第六章合成子与极性转换

1、第六章 合成子与极性转换6.1 合成子基本理论 6.1.1 6.1.1 合成子的概念合成子的概念 合成子（合成子（Corey E.J.Corey E.J.）：）：凡是能用已凡是能用已知的，或合理的操作连接成分子的知的，或合理的操作连接成分子的结构单结构单元元均称为合成子。均称为合成子。 Synthons are defined as units which can be joined to (organic) molecules by known or conceivable synthetic operations. (E.J.Corey 1967)其它定义： 1. 在切断时所得到的概念性的

2、分子碎片，通常为一个正离子或负离子。它们可以是相应反应中的一个中间体，也可以不是。 2. 指可用于有机反应中的合成单位。是与反应物（称为试剂reagent)对等的。 一）合成子是有机合成反应的基本单元 合成反应最普通的表示方式是，一个正离子和一个负离子键接在一起成为一个分子：A-+B+AB负极性离子负极性离子（电负性）（电负性）电子供应者电子供应者正极性离子正极性离子（电正性）（电正性）电子接受者电子接受者产物分子产物分子（中性）（中性） A-和和B+就可以称为就可以称为“合成子合成子”。 二）合成子的有效性有机分子的拆解通常有多种拆解方法，如：OOOOCH3OCH3Ph有哪些拆解方法？是否合

3、理？ 有些碎片是有效的，有些是无效的，合成子是分子拆开后在有机合成中确实有效的碎片。OOOOCH3OCH3Ph12345以下拆解方法那些是合理的？ 上述分子中只有下列两个碎片才是有效的：- -OOCH3OCH3PhOO+ +OCH3O+ +H H+ +和和 它们可以通过Michael加成反应合成目标物：OOCH3PhO+ +OCH3OEtONaOOOOCH3OCH3Ph 三）合成子是否一定实际存在 “合成子”是一个人为的，概念化的名词，有别于实际存在的起反应的离子、自由基或分子。合成子可能是实际存在的，也可能是一个实际不存在的抽象化的东西。Example 1： 其碎片是：O+ +OEtONaO

4、OO- -与OH H+ +不稳定实际存在的 此时的合成子是CH3CO-，但这是不存在的。合成时，必须用它的对等物，而等价物是实际存在的。Example 2：用环己烯酮合成-乙酰基 环己酮OOCH3CO 合成等价物：一种能起合成子作用的试剂。合成子通常由于其本身的不太稳定而不能直接使用。 试剂：实际使用的代表合成子的化合物。例如MeI是合成子Me+的试剂。它能在相应的的合成中起反应，给出中间体或目标分子。它是合成子的合成等价物。相关概念：相关概念： Example:卤代烷的取代反应 6.1.2 6.1.2 合成子的极性转换合成子的极性转换R-XR+ +X-NuR-NuRMgXMg醚醚R-+ +M

5、gX+ER-E亲核反应亲核反应亲电反应亲电反应 格氏试剂：一卤代烷与金属镁在绝对乙醚（无水、无醇的乙醚）中作用生成有机镁化合物，产物能溶于乙醚，不需分离即可直接用于各种合成反应，也称为格利雅试剂。知识点回顾：知识点回顾：R-Mg-XOOC2H5C2H5C2H5C2H5 当卤代烷分解成R+与X-时，烷基是正离子，当它通过格式试剂再分解时，烷基就成了负离子，这就称为极性转换； 同一基团既可成为正离子，也可成为负离子。 极性转换（英文：Umpolung），也称极性翻转、极性反转、极性颠倒，指有机化学中官能团极性的改变，是有机合成重要概念之一。 此概念首先由德国化学家Dieter Seebach（迪特

6、尔泽巴赫）与美国化学家艾里亚斯詹姆斯科里提出，极性转换的英文名称Umpolung也由德语的Umpolung得来，意为极性倒转。 Example:用环己烯酮合成-乙酰基 环己酮 由于CH3CO-是实际不存在的合成子，需要从带正电的结构体通过极性转换，变成带负电的结构体，但如何处理？OOCH3COCH3C - -O 处理方法：R-C-XOA与BR-C-XOABR-C - -OAB+ +X+R-C - -OAB+ +OH+OCOARBH3+OOCRO 技术关键：选用什么样的A与B？ 针对本例：B用-CN，即：OH+ +HCNCH3-CHOHCNNaOH为何不用酸 问题：反应机理？ A用：- -C-C

