金属有机反应 ppt课件.ppt

3 1有机镁化合物 格氏试剂 格利雅1901年成功地完成了有机镁化合物 后被称为格氏试剂 研究的博士论文 格氏试剂是有机化学家使用的最有用和最多能的化学试剂之一 格氏试剂打开了有机金属在各种官能团合成的新领域 使人们大量地制造自然界所没有的 性质更好的各种化合物 因此该试剂在有机化学中占有很重要的地位 格利雅以格氏试剂的发现 于1912年获得诺贝尔化学奖 VictorGrignard 1871 1935 1 Grignard试剂 常用溶剂 乙醚 四氢呋喃 一 Grignard试剂的性质 2 格氏试剂在有机合成中能起三种不同的功能 作为亲核试剂 这是最常见的功能 作为碱使用 普通烷基卤化镁能产生相当于pKa 30左右的碱性 常常作为一种易得的强碱使用 常作为烯胺拔氢用碱 作为还原剂 这个功能的存在会造成副反应增多 产率下降 指在羰基加成反应里 3 基本性质 活泼 不稳定 二 Grignard试剂的反应 与活泼氢化物的反应与氧 二氧化碳的反应与卤代烃的偶联反应与环氧化合物的反应与醛酮的反应与羧酸衍生物的反应与硫 硒 碲 二氧化硫的反应与B Si P Sn的反应与过渡金属的卤化物的反应BoordolefinsynthesisBarbierReaction 4 与活泼氢化物的反应 5 应用 通过Grignard试剂制备氘代化合物或还原卤代烷至烷烃 制备Grignard试剂应在无水 无氧 条件下进行 底物中不能有活泼氢存在 常用格氏试剂与水的反应定量分析体系中水的含量 例 氘代 还原 6 与氧 二氧化碳的反应 因此制备格氏试剂时应避免与空气接触 氮气 氩气保护 格氏试剂与CO2反应可制备多一个碳原子的羧酸 7 与卤代烃的偶联反应格氏试剂特别容易与三级卤代烃 烯丙型和苯甲型卤代烃发生偶联反应 因此 应采用低温和稀溶液 格氏试剂与一级 二级卤代烃的偶联反应需在零价钯的催化下进行 二烃基铜锂与卤代烃偶联R可以是一级 二级烷基 也可以是乙烯基 芳基 烯丙基和芳甲基 R 可以是一级烷基也可以是其他烃基如乙烯基和烯丙基等 因此此反应应用范围较广 8 与环氧化合物的反应 如果格氏试剂与取代环氧乙烷反应 具有亲核性的烃基首先进攻空阻小的环碳原子 最终生成二级醇或三级醇可用于制备比卤代烷多2个碳的醇类化合物 9 与醛酮的亲核加成反应 合成上可用于制备比卤代烷多R 1个碳原子的醇类化合物 伯醇 仲醇 叔醇 10 与 不饱和醛酮反应 加成产物与空阻有关 与烃基锂反应主要得1 2 加成产物 与格氏试剂反应 则具体情况具体分析加入约0 05mol卤化亚铜或用二烃基铜锂反应可得到1 4 加成为主的产物 11 与羧酸衍生物的反应 12 13 Grignard试剂在合成中应用小结 烃类化合物 各类醇 多R 1碳 羧酸 多1碳 各类醇 多2碳 14 与硫 硒 碲 二氧化硫 15 与B Si P Sn反应 16 与过渡金属的卤化物反应当其它的金属的还原电位比镁低时 利用格式试剂和该金属的盐类化合物发生交换反应 可以得到另一种金属有机化合物 还原电位的顺序 Li Mg2 Al3 Si4 Zn2 Cd2 H Sn4 Cu2 Hg2 17 Boordolefinsynthesis 邦德烯烃合成是利用金属 锌或镁 与 卤代醚合成烯烃的反应 反应产率高 应用广泛 相应的格氏试剂是反应的中间体 由于烷氧基是不好的离去集团 一般认为其采用E1cb机理 18 1931年 有人用Zn代替镁 成功的合成了1 4 戊二烯 19 BarbierReaction BarbierReaction 巴比耶反应 是卤代烃在镁 铝 锡 铟 