有機化學、4,鹵烷

 4,鹵烷  alkyl halides

烷類、醇(酸/加熱)和一些含鹵化合物反應得到鹵烷

SP3混成鹵素的烷類，低極性，不溶水沉水，碳數同分子量越大沸點越高

親核基與親電基：

攻擊者為親核基，以高電子密度區(LP)攻擊親電基的低電子密度區

親核試劑Nu-：陰離子，OH- 、Cl-等鹵素離子，或有孤電子對LP的化合物

                   強親核：RS-、I-、Br-、Cl-；立障小的帶負電C、N、O   (SN2快)

                   弱親核：電中性帶高EN親核端 H2O、ROH、F-；立障大的帶負電C、N、O 

              R3P >RS- /HS- >I- >CN- >RO- >HO- >Br- >NH3- >AcO- >Cl- >F- >H2O

           *極化差的親核劑優先E2 (傾向攻擊C-H)；極化好的親核劑優先SN2 (傾向攻擊C-X)

           *質子氫溶劑：增加半徑大鹵素離子的親核力

                     極性質子性溶劑(水)易形成碳陽離子中間產物 = SN1

                    *極性質子性溶劑 (有F-O、O-H、N-H)：醇類ROH、水

                     極性非質子性溶劑(DMSO)，不形成氫鍵(無溶劑層) = SN2

                     *極性非質子性溶劑(沒有...)：丙酮、DMSO、DCM、DMF、THF

親電試劑：陽離子(如NO2+)、極性分子、自由基、路易士酸、大多帶正電/不具八隅體電子

                 

好離去基：電負度較大，拉電子能力強，鹵素、氧、氮…，使碳易帶正電，親核反應更快
                    強酸的共軛鹼（弱鹼）為好的離去基 (離去基團易從分子脫離 = 好離去基)

                    *離去基和電負度EN未必正相關 

              >實際電負度：F > O > N > Cl > Br > I > S > C > H；鹵素(除氟) : Cl > Br > I  

                    好離去基： N2 > TiO- > I- > Br- > Cl- > R-C=O > HOEt >H2O HOR

                    壞離去基： R-F 、 HOAc 、 -OH 、 -NH2 、 N(CH3)3

鹵烷反應：親核Nu-攻擊親電的取代反應  SN1/2   ；  

                    鹼性Nu-打斷β-H的消去反應    E1/2      (電子移動後組成雙鍵)

                     強鹼可攻擊C-鹵素得取代產物，也可打斷 β-H得消去產物  (反應互相競爭)
                     弱鹼多半以取代反應為主，(提高溫度可以稍微產生消去反應)

    *高級醇脫水消去
        一級鹵代烴與NaOH；KOH水溶液        ：親核取代反應產生一級醇
        二、三級鹵代烴與NaOH；KOH水溶液：優先消去反應產生烯烴   

SN1反應：反應物自解碳陰/陽離子，碳陽離子結合親核劑，一級，無立體特異性，

                   產物:外消旋混合物 ，可能重排，*離去基離開擋住親核接上，背面產物多

       中間物：碳陽離子，越能共振分散正電荷越穩定，3級 >2級 >1級 >CH3+

                           *例外：8碳以下環的橋頭碳不穩；可共振的C=C-+ 穩

                           中間物會重排成更穩定的組態，3~4C環可能合環，優先解決環張力
                          * 重排不可跳格

                        

                         SN1使用弱親核劑避免競爭反應( ROH、H2O、HOAc

SN2反應：背後攻擊，二級，碰撞同時反應，喜強親核基( 帶不穩定的⊝

                  立體特異性(產物:完全翻轉: tran~cis；出~入紙面
                                                   *消旋速度是反應速度的兩倍大多=SN2

                 強鹼強親核的SN2不可逆，弱鹼強親核(鹵素)的SN2可逆 

                 *常使用極性非質子溶劑

比較：

SN1：立體障礙越多越好，有O/N的l.p.可共振穩定碳陽離子，3級碳 只SN1

                              必須要有離去基，離去能力越強越快         *3級橋頭碳產物例外=不反應

SN2：立體障礙越小越好 (離去基軸向)，有C=O拉電子基優先SN2，產物反轉

             *allyl   C=C-C-H 與SN1 / SN2 皆可  ；vinyl    C=C-鹵素   SN1 / SN2都不反應

      苯環：有推電子基傾向SN1  ； 有拉電子基傾向SN2

       「三級碳原子」離去基，立障大無法SN2，走SN1反應路徑。    三1  一2

        「一級碳原子」離去基，SN1形成一級碳陽離子耗費的能量高，走SN2反應機制

        「二級碳原子」離去基，由溶劑和親核試劑決定，

HX酸性愈強，反應速率愈快，故 HI>HBr>HCl

鹵烷鄰助效應：分子自身有l,p,的基團先親核攻擊一次，外在分子再親核攻擊，得到取代產物

                           位於離去基正背面的  -鹵素、-O、-N、有  π 鍵的C=C，水解特別快

推/拉電子基：                                                ortho  60   meta 120    para 180

