《高等有机化学》PPT课件.ppt

高等有机化学 Advanced Organic Chemistry,Chapter 1. Introduction,1、About Contents of Advanced Organic Chemistry 2、The Relation between Advanced Organic Chemistry and Organic Syntheses 3、The method of Studying Advanced Organic Chemistry,参考书 （1）,1）MARCHS ADVANCED ORGANIC CHEMISTRY; 6th Edition; Michael B. Smith, Jerry March （该书的第五版在2009年已由清华大学 李艳梅教授翻译） 第一部分，分9章 基础理论 第二部分，分10章 反应与反应机理 大量的原始文献 Organic Syntheses(OS)出处,参考书 （2）,2）高等有机化学 王积涛编 3）物理有机化学 高振衡编 4）高等有机化学 美Carey and Sundberg, 夏炽（chi）中译 分A、B两卷： A卷：有机结构理论， B卷：反应与合成 5）高等有机化学基础（第三版） 荣国斌编,Chapter 2. Covalent Bonding,Section 1. Wave Equation Section 2. Localized Chemical Bonding Section 3. Delocalized Chemical Bonding,Section 1. Wave Equation,宏观物体的运动我们用牛顿三大定律来描述： F = ma F = -F 惯性定律 微观粒子要用Schrdinger方程来描述： H(x,y,z) = E(x,y,z) 式中，E是体系的能量,h为Plunk 常数，m为微观粒子的质量，V是位能,关于Schrdinger方程,Schrdinger是偏微分方程 不是推出来的，它是一种大胆的设想； 正确与否要靠事实来回答； 目前还没有发现与该方程相冲突的事实 要 象承认牛顿三大定律一样，我们必须承认它。 问题 既然这个方程是正确的，我们的化学家就应该很容易掌握它； 根本不要作实验， 只要按这个方程计算一下， 就可以得出分子的结构、性质、反应条件、产率， 象我们计算太阳系 八大行星的运行情况一样。 可是实际上并非如此， 原因在于位能函数V。,在求解过程中要求对这四个量子数有下列限制：,当出了问题时有提出一些修正： 诸如屏蔽效应、钻透效应,我们能精确求解的原子：氢原子,关于Schrdinger方程,n = 1，2，3，; l = 0，1，2，3n-1 (s, p, d, f ) ; m = 0， 1， 2， l； ms = 1/2,通过求解得出n，l，m, ms等量子数（即轨道）,然后把氢原子的结构模型套到其他的原子上,根据近似方法不同，我们得到多种化学键理论：,关于Schrdinger方程,目前能精确求解的分子：氢分子离子 其他分子：只能近似求解,对于分子,近似方法,价键法 分子轨道法,About Valence-bond Method and Molecular Orbital Method,分子轨道法(Molecular Orbital Method),价键法(Valence-bond Method),包括 电子配对法 杂化轨道理论 这些都是求解的近似方法。,近似方法： 忽略了许多因素 得出的结论很粗糙 对于它的定量已无多少实用意义 有机化学 只对求解的一些定性结论感兴趣 对它的求解过程及具体的解不感兴趣 这些定性结论 即价键理论和分子轨道理论,问题：,The relation of Valence-bond Method and Molecular Orbital Method,平时我们对这些理论并不都用 究竟用什么理论处理，这要看具体问题 那一种来得方便简单，且又准确，我们就用那一种 我们在一些场合用价键理论，而在另一场合我们用分子轨道理论。 这两种理论没有说那个好的问题 因为两者都是近似求解，都忽略了一些因素。 对于键，我们用价键理论 对于共轭体系我们用分子轨道理论处理 在这种场合下如果我们再用价键理论，就会得出错误的结论。 我们不能说谁比谁更准确 两种理论是互补的，我们大家一定要注意,Section 2. Localized Chemical Bonding,1、Definition of Localized Chemical Bonding. 2、Valence-bond (VB). 3、Hybridization.,1、Definition of Localized Chemical Bonding.,Localized Chemical Bonding maybe defined as bonding in which the electrons are shared by tow and only two nuclei. （Delocalized Chemical bonding: maybe defined as bonding in which the electrons are shared by more than tow nuclei.）,所有的键和孤立的键都是定域键。 