鹵素置換反應第1頁/共37頁1.6其它官能團化合物的鹵置換反應鹵化物的鹵素交換反應磺酸酯的鹵置換反應see芳香重氮鹽化合物的鹵置換反應see第2頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應的定義定義:有機鹵化物與無機鹵化物之間進行鹵原子交換反應,稱為Finkelstein鹵素交換反應,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.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？第3頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應機理反應機理:大多屬于SN2機理親核試劑離去基團第4頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應——親核試劑的親核能力親核試劑的親核能力在質子溶劑中,I-的親核能力最大;在非質子溶劑中,F-的親核能力最大.第5頁/共37頁溶劑的分類屬于質子極性溶劑的有:水、甲酸、甲醇、乙醇、正丁醇、乙二醇及其單甲醚和單乙醚等；屬于質子非極性溶劑的有：乙酸、戊醇、乙二醇單丁醚等；屬于非質子極性溶劑的有：二甲基亞砜、環丁砜、乙腈、DMF、硝基苯、N-甲基吡咯烷酮、乙酐、丙酮等；屬于非質子非極性溶劑的有：烴類、鹵代烴、醚類、酯類、吡啶、二硫化碳等；第6頁/共37頁一些極性非質子溶劑N-甲基吡咯烷酮環丁砜第7頁/共37頁在質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鹽，無機鹽溶于水而不溶或幾乎不溶于非極性有機溶劑中，要使親核取代反應在溶液中進行，常用醇或其他溶液如丙酮中加水，使兩者都能溶解。在醇和水這樣的質子溶劑中，親核試劑與溶劑之間可以形成氫鍵，即能發生溶劑化作用（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，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，故表現出強的親核性能。第8頁/共37頁在質子溶劑中親核試劑的親核性Br親核性：I->Br->Cl-第9頁/共37頁在非質子溶劑中親核試劑的親核性順序在非質子溶劑（DMSO,DMF)中,親核性為：F->Cl->Br->I-.這是因為非質子溶劑分子的負電荷裸露在外，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離子。這樣的負離子是“赤裸裸”的，有較大的親核性。親核性即親核試劑與碳原子結合的能力。F-與碳為同周期，軌道大小相近、重疊好，F-C鍵能大，故在非質子溶劑中F-的親核性最大。第10頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應—

溶劑對反應歷程SN1的影響過渡態的極性大于反應物，因此，極性大的溶劑對過渡態溶劑化的力量也大于反應物，這樣溶劑化釋放的能量也大，所以離解就能很快地進行。增加溶劑的極性能夠加速鹵代烷的離解，對SN1歷程有利。第11頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應—

溶劑對反應歷程SN2的影響親核試劑電荷比較集中，而過渡態的電荷比較分散，也就是過渡態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過渡態的形成不利。因此，在SN2歷程中增加溶劑的極性一般對反應不利。極性小的溶劑對SN2有利。第12頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應—溶劑對反應歷程的影響的一般規律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是按SN1歷程進行。在極性不太強的溶劑（乙醇）中，伯鹵代烴的取代反應是按SN2進行。仲鹵代烴的取代反應則按兩種歷程進行,通常是以SN2為主。第13頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應—溶劑對反應歷程的影響的一般規律2改變溶劑的極性和溶劑化的能力，常可改變反應歷程。在極性很大的溶劑（甲酸）中，伯鹵代烷也按SN1。在極性小的非質子性溶劑中（無水丙酮，介電常數21）中，叔鹵代烴也可按SN2進行。（徐積功《有機化學》P166）如：C6H5CH2Cl水解的反應，在水中按SN1歷程，在極性較小的丙酮中則按SN2歷程進行。第14頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應——

