高等有机化学 第二章 有机反应中的活性中间体(2010级)

2020/5/12,1,第二章有机反应活性中间体(ReactiveintermediatesinOrganicChemistry),2020/5/12,2,一、碳正离子（Carbocation）二、碳负离子（Carbanions）三、自由基（Freeradicals）四、碳烯（卡宾，Carbenes)五、氮烯（乃春，Nitrenes)六、苯炔(Benzyne),2020/5/12,3,在有机反应中，有机反应有些是属于一步完成的，称为协同反应。,概述,Diels-Alder反应,2020/5/12,4,更多的有机反应则不止一步，反应中至少包括一个活性中间体的生成。例如叔卤代烷的水解首先生成碳正离子，然后与水反应而得到水解产物。,2020/5/12,5,2020/5/12,6,协同反应的能峰图,分步反应的能峰图,2020/5/12,7,一、正碳离子(Carbocations),含有正电荷的三价碳原子的不稳定的有机物。,分析这种物质对发现能廉价制造几十种当代必需的化工产品是至关重要的。欧拉教授发现了利用超强酸使碳正离子保持稳定的方法，能够配制高浓度的碳正离子和仔细研究它。他的发现已用于提高炼油的效率、生产无铅汽油和研制新药物,2020/5/12,8,+,C,sp2-sbond,CH3+的轨道结构,sp2-sp3bond,(CH3)3C+的轨道结构,H,H,H,sp2杂化,平面三角构型,空的p轨道,1.正碳离子的结构,2020/5/12,9,（1）正碳离子的稳定性：,-p超共轭效应,H,轨道交盖在这里,空的p轨道,2020/5/12,10,烯丙型正碳离子：,p-共轭,电子离域,正电荷分散程度大,共轭效应,2020/5/12,11,共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：,2020/5/12,12,例如：三苯基碳正离子非常稳定，能以盐的形式稳定存在，有些还是有用的染料或指示剂：,2020/5/12,13,当共轭体系上连有取代基时，给电子基团使正碳离子稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：,2020/5/12,14,环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：,随着环丙基的数目增多，正碳离子稳定性提高。,2020/5/12,15,环丙甲基正离子的结构：,空的p轨道与弯曲轨道的交盖,中心碳原子上的空的p轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。,随着环丙基的数目增多，正碳离子稳定性提高。,2020/5/12,16,直接与杂原子相连的正碳离子结构：,氧上未共有电子对所占p轨道与中心碳原子上的空的p轨道侧面交盖，未共有电子对离域，正电荷分散。,类似地，羰基正离子：,2020/5/12,17,乙烯型正碳离子：,+,C原子进行sp2杂化，p轨道用于形成键，空着的是sp2杂化轨道，使正电荷集中。,2020/5/12,18,苯基正离子：,结构同乙烯型正碳离子，正电荷集中在sp2杂化轨道上。,此二类正碳离子稳定性极差！空的杂化轨道与键垂直，正电荷得不到分散。,2020/5/12,19,芳香性的影响,有芳香性，特别稳定,反芳香性，很不稳定,2020/5/12,20,空间效应,碳正离子中心碳原子必须sp2杂化，才较稳定。平面构型有利于电荷离域；空p轨道的两瓣在平面两侧均可溶剂化。如果空间因素使之不能具有平面构型时，则稳定性降低。,2020/5/12,21,Eg.：叔丁基氯很快与EtOH-AgNO3溶液反应生成AgCl。但下列反应难以进行：,1-氯双环2,2,1庚烷,2020/5/12,22,烯丙基型正离子通常是稳定的，但下列碳正离子则因非平面结构不能使电荷离域很不稳定：,2020/5/12,23,但在形成的桥环足够大时，桥头C可取平面构型，如1-金刚烷碳正离子:,2020/5/12,24,（2）溶剂效应：,1)溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。,2)溶剂使碳正离子稳定：,空的p轨道易于溶剂化,溶剂,3)极性溶剂：溶剂化作用强，利于底物的解离。,2020/5/12,25,（3）碳正离子的生成：,直接离子化,通过化学键的异裂而产生。