处理定域键时使用价键理论和分子轨道理论得到同样的结论 价键理论比较直观，形象、简单，而分子轨道理论比较抽象复杂 所以我们处理定域键时使用价键理论。 处理离域键时使用分子轨道理论。,2、Valence-bond (VB),（略）,3. Hybridization,（略）,Section 3. Delocalized Chemical Bonding,1. Definition of Delocalized Chemical Bonding . 2.The Structure of Benzene . 3. Resonance Theory . 4. Aromaticity,Definition of Delocalized Chemical Bonding,Delocalized Chemical Bonding maybe defined as bonding in which the electrons are shared by more than tow nuclei.,2.The Structure of Benzene,1) Lewis 结构,即电子结构。 2) 用Lewis 结构表示苯的缺陷。 3）离域域处理苯。 4）其他离域键的分子举例 。,1) Lewis Structure 即电子结构,2) 用Lewis 结构表示苯的缺陷。,苯的Kekule结构式：,很难想象,后来发展的共振论用两个式子来表示：,6个C等同，6个C-H键等同！,C6H6,但这样表示不能说明为什么邻二取代物只有一种！ 因为若按Kekule结构式邻二氯苯应该有下列两种结构：,苯的化学性质易取代，不易加成。 苯的氢化热问题。 理论计算： 环己烯：28.6千卡/摩尔 环己三烯：28.63=85.8Kcal/mole （若三个双键无相互作用）,关于苯的稳定性：离域能,实际氢化热：49.8千卡/摩尔 差值：36千卡/摩尔 键长问题：CC： 1.48, (148pm, 0.148nm) C=C： 1.32 苯： 1.4 ， 正六边形,3）分子轨道（离域）处理苯。,分子轨道理论处理： 把三个双键作为离域键来考虑 认为6个电子是离域的，而不作为定域处理。 Hckel分子轨道理论(HMO)： 骨架用价键理论处理 键用分子轨道处理。,苯的Hckel分子轨道法,每个C原子剩下1个p轨道，共剩下6个p轨道 这6个p轨道形成离域键，形成6个分子轨道 其中三个是成键轨道,6各C原子采取sp2杂化成键形成下列骨架 ：,3个成键的轨道,1,2,3,整个轨道的电子云图如下：,6个轨道能量： +2，+，+，-，-，-2 ：库仑积分，：交换积分（负值），又称共轭积分。,苯的轨道能量和,-2 - - + , + +2,3个成键轨道能量和：6+8 环己烯的能量：2+2 环己三烯能量：6+6 差值：2/mol 即 36kcal/mol 称为离域能、共轭能,HMO的不足,HMO解释了苯的性质，稳定性，键长平均化。 苯的另一种表示方式：,缺点：忽略了电子间的排斥。 如果把键和键一起作为分子轨道进行计算，结果会更精确。且会得出一些很有用的结果。现代计算机使这种计算成为可能,4）其他离域键的分子举例,1,3-丁二烯 CH2=CH-CH=CH2,HMO法：,反键轨道,成键轨道, -1.618, -0.618,+1.618, + 0.618,成键电子能量： 4+4.472 孤立双键能量： +， 2个孤立双键能量：4+4， 离域能：0.472,1,3-丁二烯四个轨道的电子云图,烯丙基,成键轨道,反键轨道,非键轨道,P 轨道,0个电子,1个电子,2个电子,轨道位相,电子云,氯乙烯,交横共轭,3. Resonance Theory,分子的真实结构不知道（即不能用一种Lewis 结构表示），但可以用几种Lewis结构共同来描述，这几种Lewis结构称做共振极限结构。整个分子具有所有这些共振极限结构的性质。 共振极限结构必须符合经典概念，例如：碳不能为5价。 所有共振极限结构中，原子核的位置必须是一样的，只是电子的排列方式不同。 共振极限结构之间用符号“ ”连接起来。 每个共振极限结构对分子的贡献大小不一样，稳定结构的贡献最大。 共振极限结构越多越稳定。,共振论实际上是价键理论的延伸。,要点：,共振论举例,如苯：,氯苯：,关于p-d成键,如：,注意： 碳硫键，不是由氧原子p轨道和硫的p轨道重叠形成的。,硫原子的电子结构：3S23P4，硫采取SP3杂化，该分子为四面体结构，孤对电子占住一个顶点。,那么硫原子用什么轨道与氧原子的p轨道形成键呢？,答案：d轨道。,这就是p-d成键！,其他的p-d成键举例,氧化胺,氧化膦,亚砜,（没有共振，缺乏稳定性）,ylide（内鎓盐）,磷的依立德,硫的依立德,氮的依立德,只能写出这种形式 又一次说明瞵的依立德比氮稳定。,注意: 硫的依立德也不够稳定，尽管有共振。,4. Aromaticity,芳香性是指分子的特殊稳定性。如苯环具有下列特性： （1）高度的不饱和，（2）特别稳定。 