有机合成第5章

第5章有机合成试剂

有机合成试剂包括元素有机试剂、金属有机试剂、过渡金属有机试剂以及稀土金属有机试剂等。它们具有许多特殊的反应性能，对它们的研究、开发和利用是当代有机合成的一个重要特征。它们改变了传统的有机合成面貌，促进了有机合成化学理论和实践的发展，也正是它们开发了有机合成化学的一些新反应和新方法。它们在有机合成中占有重要地位。有机合成试剂包含的范围广泛，内容丰富，决非本章所能叙述得了的。这里只介绍镁、锂、铜、硼、磷、硅等几种元素的原子和碳原子直接相连所形成的有机化合物，其中以有机镁化合物应用较为普遍。5.1有机镁试剂

有机镁化合物是金属有机化合物中最重要的一类化合物，在有机合成上是非常重要的一类试剂。在Grignard试剂分子中，镁原子以共价键同碳原子相连。由于成键电子对移向电负性较大的碳原子，所以Grignard试剂中的烃基是一种高活性的亲核试剂，能发生加成、偶合和取代等反应。由于Grignard试剂在合成中的重要作用，试剂的发明者格林尼亚（Grignard）获1912年的诺贝尔化学奖。5.1.1Grignard试剂的制备和结构

5.1有机镁试剂1.用卤代烃制Grignard试剂

当R为烷基、卤代活泼芳烃时，用无水乙醚作溶剂。5.1.1

Grignard试剂的制备和结构

5.1有机镁试剂

当R为CH2=CH-,CH2=CH-CH2-和卤代不活泼芳烃时，不用无水乙醚作溶剂而是用四氢呋喃作溶剂，因为：5.1.1Grignard试剂的制备和结构

5.1有机镁试剂用四氢呋喃作溶剂可避免歧化反应和偶联反应的发生，因为四氢呋喃可与生成的Grignard试剂结合使得过渡状态的生成受到抑制：5.1.1Grignard试剂的制备和结构

5.1有机镁试剂2.用金属化法制Grignard试剂当采用链状单取代末端炔烃或含有活泼氢的其他化合物时，用金属化法制备Grignard试剂。这里R的电负性大于R'时，才能向生成物的方向进行。例如：5.1.1Grignard试剂的制备和结构

5.1有机镁试剂关于Grignard试剂的结构，一直有许多争论。目前认为在乙醚溶液中，可能以几种组分的某种平衡体系而存在。5.1.2Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂1．Grignard试剂与羰基化合物的加成反应在合成上，Grignard试剂主要用于同羰基化合物反应以制备醇。Grignard试剂同醛或酮的反应称为格氏反应。反应结果，甲醛得伯醇，其他醛得仲醇，酮得叔醇。5.1.2Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂1．Grignard试剂与羰基化合物的加成反应Grignard试剂与α，β-不饱和醛作用一般主要生成1，2-加成产物。α，β-不饱和酮的结构不同可能生成1，2-加成和1，4-加成的混合物，也可能主要生成1，4-加成产物。5.1.2

Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂Grignard试剂与α，β-不饱和酸酯作用主要生成1，4-加成产物。

在催化量的铜盐存在下，Grignard试剂与α，β-不饱和酮或酯反应，以良好的收率生成1，4-加成产物。5.1.2Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂Grignard试剂与羧酸衍生物作用生成醇。5.1.2Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂与酰卤作用可使反应停留在生成酮的一步Grignard试剂与二氧化碳作用生成羧酸Grignard试剂与腈作用也生成酮5.1.2Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂亚胺水解生成羰基化合物具有普遍意义5.1.2Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂Grignard试剂与环氧乙烷作用生成伯醇，碳链增加两个碳原子2．Grignard试剂与环氧化合物的反应5.1.2Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂Grignard试剂与卤代烃作用是合成烃的重要方法，也是增长碳链的方法。Grignard试剂与饱和一卤代烃作用制得的烃产率较低，但与烯丙基卤化物偶联在室温下即可得到较高产率的末端烯烃。3.Grignard试剂与卤代烃的偶联反应5.1.2Grignard试剂的反应5.1有机镁试剂3.Grignard试剂与卤代烃的偶联反应研究表明，该偶联反应可能是按卡宾历程进行的5.2有机锂试剂

有机锂试剂广泛应用于有机合成，多用作碱和亲核试剂。有机锂试剂能和大多数亲电试剂反应，反应是发生夺氢反应还是对亲电试剂亲核进攻取决于有机锂试剂本身、亲电试剂及反应条件。由于有机锂试剂非常容易作为碱参与反应，所以在有机合成中的应用受到限制。有机锂试剂通常写为R-Li。5.2.1有机锂化合物的制备5.2有机锂试剂1．卤代烷与金属锂反应5.2.1有机锂化合物的制备5.2有机锂试剂2．卤化物和正丁基锂交换反应