,2020/5/12,26,对不饱和键的加成,2020/5/12,27,由其它正离子转化而生成,2020/5/12,28,在超酸中制备C正离子溶液,比100的H2SO4的酸性更强的酸超酸(Superacid),常见的超酸（与100H2SO4的酸性比较）,HSO3F（氟硫酸）1000倍HSO3FSbF5（魔酸）1013倍HFSbF51016倍,2020/5/12,29,叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：,很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质中进行的。,2020/5/12,30,2020/5/12,31,2020/5/12,32,2.非经典正碳离子,2020/5/12,33,由于、键邻基参与而形成非经典碳正离子配位数可以为5个,2020/5/12,34,（1）键参与的非经典正碳离子,实验表明：反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度比相应的饱和化合物大1011倍。,2020/5/12,35,+,2电子3中心体系,1,2,3,4,5,7,2020/5/12,36,（2）键参与的非经典碳正碳离子,外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯（）溶剂解速度相应的内型化合物大350倍。,生成外消旋化合物。,2020/5/12,37,对外型而言-OBs离去是从C-6得到了邻基帮助，即C-6在C-2背面进攻，推出-OBs，相当于SN2反应，同时生成非经典C正离子。,2020/5/12,38,而内型的几何形状不具备背面进攻的条件，即-OBs基团阻碍了C-6对C-2的背面进攻，反应按SN1历程进行，因此速度小，但内型化合物生成C正离子后能迅速转变成同样的非经典的C正离子，因此产物相同。,2020/5/12,39,-OAc进攻C1和C2机会相等，因此生成外消旋化合物。,2020/5/12,40,-OBs,两者产物相同，都为外型乙酸降冰片酯，100%外消旋。,2020/5/12,41,二碳负离子(Carbanions),碳负离子：带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。,即中心碳配位数为3，外层电子为8个，其中一对电子是未共用的。,2020/5/12,42,共轭酸,共轭碱,1.碳负离子的生成（1）CH键的直接异裂（金属有机化合物的生成）。,C-H键在碱作用下异裂，生成碳负离子。,2020/5/12,43,例如：,2020/5/12,44,2020/5/12,45,碱性条件下脱羧（CC键异裂）,2020/5/12,46,（2）负离子对不饱和键的加成,2020/5/12,47,（3）来自金属有机化合物,RMgX、RLi、R2CuLi、RZnX,2020/5/12,48,2.碳负离子的结构,10928,sp3杂化棱锥型,90,sp2杂化平面三角型,2020/5/12,49,当碳负离子的未共用电子对处于sp3杂化轨道时，与处于p轨道比较，未共用电子对更靠近碳原子核，因此，体系能量较低，比较稳定。,2020/5/12,50,未共用电子对与其他三对成键电子之间也存在斥力，当未共用电子对处于sp3杂化轨道时，与其他三对成键电子所处的轨道之间近似109.5度，而处于p轨道时，则与三个杂化轨道之间为90度。因此，处于sp3杂化状态的棱锥构型，电子对的排斥作用较小，比较有利。,2020/5/12,51,碳负离子采取何种构型，与中心碳原子所连基团有关。（1）简单的烷基负离子和环烷基负离子，均采取sp3杂化构型，这种构型使负离子能量较低。原因：,2020/5/12,52,sp3杂化轨道中含部分s成分，电子云相对地靠近原子核；处于sp3轨道中未共用电子对和三对成键电子间（夹角为109.5）的排斥作用较小。三角锥体构型的证据之一是，碳负离子的反应非常容易在桥头碳原子上发生。,2020/5/12,53,而该类化合物相应的碳正离子的反应难以进行（平面构型难形成）。,2020/5/12,54,（2）若碳负离子中心碳连结着可与之发生共轭作用的不饱和基团，则中心碳构型必须为sp2杂化平面构型。因为这样能通过共轭使负电荷分散。