第2章 有机反应活泼中间体

第2章

有机反应中的活泼中间体一、教学目的和要求1、掌握碳正离子、碳负离子、碳自由基的结构特征、稳定性和产生及其相关反应。（130分钟）2、了解卡宾、氮宾的结构特征、稳定性、产生及其相关反应。（40分钟）3、了解苯炔的结构特征及其相关的反应（30分钟）二、教学重点和难点重点：碳正离子、碳负离子、碳自由基的结构特征、稳定性和产生及其相关反应。难点：卡宾、氮宾的结构特征、稳定性、产生及其相关反应。三、教学时数3-4课时

2—1碳正离子一．碳正离子的结构经典碳正离子：配位数为3的碳正离子。结构：SP2杂化

但碳正离子的平面性并不意味着整个离子的平面，如三苯基碳正离子为螺旋浆结构，三个苯环互相倾斜54°下列正离子很难形成：乙烯基碳正离子正电荷处在SP2轨道乙炔碳正离子正电荷处在SP轨道这些空的杂化轨道与π键垂直，正电荷得不到分散。二．碳正离子的稳定性碳正离子稳定性的实验测定：碳正离子与亲核试剂水反应，如：R++H2OR—OH+H+平衡常数（常用PKR+表示）可用来比较碳正离子稳定型大小。PKR+：①负值，碳正离子稳定型差eg.C6H5CH2+<[P-(CH3)2NC6H4]3C+PKR+-22+9.4

②正值，碳正离子稳定型好。碳正离子稳定性：结构；溶剂（一）电子效应①

给电子取代基使碳正离子稳定性增加；②吸电子取代基使碳正离子稳定性降低。Eg.(CH3)3C+>(CH3)2CH+>CH3CH2+>CH3+

(CF3)3C+<C+(CH3)3（给电子超共轭效应和诱导效应）③当正离子中心连有不饱和基团或具有未共用电子对的原子时，稳定性增加。

（∏32）（∏76）由PKR+定序：CH3+<C6H5CH2+<(C6H5)2CH+<(C6H5)3C+~-44-22-13.3-6.6对于苯基正离子，苯环对位上的取代基对碳正离子的稳定化作用：例如：三苯基碳正离子非常稳定，能以盐的形式稳定存在，有些还是有用的染料或指示剂：环丙基（C3H5）取代的甲基正离子的稳定性：(C3H5)3C+>(C3H5)2CH+>(C3H5)CH2+原因：环丙基的弯曲键具有∏键的性质，可与碳正离子中心碳原子的空p轨道共轭，使正电荷得以分散。（二）芳香性的影响有芳香性，特别稳定反芳香性，很不稳定（三）空间效应碳正离子中心碳原子必须SP2杂化，才较稳定。原因：①平面构型有利于电荷离域；②空p轨道的两瓣在平面两侧均可溶剂化。若空间因素使之不能具有平面构型时，则稳定性降低。

Eg.叔丁基氯很快与EtOH-AgNO3溶液反应生成AgCl↓。但下列反应难以进行：

1-氯双环[2,2,1]庚烷

烯丙基型正离子通常是稳定的，但下列碳正离子则因非平面结构不能使电荷离域很不稳定：

但在形成的桥环足够大时,桥头C可取平面构型,如1-金刚烷碳正离子:

叔碳正离子易于形成且较稳定，是因为四面体反应物离解成平面构型的碳正离子时，与中心碳原子直接相连的原子之间的键角，由原来的109.50变成1200，三个基团的拥挤程度减小，从而降低了张力（后张力）。（四）溶剂效应碳正离子的空p轨道可与某些有偶极特性的溶剂相作用，这类溶剂具有稳定碳正离子的能力，所以，碳正离子一般存在于溶剂中，难以在气相中单独存在。如叔丁基溴在水溶液中解离需82KJ/mol，而气相中需820KJ/mol。三．碳正离子的生成（一）直接异裂１.强极性溶剂中异裂产生(CH3)3C-Cl→(CH3)3C++Cl-CH3OCH2Cl→CH3OCH2++Cl-2．AgNO3鉴别卤代烷（Ag+起亲电催化作用）R-X+Ag+→R++AgCl↓3．有机物C-O键的异裂：在强酸作用下，醇、醚中氧原子质子化，使C-O键异裂。R-OH+H+→[R-OH2]+→R++H2OR-O-R+H+→[R-OH-R]+→R++ROH4．酰基正离子的生成：R-CO-F+BF3→RCO++BF4-Lewis酸5．伯胺与HNO2作用，先生成重氮离子，然后失去N2形成碳正离子。R-NH2→R-N2+→R++N2↑（二）亲电试剂与重键加成1．烯烃酸催化水合2．羧基化合物的氧质子化：3．环状溴翁离子的生成