锌等金属或其盐类作用下对羰基化合物进行亲核加成生成醇的反应 20 21 水相Barbier Type反应具有很好的绿色性 减少了有机溶剂的使用对于反应底物中的活泼氢 不需要任何保护 因此对于含有羟基 氨基等基团的羰基化合物 它们的烷基化反应可以减少反应步骤 缩短反应时间和提高反应的产率反应完成结束后 水解步骤也同时完成 简化了试验操作 22 合成应用 23 1 24 25 26 3 3有机锂试剂 有机锂试剂与Grinard试剂有许多相似之处 并比Grinard试剂活泼 且具备一些特殊的反应性能 与位阻大的酮反应与羧酸盐负离子反应生成酮与 不饱和羰基化合物反应与酰胺和 C NR官能团化合物反应与CO2反应与烯烃双键反应偶联反应与电正性较低的金属卤化物反应 27 一 有机锂试剂的制备 1 卤代烷和金属锂反应卤代烷与金属锂在非极性溶剂 无水乙醚 石油醚 苯 中作用生成有机锂化合物 RX 2Li RLi LiX 28 卤代烷与锂反应的活性次序为 R1 RBr RCl RF 氟代烷的反应活性很小 而碘代烷又很容易与生成的RLi发生反应生成高碳的烷烃 所以常用RBr或RCl来制取RLi 由于烯丙基氯和苄氯易发生Wurtz类偶联反应 不易用此法制备相应的烯丙基锂和苄基氯 29 2 通过金属 卤素交换制备 锂 卤交换 RLi R X R Li RX例 RX C4H9Li C4H10 RLi 通过金属 卤素交换是制备有机锂试剂的另一重要方法 该法主要用于1 烯基锂或芳基锂的制备 此类反应进行的方向是朝着生成更稳定的有机锂化合物 即金属连接到电负性更大的碳上 30 31 3 通过Shapiro反应制备 该法是制备烯基锂的特殊方法 32 4 丁基锂与烃类反应 锂 氢交换 丁基锂和某些烃反应 使锂原子取代烃中的氢原子 生成新的有机锂化合物 这里反应称为烃的金属化反应 又称锂氢交换 C4H9Li RH C4H10 RLi 除丁基锂外 其它有机锂化合物如甲基锂 乙基锂 苯基锂等也可以进行锂氢交换反应 因为丁基锂制备方便 活性适宜 产生的丁烷易于挥发 所以最为常用 叔丁基锂 仲丁基锂较正丁基锂更活泼 一般不常用 例 33 提示 锂的反应活性高于镁 烷基锂的化学活性也高于烷基卤化镁 在有机合成中有机锂显得特殊重要 由于有机锂中的碳锂键的离子性很强 碳负离子非常容易被氧化或与活泼氢结合 所以在制备有机锂时应在情性气体保护下进行 所用溶剂如乙醚 苯 环己烷等必须是特别干燥 34 丁基锂的制备 1 3用量无水乙醚用于配制溴代正丁烷乙醚溶液 2 3用量投入反应器中 在氮气保护下加入锂丝 10 下搅拌滴入少量溴代正丁烷乙醚溶液 待反应液变浑浊 锂丝出现金属光泽时反应已开始 继续滴加溴代正丁烷 反应在0 10 搅拌1 2小时 在氮气保护下滤去固体LiBr 得正丁基锂乙醚溶液 滴定后封存备用 产率为80 90 35 二 有机锂化合物在合成中的应用 1 有机锂化合物的亲核性和碱性比格利雅试剂强 大体积的烷基锂可与有很大空间位阻的羰基化合物发生亲核加成反应 而格利雅试剂则不能 例如 36 37 2 有机锂可以与羧酸和二氧化碳反应制备酮 有机锂与羧酸合成酮的特点是 如果原羧酸是光活性的 所得的酮也同样是光活性的 羧酸分子中有羟基 胺基等 也同样可以反应 格氏试剂与二氧化碳反应生成羧酸 但有机锂与二氧化碳加成则生成酮 这主要是由于有机锂化合物比有机镁化合物具有更强的亲核性 有机锂能继续与羧酸根作用 利用这个反应可以制备酮 38 3 苯基锂进行亲核反应时 有一定的选择性 而作为一个强碱 它可以用于苯炔机理的反应 例如 39 4 与 不饱和羰基化合物反应优先进行1 2 加成 格氏试剂优先1 