碳正离子PPT课件

.,1,第三章,亲核取代反应及碳正离子,(NucleophilicSubstitutionandCarbocations)一、碳正离子的产生、结构和稳定性1、产生及类型：有机反应中产生的活性中间体的一种。是Intermediate,而不是Transitionstate碳正离子能在一定条件下存在且被分离出,.,2,ChinaPharmaceuticalUniversity,1922年，Meerwein发现萜类化合物重排与C+有关1962年，Olah在超酸中检测到C+,G.A.Olah,Nobel1994,.,3,产生碳正离子的反应举例：1）脂肪族化合物的亲核取代反应,H3C,Cl,CH32)烯烃的亲电加成反应,H3C,CH3,H3C,OH,CH3,CH3C,CH3C+,OH,-,CH3C,CH2,CH,CH,H3CH3C,CH3,CH,H3CH3C,CH3,CH2,CH3,H3C,+,HCl,+CH,H3C+CH3CH3C,重排-Cl,CClCH2,.,4,HSO4,ChinaPharmaceuticalUniversity,3)芳香化合物的亲电取代反应O2NH,NO2,+,+NO2,+,-,+H2SO4,.,5,ChinaPharmaceuticalUniversity,经典碳正离子(Carbeniumion):,中心碳原子sp2杂化,与其他三个基团或原子以键相连形成具平面的构型,2、结构,.,6,ChinaPharmaceuticalUniversity,H,C,+,120,H3C。,。一些情形下，键角不是120，或者不是平面结构。,如：,HH,C,H3C+,.,7,KR+=,ChinaPharmaceuticalUniversity,3、稳定性及研究方法碳正离子的相对稳定性可由其pKR+来定量表示：,pKR+=logR+/ROH+HR当反应达到平衡、R+=ROH时，pKR+=HR（酸度函数）;pKR+愈大，碳正离子愈稳定。,R+H2OROHH+R+,R+ROH,+,pH+,ROH+H+，pKR+=log,.,8,ChinaPharmaceuticalUniversity,一些碳正离子的pKR+值,碳正离子三苯基甲基4-甲氧基三苯基甲基4-硝基三苯基甲基二苯基甲基三环丙基甲基环庚三烯正离子三苯基环丙烯基,pKR+-6.63-3.40-9.15-13.3-2.3+4.7+3.1,C+,C+H,C+,C,+,+,+,.,9,(CH3)2N,3C+,CH3O,3C+,4,4,4-三(二甲氨基)-三苯基甲基正离子pKR+=+9.36O2N,4,4,4-三甲氧基三苯基甲基正离子pKR+=+0.823C+,4,4,4-三硝基三苯基甲基正离子pKR+=-16.27,给电子取代基促进碳正离子的稳定：,.,10,ChinaPharmaceuticalUniversity,影响碳正离子稳定性的因素：,1）诱导效应(Inductiveeffect)：离域或分散C+正电荷将,有利于碳正离子的稳定,连有诱导推电子的基团时的稳定性(+I)：,连有诱导吸电子的基团时的稳定性(-I)：,.,11,+,2)共轭效应(Conjugativeeffect)：a)p-共轭效应稳定性次序：叔碳正离子仲碳正离子伯碳正离子,(CH3)3C,+,+CH3CH2CHCH3CH3CH2CH2CH2,如：,甲基推电子基通过C-H键与C+的空轨道共轭。,.,12,ChinaPharmaceuticalUniversity,共轭效应的研究,在超酸催化下进行,超酸：强的质子给予体，强度用哈米特酸度H表示,超酸特点：1)给质子能力强，亲核性低；,2)凝固点低；3)粘度小。,.,13,在超酸介质中可得到热力学最稳定的碳正离子举例：,CH3CH2CH2CHOH,OHH,OHCH3CH2CHCH3,(CH3)3COH,FSO3H-SbF5-SO2。-60C,CH3CH2CH2CH2,+,+,裂解，重排FSO3H-SbF5-SO2。-60C裂解，重排,+(CH3)3CHOHCH3CH2CHCH3+(CH3)3C,FSO3H-SbF5-SO2。-60C,(CH3)3C,+,.,14,(c)具有未共用电子对的化合物，如醇、醚、醛、酮、酯等,ChinaPharmaceuticalUniversity,超酸可将质子给予：,(a)具有电子对的化合物，,使得烷烃中的C-H及C-C键对超酸表现出碱性。