《有機(jī)化學(xué)鹵代烴》課件

有機(jī)化學(xué)鹵代烴鹵代烴是指烴分子中一個(gè)或多個(gè)氫原子被鹵素原子取代而形成的一類有機(jī)化合物。鹵代烴在醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、塑料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是重要的有機(jī)合成中間體。概述定義鹵代烴是指烴分子中一個(gè)或多個(gè)氫原子被鹵素原子（如氟、氯、溴、碘）取代而形成的有機(jī)化合物。結(jié)構(gòu)鹵代烴的結(jié)構(gòu)取決于鹵素原子和烴基的種類，鹵素原子連接到烴基的不同位置也會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)異構(gòu)體。性質(zhì)鹵代烴的性質(zhì)受鹵素原子的性質(zhì)和烴基的性質(zhì)影響。不同的鹵素原子具有不同的電負(fù)性，因此鹵代烴的極性也不同。鹵代烴一般比相應(yīng)的烴更易溶于水。應(yīng)用鹵代烴在有機(jī)化學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用，例如作為溶劑、中間體、制冷劑、殺蟲劑和滅火劑。鹵代烴的性質(zhì)極性鹵代烴分子中含有鹵素原子，鹵素原子電負(fù)性比碳原子高，因此鹵素原子帶有部分負(fù)電荷，碳原子帶有部分正電荷，使鹵代烴分子具有極性。沸點(diǎn)鹵代烴的沸點(diǎn)比相應(yīng)的烷烴高，這是由于鹵素原子與碳原子之間存在范德華力，而鹵素原子體積較大，范德華力更強(qiáng)。溶解性鹵代烴的溶解性隨鹵素原子數(shù)目的增加而降低，因?yàn)辂u素原子體積較大，降低了鹵代烴的極性。反應(yīng)活性鹵代烴的反應(yīng)活性受鹵素原子性質(zhì)和碳原子的類型影響，鹵素原子電負(fù)性越高，反應(yīng)活性越強(qiáng)。鹵代烴的命名系統(tǒng)命名法采用系統(tǒng)命名法，首先確定最長(zhǎng)的碳鏈，并將其作為母體烴。然后，根據(jù)鹵素原子在碳鏈上的位置和種類進(jìn)行編號(hào)和命名。普通命名法用鹵素原子名稱+烴基名稱來(lái)命名。例如，CH3Cl稱為氯甲烷，CH3CH2Br稱為溴乙烷。官能團(tuán)命名法將鹵代烴看作是烴基鹵化物，采用鹵素原子名稱+烴基名稱+鹵化物來(lái)命名。烴基鹵化物的制備鹵代烴是指烴分子中一個(gè)或多個(gè)氫原子被鹵素原子取代的化合物。鹵代烴的制備方法很多，常用的方法包括鹵化反應(yīng)、親核取代反應(yīng)和消除反應(yīng)。1鹵化反應(yīng)烷烴與鹵素在光照或加熱條件下反應(yīng)生成鹵代烴。2親核取代反應(yīng)醇與鹵化氫反應(yīng)生成鹵代烴。3消除反應(yīng)鹵代烴在堿性條件下發(fā)生消除反應(yīng)生成烯烴。鹵代烴的制備方法的選擇取決于所要制備的鹵代烴的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。親核取代反應(yīng)親核試劑進(jìn)攻鹵代烴分子，形成新的化學(xué)鍵。鹵原子從鹵代烴分子中離去，生成新的化合物。親核取代反應(yīng)可以通過(guò)SN1或SN2機(jī)制進(jìn)行。消除反應(yīng)11.脫鹵化氫鹵代烴在堿性條件下，失去鹵素原子和氫原子，生成烯烴。22.扎依采夫規(guī)則主要產(chǎn)物是取代基最多的烯烴，即雙鍵連接的碳原子帶有最多烷基取代基。33.反應(yīng)條件堿的濃度、反應(yīng)溫度和溶劑都會(huì)影響反應(yīng)的速率和產(chǎn)物比例。44.反應(yīng)機(jī)理涉及單分子消除反應(yīng)(E1)和雙分子消除反應(yīng)(E2)。