高等有机化学-第5章-活性中间体二

1、2020/8/9,1,第五章 活性中间体,5.1 碳正离子 5.2 碳负离子 5.3 鎓内盐 5.4 自由基 5.5 卡宾 5.6 氮宾（乃春） 5.7 苯炔（芳炔）,2020/8/9,2,5.3 鎓内盐,一、鎓内盐的结构 鎓内盐(ylide)是指一种化合物，在其分子内含有碳负离子(含有未共用电子对)，及与碳负离子相邻的杂原子带正电荷。这些杂原子可为磷、硫、氮、砷及锑。典型的例子为三苯基磷鎓甲内盐(triphenylphosphoniummethylide)，为五价磷的衍生物。 对磷鎓内盐的研究较多,连在杂原子和碳负离子中心的取代基可为各种原子或原子团。磷鎓内盐的X射线结晶结构研究表明，碳为s

2、p2杂化的平面结构, C-P键长为1.7A，比C-P,PCH2,Ph,Ph,Ph,-,-,+,P CH2,Ph,Ph,Ph,-,。,2020/8/9,3,单键1.87A短，这表明磷与碳之间具有dp-轨道重叠(p-d成键)，即填满的碳2p轨道与磷原子的空3d原子轨道重叠，磷原子为sp3杂化。 二、鎓内盐的生成 由相应的鎓盐(onium salt)除去质子 正电荷中心使位的氢有质子化的趋势，需要极强碱使其电离。,。,Ph3PCH2,Ph3PCH3,Ph2SCH2Ph,Ph2SCHPh,BuLi,BuLi,BuH,BuH,+,+,+,+,醚,醚,+,+,+,-,+,-,2020/8/9,4,形成鎓内

3、盐的难易取决于碳负离子的稳定性。例如鏻酯 (phosphonium ester)在水中用碳酸钠处理形成鎓内盐。芴鎓内盐(fluorenyl ylid)可用氨处理它的共轭酸得到。,Ph3PCHCOOEt,Ph3PCH2COOEt,OH-,+,+,+,-,NH3,H,-,Ph3P,+,PPh3,+,鏻 酯,芴鎓内盐,2020/8/9,5,卡宾与膦(phosphine)的加成。此法对于制备卤素和烷氧基取代的鎓内盐特别有用。 碳负离子与乙烯基鏻离子(vinylphosphonium ion)的加成.,Ph3PCCl2,Ph3P:,+,+,+,:CCl2,CHCl3 + t-BuO-,Ph3PCH CH

4、2,+,Ph3P CH CH2Bu,+,t-BuLi,+,2020/8/9,6,转移鎓内盐化作用(transylidation) 许多鎓内盐可以由简单的鎓内盐经烷基化作用、酰基化作用、烷氧羰基化作用及卤化作用等得到。如下式所示，第一步是形成鏻鎓盐，然后鏻鎓盐被另一分子鎓内盐脱去质子，得到一个新鎓内盐，称为转移鎓内盐化作用。,R13P,CHR2,R13P CHX,R3,+,+,R3X,R2,+,+,CHR2,R13P,R13P,CR2R3,R13P,CH2R2,+,其中R3=烷基,RC，ROC，卤素,O,O,2020/8/9,7,三、鎓内盐的反应 与醛酮的反应(Wittig反应) 碳负离子进攻醛

5、酮的羰基碳原子，得到两性离子中间体。此两性离子中的磷和氧配位结合形成膦化氧和烯类。 反应示意图见下页 还原作用 用氢化铝锂还原鎓内盐时，使连于杂原子上的一个原子团被排出。 Ph3P CHPh Ph2HP CHPh + Ph-H,LiAlH4,+,+,2020/8/9,8,Ph3PC,OC,Ph3PO,R,R,R,R,+,+,R,Ph3PC,OC,R,R,R,+,R,CC,R,R,R,两性离子,膦化氧,Wittig 反 应,2020/8/9,9,氧化反应 氧（或过酸）将鎓内盐裂解为膦化氧和羰基化合物。如果鎓内盐过量，则和生成的羰基化合物又发生Wittig反应生成对称烯。,Ph3PCHR,Ph3P