芳基卤、乙烯基卤化物与金属锂反应较难，因此，通常采用卤化物交换法来制备相应的锂有机化合物，产率很好。5.2.1有机锂化合物的制备5.2有机锂试剂3．金属化反应（夺氢反应）

由烃和n-C4H9Li作用，也可以制备有机锂化合物，烃中的氢原子被金属锂取代，这叫金属化反应5.2.2有机锂化合物的特征反应5.2有机锂试剂

有机锂试剂常以聚集体形式存在，有明显的碳-锂共价键特征。有机锂化合物中Cδ–---Liδ+，碳上具有部分负电荷，作为亲核试剂与Grignard试剂类似，可以与极性双键、卤代烃及活泼金属化合物进行反应。许多有机锂试剂参与的反应在乙醚溶液中进行。为避免碱性的有机锂试剂夺取溶剂乙醚中的氢，反应通常在低温（-78C）下进行。－5.2有机锂试剂1.有机锂化合物与羰基化合物反应5.2.2有机锂化合物的特征反应5.2有机锂试剂

1.有机锂化合物与羰基化合物反应5.2.2有机锂化合物的特征反应5.2有机锂试剂2．有机锂化合物和CO2、羧酸的反应5.2.2有机锂化合物的特征反应R‘：饱和烃基或不饱和烃基R：脂肪基、脂环基、芳香基、,-不饱和烃基5.2有机锂试剂3.有机锂化合物和金属卤化物的反应5.2.2有机锂化合物的特征反应由于锂是电正性很高的金属，因此，有机锂试剂可同某些电正性较低的金属卤化物在无水惰性溶剂里反应，以制备该金属的有机金属化合物。5.2有机锂试剂4．有机锂化合物与吡啶和三级酰胺的反应5.2.2有机锂化合物的特征反应5.2有机锂试剂5.炔基锂和烯基锂的反应5.2.2有机锂化合物的特征反应5.3有机铜试剂

铜的有机化合物作为有机合成中的重要试剂是上世纪60年代后期发展起来的。它包括有机铜及锂的有机铜两类化合物。有机铜锂试剂一般表示为R2CuLi，这些试剂比著名的有机铜（I）试剂更稳定，而且更活泼。R2CuLi是一种双金属络合物，由于它的溶解性好，活性高，选择性好是有机铜试剂中在有机合成上最常用的有机合成试剂。5.3有机铜试剂5.3.1有机铜试剂的制备5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应1．与α，β-不饱和酮的共轭加成反应

有机铜锂试剂最有用的反应之一是它们对α，β-不饱和酮进行共轭加成，生成对应的饱和酮的β-衍生物，而在这些条件下，非共轭酮的羰基并不发生反应。它提供了在有机合成中向α，β-不饱和酮化合物的β-位导入烷基、芳基、烯基、烯丙基、苄基的重要方法，并已成为标准的、专一性的、收率高的合成方法。其反应可能经过烯醇负离子中间体过程，表示如下5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应1．与α，β-不饱和酮的共轭加成反应这一共轭加成对于具有位阻的化合物更为适用5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应1．与α，β-不饱和酮的共轭加成反应对于多环体系的化合物，有机铜锂试剂的1，4-加成反应是立体定向的，利用这一性质可进行许多天然产物的立体选择合成。5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应1．与α，β-不饱和酮的共轭加成反应

由于二烃基铜锂中的烃基可以是烷基、烯基、烯丙基和苄基、芳基等，反应物中带有CO、COOH、COOR、CONR2基团时不受影响，故在合成中应用很广。关于有机基团从有机铜锂转移到共轭酮上的机理还不够清楚。但该试剂在与烯酮的反应中，R2CuLi中的R基发生转移，构型保持不变。“通常”的有机铜锂对α，β-不饱和醛的共轭加成在合成中是没用的。因为在发生共轭加成的同时，还有在羰基上反应的产物生成。然而，使用络合物Me5Cu3Li2则能使这种共轭加成反应很有效。这种复合物是通过将适量的甲基锂加入到碘化亚铜的乙醚悬浮液中形成的。它能将α，β-不饱和醛有效地转化成β-甲基醛。与Me2CuLi不同，几乎没有进攻羰基的产物生成，甚至共轭加成能形成季碳原子。例如环己叉基衍生物以90％的产率转化成β-甲基醛，因为该产物脱羰基化后能形成许多天然产物中存在的偕二甲基结构，所以是有用的合成中间体。5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应2．与酰卤的作用二烃基铜锂与酰卤反应生成酮。但它不是一种加成-消去反应历程，而直接与酰卤的活泼卤素发生置换反应，酰卤分子中含有氰基、羧基、烷氧基、卤素等基团均无影响，这是铜试剂的又一特点。5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应3．与环氧化合物反应5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应4．与卤代烃反应