（非经典碳正离子）若与苯基相连，则生成经典碳正离子。（三）其它方法四．碳正离子的反应（一）同亲核试剂相结合eg.CH3CH2CH2++H2O→CH3CH2CH2OH2+CH3CH2CH2OH（二）消除-质子eg.CH3CH2-CH2+→CH3CH=CH2（三）重排反应重排生成能量更低、更稳定的碳正离子。

解释下列结果：（四）加成反应

碳正离子为亲电物种，与烯烃加成，生成新的碳正离子。如：苯乙烯在酸催化下形成二聚体（写出反应机理）2—2碳负离子

一、碳负离子结构中心碳配位数为3，外层电子为8个，其中一对电子是未共用的。空间构型：①SP2杂化，平面构型（A）②SP3杂化，三角锥体构型（B）(A)SP2杂化(B)SP3杂化碳负离子采取何种构型，与中心碳原子所连基团有关。1．简单的烷基负离子和环烷基负离子，均采取SP3杂化构型,这种构型使负离子能量较低。原因：①中SP3杂化轨道中含部分S成分，电子云相对地靠近原子核；②处于SP3轨道中未共用电子对和三对成键电子间（夹角为109.50）的排斥作用较小。三角锥体构型的证据之一是，碳负离子的反应非常容易在桥头碳原子上发生。而该类化合物相应的碳正离子的反应难以进行（平面构型难形成）。2．若碳负离子中心碳连结着可与之发生共轭作用的不饱和基团，则中心碳构型必须为SP2杂化平面构型。因为这样能通过共轭使负电荷分散。二、碳负离子的稳定性

碳负离子可视为一种碱，因具有未共用电子对。负离子的稳定性与其共轭酸的强度直接有关：共轭酸越弱，碱强度越大，碳负离子的稳定性就越低。碳负离子稳定性顺序常通过对其相应共轭酸强度顺序（即碳氢酸Carbonacids的PKa）来确定。PKa值越大，相应的碳负离子越不稳定，越难存在。从结构上看，碳负离子的稳定性在很大程度上取决于取代基对电荷的分散能力。空间效应和溶剂效应也有作用。影响碳负离子稳定性的几个因素：

（一）S特性效应（杂化效应）S轨道比相应的P轨道离原子核较近，故原子核对S轨道中的电子吸引力比相应P轨道的大。这种差别也反映在杂化轨道中。轨道吸电子能力：SP>SP2>SP3碳负离子稳定性：CH≡C->-CH=CH2>-CH2-CH3这种影响是由于碳原子杂化轨道中S成分不同造成的，称S特性效应，又叫杂化效应。（二）诱导效应

吸电子诱导效应使碳负离子的负电荷分散而增加稳定性。eg.–CH3<-CF3<-C(CF3)3给电子诱导效应使碳负离子的负电荷更集中而降低稳定性。eg.–CH3>RCH2->R2CH->R3C-季铵基连到一个碳负离子上，可使稳定性增加。如丙翁盐即叶立德分子中含有碳负离子，中心碳连接着带正电荷的杂原子，由于它的强吸电子效应而使碳负离子稳定性增加。

