第四章 有机活性中间体

1、碳正离子碳正离子碳负离子碳负离子自由基自由基卡宾、氮烯及类卡宾卡宾、氮烯及类卡宾非经典碳正离子非经典碳正离子自由基离子自由基离子有机活泼有机活泼中间体中间体苯炔苯炔常见的有机活性中间体常见的有机活性中间体碳正离子（碳正离子（Carbocation）碳正离子的结构碳正离子的结构平面形碳正离子的取代基空间相隔较远，而且空平面形碳正离子的取代基空间相隔较远，而且空p轨道两轨道两侧都能受溶剂化影响而得到稳定，特别是烯丙基型的碳正离侧都能受溶剂化影响而得到稳定，特别是烯丙基型的碳正离子只有保持平面形才能和子只有保持平面形才能和p p体系有效重叠，使正电荷有效离域，体系有效重叠，使正电荷有效离域，因此，因

2、此，平面形碳正离子稳定性更好平面形碳正离子稳定性更好。平面形平面形角锥形角锥形sp2sp3碳正离子稳定性碳正离子稳定性 空的空的p轨道被非键孤对电子所稳定轨道被非键孤对电子所稳定 和和p p键共轭键共轭 被被s s键所稳定（超共轭键所稳定（超共轭hyperconjugation ） 成为芳香体系的一部分成为芳香体系的一部分A.孤对电子对碳正离子的稳定化作用孤对电子对碳正离子的稳定化作用当非键孤对电子轨道和空的当非键孤对电子轨道和空的p轨道重叠后，轨道重叠后，产生一个新的成键分子轨道（产生一个新的成键分子轨道（bonding MO）和）和反键分子轨道反键分子轨道(antibonding MO)，

3、两个电子填充，两个电子填充到成键轨道，体系能量下降。下降的能量叫稳定到成键轨道，体系能量下降。下降的能量叫稳定化能化能(stabilization energy)。成键轨道成键轨道反键轨道反键轨道共振论的解释：共振论的解释：杂原子上的孤对电子对碳正离子的稳定化作用是杂原子上的孤对电子对碳正离子的稳定化作用是最强的稳定化作用最强的稳定化作用，强于，强于p-p p共轭、超共轭等等共轭、超共轭等等例如：例如：八隅率八隅率如果几何张力使得孤对电子和空的如果几何张力使得孤对电子和空的p轨道不能有效轨道不能有效重叠，那么孤对电子就不能有效的稳定碳正离子，重叠，那么孤对电子就不能有效的稳定碳正离子，例如：例

4、如：孤对电子的稳定化能力：孤对电子的稳定化能力：A.随着杂原子随着杂原子周期数的增加周期数的增加，稳定化作用减弱稳定化作用减弱B.同周期元素同周期元素向右稳定化作用减弱向右稳定化作用减弱B.p p键电子对碳正离子的稳定化作用键电子对碳正离子的稳定化作用成键轨道成键轨道反键轨道反键轨道碳碳双键也是稳定碳正离子的重要途径（碳碳双键也是稳定碳正离子的重要途径（碳碳氧双键和碳氮双键会使碳正离子去稳定化氧双键和碳氮双键会使碳正离子去稳定化）。芳）。芳香环能很好的稳定碳正离子。几何张力同样会阻香环能很好的稳定碳正离子。几何张力同样会阻止止p p电子和电子和p电子的有效重叠。电子的有效重叠。较稳定的较稳定的

5、烯丙基碳正离子烯丙基碳正离子和和苄基正离子苄基正离子：C.超共轭超共轭(hyperconjugation)s s键和空的键和空的p轨道发生部分重叠（超共轭），轨道发生部分重叠（超共轭），从而对碳正离子起到稳定化作用。参与超共轭的从而对碳正离子起到稳定化作用。参与超共轭的s s键越多，稳定化作用越大。键越多，稳定化作用越大。碳正离子稳定性：碳正离子稳定性：参与超共轭的参与超共轭的s键越多键越多，相应的碳正离子越稳定，相应的碳正离子越稳定9 9个个s s键参与超共轭键参与超共轭6 6个个s s键参与超共轭键参与超共轭3 3个个s s键参与超共轭键参与超共轭3o 2o 1o碳正离子稳定化作用的相对大