4加成 40 5 活泼的烷基锂在乙醚或四氢呋喃溶液中与卤化亚铜反应 生成加合产物二烷基铜理 并溶于醚中 二烷基铜锂是一个良好的亲核试剂 它与伯卤代烷作用可以得到较高收率的烃 41 6 有机锂化合物同某些电正性较低的金属卤化物反应 以制备该金属的有机化合物 例如 4RLi SnCl4 R4Sn 4LiCl2RLi CuI R2CuLi LiI2RLi HgCl2 R2Hg 2LiCl其中 最常用的是有机铜化合物 而且随着有机锂化合物的物质的量不同 所得产物也不同 RLi CuI RCu LiI 42 3 4有机锌和有机镉试剂 一 结构 反应性和制备 有机锌化合物是人们最早得到的有机金属化合物 弗拉克拉德用碘乙烷和锌合成了碘化乙基锌 此事震动了化学界 西蒙 史密斯用二碘甲烷和锌铜合金反应生成碳烯 后者和烯烃加成而得到环丙烷衍生物 自从发现碳烯的中间体是碘化 碘甲基 锌 I CH2I Zn 以后 有机锌化合物再次受到注意 从某种意义上讲 有机锌是金属有机化学的起点 43 在元素周期表中 锌和镉都属于 B元素 其外层电子为ns2 与碳成键时有一个s电子激发道p轨道 以sp杂化形式与碳形成较稳定的 键化合物R2M 呈线性结构 有机镉试剂的反应活性远低于格氏试剂和有机锂试剂 特别是不与酮和酯反应 因而可以用于需要选择性的反应 如制备不对称酮等 44 有机锌和有机镉化合物通常利用有机金属和金属盐的交换反应制备 反应朝着生成正电性较强的金属无机盐的方向进行 因此 一般选取格氏试剂和有机锂试剂与锌盐 镉盐反应 2RMgX ZnX2 R2Zn 2MgX22RMgX CdX2 R2Cd 2MgX或者 2RLi CdX2 R2Cd 2LiX有机锌试剂还可以用下列方法制备 RI Zn Cu R2Zn 45 二 有机锌和有机镉化合物在有机合成中的应用 有机锌在有机合成中中应用较为广泛 锌溴代乙酸酯和羰基化合物反应可以制得 羟基羧酸酯 这一反应称为瑞福马茨基反应 ReformatskyReaction 反应中生成的有机金属化合物C2H5O2CCH2ZnBr似乎与格氏试剂相似 然而 其附近的羰基可以使 碳上的负电荷离域 所以作为亲核试剂则认为是烯醇锌 1 瑞福马茨基反应 ReformatskyReaction 46 47 在锌存在下 取代的 溴代酸酯和 溴代酮都能和羰基发生加成反应 48 49 有机锌试剂在铜存在下与二碘甲烷作用可生成不稳定的ICH2ZnI 后者能立体专一地铜烯烃加成生成环丙烷类化合物 反应中的ICH2ZnI类似于卡宾 CH2的作用 故称为类卡宾 又称为西蒙斯 史密斯 Simmons Smith 试剂 2 西蒙斯 史密斯反应 Simmons SmithReaction 50 有机镉化合物最常用的例子是与酰氯反应制备不对称酮 因为有机镉试剂活性低 不能再与产物酮其加成反应 于是反应可停止在酮的阶段 例如 3 吉尔曼 纳尔逊反应 Gilman NelsonReaction 51 合成1 例题分析 52 合成2 53 一 结构和反应性 有机铜化合物是在研究应用有机镁化合物时发现的 格氏试剂与 烯酮反应时 在一价卤化铜的催化下 进行1 4 加成 而不是1 2 加成 所得饱和酮的产率较高 因此铜盐催化的格氏试剂逐渐广泛应用 普遍认为格氏试剂与铜盐生成的中间体可能是有机铜化合物 直到1966年郝士 House 等人通过实验证实有机铜化合物的存在 从此 对有机铜化合物的研究迅速开展起来 目前 有机铜化合物已经成为十分有效地用于精细有机合成中 3 5有机铜试剂 54 在元素周期表中 铜是 B元素 为过渡金属 其外层电子构型为3d104s1 