Skip to content · ⁨Перейти к содержанию⁩

Halogen compounds · ⁨Галогенпроизводные⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · Topic 15 · ⁨Тема 15⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩
7:31

Галогенпроизводные

Нажмите кнопку на баллоне со спреем для заморозки, и ваша кожа онемнет от холода. Внутри находится галогеналкан: алкан, в котором атом галогена заменил один…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)⁩

15.1

Halogenoalkanes · ⁨Галогеналканы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which halogenoalkanes can be produced: (a) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane (b) electrophilic addition of an alkene with a halogen, $\text{X}_2$, or hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (c) substitution of an alcohol, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$
  2. classify halogenoalkanes into primary, secondary and tertiary
  3. describe the following nucleophilic substitution reactions: (a) the reaction with $\text{NaOH(aq)}$ and heat to produce an alcohol (b) the reaction with $\text{KCN}$ in ethanol and heat to produce a nitrile (c) the reaction with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure to produce an amine (d) the reaction with aqueous silver nitrate in ethanol as a method of identifying the halogen present as exemplified by bromoethane
  4. describe the elimination reaction with $\text{NaOH}$ in ethanol and heat to produce an alkene as exemplified by bromoethane
  5. describe the $\text{S}_\text{N}1$ and $\text{S}_\text{N}2$ mechanisms of nucleophilic substitution in halogenoalkanes including the inductive effects of alkyl groups
  6. recall that primary halogenoalkanes tend to react via the $\text{S}_\text{N}2$ mechanism; tertiary halogenoalkanes via the $\text{S}_\text{N}1$ mechanism; and secondary halogenoalkanes by a mixture of the two, depending on structure
  7. describe and explain the different reactivities of halogenoalkanes (with particular reference to the relative strengths of the C–X bonds as exemplified by the reactions of halogenoalkanes with aqueous silver nitrates)
Русский
  1. вспомнить реакции (реагенты и условия), с помощью которых можно получить галогеналканы: (a) свободнорадикальное замещение алканов $\text{Cl}_2$ или $\text{Br}_2$ в присутствии ультрафиолетового света, как показано на примере реакций этана; (b) электрофильное присоединение алкена к галогену, $\text{X}_2$, или галогеноводороду, $\text{HX(g)}$, при комнатной температуре; (c) замещение спирта, например, реакцией со $\text{HX(g)}$; или со $\text{KCl}$ и концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$ или концентрированной $\text{H}_3\text{PO}_4$; или со $\text{PCl}_3$ и нагреванием; или со $\text{PCl}_5$; или со $\text{SOCl}_2$
  2. классифицировать галогеналканы на первичные, вторичные и третичные
  3. описать следующие реакции нуклеофильного замещения: (a) реакция со $\text{NaOH(aq)}$ и нагреванием для получения спирта; (b) реакция со $\text{KCN}$ в этаноле при нагревании для получения нитрила; (c) реакция со $\text{NH}_3$ в этаноле при нагревании под давлением для получения амина; (d) реакция с водным раствором нитрата серебра в этаноле как метод идентификации присутствующего галогена, как показано на примере бромэтана
  4. описать реакцию элиминирования со $\text{NaOH}$ в этаноле при нагревании для получения алкена, как показано на примере бромэтана
  5. опишите механизмы $\text{S}_\text{N}1$ и $\text{S}_\text{N}2$ нуклеофильного замещения в галогеналканах, включая индуктивные эффекты алкильных групп
  6. помнить, что первичные галогеналканы реагируют преимущественно по механизму $\text{S}_\text{N}2$; третичные галогеналканы — по механизму $\text{S}_\text{N}1$; а вторичные галогеналканы реагируют смесью обоих механизмов в зависимости от структуры
  7. описать и объяснить различную реакционную способность галогеналканов (с особым акцентом на относительную прочность связей C–X, как показано на примере реакций галогеналканов с водными растворами нитрата серебра)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A halogenoalkane 卤代烷 is an alkane with one or more halogen atoms in place of hydrogen (a C–X bond, where X is a halogen).