自由基取代反應(yīng)光照或熱引發(fā)自由基取代反應(yīng)通常由光照或熱引發(fā)。鹵素自由基鹵素分子在光照或熱的作用下，會(huì)發(fā)生均裂，生成鹵素自由基。烷烴鹵素自由基會(huì)從烷烴分子中奪取氫原子，生成鹵代烷烴和新的自由基。烷基鹵化物的性質(zhì)物理性質(zhì)烷基鹵化物的物理性質(zhì)主要取決于鹵素原子的大小和電負(fù)性。例如，沸點(diǎn)隨著鹵素原子半徑的增加而升高?；瘜W(xué)性質(zhì)烷基鹵化物具有多種化學(xué)性質(zhì)，例如親核取代反應(yīng)、消除反應(yīng)和自由基取代反應(yīng)。這些反應(yīng)的發(fā)生取決于烷基鹵化物的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件。烷基鹵化物的物理性質(zhì)11.沸點(diǎn)烷基鹵化物的沸點(diǎn)隨鹵素原子半徑增大而升高，因?yàn)榉兜氯A力增強(qiáng)。22.密度烷基鹵化物的密度通常比水高，因?yàn)辂u素原子比碳和氫原子更重。33.極性烷基鹵化物是極性分子，因?yàn)樘?鹵素鍵具有極性。44.可溶性烷基鹵化物在水中溶解度較低，因?yàn)樗鼈儾荒芘c水形成氫鍵。鹵代烴的化學(xué)性質(zhì)親核取代反應(yīng)鹵代烴易發(fā)生親核取代反應(yīng)，鹵原子被親核試劑取代。消除反應(yīng)鹵代烴在堿性條件下可發(fā)生消除反應(yīng)，生成烯烴。氧化反應(yīng)鹵代烴可以被氧化成醛、酮或羧酸。還原反應(yīng)鹵代烴可以被還原成烷烴。烯基鹵化物烯基鹵化物是指鹵原子連接在烯烴碳原子上的鹵代烴。這類化合物具有特殊的反應(yīng)性，可以進(jìn)行親電加成、親核取代、自由基反應(yīng)等。烯基鹵化物的反應(yīng)性與鹵原子的位置、烯烴的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件有關(guān)。烷基鹵化物的反應(yīng)性影響因素烷基鹵化物的反應(yīng)性受鹵素原子和烷基的性質(zhì)影響。鹵素原子電負(fù)性越強(qiáng)，烷基鹵化物越易發(fā)生親核取代反應(yīng)和消除反應(yīng)。反應(yīng)類型烷基鹵化物可以發(fā)生多種類型的反應(yīng)，包括親核取代反應(yīng)、消除反應(yīng)和自由基取代反應(yīng)。反應(yīng)類型取決于反應(yīng)條件和試劑。烷基鹵化物的親核取代反應(yīng)SN1反應(yīng)SN1反應(yīng)是單分子親核取代反應(yīng)。這種反應(yīng)通常在仲鹵代烷和叔鹵代烷中進(jìn)行。SN1反應(yīng)經(jīng)過(guò)碳正離子中間體，因此反應(yīng)速度取決于鹵代烷的結(jié)構(gòu)。SN2反應(yīng)SN2反應(yīng)是雙分子親核取代反應(yīng)。這種反應(yīng)通常在伯鹵代烷和仲鹵代烷中進(jìn)行。SN2反應(yīng)是協(xié)同反應(yīng)，反應(yīng)速度取決于鹵代烷的結(jié)構(gòu)和親核試劑的強(qiáng)度。消除反應(yīng)1反應(yīng)類型鹵代烴消除反應(yīng)是指鹵代烴在堿的催化下，脫去鹵素原子和相鄰碳原子上的氫原子，生成烯烴的反應(yīng)。2反應(yīng)條件反應(yīng)條件通常是在強(qiáng)堿存在下，加熱或使用高沸點(diǎn)溶劑。3反應(yīng)機(jī)理消除反應(yīng)的機(jī)理分為兩步：第一步是鹵素原子被堿奪去，第二步是碳?xì)滏I斷裂，形成雙鍵。4產(chǎn)物消除反應(yīng)的產(chǎn)物通常是烯烴，但有時(shí)也會(huì)生成炔烴或環(huán)狀化合物。自由基取代反應(yīng)鹵代烴的自由基取代反應(yīng)鹵代烴在光照或高溫條件下，可以發(fā)生自由基取代反應(yīng)，生成新的鹵代烴或其他有機(jī)化合物。