第四章有机反应活性中间体

第三章有机反应活性中间体(Reactiveintermediates)高等有机化学主要内容：1、碳正离子结构、稳定性、生成和反应；

2、碳负离子结构、稳定性、生成和反应；

3、自由基结构、稳定性、检出方法、生成和反应；4、卡宾的结构、稳定性、生成和反应；

5、乃春的结构、稳定性、生成和反应；

6、苯炔的结构、稳定性、生成和反应。

有机反应多数是多步反应，在反应中首先生成活性中间体，接着再转化成产物。

常见的活性中间体有：碳正离子、碳离子、自由基、卡宾、乃春、苯炔等六种。1．碳正、负离子结构、稳定性、生成和反应；

2．自由基结构、稳定性、检出方法、生成和反应。重点：难点：各类活性中间体的结构、稳定性、生成和反应

一.碳正离子(Carbocations)

含义：带正电荷的三价碳原子的原子团。1.碳正离子结构和稳定性特点：缺电子，∵带正电荷的碳有六个价电子。1)碳正离子结构（可能有两种）sp2杂化平面三角形能量上合理sp3杂化角锥型不稳定空的p空的sp3稳定（亲电反应中间体）最常见2)碳正离子稳定性①

σ-p超共轭效应H轨道交盖空的

p轨道p-π共轭共轭体系的数目越多，碳正离子越稳定②共轭效应吸电子基使其稳定性↓Ph3C+>Ph2CH+>PhCH2+(CH2=CH)3C+>(CH2=CH)2CH+>CH2=CHCH2+取代基供电子基使碳正离子稳定性↑；CH2CHCH2结构：空

p轨道与弯曲轨道交盖稳定性：使正电荷分散随环丙基的数目↑，碳正离子稳定性↑。环丙甲基正离子﹥苄基正离子③环丙甲基碳正离子④直接与杂原子相连的碳正离子氧上未共用电子对所占p轨道与C原子空的

p轨道侧面交盖，未共用电子对离域，正电荷分散。类似的质子化羰基：⑥乙烯型碳正离子+C原子：sp2杂化；⑦苯基正离子结构同⑥

，正电荷在sp2轨道上。此二类碳正离子稳定性极差。带正电荷sp2轨道与p轨道⊥;p轨道：形成π键；使正电荷集中。⑤

酰基碳正离子RCH＝CH＋溶剂效应2)

溶剂的诱导极化作用，1)

溶剂使碳正离子稳定；空的

p轨道易于溶剂化溶剂3)

极性溶剂：溶剂化作用强，有利于底物解离。更有利于底物解离。2.碳正离子生成1)直接离子化：

通过化学键的异裂而产生。①

重要条件：溶剂化；②

稳定的碳正离子越易生成；例：叔>仲>伯>CH3+③

离去基团亲核性越弱越易离去；例如:

PhSO3->X->RCOO-④

催化离子化作用常用：催化剂→酸或Lewis酸,⑴

RX和RCOX:

Ag+、AlX3、FeX3、BF3等⑵

ROH、ROR’等：H+、AlX3、FeX3、BF3等⑶RNH2：HNO2超酸：比100％的H2SO4酸性更强的酸。常见的超酸（与100％H2SO4的酸性比较）：HF－SbF51016倍⑷

RH：碳正离子、超强酸(Superacid)等(Ph)2CHCl-Cl(Ph)2CH++HSO3F（氟硫酸）1000倍HSO3F－SbF5

（魔酸）103倍∴很多C+：结构与稳定性的研究在超酸介质中进行。超强酸：可夺取负氢离子→碳正离子例：2)对不饱和键加成例如：3)由其它正离子转化而生成3.非经典碳正离子1)π键参与的非经典碳正离子实验表明：

