鹵素置換反應(yīng)

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(wú)機(jī)鹵化物之間進(jìn)行鹵原子交換反應(yīng),稱(chēng)為Finkelstein鹵素交換反應(yīng),在合成上常常利用來(lái)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 , 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,

2、 )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(lèi) 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、丙酮等； 屬于非質(zhì)子非極性溶劑的有：烴類(lèi)、鹵代烴、醚類(lèi)、酯類(lèi)、吡啶、二硫化碳

3、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(wú)機(jī)鹽，無(wú)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(guò)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)出強(qiáng)的親核性能。在質(zhì)子溶劑質(zhì)子溶劑中親核試劑的

4、親核性Br親核性：I-Br-Cl-在非質(zhì)子溶劑非質(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)榉琴|(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(duì)反應(yīng)歷程SN1的影響 過(guò)渡態(tài)的極性大于反應(yīng)物，因此，極性大的溶劑對(duì)過(guò)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。

5、增加溶劑的極性能夠加速鹵代烷的離解，對(duì)SN1歷程有利。鹵化物的鹵素交換反應(yīng)溶劑對(duì)反應(yīng)歷程SN2的影響 親核試劑電荷比較集中，而過(guò)渡態(tài)的電荷比較分散，也就是過(guò)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(duì)SN2過(guò)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(duì)反應(yīng)不利。極性小的溶劑對(duì)SN2有利。鹵化物的鹵素交換反應(yīng)溶劑對(duì)反應(yīng)歷程的影響的一般規(guī)律1 一般來(lái)說(shuō)，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SN2為主。鹵化物

6、的鹵素交換反應(yīng)溶劑對(duì)反應(yīng)歷程的影響的一般規(guī)律2 改變?nèi)軇┑臉O性和溶劑化的能力，?？筛淖兎磻?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(wú)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：C6H5CH2Cl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，它們均為非質(zhì)子溶劑。 溶劑的選擇要有利于無(wú)機(jī)鹵化物在其中的溶解度大，但生成的無(wú)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/RBrRI +

7、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(duì)親核試劑的接近起阻礙作用，反應(yīng)速度就會(huì)慢。所以活性順序?yàn)椋?伯鹵烷仲鹵烷叔鹵烷。 而對(duì)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?yàn)闆Q定SN1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。碘化物碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br)的交換 碘化物與氯（溴）代烴的交換 碘代烴很活潑，常作為藥物合成的中間體，某些

8、碘化物本身就是藥物，但碘代烴往往難于通過(guò)加成、取代等反應(yīng)獲得，所以通過(guò)鹵素交換反應(yīng)是制備碘代烴類(lèi)化合物的重要途徑。 常用的無(wú)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。碘化物碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br)的交換實(shí)例ClNO2NO2INO2NO2NaI / DMF ,15min142(70%)相轉(zhuǎn)移催化在芳香氟化反應(yīng)中的應(yīng)用碘化物碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br)的交換實(shí)例HBr / FeBr3CH2Cl2 , 25 C143a,bPhBrPhIKI /CuI /HMPT120 C ,10 h143c(85%)ClBr (99%)HBr / FeBr

9、3CH2Cl2 , 25 C143a,bPhBrPhIKI /CuI /HMPT120 C ,10 h143c(85%)ClBr (99%)路易斯酸催化亞銅鹽催化鹵代烯烴分為三類(lèi)： 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(guò)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。MeBrMeI1)KI /Ni /DMF /150 ,24h2)3%HCl144(86%)ClINiBr2

10、 3H2O /Zn粉NaI /DMF /150145碘化物碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br)的交換實(shí)例氟化物氟化物(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(lái)含氟藥物發(fā)展很快，通過(guò)鹵素交換反應(yīng)是制備有機(jī)氟化物的重要途徑。 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- C8H

11、17Cln- C8H17FKF /Bu4NBr147a(69%)PhCH2BrPhCH2FKF-CaF2 (1 : 2 )CH3CN/reflux , 15h(81%)147bBr3CNO2F3CSbF355 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- C7H15CH2Br18-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)

12、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(wèn)題 需要注意的問(wèn)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(jiàn)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)，生成所需的鹵代烴。由于磺酰氯及其酯的活性大，磺酰

13、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。TsOCH2CH2OTsCH2OTsTsOCH2BrCH2BrCH2CH2BrCH2BrCH2ICH2ICH2ICH2INaI/Me2CO ,4hNaI/Me2CO(95%), 90h(63%)152OTsIMgI2 / Et3NCH3CN / 120 , 60h153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(guò)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

14、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(chēng)為Sandmeyer反應(yīng)。ArN2 XHX / CuX ArX + N2Sandmeyer反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)機(jī)理可見(jiàn)Cu2Cl2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(wú)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)氯氯置換實(shí)例NH2O2NNO2H2NNO2ClNO2ClO2NNO21)NaNO2/H2SO4/40 , 0.5h2)CuCl/HCl/80 , 20mint- BuSNO/CuC

15、l2CH3CN154(74%)155(98%)N2II2DMSO(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)碘碘置換實(shí)例NH2OMeNH2HOFHON2PF6OMe1)NaNO2/HCl/H2O2)65% HPF6(97%)FOMe120 C(60%)1)56%HBF4/NaNO2/H2O/0 C2)CuCl/80 90 C, 2h(71%)158 當(dāng)采用Sandmeyer反應(yīng)來(lái)制備氟代芳烴時(shí)，因氟離子的活性?。ㄔ谒芤褐校章什桓?。將芳香重氮鹽轉(zhuǎn)化成不溶性的重氮重氮氟硼酸鹽氟硼酸鹽或氟磷酸鹽，或芳胺直接用亞硝酸鈉亞硝酸鈉和氟硼酸氟硼酸進(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），就可以制得較好收率的氟代芳烴，此稱(chēng)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?dú)馍杀秸x子，然后氟硼酸根氟硼酸根離子（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)單分子芳香親核取代反