（三）共轭效应共轭使负电荷分散导致碳负离子稳定性增加。1．P—∏共轭

碳负离子中心碳连接有不饱和基团时，采用SP2杂化，未共用电子对由于P—∏共轭，使负电荷分散而稳定。

-CH2-CH=OCH2=CH-O-

-CH2-C≡NCH2=C=N-2.P—d共轭相对速度eg.前者快2.4×106

1磷（P）原子有空3d轨道，可与带负电荷的C的2p轨道重叠，形成p-d∏共轭，共振式表示：磷叶立德另：（三甲基硫正离子，硫也有空的3d轨道）硫叶立德（四）空间效应

不饱和键与碳负离子的电子对共轭，则碳负离子必然成为平面构型，以利于P轨道的最大重叠；若结构上或空间上因受阻碍达不到最大重叠，则相应碳负离子的稳定性就小。

1，3-环己二酮双环[2，2，2]辛-2，6-二酮可与NaOH液反应不能与NaOH水液反应，

烷基酮中，烷基去质子反应活性顺序：CH3>RCH2>R2CHeg.烷基酮：CH3COCH3

CH3COCH2CH3CH3COCH(CH3)2去质子相对速度10041.5<0.1原因：电子效应；空间效应（五）溶剂效应极性质子溶剂，可通过氢键使负离子溶剂化。但是，极性非质子溶剂不能使负离子有效地溶剂化。因而负离子在极性非质子溶剂中很活泼。

三．碳负离子的生成（一）直接异裂1．C-H键在碱作用下异裂，生成碳负离子。eg.

2.碱性条件下脱羧（C-C键异裂）

（二）亲核试剂与重键加成（略）四．碳负离子的反应(一）对重键的加成１．

双键（C=C）的加成2．

对羰基的加成3．

对连有吸电子的C=C双键加成

（Michael反应）（二）对饱和碳原子的亲核取代丙二酸二乙酯、-酮酸酯类及-二酮类的亚甲基较活泼，易于生成碳负离子，具有亲核性，可与卤烷发生SN2反应。eg.（三）消除反应碳负离子的-碳上消除一个基团可生成烯。Eg.（四）脱羧反应

5-3自由基一、结构（自由基采取何种构型，取决于中心碳原子所连基团的性质）①

SP2杂化平面构型（A）②杂化三角锥体构型（B）

（A）SP2杂化（B）SP3杂化1.

烷基自由基

除叔烷基自由基外，一般都是平面构型；2.

CF3·,CCl3·和(CH3)3C·均为三角锥体构型；3.

自由基中心碳与∏体系相连时，中心碳采取平面构型以组成P-∏共轭体系。eg.CH2=CHCH2·,C6H5CH2·均为平面；但(C6H5)3C·为螺旋浆型，三个苯基并不完全共面。4.

环状自由基：①环丙基自由基：三角锥体②环已基，环戊基和环丁基自由基：平面构型二、稳定性简单烷基自由基相对稳定性顺序：(CH3)3C·>(CH3)2CH·>CH3CH2·>CH3·（超共轭效应）当自由基中心C与∏体系相连时，共轭效应使之稳定。eg.烯丙基自由基，苄基自由基较稳定。CH2=CH-CH2··CH2CH=CH2又Ph3C·>Ph2CH·>PhCH2·（离域作用增大）乙烯自由基，单电子处于SP2杂化轨道。结构：（不稳定）（CH2=CH·）

空间效应对自由基的稳定性也有很大的影响，空间障碍能抑制自由基的二聚作用，从而提高其稳定性，这是Ph3C·特别稳定的原因之一。又如下面的这个自由基，在溶液中是完全稳定的。

原因：邻位取代的两个Ph基阻止了其它物种对该自由基的接近。三、自由基的生成（一）热解法键的裂解能低于165KJ/mol，则该键不但在气相中，也能在惰性溶剂中进行裂解而生成自由基。如过氧化物和偶氮化物。eg.(CH3)3C-O-O-C(CH3)32(CH3)3C-O·过氧化叔丁基（裂解能154.9KJ/mol）