性质清楚，但难寻求到一种满意的定义。 有人提出芳香性与电子环即芳香六隅体有关，但测定这种电子环困难。 现在可以用NMR来测定了。通过NMR确定是否有反磁环流存在。,关于方向性的定义,反磁环流,若有反磁环流存在则：,所以环上氢的=78ppm，环外氢2ppm。,环外氢在高场区的证实,后来合成了 ：,paracyclophane,CH2为=12ppm，的比平常的低得多。越到中间越低。,有人提出：是否有反磁环流存在作为芳香性的定义。 尽管有缺陷，仍为大多数人接受。,Hckel的 4n+2规则,含有4n+2个电子的平面环状共轭多烯具有芳香性（n为整数）。 例如下列的电子符合4n+2 规则，有芳香性：,下列的电子不符合4n+2 规则，没有芳香性：,轮 烯,分析CmHm的 环状烯烃。 当m=2k+1(奇数)时，为自由基，不稳定。 当m=2k（偶数）时，是稳定的环状共轭多烯,具有C2kH2k分子式的环状共轭多烯称：轮烯。,m=4 的轮 烯,m=4, C4H4：平面环丁二烯。 为双自由基，不稳定，实际采取折叠式：,键长不平均化，1.506 (150.6pm), 1.376 分子折叠后，轨道不重叠，形成两个孤立的轨道。,m=6 的轮 烯,C6H6, 苯. 满足 4n+2 规则，有芳香性。,m=8 的轮 烯,C8H8, 环辛四烯,不满足 4n+2 规则，没有芳香性。 事实上，它不采取平面结构，而是采取下列结构：,平面结构的环辛四烯是反芳香性的。 非平面结构的环辛四烯是非芳香性的。,m=10 的轮 烯,m=10, 环癸五烯，按Hckel的 4n+2规则，有芳香性。但空间结构不允许：,反-顺-反-顺-顺式 全顺式 反-顺-顺-顺-顺式,实际上都不具有芳香性。原因：角张力、空间张力之故。,1,6-亚甲基10轮烯,键长均等，有反磁环流。,m=12 的轮 烯,C12H12, 环十二碳烯，4n，平面，不稳定。,m=14、18 的轮 烯,C14H14,十四碳环七烯（n=3），十八碳环八烯，（n=4）,这两个化合物环足够大，无空间张力，分子是平面的。有芳香性，而且环内质子的化学位移负得比较厉害。 目前已合成了二十碳环十烯，二十二碳环十一烯，二十四碳环十二烯，只有二十二碳环十一烯具有芳香性。,杂原子芳香体系,符合4n+2规则，有芳香性。 吡啶与吡咯的碱性问题。 吡啶与吡咯的极性问题。,带电荷的芳香体系,茂 zhuo 莘,C-H的酸性问题,pKa = 16.0,兰烃,1.08D,互变异构与共振的区别,共振式 互变异构体,Hckel规则 的图解法,原子轨道能级,n 3 4 5 6,n 7 8 9 10,画一个正多边形，使正多边形的一个顶点朝下 分子轨道的能级在正多边形的顶点 外接圆的圆心为原子轨道能级。,图解法求分子轨道：,Chapter 3. Stereochemistry,Section 1. Optical Activity and Chirality,Optically active: Rotation of the plane of polarized light Chirality Chiral molecule: a molecule is not superimposable on its mirror image (the property of nonsuperimposability),Enantiomers,Racemates,Properties of enantiomers,Properties of racemates,1）组成：两种异构体等量混合。 2）气态、液态和溶液的性质与各别对映体的性质一样（理想混合）。 3）固体的某些性质与各别对映体的性质不一样 如：M.P.、Solubility,1. Dependence of Rotation on Condition of Measurement,对溶液:,对纯化合物:,(c: g/ml ) (l: dm =10cm ),( d: g/ml ),: Amount of rotation, (l, t, sol, c, p, ),引入比旋光度：,Dependence of Rotation on Temperature,温度不仅改变的大小，而且改变方向。 如天冬酸： 20D = +4.36, 90D = -1.86, 75D = 0 理论上浓度不影响比旋光度 但考虑到分子的缔合、离解、溶质与溶剂的相互作用的因素，比旋光度可能因浓度而发生变化。,2. What kinds of molecule display optical activity,下列化合物没有手性： 具有对称面的化合物 具有对称中心的化合物 具有n阶更迭对称轴的化合物,有一个对称中心的分子,i,下面我们来看这个具有对称中心的分子是否有手性。即其镜像是否与分子本身重叠？,镜像是否与分子本身完全重叠！ 分子的镜像与分子本身完全重叠 分子无手性。 结论：有对称中心的分子无手性。,n阶更迭对称轴,下面是4阶更迭对称轴轴，记作S4。,n阶更迭对称轴：Cnv，即旋转反映轴。,具有n阶更迭对称轴（即Sn轴）的分子无手性。 注意：只有S4轴是独立存在的，其它的轴Sn 都不是独立存在的。如：S2轴中有对称中心i存在。