与有机镁化合物类似，有机铜化合物亦可与卤代烃反应，且具有以下优点：其一，有机铜化合物与烯丙基卤化物、乙烯基卤化物均能顺利反应；其二，无论是顺反异构的乙烯基卤化物与有机铜试剂反应，还是顺反异构的有机铜试剂与卤代烃反应，均可优先得到双键构型保持不变的产物。5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应4．与卤代烃反应5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应5.有机铜试剂的偶联反应当有机铜试剂被加热(有时甚至是室温)以及二烃基铜锂试剂暴露在氧化剂(包括在空气中)时，发生偶联反应。5.3有机铜试剂5.3.2有机铜试剂的反应5.有机铜试剂的偶联反应5.4膦叶立德5.4.1膦叶立德的结构和制备5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应

膦叶立德的结构特征表明它是一类强亲核试剂，但它与一般的碳负离子不同，极大多数都稳定存在。膦叶立德具有特殊的化学活性，能发生多种有机反应，是有机合成的重要中间体，广泛用于碳-碳键的形成。5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应1．与羰基化合物的反应膦叶立德与醛、酮反应生成烯烃，该反应称为Witting反应或羰基烯化反应，是合成烯烃的极有价值的重要方法GeorgWittig维蒂希TheNobelPrizeinChemistry19795.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应1．与羰基化合物的反应第一个特点是高度的位置专一性5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应1．与羰基化合物的反应第二个特点是与α，β-不饱和羰基化合物作用，不发生1，4-加成，因此双键位置比较固定。这就十分适合于多烯类化合物和萜类化合物的合成。5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应1．与羰基化合物的反应第三个特点是反应具有很好的立体选择性。一般来说，在非极性溶剂中，共轭稳定的膦叶立德与醛（酮）反应优先生成反式烯烃，而不稳定叶立德则优先生成顺式烯烃。这一特点特别适合于许多产物中双键的立体选择性合成。5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应1．与羰基化合物的反应反应条件稳定的膦叶立德不稳定的膦叶立德极性溶剂a)非质子性b)质子性低选择性，但以反式为主生成顺式烯烃的选择性增加选择性差，以顺式为主生成反式烯烃的选择性增加非极性溶剂a)无盐存在b)有盐存在高选择性地生成反式烯烃生成顺式烯烃的选择性增加高选择性地生成顺式烯烃生成反式烯烃的选择性增加Witting试剂反应的立体选择性参考表5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应与羰基化合物的反应机理5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应Witting试剂价格比较昂贵，一种改进的方法是用价格便宜的亚磷酸酯(RO)3P代替PPh3。亚磷酸酯与卤代烃反应，经阿尔布佐夫(Arbuzov)重排生成烷基膦酸酯，烷基膦酸酯在强碱存在下，与羰基化合物反应，高产率地生成烯烃及磷酸根，该方法又称为沃兹沃斯(Wadswosrth)合成法。PO反应，或称Wtting-Horner-Wadswosrth反应5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应Witting试剂价格比较昂贵，一种改进的方法是用价格便宜的亚磷酸酯(RO)3P代替PPh3。亚磷酸酯与卤代烃反应，经阿尔布佐夫(Arbuzov)重排生成烷基膦酸酯，烷基膦酸酯在强碱存在下，与羰基化合物反应，高产率地生成烯烃及磷酸根，该方法又称为沃兹沃斯(Wadswosrth)合成法。PO反应，或称Wtting-Horner-Wadswosrth反应5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应2．酰化反应5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应2．酰化反应5.4膦叶立德5.4.2膦叶立德的反应3．偶联反应5.5有机硼试剂5.5.1硼氢化反应