6、CHR,+,+,Ph3P CHR,+,O2,+,Ph3PO,O O,RCO,H,H,CC,H,R,R,2020/8/9,10,水解作用 鎓内盐和水作用得到氢氧化鏻，氢氧化鏻进一步分解为烃类和膦化氧。 重排作用 在Stevens重排过程中涉及鎓内盐重排。 Stevens重排为季铵盐分子中的一个连于氮原子的碳上具有一吸电子的基团Z时，用强碱(如NaNH2)处理得到三级胺的反应。 Z原子团为RCO、ROOC、苯基等。这个重排反应的第一步为除去一个质子而得到鎓内盐，此鎓内盐重排为三级胺。如下式：,Ph3PCHPh,+,H2O,Ph3PCH2Ph,+,OPPh3,+,CH3Ph,OH,2020/8/9,

7、11,ZCH2NR2,ZCH2NR2,R1,R3,NaNH2,+,R3,R1,.,Z CH NR2,R1,R3,+,.,2020/8/9,12,5.4 自由基,自由基是具有未成对单电子（或称独电子）物种。中心碳原子的配位数为 3 的自由基，其价电子层有7个电子，而相应的碳正离子是6个电子，碳负离子是8个电子。自由基的化学性质非常活泼，因为它具有未成键电子，有获取一个电子成为稳定结构的倾向。 一、自由基的结构 自由基以其中心碳原子所处环境不同而有两种可能的构型：sp2杂化的平面构型(A)和sp3杂化的三角锥体构型(B)。,C,C,-,.,.,-,(A),(B),2020/8/9,13,在平面构型

8、A中，独电子在p轨道中，而在三角锥体构型中独电子在sp3杂化轨道中。至于某一具体的自由基采取何种构型，则取决于该自由基中心碳原子所连的基团的性质。 根据光谱分析研究，CH3.是平面构型或接近于平面构型。电子自旋共振(ESR)研究表明， CH3.中独电子所处在轨道的s成分极少或没有，独电子处于p轨道中。IR谱图表明CH3.偏离平面最多只有5左右。根据独电子特性谱图的分析，以下几种自由基独电子所处轨道的s成分按下列顺序递增： CH3. CH2F. CHF2. CF3. 在CF3.中，碳原子主要是sp3杂化，因此CF3.是三角锥体构型。 CCl3.和 (CH3)3C. 都是三角锥体构型的，但CHCl

9、2.是平面构型的。对于烷基自由基，除了叔烷基自由基外，一般倾向于采取平面构型。,2020/8/9,14,自由基中心碳原子与体系相连时，由于电子离域的要求，该中心碳原子采取平面构型以组成p-共轭体系，如烯丙基自由基CH2=CHCH2.和苄基自由基C6H5CH2. 都是平面构型的。对于(C6H5)3CH2. 来说，其电子离域程度更大些，但并没有达到高度离域的程度，原因是三个苯基不是完全共平面的。 经实验测定，三个苯环都偏离中心碳原子的三个键所在平面约30.这种偏离是苯环邻位氢原子的非键张力引起的,所以C6H5CH2.是螺旋桨形的。 环己基、环戊基和环丁基自由基都是平面构型的，而环丙基自由基则是三角

10、锥体构型的。,2020/8/9,15,通过对许多稠环和笼状化合物的化学研究，得到了许多具有明确是三角锥体构型的自由基。如1-金刚基和双环2,2,2辛基自由基为三角锥体构型。桥头碳原子一般不能形成碳正离子，因为几何上的刚性结构不允许它生成sp2杂化的平面构型。但桥头碳原子的sp3杂化则与自由基的三角锥体构型相符合。,.,.,2,2,2辛基自由基,1-金刚自由基,2020/8/9,16,一、自由基的稳定性 通过R-H键裂解能的测定，可以了解自由基相对稳定性的大小。裂解能越大，自由基越不稳定。某些母体化合物中R-H的裂解能列于表6-2中。 表6-2 某些R-H键的裂解能,2020/8/9,17,从表

