有机反应中的活性中间体ppt课件

1、第四章第四章 有机反响活性中间体有机反响活性中间体 (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、自在基三、自在基 (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 在有机反响中，有机反响有些是在有机反响中，有机反响有些是属于一步完成的，称为协同反响。属于一步完成的，称为协同反响。例如例如Diels-Alder反响：反响：CH2

2、HCHCCH2COCOOHCHCCH2CHCHH2CCOCOO+HCHCCH2CHCHH2CCOCOOTransition State 更多的有机反响那么不止一步，反响中至少包括一个活性中更多的有机反响那么不止一步，反响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，然后与水反响而得到水解产物。与水反响而得到水解产物。CCH3H3CBrCH3OH-H2OCCH3H3CBrCH3-Br-CCH3H3CCH3+Transition stateIntermediateH2OCCH3H3COH2CH3Transition stat

3、eCCH3H3COH2CH3+-H+CCH3H3COHCH3+协同反响的能峰图协同反响的能峰图分步反响的能峰图分步反响的能峰图一一. 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. 正碳离子的构造正碳离子的构造CH3CH3CCH3+C sp2 - sbondCH3+ 的轨道构造的轨道构造sp2 - sp3bond(CH3)3C + 的轨道构造的轨道构造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：超共轭效应：CCH

4、HH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添加；给电子基团使正碳离子稳定性添加； 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定：环丙甲

5、基正离子比苄基正离子还稳定：CH2CH2CH2C环丙甲基正离子的构造：环丙甲基正离子的构造：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展侧面交盖，其轨道进展侧面交盖，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构造：直接与杂原子相连的正碳离子构造：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轨道轨道侧面交盖

6、，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原子进展原子进展sp2杂化，杂化， p轨道轨道用于构成用于构成键，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： 构造同乙烯型正碳离子，正电荷构造同乙烯型正碳离子，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。2) 溶剂

7、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。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 经过化学键的异裂而产生。经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N2NH2N2NaNO3HClHHPh3CSbF6SbF

8、64) 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倍倍叔丁醇在以下条件下完全转变成叔丁基正离子：叔丁醇在以下条件下完全转变成叔丁基正离子：CCH3H3CCH3OHHSO3F - SbF5 - SO2-60CCH3H3CCH3+ H3+O + SO3F- + SbF5 + SO2 很多正碳离子的构造与稳定性的研讨都是在超酸很多正碳离子的构造与稳

9、定性的研讨都是在超酸介质中进展的。介质中进展的。非经典正碳离子非经典正碳离子1) 键参与的非经典正碳离子键参与的非经典正碳离子实验阐明：反实验阐明：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1234572)键参与的非经典碳正碳离子键参与的非经典碳正碳离子外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯溶剂解溶剂解速度速度相应的内型化合物相应的内型化合物大大350倍倍OBsOAcHOAcHOAcOBs-

10、OBs二二 碳负离子碳负离子 (Carbanions)碳负离子的生成碳负离子的生成1) C-H键的异裂键的异裂 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碳负离子的构造碳负离子的构造1092

11、8sp3 杂化杂化棱锥型棱锥型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，利于负时，电子对间的排斥力小，利于负碳离子稳定。碳离子稳定。 CO2H O312BuLiC6H12CHCH3IC6H12CHCH3LiC6H12CHCH3COOH光学活性光学活性-70 C 20%光学活性光学活性 0 C 外消旋化外消旋化COOHCLiCH3HC6H13HCCH3HC6H13.CHCH3HC6H13.CO2CCH3HC6H13CCH3HC6H13CO2

12、COOHSRS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 , 角张力添加角张力添加, 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要素：影响负碳离子稳定性的要素：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,稳定性增稳定性增大大. 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

13、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+很稳定很不稳定临近原子有孤电子对时临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系相连时使负电荷分散, 稳定性添加稳定性添加.构成芳香体系构成芳香体系HH-_4n + 2, 芳香性芳香性-C效应的影响效应的影响: OHC-CH2-CHO CH3COCH2COCH3

14、 NCCH2CN CH3NO2pKa 5 9 11 10必需留意必需留意, 假设假设p轨道的对称轴不能平行轨道的对称轴不能平行,那么侧面交盖将受影响那么侧面交盖将受影响,而不能充分别域而不能充分别域. 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越易以质子方式解离越易以质子方式解离H CC HH2CCH2CH3CH3pKa2536.53742H CC-H2CCH-CH3CH2-Stability4) 溶剂效应溶剂效应 Solvent Effect 溶剂对反响速度、化学平衡以及有机反响机理的影响称为溶剂对反响速度、化学平衡以及有机反响机理的影响称为溶剂