溶劑的選擇DMF、丙酮、四氯化碳、二硫化碳、丁酮，它們均為非質子溶劑。溶劑的選擇要有利于無機鹵化物在其中的溶解度大，但生成的無機鹵化物的溶解度小或幾乎不溶，這樣可使鹵素－鹵素置換反應完全。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;第15頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應—鹵代烴的活性順序由于大多數為SN2，親核試劑是從離去基團的背面進攻碳原子的，烷基的結構如能對親核試劑的接近起阻礙作用，反應速度就會慢。所以活性順序為：伯鹵烷>仲鹵烷>叔鹵烷。而對于SN1機理的取代，活性順序則相反：叔鹵烷>仲鹵烷>伯鹵烷。因為決定SN1反應速度的一步是正碳離子的形成，正碳離子越穩定，越活躍。第16頁/共37頁碘化物(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、取代等反應獲得，所以通過鹵素交換反應是制備碘代烴類化合物的重要途徑。常用的無機碘化物有：碘化鈉、碘化鉀催化劑：Lewis酸及某些金屬催化劑。第17頁/共37頁碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br))的交換實例相轉移催化在芳香氟化反應中的應用第18頁/共37頁第19頁/共37頁第20頁/共37頁碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br))的交換實例路易斯酸催化亞銅鹽催化鹵代烯烴分為三類：1.鹵素原子與雙鍵間隔兩個以上碳原子，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。第21頁/共37頁用鎳或含結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，由此可以制備某些用其它方法難以得到的碘代烷。碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br))的交換實例第22頁/共37頁氟化物(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，近年來含氟藥物發展很快，通過鹵素交換反應是制備有機氟化物的重要途徑。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，而不與單鹵原子發生交換.利用這一性質，常可將脂肪鏈或芳環上的三鹵甲基有效地轉化成三氟甲基，該法常用于制備某些三氟甲基的藥物。第23頁/共37頁怎樣獲得該化合物呢？氟化物(MF)與氯(溴)代烴(RCl(Br))的交換實例第24頁/共37頁

在氟交換反應中還常加入相轉移催化劑，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，從而促進反應的進行。氟化物(MF)與氯(溴)代烴(RCl(Br))的交換實例

——相轉移催化條件下相轉移催化在芳香氟化反應中的應用.化工生產與技術，2003,10(2):1-4第25頁/共37頁相轉移催化劑有助于KF溶于有機溶劑第26頁/共37頁鹵化物的鹵素交換反應——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器，如不銹鋼、鎳、聚乙烯等；操作中要注意環境的通風、并加強防毒、防腐蝕等措施；副反應：在鹵素交換反應中常見的為消除反應，尤其是在叔鹵代烴的鹵交換反應中常因易形成穩定的碳正離子而傾向于發生消除，從而收率降低。第27頁/共37頁磺酸酯的鹵置換反應為避免醇羥基在直接鹵置換反應中可能產生的副反應，可先將醇用磺酰氯轉化成相應的磺酸酯，再與親核性鹵化劑反應，生成所需的鹵代烴。由于磺酰氯及其酯的活性大，磺酰化和鹵置換反應均在較溫和的條件下進行，且常比鹵素交換反應更有效。。常用的鹵化鈉、鹵化鉀、鹵化鋰、鹵化鎂等。反應溶劑為丙酮、醇和DMF等極性溶劑。第28頁/共37頁磺酸酯的鹵置換反應實例第29頁/共37頁芳香重氮鹽化合物的鹵置換反應該反應的必要性：以芳胺為原料，經過重氮化，然后進行鹵置換反應，可將鹵素原子引入到直接用鹵代反應難以引入的芳烴位置上，這個反應是制備鹵代芳烴的重要補充形式，特別是在氟代芳烴、碘代芳烴的制備上應用更廣。Sandmeyer反應：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、溴和氰基的轉化反應稱為Sandmeyer反應。第30頁/共37頁Sandmeyer反應機理可見Cu2Cl2前一步提供電子，為還原劑；后一步CuCl2為氧化劑。第31頁/共37頁用亞硝酸鈉和無機酸是常用的制備芳香重氮鹽的廉價試劑芳香重氮鹽化合物的鹵置換反應——氯置換實例第32頁/共37頁

在芳香重氮鹽的碘置換反應中可不必加入銅鹽，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——碘置換實例第33頁/共37頁

當采用Sandmeyer反應來制備氟代芳烴時，因氟離子的活性小（在水溶液中），收率不高。將芳香重氮鹽轉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行重氮化，此重氮鹽再經熱分解（有時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，此稱為Schiemann反應。芳香重氮鹽化合物的鹵置換反應——氟置換實例第34頁/共37頁Schiemann反應機理一般認為是在發生重氮化反應生成重氮鹽后，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?）進攻苯正離子，先生成PhBF4，然后分解為氟苯。因此這個反應屬于單分子芳香親核取代反應（SN1Ar）。第35頁/共3