11、中可以看出，简单烷基自由基的相对稳定性顺序如下： (CH3)3C. (CH3)2CH. CH3CH2. CH3. 这个顺序与碳正离子的稳定性顺序相同，即叔仲伯。但是自由基与相应的碳正离子相比，其稳定性的相对差别要小得多。 （一）电子效应 电子效应是影响自由基稳定性的主要因素之一。简单烷基自由基的稳定性顺序是超共轭效应作用的结果。当自由基中心碳原子与体系相连时，共轭效应使自由基稳定性提高。如烯丙基和苄基自由基比简单烷基自由基稳定，其相应的裂解能较低。这是由于中心碳原子是sp2杂化的，具有单电子的p轨道与轨道重叠，使得独电子得以离域。,2020/8/9,18,当独电子的离域作用增大时，自由基的稳定

12、性也随之增大。因此，(C6H5)2CH. 比C6H5 CH2. 稳定，而(C6H5)3C. 则更稳定，以至于在惰性溶剂中常温就能有黄色的(C6H5)3C. 按一定比例存在。 ESR研究证明，乙烯基自由基的独电子处于sp2杂化轨道中，因此独电子不可能与键共轭，所以乙烯基自由基不稳定，是很活泼的自由基。芳基自由基、炔基自由基都是很不稳定的。 （二）空间效应 空间效应对自由基的稳定性也有很大影响。空间障碍能抑制自由基的二聚作用，提高自由基的稳定性。这种空间效应也是(C6H5)3C.特别稳定的原因之一。再如下面这个自由基在溶液中是完全稳定的，这是由于临位取代的二个苯基阻止了其它物种对该自由基中心的靠近

13、。,2020/8/9,19,三、自由基的生成 有机化合物分子中化学键杂极高温度下，都能断裂生成自由基。一般产生自由基的方法主要有以下几种： （一）热解法 如果一个键的裂解能低于165 kJ .mol-1 ，则其不但在空气中，而且在惰性溶剂中都能进行热解生成自由基。这类物质有某些过氧化物和偶氮化物。例如，过氧化叔丁基和偶氮化合物。它们的裂解相应为154.9 kJ .mol-1和129.8 kJ .mol-1 。,C6H5,C6H5,C6H5,O .,2020/8/9,20,(CH3)3 OO(CH3)3 2 (CH3)3 OO. 加热使共价键发生均裂是产生自由基的常用方法。均裂时所需的温度取决于

14、键的强度即键的裂解能。计算结果表明，键的裂解能为105-146 KJ/mol的化合物，均裂产生自由基的温度大约是50-150；键 的裂解能为167-209 KJ/mol的化合物，则大约是200-400。对于某些键 的裂解能比较大的化合物，均裂时则需要更高的温度。,100-110,(CH3)2CNNC(CH3)2,CN,CN,80-100,(CH3)3C .,CN,2,+ N2,过氧化叔丁基,偶氮二异丁腈,2020/8/9,21,（二）光解法 烷烃的卤化反应就是光照使卤素分子的键均裂，产生自由基而引起的。例如： ClCl 2 Cl . Cl2的裂解能为242 KJ/mol，若热解法则需要300以

15、上的高温才能形成自由基。因此光解法能在合理的温度下使不易裂解或根本不能裂解的强碱进行裂解，而且光解法的副反应少，因为一定的分子只有吸收特定能级的光波，分子中的电子才能激发到反键轨道上使键均裂。有很多化合物能吸收光，发生均裂解而残生自由基。例如：,hv,CH3CO,CH3 .,+ CH3CO,CH3,.,2020/8/9,22,光解法的前提条件是，有关分子必须对紫外光波段或可见光波段的辐射有吸收能力。例如，丙酮蒸汽能被波长为320 nm的紫外光所分解，而率被波长为480nm的紫外光所分解，发生键的均裂得到相应的自由基。,R O Cl,R O + Cl,.,.,hv,Cl3CBr,+ Br,.,.