偶氮异丁睛（裂解能：129.8KJ/mol）（二）光解法卤素均裂：Cl-Cl2Cl·（三）氧化还原法过渡金属离子在反应中得到或失去一个电子，使其它分子产生自由基。eg.Co3++ArCH3→ArCH2·+Co2++H+Fe2++H2O2→Fe3++HO·+HO-四、自由基的反应（一）失去自由基性质的反应eg.二聚作用H3C·+·CH3→CH3-CH3歧化作用CH3-CH2·+·CH2-CH3→CH2=CH2+CH3-CH3（二）自由基性质转移的反应活性高的自由基可从另一分子中夺取一个原子，形成一个更稳定的自由基。eg.CH3·+CH3C6H5→CH4+·CH2C6H5自由基还可与不饱和键加成，生成新的自由基。eg.自由基加成自由基取代

新生成的自由基进一步与烯烃发生加成作用，反应继续下去，就会生成高聚物，这是一种自由基聚合反应机理。某些自由基还可发生分解反应：eg.

1、自由基的取代(三)自由基的取代和自由基的加成自由基取代历程：自由基取代和自由基加成竞争α-氢的溴代CH3CH=CH2+

HBrCH3CH2CH2Br过氧化物

2、自由基加成（反马氏规则加成）自由基加成历程：如果发生烯丙位取代，链增长不能进行。C-H键比C-Br键强。为什么烯烃与HClHI加成不发生自由基加成呢？H-Cl键能较大，难均裂，且链增长的第二步是吸热的；H-I虽易产生自由基，但C-I键太弱，链增长的第一步是吸热的。

2—4卡宾和氮宾一、卡宾的结构和稳定性卡宾（Carbene)：CH2︰外层六个电子卡宾衍生物：

CH3CH：(C6H5)2C︰Cl2C︰CH3COCH︰甲基卡宾二苯基卡宾二氯卡宾乙酰基卡宾卡宾结构：①单线态卡(S)

：中心碳接近SP2杂化，反磁性；

②三线态卡(T)

：中心碳接近SP杂化，顺磁性。(R2C:)

单线态卡宾(S)三线态卡宾(T)

（类似双自由基）三线态卡宾比单线态的能量低，因两个单电子分布在两个轨道上，符合洪特规则，故稳定性T>S.二、卡宾的生成（一）消除法（常用方法）eg.（二）光解和热解法针对乙烯酮类和重氮化合物的分解，光解比热解有利，因后者所需温度较高。eg.三、卡宾的反应通性：缺电子，亲电性。Eg.与烯类加成（生成环丙烷衍生物）；插入单键；重排反应。区别：单线态(S)

—空P轨道，亲电性，但邻近杂原子的给电子性可稳定单线态，使亲电性降低以至消失。Eg.二甲氧基卡宾不能对烯加成。三线态(T)卡宾自旋相同的两单电子分占两个P轨道，使之具有双自由基性质。两者在反应中立体化学性质也不相同。（一）加成反应

卡宾作为亲电试剂，活性次序为：H2C︰>R2C︰>Ar2C︰>X2C︰加成机理：二者略有不同。

如顺-2-丁烯与单线态卡宾加成得到顺-1，2-二甲基环丙烷，为立体专一反应：三线态卡宾与烯烃加成分步进行。不属于立体专一反应。卡宾最重要的用途是合成环丙烷衍生物，如：（二）插入反应１．机理单线态(S)

卡宾插入C-H键：三线态(T)卡宾插入C-H键：

插入反应表明卡宾相当活泼。反应举例：２．特点：①

单线态(S)和三线态(T)卡宾插入反应产物相同；只是单线态对叔C-H的插入比例很高（与10，20C-H相比）②

卡宾亦能插入C-Cl,C-Br键，且插入较C-H容易。③

插入反应活性顺序：CH2︰>ROCOCH︰>C6H5CH︰>BrCH︰≈ClCH︰

三、重排反应卡宾重排，常见为氢迁移（1,2-迁移为主，也有1,3-迁移）eg.

1,2-迁移66%1,3-迁移33%烷基在卡宾中也可发生迁移。Eg.Wolff重排反应

酰基卡宾烯酮（烯酮中的双键与醇加成，生成羧酸酯：RCH=C=O+R’OH→RCH2COOR’）芳基在卡宾中也可发生