有机反应机理第7章-2

1、有机反应机理第7章 活性中间体的研究（续）1有机反应机理7.4 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10a10b2有机反应机理碳负离子的稳定性 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3有机反应机理多数碳负离子取sp3杂化，取代基之间较为拥挤，与碳正离子的稳定性相反，随着碳负离子的取代基体积变大，分子内张力增加，稳定性降低4有机反应机理碳负离子的形成 碳卤键能被一些金属还原，生成碳负离子格林亚试剂的制备是典型的例子5有机

2、反应机理金属插入CX键按单电子转移机理进行6有机反应机理通过卤素-金属交换形成碳负离子，反应可按SN2机理，加成-消除机理或单电子转移机理进行7有机反应机理Addition-elimination mechanism for halogen exchangeBrOMen-BuLiBrOMen-BuLiOMeLin-BuBr+8有机反应机理Electron transfer mechanism for halogen exchangeBrOMen-BuLiOMen-BuBrLi9OMeBrn-BuLiOMeLin-Bu Br+OMen-BuLiBr有机反应机理碳负离子也可通过酸碱反应，使碳氢键发

3、生异裂而形成许多含活泼氢的化合物可按此途径形成碳负离子R3CH+ BR3C + BH 10有机反应机理碳负离子还可由烯烃与亲核试剂反应形成PhR-LiRPh+ Li+11有机反应机理碳负离子的反应 碳负离子的反应包括与亲电试剂反应、重排反应和氧化反应等例如12有机反应机理CH2CO2HNH3NaNH2CHCO2H NaC6H5CH2ClEtOEtCHCO2HCH2C6H513有机反应机理7.5 有机自由基自由基是指有一个未成对电子的原子或分子自由基是缺电子的中间体，但不带电荷，其性质与正碳离子和卡宾等缺电子的中间体差别较大14有机反应机理7.5.1 自由基的结构和稳定性烷基自由基具有7电子结构

4、，因而是缺电子的烷基自由基的中心碳原子杂化态处于sp2与sp3之间，近似于sp2杂化，具有扁平的角锥型结构15有机反应机理自由基的扁平角锥结构很容易翻转自由基翻转的能垒很低，只有2.5kJ/mol自由基的快速翻转使得一些具有光学活性的反应物经自由基机理反应后得到的是外消旋产物16有机反应机理CH3CHClH2CC2H5CH3CClH2CC2H5CH3CClH2CC2H5Cl2CH3CC lClH2CC2H5+CC lClH2CC2H5CH3例如光学活性的1-氯-2-甲基丁烷的氯化反应，得到的产物是外消旋体17有机反应机理自由基的稳定性自由基与碳正离子一样，是缺电子的，任何稳定碳正离子的因素也能

5、稳定自由基相邻原子上的未共用电子对，键，键都能稳定自由基，稳定性顺序：叔碳自由基 仲碳自由基 伯碳自由基18有机反应机理自由基与碳正离子稳定性的差别自由基中心碳原子价壳层电子数为7，缺电子性不如碳正离子严重，较相应碳正离子稳定例如，伯碳正离子很难形成，而伯碳自由基则通常可作为反应中间体19有机反应机理自由基与碳正离子稳定性的差别（续）相邻原子上的未共用电子对，键和键对自由基的稳定化作用不如对碳正离子的稳定化作用强这是因为自由基的这些共轭作用是占有轨道与占有轨道间的作用，有一个电子进入反键轨道20有机反应机理而碳正离子的这些共轭作用是占有轨道与空轨道间的作用，电子都进入成键轨道21有机反应机理对

6、于杂原子自由基，由于自由基是缺电子的，自由电子所在原子电负性越大，相应自由基越不稳定稳定性：CR3NR2ORIBrClFHO和H极不稳定，通常不能作为反应中间体存在22有机反应机理氮氧自由基是非常稳定的自由基，例如TEMPONOCH3CH3H3CH3CNOCH3CH3H3CH3CTEMPO, a stable nitroxyl23有机反应机理7.5.2 自由基的产生键的均裂键的激发单电子还原或氧化24有机反应机理有机过氧化物和偶氮化合物分子中的氧氧键和碳氮键的键能很低，很容易均裂为自由基，常用来作为自由基反应的引发剂25有机反应机理OOOOOO2CCH3CH3NNCCH3CH3hvN2+2CC