15、效应。溶剂效应主要经过溶剂的极性、氢键、酸碱性等溶剂效应。溶剂效应主要经过溶剂的极性、氢键、酸碱性等产生作用。产生作用。 在一切涉及到的离子反响里在一切涉及到的离子反响里, 溶剂对参与的离子的稳定化溶剂对参与的离子的稳定化作用是非常明显的作用是非常明显的. 在没有溶剂的情况下在没有溶剂的情况下, 离子反响在气相离子反响在气相进展需求很高的能量进展需求很高的能量, 在气相更普遍的是按自在基进展的在气相更普遍的是按自在基进展的.例如例如:HCl 在气相解离为自在基只需在气相解离为自在基只需430.95KJ/mol的能量的能量 而解离为离子所需能量高达而解离为离子所需能量高达3KJ/mol 假设在极

16、性溶剂假设在极性溶剂(如如H2O) 中中, HCl很容易解离为离子很容易解离为离子.质子性溶剂质子性溶剂, 可以有效地溶剂化正离子和负离子，因此能可以有效地溶剂化正离子和负离子，因此能促进极性分子构成活性中间体，促进离子型反响。促进极性分子构成活性中间体，促进离子型反响。OHH.OHH.R+R-溶剂对反响速度的影响取决于溶剂对过渡态及反响物的溶剂对反响速度的影响取决于溶剂对过渡态及反响物的作用情况：作用情况： 假设过渡态极性比反响物大，那么极性溶剂对过渡态假设过渡态极性比反响物大，那么极性溶剂对过渡态的稳定化作用大于对反响物的稳定化作用，添加溶剂极的稳定化作用大于对反响物的稳定化作用，添加溶剂

17、极性，反响速度加快；反之，溶剂极性减小，反响速度减性，反响速度加快；反之，溶剂极性减小，反响速度减慢。慢。 极性非质子溶剂如极性非质子溶剂如DMSO，DMF，HMPA等等, 可以溶剂化可以溶剂化正离子正离子,但不能溶剂化负离子但不能溶剂化负离子. 因此因此, 负离子在极性非质子溶负离子在极性非质子溶剂中将更为活泼剂中将更为活泼. 选择不同的溶剂选择不同的溶剂,往往可以直接影响负离子往往可以直接影响负离子的活泼性的活泼性.例如例如, 甲氧基负离子的碱性甲氧基负离子的碱性, 在极性非质子性溶剂中比在极在极性非质子性溶剂中比在极性质子溶剂中要强的多性质子溶剂中要强的多: CHCH3CNPhCH2*C

18、H3O-CCH3PhCH2CN-在在98.5%DMSO和和1.5%的甲醇中进展的甲醇中进展, 比在纯的甲醇中要快比在纯的甲醇中要快108倍倍.又如：又如：CH3I和和N3-的的SN2反响，假设将极性质子溶剂换成极反响，假设将极性质子溶剂换成极性非质子溶剂性非质子溶剂DMSO，反响速度添加，反响速度添加4.5x104倍。倍。H3CH3CS OR+.R+SSSSSSA-溶剂的介电常数溶剂的介电常数 Dielectric constant介电常数随分子的偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学介电常数随分子的偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，表征溶剂对溶质分子中，介电

19、常数是溶剂的一个重要性质，表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的才干。介电常数大的溶剂，隔开离子溶剂化以及隔开离子的才干。介电常数大的溶剂，隔开离子的才干较大，同时具有较大的溶剂化才干。的才干较大，同时具有较大的溶剂化才干。介电常数用介电常数用 表示。表示。 15,极性溶剂；极性溶剂； (CH3)2CH CH3CH2 CH3 叔叔 仲仲 伯伯例如例如: 叔碳的烷氧基自在基在进一步分解时叔碳的烷氧基自在基在进一步分解时, 主要生成一个主要生成一个比较稳定的自在基和一分子酮比较稳定的自在基和一分子酮.自在基的断裂自在基的断裂 b断裂断裂CH3CH3CH3CH2CO.CH3CH3CH2CO.+ CH

20、3CH3CH3CO + CH3CH2.CH3CH3CCH2CH3O.自在基中心碳原子如与自在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,而而使自在基稳定使自在基稳定.CH3. 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(不论是不论是吸电子基还是给电子基吸电子基还是给电子基), 经常添加自在基的稳定性经常添加自在基的稳定性, 例例如如:.HXPhHPhXProductX-OMe -Me -H -Ph -Br -CN -NO2相相对对速速度度4.01.753.74.0芳基自在基芳基自在基, 烯基自在基和炔基自在基烯基自在

