高等有机第四章 有机反应中活性中间体

1、第四章第四章 有机反应活性中间体有机反应活性中间体(Reactive intermediates in Organic Chemistry) 一、碳正离子一、碳正离子(Carbocation)二、碳负离子二、碳负离子 (Carbanions)三、自由基三、自由基 (Free radicals)四、碳烯四、碳烯 （卡宾）（卡宾） (Carbenes)五、氮烯五、氮烯 （乃春）（乃春）(Nitrenes)六、苯炔六、苯炔 (Benzyne)引言引言 在有机反应中，有机反应有些是属于一步完成的，称为在有机反应中，有机反应有些是属于一步完成的，称为协同反应。协同反应。例如例如Diels-Alder反应

2、：反应：CH2HCHCCH2COCOOHCHCCH2CHCHH2CCOCOO+HCHCCH2CHCHH2CCOCOOTransition State 更多的有机反应则不止一步，反应中至少包括一个活性中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。与水反应而得到水解产物。CCH3H3CBrCH3OH-H2OCCH3H3CBrCH3-Br-CCH3H3CCH3+Transition stateIntermediateH2OCCH3H3COH2CH3Transition

3、 stateCCH3H3COH2CH3+-H+CCH3H3COHCH3+协同反应的能峰图协同反应的能峰图分步反应的能峰图分步反应的能峰图一一. 正碳离子正碳离子 (Carbocations)含有带正电荷的三价碳原子的原子团。含有带正电荷的三价碳原子的原子团。1. 正碳离子的结构正碳离子的结构CH3CH3CCH3+C sp2 - sbondCH3+ 的轨道结构的轨道结构sp2 - sp3bond(CH3)3C + 的轨道结构的轨道结构HHHsp2杂化杂化平面三角构型平面三角构型空的空的P轨道轨道正碳离子的稳定性：正碳离子的稳定性：CH33CCH32CHCH3CH2CH3- p超共轭效应：超共轭效

4、应：CCHHH轨道交盖在这里轨道交盖在这里空的空的 p 轨道轨道烯丙型正碳离子：烯丙型正碳离子：CH2CH CH2CH2CHCH2p-共轭共轭电子离域电子离域正电荷分散程度大正电荷分散程度大CH2C3CH2CH2共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：3CCH2CH2CHCH2CHCH2CH2CH共轭效应共轭效应当共轭体系上连有取代基时，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；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：吸电子基团使其稳定性减弱：O2NCH2CH3CH2CH2C3CH2CH2CH2环丙甲基正离子比苄基正离子还稳

5、定：环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：CH2CH2CH2C环丙甲基正离子的结构：环丙甲基正离子的结构：空的空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖轨道与弯曲轨道的交盖中心碳原子上的空的中心碳原子上的空的 p 轨道与环丙基中的弯曲轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。结果是使正电荷分散。随着环丙基的数目增多，随着环丙基的数目增多，正碳离子稳定性提高。正碳离子稳定性提高。直接与杂原子相连的正碳离子结构：直接与杂原子相连的正碳离子结构：CH3OCH2CH3OCH2氧上未共有电子对所氧上未共有电子对所 占占 p 轨道轨道与中心碳原子上的空的与中心碳原子上的空的 p轨道轨

6、道侧面交盖，未共有电子对离域，侧面交盖，未共有电子对离域，正电荷分散。正电荷分散。类似地，羰基正离子：类似地，羰基正离子：R C OC ORCHRCH乙烯型正碳离子：乙烯型正碳离子：+C原子进行原子进行sp2杂化，杂化， p轨道轨道用于形成用于形成键，空着的是键，空着的是sp2杂化轨道，使正电荷集中。杂化轨道，使正电荷集中。苯基正离子：苯基正离子： 结构同乙烯型正碳离子，正电荷结构同乙烯型正碳离子，正电荷集中在集中在sp2杂化轨道上。杂化轨道上。此二类正碳离子稳定性极差。此二类正碳离子稳定性极差。溶剂效应：溶剂效应：1) 溶剂的诱导极化作用，溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。利于底物的解离。

7、2) 溶剂使碳正离子稳定：溶剂使碳正离子稳定：CCH3空的空的 p 轨道易于溶剂化轨道易于溶剂化溶剂溶剂3) 极性溶剂：溶剂化作用极性溶剂：溶剂化作用 强，利于底物的解离。强，利于底物的解离。 （6 6）结构上的影响）结构上的影响 越趋于平面构型的碳正离子越稳定，桥头碳上由于结越趋于平面构型的碳正离子越稳定，桥头碳上由于结构上的刚性难以形成平面构型，故桥头碳正离子极不稳定，构上的刚性难以形成平面构型，故桥头碳正离子极不稳定，难以生成。难以生成。 几种溴代烷溶剂解的相对速度如下（几种溴代烷溶剂解的相对速度如下（80%80%水水20%20%乙醇）：乙醇）：BrBrBr10-210-610-13(C

8、H3)3CBr1碳正离子的生成：碳正离子的生成：1) 直接离子化直接离子化RXRX 通过化学键的异裂而产生。通过化学键的异裂而产生。PhCHClPhPh2CHClH2OROHHROH2RCH3COFBF3CH3COBF42) 对不饱和键的加成对不饱和键的加成 CZHCZHZ: O,C,S,NHClCCCCClCOHCOHCOH3) 由其它正离子转化而生成由其它正离子转化而生成N2NH2N2NaNO3HClHHPh3CSbF6SbF64) 在超酸中制备在超酸中制备C正离子溶液正离子溶液比比100的的H2SO4的酸性更强的酸超酸的酸性更强的酸超酸 (Super acid)常见的超酸常见的超酸 （与