,上面已述：分子存在对称中心 i,不对称分子的充分条件必要条件,不对称碳的存在，对旋光性 既不是充分条件，也不是必要条件。,（1）有不对称碳的化合物 （2）含其他4价不对称原子的化合物。如磷、氮。 （3）含三价不对称原子的化合物 （4）取代的金刚烷 （5）包含合适取代的八面体原子的化合物 （6）转动受限而使分子产生手性轴 （7）螺旋形产生手性（右手螺旋和左手螺旋） （8）其他类型,（1）有不对称碳的化合物,只有1个不对称碳的化合物必旋光 不管不对称碳上的4个基团差别如何小 只要有差别，就有旋光 哪怕一个是氢一个是氘。 旋光的大小依赖于四个基团极性差的大 小。,（2）含其他4价不对称原子的化合物,（3）含三价不对称原子的化合物,A. 伞效应，一般无手性。 B. 在三元环上的N 原子且该原子与带孤电子对的原子连接，在室温下消除了伞效应，因此有旋光性。 C. 若N原子在桥头，也没有伞效应，例 :,（4）取代的金刚烷,（5）包含合适取代的八面体原子的化合物,（6）转动受限而使分子产生手性轴,如：,（7）螺旋形产生手性（右手螺旋和左手螺旋）,如：,（8）其他类型,例如：二茂铁的两个茂环上，一个环有一甲基，一个环上有两个不同的邻位取代基。,3. The method of Expressing Configuration,Fischer投影式：,The Fischer projection and its properties 横前竖后，不能离开平面翻转，可在纸平面上转180度。,命名法,1. DL命名法 以D-(+)-甘油醛为标准：,2. RS法,D-(+)-甘油醛,4. The method of determining Configuration,原则：想办法把未知物构型和已知物构型联系起来。 (1) 不干扰手性中心的反应，反应前后的化合物构型不变。利用这一原理可以确定一些化合物的构型。 (2) 若知道反应机理，则可以从反应物的构型推测生成物的构型。如：SN2机理。 (3) 似外消旋化合物法。 (4) 生物化学法。 (5) 旋光比较 。 (6) Bijvoet的专门X-衍射给出直接结果。 (7) 其它方法：旋光色散和不对称合成。,似外消旋化合物法,外消旋化合物的的熔点高于R、S两种异构体任何一种。 这时外消旋化合物的熔点曲线为下图。,外消旋化合物：,有的外消旋混合物的R、S两种异构体之间有很强的分子间作用力，,能以1:1的比例成对地结晶出来，,这时的外消旋混合物就成了外消旋化合物。,返回,似外消旋化合物,有时我们发现有这么一种情况： 化合物A和化合物B很相相似（但不相同） 化合物A的R异构体和化合物B的S异构体也形成类似的外消旋化合物 我们把它称做为似外消旋化合物 似外消旋化合物的熔点曲线和真正的外消旋化合物一样。 利用似外消旋化合物这种现象我们可以确定未知物的构型。 将未知的B与已知构型的A混合，测定其熔点曲线。,似外消旋混合物举例,例如下列两个化合物形成似外消旋化合物 。,(4) 生物化学法,酶是一种手性分子，它通常只进攻一种构型的分子。,已知某种酶进攻8种氨基酸的L型， 若对于第九种氨基酸也进攻， 那么，第九种氨基酸也是L型。,(5) 旋光比较 。,在同系列里， 旋光通常沿着一个方向逐渐改变。 若该系列足够多的成员的构型已知的话， 那么遗漏成员的构型用类推法可以确定。,(6) Bijvoet的专门X-衍射给出直接结果,培养单晶，做X射线单晶衍射。,(7)其它方法,旋光色散： 测定比旋光度与波长的关系曲线图 不对称合成： 用有机合成 的方法将化合物合成出来。,5. Molecules with more than one chiral center,其它内容（略） 讲一讲赤式和苏式的概念。 赤式和苏式这两个名词来源于赤藓糖和苏阿糖， 它们都是含有两个手性碳的丁醛糖。,赤藓糖和苏阿糖(Erythroses & Threoses),赤对和苏对(Erythro pair & Threo pair ),用Newman投影式表示,Section 2. Cis-trans Isomerism,1. Cis-trans isomerism resulting from double bonds （略） 2. Cis-trans isomerism resulting from monocyclic compounds 3. Inorganic cis-trans isomerism,2. Cis-trans isomerism resulting from monocyclic compounds,e.g.,当环上的取代基多于2个时，就不能用“顺反”法来命名。 这时按下列方法来命名： （1） 选择一个参考基，根据与参考基的相对位置来确定其它基团的顺反。 （2） 参考基的选择标准： 位次最低的基团；,反-2-氯-环己醇,同一碳原子有两个基时，选名称母体做参考基；e.g.,顺-2,反-4-二甲基-r-1-环己醇,反-3-甲基-1-氯-3-溴-r-1-环己甲酸,若沿环有两种相同编号时则选择参考基之后第一个取代基为顺式。如：,r-2,顺-4,反-6-三甲基-1,3-二氧杂环己烷,3. Inorganic cis-trans isomerism,主要讲两种。