第四章有机反应中的活性中间体

第四章有机反应中的活性中间体

在有机化学反应中有些反应是一步完成的如卤代烷的SN2反应等，但更多的有机反应则不止一步，这些多步反应过程中常常会生成活性中间体。如叔卤烷的水解首先生成叔正碳离子，然后水解得到水解产物。

第一步，C－Br键解离：第二步,生成C－O键：SN1反应的能量变化过程：活性中间体或反应中间体与过渡态不同，（1）在反应进程中的能峰图上，活性中间体处于低谷而过渡态处于峰顶。一步反应没有活性中间体生成。（2）活性中间体具有一定的寿命，虽然非常活泼，但仍有一定的相对稳定性，可以检测其存在，有些在一定条件下甚至可以分离，而过渡态则是寿命极短的极不稳定的状态，即不能分离也无法检测其存在。（3）在表示方法上，活性中间体可以用通常的价键结构表示，而过渡态则是活性络合物，只能以部分成键的络合过渡态代表。活性中间体在有机反应中虽然寿命不长，但它是由反应物生成，而最终产物又是由它衍生得到，因此对活性中间体的生成、结构和转变的研究对有机化学反应历程的阐明是十分重要的，是研究有机化学反应历程的主要课题之一。§4-1正碳离子一、正碳离子的生成

1．中性化合物的异裂-直接离子化化合物在离解过程中，与碳原子连接的基团带着一对电子离去，发生共价键的异裂，产生正碳离子，这是生成正碳子的通常途径。

R-XR++X-

如：（CH3）3C-Br（CH3）3C++Br–化合物在离解过程中，极性溶剂的溶剂化作用是生成正碳离子的重要条件。反应生成的难溶解的沉淀也可影响平衡，使反应向右进行，而有利于碳离子的生成。如Ag+可以起到催化正碳离子生成的作用

R-Br+Ag+AgBr+R+

2．正离子对中性分子加成-间接离子化

质子或带正电荷的基团在不饱和键上加成可生成正碳离子。

-C=C-+HCl-C-C-+Cl-

羰基酸催化的亲核加成，首先质子化形成正碳离子，更有利于亲核试剂的进攻。

-C=O-C-OH+HH++芳环上的亲电取代反应，如硝化是由NO2+正离子进攻，形成σ络合物，这是离域的正碳离子。σ-络合物3．由其它正离子生成正碳离子也可以由其它正离子转变得到。如重氮基正离子就很容易脱氮而生成芳基正离子。

二.正碳离子的结构一般正碳离子是sp2杂化状态，是平面构型，中心碳原子以三个sp2杂化转道与另外三个原子或基团成键，三个σ键构成平面，空的p轨道垂直于此平面，正电荷集中在p轨道上。只有少数情况下，如在炔基或苯基正离子中，正电荷不可能处于p轨道。

R-C≡C+

三.正碳离子的稳定性正碳离子的稳定性与电子效应、空间效应和溶剂效应有关。1．电子效应

使正离子中心碳原子上电子云密度增加的结构因素使正电荷分散，使正碳离子稳定性增高，相反，吸电子基团使中心碳原子正电荷更集中，使正碳离子减小。

烷基正离子的稳定性：（CH3）3C+>（CH3）2CH+>CH3CH2+>CH3+

F-CH2CH2+<H-CH2CH2+

由于共轭效应引起的离子稳定性:(CH2=CH)3C+>(CH2=CH)2CH+>CH2=CH-CH2+

CH3-O-CH2+

R-C=O：+具有芳香性的环状正碳离子稳定。2．空间效应

除电子效应外，正碳离子的稳定性还受空间效应的明显制约。如叔>仲>伯稳定性实际上也是空间效应影响的结果。3．溶剂效应

溶剂效应对正碳离子的稳定性影响极大，大多数的正碳离子是在溶液中生成和使用的，溶剂化在正碳离子形成中起着重要的作用。如叔丁基溴在水溶液中离子化只需要83.72KJ/mol的能量，而在气相中离子化则要837.2KJ/mol的能量，相差10倍。