21、基和炔基自在基, 由于未成对电子由于未成对电子不能够与不能够与键共轭键共轭,所以不稳定所以不稳定,是很活泼的自在基是很活泼的自在基.反反应应H/kJ.mol-1CH3-CH32CH3.3682Ph.420HCC CCH2 CH C627H2CCHCHCH22CH2CH420Ph-Ph3. 自在基的生成自在基的生成由分子产生自在基的方法很多由分子产生自在基的方法很多, 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在基共价键可以发生均裂而产生自在基.一些键的离解能一些键的离解能(kJ/mol)H-H 430 N-N 150 C-H

22、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 H-F 565-O-O- 140 C-I 240 H-O- 460 .RRRR+ 自在基反响通常以过氧化物或偶氮化合物作为引发剂自在基反响通常以过氧化物或偶氮化合物作为引发剂, 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, 容易均裂产生自在基容易均裂产生自在基, 同时又是一样元素的同核键同时又是一样元素的同核键,普通不易异裂产生正普通不易异裂产生正/负离子负离子.常用的自在基引发剂有常

23、用的自在基引发剂有: 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)自在基引发剂自在基引发剂.O OCOCO80100 Co2Ph+ 2CO2CCH3CCH3H3CCH3NCCNNN80100 CoCH3CH3CNCCCH3CH3CNNN+2) 光照光照在可见和紫外光波段在可见和紫外光波段, 对辐射具有吸收才干的分子对辐射具有吸收才干的分子, 利用光利用光照射可以使之分解而产生自在基照射可以使之分解而产生自在基.Cl : Clh478.5nmCl : Cl*2Cl.Cl+ CH4HCl + CH3CH3+ Cl-ClCH3Cl+.Cl链引发链增长.CH3.CH3+CH

24、3-CH3.Cl.CH3+CH3Cl链终止另一个有用的光解反响是丙酮气相光照分解反响另一个有用的光解反响是丙酮气相光照分解反响其它容易发生光解的反响如次氯酸酯和亚硝酸酯其它容易发生光解的反响如次氯酸酯和亚硝酸酯, 可以产生可以产生烷氧基自在基烷氧基自在基.hCH3H3CH3CCO320nmH3CH3CCO*H3C CO+.CH3+ CO.RO-ClhRO+ClRO-NOh.RO+NO与热解法比较与热解法比较, 光解产生自在基具有明显优点光解产生自在基具有明显优点, 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

25、, 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特定的吸收带由于一定的官能团具有特定的吸收带, 是特定能量的转移是特定能量的转移, 所以光解比热解具有更大的选择性所以光解比热解具有更大的选择性, 副反响比较少副反响比较少.hR-NN RR+ N2+ R热分解比较困难3) 氧化复原反响氧化复原反响 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在基生自在基, 实践上就是氧化复原过程实践上就是氧化复原过程, 因此经过氧化复原反响因此经过氧化复原反响也可以产生自在基也可以产生自在基. 某些金属离子某些金属离子, 如如Fe2+/

26、Fe3+, Cu+/Cu2+, Ti2+/Ti3+等是常用的等是常用的产生自在基的氧化复原剂产生自在基的氧化复原剂.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速酰基过氧化物的分解, 产生酰氧基产生酰氧基 自在基自在基.Ar-C-O-O-C-ArOO+ Cu+Ar-C-OOAr-C-OO+ Cu2+-.Ar-C-OOAr + CO2Ti2+是一个很强电子复原剂是一个很强电子复原剂, 可用于复原过氧化氢生成羟可用于复原过氧化氢生成羟基自在基基自在基生成的羟基自在基是有效的催化剂生成的羟基自在基是有效的催化剂,不但可以用于生成其它不但可以用于生成其它自在基，也可以用于有机合成

27、自在基，也可以用于有机合成.H2CC.CH3CH3OHHOH+H2O +H2CCCH3CH3OH.H2CCCH3CH3OH2H2CCCH3CH3HOH2CCCH3CH3OH.Ti2+ H2O2Ti3+-OH + HO4. 影响自在基稳定性的要素影响自在基稳定性的要素1) 诱导效应诱导效应 由于超共轭效应的影响，烷基自在基的稳定性次序为由于超共轭效应的影响，烷基自在基的稳定性次序为: 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。 取代基对自在稳定化才干的大小普通有如下次序：取代基对自在稳

28、定化才干的大小普通有如下次序： 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，可以生成不稳定的酚氧自在基，自在基，2，4，6- 三叔丁基苯酚自在基由于单电子与苯环离域，三叔丁基苯酚自在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在基，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在基，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. 这一自在基可以与不稳定的自在基结合生成稳