         拉電子基EWG (增加親核)：

             強：CF3、CCl3、 -NO2、N+R3                                                      (活化meta) 

             中：C≡N、-SO3H、O=C-OR、C=O                                               (活化meta) 

             弱： F > COOH > Cl > Br > I > C≡C > OH > C6H5 > C=C > H     (活化ortho para)

          推電子基EDG(增加親電取代)：

             強：-O-、NH2、NHR、-OH、-OR                                                     (活化ortho para)

             中：HN-C=O、O=C-O                                                                         (活化ortho para)

             弱： -benz  (CH3)3C- > (CH3)2CH- > CH3CH2- > CH3- > H           (活化ortho para)

        消去反應：傾向高溫，有利

E1：類似SN1，兩步，1、反應物離去基離去，生成中間體碳正離子
                                       2、溶劑分子奪取碳正離子β-氫，生成烯烴  π 鍵

        *會重排，一級反應，如反應物有立體特異性生成等量取代產物
         *鹵烷類以親核性鹼處理時，E1與SN1同時反應，競爭產生混合產物
           好離去基，但試劑親核性強，立障小，則傾向SN1

      E1與SN1相同，需求高極性溶劑 (可能同時發生)；E2則溶劑是醇類 (KOH方便

位向選擇： E1產物主要多取代=柴澤夫產物 (C=C旁較多R基，通常環上)

E2：強鹼直接拉走鹵烷的質子C-H，二級反應，酸鹼消去，而非親核試劑

        鹼進攻β-氫，並與離去基同時離去， 斷鍵的C-H和C-X 間生成烯烴 C=C  π 鍵

      *X-C-H   X和H必須反向共平面(入紙、出紙)才可消去，同向消不掉

       *鹵烷可以自由旋轉則E2反向共平面，如鹵烷無法旋轉(環狀剛性)則E2同向共平面 

                    > 鹵素在環狀軸上且好LVG較快        > 鹵素在環狀赤道上難以E2

                          鹵素LVG    I- > Br- > Cl-  >>>>>F (難離去)

 *立體特異性，反反得順   H和鹵素  cis順.近~Z 近  ； 順反得反  H和鹵素  trans反.遠~E 遠

         第一個順/反是反應物    cis順.近 或 trans反.遠 ；第二個 鹵素通常是 反

      *環狀鹵烷：找trans遠  的C-H/C-D 和C-X ；如環上沒有則雙鍵可能在環接的烷基上

      *鹼進攻較不受立體阻礙影響；不產生碳陽離子，不重排；強鹼、好離去基加速反應

      *強鹼與強親核未必絕對相關  > 鹵素離子強親核但不是鹼

位向選擇：

            用立障小鹼  (可能SN2)   ：產物主要多取代=柴澤夫產物 (C=C旁較多R基.通常環上)  

            用立障大鹼 / 普通LVG    ：產物主要少取代=霍夫曼產物  (C=C旁較少R基.通常環外)

        無位向選擇則喜大立障，快   EEE2先消(3級碳  強鹼)   常見:(4C)BuOK

          *異構物考慮E / Z form 和C=C在中間(VIIV)的產物   可能*3種

鄰助效應：特大環會再傾向變成5/6環位置水解

一級同位素效應：在決定速率步驟中與同位素相連的鍵發生斷裂反應

比較：

鹵烷還原：  自由基連鎖反應還原，照光

 R-C-C-X  +  Bu3Sn-H   ➝  AIBN➝  R-C-C-H  +  Bu3Sn-X

鹵烷製造有機金屬：  通過 醚溶劑

R-X  + 活性金屬   ➝  ether醚 (THF)➝  R-活性金屬     (直接拔掉鹵素

合成鹵烷：照光 見 "烷"章節   ，可能重排

烷類自由基鹵化反應：   △ 或  hv     *如果是環或苯環通常接環外 allylic 基

R-H  +   X-X    ➝ 高溫或紫外光➝ R-X  +   H-X

F2   選擇差，放熱   1°碳 ：2°碳：3°碳   = 1:1:1    ； * I2  要大量吸熱 難反應
Cl2  選擇差，放熱   1°碳 ：2°碳：3°碳   = 1:4:5   >如果1°碳-H很多，會取代1°碳
Br2  選擇好，溴化吸熱   1°碳 ：2°碳：3°碳  = 1:100:1600     > 優先取代  3°碳

       *但Br2加上ROOR過氧化物會產生反馬可尼可夫加成，反而取代1°碳
                        ROOR產生碳自由基中間產物（相對穩定性： 3°>2°>1°

三鍵：拔一次鍵，E/Z產物，如ROOR則只單少取代產物，接H則拔兩次

3.環狀烷  ↼   4,鹵烷   ⇀ 5.烯類