7、H3CH326有机反应机理通过键离解能可以判断化学键均裂的难易HHBr BrBDE/kj/mol435192不难看出，BrBr键易断裂，HH键不易断裂27有机反应机理一些键在光照下可使电子激发到*轨道上，形成双自由基ORRhvORR双自由基可以发生自由基的各种反应28有机反应机理某些顺式烯烃的双键在光照下异构成反式，可能经过双自由基机理PhHHPhhvPhHHPhPhPhHHPhPhHH29有机反应机理动物的视网膜中存在具有顺式双键的亚胺11-cis-retinal（视黄醛）imine，当光线照到眼睛时，异构成反式，产生电脉冲，通过视神经传递给大脑反式亚胺被转运到肝脏，在酶和ATP(腺苷三磷酸

8、)的作用下转变成顺式再送回视网膜30有机反应机理氧化还原反应也是产生自由基的简便方法单电子转移过程先生成阳离子自由基(氧化)或阴离子自由基(还原)，再分解成自由基和离子，例如：人名反应？31有机反应机理酮在金属的作用下生成负离子自由基，称作羰游基(ketyl)。深蓝色的二苯甲酮羰游基在用钠干燥溶剂时用作脱氧剂32有机反应机理7.5.3 自由基的反应 有关自由基的反应包括与键的加成，裂解，夺取氢，复合，重排等33有机反应机理与键的加成H2CCH3CH3Br例如溴自由基对双键的加成和自由基环化CH3BrCH3CH2CH2CH234有机反应机理硝酮(nitrone)与自由基加成生成稳定的氮氧自由基，

9、常用作自由基捕集剂Nt-BuOHPhRONt-BuRONt-BuRNt-BuOHPhR35有机反应机理夺取氢OOHOEtHH3C夺取氢也是自由基的基本反应，例如OEtHH3COOHCNH3CH3CHSnBu3CNH3CH3CHSnBu336有机反应机理夺取卤素自由基也可夺取反应物分子中的卤素，与夺取氢是同一类反应37有机反应机理自由基通常不能夺取反应物分子中的烷基，氰基等基团，例如CNDirect abstraction of CN by the aryl radicaldoes not occurCNCNCH2CNCH2CNAn addition-fragmentation mechanis

10、m is much more reasonable38有机反应机理注意：自由基夺取氢的难易与离子型反应中脱质子的难易是完全不同的例如，碱性条件下ROH很容易异裂成RO和H+，但Me3CH键很难断裂自由基夺取氢的反应则相反， Me3CH的氢容易被自由基夺取， ROH的氢则难以被自由基夺取，因为ROH键的BDE高于Me3CH键的BDEBDE:CH3_H, 435kJ/mol; HO_H, 498kJ/mol39有机反应机理由于上述原因，自由基反应常选择甲醇，水和苯作溶剂如果用乙醚，THF，CH2Cl2，丙酮或氯仿作溶剂，常会发生自由基夺取溶剂分子中的氢的副反应40有机反应机理自由基的复合和歧化两分

11、子自由基利用各自的自由电子所在轨道形成新的键的反应称为自由基复合41有机反应机理自由基夺取另一自由基分子中的氢，形成两分子八隅体结构产物的反应称作自由基歧化，例如42有机反应机理自由基重排与碳正离子不同，自由基的同面协同的1,2-迁移重排是对称性不允许的反应，但某些自由基可以通过加成-裂解的途径发生1,2-迁移重排，例如43有机反应机理解释以下自由基重排的机理44有机反应机理链反应和非链反应自由基引发剂作用下的反应通常为链反应使用化学计算量的氧化剂或还原剂所进行的反应不是链反应光化学反应中，单分子重排或消除通常不是链反应，而加成，取代反应通常为链反应45有机反应机理7.5.4 自由基反应实例4