,（1）平面正方形络合物,（2）八面体化合物，如：MA2B4,Section 3. Dynamic Stereochemistry,1. Enantiotopic and Diastereotopic atoms, Groups, and Faces 2. Asymmetric Synthesis 3. Dynamic Stereochemistry 4. Optical Purity,1. Enantiotopic and Diastereotopic atoms, Groups, and Faces,(1) Enantiotopic atoms and Groups (2) Diastereotopic atoms and Groups (3) Enantiotopic Face (4) Diastereotopic Face,(1) Enantiotopic atoms and Groups,我们来分析下面两个结构：,I II,I中3个X是完全等同的，因为另一基团W无论取代那一个X都得到同一化合物。 现在来看II：粗看起来这两个X基团完全等同， 仔细分析就会发现两个X基团不完全等同。 当用W取代X时，我们发现取代前面一个和取代后面一个，得到的化合物构型不一样。,用W取代II中的两个不同位置的X,在这种情况下，2个X互为对映异位基团（或原子）。,(Enantiotopic atoms or Groups),Prochiral（前手性）： Pro-R、 Pro-S 的概念：取代后产生R构型化合物的称前R （Pro-R） ，取代后产生S构型化合物的称前S（ Pro-S ）。 注意：当一个碳原子上有3个相同基团时，这3个基团是完全等同的。,举例 :,对映异位原子或基团 在对称环境下的化学性质相同（产生外消旋混合物）； 在不对称环境下化学性质不相同。,对映异位原子或基团的性质,NMR: 在非手性条件下化学位移相同，在手性条件下化学位移不相同。如手性位移试剂，手性溶剂。,(2) Diastereotopic atoms and Groups,在下列化合物中当Y和Z中有一个是手性基团时，2个X就不是对映异位基团了 因为W分别取代两个X后得到的化合物不是对映体，而是非对映体：,C的对映体是D而不是B。 B和C是非对映异构体， 在这种情况下，我们称这2个X为非对映异位基团。,举例,非对映异位基团： 即使在非手性条件下（对称环境下）化学反应活性也不相同。 讨论它们的NMR。,(3) Enantiotopic and Diastereotopic Face,a) 两个面都是等同的分子 如甲醛：,b) 对映异位面 如乙醛,我们把这样的面称为对映异位面,Re面和Si面的概念,在非手性环境下，对映异位面的活性相等； 在手性条件下，对映异位面的活性不相等。 手性试剂进攻 非手性试剂进攻.,非对映异位面,当羰基碳上连有一个手性基团时，羰基的两个面就成了非对映异位面。 例如：,非手性试剂对两个面的进攻，产生一对非对映体异构体：,这样我们把这样的面称为非对映异位面。 非对映异位面的化学性质不相等。,2. Asymmetric Synthesis,定义： 在分子内部不对称因素的诱导下， 或在不对称环境的条件下， 产生新的手性中心时， 形成两种可能的构型的数量不相等， 这样的合成称为不对称合成。 旋光的物质不能由不旋光的起始物和反应条件产生， 绝对的不对称合成是没有的， 因此，不对称合成必须有不对称因素的存在。 以下从3个方面讨论:,从旋光底物出发,这是我们前面讲过的非对映异位面与非手性试剂的反应，从这里我们看出两个面的化学活性不同。,Gram规则： 现在来分析CH3CH2CH(CH3)CHO与HCN加成产物的立体化学。,应用旋光试剂,在羰基的加成反应中，如果底物有个对映异位面，分子本身是对称的， 羰基的两个面遭到试剂进攻的时候， 若试剂是非手性的，产物只能是完全的外消旋； 若试剂手性的，两个面的活性不一样，得到的两个非对映异构体数量不相等。这是就成了不对称合成。 如：,应用旋光催化剂或旋光溶剂,Org. Synth. 61 24,3. Dynamic Stereochemistry,按照特定立体途径进行的化学过程，叫做动态立体化学。 了解动态立体化学方面的知识对于反应过程、反应速度及影响反应的因素都能作出较深层次的说明。 动态立体化学可分为两种：一种叫立体专属反应。 一种叫立体选择反应 立体专属反应：立体异构物的原料在某种条件下取得具有一定构型的产物（在相同反应条件下，由立体异构物的起始物得出立体异构物的不同产物）。 立体选择反应：同一反应物能产生立体异构产物，其中某种异构体较多的生成。,举例,一切立体专属反应都是立体选择反应，但反之则不然。,立体选择性,还有前面讲的-甲基丁酮与HCN的反应。,4. Optical Purity,当我们进行不对称合成时， 如果反应是立体选择性的时， 我们得到的产物是旋光的， 但产物中还存在一部分外消旋体， 那么对旋光作出贡献的物质是多少呢？ 这是我们可用旋光纯度的概念来表示。