有机反应机理

第7章活性中间体的研究7.1活性中间体概述7.2

碳正离子7.3卡宾7.4碳负离子7.5有机自由基11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27.1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3根据Hammond假设，确定活性中间体的结构有助于了解过渡态的结构因此，活性中间体的研究对有机反应机理的研究具有重要意义4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57.2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6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7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8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9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10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>S11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？为什么亲核试剂通常进攻碳原子？12许多缩合反应经由亚胺正离子中间体，如Knoevenagel缩合13Knoevenagel缩合的机理1415Mannich缩合反应也以亚胺正离子为中间体16Formationofthereactiveiminiumionunderacidicconditions17Alkylationoftheenolizedcarbonylcompound18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resonancestabilizationnotpossible19与相邻原子上键的共振20与相邻原子上键的共振：超共扼效应21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22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23质子酸作用下键的异裂，如：24又如：25Lewis酸作用下键异裂生成碳正离子26酸对不饱和键的加成质子与酰胺，酯等羧酸衍生物加成时，为什么质子加成到羰基氧上而不是加成到氮或烷氧基氧上27其它亲电试剂对不饱和键的加成28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29与含未共用电子对的亲核试剂反应30与含未共用电子对的亲核试剂反应（续）WhenthenucleophileisRCO2H,thecarbonylOmakesthenewbond,nottheOoftheOHgroup31与亲核试剂反应32与亲核试剂反应Pi-bondnucleophilescanalsoaddtocarbocationsandanewcarbocationisformed该反应是否为人名反应？33消除氢DonotusethearrowtoshowtheH+fragmentflyingoffintothewilderness!IfH+floatingawaybothersyou,showaweakbasemakinganewbondtoH+atthesametimeastheC–Hbondiscleaved.Usuallythebaseisassumedtobepresentandisnotshown.34重排Themajormechanismsforcarbocationicrearrangementsare1,2-hydrideshiftsand1,2-alkylshifts.Bothoftheseoccurintherearrangementofthecyclohexyliumion(a2°carbocation)tothe1-methylcyclopentyliumion(a3°carbocation).35碳正离子重排的实例Pinacolrearrangement邻二叔醇重排，频哪醇重排36酸催化下，邻二叔醇失去一分子水，重排成醛或酮的反应：37Pinacol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38以正碳离子为中间体的分步机理39基团离去与基团迁移同时发生的协同机理40Howdoesonedecidewhetherlossofaleavinggroupisconcertedwitha1,2-shiftorwhetheracarbocationisformedbeforethe1,2-shiftoccurs?Understronglyacidicconditions,whencarbocationsareparticularlylonglived,nonconcertedmechanismsareusuallydrawn41Aconcertedmechanismisusuallydrawnwhen•lossoftheleavinggroupwouldgiveaparticularlyhighenergycarbocation;or•thecarbocationthatoneobtainsafterthe1,2-shiftisparticularlylowinenergy;or•agroupthatisantiperiplanartotheleavinggroupshiftsselectively,whereasothergroupsdonot.42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-diols43迁移能力：芳基>烷基PPSE：多聚磷酸三甲硅酯44X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Migratoryaptitudesofsubstitutedphenylgroups4546思考题以下Pinacol重排只生成甲基迁移产物，为什么？47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-diols4849Pinacolrearrangementoftrisubstituted1,2-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50

Pinacolrearrangementswithringexpansionorcontraction5152思考题：解释以下反应结果53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54处于OH2+反式的环上的键迁移，导致缩环55β-卤代醇，β-氨基醇，β-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Semipinacolrearrangements56β-卤代醇的重排57脂环β-氨基醇重氮化，扩环反应：Tiffeneau（蒂芬欧）扩环58Tiffeneau（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：59通过硝基甲烷的加成和硝基还原也可实现扩环60β-羟基硫醚的重排条件：CH2Cl2/10%MeOH/R4NCl

电解氧化61分析以下重排反应的机理6263分析以下重排反应的机理64Tf：三氟甲磺酰基；DTBMP：2,6-二叔丁基-4-甲基吡啶656.3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66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，称为三线态67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68三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69三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33kJmol－1～36kJmol－170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71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72通过-消除反应形成卡宾Carbenesgeneratedby-eliminationaresingletsbecausethetwounsharedelectronsarederivedfromthesameMO73重氮化合物光解产生三线态卡宾74Simmons–Smith试剂(ICH2ZnI)：类卡宾TherateofinsertionofordinaryZndustintotheC–Ibondisveryslow,sozinc–coppercouple,orZn(Cu),isusedinstead75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76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77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