9、（与100H2SO4的酸性比较）的酸性比较）HSO3F （氟硫酸）（氟硫酸） 1000倍倍HSO3F SbF5 （魔酸）（魔酸） 1013倍倍HFSbF5 1016倍倍叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：CCH3H3CCH3OHHSO3F - SbF5 - SO2-60CCH3H3CCH3+ H3+O + SO3F- + SbF5 + SO2 很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸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。介质中进行的。5)5)重排形成更加稳定的碳正离子重排形成更加稳定的碳正离子 迁移的基团可以是烷基、芳基、氢或

10、其它原迁移的基团可以是烷基、芳基、氢或其它原子团，迁移时都是带着一对成键电子至带正电子团，迁移时都是带着一对成键电子至带正电荷的碳原子上，形成新的正电荷中心。荷的碳原子上，形成新的正电荷中心。RCRRCH2RCRCH2R+ 由碳正离子引起的重要的重排反应有由碳正离子引起的重要的重排反应有: : 瓦瓦- -美重排美重排, , 几米亚诺夫重排几米亚诺夫重排, , 邻二叔醇重排邻二叔醇重排, , 烯丙基重排烯丙基重排, , 达尼诺夫重排等达尼诺夫重排等 例例: :写出下述反应的历程写出下述反应的历程R CRRCHOH+R CHRC-RO 历程如下历程如下- H+R CHRC-ROR CRRCHOH+

11、R CRRC OHH+重排R CRC OHH+RR CHRC OHR+R CHRC OHR+重排 邻基参与邻基参与与与非经典正碳离子非经典正碳离子 当一个进行当一个进行亲核取代反应亲核取代反应的底物分子上还带有的底物分子上还带有一个能作为一个能作为亲核体的基团亲核体的基团，并位于分子的适当，并位于分子的适当位置时，能够和反应中心部分地或完全地成键位置时，能够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体，从而影响反应的进行，形成过渡态或中间体，从而影响反应的进行，这种现象称为这种现象称为邻基参与作用（邻基参与作用（Neighboring group participation）。）。 通常把由

12、于邻基参与作用而使反应加速的现象通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为称为邻基协助或邻基促进邻基协助或邻基促进。邻基参与邻基参与 若邻基参与作用发生在决速步骤之后，只有邻基参若邻基参与作用发生在决速步骤之后，只有邻基参与作用而无邻基促进与作用而无邻基促进。 能发生邻基参与作用的原子团能发生邻基参与作用的原子团: p 具有未共用电子对的原子或原子团具有未共用电子对的原子或原子团; p 含有碳含有碳-碳双键等的不饱和基团、碳双键等的不饱和基团、p 具有具有键的芳基以及键的芳基以及C-C和和C-H键。分别称为键。分别称为n电子参与；电子参与；电子参与；电子参与；电子参与。电子参与。(a) n参

13、与作用参与作用 化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的去基团的位置或更远时，此化合物在取代反应位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。过程中构型保持。 COO-（但不是（但不是COOH）、）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及及Cl (IBrCl) 邻基参与效应邻基参与效应CH3HBrCH3HOHorCH3HBrCH3HHOHBrCH3HBrCH3HBrmesoCH3HBrCH3HHOorCH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3HBrCH3HBrC

14、H3HBr外外消消旋旋体体立体专一+ROHBrHRBrSN2 or SN1构型翻转或消旋一一般般情情况况下下： 用用“邻基参与效应邻基参与效应”解释解释CH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3HOH2HH3COH2HCH3BrHH3CHCH3Br分分子子内内SN2（邻邻基基参参与与）形形成成环环正正离离子子（溴溴鎓鎓离离子子）BrababHH3CHCH3BrBrHH3CHCH3BrBrCH3HBrCH3HBrCH3HBrCH3HBr同同一一化化合合物物内内消消旋旋体体 例：芥子气的水解速度比一般伯氯代烷快，动力学为一级例：芥子气的水解速度比一般伯氯代烷快，动力学为一级 机理：机理：2,

15、 2二二氯氯二二乙乙硫硫醚醚H2O快快ClSClClSOH邻邻基基参参与与H2Ok1k2k2 k1ClSClClSClSOH2 HClSOH 例例1： 例例2：CH3BrHCO2NaNaOHH2OCH3HOHCO2Na构构型型保保持持OAcOTsOAcOTsKOAc/HOAcOAcOAc(+) or ( )racemicOAcOAckcisktransKOAc/HOAc+AcOAcO 对例对例1的解释：的解释：分分子子内内SN2CH3(S)BrHCO2NaNaOHH2OCH3(S)HOHCO2NaCH3(S)BrHOO邻邻基基参参与与CH3HOO(R)分分子子间间SN2OH2次次SN2, 构构

16、型型保保持持 对例对例2反应速率差别的解释反应速率差别的解释(ktrans : kcis = 800 : 1)OAcOTsOAcOTsKOAc/HOAcOAcOAc(+) or ( )racemicOAcOAckcisktransKOAc/HOAc+AcOAcOOAcOAcOTsOAcOAcHH直直接接进进行行SN2OAcOTsOAcOTsOTsOAcOAcOAcOAcOAcHH+OAcOAc2次次SN2经过两次经过两次SN2反应反应, 总结果是总结果是构型保持构型保持 第一步第一步第二步第二步 邻基原子更易，更近邻基原子更易，更近, 外加的外加的Nu必须和作用物碰撞才必须和作用物碰撞才能发生