,2020/5/12,55,光学活性,-70C20%光学活性0C外消旋化,为什么？,2020/5/12,56,R,S,R,2020/5/12,57,低温时，构型转化未达到平衡时进攻CO2，构型部分保持。,较高温度时，构型转化很快达到平衡，产物外消旋化。,2020/5/12,58,三元环中的碳负离子,选择sp3杂化10928,选择sp2杂化120，角张力增加，很难转化,2020/5/12,59,立体定向的顺式产物,2020/5/12,60,3.影响负碳离子稳定性的因素,碳负离子可视为一种碱，因具有未共用电子对。负离子的稳定性与其共轭酸的强度直接有关：共轭酸越弱，碱强度越大，碳负离子的稳定性就越低。,2020/5/12,61,碳负离子稳定性顺序常通过对其相应共轭酸强度顺序（即碳氢酸Carbonacids的pKa）来确定。pKa值越大，相应的碳负离子越不稳定，越难存在。从结构上看，碳负离子的稳定性在很大程度上取决于取代基对电荷的分散能力。另外，空间效应和溶剂效应也有作用。,2020/5/12,62,3.影响负碳离子稳定性的因素,（1）s-性质效应,2020/5/12,63,（2）诱导效应,与吸电子基团相连时，使电荷分散，稳定性增大。,CH3-HF3C-H(CF3)3C-HpKa422811,例如：.CH3(CH3)2CH-(CH3)3C-,与斥电子基团相连时，稳定性降低。,邻近原子有孤电子对时，碳负离子稳定性降低。,不稳定,稳定,2020/5/12,66,（3）共轭效应,与共轭体系相连时使负电荷分散，稳定性增加。,p-共轭碳负离子中心碳连接有不饱和基团时，采用sp2杂化，未共用电子对由于p-共轭，使负电荷分散而稳定。,2020/5/12,67,pKa353230,-CH2-CH=OCH2=CH-O-CH2-CNCH2=C=N-,2020/5/12,68,二苯甲基负离子和三苯甲基负离子相当稳定，它们的盐可以在溶液中长期保存！,2020/5/12,69,p-d共轭,相对速度，硫叶立德比氮叶立德快2.4106,2020/5/12,70,磷（P）原子有空3d轨道，可与带负电荷的C的2p轨道重叠，形成p-d共轭，共振式表示：,硫叶立德,（三甲基硫正离子，硫也有空的3d轨道）,磷叶立德,2020/5/12,71,不饱和键与碳负离子的电子对共轭，则碳负离子必然成为平面构型，以利于p轨道的最大重叠；但是，若结构上或空间上因受阻碍达不到最大重叠，则相应碳负离子的稳定性就小。,（4）空间效应,2020/5/12,72,离域,不能离域,1,3-环己二酮可与NaOH溶液反应,双环2,2,2辛-2,6-二酮不能与NaOH水液反应,2020/5/12,73,例如烷基酮：CH3COCH3CH3COCH2CH3CH3COCH(CH3)2去质子相对速度10041.5RCH2R2CH,2020/5/12,74,（4）溶剂效应（SolventEffect）,溶剂对反应速度、化学平衡以及有机反应机理的影响称为溶剂效应。溶剂效应主要通过溶剂的极性、氢键、酸碱性等产生作用。,在所有涉及到的离子反应里，溶剂对参与的离子稳定化作用是非常明显的。在没有溶剂的情况下，离子反应在气相进行需要很高的能量，在气相更普遍的是按自由基进行。,2020/5/12,75,HCl在气相解离为自由基只需430.95kJmol-1的能量；而解离为离子所需能量高达1393kJmol-1；若在极性溶剂（如H2O）中，HCl很容易解离为离子（为什么？）,例如,2020/5/12,76,溶剂对反应速度的影响取决于溶剂对过渡态及反应物的作用情况：如果过渡态极性比反应物大，则极性溶剂对过渡态的稳定化作用大于对反应物的稳定化作用，增加溶剂极性，反应速度加快；反之，溶剂极性减小，反应速度减慢。,2020/5/12,77,质子性溶剂，能够有效地溶剂化正离子和负离子，因此能促进极性分子形成活性中间体，加速离子型反应。,2020/5/12,78,极性非质子溶剂如DMSO，DMF，HMPA等，能够溶剂化正离子，但不能溶剂化负离子。因此，负离子在极性非质子溶剂中将更为活泼。选择不同的溶剂，往往可以直接影响负离子的活泼性.,2020/5/12,79,甲氧基负离子的碱性，在极性非质子性溶剂中比在极性质子溶剂中要强的多。,在98.5%DMSO和1.5%的甲醇中进行，比在纯的甲醇中要快108倍。,例如,2020/5/12,80,又如：CH3I和N3-的SN2反应，若将极性质子溶剂换成极性非质子溶剂DMSO，反应速度增加4.5104倍。