反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解速度比相应的饱和化合物快1011倍+2电子3中心体系2)σ-键参与的非经典碳正离子外型原冰片醇对溴苯磺酸酯溶剂解速度比相应的内型化合物快350倍4.碳正离子的反应1)生成稳定化合物⑴与亲核试剂结合⑵脱质子β-位：γ-位：（最常见）Nu-：

H-、OH-、CN-、X-、…H2O、NH3…2)生成新碳正离子⑴重排反应迁移活性：芳基>烷基>H迁移动力：生成更稳定的碳正离子⑵加成反应二、碳负离子(Carbanions)含义：带负电荷的三价碳原子的原子团。特点：富电子，∵带负电荷的C上有八个价电子。（亲核反应中间体）1.碳负离子结构①

sp2杂化：平面三角形

∵sp2轨道s成分高，成键电子离核近，孤电子对离核远且与键合电子斥力大∴稳定性较差一般在共轭体系中取这种构型②sp3杂化：角锥形

孤电子对离核近且与键合电子间斥力小，能量低，较稳定(通常构型)，但易翻转。注意：小环和连有强吸电子基不易翻转-70℃时，60%构型保持；0℃时，外消旋化2.碳负离子稳定性1）诱导效应-I：分散负电荷，使碳负离子稳定；反之亦然∴稳定化作用2）共轭效应共轭效应能分散负电荷，使碳负离子稳定

–C效应对负电荷分散↑，对碳负离子稳定化作用↑。3）杂化方式（S-特性效应）C杂化状态不同：C—H键性质有差异spsp2sp3S成分/%503325pKa253743C-稳定性:4）溶剂化效应可与C-形成H键，使其稳定；⑵极性非质子性溶剂常用：三类⑴质子性溶剂：C-难溶剂化，而活泼。特性：只能溶剂化正离子，DMFDMSOHMPA5）p-dπ重叠作用中心C连有S或P碳负离子，稳定性明显增大k=1k=2×107k=2.4×106Me3N+-I效应最强，交换速率最慢，∵没有空3d轨道六甲基磷酰胺

∵S、P有空3d

轨道，负电荷分散到3d形成

p—d重叠，起到稳定化作用。例如：内鎓盐-I：F>Cl稳定性：∵有p—d

重叠磷Ylid硫Ylid3.碳负离子生成①

直接分解法（C-H异裂）[须强碱催化]质子解离活性与其酸性有关：酸性越强，越易解离。常见化合物的pKa值

化合物

pKa化合物pKaCH4CH2CH2C6H6PhCH3Ph2CH2CF3HCHCHCH3CNCH3COCH3PhCOCH343373737332825252019CH3(COOEt)2CH2(CN)2CH2(CF3)2MeCOCH2COMeCH3NO2(MeCO)2CH2(MeCO)3CHCH2(NO2)2CH(NO2)3CH(CN)313.3121110.710.28.86400②

负离子对重键的加成常见：炔烃亲核加成、Michacl加成等。③

金属化反应4.碳负离子反应①

取代反应如：EAA等含活泼H化合物烃基化反应等。亲核取代金属有机化物:C-②

加成反应③

重排反应（后课介绍）5.碳负离子与互变异构现象①含义：②特点：同分异构体之间可逆性相互转变的现象。分子中电子云和一个相对流动的原子(团)的位置发生改变。③极限历程⑵双分子互变异构历程⑴单分子互变异构历程

化物酸性越强，碳负离子越稳定，⑴历程几率越大。

酮式和烯醇式互变：最常见互变异构现象④有多个活性氢6.两可碳负离子的反应选择性

许多C-负电中心分布到几个部位，亲核进攻时会得到不同的产物。⑴酸性大的H迁移；⑵酸性相近动力学控制：生成取代少烯醇热力学控制：生成取代多烯醇影响因素：①溶剂影响1585DMF955