6、小：碳正离子稳定化作用的相对大小：n-pn-p共轭共轭p-p-p p共轭共轭超共轭超共轭稳定化作用的相对强弱是：稳定化作用的相对强弱是：n p p s s。这是。这是由于填充轨道和空的由于填充轨道和空的p轨道线性组合时，能量越轨道线性组合时，能量越接近稳定化能越大。接近稳定化能越大。D.成为成为芳香体系的一部分芳香体系的一部分troplylium碳正离子中的空碳正离子中的空p轨道，成为轨道，成为芳香体系的一芳香体系的一部分部分，也可以明显的，也可以明显的稳定碳正离子稳定碳正离子。相反的，如。相反的，如果碳正离子中的空果碳正离子中的空p轨道是反芳香性体系的一部轨道是反芳香性体系的一部分，会明显的

7、使碳正离子去稳定化。分，会明显的使碳正离子去稳定化。反芳香性反芳香性antiaromatic烯基、炔基和芳基碳正离子：烯基、炔基和芳基碳正离子：烯基、炔基和芳基碳正离子通常要比烷基碳正离子更不稳定烯基、炔基和芳基碳正离子通常要比烷基碳正离子更不稳定烯基、炔基和芳基碳正离子稳定性顺序：烯基、炔基和芳基碳正离子稳定性顺序：碳正离子的生成方法碳正离子的生成方法A. 碳碳-杂原子键的杂原子键的异裂异裂B. 不饱和键和不饱和键和酸（质子酸或酸（质子酸或Lewis酸）酸）作用作用C. 重氮盐重氮盐脱氮气脱氮气碳正离子发生的反应碳正离子发生的反应A. 与亲核试剂的反应与亲核试剂的反应B. 碎裂反应生成含有不

8、饱和键的化合物碎裂反应生成含有不饱和键的化合物C. 重排反应重排反应与与亲核试剂亲核试剂的反应的反应碎裂反应（碎裂反应（ Fragmentation ）碎裂反应中碎裂反应中 常失去的电正性碎片有：常失去的电正性碎片有：质子、碳正离子、质子、碳正离子、SiR3和和SnR3等等重排反应重排反应(Rearrangement)通常来说，碳正离子通过重排通常来说，碳正离子通过重排生成更稳定生成更稳定的碳正离子的碳正离子，在高温下也可以重排成不稳定的，在高温下也可以重排成不稳定的碳正离子。常见的碳正离子重排有：碳正离子。常见的碳正离子重排有：1,2-氢迁氢迁移和移和1,2-烷基迁移烷基迁移重排反应的立体化

9、学重排反应的立体化学1,2-氢迁移和氢迁移和1,2-烷基迁移的立体化学要烷基迁移的立体化学要求是：求是：反式共平面迁移反式共平面迁移非经典碳正离子非经典碳正离子1.邻基参与（邻基参与（ Neighboring-Group Participation ）两种顺反异构体发生溶剂解，反应速率两种顺反异构体发生溶剂解，反应速率有明显不同，反式异构体的有明显不同，反式异构体的反应速率是顺式反应速率是顺式的的660倍倍。而且产物的。而且产物的立体化学完全不同立体化学完全不同。k = 1krel = 660邻基参与的机理解释邻基参与的机理解释如果在乙醇中进行该反应，可以捕获到如果在乙醇中进行该反应，可以捕获

10、到中间体，是邻基参与的重要证据。中间体，是邻基参与的重要证据。卤素邻基参与卤素邻基参与其它含有其它含有孤对电子孤对电子的原子也有可能作为的原子也有可能作为邻基（如邻基（如O-，R3N），协助反应），协助反应芳基或双键参与芳基或双键参与苯苯鎓鎓离子离子s s键参与键参与非经典碳正离子非经典碳正离子（ Nonclassical Carbocations ）实验现象：实验现象：exoendo1.exo-降冰片磺酸酯降冰片磺酸酯反应速率反应速率比比endo快快350倍倍2.产物都是产物都是exo3. 光学纯的光学纯的exo降冰片磺酸酯得到完全降冰片磺酸酯得到完全外消旋产物外消旋产物，而而endo化合物

11、发生化合物发生93%外消旋外消旋非经典碳正离子：非经典碳正离子：非经典碳正离子的存在证明：非经典碳正离子的存在证明：通过通过X-衍射显示，衍射显示，C1-C6键被明显拉长（键被明显拉长（1.74），而），而C1-C2键有一定程度的缩短（键有一定程度的缩短（ 1.44 ）。）。C2到到C6之间之间的距离，的距离，从原来的从原来的2.50缩短到缩短到2.09。这些数据明。这些数据明显说明部分形成了三中心二电子的桥状结构。显说明部分形成了三中心二电子的桥状结构。其它非经典碳正离子：其它非经典碳正离子：经由碳正离子中间体的命名反应经由碳正离子中间体的命名反应A:B:C:D:E:碳负离子（碳负离子（ca

