chapter-2 有机反应活性中间体

Chapter-2有机反响活性中间体1一.概述多数有机化学反响的进行是通过生成某些中间体完成的。这些中间体很活泼，存在的时间很短，形成后立即参与下面的反响，所以常称为有机反响活性中间体。这些活性中间体一般具有以下特点：存在时间短、反响活性高、难别离。

21.中间体与过渡态活性中间体虽然非常活泼，但仍有一定的相对稳定性，可以检测其存在，有些在适当条件下甚至可以别离；而过渡态那么是寿命极短的极不稳定的状态，既不能别离也无法检测其存在；同时在表示方法上，活性中间体可以用通常的价键结构表示，而过渡态那么是活性络合物，只能以局部成键的络合过渡状态代表。32.常见的有机反响活性中间体碳正离子〔CarbocationorCarboniumion)碳负离子〔Carbanion〕自由基〔Freeradical或称游离基〕卡宾〔Carbene〕乃春〔Nitrene〕苯炔〔Benzyne〕…...4二.碳正离子(Carboniumions)碳正离子分为两类:(1).经典碳正离子：又称碳宾阳离子，其中带正电荷的碳原子价电子层有六个电子，形成三个共价键，如CH3+、Me3C+。(2).非经典碳正离子：又称碳鎓阳离子，由π键或σ键参与形成，存在3中心2电子键，如甲鎓离子。5

(一)碳正离子的结构与稳定性1.碳正离子结构碳正离子可具有平面构型或角锥构型，其中平面构型在能量上比较有利，更稳定，原因:(1)平面构型中，与中心碳原子相连的三个基团相距最远，空间位阻小；(2)平面构型中，SP2杂化的S成分较多，电子更靠近原子核，故更稳定。6+C

sp2-sσbondCH3+的轨道结构sp2-sp3σbond(CH3)3C+的轨道结构HHH72.影响碳正离子稳定性的主要因素(1)诱导效应(Inductiveeffects)任何给电子的原子或原子团〔具有+I效应〕能使碳正离子的稳定性提高；相反的任何具有-I效应的原子或原子团与碳正离子相连时，那么使其稳定性降低。(2)共轭效应(Conjugateeffects)给电子的共轭效应(+C)可使碳正离子的正电荷得到分散，从而使之稳定。随着共轭体系的增大，碳正离子稳定性明显增加。直接与碳正离子相连的原子或原子团的稳定效应次序为：

R2N-＞RO-＞Ar-＞RCH＝CH-＞R-＞H8●σ-p超共轭效应：H轨道交盖在这里空的p轨道9●烯丙型碳正离子：●共轭体系的数目越多，碳正离子越稳定：●当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使碳正离子稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：p-π共轭10●环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：CH2CHCH2环丙甲基正离子的结构：空的p轨道与弯曲轨道的交盖中心碳原子上的空的p轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。随着环丙基的数目增多，碳正离子稳定性提高。11●直接与杂原子相连的碳正离子结构：氧上的孤对电子所占p轨道与碳正离子中心碳原子上的空的p轨道侧面交盖，孤对电子离域，正电荷分散。类似地，羰基正离子：12(3)空间效应－B-张力(Baeyerstrain)当反响物分子由SP3杂化的四面体变成SP2杂化的碳正离子时，空间拥挤程度减小，即B-张力减小。B-张力减小得愈多的碳正离子愈易生成，愈稳定。如Me3C+比CH3+稳定。(4)芳香性(Aromaticity)环状正离子的稳定性取决于是否具有芳香性，具有芳香性的碳正离子都比较稳定。如环丙基正离子和环庚三烯正离子，其π电子数符合Huckel4n＋2规那么，所以都稳定。13(5)溶剂效应

溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离生成碳正离子，也使生成的碳正离子更稳定。(6)结构上的影响越趋于平面构型的碳正离子越稳定，桥头碳由于结构上的刚性难以形成平面构型，故桥头碳正离子极不稳定，难以生成。几种溴代烷溶剂解的相对速度如下〔80%水－20%乙醇〕：14(7)共振作用如果某碳正离子能写出更多的稳定的共振式，那么该碳正离子比较稳定。例如：解释氯苯硝化为什么邻对位产物较多间位产物较少？解释：邻对位产物的中间体有较稳定共振式而间位产物那么没有。