S:ButOH496

DMSO5050

②空间效应影响

③反应温度影响

一般温度

升高温度

更高温度

④碱用量影响

碱的体积、阳离子体积也有影响三、自由基：含有未成对电子的原子或原子团。1.自由基结构和稳定性※碳（烃基）自由基①

自由基结构sp2杂化：平面三角形sp3杂化：角锥型杂原子（O、N、S等）自由基自由基烃基自由基简单的接近平面形，复杂的多为快速翻转的角锥形。一般：②自由基稳定性稳定因素：电子效应、空间效应等。（p-π共轭效应）例如：﹥一般稳定性：平面型﹥角锥形~1-降冰片基（但有特例）注意：自由基不象碳正,负离子那样有一个主要构型。超共轭效应解释稳定自由基举例：

高温无O2

长期存放300℃还稳定存在

空气中无限期稳定2.自由基生成中性自由基：由共价键均裂生成①

热均裂法含弱共价键化合物，易吸收热能发生均裂可做引发剂

②

光解法（重要方法）

光提供能量，将成键电子激发到反键轨道上，而使共价键发生均裂。③

氧化还原法④

离子自由基的制备⑴中性分子受授电子

多数含共轭π键和杂原子的化合物，有较低能量LUMO和较高能量HOMO，易通过电子转移而受授电子生成负、正离子自由基。十分稳定可长期储存⑵自由基和离子相互结合

自由基有未成对电子，其自旋磁矩使自由基有磁性。①

化学捕获自由基+捕获剂稳定化合物较稳定自由基可用仪器鉴定得到自由基参加反应的信息DPPH（紫色）无色2,2-二苯基-2´,4´,6´-三硝基苯肼基3.自由基检出较稳定，可用ESR测定②

物理仪器鉴定

电子自旋共振（ESR）也叫电子顺磁共振（EPR）较新技术：化学诱导极化作用（CIDNP)4.自由基反应①

生成稳定化合物⑴双基偶联⑵双基歧化②

生成新自由基⑴自由基转移：最常见⑵加成反应：⑶消除反应⑷重排反应③

拢着的自由基反应液相中自由基在一定时间内是拢在一起的，而在气相中不然。气相中1：11：1：2液相中1：11：1：0实验表明：共价键均裂生成的自由基，最初被溶剂分子包围，即溶剂笼。笼内自由基不立即分离，经一段时间后相互结合生成产物称为笼产物。⑴笼效应⑵影响笼效应因素1）产生自由基反应物的结构偶氮甲烷﹥过氧化双乙酰笼效应：笼内插入分子体积大2）溶剂粘度：越大笼效应越大3）反应温度：越高笼效应越小4）反应压力：越高笼效应越大⑶笼效应测定

利用自由基捕获剂（其不能和笼内自由基反应）测定5.典型的自由基反应①烷烃氯化（甲烷为例）反应机理:链引发链增长链终止H=7.5KJ/molEa=16.7KJ/molH=-112.9KJ/molEa=8.3KJ/molCH3CH=CH2+HBrCH3CH2CH2Br过氧化物或光照②烯烃的自由基加成⑴

反应机理CH3CH=CH2+BrCH3CHCH2Br终止：（略）增长CH3CHCH2Br+HBrCH3CH2CH2Br+Br引发

⑵过氧化物效应HBr在过氧化物或光照下与烯烃发生反马规则的加成反应b.多卤代烃BrCCl3,CCl4,ICF3等能发生该反应。断裂原则:⑶自由基加成适用范围

CCl3>CHCl2>CH2Cl>CH3a.HBr；而HCl，HI不能发生类似反应；ⅰ、生成最稳定的自由基∵H-CCl3414.2KJ/mol（卡拉施效应）CH3CH=CH2+Br2CH2BrCH=CH2气相，hor500oC反应机理（略）⑶烯烃的-C卤化CH3CH2CH2CH=CH2CH3CH2CHClCH=CH2+CH3CH2CH=CHCH2Cl