17、反应，而邻基能发生反应，而邻基Z由于所处的位置有利，即刻就由于所处的位置有利，即刻就能进攻中心碳原子；能进攻中心碳原子； Z CRR|CRLR: RR|RRZCC+ L- +CCZRR|RNu:-R R C|RRCZNu:R2) 键参与的非经典正碳离子键参与的非经典正碳离子实验表明实验表明：反反7原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的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溶剂解的速度比相应的饱和化合物大 1011倍倍。TsO-TsOHAcOHAcOHTs = CH3SO2+2电子电子3中心体系中心体系1234573中心中心2电子体系电子体系:+ 三种结构相似的原冰片衍生物的

18、溶剂解的活性三种结构相似的原冰片衍生物的溶剂解的活性: :TsOOTsTsOABC(2) 环丙基的参与作用环丙基的参与作用 环丙烷环的某些性质与双键类似环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。位置时也可能发生邻基参与作用。 （）的溶剂解速率比化合物（）的溶剂解速率比化合物（）的溶剂解速率）的溶剂解速率快快1014倍。倍。HOCOC6H4NO2-pp-O2NC6H4OCOH(I)(II) 又如：化合物（又如：化合物（）的溶剂解速率比化合物（）的溶剂解速率比化合物（）大约快大约快5倍，而化合物（倍，而化合物（）的溶剂解速率比化合物）的溶剂解速率比化合物

19、（）慢）慢3倍。倍。 由此可以看出：由此可以看出：只有当环丙基位于适当位置时才起只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效邻基参与作用，有时甚至比双键更有效。 BsOHBsOHHOBs(III)(IV)(V) (3) 芳基参与作用芳基参与作用 -位的芳基能发生邻基参与作用位的芳基能发生邻基参与作用 具有旋光性的苏型对甲苯磺酸具有旋光性的苏型对甲苯磺酸-3-苯基苯基-2-丁酯的乙丁酯的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着带着电子的苯基促进

20、对甲苯磺酸根离去，同时电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（生成苯桥正离子（phenonium ion）中间体，其）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体：到一对对映体： 而且而且D和和L两种异构体的数量大致相等两种异构体的数量大致相等. PhMeHMeHOTsHOAcPhMeHMeHOAcPhMeHHMeOAc- H+苏型96%为苏型仅4%为

21、赤型 外型和内型对溴苯磺酸酯乙酸解反应外型比内型快倍外型和内型对溴苯磺酸酯乙酸解反应外型比内型快倍 两者产物相同，都为外型乙酸降冰片酯，外消旋两者产物相同，都为外型乙酸降冰片酯，外消旋OBsOAcexo-( I )OBsOAcendo-( II )HOAcAcOKHOAcAcOK2)2)键参与的非经典正碳离子键参与的非经典正碳离子OBsexo-OBsendo-123456123456+SN2SN1+n 对外型而言对外型而言-OBs-OBs离去是从离去是从C-6C-6得到了邻基帮助，即得到了邻基帮助，即C-6C-6在在C-2C-2背面进攻，推出背面进攻，推出-OBs-OBs，相当于，相当于SN2

22、SN2反应，同时生成非经典反应，同时生成非经典C C正正离子。离子。n 而内型的几何形状不具备背面进攻的条件，即而内型的几何形状不具备背面进攻的条件，即-OBs-OBs基团阻基团阻碍了碍了C-6C-6对对C-2C-2的背面进攻，反应按的背面进攻，反应按SN1SN1历程进行，因此速度小，历程进行，因此速度小，但内型化合物生成但内型化合物生成C C正离子后能迅速转变成同样的非经典的正离子后能迅速转变成同样的非经典的C C正离子，因此产物相同。正离子，因此产物相同。 -OAc进攻C1和C2机会相等，因此生成外消旋化合物。13456+13456HAcO13456OAcOAc1二二 碳负离子碳负离子 (

23、Carbanions)碳负离子的生成碳负离子的生成1) C-H键键的异裂的异裂 （金属有机化合物的生成）（金属有机化合物的生成）C H + BC + HB共共轭轭酸酸共共轭轭碱碱碳负离子碳负离子带有一对孤对电子的带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。三价碳原子的原子团。NH3CCHHCCHNaNaNH3液液 NH3CH3COCH2COOEtCH3COCHCOOEtNaOEt2) 负离子对不饱和键的加成负离子对不饱和键的加成NH3Ph3CHPh3CNaNaNH3液液 NH3OCH3CCHHCH OCH3CHCH2CHOCH3HOCH3C碳负离子的结构碳负离子的结构10928sp3 杂化杂化棱锥型

24、棱锥型C90sp2杂化杂化平面三角型平面三角型. .烷基负碳离子为棱锥型烷基负碳离子为棱锥型, 孤对电子处于孤对电子处于sp3杂化轨道上。杂化轨道上。轨道夹角为轨道夹角为109 28时，电子对间的排斥力小，利于时，电子对间的排斥力小，利于负碳离子稳定。负碳离子稳定。 碳负离子碳负离子(Carbanion)(Carbanion)碳负离子构型碳负离子构型与饱和碳相连与饱和碳相连, ,负碳负碳spsp3 3杂化杂化 与不饱和碳相连与不饱和碳相连, ,负碳负碳spsp2 2杂化杂化CO2H O312BuLiC6H12CHCH3IC6H12CHCH3LiC6H12CHCH3COOH光学活性光学活性-70