,在超酸的作用下，C-H或C-C键的-电子对与质子的空轨道作用形成缺电性的三中心两电子键，用虚线表示。,(b)具有-电子对的化合物，如烯、炔、芳香化合物等,.,15,ChinaPharmaceuticalUniversity,b)p-共轭效应碳正离子中心碳原子p空轨道与电子共轭，分散正电荷，稳定碳正离子。,Ph,Ph,+CPh,+CH,+PhCH2,Ph,Ph,CH2,CH,CH2,+,.,16,c)p-p共轭效应碳正离子中心碳原子p空轨道与邻位杂原子的未共用电子对的p电子共轭，稳定碳正离子。,CH2,+,CH2,+,如：,CH3OCH3O,CH2,+CH2,CH3O+CH3O,.,17,3）芳香性（Aromaticity）具有芳香性的平面环状正离子稳定,如：环丙烯基卓正离子,4n+2=2,n=04n+2=6,n=1,+,+,.,18,4)不同价键状态举例：CH3-C+H2CH2=C+H,sp2,sp,S特性增加，吸电性增强，不利于C+稳定。5）溶剂效应举例：在气相中，电离活化能为836.8kJ/mol;在水溶液中，电离活化能为83.7kJ/mol。因此，极性溶剂有助于碳正离子的形成和稳定,.,19,Br,Br,Br,(CH3)3CBr,6）空间效应（Stericeffect）对于桥头碳正离子，张力大，稳定性差。形成碳正离子的相对反应速度：,K=1,10-3,10-6,10-13,.,20,ChinaPharmaceuticalUniversity,二、经典碳正离子与非经典碳正离子,(CarbeniumionsandCarboniumions),三价碳正离子(Carbeniumion),碳正离子(Carbocation),碳鎓离子(Carboniumion)(五价or更高),.,21,1、区别,经典碳正离子：中心碳原子价电子层6个电子，形成三根键。此时中心C为3价。,非经典碳正离子：价电子层8个电子，除形成三根键外，余下的一对电子形成一个二电子三中心键，中心C是5价,.,22,ChinaPharmaceuticalUniversity,2、形成1)电子参与在超酸催化下，形成环丙基甲基碳正离子。碳原子空轨道与键共轭形成离域键。上世纪50年代，Roberts认为：,+CH2,应为,CH2,+,环丙基甲基碳正离子,三环丁鎓离子,.,23,ChinaPharmaceuticalUniversity,Winstein研究原菠基体系(Norbornylsystem)的溶剂解行为，说明由邻近基团参与形成了原菠基非经典碳正离子。,OAc,AcOH,OBsKexo,AcOH,Kendo,OBsKexo,Kendo,=350,.,24,结论：外向(exo)结构底物对溴苯磺酸-2-原菠酯醋酸解速度比内向(endo)快，产物为外消旋，内向结构底物的产物有93%外消旋，7%有旋光。,有旋光,外消旋,OBs,OAc,OBs,OAc,OAc,+,AcOH,+,-OAc,-,1,2,3,4,OAc5,6,1,2,3,6,5,4,7,7,3,4,7,5OAc6,2,1,1,2,3,4,5,6,7,+,3,7,56,2,41,+,.,25,5,1,5,35,3,2,22,6,7,OTs,44+,ChinaPharmaceuticalUniversity,2)电子参与例：对向-7-取代原菠烯形成非经典碳正离子：,TsO,AcO,HOAc,OAc,HOAc,+,3,5,7,6,41,3,5,7,41,3,5,7,41,5,6,2,6,2,7,6,2,7,6,2,3+,6同向-7-取代原菠烯形成经典碳正离子：7+434111,.,26,3)一种碳鎓离子的形成可通过几种途径例：原菠基正离子的形成,H,X,3,7,56,2,41,+,3,7,56,2,41,途径SbF5,途径SbF5X,.,27,三、亲核取代反应定义：亲核试剂提供一对电子与碳原子形成新的共价键，碳原子与离去基团之间原有的共价键断裂，离去基带着一对电子离开分子。