16、,hv,Cl3C,2020/8/9,23,（三）氧化还原法 一些过渡金属离子可在氧化还原反应中得到或失去一个电子，使其它分子产生自由基。例如Co3+是一个强有力的单电子氧化剂，它可以从芳香烃侧链除去一个氢原子，时芳烃转变成自由基： Co3+ + ArCH3 ArCH2 . + Co2+ + H+ 该反应已经用于工业上，将烷基苯氧化成芳香族羧酸。 又如Fe2+与H2O2作用可生成羟基自由基： Fe2+ + H2O2 Fe3+ + . OH + OH -,2020/8/9,24,四、自由基的反应 （一）失去自由基性质的反应 自由基活性较高，一般可发生二聚作用，例如： H3C . + . CH3 C

17、H3 CH3 两个自由基之间可发生歧化作用，即一个自由基脱去一个-氢给另一个自由基，生成烷烃和烯烃，例如： CH2CH2. + .CH2CH3 CH2 CH2 + CH3CH3 （二）自由基性质转移的反应 活性高的自由基可从另一个分子中夺取一个原子，形成一个更稳定的自由基。例如：,H,2020/8/9,25,CH3. + HCH2C6H5 CH4 + .CH2C6H5 所生成的苄基自由基因共轭作用更稳定。 自由基还可以与不饱和键加成，生成新的自由基。如果新生成的自由基进一步与烯烃发生加成作用，则该反应继续下去，就生成高聚物，这就是自由基聚合反应机理。例如： . Br + CH3CHCH2 CH

18、3CHCH2Br RC . + CH2CHR RCCH2 CHR,.,.,O,O,2020/8/9,26,某些自由基还可以发生分解反应。例如： C6H5 CO . C6H5 . + CO2 实际上自由基的这些反应是彼此竞争的，在一定条件下可能以某一反应为主。,O,2020/8/9,27,5.5 卡宾,一、卡宾的结构和稳定性 卡宾是一类外层只有 6 个电子的 2 配位碳原子的物种。在这 6 个电子中，有 4 个电子是参与形成两个共价键的，其与 2 个电子没有参与成键。最简单的卡宾是 :CH2 ，它的衍生物有 XCH: 和 XYC: 两种类型。其中X或Y可以是烷基、芳基、卤素、烷氧基和酰基等。又叫

19、亚甲基，因此卡宾是亚甲基及其衍生物的总称，它是有机反应中一类重要的活泼中间体。 卡宾的命名一般以 CH2: 为母体，称为卡宾或某卡宾，2 配位碳原子上的两个取代基写在卡宾的名称之前。例如： CH2: CH3CH: (C6H5)2C: Cl2C: CH3COCH: 卡宾 甲基卡宾 二苯基卡宾 二氯卡宾 乙酰基卡宾,2020/8/9,28,碳原子有 4 个原子轨道，在卡宾 R2C: 中的中心碳原子只用了两个原子轨道成键，还剩余两个原子轨道容纳着两个未成键电子。 如此，则出现了两种可能的状态：这两个电子占据同一轨道且自旋反平行，或者分别占据两个能量相等的轨道且自旋平行。 单线态：物种的两个电子处于自

20、旋反平行状态，自旋量子数之和S=0，则2S+1=1，这时呈现出一条谱线，这种状态在光谱学上叫单线态，用符号S表示。相应的卡宾称为单线态卡宾，它是反磁性的。 三线态：物种的两个电子处于自旋平行状态，自旋量子数之和S=1，则2S+1=3，这时呈现出三条谱线，这种状态在光谱学上叫三线态，用符号T表示。相应的卡宾称为三线态卡宾，它是顺磁性的。,2020/8/9,29,单线态卡宾中心碳原子接近于sp2杂化，两个sp2杂化轨道生成二个键，第三个sp2杂化轨道容纳未共用电子对，一个未杂化的p轨道是空着的。例如单线态的 CH2: 键角约为103，单线态 Br2C: 的键角为114。 三线态卡宾中心碳原子接近于

21、sp杂化，两个sp杂化轨道与两个基团键合，而未成键的二个电子分别处于两个未杂化的p轨道中。例如三线态的 CH2: 键角约为136，三线态 (C6H5) 2C: 的键角为150。,R,C,-,C,R,R,R,sp,sp2,sp,sp,p,p,p,sp2,sp2,单线态卡宾,三线态卡宾,2020/8/9,30,三线态卡宾比单线态卡宾的能量低，是由于三线态的两个未成键电子分布在二个轨道上符合电子排布半充满的洪特规则。 CH2:的三线态比单线态能量低约41 KJ/mol。通常形成的CH2:为单线态，它可衰变为能量较低的三线态。但由于单线态CH2:活性很高，有时在未衰变成三线态之前就参加反应了。因此卡宾