四.非经典正碳离子由于π键或σ键的邻基参与而形成的正碳离子活性中间体，称为非经典正碳离子。如：§4-2负碳离子

一.负碳离子的生成

1．碳-氢键异裂产生负碳离子

以强碱夺取C-H键中的质子，在碳上留下电子对而生成负碳离子，这是产生负碳离子最普通的方法。实际是夺取质子生成共轭碱的简单酸碱反应。

R-H+B：R：-+BH+

如：CH≡CH+NaNH2CH≡C-Na++NH3

CH3CO-CH2-COOC2H5CH3CO-CH-COOC2H5

R-X+MgR-MgX-Na+C2H5ONa有机金属化合物是负碳离子的重要来源之一

2．碳-碳键异裂产生负碳离子

有机化合物通过碳-碳键断裂也可产生负碳离子。如：

R-C-O-R-+CO2

OCOOHCH2-CH2COOH

CH3COOH

COOHCO2H+3．负离子与碳-碳双键或叁键加成

负离子与碳碳双键或叁键加成也是生成负碳离子的主要方法之一。如：

CH≡CH+-OCH3

-CH=CH-OCH3CH2=CH-OCH3H+

二.负碳离子的结构不同的负碳离子由于中心碳原子连接的基团不同，其构型有所不相同。简单的烃基负离子是sp3杂化的棱锥构型，未共用电子对占一个sp3杂化轨道。

HR-C-sp3杂化

H当负碳离子与π键或苯环相连时,则以sp2杂化的平面构型,以达到最大的交盖,更好的离域。

CH2=CH-CH2-sp2杂化

三.负碳离子的稳定性

影响负碳离子稳定性的主要因素是结构和溶剂等因素。1．杂化效应

如：CH≡C->CH2=CH->CH3-CH2-

spsp2sp3s成份：50%33%25%这种由于中心碳原子杂化状态的不同，对负碳离子的稳定性产生的不同影响称为杂化效应。因为这种不同的影响是由于杂化轨道中s轨道成分的不同所造成的，所以也叫s-性质效应。2．诱导效应

负碳离子上连有强的吸电子基时，可以分散负电荷，使负碳离子稳定。

FCH2-

（F3C）3C->F3C->CH3-

当碳原子上连有供电子基时，负电荷难于分散，稳定性减小。

CH3->R-CH2->R2CH->R3C-

3．共轭效应

当负碳离子与π键直接相连，由于共轭，电子离域，使负碳离子更稳定。而且连接的π键越多，负碳离子越稳定。

（）3C->（）2CH->（）CH2-

当负碳离子与碳氧、碳氮、氮氧的π键相连时，由于氮和氧与碳比较具有更大的电负性，能更好的分散负电荷，使负碳离子更稳定。

-CH2-C≡N-CH2-C=O-CH2-N=O

CH3O4．芳香性

如环状负离子具有芳香性，稳定。5．溶剂效应

在所有涉及到的离子反应中，溶剂对参与反应的离子的稳定化作用是非常明显的。一般极性的质子溶剂如水能够有效地溶剂化正离子和负离子，其中正离子是通过与溶剂分子的未共用电子对偶极作用溶剂化，而负离子则通过氢键作用溶剂化。极性的非质子溶剂如二甲基亚砜（DMSO，CH3SOCH3），它虽然能够溶剂化正离子，但并不能有效的溶剂化负离子，因为没有活泼氢可以形成氢键，这样负离子在极性非质子溶剂中将更为活泼（即不稳定），所以如选择不同的溶剂，往往可以直接影响负离子的活泼性。如甲氧基负离子的碱性，在极性非质子溶剂中比在极性质子溶剂中要强得多。原因是在质子溶剂如甲醇中，可以形成强的氢键而溶剂化，从而稳定了甲氧基负离子，而在非质子溶剂如DMSO中，则不能形成氢键而溶剂化，所以活泼，碱性强。4．d轨道共轭与内鎓盐

中心碳原子连有硫或磷原子的负碳离子，其稳定性明显增大。如：四甲基磷离子（季磷盐）和三甲基硫离子（叔硫盐）比四甲基铵离子的氢交换速度要大106-107倍，即前者的负碳离子比后者要稳定得多。

CH3CH3CH3CH3CH3-P+-CH3CH3-P+-CH2-CH3-N+-CH3CH3-N+-CH2-CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3-S+-CH3CH3-S+-CH2-这主要是由于碳原子的2p轨道与磷和硫原子的空3d轨道相互交盖，使碳原子上处于p轨道的未共用电子对共轭离域的结果，从而使负碳离子稳定。CH3CH3CH3CH3-P+-CH3CH3-P+-CH2-CH3-P=CH2

CH3CH3CH3

CH3CH3CH3CH3-S+-CH3CH3-S+-CH2-CH3-S=CH2磷叶立德硫叶立德这类中间体称为内鎓盐，也叫叶立德（ylid），它们分别称为磷叶立德和硫叶立德，或叫三甲基磷甲基叶立德和二甲基硫甲基叶立德。叶立德是一类稳定的活性中间体，可以分离。季铵盐负碳离子，氮处于第二周期，没有空的3d轨道，不能发生这样的离域，因而季铵盐负碳离子是不稳定的。第三周期的其它杂原子与负碳离子相连时也有类似的离域效应，如三氯甲基负离子比三氟甲基负离子稳定是由于氯有3d空轨道（处于第三周期）而氟没有3d轨道（处于第二周期）。ClFClClCl-C->F-C-Cl-C-C=Cl