25、 C 20%光学活性光学活性 0 C 外消旋化外消旋化COOHCLiCH3HC6H13HCCH3HC6H13.CHCH3HC6H13.CO2CCH3HC6H13CCH3HC6H13CO2COOHSRS三元环中的碳负离子三元环中的碳负离子 .选择选择sp3杂化杂化 109o28选择选择sp2杂化杂化120o , 角张力增加角张力增加, 不易转化不易转化CH3HCH3HCH3CO2HLiH1) CO22) H3O+立体定向的顺式产物立体定向的顺式产物2. 影响负碳离子稳定性的因素：影响负碳离子稳定性的因素：1) s-性质效应性质效应CCHCH2CHCH3CH22) 诱导效应诱导效应 与吸电子基团相

26、连时与吸电子基团相连时,使电荷分散使电荷分散,稳定性增大稳定性增大. CH3-H F3C-H (CF3)3C-H pKa 42 28 11 与推电子基团相连时与推电子基团相连时, 稳定性降低稳定性降低. 稳定性稳定性: CH3- CH3CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C-CH3OCH2+CH3O-CH2-CH3O-CH2.CH3O=CH2+很稳定很不稳定邻近原子有孤电子对时邻近原子有孤电子对时, 碳负离子稳定性降低碳负离子稳定性降低.3) 共轭效应共轭效应R-CH=CH-CH2-CH2- PhCH3 Ph2CH2 Ph3CHpKa 35 32 30与共轭体系相连时使负电荷分散与共轭体

27、系相连时使负电荷分散, 稳定性增加稳定性增加.形成芳香体系形成芳香体系HH-_4n + 2, 芳香性芳香性 -C效应的影响效应的影响: OHC-CH2-CHO CH3COCH2COCH3 NCCH2CN CH3NO2pKa 5 9 11 10必须注意必须注意, 如果如果p轨道的对称轴不能平行轨道的对称轴不能平行,则侧面交盖将受影响，而不能充分离域则侧面交盖将受影响，而不能充分离域. 例如例如:.-OOOO.-杂化作用杂化作用 C-H键中的键中的C的成分越多，的成分越多，H越易以质子形式解离越易以质子形式解离H CC HH2CCH2CH3CH3pKa2536.53742H CC-H2CCH-CH

28、3CH2-Stability 反应过程所以要用强碱和液反应过程所以要用强碱和液NH3溶剂，主要由于这些反应物溶剂，主要由于这些反应物中氢原子都是直接与碳相连的，通常称为碳质酸（中氢原子都是直接与碳相连的，通常称为碳质酸（carbon acids），酸性很小。），酸性很小。 如乙炔如乙炔:PKa=25，三苯甲烷，三苯甲烷:PKa=33 ， NH3: PKa=34 H2O:PKa=16 若在水中则立即分解而得不到产物。若在水中则立即分解而得不到产物。 在碳质酸中，当氢原子作为质子离后，碳原子即形成碳负在碳质酸中，当氢原子作为质子离后，碳原子即形成碳负离子。这些化合物中氢原子的活性（即酸性）是与分子

29、的离子。这些化合物中氢原子的活性（即酸性）是与分子的结构有关的，当分子中含有强的吸电基，尤其在中心碳原结构有关的，当分子中含有强的吸电基，尤其在中心碳原子上有吸电基时，氢原子的酸性增强，活性增大。同时，子上有吸电基时，氢原子的酸性增强，活性增大。同时，产的负碳离子，其负电荷如能得到分散或离域也可使碳负产的负碳离子，其负电荷如能得到分散或离域也可使碳负离子稳定，而增强氢原子的酸性。离子稳定，而增强氢原子的酸性。 CH3COCH2COOC2H5 PKa= 11CH3COCH3 PKa= 20-21CH3COOC2H5 PKa= 24-25RCH2NO2 PKa= 10例如例如: :三三. . 自由

30、基自由基 (Free radicals)1. 自由基的种类及结构自由基的种类及结构 自由基也叫游离基自由基也叫游离基, 与碳正离子和负碳离子不同与碳正离子和负碳离子不同,自由基自由基是共价键均裂的产物是共价键均裂的产物, 带有未成对的电子带有未成对的电子,也是重要的活性中间也是重要的活性中间体体,其中碳原子为三价其中碳原子为三价,价电子层有价电子层有7个电子个电子.自自由由基基普普通通自自由由基基- - -中中性性离离子子自自由由基基- - -带带有有电电荷荷1) 自由基的种类自由基的种类BrCRRR.常常见见的的中中性性自自由由基基: :.烷烷基基自自由由基基: :CHHH.CCH3H3CC

31、H3.苯苯基基自自由由基基: :.苄苄基基自自由由基基: :CH2Ph3C.卤卤素素自自由由基基: :FClBrI.烷烷氧氧基基自自由由基基: : RO常常见见的的离离子子自自由由基基: : 正正离离子子自自由由基基 负负离离子子自自由由基基S2O82-Na+.-正离子自由基负离子自由基2) 自由基的结构自由基的结构 与碳正离子及碳负离子相似与碳正离子及碳负离子相似, 自由基中心碳原子的构型自由基中心碳原子的构型,也可能是也可能是sp2杂化的平面构型或杂化的平面构型或sp3杂化的角锥构型杂化的角锥构型. 目前目前认为认为简单的自由基如甲基自由基是平面构型或接近于平简单的自由基如甲基自由基是平面