邻位产物中间体的共振式：15对位产物中间体的共振式：间位产物中间体的共振式：没有正电荷转移到氯原子上的较稳定的共振式。16常见碳正离子的稳定性顺序如下：Ph3C+＞Ph2CH+＞PhCH2+≈R3C+＞CH2＝CHCH2+＞R2CH+＞RCH2+＞CH3+17

(二)碳正离子的生成1.直接裂解：通过化学键的异裂而产生。

182.质子或其他正离子对不饱和键的加成

3.由其它正离子转化而生成

19(三)碳正离子的反响碳正离子的反响归纳起来主要有以下四种方式发生反响：加、减、换、变。1.与带有电子对的亲核试剂结合

R++Nu-

→R-Nu碳正离子从烷烃中夺取负氢也属这一类反响:202.碳正离子失去α质子生成不饱和化合物，这是烯烃质子化的逆过程

3.与不饱和键加成形成新的较大的碳正离子

形成新的碳正离子还可以进一步与双键加成，如此反复加成下去，实际就是正离子型聚合反响。214.重排形成更加稳定的碳正离子

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(四)非经典碳正离子1.π键参与的非经典碳正离子实验说明：反－7－原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度是相应的饱和化合物的1011倍。在乙酸中的溶剂解的速度：233中心2电子体系:242.σ键参与的非经典碳正离子外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯溶剂解速度比相应的内型化合物快350倍:25活性不同的解释:生成外消旋化产物的解释：26三.碳负离子(Carbanionions)

碳负离子是有机化学中另一个重要的活性中间体，在亲核加成、芳香族亲核取代反响、E1CB消去反响、互变异构及分子重排等反响中都涉及到碳负离子中间体。27

(一)碳负离子的结构与稳定性1.碳负离子结构碳负离子具有两种可能的构型，SP2杂化的平面构型和SP3杂化的角锥构型。一般认为非共轭状态碳负离子多以角锥构型存在，因为在角锥构型中孤对电子与其他三对成键电子之间的排斥作用最小，比平面构型稳定。28碳负离子的角锥构型可以用一些反响来证明：(1)连有卤素的桥头碳原子容易与锂反响生成有机锂化合物，并能进一步与二氧化碳发生亲核加成，水解成酸。29(2)用金属－卤素置换法制备光学活性的2－辛基锂和CO2在－70oC时作用，给出20%光学活性产物〔60%保持构型不变，40%发生构型转化〕；但在0oC给出外消旋混合物。30碳负离子中的孤对电子如与邻近不饱和基团〔如C＝C或苯环〕发生共轭，那么呈平面构型。一些碳负离子的相对稳定顺序为：312.影响碳负离子稳定性的主要因素(1)杂化效应随着碳氢键中的碳原子S成分愈多，成键电子愈靠近原子核，受核的约束力愈大，使C－H键的极性增大，所以氢原子更容易以质子离去，酸性愈强，其相应的碳负离子的稳定性就愈大。如以下化合物的S成分与酸性情况(pKa)为：碳负离子的稳定性顺序那么为：≈32(2)共轭效应(Conjugateeffects)具有吸引电子的共轭效应的基团与带有负电荷的碳原子相连，有利于末共享电子对的离域，使负电荷得到分散，故能使碳负离子稳定。以下碳负离子的稳定顺序有：(3)诱导效应(Inductiveeffects)与带负电荷的碳原子相连的基团具有–I效应，能分散负电荷，使碳负离子稳定；而具有+I效应的斥电子基团那么降低碳负离子的稳定性。故烷基碳负离子稳定顺序有：CH3-＞RCH2-＞R2CH-＞R3C-33(4)芳香性(Aromaticity)对于环状的碳负离子，和环状的碳正离子同理，如果为共平面的共轭体系，π电子数符合4n＋2规律，那么具有芳香性，很稳定。这种碳负离子可以存在于溶液中或作为盐类存在于固态。如环戊二烯负离子、环辛四烯双负离子。34