Making halogenoalkanes

  • free-radical substitution 自由基取代 of an alkane with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in ultraviolet light.
  • electrophilic addition 亲电加成 of an alkene with a halogen $\text{X}_2$ or a hydrogen halide $\text{HX}$.
  • substitution of an alcohol 醇, for example by $\text{HX}$, by $\text{PCl}_5$, by $\text{PCl}_3$ with heat, or by $\text{SOCl}_2$.

Three classes

A halogenoalkane is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbon atoms are joined to the carbon that holds the halogen (one, two or three).

Русский

Галогеналкан — это алкан, в котором один или несколько атомов водорода заменены атомами галогена (связь C–X, где X — галоген).

Баночка со спреем для морозилки, выделяющим холодный пар галогеналкана
Летучие галогеналканы когда-то широко использовались в качестве хладагентов и пропеллентов для аэрозолей

Получение галогеналканов

  • Свободнорадикальное замещение алкана с $\text{Cl}_2$ или $\text{Br}_2$ под действием ультрафиолетового света.
  • Электрофильное присоединение алкена с галогеном $\text{X}_2$ или водородным галогенидом $\text{HX}$.
  • Замещение спирта, например с помощью $\text{HX}$, с помощью $\text{PCl}_5$, с помощью $\text{PCl}_3$ при нагревании или с помощью $\text{SOCl}_2$.

Три класса

Галогеналкан является первичным, вторичным или третичным в зависимости от того, сколько атомов углерода связаны с атомом углерода, несущим галоген (один, два или три).

Три структуры, где атом углерода, связанный с бромом, выделен: первичный с одним связанным атомом углерода, вторичный с двумя, третичный с тремя
Первичные, вторичные и третичные галогеналканы определяются количеством атомов углерода, связанных с атомом углерода, несущим галоген
Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ галогеналкан
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ замещение свободными радикалами
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ электрофильное присоединение
alcohol/ˈælkəhɒl/ спирт
primary/ˈpraɪməri/ первичный
secondary/ˈsekəndəri/ вторичный
tertiary/ˈtɜːʃjəri/ третичный
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ нуклеофильное замещение
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ нуклеофил
nitrile/ˈnaɪtraɪl/ нитрил
amine/ˈæmaɪn/ амин
silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/ нитрат серебра
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ осадком
15.1

Nucleophilic substitution · ⁨Нуклеофильное замещение⁩

English

The C–X bond is polar, so the carbon is slightly positive. A nucleophilic substitution 亲核取代 happens when a nucleophile 亲核试剂 (a lone-pair species) attacks that carbon and replaces the halogen.

Reagent and conditions Product
$\text{NaOH(aq)}$, heat an alcohol
$\text{KCN}$ in ethanol, heat a nitrile 腈 (adds one carbon to the chain)
$\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure an amine 胺

To identify the halogen, warm the halogenoalkane with silver nitrate 硝酸银 in ethanol. A silver halide precipitate 沉淀 forms, and its colour shows which halogen is present (white $\text{AgCl}$, cream $\text{AgBr}$, yellow $\text{AgI}$).

Русский

Связь C–X полярна, поэтому атом углерода имеет частичный положительный заряд. Нуклеофильное замещение происходит, когда нуклеофил (вид с неподелённой электронной парой) атакует этот атом углерода и заменяет галоген.

Круглодонная колба с кипящей жидкостью и вертикальный холодильник, возвращающий пары
Многие реакции галогеналканов проводят нагреванием смеси под обратным холодильником
Реагент и условия Продукт
$\text{NaOH(aq)}$, нагрев спирт
$\text{KCN}$ в этаноле, нагревание нитрил (добавляет один атом углерода к цепи)
$\text{NH}_3$ в этаноле, нагревание под давлением амин
Ротационный испаритель: круглая колба с раствором вращается в тёплой водяной бане, пары растворителя конденсируются в отдельную приемную колбу
Ротационный испаритель удаляет растворитель под пониженным давлением — это этап после реакции

Чтобы определить галоген, нагрейте галогеналкан с нитратом серебра в этаноле. Образуется осадок галогенида серебра, и его цвет указывает на наличие какого галогена (белый $\text{AgCl}$, кремовый $\text{AgBr}$, жёлтый $\text{AgI}$).