32、构型或接近于平面的浅角锥型面的浅角锥型, 中心碳原子为中心碳原子为sp2杂化或接近于杂化或接近于sp2杂化杂化, 未未成对独电子处于成对独电子处于p轨道轨道, 三个三个sp2杂化轨道则与杂化轨道则与H原子的原子的s轨轨道交盖形成三个道交盖形成三个 键键.C.HHH.自由基结构自由基结构HHHCRRRCCRRR.甲基自由基甲基自由基与饱和碳相连与饱和碳相连: sp3/sp2与不饱和碳相连与不饱和碳相连: sp2甲基自由基甲基自由基 sp2伯伯/仲烷基自由基仲烷基自由基 sp2叔烷基自由基叔烷基自由基 sp3三苯甲基自由基三苯甲基自由基 螺旋桨螺旋桨 一般一般烷基取代的自由基烷基取代的自由基属于那

33、种构型属于那种构型? 通常认为一个光学活性的化合物通常认为一个光学活性的化合物, 通过产生自由基通过产生自由基, 而后反应结果产生外消旋产物，就认为所生成的自而后反应结果产生外消旋产物，就认为所生成的自由基是平面构型由基是平面构型, 实际并不然实际并不然. 如果自由基不是平面构型如果自由基不是平面构型, 但具有一定寿命的话但具有一定寿命的话, 角锥型也可以迅速转化而达到平衡角锥型也可以迅速转化而达到平衡, 同样也可以得同样也可以得到外消旋产物到外消旋产物. .Ci-BuEtMeHCOR-RHCi-BuEtMeCOCi-BuEtMe-COCi-BuEtMeCBu-iEtMe.RCHOCi-BuE

34、tMeCBu-iEtMeHH+外消旋产物 实际上实际上, 叔碳烷基自由基叔碳烷基自由基,如叔丁基自由基是角锥型构型如叔丁基自由基是角锥型构型, 但但由于不同构型之间相互转化的能垒很低由于不同构型之间相互转化的能垒很低, 分离不出异构体分离不出异构体. 双环桥头碳正离子双环桥头碳正离子与叔丁基正离子比较与叔丁基正离子比较, 由于碳正离子由于碳正离子一般是平面构型一般是平面构型, 桥头碳因几何形状限制桥头碳因几何形状限制, 不可能为平面不可能为平面构型构型, 因而不稳定因而不稳定. 但但双环桥头碳自由基双环桥头碳自由基与叔丁基自由基与叔丁基自由基比较比较, 其稳定性并无明显不利倾向其稳定性并无明显

35、不利倾向.CH3CH3CH3CCCH3CH3CH3.2.5kJ/mol.RHCOt-BuO-HRCOK1-COR.CCl4RClCCl4K2RCOCl. . . .R. .K1/K2R. .的的相相对对稳稳定定性性Me3C12.31.030.52.515.21.2 处于共轭体系的自由基处于共轭体系的自由基，由于电子离域的要求，由于电子离域的要求,中中心碳原子为心碳原子为sp2杂化杂化, 为平面结构为平面结构，如，如烯丙基自由基烯丙基自由基和苄基自由基等和苄基自由基等.CH2CHCH2.CH2.三苯甲基自由基三苯甲基自由基螺旋桨形构型螺旋桨形构型乙烯自由基的未成对电乙烯自由基的未成对电子只能处于

36、子只能处于sp2 杂化轨道杂化轨道.CCHHH.2. 自由基的稳定性自由基的稳定性 自由基的稳定性主要取决于自由基的稳定性主要取决于: 共价键均裂的相对难易程度共价键均裂的相对难易程度 自由基的结构因素自由基的结构因素. 共价键的均裂所需的离解能越高共价键的均裂所需的离解能越高, 生成的自由基能量越高生成的自由基能量越高,生成的自由基越不稳定生成的自由基越不稳定.例如例如:简单烷烃简单烷烃C-H键均裂时的离解能为键均裂时的离解能为: (CH3)3C-H (CH3)2CH-H CH3CH2-H CH3-HH/kJmolmol-1-1 372 385 402 423372 385 402 423稳

37、定性稳定性: (CH3)3C (CH (CH3 3) )2 2CH CHCH CH3 3CHCH2 2 CH CH3 3 叔叔 仲仲 伯伯例如例如: 叔碳的烷氧基自由基在进一步分解时叔碳的烷氧基自由基在进一步分解时, 主要主要生成一个比较稳定的自由基和一分子酮生成一个比较稳定的自由基和一分子酮.自由基的断裂自由基的断裂 b b断裂断裂CH3CH3CH3CH2CO.CH3CH3CH2CO.+ CH3CH3CH3CO + CH3CH2.CH3CH3CCH2CH3O.自由基中心碳原子如与自由基中心碳原子如与 键共轭键共轭,同样可以分散独电子同样可以分散独电子,而而使自由基稳定使自由基稳定.CH3.

38、当苯环上有取代基时当苯环上有取代基时,不论取代基的本性如何不论取代基的本性如何(不论是吸不论是吸电子基还是给电子基电子基还是给电子基), 常常增加自由基的稳定性常常增加自由基的稳定性, 例如例如:.HXPhHPhXProductX-OMe -Me -H -Ph -Br -CN -NO2相相对对速速度度1.21.91.04.01.753.74.0芳基自由基芳基自由基, 烯基自由基和炔基自由基烯基自由基和炔基自由基, 由于未成对电子由于未成对电子不可能与不可能与 键共轭键共轭,所以不稳定所以不稳定,是很活泼的自由基是很活泼的自由基.反反应应H/kJ.mol-1CH3-CH32CH3.3682Ph.

