鹵素置換反應(yīng)

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鹵素置換反應(yīng)

1鹵化物的鹵素交換反應(yīng)的定義定義:有機鹵化物與無機鹵化物之間進(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.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？

2鹵化物的鹵素交換反應(yīng)機理反應(yīng)機理:大多屬于SN2機理親核試劑離去基團

3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.

4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、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；

5一些極性非質(zhì)子溶劑N-甲基吡咯烷酮環(huán)丁砜

6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(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(xiàn)出強的親核性能。

7在質(zhì)子溶劑中親核試劑的親核性Br親核性：I->Br->Cl-

8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-.這是因為非質(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。

9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SN1歷程有利。

10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。

11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。

12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?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。

13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(yīng)完全。NaF、NaCl、NaBr、NaI在丙酮中的溶解度（g/100g）分別為1.0?10-4,3.0?10-5,0.008,26;

14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(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。

15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(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。常用的無機碘化物有：碘化鈉、碘化鉀催化劑：Lewis酸及某些金屬催化劑。

16碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br))的交換實例相轉(zhuǎn)移催化在芳香氟化反應(yīng)中的應(yīng)用

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19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(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。

20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。碘化物(MI)與氯(溴)代烴(RCl(Br))的交換實例

21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)，?？蓪⒅炬溁蚍辑h(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。

22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

23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

24相轉(zhuǎn)移催化劑有助于KF溶于有機溶劑

25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；操作中要注意環(huán)境的通風(fēng)、并加強防毒、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。

26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?；望u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。

27磺酸酯的鹵置換反應(yīng)實例

28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，這個反應(yīng)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(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)稱為Sandmeyer反應(yīng)。

29Sandmeyer反應(yīng)機理可見Cu2Cl2前一步提供電子，為還原劑；后一步CuCl2為氧化劑。

30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(yīng)——氯置換實例

31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)——碘置換實例

32當(dāng)采用Sandmeyer反應(yīng)來制備氟代芳烴時，因氟離子的活性?。ㄔ谒芤褐校?，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(yīng)。芳香重氮鹽化合物的鹵置換反應(yīng)——氟置換實例

33Schiemann反應(yīng)機理一般認(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。因此這個反應(yīng)屬于單分子芳香親核取代反應(yīng)（SN1Ar）。

34Schiemann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：該氟硼酸鹽與鹽酸重氮鹽或高氯酸重氮鹽不同，在干燥時也比較穩(wěn)定，不容易發(fā)生爆炸，只在加熱時分解為氟化物，產(chǎn)率較高。

35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？