Explore · ⁨Исследовать⁩

Nucleophilic substitution · ⁨Нуклеофильное замещение⁩

A nucleophile swaps in for the leaving group on a halogenoalkane. · ⁨Нуклеофил заменяет уходящую группу в галогеналкане.⁩

15.1

Elimination · ⁨Элиминирование⁩

English

The same halogenoalkane can instead undergo elimination 消去 to form an alkene 烯烃. The conditions decide which reaction wins:

  • $\text{NaOH}$ in water → nucleophilic substitution → an alcohol.
  • $\text{NaOH}$ in ethanol, heated → elimination → an alkene.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
Русский

Тот же галогеналкан может вместо этого претерпеть элиминирование с образованием алкена. Условия определяют, какая реакция преобладает:

  • $\text{NaOH}$ в воде → нуклеофильное замещение → спирт.
  • $\text{NaOH}$ в этаноле, нагревание → элиминирование → алкен.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
Блок-схема: бромоэтан с водным гидроксидом натрия даёт спирт путём замещения, но с гидроксидом натрия в этаноле даёт алкен путём элиминирования
Один и тот же галогеналкан: NaOH в воде замещает до спирта, тогда как NaOH в этаноле (с нагреванием) элиминирует до алкена
Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ элиминирование
alkene/ˈælkiːn/ алкен
transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ Ea =
15.1

The S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2 mechanisms · ⁨Механизмы S$_\text{N}$1 и S$_\text{N}$2⁩

English

Nucleophilic substitution can follow two routes:

  • S$_\text{N}$2: one step. The nucleophile attacks at the same time as the halogen leaves, passing through a crowded transition state 过渡态 where both are half-bonded. The rate depends on both the halogenoalkane and the nucleophile.
  • S$_\text{N}$1: two steps. First the C–X bond breaks to give a carbocation 碳正离子; then the nucleophile attacks it. The rate depends only on the halogenoalkane.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon (the inductive effect 诱导效应), so they stabilise the carbocation. This is why:

  • primary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$2.
  • tertiary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$1 (their carbocation is well stabilised).
  • secondary halogenoalkanes use a mixture of the two.
Русский

Нуклеофильное замещение может протекать по двум путям:

  • S$_\text{N}$2: один шаг. Нуклеофил атакует одновременно с уходом галогена, проходя через перегруженное переходное состояние, где оба атома частично связаны. Скорость зависит как от галогеналкана, так и от нуклеофила.
  • S$_\text{N}$1: два шага. Сначала разрывается связь C–X с образованием карбокатиона; затем нуклеофил атакует его. Скорость зависит только от галогеналкана.
S N 2 показан как один шаг, где нуклеофил атакует по мере ухода галогена через переходное состояние; S N 1 показан как два шага через карбокатион
S$_\text{N}$2 — одношаговый процесс через перегруженное переходное состояние; S$_\text{N}$1 — двухшаговый процесс через карбокатион

Алкильные группы pushes electrons towards the positive carbon (the inductive effect), thus stabilising the carbocation. This is why:

  • Первичные галогеналканы в основном реагируют по механизму S$_\text{N}$2.
  • Третичные галогеналканы в основном реагируют по механизму S$_\text{N}$1 (их карбокатион хорошо стабилизирован).
  • Вторичные галогеналканы используют смесь обоих механизмов.
Explore · ⁨Исследовать⁩

The SN2 mechanism, step by step · ⁨Механизм SN2, шаг за шагом⁩

Step through nucleophilic substitution. The nucleophile attacks from behind as the halide leaves — all in one smooth step, flipping the molecule inside-out. · ⁨Проход через нуклеофильное замещение. Нуклеофил атакует сзади, пока галогид уходит — всё это в один плавный шаг, переворачивая молекулу «внутрь наружу».⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ карбокатион
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ индуктивный эффект
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ энергия связи
15.1

Different reactivities · ⁨Различная реакционная способность⁩

English

How fast a halogenoalkane reacts depends on the strength of the C–X bond, measured by its bond energy 键能. The C–I bond is the weakest, so iodoalkanes react fastest; the C–Cl bond is the strongest of the three, so chloroalkanes react slowest. So when tested with silver nitrate, an iodoalkane gives its precipitate first — its higher reactivity 反应活性 comes from the weaker C–X bond.