,通式：R-,X+Y：,R-,Y+X：,.,28,ChinaPharmaceuticalUniversity,四种反应实例,四种SN反应类型(A)neutralsubstrate+neutralnucleophile(B)neutralsubstrate+anionicnucleophile(C)cationicsubstrate+neutralnucleophile(D)cationicsubstrate+anionicnucleophile,.,29,ChinaPharmaceuticalUniversity,.,30,ChinaPharmaceuticalUniversity,.,31,ChinaPharmaceuticalUniversity,.,32,ChinaPharmaceuticalUniversity,.,33,ChinaPharmaceuticalUniversity,1.TheSN1Reaction1)KineticsoftheSN1Reactionfirst-orderreactionv=kRX2)MechanismoftheSN1Reactiongenerallytwostepstherate-limitingstepisthereactantgiveacarbocationintermediate,.,34,C,+Br,举例：,H3C,C,Br,CH3,CH3,H3C,CH3+CH3,H3C,CH3COCH3,HH,Rate-limiting,step,Faststep,-OH2,OH2,H3C,C,OH,CH3,CH3,.,35,SN1反应势能图：,G#,R+:X-,CarbocationintermediateRX+:Nu-RNu+:X-ReactionCoordinate(progress),.,36,ChinaPharmaceuticalUniversity,Sincecarbocationsareplanerandsp2-hybridized,theyareachiral.,ThusifwecarryoutanSN1reaction,ononeenantiomerofachiralreactant,theproduct(aracemicmixture)mustbeopticallyinactive.,3)StereochemistryoftheSN1Reaction,.,37,R1,R2,Br,R3,R1,R2,R3,R2,R3,OH,HO,R3,R2,C,C,+,Nu:,R1C,-Br,-,慢,OH,-,快,+,R1C,以有光学活性的底物为例：,.,38,4)CharacteristicsoftheSN1Reaction(1)TheSubstrate形成的碳正离子愈稳定，底物的活性就愈大TheSN1reactivityorderforreactants:CH310ClF,离去能力：,可极化度减小，离去能力降低,a.,b.,C.,CF3COO,CH3COO,-,-,106倍,d.e.,N-,+N-RO、OH,离去能力强离去能力差，需催化,SO3,O2N,SO3,H3C,-,-,10倍,.,43,ChinaPharmaceuticalUniversity,(3)TheSolvent,A.对SN1反应的影响：,溶剂的极性，有利于SN1反应的进行。这是因为该反应在过渡状态已出现了部分正负电荷的高度极化状态，而极性溶剂的存在，有利于过渡状态的形成和进一步的离解。,.,44,B.对SN2反应的影响：,溶剂对SN2反应的影响较为复杂，通常情况下是增强溶剂的极性对反应不利。,反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷，只是电荷有所分散，因此溶剂对反应的影响不大。但溶剂极性，还是有利于反应的进行；溶剂极性，反而会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所减慢。,.,45,R/L,Winstein的离子对溶剂化学说,R-L,+RL,-,+,-,R,+,+,L,-,离子化,解离,紧密离子对,溶剂隔离离子对,溶剂效应会影响SN1反应产物构型比例，举例：-氯代乙苯的水解反应,.,46,ChinaPharmaceuticalUniversity,Ph,Cl,H3CPh,Ph,HO,CH3,Ph,HO,CH3,Ph,Ph,CH3,OH,CH3CH,CH,+,Cl,-,H2O,CH3+CH,+,Cl,-,C,C,C,+,H2%,H49%,H49%,H2O,H2O,80%丙酮,.,47,R/L,H,证明离子对-溶剂化学说中离子对的存在,Cl,Ph,NO2,OOC,Cl,NO2,Cl,Ph,PhH,OC,NO2,HC,18,80%丙酮,OC-C,18,C,OO18,R-L,+RL,-,+,-,R,+,+,L,-,.,48,R/L,+N3,证明离子对-溶剂化学说中离子对的存在,R-L,+RL,-,+,-,R,+,+,L,-,强亲核试剂，亲核反应速度快。