思考题：用反应机理解释下列实验事实hCl2Br-CCl3Cl-CCl3I-CCl3

ⅱ、最弱的键首先断裂CCl3284.5KJ/mol339.0KJ/mol217.6KJ/molI-CCl3

光照+I⑷自动氧化：烯丙位、苯甲位、3oH、醚-H均易发生自动氧化。（CH3)2CH—O—CH3自动氧化O2

化学物质与空气中的氧在常温下温和地进行氧化，而不发生燃烧和爆炸。注意：优先形成稳定的自由基。ROO•ROOH+(CH3)2COCH3•R•+O2ROO•+(CH3)2CHOCH3

引发

反应机理：自由基历程位H增长（重要中间体）(CH3)2COCH3OO•(CH3)2COCH3+O2•(CH3)2COCH3+(CH3)2COCH3OOH•(CH3)2COCH3+(CH3)2CHOCH3

OO•练习题：异丙苯的氧化四.卡宾(Carbenes)电中性的含二价碳的化合物2、特点：瞬间存在，但不能分离得到的活性中间体。（碳烯）1、含义：3、卡宾的结构具有六个价电子的两价化合物，两个未成键电子有两种排布方式。①单线态：两个价电子自旋反平行同处于一个轨道

几何模型：sp2杂化计算和测定结果

<HCH=103°价电子：sp2轨道②叁线态：两个价电子自旋平行处于两个轨道sp杂化几何模型:计算和测定结果

<HCH=136°价电子：p轨道3、单线态和叁线态的比较稳定性单线态叁线态杂化状态反应方式sp2sp<能量差40kJ/mol协同反应分步反应反应立体化学立体专一无选择性4、卡宾的稳定性⑴叁线态比单线态稳定⑵取代基的影响1)烷基的影响与上类似2)共轭效应的影响：a.杂原子的p-p共轭缺电子性消失b.形成芳香体系无亲电性反而有亲核性使单线态比叁线态更稳定H2C:<ROOCC:<PhCH:<BrCH:<ClCH:

<

Cl2C:<Br2C:

稳定性逐渐增加母体卡宾不活泼的卡宾5、卡宾的生成⑴热解或光解⑵α-消除反应HCCl3Cl2C:+HClt-BuOK(orKOH),t-BuOH6、卡宾的反应卡宾：非常活泼中间体、缺电子、以亲电性为特征单线态(sp2)CH2:>R2C:>ArRC:>Ar2C:>X2C：（1）对双键的加成反应立体专一的顺式加成，（反应物）衰变三线态(sp)（反应物）反应活性:液态：---协同反应---单线态反应气态：没有立体选择性---叁线态反应

单线态：

乙烯基环丙烷

叁线态：

乙烯基环丙烷+环戊二烯与共轭二烯反应双键的反应活性:

同双键亲电加成反应活性相同例如：烯烃与Cl2C：加成的相对速度供电基越多反应活性↑，吸电基反之。注意：叁线态受生成自由基的稳定性控制。如：

Ph2C=CH2比Me2C=CH2与卡宾的反应快100倍反应实例+CHBr3(CH3)3COH(CH3)3COKCH2=CH-CH=CH2+:CH2:CH2CH2=C=CH2+:CH2:CH2应用：C=C的加成，制备环丙烷衍生物，+:CH2但对C=O、C=N、C≡C加成最近也有报道。（2）插入反应①插入C-Ha.反应历程单线态三线态+:CH2结合b.对C—H的选择性单线态三线态1.5:1.2:1.07:2:1自旋转化+·CH3+·CH330：20：10c.选择性与卡宾的反应活性有关:CH2>:CHCOOR>:CHPh>:CHBr~:CHCl活性↓选择性↑,∴:CCl2只能插入苄基C-H键CH2N2h加成产物+++插入产物26%11%26%37%②插入C-Br、C-Cl、C-O等σ键（不插入C-C）60%40%卡宾的插入反应选择性小，∴在合成上意义不大。（3）重排反应1,2-氢迁移1,3-氢迁移66%33%或:αC-H键插入βC-H键插入（4）二聚反应

惰性