39、420HCC CCH2 CH C627H2CCHCHCH22CH2CH420Ph-Ph3. 自由基的生成自由基的生成由分子产生自由基的方法很多由分子产生自由基的方法很多, 比较重要的有以下三种比较重要的有以下三种:热解热解 在加热的情况下在加热的情况下, 共价键可以发生均裂而产生自由基共价键可以发生均裂而产生自由基.一些键的离解能一些键的离解能(kJ/mol)H-H 430 N-N 150 C-H 410F-F 155 C-C 325335 H-I 295Cl-Cl 240 H-S 335 H-Br 365Br-Br 190 C-Cl 325 H-Cl 430I I 150 C-Br 272

40、H-F 565-O-O- 140 C-I 240 H-O- 460 .RRRR+ 自由基反应通常以自由基反应通常以过氧化物过氧化物或或偶氮化合物偶氮化合物作为引发剂作为引发剂, 主要是由于分子中含有较弱的键主要是由于分子中含有较弱的键, 容易均裂产生自由基容易均裂产生自由基, 同时又是相同元素的同核键同时又是相同元素的同核键,一般不易异裂产生正一般不易异裂产生正/负离子负离子.常用的自由基引发剂有常用的自由基引发剂有: 过氧化苯甲酰过氧化苯甲酰(BPO) 偶氮二异丁腈偶氮二异丁腈(AIBN)自由基引发剂自由基引发剂.O OCOCO80100 Co2Ph+ 2CO2CCH3CCH3H3CCH3N

41、CCNNN80100 CoCH3CH3CNCCCH3CH3CNNN+常用的典型的引发剂：常用的典型的引发剂：过氧化（二）苯甲酰过氧化（二）苯甲酰 苯酰氧基自由基苯酰氧基自由基异丙苯过氧化氢异丙苯过氧化氢CHP叔丁基过氧化氢叔丁基过氧化氢TBH异丙苯氧异丙苯氧基自由基基自由基叔丁基氧叔丁基氧基自由基基自由基C6H5COOOOC C6H580100OCC6H5COOC6H5CO280100OCCH3CNNCCNCH3CH3CH3CNCNCCH3CH3CNNNCCH3CH3最著名的偶氮型自由基引发剂最著名的偶氮型自由基引发剂偶氮二异丁腈偶氮二异丁腈带羧基或磺酸基的偶氮化合物适用于水溶液中产生自由基带

42、羧基或磺酸基的偶氮化合物适用于水溶液中产生自由基羧基异丙基氰自由基羧基异丙基氰自由基2) 光照光照在可见和紫外光波段在可见和紫外光波段, 对辐射具有吸收能力的分子对辐射具有吸收能力的分子, 利用光利用光照射可以使之分解而产生自由基照射可以使之分解而产生自由基.Cl : Clh478.5nmCl : Cl*2Cl.Cl+ CH4HCl + CH3CH3+ Cl-ClCH3Cl+.Cl链引发链增长.CH3.CH3+CH3-CH3.Cl.CH3+CH3Cl链终止另一个有用的光解反应是丙酮气相光照分解反应另一个有用的光解反应是丙酮气相光照分解反应其它容易发生光解的反应如次氯酸酯和亚硝酸酯其它容易发生光

43、解的反应如次氯酸酯和亚硝酸酯, 可以产生可以产生烷氧基自由基烷氧基自由基.hCH3H3CH3CCO320nmH3CH3CCO*H3C CO+.CH3+ CO.RO-ClhRO+ClRO-NOh.RO+NO与热解法比较与热解法比较, 光解产生自由基具有明显优点光解产生自由基具有明显优点, 主要为主要为:光解可以分解在通常合理温度下不容易分解或很难分解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的强共价键, 如偶氮烷类化合物如偶氮烷类化合物:b) 由于一定的官能团具有由于一定的官能团具有特定的吸收带特定的吸收带, 是是特定能量特定能量的转移的转移, 所以光解比热解具有更大的选择性所以

44、光解比热解具有更大的选择性, 副反应比较少副反应比较少.hR-NN RR+ N2+ R热分解比较困难3) 氧化还原反应氧化还原反应 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生自由基, 实际上就是实际上就是氧化还原氧化还原过程过程, 因此通过氧化还原反应因此通过氧化还原反应也可以产生自由基也可以产生自由基. 某些金属离子某些金属离子, 如如Fe2+/Fe3+, Cu+/Cu2+, Ti2+/Ti3+等是常用的等是常用的产生自由基的氧化还原剂产生自由基的氧化还原剂.例如例如: Cu+离子可以大大加速酰基过氧化物的分解离子可以大大加

45、速酰基过氧化物的分解, 产生酰氧基产生酰氧基 自由基自由基.Ar-C-O-O-C-ArOO+ Cu+Ar-C-OOAr-C-OO+ Cu2+-.Ar-C-OOAr + CO2Ti2+是一个很强电子还原剂是一个很强电子还原剂, 可用于还原过氧化氢生成羟可用于还原过氧化氢生成羟基自由基基自由基生成的羟基自由基是有效的催化剂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不但可以用于生成其它自由基，也可以用于有机合成自由基，也可以用于有机合成.H2CC.CH3CH3OHHOH+H2O +H2CCCH3CH3OH.H2CCCH3CH3OH2H2CCCH3CH3HOH2CCCH3CH3OH.Ti2+