亲核反应发生在紧密离子对阶段，产物为构型转化产物。说明很强的亲核试剂堵住了离子逆转的消旋化道路。,Cl,Ph,NO2,Cl,HC,18OOC,-,N3,Ph,HC,.,49,R/L,证明离子对-溶剂化学说中离子对的存在,R-L,+RL,-,+,-,R,+,+,L,-,Cl,NO2,Cl,Ph,NO2,Cl,H,OC,NO2,O,Cl,H,OC,NO2,O,HC,18OOC,HC,O18OC,衡,k平,C,Ph标记反应物,Ph光学活性反应物,k消旋,C,Ph消旋化产物,平衡速度大于消旋化速度意味着反应发生在解离的离子步骤之前。外消旋速度大于平衡速度意味着反应发生在解离的离子步骤之后。,.,50,2.TheSN2Reaction1)KineticsoftheSN2ReactionThereactionsshowsecond-orderkinetics:v=kRXNu-,HO-,+CH3-Br,HO-CH3,+,Br-,20%NaOH80%MeOH,.,51,ChinaPharmaceuticalUniversity,.,52,ChinaPharmaceuticalUniversity,2)MechanismoftheSN2Reaction,Directdisplacement.,Involveasinglerate-determining,transitionstatewithoutanintermediate.,.,53,ChinaPharmaceuticalUniversity,势能图：,.,54,3)StereochemistryoftheSN2ReactionSN2reactionoccurswithinversionofstereochemistryatthecarbonatombecausethenucleophilicreagentattacksthebackside.,Nu,X,#,R1R2,X,Nu:,CR3,慢,-+,R2,Nu,R1CR3,+,-,快,X,.,55,ChinaPharmaceuticalUniversity,(CH3)(CH2)5,SN2反应构型反转的实验证明：,H,H3C,OH,TsCl,(CH3)(CH2)5,H,H3C,OTs,(CH3)(CH2)5H3C,HOAc,AcOH3C,H(CH2)5CH3,C,C,(+)-2-辛醇,AcCl/Py,C,(+)-乙酸-2-辛酯,+CH3CH24NOAc,-,C,(-)-乙酸-2-辛酯,D+0.84,D-0.85,.,56,ChinaPharmaceuticalUniversity,4)CharacteristicsoftheSN2Reaction空间效应取代基愈小，位阻愈小，反应速度愈快。在SN2反应中，底物的反应活性与SN1的相反。,+CH3,10AllylBenzyl2030,.,57,b)电性效应(a)具有烯丙基或苄基结构的底物SN2反应速度加快，中心碳原子的P轨道与体系共轭使过渡态更稳定。(b)若底物上连有吸电子基，可使SN2反应速度加快,X,CH2Cl,+,I,-,X,CH2I,如：,.,58,亲核试剂的影响是至关重要的:,显然，亲核试剂的亲核能力，浓度，反应。,试剂亲核能力的强弱取决于两个因素：a.试剂的碱性(即给电子性)；b.试剂的可极化性(即极化度或变形性)。,(1)试剂的碱性：,试剂的碱性与亲核性是两个不同的概念，二者的关系可能一致，也可能不一致。,.,59,A.亲核性与碱性一致：,a.同周期元素所形成的亲核试剂,b.同周期中的同种原子形成的不同亲核试剂,B.亲核性与碱性不一致(亲核试剂体积大小的影响)：,.,60,(2)试剂的可极化性,可极化性系指分子中周围电子云在外电场的影响下发生形变的难易程度。易形变者，可极化性大。,在亲核取代反应中，可极化大的原子或基团，因形变而易于接近反应中心，从而降低了达到过渡状态所须的活化能，故亲核能力增强。,显然，同族元素，随原子序数的增大，核对核外电子的束缚力，可极化性，亲核能力。,.,61,综上所述，判断一个试剂亲核能力的大小：,对于同周期元素或同种原子形成的亲核试剂，可用其碱性的强弱来判断；,对于同族元素形成的亲核试剂，可用可极化性的大小来判断。,3.