7、H3OC2H5HC2H5OCH=CH2+ +CH3-CHOHCNCH3-CHOCNC-CH3OC2H5H 问题：反应机理？ 实际合成步骤：OH+ +HCNCH3-CHOHCNNaOHC2H5OCH=CH2CH3-CHOCNC-CH3OC2H5HLiNR2CH3-C - -OCNC-CH3OC2H5HOH+OCH3CO目标分子 先看下列分子的拆开： 6.1.3 6.1.3 合成子与稳定性合成子与稳定性CRROHXCRROX- -+ + +H+ + 这种拆开方法是否可行，要看X-的稳定性。 例如：CRROHCNCRROCN- -+ + +H+ + 氰基（CN-）是很稳定的负离子，易与羰基发生亲核加

8、成反应：CRROCN- -+ +H+CRROHCN 小常识： 氰化氢有剧毒，且挥发性较大（沸点26.5），故在羰基化合物与氰化氢加成时，为了避免直接使用氰化氢，通常是把无机酸加入醛（酮）和氰化钠水溶液的混合物中，以便HCN一生成就立即与醛（酮）作用，但在加酸时应注意控制溶液的pH值，使之始终偏于碱性（pH约为8），以利于反应的进行。 又如：CRROHC2H5CRROC2H5- -+ + +H+ + 一般说来，Et-是一个不稳定的负离子，不能直接用于和羰基的反应，但通过格氏试剂能将它稳定下来。 因此，一个稳定的合成子，可以直接起反应，而一个不稳定的合成子，就需要用它的稳定的等价物。CRROC2H

9、5MgBr+ +H3+OCRROHC2H5 安息香缩合是羰基极性转换的代表，也是人们最早知道的极性转换的例子。反应物苯甲醛中的羰基碳原子是亲电性的。首先发生氰离子对羰基碳的亲核加成，然后质子由碳转移到氧上，形成一个碳负离子，其中的碳发生了极性转换，是亲核性的。然后该碳原子亲核进攻另一分子的苯甲醛的亲电性羰基碳，质子转移，氰离子离去，得到产物安息香。6.2 合成子极性转换的具体应用 Example 1:安息香缩合反应反应机理： 因此：C - -CNHO是O的等价物 醛（如乙醛）可以和1,3-丙二硫醇形成二噻烷。由于硫对碳负离子具有特殊的稳定性，故邻位的碳有酸性，用正丁基锂在低温四氢呋喃中处理，得

10、到相应的亲核性碳负离子。该锂化的碳负离子作为亲核试剂，可以和卤代烃（溴化苄）、其他羰基化合物（环己酮）以及环氧乙烷衍生物（苯基环氧乙烷）等合成子发生亲核取代，生成的产物水解，又得回羰基，因此产物是另一个羰基化合物。 Example 2:二噻烷碳负离子的形成 这里：SS相当于O也是酰基负离子的等价物。6.3.1 合成子的分类6.3 合成子的分类和加合极性转换中的合成子可分为：1. 供电子合成子（以d代表）；2. 受电子合成子（以a代表）两大类。 见下列有机分子的基本结构：FGX01234 FG：官能团； X0表示促使分子发生极性转换的金属原子或杂原子（Li,Mg等，或-O,-N,-S等）。5 碳

11、原子顺序编号C1,C2,C3,； 如由于极性转换而使C1具有供电子能力而形成活性中心，就是d1合成子； C2有活性，就是d2合成子，依次类推，给各类合成子编号； 也可能在C之前，官能团（FG）或杂原子X0有活性，就是d0合成子； 供电子合成子就有d0,d1,d2,d3等； 相似地，也有因极性转换使碳原子有受电子能力而形成活性中心的，受电子合成子就有a0,a1,a2,a3之分。d合成子试剂负离子合成子官能团d0CH3SHCH3S-(杂原子硫有活性)d0合成子-C-S-d1KCNCN-（杂原子N使C1活化）d1合成子-CNd2CH3CH=O-CH2CHO（-C原子活化）d2合成子-CHOd3(Li

12、)CCCH2NH2-CCCH2NH2d3合成子-CCCH2NH2试剂负离子官能团a0Me2PClMe2P +(活化的是P)-PMe2a1CH3COCH3CH3C+O（羰基被活化）-CO-a2BrCH2COCH3+CH2COCH3（-C原子活化）-CO-a3H2C=CHCOORH2+C-CH=CO-OR-COOR,-C=C-a合成子 除了以上涉及的合成子外，还有烷基合成子，也有供电子与受电子之分： （1）烷基d合成子： 如甲基锂分解成CH3-和Li+，前者就是烷基d合成子，反应中起甲基化作用； 格氏试剂中得到的R-当然是烷基d合成子； 注意：它们不是d1合成子，反应中只起烷基化作用，产物无官能团