故铜与碳一般形成 键 也可与乙烯等烯烃形成 络合物 而铜的乙炔化物则具较强离子性 有机铜化合物大致可分为烃基铜和二烃基铜锂两类 他们都很容易与一些配合物络合 而络合物又常常显示出不同的反应性能 不仅配合物的存在影响有机铜化合物的反应性能 溶剂不同也对反应产生很大的影响 由于有机铜化合物和各类反应物的反应机理尚不十分清楚 因此很难预料如何影响结果 55 有机铜大致可分为烃基铜和二烃基铜锂两大类 他们都很容易与一些配合物络合 烃基铜可能以多聚体形式存在 一般不溶于溶剂 烃基铜卤化物 二烃基铜锂及其络合物都有不同程度的溶解性 其中 二烃基铜锂的溶解性较好 活泼性较高 选择性也强 因此二烃基铜锂是在有机合成上使用最方便的有机铜试剂 各种有机铜化合物 除了炔基铜外 一般对热均不稳定有的甚至在0 时也会分解 对水 氧也不稳定 易发生水解或氧化反应 56 反应性 易于取代卤素 特别能取代不活泼的卤素易于取代酰卤的卤素生成酮与 不饱和羰基化合物发生共轭加成偶联反应 57 二 有机铜化合物的制备 1 烃基铜的制备 烃基铜的制备主要是利用一些金属有机化合物与卤代铜的交换反应 金属有机化合物如铅 锌 汞等化合物均能应用 而最常用的还是有机镁和有机锂化合物 RMgX CuX R Cu MgX2RLi CuX R Cu LiX芳基铜比较稳定 这些反应可以在0 进行 甲基铜要在 15 制备 其它伯烷基铜更不稳定 反应要在干冰 丙酮中冷却至 78 时进行 仲烷基铜 叔烷基铜的制备 若无配合物存在 制备时就会分解 58 烷基铜能够与有机镁或有机锂化合物继续反应 形成二烃基铜或锂 RCu RLi R2CuLi3RCu RMgX R2Cu 2Mg CuX因此在制备烃基铜时 必须保持卤化铜过量 而后再用溶剂 如乙醚或四氢呋喃 洗去剩余的卤化铜 59 二烃基铜锂一般采用有机锂化合物与卤化铜进行交换反应制备 2RLi CuX R2CuLi LiX二烷基铜锂对于某些不宜有盐存在的反应 或是制备不同烃基的铜锂时 可采用下列方法 2 二烷基铜锂的制备 60 RCu RLi R2CuLiRCu R Li RR CuLi提示 与格氏试剂不同 有机铜化合物由于对热 氧 水不稳定 因此制备后须立即使用 61 1 自偶联反应 有机铜试剂可以热解发生自偶联 如有氧的存在 自偶联更易进行 利用有机铜化合物的偶联反应 可以合成具有不同基团的新型化合物 如 62 烯基铜的自偶联 能保持原有烯基的构型 如 63 2 烃基取代反应 有机铜试剂中的烃基可以取代各种有机卤化物中的卤原子 使试剂中的烃基与卤化物的烃基连接起来 这也是重要的有机合成方法 如 二甲基铜锂能以甲基取代各种乙烯式卤化物中的碘和溴 64 这种用烷基取代卤素的方法比格氏试剂或有机锂试剂更有利 其优越之处在于有机铜试剂同许多功能基团不起作用 因此在铜试剂或卤化物中都可以含有这些功能基 从而比较方便地合成含功能基的化合物 另一优点在于有机铜试剂能在低温下反应 同时能够保持铜试剂或卤化物中原有的构型不变 在合成具有指定构型的化合物时较为有利 如 65 炔基铜化合物与卤代烷不易起反应 但易与卤代烯 卤代炔或芳香族卤化物反应 如 上述反应同时表现出有机铜试剂的优点 即碘苯环上的羟基 氨基等活泼氢的基团无需保护 可以直接进行反应 但这些基团若处于邻位时 将与三键加合成环 66 有机铜试剂进行烃基取代 以二烃基铜锂为好 产率也高 可以保持空间构型 其中二甲基铜锂进行甲基化 产率最高 其次为伯烷基铜试剂 仲烷基或叔烷基铜试剂结果最差 亲核性较弱 67 68 用途 制备复杂结构的烷烃 R可以是10 20 30R X最好是10 也可以