12、rbanion）碳负离子的结构碳负离子的结构平面形平面形角锥形角锥形sp2sp3在角锥形结构中，孤对电子和与其它成键电子之间在角锥形结构中，孤对电子和与其它成键电子之间的的斥力较小斥力较小，因此，碳负离子在更多场合下是取，因此，碳负离子在更多场合下是取角锥形角锥形构型构型的。碳负离子一般存在于有机金属化合物中，但是的。碳负离子一般存在于有机金属化合物中，但是很多碳很多碳-金属键都是共价键，并不存在碳负离子。碳负离金属键都是共价键，并不存在碳负离子。碳负离子通常存在于较子通常存在于较活泼有机金属化合物活泼有机金属化合物中，而且还和中，而且还和烃基烃基的结构和溶剂的结构和溶剂有关。有关。简单碳负离

13、子的稳定性：简单碳负离子的稳定性：R-基团越稳定越趋向于和金属锂形成有机锂化合基团越稳定越趋向于和金属锂形成有机锂化合物。研究发现碳负离子的稳定性为：物。研究发现碳负离子的稳定性为：稳定性总体顺序为：稳定性总体顺序为：稳定碳负离子的因素：稳定碳负离子的因素：1.和不饱和键和不饱和键共轭共轭（Conjugation）：）：不饱和键（双键或叁键）和孤对电子所在不饱和键（双键或叁键）和孤对电子所在p轨道发生轨道发生重叠，从而使负电荷分散在多个原子上，可以明显的稳重叠，从而使负电荷分散在多个原子上，可以明显的稳定碳负离子。定碳负离子。共轭越多，稳定性越强共轭越多，稳定性越强碳杂原子不饱和键碳杂原子不饱

14、和键能显著稳定碳负离子：能显著稳定碳负离子：由于杂原子的电负性比较大，能较好的稳定负电荷，由于杂原子的电负性比较大，能较好的稳定负电荷，能在共振杂化体中生成较稳定的共振式。这种稳定化作能在共振杂化体中生成较稳定的共振式。这种稳定化作用用要强于多芳基甲烷碳负离子要强于多芳基甲烷碳负离子。碳原子杂化方式能稳定碳负离子：碳原子杂化方式能稳定碳负离子：碳原子杂化方式中碳原子杂化方式中s成分越大成分越大，稳定负电荷的，稳定负电荷的能力越能力越强强。sp3杂化中杂化中s成分为成分为25%； sp2杂化中杂化中s成分为成分为33%； sp杂化中杂化中s成分为成分为50%。因此，。因此，sp杂化碳原子具有较高

15、的杂化碳原子具有较高的负电荷稳定能力。负电荷稳定能力。例如：例如：硫原子和磷原子硫原子和磷原子能稳定碳负离子：能稳定碳负离子：硫原子或磷原子与碳负离子相连能起到显著地稳定硫原子或磷原子与碳负离子相连能起到显著地稳定化作用，其可能的原因是孤对电子所在化作用，其可能的原因是孤对电子所在p轨道能和硫原子轨道能和硫原子或磷原子空的或磷原子空的d轨道重叠轨道重叠，从而稳定。硅原子也能稳定碳，从而稳定。硅原子也能稳定碳负离子。负离子。场效应场效应稳定碳负离子：稳定碳负离子：成为芳香体系的一部分：成为芳香体系的一部分：非邻近双键稳定碳负离子：非邻近双键稳定碳负离子：稳定碳负离子的原子和官能团：稳定碳负离子的

16、原子和官能团：碳负离子的产生方法：碳负离子的产生方法：A.碱性条件下脱质子：碱性条件下脱质子：B. 脱二氧化碳：脱二氧化碳：C. 负离子对不饱和键加成：负离子对不饱和键加成：碳负离子的反应：碳负离子的反应：A. Lewis酸碱反应：酸碱反应：B. 亲核取代反应：亲核取代反应：C. 加成反应：加成反应：D. 重排或氧化成自由基：重排或氧化成自由基：自由基（自由基（Free Radical）自由基的结构自由基的结构平面形平面形角锥形角锥形sp2sp3自由基的这两种结构形式之间的能量水平相差不大，一般自由基的这两种结构形式之间的能量水平相差不大，一般认为认为平面形的更稳定一点平面形的更稳定一点；与高