29、定的分子，因这一自在基可以与不稳定的自在基结合生成稳定的分子，因此可用于自在基淬灭剂或阻聚剂。此可用于自在基淬灭剂或阻聚剂。 N，N-二苯基二苯基-N-苦味基自在基是一个紫色晶体，由于存在有苦味基自在基是一个紫色晶体，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，使它可以以固体形状存在并保管数年不变。固体形状存在并保管数年不变。2，2，6，6-四甲基六氢吡啶四甲基六氢吡啶-4-酮氧化氮自在基甚至可以在酮氧化氮自在基甚至可以在分子中的其他部位发生格氏反响而不影响自在基构造。分子中的其他部位发生格氏反响而不影响自在基构造。NOO.NO.RO

30、MgBrRMgBrNNO2O2NO2NPh2N.2) 空间要素 叔碳原子自在基的稳定性之所以较大，除了有超共轭电子效应外，空间要素也有一定作用。自在基中心碳原子所连的基团较大时可以使自在基中心的张力得到一定消除。此外，较大的空间位阻要素也不利于自在基发生反响。双叔丁基甲基自在基在低温-30无氧的稀溶液中是足够稳定的，这也是空间要素的影响之故。 CHCCCH3H3CH3CCH3H3CH3C.3) 溶剂效应溶剂效应 溶剂效应对自在基的影响不似对离子那么大，溶剂假设能与自在基络合不但会添加它们的稳定性而且会改动它们的某此反响性质。以下反响：CH3CCH3HCCH3HCH3CH3CCH3ClCCH3H

31、CH3CH3CCH3HCCH3HCH2Cl+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. 自在基的反响自在基的反响 Free Radical Reactions 与离子型反响相比较，自在基反响经常在中性和较温暖的反与离子型反响相比较，自在基反响经常在中性和较温暖的反响条件下就能进展响条件下就能进展. 其反响普通有如下几个特点其反响普通有如下几个特点:1反响常在光或有易于产生自在基物种的催化剂引发下发生。反响常在光或有易于产生自在基物种的催化剂引发下发生。2反响常有一个诱导期，而溶剂对反响的影响较小，且无论在反响常有一

32、个诱导期，而溶剂对反响的影响较小，且无论在 气相还是液相，自在基均能反响。气相还是液相，自在基均能反响。3芳环的自在基反响并不服从普通定位规律。芳环的自在基反响并不服从普通定位规律。4自在基反响在相当一段时间内被以为缺乏选择性，因此难有自在基反响在相当一段时间内被以为缺乏选择性，因此难有 理想的产率，自理想的产率，自20世纪世纪80年代以来，情况有了显著的改动，年代以来，情况有了显著的改动， 运用于有机合成的自在基反响越来越多。运用于有机合成的自在基反响越来越多。1重排和碎裂反响重排和碎裂反响 Rearangement and Fragementation 自在基的稳定性比碳正离子小，其重排不

33、如碳正离子容易自在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，从分子轨道分析，发生发生1，2重排时经重排时经过三中心过渡态，类过三中心过渡态，类似于环丙基的情况，似于环丙基的情况，两个碳的两个碳的P轨道和迁轨道和迁移基团的移基团的P轨道重叠轨道重叠构成三个分子轨道，构成三个分子轨道，其中一个是成键轨道，其中一个是成键轨道，两个是反键轨道。两个是反键轨道。 在有利条件下，如空间要素或重排后有利于单电子的离域在有利条件下，如空间要素或重排后有利于单电子的离域时重排还是可以发生的。

34、例如下面化合物发生自在基反响时时重排还是可以发生的。例如下面化合物发生自在基反响时不同取代基不同取代基R和和R引起重排反响的比例也不同。引起重排反响的比例也不同。.CPhRRCH2.CPhCH2RRR/R:CH3/H Ph/H Ph/Ph重排比例:3963100 易于发生易于发生1，2重排反响的常见取代基有：重排反响的常见取代基有： X, Ph, C=C, OAc等基团。等基团。CClClClCH=CH2.CClClClCHCH2Br.CClClCHCH2BrClCClClCHCH2BrClH.(CH3)2CCH2CHOOAc-H.-CO(CH3)2CCH2.OAc(CH3)2COCH2OCH

35、3(CH3)2CCH2OAc(CH3)2CHCH2OAc自在基的碎裂反响自在基的碎裂反响构造影响：构造影响：CCH3H3CCH3CH2.CH3.+CH3CH3CCH2H = 20Kcal/molCCH3H3CCH3O.CH3.+CH3CH3COH = 5Kcal/molCCH3RCH3O.R.+CH3CH3CO反应速度: R = t-Bu s-Pr Et Ph CH3Driving force: 环张力的解除。环张力的解除。OH3CH3CCH2IOH3CH3CCH2.OCHH3CH3CCH2.RHOHCCHH3CCH3CH2+.CCl3CCl3.CCl3.CCl3ClCCl4C CH H2 2