13、！ （2）烷基a合成子 如二甲硫醚与溴甲烷的加成物能起下列离子化反应：(CH3)3SBr(CH3)3S+ +Br- - 此正离子在反应中，由于甲基被活化成Me+而起了甲基化的作用；不是a1合成子，而是烷基a合成子，产物无官能团。 烷基a + 烷基d：6.3.2 合成子的加合a合成子与d合成子的反应CH3Li+ +(CH3)3SBrCH3CH3+ +(CH3)2S+ +LiBr 产物为无官能团化合物。(d)(a) a1 + d1：OH+ +HCNROHHRCNHOHRNH2(a1)(d1) 产物为1,2-双官能团化合物。 产物是单官能团化合物。 a + d2：(CH3)3SBr+ +OHH3CO

14、H+ +(CH3)2S+ +HBr(a)(d2) 产物为，-不饱和醛，是1，3-双官能团化合物 a1 + d2：OHH3CO+ +OOHO(a1)(d2)分析正误！分析正误！HH正确解：OHH3CO+ +OH-OC - -OHH3COH2OOHHH3COO(a1)(d2) 产物为1，4-双官能团化合物， a1 + d3 ，a3 + d1的产物也都是1，4-双官能团化合物。 a2 + d2：OCOOCH3+ +BrOCO2CH3(1)NaOH(2)H3+OOOCO2H(d2)(a2) 产物是1，5-双官能团化合物。 a3 + d2：O+ +OHOOO(a3)(d2) 一）烷基（烃基）d合成子 碳

15、负离子的烃基可以是烷基、烯基、炔基。它们活性大，稳定性小，形成碳负离子的容易程度是：6.3.3 供电子合成子CHC - - CH2=CH - - CH3CH2 - - C-H中s成分增加试分析之！ 烃基d合成子大多通过有机金属卤化物制得，由C-Na，C-Li通过金属交换而得C-M，反应如下：Br+ +2LiTHFLi+ +LiBrCl+ +2LiTHFLi+ +LiCl请思考如何控制请思考如何控制 二） d1合成子 （1）在C1-X0（杂原子）中，碳的电子对可离域到杂原子上去，就形成较稳定的碳负离子，即d1合成子。HCN（及钾盐、钠盐）以及CH3NO2都能在水溶液中生成d1合成子。H- -CN

16、N+ +OH- -CNNC=N=NCH3- -NO2+ +OH- -NOOH2CNOOH2C=+ +H2O （2）利用Si，S，P及过渡金属也可生成d1合成子。R3Si- -CH2Cl+ +2Li-LiClR3SiCH2Li+ +烷基硅叶立德：相关知识点 叶立德叶立德（YlideYlide）：指的是一类在相邻原子上有相反电荷的中性分子。叶立德在有机化学，尤其是有机合成中有很多应用。通常地，叶立德可以写成以下共振式，其中一个共振杂化体具有双键： 实际的电子分布取决分子的具体性质。 早在1919年 H.施陶丁格等就发现这类特殊结构的化合物，1954年E.G.维蒂希等提出维蒂希反应，参与此反应的磷叶

17、立德通常称为维蒂希试剂。 叶立德结构具有一个半极性键,碳原子上带有负电荷,是一个很强的亲核试剂。它与一般碳负离子不同,能稳定地存在。磷叶立德中的磷原子具有低能量的3d空轨道，碳上有孤对电子的p轨道,通过d-p共轭分散了碳上的负电荷，使分子趋于稳定。 磷叶立德具有很强的亲核性，可与羰基化合物反应，生成烯烃；与环氧化合物反应,生成还氧丙烷衍生物;与亚硝基苯反应,生成N苯基亚胺,后者易水解,生成羰基化合物。磷叶立德还可进行烷基化反应、酰化反应、重排反应、消除反应和分解反应。 1，3-二硫环烷：R- -HC+ +n- -BuLi-BuHRSSLi+ + P叶立德：Ph3P- -CH2- -OCH3+

18、+n- -BuLiPh3PHOCH3Li+ +CPh3P=CHOCH3SS注意！注意！ 三）d2合成子 （1）如-碳原子旁有不饱和吸电子基团， -碳上的碳氢键就会被活化，使-碳成为d2合成子 不饱和吸电子基团影响-碳上碳氢键的活化能力，其大小有如下顺序：RC=NR2+ +COR- -CNRC=NRPhRC=CR2 一）烷基a合成子： 6.3.4 受电子合成子R- -X, X=Cl, Br, OTs, OMes, RSO3 二）a1合成子OHRR+ +RO+ + 或RORROX(X=Cl, OAc, SR , OR) 三）a2合成子O+ +OH+ +OCl 四）a3合成子O+ +OROHHOORCN 一）杂原子的交换（a1d1）6.4 合成子极性转换的方法 Br交换P：CHBrPh3P-HBrCPPh3+ +磷叶立德(a1)(d1) X交换Mg：格氏试剂C XMgC MgX或或C Mg