17、电负性原子相连的碳自由基倾向于角锥形，与高电负性原子相连的碳自由基倾向于角锥形，CF3 ；具有具有共振的自由基共振的自由基必定为必定为平面型平面型；自由基常可在桥头形成，但比形成相应的开链自由基慢自由基常可在桥头形成，但比形成相应的开链自由基慢自由基中存在一个或多个未成对电子，通常是自由基中存在一个或多个未成对电子，通常是缺电子中间体缺电子中间体。但是，由于自由基中不带有电荷，。但是，由于自由基中不带有电荷，因此，自由基的反应特性明显不同于碳正离子和碳因此，自由基的反应特性明显不同于碳正离子和碳负离子。负离子。一些常见的一些常见的无机自由基无机自由基：自由基的稳定性：自由基的稳定性：和碳正离子

18、类似，邻近的和碳正离子类似，邻近的杂原子杂原子、不饱和键不饱和键等均等均能稳定自由基中间体。烷基自由基的稳定性顺序为：能稳定自由基中间体。烷基自由基的稳定性顺序为：通常自由基中间体的稳定性要强于相应的碳正离通常自由基中间体的稳定性要强于相应的碳正离子。例如，苯基正离子和甲基正离子通常不存在，但子。例如，苯基正离子和甲基正离子通常不存在，但是苯基自由基和甲基自由基却很常见。是苯基自由基和甲基自由基却很常见。稳定自由基的因素：稳定自由基的因素：A.共轭效应：共轭效应：孤对电子、孤对电子、p p电子和电子和s s电子电子都对自由基有较大的稳都对自由基有较大的稳定作用，但是，稳定化能都要小于相应的碳正

19、离子。定作用，但是，稳定化能都要小于相应的碳正离子。 累积共轭效应累积共轭效应（ cumulative stabilizing effect ）：）：累积共轭效应可以大大稳定自由基中间体累积共轭效应可以大大稳定自由基中间体1900年，年，GombergStable to oxygen; stable to extended storage as a solidStable to high temperature in the absence of O2B.推拉效应（推拉效应（captodative effect）：）：和碳正离子不同，自由基既和碳正离子不同，自由基既可以被富电子双键所可以被富电

20、子双键所稳定，也可以被缺电子双键所稳定稳定，也可以被缺电子双键所稳定。如果自由基同时。如果自由基同时连有吸电子基团和供电子基团，其稳定化作用要大于连有吸电子基团和供电子基团，其稳定化作用要大于分别稳定化作用的总和。这个现象叫：推拉效应。分别稳定化作用的总和。这个现象叫：推拉效应。氮氧自由基氮氧自由基是特别稳定的自由基，在有机合成中是特别稳定的自由基，在有机合成中用非常多的应用用非常多的应用氮氧自由基（氮氧自由基（ Nitroxyls ）：）：氮氧自由基是特别稳定的自由基，在有机合成中氮氧自由基是特别稳定的自由基，在有机合成中用非常多的应用。用非常多的应用。TEMPO、NHPI等是代表性的氮氧等

21、是代表性的氮氧自由基。自由基。位阻位阻也是决定其稳定性的重要因素。也是决定其稳定性的重要因素。自由基的生成：自由基的生成：A. s s键均裂键均裂B. 光解反应光解反应C. 单电子氧化或还原单电子氧化或还原自由基的生成自由基的生成均裂均裂通常利用通常利用N-O或或X-X键键均裂均裂产生自由基。产生自由基。张力环张力环中的中的C-C键均裂也可以产生自由基键均裂也可以产生自由基常用的自由基反应引发体系：常用的自由基反应引发体系：引用最广自由基引发体系：引用最广自由基引发体系：Bu3SnH光化学激发产生自由基：光化学激发产生自由基：例如：例如：单电子还原单电子还原产生自由基：产生自由基：某些化合物从

22、还原性金属或金属盐得到一个电子，某些化合物从还原性金属或金属盐得到一个电子，生成带有一个单位负电荷的自由基片段，这样的自由生成带有一个单位负电荷的自由基片段，这样的自由基中间体叫做：基中间体叫做：自由基负离子自由基负离子（radical anion）通常是分子的通常是分子的反键轨道接收一个电子反键轨道接收一个电子单电子氧化单电子氧化产生自由基：产生自由基：中性的有机分子失去一个电子，生成相应的自由中性的有机分子失去一个电子，生成相应的自由基正离子（基正离子（radical cation）。常用的单电子氧化剂）。常用的单电子氧化剂有：有： Pb(OAc)4 ， Mn(OAc)3， (NH4)2C