36、I IhC CH H2 2. .Ph3SnHC CH H3 3 IRI2卤素取代反响卤素取代反响 Halogen Substitution 对于一些不活泼的分子，要引入官能团，通常用自在基卤代对于一些不活泼的分子，要引入官能团，通常用自在基卤代 反响。例如：反响。例如：在一切卤素中，只需在一切卤素中，只需Cl.和和Br.具有适中的活性。具有适中的活性。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 C

37、H3X + X. -70 -23 -21 -18 X 2 + CH4 CH3X + HX -102 -24 -6 +15可见，可见，F 的反响是强放热反响，与有机物的反响太猛烈。的反响是强放热反响，与有机物的反响太猛烈。 I 在常温下不能与烷烃反响，只需在较高温度下才干在常温下不能与烷烃反响，只需在较高温度下才干 进展反响。进展反响。比较比较Cl和和Br的夺氢反响，的夺氢反响，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

38、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倍倍其它卤化反响：其它卤化反响： 除卤素进展自在基反响外，还有几种常见的卤化试剂，除卤素进展自在基反响外，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。1NBS N-溴代丁二酰亚胺溴代丁二酰亚胺N-Bromo-succinimide)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 CCH3CH

39、3O+RHH3C CCH3CH3OH+RRH3C CCH3CH3OClRCl +.H3C CCH3CH3O3 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 + PhCH2.+ CCl3PhCH2Br3自在基加成反响自在基加成反响1加卤化氢加卤化氢加加HBr, 得到反马氏规那么产物。得到反马氏规那么产物。加加HCl, 烯烃与烯烃与HCl的自在基加成比的自在基加成比HBr复杂。复杂。 .R+ HClRH +ClH = 5-10Kcal/mol

40、.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，易于产生自在基，但键能小，易于产生自在基，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以上的能量，故反响难进展。以上的能量，故反响难进展。加加HF, HF的均裂能很大，第一步难以进展，至今未发现的均裂能很大，第一步难以进展，至今未发现 HF的自在基加成。的自在基加成。2 加多卤代烷加多卤代烷 HCXYZ ( CBr4, CCl4, BrCCl3, BrCHCl2,

41、 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.+ CCl33醛对烯烃的加成醛对烯烃的加成 醛羰基上的醛羰基上的C-H键的均裂能近似于键的均裂能近似于C-Br键，用紫外光照射键，用紫外光照射或用过氧化物催化，能加到烯烃上，得到良好收率的酮。或用过氧化物催化，能加到烯烃上，得到良好收率的酮。但是由但是由，不饱和醛生成的自在基并不与烯烃加成，不饱和醛生成的自在基并不与烯烃加成，而是发生二聚反响。

42、而是发生二聚反响。hRCHO.RCORCH=CH2R-CH-CH2-COR.RCHOR-CH2-CH2-CORPhCHOh PhCO.PhCHOPh-CH-O-CO-PhPh-CH-O-CO-PhPh-CH-O-CO-Ph4酯对烯烃的加成酯对烯烃的加成含有活泼含有活泼氢的酯，能与烯烃发生自在基加成。氢的酯，能与烯烃发生自在基加成。这类反响可用作有机合成上的增长碳链。这类反响可用作有机合成上的增长碳链。CH(CO2Et)2.CH2(CO2Et)2CH(CO2Et)2.+ RCH=CH2RCHCH2CH(CO2Et)2CH2(CO2Et)2RCH2CH2CH(CO2Et)25分子内的加成分子内的加

43、成 Intramolecular Addition.CNCO2Et.CNCO2EtCNCO2EtRH.CH2RHCH3StableUnstable热热力力学学控控制制产产物物动动力力学学控控制制产产物物4自在基反响的立体化学和区域选择性自在基反响的立体化学和区域选择性 Stereochemistry and Regioselectivity立体化学立体化学 自在基加成反响的有利方式为反式加成。自在基加成反响的有利方式为反式加成。CH3HH3CH+ DBrCH3HH3CHDBr苏苏式式CH3HH3CH+ DBrCH3HH3CHDBr赤赤式式区域选择性区域选择性 对于二取代烯烃，自在基进攻的位置取