46、 H2O2Ti3+-OH + HO4. 影响自由基稳定性的因素影响自由基稳定性的因素1) 诱导效应诱导效应 由于超共轭效应的影响，烷基自由基的稳定性次序为由于超共轭效应的影响，烷基自由基的稳定性次序为: 叔叔 仲仲 伯伯 与共轭体系如烯键、苯基、硝基、氰基等相连都可使孤电子与共轭体系如烯键、苯基、硝基、氰基等相连都可使孤电子离域而得到稳定。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：取代基对自由稳定化能力的大小一般有如下次序： 苯基、烯基羰基苯基、烯基羰基腈基酯基烷基腈基酯基烷基 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许多酚类化合物在冷的干醚中氧化，可以生成不稳

47、定的酚氧自由基，自由基，2，4，6- 三叔丁基苯酚自由基由于单电子与苯环离域，三叔丁基苯酚自由基由于单电子与苯环离域，又由于有较大的邻位阻效应而表现出是一个非常稳定的自由基，又由于有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，它可以被离析出来，IR上显示出上显示出1660cm-1的羰基吸收峰。的羰基吸收峰。 OButButBut.OButButBut. 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，因此可用于自由基此可用于自由基淬灭剂淬灭剂或或阻聚剂阻聚剂。 N，N-二苯基二苯基-N-苦味基自由基是一个紫色晶体，由于

48、存在有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。固体状态存在并保存数年不变。2，2，6，6-四甲基六氢吡啶四甲基六氢吡啶-4-酮氧化氮自由基甚至可以在酮氧化氮自由基甚至可以在分子中的其他部位发生格氏反应而不影响自由基结构。分子中的其他部位发生格氏反应而不影响自由基结构。NOO.NO.ROMgBrRMgBrNNO2O2NO2NPh2N.2) 空间因素空间因素 叔碳原子自由基的稳定性之所以较大，除了有超共轭电子效叔碳原子自由基的稳定性之所以较大，除了有超共轭电子效应外，空

49、间因素也有一定作用。自由基中心碳原子所连的基团应外，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以使自由基中心的张力得到一定消除。此外，较大的较大时可以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（在低温（-30）无氧的稀溶液中是足够稳定的，这也是空间因）无氧的稀溶液中是足够稳定的，这也是空间因素的影响之故。素的影响之故。 CHCCCH3H3CH3CCH3H3CH3C.3) 溶剂效应溶剂效应 溶剂效应对自由基的影响不似对离子那么大，溶剂若能与自溶剂效应对自由基的影响不似

50、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此反应由基络合不但会增加它们的稳定性而且会改变它们的某此反应性质。下列反应：性质。下列反应：CH3CCH3HCCH3HCH3CH3CCH3ClCCH3HCH3CH3CCH3HCCH3HCH2Cl+hvCl2在在C CS S2 2中中反反应应1 10 06 6: :1 1在在苯苯中中反反应应4 49 9: :1 15. 自由基的反应自由基的反应 Free Radical Reactions 与离子型反应相比较，自由基反应常常在中性和较温和的反与离子型反应相比较，自由基反应常常在中性和较温和的反应条件下就能进行应条件下就能进

51、行. 其反应一般有如下几个特点其反应一般有如下几个特点:1）反应常在光或有易于产生自由基物种的催化剂引发下发生。）反应常在光或有易于产生自由基物种的催化剂引发下发生。2）反应常有一个诱导期，而溶剂对反应的影响较小，且无论在）反应常有一个诱导期，而溶剂对反应的影响较小，且无论在 气相还是液相，自由基均能反应。气相还是液相，自由基均能反应。3）芳环的自由基反应并不服从一般定位规律。）芳环的自由基反应并不服从一般定位规律。4）自由基反应在相当一段时间内被认为缺乏选择性，因而难有）自由基反应在相当一段时间内被认为缺乏选择性，因而难有 理想的产率，自理想的产率，自20世纪世纪80年代以来，情况有了显著的

52、改变，年代以来，情况有了显著的改变， 应用于有机合成的自由基反应越来越多。应用于有机合成的自由基反应越来越多。1）重排和碎裂反应）重排和碎裂反应 Rearangement and Fragementation 自由基的稳定性比碳正离子小，其重排不如碳正离子容易自由基的稳定性比碳正离子小，其重排不如碳正离子容易发生，但比碳负离子重排容易。发生，但比碳负离子重排容易。 碳正离子 自由基 碳负离子成键轨道反键轨道 从分子轨道分析，发生从分子轨道分析，发生1，2重排时通过三中心重排时通过三中心过渡态，类似于环丙基的过渡态，类似于环丙基的情况，两个碳的情况，两个碳的P轨道和轨道和迁移基团的迁移基团的P轨

53、道重叠形轨道重叠形成三个分子轨道，其中一成三个分子轨道，其中一个是成键轨道，两个是反个是成键轨道，两个是反键轨道。键轨道。 在有利条件下，如空间因素或重排后有利于单电子的离域在有利条件下，如空间因素或重排后有利于单电子的离域时重排还是可以发生的。例如下面化合物发生自由基反应时时重排还是可以发生的。例如下面化合物发生自由基反应时不同取代基不同取代基R和和R引起重排反应的比例也不同。引起重排反应的比例也不同。.CPhRRCH2.CPhCH2RRR/R:CH3/H Ph/H Ph/Ph重排比例:3963100 易于发生易于发生1，2重排反应的常见取代基有：重排反应的常见取代基有： X, Ph, C=