反應(yīng)機(jī)理鹵素分子在光照或高溫下發(fā)生均裂，生成兩個(gè)自由基。自由基進(jìn)攻烷烴分子，奪取一個(gè)氫原子，生成新的烷基自由基和鹵化氫。烷基自由基與鹵素分子反應(yīng)，生成鹵代烴和新的自由基。反應(yīng)特點(diǎn)自由基取代反應(yīng)是一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)速度快，反應(yīng)條件苛刻。醇和鹵代烴的相互轉(zhuǎn)化醇到鹵代烴醇與鹵化氫反應(yīng)，生成鹵代烴。反應(yīng)條件影響反應(yīng)速率。鹵代烴到醇鹵代烴與堿性水溶液反應(yīng)，生成醇。反應(yīng)條件影響產(chǎn)物種類。反應(yīng)機(jī)理醇到鹵代烴是SN1或SN2反應(yīng)，鹵代烴到醇是親核取代反應(yīng)。鹵代烴的應(yīng)用塑料生產(chǎn)許多鹵代烴用作塑料生產(chǎn)的原料，例如聚氯乙烯(PVC)。溶劑鹵代烴可作為溶劑，用于清潔和溶解各種物質(zhì)。醫(yī)藥一些鹵代烴在醫(yī)藥中用作藥物，例如氟利昂和二氯甲烷。殺蟲劑鹵代烴也用作殺蟲劑，例如DDT，但由于環(huán)境問(wèn)題，其使用已受到限制。鹵代烴的環(huán)境影響環(huán)境污染鹵代烴具有持久性，難以降解，會(huì)在大氣層中積累，破壞臭氧層，造成全球氣候變暖。水體污染一些鹵代烴會(huì)溶解在水中，污染水源，影響水生生物的生存。土壤污染鹵代烴會(huì)通過(guò)土壤吸收，累積在食物鏈中，最終對(duì)人類健康造成危害。生物毒性鹵代烴對(duì)生物體具有毒性，會(huì)影響生物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，甚至導(dǎo)致死亡。鹵代烴在有機(jī)合成中的應(yīng)用多元反應(yīng)性鹵代烴是重要的合成中間體，可參與多種反應(yīng)。官能團(tuán)轉(zhuǎn)化鹵代烴可以被轉(zhuǎn)化為醇、醚、胺、醛、酮等其他官能團(tuán)。構(gòu)建復(fù)雜分子鹵代烴的反應(yīng)可以用于構(gòu)建復(fù)雜有機(jī)分子，例如藥物和農(nóng)藥。親核取代反應(yīng)SN1單分子親核取代反應(yīng)，涉及碳正離子中間體SN2雙分子親核取代反應(yīng)，一步完成，反轉(zhuǎn)構(gòu)型影響因素鹵代烴結(jié)構(gòu)親核試劑性質(zhì)溶劑極性消除反應(yīng)1脫鹵化氫反應(yīng)鹵代烴在堿性條件下，與強(qiáng)堿作用，可以脫去鹵化氫生成烯烴，并形成雙鍵。反應(yīng)中，鹵原子和β-碳上的氫原子被消除。2脫鹵化氫反應(yīng)反應(yīng)機(jī)理通常遵循E1或E2機(jī)制，取決于反應(yīng)條件和底物結(jié)構(gòu)。E1機(jī)制是兩步反應(yīng)，先形成碳正離子中間體，然后脫去質(zhì)子生成烯烴。3Zaitsev規(guī)則在多個(gè)β-碳上都含有氫原子時(shí)，反應(yīng)傾向于生成取代度更高的烯烴。自由基取代反應(yīng)步驟自由基取代反應(yīng)通過(guò)三個(gè)步驟完成：引發(fā)、傳播和終止。引發(fā)步驟通過(guò)光或熱產(chǎn)生自由基，傳播步驟是自由基與烴反應(yīng)產(chǎn)生新的自由基，終止步驟是兩個(gè)自由基結(jié)合生成穩(wěn)定的分子。特點(diǎn)自由基取代反應(yīng)通常在高溫或光照條件下進(jìn)行，可以產(chǎn)生多種產(chǎn)物。反應(yīng)的選擇性較低，通常會(huì)得到多種異構(gòu)體產(chǎn)物。例如，甲烷的氯化反應(yīng)可以生成氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷。鹵化烷烴的手性手性碳原子手性碳原子是連接四個(gè)不同基團(tuán)的碳原子，它具有手性。鏡像異構(gòu)體手性分子具有兩個(gè)不可疊加的鏡像異構(gòu)體，稱為對(duì)映異構(gòu)體。旋光性對(duì)映異構(gòu)體可以使偏振光平面旋轉(zhuǎn)不同的角度，稱為旋光性。手性中心的確定四面體碳原子手性中心是指連接四個(gè)不同基團(tuán)的碳原子。鏡像異構(gòu)體手性中心的存在會(huì)導(dǎo)致鏡像異構(gòu)體的形成，它們是不可疊加的。模型使用分子模型可以幫助識(shí)別手性中心并構(gòu)建鏡像異構(gòu)體。消旋體和光學(xué)異構(gòu)體光學(xué)異構(gòu)體一對(duì)具有相同化學(xué)式和結(jié)構(gòu)式，但空間結(jié)構(gòu)不同的化合物稱為光學(xué)異構(gòu)體。它們?cè)谛庑苑矫姹憩F(xiàn)出相反的效應(yīng)，一個(gè)為左旋，另一個(gè)為右旋。消旋體消旋體是由等量的左旋體和右旋體混合而成的，因此不具有旋光性。消旋體通常以游離形式存在，但也可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)合成。光學(xué)活性化合物的分離1手性柱色譜利用手性固定相分離對(duì)映異構(gòu)體2重結(jié)晶選擇合適溶劑，結(jié)晶分離3酶法分離利用酶催化反應(yīng)，選擇性分離光學(xué)活性化合物具有旋光性，可以通過(guò)旋光儀測(cè)量旋光度來(lái)判斷是否為純的。分離光學(xué)活性化合物需要用到手性試劑，常見方法包括手性柱色譜、重結(jié)晶和酶法分離。鹵代烴的光化學(xué)反應(yīng)1光引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)通常由紫外光或可見光引發(fā)。2自由基生成光照射鹵代烴會(huì)導(dǎo)致鹵素原子從分子中脫落，形成自由基。3鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自由基可以進(jìn)一步與其他鹵代烴分子反應(yīng)，生成新的自由基，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。4產(chǎn)物光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物可能包括烷烴、烯烴、炔烴等。鹵代烴的毒性和環(huán)境問(wèn)題環(huán)境污染鹵代烴會(huì)破壞臭氧層，并對(duì)水體和土壤造成污染，影響生態(tài)系統(tǒng)健康。健康危害一些鹵代烴具有致癌性，可導(dǎo)致肝臟、腎臟和神經(jīng)系統(tǒng)損傷，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅。持久性許多鹵代烴在環(huán)境中難以降解，會(huì)長(zhǎng)期殘留，并通過(guò)食物鏈積累，造成潛在的危害。鹵代烴在生物體內(nèi)的作用對(duì)生物體的毒性鹵代烴大多具有毒性，可引起各種健康問(wèn)題，例如肝臟和腎臟損傷，神經(jīng)系統(tǒng)損傷，甚至癌癥。例如，四氯化碳(CCl4)是一種強(qiáng)烈的肝毒性物質(zhì)，會(huì)損害肝臟細(xì)胞，導(dǎo)致肝功能衰竭。環(huán)境影響鹵代烴在環(huán)境中積累，可對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成負(fù)面影響，例如破壞臭氧層，污染水源和土壤。例如，氯氟烴(CFCs)曾廣泛用作制冷劑和噴霧劑，但由于它們對(duì)臭氧層的破壞作用，已被逐漸淘汰。鹵代烴在醫(yī)藥和農(nóng)藥中的應(yīng)用醫(yī)藥領(lǐng)域某些鹵代烴化合物，例如氯仿，曾用作麻醉劑，但因其毒性被替代。