44、决于取代基对对于二取代烯烃，自在基进攻的位置取决于取代基对新生自在基的稳定化才干。新生自在基的稳定化才干。.R.+ XCH=CHYXCH-CHYR.XCH-CHYR+例例如如：BrCCl3对对 X-CH=CH-Y 的的加加成成XYXCH(CCl3)-CHYBr 收收率率（）MeCO2Et84CO2EtPh72CNPh56COCH3Ph57由以上结果可以得到如下取代基稳定化才干次序：由以上结果可以得到如下取代基稳定化才干次序：又又如如：C3H7CHO 对对 X-CH=CH-Y 的的加加成成XYXCH(C3H7CO)-CH2Y 收收率率（）MeCO2Et77MeCOOH83COOHCOOEt49C

45、OOEtCOCH356Ph RCO CN CO2Et COOH CH3 H四四.卡宾碳烯卡宾碳烯 (Carbenes) 卡宾中心碳原子为中性两价碳原子卡宾中心碳原子为中性两价碳原子,包含包含6个价个价电子电子,4个价电子参与构成两个个价电子参与构成两个 键键,其他两个价电子其他两个价电子是游离的是游离的.卡宾是一类非常活泼的活性中间体卡宾是一类非常活泼的活性中间体, 知的知的卡宾有如下几类卡宾有如下几类:CH2, :CHR, :CRR(R为烷基为烷基,芳基芳基,烯基或炔基烯基或炔基) :CHX, :CRX, :CXX(X为为F, Cl, Br, I) :CHY, :CRY, CYY(Y为其它原

46、子团如为其它原子团如:-OR, -SR, -CN, -COOR, COR) :CR2=C:, CR2=C=C:卡宾的命名卡宾的命名 普通以普通以CH2为母体为母体, CH2 :卡宾卡宾, Cl2C: 二氯卡宾二氯卡宾, CH3COCH: 乙酰基卡宾乙酰基卡宾卡宾的构造卡宾的构造 卡宾碳原子只用两个分子轨道成键卡宾碳原子只用两个分子轨道成键,还剩下两个分子还剩下两个分子轨道包容两个未成键电子轨道包容两个未成键电子.电子在两个轨道中的填充有电子在两个轨道中的填充有两种能够两种能够: 两个电子占据同一轨道,自旋方向相反另一个轨道是空的.光谱上显示一条谱线称为单重态或单线态两个电子分别处于两个轨道,自

47、旋方向相同或相反,光谱上显示三条谱线,称为三线态(或三重态)三重态碳烯三重态碳烯 (triplet state)单重态卡宾单重态卡宾 (singlet state)CHHsp杂化,两个sp杂化轨道分别和两个氢原子成键,两个p轨道各容纳一个电子,可以看作是双自由基形式,这是降低电子之间相互排斥的最有效填充方式线形结构CHH弯曲构型sp2杂化,其中两个sp2杂化轨道分别和两个氢原子成键,另一个sp2杂化轨道容纳两个未成键电子, 而p轨道是空的,因而单线态卡宾同时显示碳负离子的孤对电子和碳正离子的空轨道.这是降低三个电子对相互排斥的最有效形式2. 卡宾的生成卡宾的生成 a. 光或热分解反响光或热分解

48、反响 Photodessociation or Thermodessociation b. 消除反响消除反响CH2N2hor:CH2, + N2Cl3CCO2NaMeOCH2CH2OMe150 CoCl2C: + CO2+ NaClCH2=C=Ohor 700 Co:CH2+ COCHCl3t-BuO-Cl3C-Cl2C: + Cl-3. 卡宾的反响卡宾的反响 卡宾是非常活泼的中间体卡宾是非常活泼的中间体,容易发生反响容易发生反响, 由于是缺电子由于是缺电子的活泼中间体的活泼中间体, 普通是以亲电性为特征的普通是以亲电性为特征的. 反响活性的次序大致为反响活性的次序大致为: :CH2 :CR2

49、 :CAr2 :CX2卡宾的典型反响主要有两类卡宾的典型反响主要有两类: a. 对对 C = C 键的加成键的加成 b. 对对 C H 键的插入键的插入X = Y+ :CCXY +:CXCYa) 加成反响加成反响 卡宾与碳卡宾与碳-碳双键加成那么生成环丙烷衍生物碳双键加成那么生成环丙烷衍生物, 这是卡宾最这是卡宾最典型的反响之一典型的反响之一.单线态卡宾单线态卡宾, 与烯烃的加成属协同加成机理与烯烃的加成属协同加成机理, 烯烃的立体烯烃的立体化学特征坚持不变化学特征坚持不变:H3CCHCHCH3+ :CH2CH3HCHCCH2CH3H3CCCCH3CH3CCCH2CH3HH+ :CH2HH顺式