,旋光纯度=,假设体系为纯旋光物质，那么它的比旋光度为，记为极大， 当体系参有对映体时，那么它的总的旋光度就要降低，得到的比旋光是不真实的，我们把它称做表观比旋光度，记作表观。,定义 ：,旋光纯度 的计算,表 = 极大对表有贡献R体的百分数 = 极大（100%-2Ps）,旋光纯度,enantiomeric excess 简称 ee diastereoisomeric excess 简称 de,现在假设体系中RS，设Ps为S体占的百分数。,Section 4. Conformation Analysis,1. Conformation in Open-chain Systems 2. Conformation in Six-membered Rings 3. Conformation in Six-membered Rings Containing Hetero Atoms,构象：由分子内的键自由旋转而产生的立体异构体称为构象。,一个化合物构象异构有无穷多个，互相旋转很快，不能分离。,1. 乙烷的极限构象：,交叉式 (低能) 重叠式(高能),为即二面角：,乙烷构象中扭转角和势能的关系,最高能和最低能的差：称为能垒。,乙烷E：2.97Kcal/mol. 乙烷旋转的能量比较低，在室温分子的转动能足以使乙烷分子迅速转动。比氢更大的基团能垒更大。,丁烷绕C2 C3旋转产生的构象势能图,全重叠 邻位交叉 部分重叠 对位交叉,丁烷C2C3在室温下也能自由旋转。 当能量超过一定的限度时，在室温下转动就完全被阻， 这时产生的立体异构体已经不是构象，而是构型了。,如：,有些能垒较小的化合物可以通过冷冻法除去转动能， 这时就把构象异构体变成构型异构体了。,2. Conformation in Six-membered Rings,以环己烷为例： 环己烷中的C原子采用SP3 杂化，键角应为109 28， 所以分子不能以平面的形式存在。 它有三种极限构象：,椅式 船式 扭式,扭式的能量比船式低1.5千卡/摩， 椅式又比扭式低5千卡/摩， 因此最稳定的构象是椅式， 环己烷中大部分以椅式存在， 一种椅式可以翻转变成另一种椅式，能量10.8千卡/摩。,a键和e键,在椅式构象中， 非环键可分成两类，a键和e键。 即 axial 直立, equatorial 平伏,当它翻转变成另一种椅式后， 原来的a 键变成e 键， 原来的e键变成a 键。,一取代的环己烷,在一取代的环己烷中， 取代基在e键的构象占优势，(极性取代基则无这样的性质)， 基团越大，这样的优势越大， 当环上有较大的取代基，e.g t-Bu,它必须在e键上， 足够大的取代基把环冻结了，使之不能自由翻转。,不能翻转,在有些分子中扭式构象有利,e.g .,3. Conformation in Six-membered Rings Containing Hetero Atoms,当在环己烷的环中引入杂原子，e.g. O， 基本情况还是一样的椅式、船式和扭式，a键和e键， 但也有一些新的因素。,在A中 R处于e键的优势不及在环己烷中，这主要是O原子上的孤对电子有较小的空间要求。,A B,在B中OH处于a键中 。,Section 5. Strain,分子空间张力能可以分为一下几种： E(r): stretch Strain拉伸张力 E(d): nonbonded Strain 非键张力 E():Twisty Strain扭转张力。 E(): Angle Strain 角张力,“张力”这一词是借用机械力学术语， 早年把分子结构参数背离正常值、使得体系能量升高叫做体系存在“张力”， 现在张力一词有更多的意义。,E(r): stretch Strain拉伸张力,由键长偏离正常值而产生的能量升高。,E(d): nonbonded Strain 非键张力,两氢相距183pm，小于它们的范德华半径之和。 非键张力不好估计，可能是引力，也可能是斥力。,由两基团的空间因素而产生的能量升高。,如：,E():Twisty Strain扭转张力。,因C-C键旋转而引起的能量增加。 在乙烷中， 对位交叉式的扭转能为0，重叠式扭转能最大， 这种能垒与非键张力有关， 不过通常把乙烷中的这种H-H重叠所产生的能量称为扭转张力， 而把其它基团中重叠的张力减去乙烷中的这种扭转能作为非键张力。 全重叠的乙烷的扭转能为2.8千卡/摩尔。 丁烷的全重叠中， 因分子的扭转除了产生2.8千卡/摩尔扭转能以外，还要加上3.2千卡/摩尔的非键张力能。,E(): Angle Strain 角张力,由分子键角偏离正常值所引起，也称Bayer 张力。,（1）小环 （2）普通环 （3）中等环（811） （4）大环（12员以上） （5）不饱和环,（1）小环,（1）小环 三员环 有很大的张力. C-C-C键角60度，与109o28差很远。非常容易开环。,a) 弯键理论（香蕉键）， 在环丙烷中，C-C键的形成如下：,理论：,b) 不等性杂化理论,外轨道（在环丙烷的C-H键）是2个SP2杂化轨道（每个轨道S成分占1/3，P轨道占2/3）。 内轨道（在环丙烷中的C-C键）是2个SP5杂化轨道（每个轨道S成分占1/6，P轨道占5/6）。,四员环 也表现角张力。 不过比三员环要小得多，因为分子可以折叠起来。