22、CH2:是以单线态还是以三线态存在，与它产生的条件有关。 卡宾中心碳原子所接基团对它的结构和稳定性有影响。一般，二烷基卡宾的基态为三线态。有未共用电子对的取代基X(如F、Cl、Br、OR、NR2等)有稳定单线态的作用，故连有这类取代基的卡宾其基态为单线态。如二卤卡宾F2C: 、Cl2C:、Br2C: 和 (CH3O)2C: 等是单线态的。 二甲基卡宾中氧原子对单线态的稳定性可表示如下： CH3OCOCH3 CH3OCOCH3 CH3OCOCH3,.,.,.,+,+,2020/8/9,31,二、卡宾的生成 （一）消除法 例如采用强碱处理氯仿。首先在碳原子上离去一个质子，然后在同一碳上再失去一个C

23、l-，形成卡宾。这样一类在同一碳原子上消除两个基团的反应叫做-消除反应。卤素的电负性影响三卤甲基负离子和二卤卡宾的稳定性。卤素的电负性越大，它们的稳定性越高。但卤素作为离去基团则氟最难，碘最易。所以二氟碘甲烷形成卡宾速度最快，而三氟甲烷最慢。 CHCl3 :CCl3 :CCl2,H+,Cl-,OH,2020/8/9,32,（二）光解和热解法 光解和热解主要是乙烯酮类和重氮化合物的分解。乙烯酮脱掉CO，重氮化合物脱掉N2。它们键的强度分别为：1069.6KJ/mol和944.2KJ/mol。光解比热解有利，因热解所需温度较高。例如： CH2CO H2C: + CO R2CNN R2C: + N2

24、 三、卡宾的反应 卡宾是缺电子物种，它们的反应以亲电性为特征。从其结构可看出，单线态卡宾既有碳负离子孤对电子的性质，又具有碳正离子空p轨道的性质，而三线态卡宾则具有双自由基的特点。,hv,hv,或 ,或700,+,2020/8/9,33,（一）加成反应 卡宾对重键加成生成三元环化合物是一个非常重要的反应，也是卡宾在合成化学中的主要用途。一般卡宾对双键的加成比对三键的加成更容易，但二氯卡宾却易于进攻三键。 与碳-碳双键加成，生成环丙烷的衍生物。,CH3,CC,H3C,H,H,CH3,CC,H3C,H,H,-,-,-,CH2,CH3,CC,H3C,H,H,CH2,-,-,CH3,CC,H3CH2C

25、,H,H,CH3,CC,H3C,H,CH3,CH2( ),过渡状态,80%,10%,10%,+,+,2020/8/9,34,卡宾与乙炔加成经重排得到丙二烯。 CHCH + :CH2 CH2CCH2 卡宾作为亲电试剂，其活性顺序大致是： H2C: R2C: Ar2C: X2C: 单线态卡宾与烯类发生协同反应，烯类的立体化学在环加成产物中不变。而三线态卡宾无论与顺或反-2-丁烯作用都得到顺及反-1,2-二甲基环丙烷的混合物。在反应时三线态卡宾第一步只与一个不饱和碳原子生成一个键，形成双自由基中间体。这是沿碳-碳单键可以自由旋转，引起原双键碳原子立体构型的变化，与此同时，原卡宾碳原,CHCH,CH2

26、,2020/8/9,35,子上的另一未成对电子自旋反转，再与另一个碳原子形成第二个键。 除了碳碳重键外，卡宾和碳氮、碳磷、偶氮等重键发生加成反应，生成三元杂环化合物。,H,CC,H,CH3,CC,H3C,H,H,CH3,H3C,H,C C,H,CH3,H3C,-,-,. CH2,.,( ):CH2,-,-,CH3,H3C,H,H,-,-,CH3,CH3,H,H,23%,77%,+,双自由基,2020/8/9,36,（二）插入反应 具有高度反应活性的卡宾可以插入C-H键，反应时单线态卡宾是协同过程，选择性差；而三线态卡宾是双自由基过程，选择性较强。 单线态卡宾进入到C-H中的插入反应是协同过程，