23、e(NO3)6 (ceric ammonium nitrate, CAN) 等等常见的自由基反应：常见的自由基反应：A. 对不饱和键加成对不饱和键加成 （ Addition to a p bond ）B. 碎裂反应碎裂反应 （ Fragmentation ）C. 原子提取反应原子提取反应 （ Atom abstraction ）D. 自由基偶联反应自由基偶联反应 （ Combination ）E. 歧化反应歧化反应 （ Disproportionation ）F. 电子转移反应电子转移反应G. 亲核试剂的加成亲核试剂的加成自由基对不饱和键的加成：自由基对不饱和键的加成：自由基对自由基对p p键

24、加成，产生一个新的自由基。加成键加成，产生一个新的自由基。加成过程类似于碳正离子对过程类似于碳正离子对p p键的加成。键的加成。自由基环合：自由基环合：5-5-exo vs 6- vs 6-endo量子化学计算表明，自由基对双键加成环合以量子化学计算表明，自由基对双键加成环合以70o的角度是最佳角度，因此，即使新生成的自由基的角度是最佳角度，因此，即使新生成的自由基稳定性较低也会优先进行反应。稳定性较低也会优先进行反应。自由基对极性不饱和键的加成：自由基对极性不饱和键的加成：自由基对极化的不饱和键的加成有时和亲核试剂自由基对极化的不饱和键的加成有时和亲核试剂不同。例如，不同。例如，Bu3Sn自

25、由基对自由基对C=S双键的加成是加在双键的加成是加在S原子上而不是原子上而不是C原子。原子。自由基碎裂反应：自由基碎裂反应：碎裂反应是加成反应的逆反应。与自由基中心邻碎裂反应是加成反应的逆反应。与自由基中心邻近的近的s s键发生均裂，其中一个电子和邻近的自由基形成键发生均裂，其中一个电子和邻近的自由基形成一个新的一个新的p p键，同时，产生一个新的自由基。键，同时，产生一个新的自由基。自由基原子提取反应自由基原子提取反应( (Abstraction) )：自由基自由基X进攻进攻Y-Zs s键，生成一个新的键，生成一个新的s s键键X-Y，和一个新的自由基和一个新的自由基Z。被提取的原子通常为。

26、被提取的原子通常为H或卤素。或卤素。三丁基锡基自由基（三丁基锡基自由基（ Bu3Sn ）常常用来从）常常用来从C-X中提取重原子中提取重原子X。常见的被提取原子。常见的被提取原子X有有Br或或I，有时，有时Se或或S也可以被提取。也可以被提取。例如：例如：利用自由基原子提取反应合成吲哚环：利用自由基原子提取反应合成吲哚环：John A. Murphy, Regis Tripoli, Tanweer A. Khan, and Umesh W. Mail Org. Lett., 2005, 7, 3287自由基偶联和歧化反应：自由基偶联和歧化反应：偶偶 联联歧化歧化歧化歧化经历自由基的命名反应：经

27、历自由基的命名反应：反应机理：反应机理：偶姻（Acyloins）缩合反应酮的双分子还原：Birch Reduction卡宾（卡宾（Carbenes）单线态亚甲基卡宾单线态亚甲基卡宾三线态亚甲基卡宾三线态亚甲基卡宾卡宾分为单线态卡宾和三线态卡宾。如果卡宾的两卡宾分为单线态卡宾和三线态卡宾。如果卡宾的两个非键电子是自旋配对的，称为单线态卡宾（个非键电子是自旋配对的，称为单线态卡宾（singlet）。）。如果非键电子是未成对的，称为三线态卡宾（如果非键电子是未成对的，称为三线态卡宾（triplet）。）。单线态卡宾与三线态卡宾的区分：单线态卡宾与三线态卡宾的区分：卡宾与双键的加成反应中，单线态卡宾立体专一性卡宾与双键的加成反应中，单线态卡宾立体专一性的生成环丙烷衍生物，而三线态卡宾则会生成顺反异的生成环丙烷衍生物，而三线态卡宾则会生成顺反异构体的混合物。通常方法制备的亚甲基卡宾都是单线构体的混合物。通常方法制备的亚甲基卡宾都是单线态卡宾。卡宾的生成方法往往决定着它的状态。态卡宾。卡宾的生成方法往往决定着它的状态。卡宾的生成：卡宾的生成