50、顺式三线态卡宾三线态卡宾, 具有双自在基性质具有双自在基性质,与烯烃的加成与烯烃的加成,无论是顺式还是反式无论是顺式还是反式烯烃烯烃, 都生成顺都生成顺,反产物的混合物反产物的混合物.H3CCCCH3CH3CCH2CCH3HH+ :CH2HHH3CCCCH3HH+ :CH2CH3CCCH2CH3HHCH3CCCH2CH3HH键键旋旋转转自自旋旋反反转转自自旋旋反反转转CH3CCCH2CH3HHCH3CCCH2CH3HHCH3CCH2CCH3HHcistrans选择性选择性: 卡宾与共轭二烯烃进展加成反响时卡宾与共轭二烯烃进展加成反响时, 由于卡宾电子自旋形状由于卡宾电子自旋形状不同不同, 所得

51、产物也不完全一样所得产物也不完全一样. 在没有溶剂时在没有溶剂时, 单线态卡宾与单线态卡宾与1,3-丁二烯加成丁二烯加成, 产物几乎全部产物几乎全部是乙烯基环丙烷是乙烯基环丙烷; 而在惰性气体存在下而在惰性气体存在下, 单线态卡宾经碰撞使单线态卡宾经碰撞使激发态去活化而构成基态的三线态激发态去活化而构成基态的三线态, 这时再与二烯进展加成这时再与二烯进展加成,那么按双自在基的分步加成那么按双自在基的分步加成,产物主要是环戊烯产物主要是环戊烯.HCCCHHHCHHH2CC CHHCH2H2CCH2H2CC CHHCH2H2CCH2( )H2CCHHCCH2CH2H2CCHHCCH2CH2卡宾也可

52、以与炔烃卡宾也可以与炔烃, 环烯烃环烯烃,甚至与苯环上的甚至与苯环上的p键进展加成反响键进展加成反响.+:CH2CHCHCHCHCH2CH2CCH2重排CCHCH3+:CH2CCHCH2CH3CCHCH2CH3H2C:CH2+ + : :C CF F2 2F FF F+ +: :C CC Cl l2 2重排ClClHH-HClCl 卡宾对不饱和键的加成为合成带有功能基团的环丙烷提供卡宾对不饱和键的加成为合成带有功能基团的环丙烷提供了简单有效的方法了简单有效的方法; 其立体化学表现为透视卡宾的构造和了解反响历程提供了其立体化学表现为透视卡宾的构造和了解反响历程提供了条件条件.* 假设加成产物为顺

53、反混合物假设加成产物为顺反混合物, 那么可以为卡宾为三线态那么可以为卡宾为三线态(基基态态).* 假设反响为立体专注性的假设反响为立体专注性的,普通以为是单线态卡宾普通以为是单线态卡宾(激发态激发态)对对 不饱和键的协同反响不饱和键的协同反响.* 假设用环状烯烃假设用环状烯烃, 只能得到顺式双环只能得到顺式双环n,1,0.*假设卡宾的两个取代基不同假设卡宾的两个取代基不同,可得到至少两种能够的产物可得到至少两种能够的产物.+ + : :C CH2 2CH2HHCHCHRR+ :CHRRRHRRRHR+b) 插入反响插入反响 卡宾可以在卡宾可以在C-H 键上进展插入反响键上进展插入反响,卡宾插到

54、卡宾插到C-H键之间键之间, 不不论单线态卡宾还是三线态卡宾论单线态卡宾还是三线态卡宾, 其插入反响得到的产物是一样的其插入反响得到的产物是一样的.这也是卡宾的主要反响之一这也是卡宾的主要反响之一, 但因其在不同的但因其在不同的C-H键上都可以插键上都可以插入入,因此在合成上意义不大因此在合成上意义不大.单线态卡宾的插入是按一步完成的协同历程进展单线态卡宾的插入是按一步完成的协同历程进展.三线态卡宾作为双自在基三线态卡宾作为双自在基,反响是分步进展的反响是分步进展的.首先夺取首先夺取H原子原子,而后经过自在基偶联两步完成而后经过自在基偶联两步完成.+ +: :C CH H2 2CHCHCH2C

55、HCH2: :C CH H2 2+ +H HC CCH2H.C C. .+HCH2C单线态卡宾比较活泼单线态卡宾比较活泼. 对不同的对不同的C-H键只需很小的选择性键只需很小的选择性. 叔叔 : 仲仲 : 伯伯 = 1.5 : 1.2 : 1.0三线态卡宾比较稳定三线态卡宾比较稳定,有较大的选择性有较大的选择性. 叔叔 : 仲仲 : 伯伯 = 7 : 2 : 1不同的卡宾进展插入反响的活性也是不同的不同的卡宾进展插入反响的活性也是不同的, 活性次序为活性次序为:除了除了C-H 键可以进展插入反响外键可以进展插入反响外, 卡宾还可以在卡宾还可以在C-Br, C-Cl,C-O 键上进展插入反响键上

