有机反应机理第六章(一)

第6章活性中间体的研究 6 1活性中间体概述 6 2碳正离子 6 3卡宾 6 4碳负离子 6 5有机自由基 1活性中间体的研究在机理研究中有何意义和作用 2有机反应中常见的活性中间体有哪些 3掌握有机自由基 卡宾 碳正离子 碳负离子等常见活性中间体的结构 产生的条件和反应性 6 1活性中间体概述 多步反应 生成一个或多个活性中间体 活性中间体的研究是机理研究的一个重要组成部分 确定中间体的存在和结构可以提供有关反应机理的信息 特别是关于过渡态的结构信息 如果我们能鉴别在反应过程中出现的每一个活性中间体 对整个反应过程就有了深刻的了解 因此 活性中间体的研究对有机反应机理的研究具有重要意义 活性中间体包括 自由基 卡宾 碳烯 正碳离子 负碳离子 乃春 氮烯 苯炔 6 2碳正离子 碳正离子是指碳原子上带正电荷的一类常见有机活性中间体 其结构如下图所示 带正电荷的碳原子取sp2杂化 三个取代基与中心碳所成的三个共价键处于同一平面 有利于取代基之间尽量远离 碳正离子的稳定性 碳正离子的稳定性受电子效应 包括共轭效应 超共轭效应 诱导效应和场效应 位阻效应 溶剂效应等因素的影响 任何使中心碳原子电子云密度增加的电子效应可使中心碳原子的正电荷分散 提高碳正离子的稳定性 稳定碳正离子的三种效应 相邻原子上有未共用电子对 相邻原子上的 键 相邻原子上的 键 相邻原子上的未共用电子对 键和 键对碳正离子的稳定化作用 相邻原子上有未共用电子对时的共振结构 稳定化作用顺序 周期表自左向右 自上而下降低 X N O F X O S 氮原子的稳定化作用最强 因此 亚胺正离子是一个较稳定的中间体 哪一共振结构稳定 为什么亲电试剂通常进攻碳原子 许多缩合反应经由亚胺正离子中间体 如Knoevenagel缩合 Knoevenagel缩合的机理 Mannich缩合反应也以亚胺正离子为中间体 Formationofthereactiveiminiumionunderacidicconditions Alkylationoftheenolizedcarbonylcompound 如果相邻原子上未共用电子对所在轨道与碳正离子的空p轨道不平行 则不能起到稳定化作用 例如 resonancestabilizationnotpossible 与相邻原子上 键的共振 与相邻原子上 键的共振 超共扼效应 由于碳正离子的中心碳原子取sp2杂化 与sp3杂化相比 有利于取代基之间相互远离 降低张力 因此 碳正离子的中心碳原子上取代基越拥挤 则相应碳正离子越容易形成 空间位阻对碳正离子稳定性的影响 碳正离子的形成 碳正离子是强酸 碱性条件下不可能生成碳正离子 形成碳正离子的主要途径包括 在质子酸或Lewis酸的作用下使 键发生异裂 酸或其它亲电试剂对不饱和键的加成 质子酸或Lewis酸作用下 键的异裂 酸对不饱和键的加成 质子与酰胺 酯等羧酸衍生物加成时 质子加成到羰基氧上形成的共振结构比加成到氮或烷氧基氧上多 其它亲电试剂对不饱和键的加成 碳正离子的反应 消除 质子生成不饱和化合物 与亲核试剂反应 重排 生成更稳定的碳正离子 与含未共用电子对的亲核试剂反应 Alone pairnucleophilebearingaproton H2O ROH RCO2H RNH2 etc isalwaysdeprotonatedimmediatelyafteritaddstothecarbocation 与含未共用电子对的亲核试剂反应 续 WhenthenucleophileisRCO2H thecarbonylOmakesthenewbond nottheOoftheOHgroup 与 亲核试剂反应 与 亲核试剂反应 Pi bondnucleophilescanalsoaddtocarbocationsandanewcarbocationisformed 该反应是否为人名反应 消除 氢 DonotusethearrowtoshowtheH fragmentflyingoffintothewilderness IfH floatingawaybothersyou showaweakbasemakinganewbondtoH atthesametimeastheC Hbondiscleaved Usuallythebaseisassumedtobepresentandisnotshown 重排 Themajormechanismsforcarbocationicrearrangementsare1 2 hydrideshiftsand1 2 alkylshifts Bothoftheseoccurintherearrangementofthecyclohexyliumion a2 carbocation tothe1 methylcyclopentyliumion a3 carbocation 碳正离子重排的实例 Pinacolrearrangement 邻二叔醇重排 频哪醇重排 酸催化下 邻二叔醇失去一分子水 重排成醛或酮的反应 Pinacol重排两种可能的机理 以正碳离子为中间体的分步机理 基团离去与基团迁移同时发生的协同机理 以正碳离子为中间体的分步机理 基团离去与基团迁移同时发生的协同机理 Howdoesonedecidewhetherlossofaleavinggroupisconcertedwitha1 2 shiftorwhetheracarbocationisformedbeforethe1 2 shiftoccurs Understronglyacidicconditions whencarbocationsareparticularlylonglived nonconcertedmechanismsareusuallydrawn