12、6Birch还原：非链反应有机反应机理液氨中用碱金属锂、钠、钾还原芳烃为非共轭环己二烯的反应称为Birch还原M/NH3/ROHM = Li, Na, KHHHHRR47有机反应机理Birch还原的特点苯乙烯等底物的共轭双键可被还原，底物中不与苯乙烯等底物的共轭双键可被还原，底物中不与芳环共轭的孤立双键不被还原芳环共轭的孤立双键不被还原吡啶等芳杂环也可被还原，但吡咯等富电子的芳吡啶等芳杂环也可被还原，但吡咯等富电子的芳杂环只有环上存在吸电基时才起反应杂环只有环上存在吸电基时才起反应48有机反应机理Birch还原的机理R+ e/LiRRROHHHR+ e/LiHHRROHHHHHR49有机反应机

13、理单取代苯还原的区域选择性芳环上有供电基：生成1-取代-1,4-环己二烯芳环上有吸电基：生成1-取代- 2,5-环己二烯EDGEWG50有机反应机理1-methylcyclohexa-1,4-dieneLi/NH3/EtOH88%HHHHCOOHCOOHcyclohexa-2,5-dienecarboxylic acidNa/NH3/EtOH95%HHH51有机反应机理Birch还原选择性的解释EWG+ e/LiEWG根据机理，先生成负离子自由基负离子自由基有以下多种共振结构EWGEWGEWG52有机反应机理产物由稳定的共振结构生成EWGROHEWGH+ e/LiEWGHROHEWGHHH53

14、有机反应机理当苯环上有供电基时EDG+ e/LiEDGEDGEDGEDG负离子自由基同样有以下多种共振结构54有机反应机理产物同样由稳定的共振结构生成EDGROHEDGHH+ e/LiEDGHHROHEDGHHHH55有机反应机理根据分子轨道理论和Birch还原的反应机理，也可以解释Birch还原的选择性根据Huckl分子轨道法，苯的分子轨道可表示如下56有机反应机理1/41/41/41/4001/31/31/121/121/121/12AS57有机反应机理还原时，电子应当加到最低空轨道A 或 S上取代基为供电基时，电子占据A轨道形成的负离子自由基能量较低，导致生成1,4-己二烯A1/41/4

15、1/41/400A1/41/41/41/400EDG58有机反应机理取代基为吸电基时，电子占据S轨道形成的负离子自由基能量较低，导致生成2,5-己二烯S1/31/31/121/121/121/12S1/31/31/121/121/121/12EWG59有机反应机理供电基导致电子占据A轨道，得1,4-环己二烯X(EDG)Li+ eH+X(EDG)X(EDG)X(EDG)HHHH+Li+ eX(EDG)X(EDG)HHHH+H+X(EDG)HHHH60有机反应机理吸电基导致电子占据S轨道，得2,5-环己二烯X(EWG)Li+ eH+X(EWG)X(EWG)+HHHX(EWG)Li+ eX(EWG)

16、X(EWG)+HHHH+X(EWG)HHH61有机反应机理更多的自由基反应王全瑞，李志铭译. 当代有机合成方法，第4章，华东理工大学出版 社，上海：200662有机反应机理7.5.5 自由基中间体的检测和捕获电子自旋共振或电子顺磁共振法 (ESR或EPR)63有机反应机理ESR的实验原理与NMR相似，只不过ESR检测的是电子的自旋谱，而NMR检测的是核的自旋谱ESR可用来检测有机自由基、三线态卡宾等中间体64有机反应机理电子的自旋：电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向电子因自旋而具有自旋角动量，因而具有自旋磁矩65有机反应机理电子自旋的重要性磁致电阻的发现：1857年英国科学家威

17、廉姆 汤姆森测量铁和镍在磁场中的电阻变化1956年IBM科学家根据磁致电阻原理开发出世界上第一个计算机硬盘，由50片直径24英寸涂着磁粉的圆盘组成，容量5M磁致电阻现象产生的根本原因是电子自旋66有机反应机理实现巨磁电阻效应：1988年法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔，铬、铁多层膜，2007年诺贝尔物理学奖巨磁电阻效应的发现导致硬盘性能和容量在随后十几年中大幅提升法国Paris - Sud 大学的Albert Fert 以及德国尤利希研究中心的Peter Grnberg获 2007 年度的诺贝尔物理学奖,以表彰他们在1988 年发现巨磁电阻效应67有机反应机理电子自旋是量子化的，自旋量子数