,2020/5/12,81,介电常数随分子的偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数大的溶剂，隔开离子的能力较大，同时具有较大的溶剂化能力。,溶剂的介电常数（Dielectricconstant）,2020/5/12,82,一般地：介电常数用表示。15，极性溶剂；(CH3)2CHCH3CH2CH3,稳定性:,2020/5/12,114,例如：叔碳的烷氧基自由基在进一步分解时，主要生成一个比较稳定的自由基和一分子酮。,2020/5/12,115,自由基的断裂-断裂。,2020/5/12,116,（2）自由基中心碳原子如与键共轭，同样可以分散独电子，而使自由基稳定。,2020/5/12,117,（3）当苯环上有取代基时，不论取代基的本性如何(不论是吸电子基还是给电子基)，常常增加自由基的稳定性，例如：,2020/5/12,118,（4）芳基自由基，烯基自由基和炔基自由基，由于未成对电子不可能与键共轭，所以不稳定，是很活泼的自由基。,2020/5/12,119,4.自由基的生成,由分子产生自由基的方法很多，比较重要的有以下三种。,（1）热解在加热的情况下，共价键可以发生均裂而产生自由基。,2020/5/12,120,一些键的离解能(kJmol-1)H-H430N-N150C-H410F-F155C-C325335H-I295Cl-Cl240H-S335H-Br365Br-Br190C-Cl325H-Cl430II150C-Br272H-F565-O-O-140C-I240H-O-460,键的裂解能低于165kJmol-1，该键不但在气相中，也能在惰性溶剂中进行裂解而生成自由基。过氧化物和偶氮化物。,2020/5/12,121,过氧化叔丁基裂解能154.9kJmol-1,2020/5/12,122,自由基反应通常以过氧化物或偶氮化合物作为引发剂，主要是由于分子中含有较弱的键，容易均裂产生自由基，同时又是相同元素的同核键，一般不易异裂产生正/负离子。,自由基引发剂,2020/5/12,123,常用的自由基引发剂：过氧化苯甲酰(BPO)，偶氮二异丁腈(AIBN)等。,偶氮异丁睛裂解能129.8kJmol-1,2020/5/12,124,（2）光照,在可见和紫外光波段，对辐射具有吸收能力的分子，利用光照射可以使之分解而产生自由基。,2020/5/12,125,另一个有用的光解反应是丙酮气相光照分解反应。,2020/5/12,126,其它容易发生光解的反应的如次氯酸酯和亚硝酸酯，可以产生烷氧基自由基。,2020/5/12,127,光照产生自由基具有明显优点。,光解可以分解在通常合理温度下不容易分解或很难分解的强共价键，如偶氮烷类化合物。,热分解反应比较困难！,2020/5/12,128,由于一定的官能团具有特定的吸收带，是特定能量的转移，所以光解比热解具有更大的选择性，副反应比较少。,2020/5/12,129,（3）氧化还原反应,一个电子自旋成对的分子失去或得到一个电子都可导致产生自由基，实际上就是氧化还原过程，因此通过氧化还原反应也可以产生自由基。,某些金属离子，如Fe2+/Fe3+，Cu+/Cu2+，Ti2+/Ti3+等是常用的产生自由基的氧化还原剂。,2020/5/12,130,Cu+离子可以大大加速酰基过氧化物的分解，产生酰氧基自由基。,例如:,2020/5/12,131,Ti2+是一个很强电子还原剂，可用于还原过氧化氢生成羟基自由基。,生成的羟基自由基是有效的催化剂，不但可以用于生成其它自由基，也可以用于有机合成。,2020/5/12,132,Co3+ArCH3ArCH2+Co2+H+Fe2+H2O2Fe3+HO+HO-,2020/5/12,133,5.影响自由基稳定性的因素,（1）电子效应,叔仲伯,超共轭效应的影响，烷基自由基的稳定性次序为：,2020/5/12,134,与共轭体系如烯键、苯基、硝基、氰基等相连都可使孤电子离域而得到稳定。取代基对自由稳定化能力的大小一般有如下次序。,苯基、烯基羰基腈基酯基烷基,2020/5/12,135,许多酚类化合物在冷的干醚中氧化，可以生成不稳定的酚氧自由基，2,4,6-三叔丁基苯酚自由基因单电子与苯环离域，且较大的邻位阻效应而表现出是一个非常稳定的自由基，它可以被离析出来，IR上显示出1660cm-1的羰基吸收峰。