,（2）普通环 、中等环和大环,五员环、六员环和七员环，大多数没有张力。,中等环张力相当大，有大角张力和跨环张力（跨环氢的相互作用力）,大环（12员以上） 几乎没有张力 。,（3）不饱和环：,前者偏离120-60=60（度），后者偏离109.5-60=49.5（度）。,Section 6. Conformation Effects on reactivity,有些类似的化合物进行同一反应时，反应活性差别很大，这些差别有的可以用构象效应来解释。 其实关于反应活性的构象效应我们在前面的不对称合成这一部分讲Gram规则时已经遇到过。 关于反应活性的构象效应研究得透彻的是环己烷衍生物。 环己烷上的取代基可以被构象致活或致钝。在许多反应中，a键的基团和e键的基团反应活性不一样。 由于环己烷中a键和e键很容易互相转变，所以一般在环上引入大的基团将这种构象冻结，使之不发生转变。一般用的大基团是t-Bu。,举例1,现在我们来看一下一下两个醇I和II的反应活性：,由于t-Bu的体积庞大，它必须处于E键上，整个环的构象被冻结。,因此，I中的OH必须在a键上。 同理，II中的OH必须在e键上。,I与II区别是： I中的OH与t-Bu是互为顺式， II中的OH与t-Bu是互为反式，,下列翻转不能进行。,用乙酐做酰化剂的反应,在用乙酐做酰化剂的反应中，II比I快。 这是因为反应分两步进行：,中间体III的生成是速度决定步骤。,当醇为 I 时，中间体的,基在a键上。,当醇为II时，中间体中的,基在e键上。,反应试如下:,显然中间体IV不如中间体V稳定。所以II比I反应快。,与CrO3的氧化反应,但在与CrO3的氧化反应中，则I比II快。这是因为反应也分两步走：,但第二步是反应速度决定步骤。两者的最终产物是一样的，VI的能量比VII高，所以从热力学看VI的分解速度要快一些，所以I被氧化的速度比II快。,练习,比较下列两个酯的水解速度：,构象对C的杂化态改变的影响,我们注意到在小环中SP2C变成SP3状态困难，主要是角张力的原因。 但在普通环中则不是这样，e.g.,前者v=23, 后者v=1。 在这里角张力基本消除，对于五员环来讲SP2C变成SP3增加了非键张力，因为五员环的键取向相同的多，而对于六员环来讲，多一个SP3键并不增加非键张力。请用模型比较。,Chapter 4. Active Intermediates in Reaction,反应中间体只存在于反应中，大多数寿命很短，一般说来只能用仪器检测或用试剂捕捉，而不能分离出来。当然也有一些寿命很长，在特殊情况下可以长期保存。 有机反应中产生的中间体有四类： 碳正离子、碳负离子、自由基、卡宾和奈春。,Section 1. Carbocations (Carbonium ions 碳正离子),Stability and Structure 2. The Generation and Fate,1. Stability and Structure,a) 普通烷基阳离子的稳定性： 叔阳离子仲阳离子伯阳离子甲基阳离子 阳离子有重排作用，在H2SO4中不稳定。 在超酸中可保存：如在FSO3H-SbF5-SO3中。 解释：+I效应（Inductive effect, + I: electron-donating） +C效应（Conjugation Effect , + C: electron-donating） B张力（Back张力）,b) 共轭体系的碳阳离子,解释：,类似的还有：,在96%的H2SO4中就能形成。,三苯甲烷的阳离子是螺旋桨形,共轭能减少。,核磁共振表明，三苯甲烷的阳离子中心C带的电荷比Ph2CH+中心带的电荷多，但稳定性前者比后者好。 原因还不能完全理解（包括环丙基在稳定性方面比苯基好的原因也不能理解）。 桥头碳生产碳阳离子困难。 C) 非经典阳离子 以后讨论。,2. The Generation and Fate,（1）产生： a) 直接离解:,b) 不饱和体系的亲电加成,不管怎样产生，碳阳离子的寿命总是很短的，并且还要继续反应。 碳阳离子有好几种反应方式， 其中一些生成稳定的产物， 而另一些导致其它的碳阳离子，而且这些碳阳离子还要继续反应，直至生成稳定的产物.,（2）消失：,与有电子对的物质结合（Lewis 碱）：,从邻位失去质子：,重排,加成,后两种是阳离子的位置转移，而没有消失。,Section 2. Carbanions,1. Stability and Structure 和碳阳离子相反，溶液中的碳阴离子很不稳定，努力制备游离的乙基阴离子和异丙基阴离子溶液没有成功。 阴离子常以离子对的形式存在，所以是得对它的研究比较困难。 普通碳阴离子的稳定顺序大致如下：,甲基碳阴离子 伯碳阴离子 仲碳阴离子 叔碳阴离子 这与碳阳离子的稳定性顺序相反。 解释：烷基的+I效应。,C效应和F效应,C效应： 使得碳阴离子的稳定性增加，这个效应和碳阳离子相同。,F效应：,Structure:,一般认为是锥形结构。 桥头碳也能形成碳负离子。,2. The Generation and Fate,产生： 1）正离子的离去。,2) 阴离子对双键的的加成,消失： 1）与Lewis酸反应。