烃基硼烷是由硼烷BH3(通常以气态二聚体二硼烷B2H6存在)对烯烃或炔烃的加成得到的，这个反应叫硼氢化反应。5.5有机硼试剂5.5.1硼氢化反应该反应几乎在任何情况下室温就能迅速地进行，只有对位阻特别大的烯烃才不反应。对单取代或双取代的乙烯加成时，生成三烷基硼化物；对于三取代的烯烃通常只生成二烷基硼化物；四取代的乙烯只形成一烷基硼化物。5.5有机硼试剂5.5.1硼氢化反应硼烷对不对称烯烃的加成，硼原子可以加到双键的任何一个碳原子上，生成两种不同产物。然而，实际上在没有强活性邻位取代基的情况下，反应是高立体选择性的，生成的产物主要是硼原子连接在取代基较少的碳原子上5.5有机硼试剂5.5.1硼氢化反应这种加成反应的选择性还和电子效应有关5.5有机硼试剂5.5.1硼氢化反应人们普遍认为，硼氢化反应是一个协同过程，是通过四员环过渡态进行的。该过渡态是由极性硼氢键对碳碳双键加成形成的，在硼氢键中，硼原子显正电性，反应的立体化学（B和H的顺式加成）和极性取代基有间接效应都支持了这种机理。5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应硼化物可氧化成醇或羰基化合物；当水解(质子分解)时硼原子可被氢原子取代生成烃；与CO发生羰基化反应；与α,β-不饱合化合物的1，4-共轭加成反应偶联反应异构化反应置换反应5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应1．氧化反应5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应1．氧化反应5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应2．质子分解反应硼氢化-质子分解反应通常是在质子酸中回流进行的。当烯烃或炔分子中存在某些对催化氢化敏感的基团时，该方法可用于实现双键或叁键的选择性反应，还原烯烃成为相应的饱和烃。还原炔烃生成相应的烯烃。5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应2．质子分解反应5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应3．羰基化反应烃基硼烷和一氧化碳的反应称为羰基化反应。该反应被乙二醇或某些金属氢化物如硼氢化锂所促进。这可能是因为一氧化碳容易同烃基硼负离子作用的缘故。生成的初始产物，连续经过三次重排，生成硼酸酯衍生物，后者同溶剂乙二醇生成类似环状缩醛的中间体，最后碱性过氧化氢氧化得三烃基甲醇。5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应3．羰基化反应5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应3．羰基化反应硼氢化-羰基化在有机合中有广泛用途。当硼原子上的三个烃基不同时，基团迁移的能力为：伯>仲>叔。因此选择适当的三烃基硼进行羰基化，可优先生成伯烃基酮。5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应4.共轭加成反应有机硼烷在氧存在下很容易与许多α，β-不饱和羰基化合物发生1，4-加成反应，在β-位发生烷基化。β-位即使有取代基产率也好。5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应4.共轭加成反应5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应5．偶联反应末端炔烃与位阻较大的硼烷加成，然后在I2—NaOH作用下发生亲核重排和偶联反应得到顺式烯烃5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应6．异构化反应在较高温度下，有机硼烷会发生异构化，硼原子倾向于迁移到分子中空间阻碍较小的位置。5.5有机硼试剂5.5.2硼烷的反应7．置换反应当活性相近或活性更高的烯烃存在时，烃基硼烷中的烃基可以部分地或全部地被置换。5.6有机硅试剂

硅有机化合物最初仅作为醇的保护基团而引入到有机合成中，随着有机硅化学的迅速发展，有机硅化合物作为合成试剂已普遍受到重视，许多硅有机化合物如芳基硅烷、乙烯基硅烷等具有多种反应性能，能够发生多种类型的反应，广泛用于有机合成。5.6有机硅试剂5.6.1有机硅化合物的结构特征硅原子的电子结构为3s23p23d0,它的3p轨道能量较高，不能与碳的2p轨道有效重叠。因此，含Si-C键的化合物均不稳定。由于硅原子具有3d空轨道，它可以形成配位键，例如SiF62-。①从硅原子、碳原子与其他原子结合成键的相对强度来看Si-O及Si-F比C-O及C-F

键强，而Si-C及Si-H比C-C及C-H键弱，这就可以引起许多热力学有利的反应。Si-O(键能：370~450KJ/mol)C-O(键能：350~360KJ/mol)Si-F(键能：540~570KJ/mol)C-F(键能：440~450KJ/mol)Si-C(键能：230~320KJ/mol)C-C(键能：348KJ/mol)Si-H(键能：290~320KJ/mol)C-H(键能：414KJ/mol)5.6有机硅试剂5.6.1有机硅化合物的结构特征②由于Siδ+-Cδ-及Siδ+-Oδ-都是极性键，硅原子易被亲核试剂进攻，因此，Si-C及Si-O易发生异裂，使含硅基团甚易离去，发生多种形式的消去反应及取代反应。③硅原子具有3d空轨道，它可与相邻的α-碳负离子形成d-π共轭，使碳负离子稳定，从而使得硅原子或碳原子上能发生多种类型的烃化反应，酯化反应和缩合反应等。5.6有机硅试剂5.6.1有机硅化合物的结构特征④硅原子的另一特性是它形成的Si-C键可以稳定相邻的碳正离子，这一现象与

C-H键的超共轭效应相似。显然可见，β-硅基取代的卤代烃易发生SN1反应，烯基硅烷易发生亲电加成反应，硅基芳烃易发生亲电取代反应。这都是硅基稳定了反应中间体β碳正离子的缘故。5.6有机硅试剂5.6.2芳基硅烷1．芳基硅烷的制备5.6有机硅试剂5.6.2芳基硅烷2．芳基硅烷的亲电取代反应5.6有机硅试剂5.6.2芳基硅烷2．芳基硅烷的亲电取代反应5.6有机硅试剂5