(二)碳负离子的生成形成碳负离子的方法主要有下面两种：(1)直接裂解以强碱夺取C—H键中的质子，在碳上留下电子对而生成碳负离子，这是产生碳负离子的最普通的方法，实际是夺取质子生成共轭碱的简单酸碱反响。35反响过程所以要用强碱和液NH3溶剂，主要由于这些反响物中氢原子都是直接与碳相连的，酸性很小，通常称为碳质酸〔carbonacids〕。如：乙炔:PKa=25，三苯甲烷:PKa=33,NH3:PKa=34H2O:PKa=16假设在水中那么立即分解而得不到产物。36在碳质酸中，当氢原子作为质子离后，碳原子即形成碳负离子。这些化合物中氢原子的活性〔即酸性〕是与分子的结构有关的，当分子中含有强的吸电基，尤其在中心碳原子上有吸电基时，氢原子的酸性增强，活性增大；另外，产生的负碳离子，其负电荷如能得到分散或离域也可使碳负离子稳定，而增强氢原子的酸性。例如：37(2)负离子和碳碳重键加成负离子与碳碳重键发生亲核加成即生成碳负离子。在一般情况下，反响物的重键碳原子上连有吸电子基〔如-CHO、-COOR、-CN、-C6H5等〕，才容易发生这一类反响。38(三)碳负离子的反响1.对羰基化合物的亲核加成反响这类反响主要有以下９类：(1)醛酮的亲核加成39(2)羧酸衍生物类的加成消去反响(3)羟醛缩合反响(4)Claisen-Schimidt反响芳香醛与含有活泼α-H的脂肪族醛酮在碱的催化下发生交叉羟醛缩合，形成αβ-不饱和醛酮。40(5)Claisen缩合无α-Ｈ的醛与两个α-Ｈ的酯在碱的存在下发生缩合，生成α,β－不饱和酯的反响。(6)Claisen酯缩合：相同酯之间的缩合当α-Ｃ上只有一个Ｈ原子时，那么必须用更强的碱，如三苯甲基钠。41(7)Dieckmann缩合：分子内的酯缩合(8)Knoevenagel反响含活泼亚甲基的化合物与醛或酮在弱碱性催化剂存在下缩合得到α,β-不饱和化合物的反响。碱性催化剂是：氨、胺、吡啶、哌啶、二乙胺等。4243(9)Wittig反响醛或酮与磷叶立德〔phosphorusylide)作用，碳氧双键转变为碳碳双键。硫和磷与碳结合时，碳带负电荷，硫或磷带正电荷彼此相邻，这种结构的化合物称为Ylide(叶立德)。由磷形成的Ylide称为磷Ylide，又称为Wittig试剂，其结构可表示如下：

44Wittig反响有以下几点应注意：A.制备磷叶立德时所用碱的强度，应根据季磷盐αＨ的酸性而定。磷叶立德的制备：RX：RBr溶剂：Et2O、苯、DMF碱：NaNH2

、RONa、n-BuLi反响需要在无水无氧条件下进行，因为Wittig试剂很活泼，在合成时一般不别离出来，直接进行下一步反响。45B.反响条件温和，收率较高，且具有高度的位置选择性(生成的烯键处于原来的羰基位置)，一般不会发生异构化，可以制得能量上不利的环外双键化合物；C.活泼的和较活泼的Wittig试剂主要得到Z-异构体,不活泼的Wittig试剂主要得到E-异构体。462.对碳－碳重键的加成在一般情况下，反响物的重键碳原子上连有吸电子基〔如-CHO、-COOR、-CN、-C6H5等〕，才容易发生这一类反响。典型的实例为Michael加成反响：含活泼涯甲基的化合物与α,β-不饱和化合物在碱性催化剂存在下发生1,4-加成反响。47Michael加成反响:电子给体：活泼亚甲基化合物、烯胺、硝基烷类等。碳负离子接受体：不饱和的醛、酮、酯、腈，不饱和硝基化合物以及易于消除的曼尼希碱。催化剂：醇钠〔钾〕、氨基钠、吡啶、三乙胺、季铵碱。48Michael反响选择性：A.给体为不对称的酮时，Michael反响发生在活泼氢较少〔即取代基较多〕的碳原子上，与用烯胺进行的反响相反。49B.有时在条件允许的情况下，可进一步发生关环反应〔Robinson)--分子内的缩合。503.取代反响碳负离子是一种亲核试剂，能与卤代烷等发生亲核取代反响，是合成中增长碳链的重要方法之一。4.重排反响51四.自由基(Freeradical)

