戊基溴（2,2-二甲基-1-溴丙烷）的甲醇溶液可以存放很久而没有任何变化，但当溶液里加入硝酸银后，新戊基溴很快转化为2-甲基-2-甲氧基丁烷。请解释发生变化的原因。

5 SN1反应在实用上意义不大，实用上有意义的是SN2反应。

溴甲烷和氢氧化钠反应如下：

CH3Br + NaOH  CH3OH + NaBr

这个反应的速率和两个反应物的浓度都成正比。因此，它是一个卤代烷的二级亲核取代反应。反应速率表示式为r = k[RX][NaOH]，也就是SN2反应。

在这个反应中亲核试剂OH是硬攻上去的。如果连接卤素的碳原子是手性中心的话，反应的结果是构型转化。这说明OH是从卤素的背后进攻碳的。正因为是从背后进攻的，就会受到立体的位阻。各种卤代烃的反应的速率顺序为1º > 2º > 3º。烯丙型卤和苄基卤也是1º卤代烃，也容易进行SN2反应。桥头碳原子上的卤素也无法进行SN2反应。这种反应也不会外消旋化和重排。本节前面讲的许多有用的反应都是指SN2反应。

SN2反应是一个断键和成键同时进行的一步反应。一步反应又叫协同反应。Nu带一对未共享电子的轨道只能从连着卤素的碳原子背后的空着的sp3轨道处进攻。右面是SN2的反应进程图。

问题6-2 在丙酮中溶解等摩尔的氯苄和三乙胺，加热回流，放置过反应进程G+NuRX+XRNuRXNu图6-2 SN2反应进程图 6 夜，本来是澄清的溶液析出了大量无色透明的晶体，过滤，用干净的丙酮洗涤晶体，干燥后的晶体是一种很好的相转移催化剂（关于相转移催化见6-5节）。试问：析出的晶体是什么？这里发生了什么反应？为什么这晶体能在丙酮中析出？

总的说来，在中性和酸性的溶液里只有很弱的亲核试剂，它们难以从连有卤原子的碳的背后进攻，就会发生碳卤键电离的SN1反应。其中1º卤代烷很难电离；2º卤代烷要加热才会电离；3º卤代烷则容易在中性和酸性的溶液里电离，进行SN1反应。3º卤代烷在碱性（即使是弱碱性的）的溶液里，就会发生另一类反应——消除反应。

6-2 卤代烃的消除反应，E1和E2

卤代烃也会进行消除反应。消除反应是指一个反应物中消除掉几个原子或原子团生成重键的反应。卤代烃的消除反应生成烯烃。卤代烃的消除反应也有两种机理，E1和E2。

E1是通过碳正离子的反应。第一步是卤代烃电离生成碳正离子和卤素负离子。这一步当然是慢的。第二步是碳正离子失去邻位碳原子上的质子成为烯烃。反应的速率表示式为r = k[RX]。

由于是通过碳正离子起反应的，因此也会重排。反应也要在中性和酸性的溶液里进行。各种卤代烃的反应速率也是3º > 2º > 1º。这些道理是和SN1类似的。如果带正电荷的碳有不同的相邻碳原子上的质子可以脱去，那么优先生成的是取代基较多的烯烃。也就是说，优先 7 脱去碳原子上氢最少的那个碳上的质子，这就是查依采夫法则。例如：

BrH2O

另一类反应是E2反应。这种二级消除反应是碱夺取质子，卤素负离子离去，生成双键同时进行的一步反应。E2反应速率的表示式是r = k[RX][B]。

E2反应不经过碳正离子，当然没有重排问题。这个反应从生成的烯烃的稳定性上看一般也是连有卤素的碳原子连接的碳原子越多，生成的烯烃取代基越多越稳定，因此反应速率也是3º > 2º > 1º。

E1和E2都是3º > 2º > 1º，说明3º卤代烷很容易消除，实际上它只要遇到像氨这样的弱碱都会发生消除反应。关于E2反应的立体化学和消除取向的进一步考察将在后面叙述。

6-3 卤代烷消除和取代的比较

卤代烷消除和取代一共有四种情况，可以用下面的方法区分。

首先看反应液的酸碱性。如果反应液是中性或酸性的，那么在这种情况下，溶液中没有好的亲核试剂，难以硬攻连有卤素的碳原子，只会发生碳卤键的电离，产生碳正离子和卤素负离子。然后，碳正离子既可以和溶剂分子结合进行SN1反应，也可以消除掉相邻的碳原子上的质子，进行E1反应。由于这两种反应都经过相同的活泼中间体，因此SN1和E1两种反应经常是共存的。由于在溶液中，产生的碳正 8 离子的周围都是溶剂分子，因此，SN1的比例会大一点，但是如果加热，加热有利于消除，E1的比例就会大点。这两种反应在研究反应机理的时候是很有用的，但是实用的意义不大。实用意义大的是在碱性溶液里进行的反应。

卤代烷在碱性溶液里进行的是SN2或E2的反应。这两类反应都十分重要。控制反应条件使反应按需要的方向进行，必须注意下面几点：

1、3º卤代烷遇到碱性试剂一定消除（基本是E2），即使在弱碱性的情况下，例如在氨水中也会消除生成烯烃和卤化铵。所以3º卤代烷完全不要考虑它们的SN2反应。

2、在体积大又特别强的碱，像叔丁醇钾 [(CH3)3COK] 和二异丙基氨锂 [LDA，((CH3)2CH)2NLi+] 等作用下，不管是什么卤代烷，都进行E2消除反应，不会进行SN2取代。

3、在碱性情况下，1º和2º卤代烷有SN2和E2的竞争反应。可以通过选择不同的试剂和反应条件使反应向需要的方向进行。

要进行消除反应，可用KOH（碱性强）/醇（极性较小）/加热（加热有利于消除）。

要进行取代反应，可用NaOH（碱性较弱）/水（极性较大）/不加热或温热（加热会有利于消除）。

如果用醇钠/醇溶液进行成醚反应，加热有利于消除，不加热有利于取代。

要进行取代反应不要用体积大的亲核试剂。 9

6-4 卤代烃亲核取代反应的进一步考察

有机反应极大多数都是在溶剂里进行的。溶质在溶剂中常常不以单个游离的分子或离子的形式存在。在溶剂中的分子或离子的周围往往包围着许多溶剂分子，这就是溶剂化作用。

很多SN2亲核取代反应是在水溶液或醇溶液里进行的。水和醇都是可电离出质子的质子性溶剂。亲核试剂Nu在质子性溶剂中，给溶剂分子团团围住，溶剂的质子的一端对着Nu，形成了许多离子偶极键，大大降低了亲核试剂的亲核能力。在质子性溶剂中，亲核性强弱的次序是：同一族的负离子由上而下亲核性增强，如：I > Br > Cl >

F，这是因为小的负离子和水的溶剂化作用强；同一周期是从左到右亲核性增强，如OH > F；同一个原子为中心的负离子，则是在体积相仿的情况下，碱性大的亲核性好，如：HO > CH3COO。