54、C, OAc等基团。等基团。CClClClCH=CH2.CClClClCHCH2Br.CClClCHCH2BrClCClClCHCH2BrClH.(CH3)2CCH2CHOOAc-H.-CO(CH3)2CCH2.OAc(CH3)2COCH2OCH3(CH3)2CCH2OAc(CH3)2CHCH2OAc自由基的碎裂反应自由基的碎裂反应结构影响：结构影响：CCH3H3CCH3CH2.CH3.+CH3CH3CCH2H = 20Kcal/molCCH3H3CCH3O.CH3.+CH3CH3COH = 5Kcal/molCCH3RCH3O.R.+CH3CH3CO反应速度: R = t-Bu s-Pr E

55、t Ph CH3Driving force: 环张力的解除。环张力的解除。OH3CH3CCH2IOH3CH3CCH2.OCHH3CH3CCH2.RHOHCCHH3CCH3CH2+.CCl3CCl3.CCl3.CCl3ClCCl4C CH H2 2I IhC CH H2 2. .Ph3SnHC CH H3 3 IRI2）卤素取代反应）卤素取代反应 Halogen Substitution 对于一些不活泼的分子，要引入官能团，通常用自由基卤代对于一些不活泼的分子，要引入官能团，通常用自由基卤代 反应。例如：反应。例如：在所有卤素中，只有在所有卤素中，只有Cl.和和Br.具有适中的活性。具有适中的活

56、性。Br-Brh2Br.Br.+ RHHBr + R.R.+Br-BrBr.+ RBr例如，例如， H Kcal/mol Reaction F Cl Br I X. + CH4 HX + CH3. -32 -1 +15 +33 CH3. + X2 CH3X + X. -70 -23 -21 -18 X 2 + CH4 CH3X + HX -102 -24 -6 +15可见，可见，F 的反应是强放热反应，与有机物的反应太剧烈。的反应是强放热反应，与有机物的反应太剧烈。 I 在常温下不能与烷烃反应，只有在较高温度下才能在常温下不能与烷烃反应，只有在较高温度下才能 进行反应。进行反应。比较比较Cl和

57、和Br的夺氢反应，的夺氢反应，Br的选择性比的选择性比Cl高：高：又如：又如：CH2CH340oCBr2CHCH3CH2CH2Br+Br少量Cl2/hCHCH3CH2CH2Cl+Cl 1 : 1CH3卤化与与Br.反反应应时时，甲甲苯苯比比环环己己烷烷快快6 60 0倍倍与与Cl.反反应应时时，环环己己烷烷比比甲甲苯苯快快1 11 1.2 2倍倍其它卤化反应：其它卤化反应： 除卤素进行自由基反应外，还有几种常见的卤化试剂，除卤素进行自由基反应外，还有几种常见的卤化试剂，在有机合成中很有用。在有机合成中很有用。（1）NBS N-溴代丁二酰亚胺（溴代丁二酰亚胺（N-Bromo-succinimid

58、e)NOOBrhNOO.+ BrCH3NOO.+CH2NOOH.CH2+NOOBrCH2Br+NOO.（2） 次卤酸酯次卤酸酯 (CH3)3COCl） （Walling 试剂）试剂）H3C CCH3CH3. +OClhH3C CCH3CH3O+Cl.H3C CCH3CH3O+RHH3C CCH3CH3OH+RRH3C CCH3CH3OClRCl +.H3C CCH3CH3O（3） 溴三氯甲烷溴三氯甲烷 BrCCl3溴三氯甲烷常用作不饱和化合物的取代。溴三氯甲烷常用作不饱和化合物的取代。.hBrCCl3Br+ CCl3.+ CCl3PhCH3Cl3CH + PhCH2.Cl3CBr + PhCH

59、2.+ CCl3PhCH2Br3）自由基加成反应）自由基加成反应（1）加卤化氢）加卤化氢加加HBr, 得到反马氏规则产物。得到反马氏规则产物。加加HCl, 烯烃与烯烃与HCl的自由基加成比的自由基加成比HBr复杂。复杂。 .R+ HClRH +ClH = 5-10Kcal/mol.R-CH=CH2+ ClRCH-CH2Cln R-CH=CH2R-CH-CH2-(CHR-CH2)n-ClHClR-CH2-CH2-(CHR-CH2)n-Cl 调调聚聚物物加加HI, HI键能小，易于产生自由基，但键能小，易于产生自由基，但I.与烯烃的与烯烃的C结合结合 较困难，需吸收较困难，需吸收7Kcal/mol

60、以上的能量，故反应难进行。以上的能量，故反应难进行。加加HF, HF的均裂能很大，第一步难以进行，至今未发现的均裂能很大，第一步难以进行，至今未发现 HF的自由基加成。的自由基加成。（2） 加多卤代烷加多卤代烷 HCXYZ ( CBr4, CCl4, BrCCl3, BrCHCl2, CHCl3, CHBr3, CHI3, CHF3) 少于少于3个卤原子的卤代甲烷不易加成。个卤原子的卤代甲烷不易加成。.hBrCCl3Br+ CCl3.R-CH=CH2.+ CCl3R-CH-CH2-CCl3BrCCl3R-CH-CH2-CCl3Br.+ CCl3四四.卡宾（碳烯卡宾（碳烯 ） (Carbenes