离去基团的影响,无论SN1反应，还是SN2反应，在决定反应的关键步,.,62,骤中，都包含CX键的断裂，因此，离去基团X的性质对SN1反应和SN2反应将产生相似的影响，即卤代烷的活性次序是：,这一活性次序可从CX键的离解能、可极化性、离去基团的碱性等方面来说明。,.,63,由此可见，I既是一个好的离去基团，又是一个好的亲核试剂。因此，这一特性在合成中有着重要的用途。,4.溶剂的影响,.,64,溶剂对SN2反应的影响较为复杂，通常情况下是增强溶剂的极性对反应不利。,反应前后没有电荷变化，过渡态也没产生新的电荷，只是电荷有所分散，因此溶剂对反应的影响不大。但溶剂极性，还是有利于反应的进行；溶剂极性，反而会使极性大的亲核试剂溶剂化，使反应速度有所减慢。,.,65,CH3,CH3,OHC,+N,NMe2NMe2,NMe2,-O,+P,有一定极性的非质子性溶剂，正极埋在溶剂分子内部，负极与亲核试剂的正离子形成离子-偶极键，将亲核试剂正负离子隔开，使亲核负离子裸露，故中等极性非质子性溶剂适合SN2反应。,极性非质子性溶剂适于SN2反应-,S,H3C,H3C,O,.,66,为何在非质子性溶剂中加入少量冠醚做催化剂，能加快SN2反应速度？以亲核试剂KOAc为例，,OO,O,O,O,K,O+,-OAc,冠醚络合金属阳离子，将负离子亲核试剂裸露在外，促进反应进行。同时，形成的络阳离子与阴离子的离子对在有机相中溶解度更好，构成相间催化剂。,.,67,ChinaPharmaceuticalUniversity,常用亲核试剂：,.,68,ChinaPharmaceuticalUniversity,(3)TheleavingGroup,Theweakestbasesareindeedthebestleavinggroups.,Relativereactive:,OH-,NH2-,OR-,F-Cl-Br-C,1011倍,举例：,.,82,解释：,OTs,H,H+,-OTs,H+,OAc,-,H,OAc,键与取代基为对向，参与碳鎓离子形成，OAc从背面进攻，得到构型保留溶剂解产物。双键电子参与碳鎓离子形成，对正电荷的离域有帮助，可促进碳鎓离子的稳定。,.,83,TsO,HOAc,-,+,+,+,AcO键与取代基为同向，由于位阻，不能邻位参与，生成经典碳正离子，重排成更稳定的烯丙基正离子，生成重排后的溶剂解产物。,.,84,OTs,H3C,CH3,H,H3C,CH3,H,H,CH3OAc,HH3C,HH3CAcO,C,HC,CH3COOH,-OTs,C,C,3、苯基参与形成“苯桥正离子”，正电荷离域到芳香环中。举例：对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯乙酸解反应+,AcO,-,AcO,-,C,HC,C,CHCH3,+,苏式,.,85,OTs,H3C,H,H,H3C,H,H,CH3,HH3C,CH3,HH3CAcO,C,CH3C,CH3COOH,-OTs,C,C,+,AcO,-,AcO,-,C,CH3HCOAc,C,CH,+,赤式,.,86,ChinaPharmaceuticalUniversity,苯基的邻位参与受溶剂效应影响，也受苯基上的取代基的影响。,1、溶剂亲核性强，发生正常取代可能性大；溶剂亲核性弱，桥碳正离子易形成，重排发生。,2、苯环上有吸电子基，碳正离子离域受影响，正常取代；苯环上有推电子基，稳定桥碳正离子，重排发生。,.,87,ChinaPharmaceuticalUniversity,六、碳正离子的重排反应,烷基、芳基或氢带着电子从一个碳原子转移至另一个碳原子上,碳正离子中心的P轨道与发生转移的轨道基本共平面。,举例：负氢转移：,.,88,1,2-重排1、热力学能垒,叔碳正离子仲碳正离子叔碳正离子,仲碳正离子，吸热10kcal/mol；伯碳正离子，吸热20kcal/mol；伯碳正离子，吸热30kcal/mol。,2、介质的影响重排反应与亲核取代反应相互竞争。介质亲核性降低，重排易发生,.,89,重排反应举例：1、瓦格纳-米尔文重排(Wagner-Meerweinrearrangements)碳正离子中的氢原子、烷基、芳基基团的迁移。1,2-迁移为主。,CH2OH,CH3,CH3,CH2CH3,CH3,CH2CH3,Br,H3C,CH3CH3C,CH3CH3C,+CH2,重排,CH3CH3C+,Br,-,C,.,90,1,2,3,4,5,6,7,+,