27、即是经过三中心环状过渡态的一步机理进行的。 三线态卡宾具有双自由基特性，在反应过程中有一个电子的自旋反转，以分步方式进行反应：, CH + ( ) :CH2, C,-,-,-,CH2,H, C,CH2,H,2020/8/9,37,再例如，卡宾与丙烷反应生成正丁烷和异丁烷。 除碳氢键外，卡宾也可以插入C-X键或C-O 键，且速度往往很快，但很少插入C-C键。 卡宾发生插入反应活性的顺序是： CH2: ROCOCH: C6H5CH: BrCH: ClCH: 但是，二卤卡宾通常不能发生插入反应。,+, CH + ( ) :CH2, C . ( ),( ) . CH3,+, C . ( ),( ) .

28、 CH3, C CH3,2020/8/9,38,（三）重排反应 卡宾的重排反应，常见的是氢迁移。和其它活泼中间体的重排作用不同，单线态卡宾重排可以直接得到稳定分子。氢可以发生1,2-迁移（为主），也可以发生1,3-迁移。 例如：异丙基卡宾发生的氢迁移： 烷基和芳基也可以在卡宾中发生迁移。在合成上很有实际价值的是沃尔夫(Wolff)重排反应。,CCH :,H3C,H2C,H,C CH2,H3C,H3C,H,1,3,2,CH CH2,H3C,CH2,+,1,2-迁移 66%,1,3-迁移 34%,C CH,R,OCCHR,.,O,2020/8/9,39,通过芳基迁移的重排有： 环状卡宾的重排反应：

29、 以上基团的迁移能力次序为： H Ar R,C CH ,C6H5,H3C,CH3 C CH：,C6H5,CH3,H3C,CH,2020/8/9,40,5.5 氮宾（乃春）,一、氮宾的结构 氮宾(nitrene)是一类外层只有 6 个电子的 1 配位氮原子的物种，是卡宾的类似物。最简单的氮宾是HN:，其它的氮宾可看作是HN:中的H被取代后的衍生物。例如， CH3N C6H5N C2H5OCN (C6H5CH2)2NN 氮宾也有单线态和三线态之分，单线态氮宾分子中的氮原子的一对电子与相连的原子组成键，另一对电子定域在非键sp轨道上，而剩下的两个电子自旋配对，占据一个p轨道，还有一个低能量的空轨道。

30、三线态氮宾分子中剩下的两个电子自旋平行，分别占据两个相互垂直的p轨,O,:,:,:,:,.,.,.,.,甲基氮宾,苯基氮宾,乙氧羰基氮宾,二苄胺基氮宾,2020/8/9,41,道（px和py）。 RN: ( ) RN. ( ) 大多数氮宾的基态是三线态，如烷基氮宾和芳基氮宾等。少数氮宾如R2NN: 等的基态是单线态。单线态氮宾具有亲电性，而三线态氮宾具有双自由基的性质。 二、氮宾的生成 （一）-消除法 羟胺脱水： C6H5NHOH C6H5NH C6H5N:,.,.,.,( ),三线态氮宾,单线态氮宾,.,H2O,+,H+,H+,2020/8/9,42,芳磺酰羟胺用碱处理，也可得到氮宾： RN

31、HOSO2Ar RN ： + ArSO2 （二）光解和热解 叠氮化合物的光解和热解是生成氮宾的最普通方法。 RN NN: R N + N2 其中R为烷基、芳基、酰基和酯基等。例如， CH3O C N3 CH3O C N: + N2,H+,.,.,.,.,.,+,hv,或,O,O,.,2020/8/9,43,三、氮宾的反应 （一）插入反应 同卡宾类似，氮宾可插入到C-H键和某些其它键。例如，苯基氮宾插入环己烷的C-H键： C6H5N ： + C6H12 C6H5NHC6H11 酰基氮宾可插入到O-H键和N-H键里。例如， C6H5 C N: + C6H5NH2 C6H5CONHNHC6H5,.,O,.,2020/8/9,44,（二）加成反应 氮宾和碳碳双键加成，生成氮杂环丙烷衍生物： R1N: + R2CCR2 R2C CR2 （三）重排反应 烷基叠氮化合物在光引发下，可发