1.自由基的结构与稳定性自由基具有两种典型的构型，SP2杂化的平面构型和SP3杂化的角锥构型。自由基中未成对电子所处轨道的S成分越少，越趋向于平面构型；有共轭的自由基为平面结构，且稳定性增加。自由基的稳定性次序：522.自由基的形成热解法一些化合物的化学键的分解能比较小，加热很容易使其均裂产生自由基。53(2)光解法一些化合物的化学键的分解能比较小，分子吸收紫外线后也可以使其均裂产生自由基。(3)氧化复原反响543.自由基的反响取代反响(2)加成反响(3)重排55五.卡宾(Carbene)

卡宾〔Carbenes〕是一类外层只有六个电子的碳原子化合物。常见的卡宾有以下几种：1、:CH2:CHR:CRR’〔R、R’为烷基〕2、:CHX:CX2:CXX〔X为卤素〕3、:CHY:CRY:CYZ〔Y、Z为－OR、－SR、－CN、－COOR等基团〕4、:CRR〔R为烷基、芳基〕561.卡宾的结构卡宾碳原子有两个非键轨道，有二个末成键电子，这两个末成键电子有两种填充方式：(a)两个电子占据同一轨道，自旋相反，称为单线态卡宾；(b)两个电子各占据一个轨道，自旋可以相同或相反，称为三线态卡宾。57三线态能量比单线态低33.5～41.87kJ/mol，说明三线态卡宾比单线态卡宾稳定。三线态被称为基态。在惰性气体中，单线态碰撞可转变成三线态。1CH2〔〕→3CH2〔〕卡宾以何种状态参加反响，取决于其生成的条件：反响在化学惰性气体中→三线态反响中有光敏剂存在→三线态反响在液相中→单线态582.卡宾的形成－消去反响多卤代烷在同一碳原子上进行消去。CHCl3＋OH-→-CCl3→:CCl2＋Cl-CHCl3＋Me3COK→:CCl2＋Me3COH＋KCl(2)分子的光解或热解某些重键化合物如烯酮和重氮甲烷通过光解或热解即可生成卡宾。

59三卤代乙酸的盐也可以加热制得卤代卡宾:(3)三元环化合物的消去反响这类反响可以看作是卡宾与双键加成的逆反响。603.卡宾的反响插入反响卡宾可以插入C-H单键之间，另外也可以插入C-O、C-X、Si-H、Ge-H之间，但不插入C－F键和C-C键间。研究最多的是插入C-H键之间，插入C-H键活性是3o＞2o＞1o，分子间插入反响往往得一混合物。主次烷基卡宾的分子内插入反响:主次61●三元环过渡态机制:●双自由基机理--首先提取一个氢形成自由基，自由基再结合。

单线态卡宾在实验中没有出现双键转移产物B—三元环过渡态机制；三线态卡宾有产物B—双自由基机理。卡宾插入反响机理：62(2)加成反响卡宾可与C=C、C=N、C=P、N=N、C≡C等不饱和键进行加成反响，不饱和键的电子云密度越高，反响活性越大。加成可发生在分子间，也可发生在分子内。分子间：分子内：63●单线态卡宾与不饱和键的加成反响是协同反响，反响为立体专一性的顺式加成:卡宾加成反响立体选择性：64●三线态卡宾与不饱和键的加成反响是通过双自由基机制进行的，由于环合前翻开的双键可以旋转使反响失去了立体专一性:65西蒙司-史密斯〔Simmons-Smith〕反响：单线态卡宾由于比较活泼，除加成反响外，往往发生许多副反响如插入反响等。Simmons-Smith反响为：反响在铜催化下，用二碘甲烷与锌反响得到ZnI2和CH2的络合物，再与烯反响。实际上反响中不是游离的卡宾，而是具有卡宾特性的类似物，故称为类卡宾。类卡宾比卡宾活性低，