,2）与双键加成。,Section 3. Free Radicals,1. Definition and Detection of Free Radicals,Definition：含有一个或多个未成对电子的物种称为自由基，也称游离基。,有些无机分子也是自由基。e.g.：,还有些中性原子也是自由基，e.g. ：,Detection:,esr (electron spin resonance) or epr(electron paramagnetic resonance） 其原理和核磁共振类似： 单电子自旋产生磁矩。 如果外加一个磁场，这个磁矩就有两个可能的不同取向，一种与外磁场相同，一种与外磁场相反，因而产生了不同的能级(Zeeman效应)。 这两个能级能量差也在无线波频率范围内。当从基态跃迁到激发态时，它就要吸收该频率的电磁能，产生共振信号。 当电子成对时（即两电子在同一轨道时），根据Puali原理，总自旋量子数等于零，所以不产生esr吸收。 因此，当体系存在未成对电子时，就会产生esr谱，这样我们就用esr谱来探测它的存在。（即使寿命远不到一秒的也能被检测）。 因为一个电子的自旋量子数有两种可能，按光谱学术语称为双线态：2s+1=2。,当然如果esr没有探测到，并不是没有自由基，而是浓度太低。 可以采取自旋捕捉的方法。 检测自由基的另一种技术是用频谱的法： 若在反应过程中测定NMR，若有R产生，则会使得某些信号会加强，（正负两向），有些可能被减弱： 这种行为称做CIDNP, i.e. Chemically Induced Dynamic Nuclear Polarization。 e.g.,反应过程中出现自由基,反应时的NMR图谱,EtI 的NMR参考图谱,2. Stability and Structure,a) 烷基自由基的稳定性： 叔仲伯 解释：超共轭作用。,b) 有共轭作用使得自由基的稳定性增加， e.g.：,它们比普通的烷基稳定，但也只能瞬间存在。 有些自由基能无限期的保存。,e.g. 在室温下能存在于溶液中，但它也能形成二聚体，产生下列平衡：,过去认为，二聚体Ph3 C-CPh3,近年来发现为：,在Ph3C中，共轭作用当然对稳定Ph3C有贡献。 但近些年来的研究表明：阻碍二聚体发生的空间位阻因素的贡献大，而且是主要的。J.Am.Chem.Soc. 89 2054(1967) 。 支持这一观点的另一证据是：(NC)3C 在这个自由基中，如果从共轭来考虑是相当稳定的，但实际上已经是二聚化了，（在这自由基中，二聚位阻很小）。 归纳以上：二聚体的位阻也可以使得自由基稳定。 全氯三芳基甲基自由基比未被取代的更稳定，它在溶液和固态中是惰性的。,c) 未成对电子不在碳原子的自由基也是很稳定的。,二苯基苦基肼，是一种能保存多年的固体。下列反应：,不发生在自由基上。,d)自由基的稳定性的度量,用,的离解能可以度量R的稳定性,e) 一般来说，烷基自由基碳采取SP3杂化，锥形结构，成平面结构时，单电子在P轨道里。,在桥头形成自由基困难（与烷基阴离子相比）。 但比碳阳离子来容易形成，说明自由基也能以锥形结构存在 实际上锥形结构和平面结果能量相差不很大。 当基碳原子上有电负性很大的原子或基团时， e.g. CF3，优先的结构是锥形。,f) 双自由基： 除了单自由基外，有时还存在双自由基，即在一个基团里面含有两个未配对的电子。,e.g CH2CH2CH2CH2 它表现2个双线态的行为。 两个未配对电子足够近时，可以相互作用（或通过不饱和体系相互作用）他们就成了三线态： 2S+1=21+1=3 (S=1,0,-1),在三线态中二个电子有相同的自旋,e.g：,O-O是一个三线态，许多有氧参加的反应是自由基反应。 当两个未配对电子在一个碳原子上时，就变成了Carbene，这是以后要讨论的。,3. The Generation and Fate,1） 热解： 有一些热敏感物质在加热的条件下就可以产生自由基，这些物质的离解能一般很低： 20-40Kcal/mol。 这些物质主要是酰基过氧化物和偶氮化合物。e.g：,过氧化苯甲酰被用来作聚合反应的引发剂。,2) 光化学裂解,也可以从其它自由基转化形成： e.g.,The Fate,1) 双基偶合,R + R R-R,）岐化,2CH3-CH2 CH3-CH3 + CH2=CH2,Propagation 增长,1) 对重键的加成,2) 转移,3) 分解,4) 重排,除此之外游离基还可以氧化成碳阳离子或还原成碳阴离子,4. Radical Ions,一般自由基是电中性的，但自由基离子是带电荷的自由基。e.g.,在碱金属作为还原剂的反应里，经常出现自由基离子是中间体。,Section 4. Carbenes,卡宾也称碳烯，是两个未配对电子在一个碳原子上。 其寿命在1秒以下，e.g. :CCl2,1. Stability and Structure,卡宾有2种电子状态。 两非键电子配对：S=0, 2S+1=1, 单线态，即高能态。 两非键电子平行自旋：S=1, 2S+1=3, 三线态，即低能态。 单线态经碰撞变成三线态。 单线态的 :CH