Aconcertedmechanismisusuallydrawnwhen lossoftheleavinggroupwouldgiveaparticularlyhighenergycarbocation or thecarbocationthatoneobtainsafterthe1 2 shiftisparticularlylowinenergy or agroupthatisantiperiplanartotheleavinggroupshiftsselectively whereasothergroupsdonot 酸催化下脱任何一个羟基得相同的正碳离子 生成何种产物取决于R和R1的迁移能力 例如 Pinacolrearrangementofsymmetricaltetrasubstituted1 2 diols 迁移能力 芳基 烃基 PPSE 多聚磷酸三甲硅酯 X处于对位或间位 X为供电基 X为吸电基 X处于邻位 由于空间位阻 使芳基迁移能力下降 常见取代基的迁移能力大小见下图 Migratoryaptitudesofsubstitutedphenylgroups 思考题 当X处于对位时 OMe的迁移能力 CH3 当X处于间位时 OMe的迁移能力 CH3 为什么 思考题 以下Pinacol重排只生成甲基迁移产物 为什么 重排方向主要取决于脱羟基后所生成的正碳离子的稳定性 通常与基团的迁移能力无关 例如 Pinacolrearrangementofunsymmetricaltetrasubstituted1 2 diols Pinacolrearrangementoftrisubstituted1 2 diols 酸催化下优先脱叔羟基 仲碳上所连的氢原子或基团发生迁移 例如 优先脱仲羟基的方法 选择性磺酰化 碱催化重排 Pinacolrearrangementswithringexpansionorcontraction 思考题 解释以下反应结果 处于离去基团OH2 反式的甲基迁移 协同机理 若两个羟基处于同一环上 离去基团 OH2 与迁移基团互成反式有利于迁移 处于OH2 反式的环上的 键迁移 导致缩环 卤代醇 氨基醇 羟基硫醚等在一定条件下也能产生以上中间体 然后重排成醛或酮 称其为Semipinacol重排 邻二叔醇重排经由以下正碳离子中间体 Semipinacolrearrangements 卤代醇的重排 脂环 氨基醇重氮化 扩环反应 Tiffeneau 蒂芬欧 扩环 Tiffeneau 蒂芬欧 扩环在合成上的应用 通过以下的反应过程 使环不断地扩大 如果随着环的不断扩大 偕醇腈的生成或其还原过程产率降低 可借硝基甲烷的加成和还原来克服 羟基硫醚的重排 条件 CH2Cl2 10 MeOH R4NCl电解氧化 分析以下重排反应的机理 分析以下重排反应的机理 Tf 三氟甲磺酰基 DTBMP 2 6 二叔丁基 4 甲基吡啶 6 3卡宾 卡宾又叫碳烯 是碳原子上具有两个共价键和两个未成键电子呈电中性的活性中间体 亚甲基是最简单的卡宾 它有两种电子状态 如果两个未成键电子以相反的自旋处于同一轨道内 在光谱学上被称为单线态 如果两个未成键电子以相同的自旋分处于不同的轨道中 被称为三线态 单线态卡宾的中心碳原子取sp2杂化 两个配对的未成键电子处于sp2杂化轨道中 p轨道为空轨道 此结构与碳正离子的结构相似 泡利 Pauli 不相容原理 三线态卡宾的中心碳原子取sp杂化 两个未成键电子分占两个相互垂直的p轨道 洪特 Hund 规则 三线态和单线态卡宾的性质均极活泼 但单线态卡宾更活泼 就亚甲基而言 单线态的能量更高 两种状态的能量差约为33kJ mol 1 36kJ mol 1 卡宾一般具有极高的反应活性 稳定性很低 某些具有特殊结构的卡宾可稳定存在 卡宾的形成 卡宾的形成方法主要分为两类 通过热解或光解含一定形式双键的活性化合物而产生卡宾 通过 消除反应形成卡宾 通过 消除反应形成卡宾 Carbenesgeneratedby eliminationaresingletsbecausethetwounsharedelectronsarederivedfromthesameMO 重氮化合物光解产生三线态卡宾 Simmons Smith试剂 ICH2ZnI 类卡宾 TherateofinsertionofordinaryZndustintotheC Ibondisveryslow sozinc coppercouple orZn Cu isusedinstead 卡宾的反应 卡宾的主要反应可归为三类 环加成反应 插入反应 重排反应 单线态卡宾的环加成反应是立体专一的 即顺式的烯烃只得到顺式的环丙烷衍生物 反式的烯烃只得到反式的环丙烷衍生物 这是由于单线态卡宾有空p轨道 具有亲电性 卡宾上的未成键电子对与烯烃的两个电子通过三元环过渡态形成了两个键 这种一步协同成环保持了反应的立体专一性 三线态卡宾与烯烃反应不能保持立体专一性 得到的是等量的异构体 这是由于三线态卡宾的两个未成键电子自旋方向相同 与烯烃加成是按分步机理进行的 卡宾能向C H单键或C X单键插入 卡宾中心碳的邻位有氢存在时 单线态卡宾可以发生重排反应 生成等电子结构的烯烃 从头计算法表明甲基卡宾重排成乙烯的活化能只有2 5 因此相对环加成和插入反应而言 重排反应是最容易进行的 只有卡宾中心碳的邻位没有氢时 才能发生环加成和插入反应 6 4碳负离子 碳负离子有两种杂化形式 sp2杂化和sp3杂化 但多数场合取sp3杂化 碳负离子的稳定性 碳负离子的稳定性与其负电荷的分散程度有关 负电荷越分散 碳负离子就越稳定 碳负离子与吸电子基团 如NO2 COOEt等 或不饱合体系 如CH CH2 Ar等相连时 稳定性增加 多数碳负离子取sp3杂化 取代基之间