,2020/5/12,136,这一自由基能够与不稳定的自由基结合生成稳定的分子，因此可用于自由基淬灭剂或阻聚剂。,2020/5/12,137,N,N-二苯基-N-苦味基自由基是一个紫色晶体，由于存在有庞大的空间位阻，再加上三个硝基的诱导影响，使它可以以固体状态存在并保存数年不变。,2020/5/12,138,2,2,6,6-四甲基六氢吡啶-4-酮氧化氮自由基甚至可以在分子中的其它部位发生格氏反应而不影响自由基结构。,2020/5/12,139,放在标准药物中,可以降低毒性也可以用于治疗脱发,电子云更偏向于氧原子书写时将自由基标于O上或放在N-O键上(Nitroxyl),2020/5/12,140,（2）空间因素,叔碳原子自由基的稳定性较大，除了超共轭电子效应外，空间因素也有一定作用。自由基中心碳原子所连的基团较大时可使自由基中心的张力得到一定消除。此外，较大的空间位阻因素也不利于自由基发生反应。双叔丁基甲基自由基在低温（-30）无氧的稀溶液中是足够稳定的。,2020/5/12,141,2020/5/12,142,（3）溶剂效应,溶剂效应对自由基的影响不如对离子那么大，溶剂若能与自由基络合不但会增加它们的稳定性而且会改变它们的某些反应性质。,2020/5/12,143,在CS2中反应：106:1在苯中反应49:1,2020/5/12,144,卡宾又称碳烯：卡宾中心碳原子为中性两价碳原子，包含6个价电子，4个价电子参与形成两个键，其余两个价电子是游离的。卡宾是一类非常活泼的活性中间体,已知的卡宾有如下几类。,四、卡宾(Carbenes),2020/5/12,145,（1）:CH2、:CHR、:CRR（R为烷基,芳基,烯基或炔基）；（2）:CHX、:CRX、:CXX(X为F,Cl,Br,I)（3）:CHY、:CRY、CYY(Y为其它原子团如:-OR,-SR,-CN,-COOR,COR)（4）CR2=C:、CR2=C=C:,2020/5/12,146,卡宾的命名，一般以:CH2为母体，:CH2称为卡宾。Cl2C:二氯卡宾CH3COCH:乙酰基卡宾CH3CH：甲基卡宾(C6H5)2C二苯基卡宾。,2020/5/12,147,卡宾碳原子只用两个分子轨道成键，还剩下两个分子轨道容纳两个未成键电子。电子在两个轨道中的填充有两种可能。,1.卡宾的结构,2020/5/12,148,三线态卡宾比单线态的能量低，因两个单电子分布在两个轨道上，符合洪特规则，故稳定性TS。,2020/5/12,149,（1）三重态碳烯(tripletstate，T),线性结构,sp杂化，两个sp杂化轨道分别与氢原子成键，两个p轨道各容纳1个电子，可以看着是双自由基形式，这是降低电子之间相互排斥的最有效填充方式。,2020/5/12,150,（2）单重态卡宾(singletstate，S),sp2杂化，其中两个sp2杂化轨道分别与氢原子成键，另一个sp2杂化轨道容纳2个未成键电子，而p轨道是空的。单线态同时显示C+空轨道和C-离子的孤对电子，这是降低电子对之间相互排斥的最有效形式。,2020/5/12,151,（1）光或热分解反应（PhotodessociationorThermodessociation）,2.卡宾的生成,2020/5/12,152,（2）消除反应,2020/5/12,153,五、乃春(氮烯Nitrene）,乃春又称亚氮,是卡宾的N类似物，非常活泼，在普通条件下难以离析。,2020/5/12,154,1.乃春的生成,（1）热解或光解,叠氮化合物的分解,2020/5/12,155,异氰酸酯的光解,NH3orH2NNH2的光解,2020/5/12,156,六、苯炔（Benzyne）,苯炔是苯环上发生亲核取代的活性中间体，苯炔的发现，使芳类亲核取代反应中的许多过去难以解释的现象得到了解决。,2020/5/12,157,苯炔的确证,芳基卤化物在氨基钠存在下加热，氨解成芳胺，存在一些异常现象。,2020/5/12,158,2020/5/12,159,根据反应结果表明，反应不是简单的亲核取代反应、不是加成消去历程，而是按消去加成历程进行的，生成中间体苯炔。,2020/5/12,160,2020/5/12,161,（1）示踪方法证明。,（2）卤原子邻位有取代基时，不发生反应。,2020/5/12,162,（3）活性中间体捕捉(Trappingofintermediate),2020/5/12,163,邻氨