Worked example. Predict the mechanism for the hydrolysis of 1-bromobutane and of 2-bromo-2-methylpropane. Classify the halogenoalkane first. 1-bromobutane is primary: the carbon carrying the $\text{Br}$ is barely shielded, so the nucleophile can attack the back of it and the mechanism is $\text{S}_\text{N}2$ - one step, with the rate depending on both the halogenoalkane and the nucleophile. 2-bromo-2-methylpropane is tertiary: three bulky methyl groups block that attack, but they also stabilise the carbocation formed once the $\text{Br}$ leaves, so it goes $\text{S}_\text{N}1$ - two steps, with the rate depending on the halogenoalkane only. Decide from the class (primary → $\text{S}_\text{N}2$, tertiary → $\text{S}_\text{N}1$), and note that the tertiary one hydrolyses faster despite being the more crowded.

Русский

Скорость реакции галогеналкана зависит от прочности связи C–X, измеряемой её энергией связи. Связь C–I является наиболее слабой, поэтому йодоалканы реагируют быстрее всего; связь C–Cl является наиболее прочной из трёх, поэтому хлороалканы реагируют медленнее всего. Поэтому при тестировании с нитратом серебра йодоалкан образует осадок первым — его более высокая реакционная способность обусловлена более слабой связью C–X.

Столбчатая диаграмма энергии связи C–X, убывающая от C–F до C–I, со стрелкой, указывающей на то, что более слабая связь реагирует быстрее
Чем weaker связь C–X, тем быстрее реагирует галогеналкан — поэтому йодалканы реагируют быстрее всего, а хлоралканы медленнее

Разобранное решение. Предскажите механизм гидролиза 1-бромбутана и 2-бром-2-метилпропана. Сначала классифицируйте галогеналкан. 1-бромбутан является первичным: углерод, несущий $\text{Br}$, почти не экранирован, поэтому нуклеофил может атаковать его сзади, и механизм является $\text{S}_\text{N}2$ — одностадийный, скорость зависит от обоих галогеналкана и нуклеофила. 2-бром-2-метилпропан является третичным: три объемные метильные группы блокируют эту атаку, но они также стабилизируют образующийся карбокатион после ухода $\text{Br}$, поэтому он протекает по механизму $\text{S}_\text{N}1$ — двухстадийный, скорость зависит только от галогеналкана. Определите из класса (первичный → $\text{S}_\text{N}2$, третичный → $\text{S}_\text{N}1$) и注意, что третичный гидролизуется быстрее, несмотря на большую стерическую затрудненность.

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ химическая активность
15.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English
  • Draw nucleophilic substitution with a curly arrow from the nucleophile's lone pair to the $\delta+$ carbon and one from the $\text{C-X}$ bond.
  • Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
  • Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
  • Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.
Русский
  • Нарисуйте нуклеофильное замещение с изогнутой стрелкой от неподеленной пары электронов нуклеофила к углероду $\delta+$ и еще одной от связи $\text{C-X}$.
  • Сопоставьте механизм с классом: $S_\text{N}1$ (третичный, карбокатион, два этапа) против $S_\text{N}2$ (первичный, один этап, переходное состояние).
  • Реакционная способность определяется энтальпией связи: $\text{C-I}$ — самая слабая, поэтому йодалканы реагируют быстрее всего (не электроотрицательность).
  • Элиминирование (горячий этанольный KOH) против замещения (теплый водный KOH) — условия определяют продукт; укажите их.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · ⁨Больше тем в A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩⁩

Log in or create account · ⁨Войти или создать аккаунт⁩

IGCSE, A-Level & AP