ClFClCl§4-3自由基

一.自由基的生成

1．热解

在加热的情况下，共价键发生均裂而产生自由基。

R-RR·+R·

∆与产生正碳离子和负碳离子的异裂不同，异裂常常要借助于极性溶剂和极性的环境，而共价键的均裂一般在气相或非极性溶剂（或弱极性溶剂）中进行，因此均裂的难易主要取决于共价键的强度，即键的离解能。通常离解能较小的分子，不需要很高的温度即可产生均裂生成自由基。如:

-C-O-O-C--COO··+CO2

OO

CH3

CH3CH3CH3-C-N=N-C-CH3CH3-C·+N2CNCNCN80-100℃80-100℃2．光解在可见光或紫外光的照射下，某些分子能分解产生自由基。

Cl:Cl2Cl·CH3C=OCH3·+CH3CO·CH3·+COCH3与热解法比较，光解产生的自由基具有明显的优点:（1）光解可以分解那些在通常温度下不容易分解或很难分解的强共价键，如偶氮烷类化合物（热分解困难）；（2）由于一定的官能团具有特定的吸收带，是特定能量的转移，所以光解比热解具有更大的专一性，副反应少hvhv3．氧化还原反应

一个分子失去或得到一个电子都可产生自由基，这实际就是氧化或还原的过程，因此通过氧化还原反应可以生成自由基。某些金属离子如Fe2+/Fe3+、Cu+/Cu2+、Ti2+/Ti3+是常用的产生自由基的氧化还原剂。通过氧化还原产生的自由基常常发生在反应过程中。

Ti2++H2O2Ti3++-OH+·OH·OH+H-CH2-C(CH3)2OHH2O+·CH2-C(CH3)2OH

叔丁醇2·CH2-C(CH3)2OHOH-C(CH3)2-CH2-CH2-C(CH3)2-OH

二.自由基的结构

自由基的碳原子可能是sp2杂化构型或sp3四面体构型。

CH3·CF3·CH2=CH-CH2·sp2sp3sp2(独电子处于p轨道)

CH2·CH2=CH·

sp2

sp2(独电子处于p轨道)（独电子处于sp2轨道）

三.自由基的稳定性自由基的稳定性主要取决于共价键均裂的相对难易程度和所生成自由基的结构因素，一般说共价键均裂所需的离解能越高，生成的自由基能量越高，则自由基越不稳定。如:烷烃的C-H键均裂时的离解能为:(CH3)3C-H(CH3)2CH-HCH3CH2-HCH3-H△H/KJ/mol327385402423

相应的自由基稳定性次序为：（CH3）3C·>（CH3）2CH·>CH3CH2·>CH3

·

同时由于超共轭效应和诱导效应作用的结果，从而分散了自由基的独电子性，使之稳定性增高。自由基与π键共轭同样可以分散独电子性，使自由基稳定，如烯丙基自由基和苄基自由基。

CH2＝CH－CH2·

CH2·

空间效应也可影响自由基的稳定性，如2，4，6-三叔丁基苯氧基自由基很稳定主要由于空间效应的影响。

C(CH3)3(CH3)3C--O·C(CH3)3§4-4碳烯

碳烯又叫卡宾，其中心碳原子为中性两价碳原子，包含六个价电子，四个价电子参与形成两个σ键，其余两个价电子是游离的。最简单的碳烯为:CH2，也称亚甲基，碳烯实际上是亚甲基及其衍生物的总称。已知的碳烯有以下几种类型：(1):CH2

，:CHR，:CRR’（R为烷基、芳基、烯基或炔基）(2):CHX，:CRX，:CXX’（X为F，Cl，Br，I）(3):CHY，:CRY，:CYY’（Y为-OR，-SR，-CN，-COOR）(4)CR2=C:，CR2=C=C:

碳烯的名命一般以:CH2为母体，称为碳烯、卡宾或亚甲基，如:CH2：碳烯，

CH3CH：甲基碳烯，（CH3）2C：二甲基碳烯，

(Cl)2C:二氯碳烯，

CH2=CHCH：乙烯基碳烯，

CH3COCH：乙酰基碳烯，C2H5O-COCH：乙氧基羰基碳烯。

一.碳烯的生成

碳烯的生成主要通过两个途径，一是在光或热的作用下通过某些化合物的自身分解反应；二是在试剂的作用下，某些化合物经消除反应而得到碳烯。1．分解反应

CH2=N2:CH2+N2

重氮甲烷C2H5O-COCH=N2

C2H5OCOCH：+N2

乙氧基羰基重氮甲烷∆或hv∆或hv

R-C=OR-C=NNH2

R-C=N=NR-C:+N2R

RRCH2=C=OCH2:+CO

乙烯酮一些小环化合物的分解也可得到碳烯:RNR-C:+N2RNR醛或酮NH2NH2腙HgO∆hr700℃或hvChv2．α-消除反应

同碳原子上的消除反应叫做α-消除反应。

ClClClCl-C-HCl-C-ClCl-C:+Cl-ClBrF2C-BrF2C:+n-BuBr+LiBrClClBr-C-H+t-BuO-+Ag+Br-C:+t-BuOH+AgBrBrt-BuO--n-BuLi以上反应是制备二卤碳烯的有效方法。甲基碳烯和苯基碳烯可由乙基氯和苄基氯制备。CH3CH2Cl+LiBuCH3CH:+BuH+LiClPhCH2Cl+LiBuPhCH:+BuH+LiCl

二.碳烯的结构

碳烯的结构主要有两种：单线态（或单重态）碳烯和三线态（三重态）碳烯。单线态碳烯的碳以sp2杂化，其中两个杂化轨道与其它原子或基团成键，另外则为一对未成对电子占据，自旋方向相反，未参与杂化的p轨道是空轨道，键的夹角为103°。单线态碳烯即具有未共用电子对的负碳离子特征又表现具有空p轨道的正碳离子的特性。三线态碳烯的碳近似于sp杂化，两个sp杂化轨道分别与其它原子或基团成键，两个未参与杂化的p轨道彼此垂直，而且各容纳一个未成键的价电子，且自旋方向相同，夹角136°。三线态碳烯中每个p轨道只有一个电子，具有独电子的性质，近似于双自由基。单线态可表示为：CH2：；三线态碳烯可表示为·CH2·单线态和三线态碳烯都是存在的。由重氮甲烷光解得到的碳烯是单线态和三线态的混合物，如果有惰性气体存在，则单线态碳烯会转变为三线态。如重氮甲烷的光解是在二苯甲酮的存在下进行则只得到三线态碳烯。一般由卤仿、四卤化碳或三卤乙酸盐生成的碳烯通常是单线态碳烯。三．碳烯的反应

碳烯是非常活泼的中间体，容易发生反应，由于是缺乏电子的活性中间体，一般在反应中以亲电性(亲电试剂)为特征的，其反应活性次序为：

:CH2>:CR2>:CAr2>:CX2

碳烯的反应主要有：π键的加成反应和σ键的插入反应，重排反应。

-X=Y-+:C--X-Y--C--X-Y-+:C--X-C-Y-两种反应的历程和结果取决于碳烯的结构，是三线态还是单线态。

1.加成反应

碳烯与烯烃发生亲电加成生成环丙烷衍生物，这是碳烯的典型反应之一。

CH2N2:CH2+N2

hv单线态碳烯和碳碳双键的加成是一步反应,形成过渡态后,即得三元产物:例如:单线态碳烯与顺(或反)-2-丁烯作用,分别生成顺(或反)产物，产物具有明显的立体选择性:

由于中间体双自由基的碳碳单键能够旋转,所以最后生成物有顺、反两种异构体，没有立体选择性:三线态碳烯与烯烃的加成分两步进行：取代的烯烃与碳烯的加成反应，如果为单线态碳烯则服从亲电加成规律，双键连有供电子基时反应速度增大，连的吸电子基时反应速度减小。如果为三线态碳烯由于是双自由基反应，反应速度受自由基稳定性控制。如：三线态的二苯基碳烯与（C6H5）2C=CH2加成，其反应速度比与（CH3）2C=CH2加成要大100倍以上，这主要是因为苯基可以稳定加成中生成的自由基，从而加速了反应。

单线态碳烯还可以插入C—H键之间，发生插入反应：例如：丙烷与重氮甲烷在光照下作用：2.插入反应单线态和三线态碳烯，其插入反应得到的产物相同，但反应历程不同。单线态碳烯的插入是一步完成的，三线态是分步进行的。单线态和三线态碳烯在插入反应中，对不同C-H键的选择性不同。单线态碳烯的插入反应无选择性，基本上是按统计比例进行。叔：仲：伯=1.5：1.2：1.0三线态碳烯的插入反应有选择性，按C—H键反应性：3°>2°>1°=7:2:1.不同碳烯插入反应和加成反应的活性次序为：

:CH2>:CH-COOR>:CHPh>:CHBr3.重排反应碳烯可以发生分子内的重排反应,通过氢、芳基和烷基的迁移，得到更为稳定的化合物，这也是碳烯常见的反应。重排反应也可看成分子内碳烯在C-Hσ键的插入反应，可以在αC-H键上插入，也可以在βC-H键上插入。如芳基的迁移重排环状碳烯