一些鹵代烴類藥物，如氟氯烷烴，可用作局部麻醉劑，但需謹(jǐn)慎使用。農(nóng)藥領(lǐng)域許多鹵代烴作為殺蟲劑和除草劑，例如滴滴涕(DDT)和草甘膦。由于環(huán)境問(wèn)題，很多鹵代烴農(nóng)藥已禁用或限制使用。鹵代烴的合成方法鹵化直接用鹵素單質(zhì)與烴反應(yīng)，如甲烷與氯氣在光照下反應(yīng)生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷。鹵化氫加成烯烴與鹵化氫發(fā)生加成反應(yīng)，例如乙烯與氯化氫反應(yīng)生成氯乙烷。醇的鹵代醇與鹵化氫或鹵化磷反應(yīng)，例如乙醇與濃鹽酸反應(yīng)生成氯乙烷。其他方法鹵代烴還可以通過(guò)格氏試劑、維蒂希試劑等方法合成。鹵代烴合成中的立體化學(xué)立體異構(gòu)體鹵代烴的合成過(guò)程可能產(chǎn)生立體異構(gòu)體，例如對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體。手性中心鹵代烴中的手性中心是指與四個(gè)不同的基團(tuán)相連的碳原子，手性中心的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致對(duì)映異構(gòu)體的形成。反應(yīng)機(jī)理不同的反應(yīng)機(jī)理，例如SN1和SN2反應(yīng)，會(huì)對(duì)鹵代烴的立體化學(xué)產(chǎn)生不同的影響。立體選擇性一些反應(yīng)具有立體選擇性，這意味著它們會(huì)優(yōu)先生成特定立體異構(gòu)體。鹵代烴的反應(yīng)活性取代反應(yīng)鹵代烴的碳鹵鍵極性，鹵原子帶部分負(fù)電荷，易被親核試劑進(jìn)攻。消除反應(yīng)鹵代烴在堿性條件下，可發(fā)生消除反應(yīng)生成烯烴。自由基反應(yīng)鹵代烴在光照或熱的作用下，可以發(fā)生自由基反應(yīng)。鹵代烴的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)11.反應(yīng)速率鹵代烴的反應(yīng)速率受多種因素影響，包括鹵原子類型、反應(yīng)物結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件。22.反應(yīng)機(jī)理鹵代烴的反應(yīng)通常遵循SN1或SN2機(jī)理，具體取決于反應(yīng)物結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件。33.活化能鹵代烴的反應(yīng)活化能與鹵原子類型和反應(yīng)物結(jié)構(gòu)有關(guān)。44.反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)是衡量反應(yīng)速率的指標(biāo)，它與溫度和反應(yīng)活化能有關(guān)。典型鹵代烴化合物的性質(zhì)和反應(yīng)11.氯仿(CHCl3)氯仿是一種無(wú)色液體，具有甜味，在水中溶解度很低，但易溶于有機(jī)溶劑。它是一種重要的有機(jī)溶劑，在醫(yī)學(xué)上用作麻醉劑。22.四氯化碳(CCl4)四氯化碳是一種無(wú)色液體，具有甜味，不溶于水，但易溶于有機(jī)溶劑。它是一種重要的工業(yè)溶劑，也用于滅火器。33.溴甲烷(CH3Br)溴甲烷是一種無(wú)色液體，具有甜味，在水中溶解度很低，但易溶于有機(jī)溶劑。它以前用作熏蒸劑，但現(xiàn)在已禁止使用，因?yàn)樗鼤?huì)破壞臭氧層。44.氟利昂(CFCs)氟利昂是一類含氟鹵代烴，曾經(jīng)被廣泛用作制冷劑，但現(xiàn)在已禁止使用，因?yàn)樗鼤?huì)破壞臭氧層。鹵代烴化合物的應(yīng)用實(shí)例溶