56、进展插入反响, 但但C-C键不能键不能.:CH2:CHCO2R:CHPh:CHBr:CHCl(CH3)3CCl:CH2(CH3)3CCH2Cl(CH3)2C-CH2CH2-HCl+c) 重排反响重排反响 卡宾可以发生分子内的重排卡宾可以发生分子内的重排, 经过氢经过氢, 芳基芳基,和烷基的和烷基的迁移迁移, 得到更稳定的化合物得到更稳定的化合物, 这也是卡宾常见的反响这也是卡宾常见的反响.CCH3CH2CH:HHCCH3CH3CH2HCCH3CH2CH2+1,2-迁移 66%1,3-迁移 33%ROHORClOSOCl2CH2N2RCHN2OhRCH:Owolff重排RCH=C=OH2OAg2

57、OR-CH2COOH4) 过渡金属卡宾络合物在有机合成中的运用过渡金属卡宾络合物在有机合成中的运用 过渡金属卡宾络合物化学是金属有机化学的前沿研讨领过渡金属卡宾络合物化学是金属有机化学的前沿研讨领域之一。卡宾作为活泼的二价碳衍生物已广泛用于有机合成。域之一。卡宾作为活泼的二价碳衍生物已广泛用于有机合成。过渡金属的一个显著特点是可以和作为配体的寿命短的分子过渡金属的一个显著特点是可以和作为配体的寿命短的分子结合并使其稳定，因此被迅速用于有机合成中并成为一类重结合并使其稳定，因此被迅速用于有机合成中并成为一类重要试剂和反响中间体。要试剂和反响中间体。过渡金属卡宾络合物的类型、过渡金属卡宾络合物的类

58、型、构造特征及反响性能构造特征及反响性能(CO)5CrOMePhFischer 型 到目前为止，几乎一切的过到目前为止，几乎一切的过渡金属均已被合成出相应的金渡金属均已被合成出相应的金属卡宾络合物。常见的卡宾络属卡宾络合物。常见的卡宾络合物为合物为Fischer型。型。Fischer型卡宾络合物构造特征：型卡宾络合物构造特征： a含有从含有从VI族到族到VIII族的金属，族的金属，中心金属以低价氧化态存在，同中心金属以低价氧化态存在，同时被其他配体分子如时被其他配体分子如CO所稳所稳定。定。 b络合物中卡宾碳原子的邻位络合物中卡宾碳原子的邻位含有杂原子，卡宾碳富亲电性。含有杂原子，卡宾碳富亲电

59、性。 cX射线衍射研讨阐明，卡宾射线衍射研讨阐明，卡宾碳原子为碳原子为sp2杂化，有一个空杂化，有一个空P轨轨道，是缺电子的，它与金属及邻道，是缺电子的，它与金属及邻位杂原子之间均有明显的双键性位杂原子之间均有明显的双键性质。质。LnMCXYLnMCXYLnMCXYn(CO)MOMePhFischer 型a强正电性的卡宾碳表现为亲电中心，为亲核试剂。强正电性的卡宾碳表现为亲电中心，为亲核试剂。b亲电试剂络合到卡宾碳邻位杂原子上。亲电试剂络合到卡宾碳邻位杂原子上。c卡宾配体的卡宾配体的碳原子上的碳原子上的H具有明显的酸性，故可被具有明显的酸性，故可被 碱脱去碱脱去H原子构成金属卡宾负离子然后与一

60、系列亲电试原子构成金属卡宾负离子然后与一系列亲电试 剂反响生成剂反响生成C-C键。键。d络合物中的杂原子还可被亲核性更强的试剂取代。络合物中的杂原子还可被亲核性更强的试剂取代。e金属与卡宾之间的碳键也可发生断裂。金属与卡宾之间的碳键也可发生断裂。f络合物中配体络合物中配体CO)也可以被其它配体取代。也可以被其它配体取代。CrCCOCOCOCOCOCR2OR.H:B(c):Nu(a)E(b)(e)(d)(f)卡卡宾宾的的反反应应性性能能2金属卡宾络合物的制备金属卡宾络合物的制备a)从金属羰基化合物的制备从金属羰基化合物的制备 常用的亲核试剂为有机鋰，它比格氏试剂更为有效。加常用的亲核试剂为有机鋰