18、只能取1/2和1/2当分子中电子配对时，处在同一轨道上的两个电子自旋方向相反(自旋量子数分别为1/2和1/2)，所以不会产生净磁矩，不给出ESR信号具有未成对电子的物质(如有机自由基)，在无外加磁场存在的情况下，磁矩的取向是随机的，所以宏观上表现不出磁性68有机反应机理0eEhgH H0 H0 (a) (b) 有外加磁场存在时，两个自旋状态会发生能级分裂两能级的能量差E可用下式计算69有机反应机理式中H0为外加磁场强度g为磁旋比，是磁矩对电子角动量的比值，相当于NMR中的化学位移，因其变化小，提供的信息较少e为玻尔磁子，其值为9.27321021尔格/高斯自由电子的g值为2.002319，有机

19、自由基的未成对电子的g值相对自由电子变化不大70有机反应机理共振频率的计算geH0/h =(2.00239.27321021/6.6251027)H0 =2.80106H0 Hz在磁场强度H0为3400高斯的场中 2.801063400=9520MHz71有机反应机理与NMR共振条件的比较：02hErBNMR共振条件式中h为普朗克常数g=2.67515255108/sT为磁旋比，它是核的特征常数，因为：1 Tesla = 104 Gauss对1H g为26751/sGB0为外加磁场的强度72有机反应机理061126751 3400223.14159=14.5 1014.5rBHzMHz在磁场强

20、度B0为3400高斯的场中，振动频率为73有机反应机理比较ESR与NMR的灵敏度在相同外加磁场强度下，ESR共振频率远高于NMR，这说明ESR的能级差远高于NMR的能级差根据Boltzmann分布定律，粒子在两个能级间的分布与能级差有关，能级差越大，处于低能级的粒子数就越多，发生共振时，跃迁至高能级而产生的信号就越强。因此， ESR的灵敏度较NMR高得多74有机反应机理0B0A0BBAAexpexp(14)bbQQKQk TQk TABK有机反应机理ESR谱的解析ESR谱与NMR谱不同，不同自由基相当于化学位移的g值变化很小，不能提供有用的结构信息ESR谱主要由超精细裂分及超精细裂分常数提供结

21、构信息76有机反应机理超精细裂分电子自旋与附近磁核自旋的相互作用所产生的ESR信号的偶合裂分称为超精细裂分，可以提供有关自由基结构的有用信息，成为ESR谱的重要参数。77有机反应机理两类重要的超精细裂分一类是处于碳上的氢质子与未成对电子之间的电子-质子偶合作用另一类是处于碳上的氢质子与未成对电子之间的电子-质子偶合作用g碳原子或更远碳原子上的氢质子与未成对电子的偶合常数很小，通常小于1G78有机反应机理若参与偶合的自旋为I的核有n个，则谱线数为2nI+1例如，甲基自由基的孤电子可与三个质子偶合，谱线数为231/2+1=4，谱图如下79有机反应机理 又如，乙基自由基的谱线数为(231/2+1)(

22、221/2+1)=12，谱图如下80有机反应机理超精细裂分常数的意义aQaQ,aa,QQ裂分常数的大小与未配对电子的自旋密度成正比式中： 分别表示与H和H的偶合常数 为未配对电子在碳和碳上的自旋密度 为常数81有机反应机理aa,aa对脂肪族自由基，由于超共轭效应，常有：例如，乙基自由基的 分别为22.38G和26.89G82有机反应机理思考题将氧化剂Ti/H2O2与乙醚混合，用ESR检测到自由基的存在，谱图如下，推测自由基的结构83有机反应机理芳基自由基的超精细裂分-自由基由于未成对电子在体系中可以离域，使得体系中每一个碳原子上都带有部分未成对电子的电荷密度，因此未成对电子与体系中所有质子都发生偶合当这些质子为全同质子时，得到的ESR谱较为简单，例如，苯负离子自由基的ESR谱由7条线组成84