高等有机2活泼中间体.ppt

,活泼中间体 Radicals（碳自由基，C）：如烷烃的卤代 Carbocations（碳正离子，C+） ：如烯烃的加成 Carbanions（碳负离子，C-）：如羰基的加成 Carbenes(卡宾，C:)：如某些消去反应,第三讲 Active Intermediates 活泼中间体,Active Intermediates,3.1中间体的种类,A. 碳正离子 具有正电荷的三价碳原子称为碳正离子，它以SP2杂化轨道与其它三个原子或原子团键连，利用拉曼光谱，红外光谱和核磁共振的研究表明简单的烷基正离子为平面构型，三苯甲基正离子利用核磁共振谱证明为螺旋浆结构,碳鎓离子,碳鎓离子及其衍生物在液相反应中早已发现，并离析了它的稳定复盐，当烷基苯经由电子冲击时有C7H7+碳正离子的生成，过去一直认为是苄基碳正离子，后来证明此气相过程中所得的C7H7+为碳鎓离子。,非经典碳正离子,Brown和Schleyer认为：如果能用个别地路易斯结构式来表示，其碳正离子的价电子层有六个电子，与三个原子或原子团键连，如+CH3，R3C+等称为经典碳正离子。相反地，如果不能用个别的路易斯结构式来表示，这类碳正离子具有一个或多个碳原子或氢原子桥连两个缺电子中心，这些桥原子具有比一般情况高的配位数的碳正离子称非经典碳正离子：,（1）同烯丙基非经典碳正离子：同烯丙基非经典碳正离子中的荷正电的碳原子与双键之间有一个碳原子：,外向和内向-降冰片烯基卤化物在水醇溶液中进行溶剂解得到同样产物（III）。外向化合物（I）比内向化合物（II）的溶剂解速度大约快10倍。Roberts认为在化合物（I）的离解作用中能发生背后的同烯丙基参与作用，而在化合物（II）中则不能发生这种同烯丙基参与作用。,(a) 外向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道 (b) 内向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道,反式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解反应比相应的饱和化合物快1011倍，得到唯一产物反式乙酸酯，比顺式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解速度快107倍，是由于反式产生了强有力的邻基促进而形成同烯丙基非经典碳正离子。,在双环烯烃（V），（VI）和（VII）中, 较低级同系物的五员环比较高级同系物的五元环折叠程度更大，键与展开的正电荷间的距离缩短，有利于背面参与作用。,（2）环丙基甲基碳正离子,（3）质子化的环丙烷,Carbanions（碳负离子） Like a carbocation or a radical, a carbanion has three sigma-bond, but it also bears unshared electron pair. a simple carbanion is pyramidal. ( sp3-hybridized ),Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,Carbanions When the carbanionic carbon is adjacent to a pi-system, sp2-hybridization is preferred so that the negative charge can be distributed by resonance throughout the p orital array.,Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,Carbanions With three sigma-bond and a lone pair electrons, a carbanion is electronically similar to an amine, the carbanion and the amine are therefore said to be isoelectronic (等电子体),Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,作业：什么是药物设计中的电子等排原理？,B. 碳负离子,简单的烷基碳负离子的中心碳原子可能为SP3杂化的角锥形构型，未共享电子对占据正四面体的一个顶点，如果孤对电子要和临近的不饱和原子团发生共轭，则为平面构型。 SP3杂化的角锥形构型容易发生反转，反转是通过中心碳原子的再杂化，有SP3杂化转变为SP2杂化，最后达到平衡,C. 鎓内盐,鎓内盐(ylid)是指一种化合物，再其分子内含有碳负离子，和碳负离子相邻的杂原子带正电荷，这些杂原子为P、N、S、As、Sb、Se等,磷鎓内盐的X光结晶结构研究表明，碳为平面结构，即为SP2杂化。,鎓内盐较为稳定，与碳负离子相邻的带正电荷的杂原子基团，使碳负离子稳定性明显增大，这主要是由于碳原子的2P轨道与磷和硫杂原子的3d（或砷、锑的4d、5d）空轨道相互重叠，碳原子2P轨道的未共用电子对向3d空轨道共轭离域，从而使碳负离子稳定。因此许多内鎓盐可以结晶离析，并广泛用于有机合成中。而普通的碳负离子对水和氧都极其敏感，只能存在于干燥绝氧的有机溶剂中，不能离析出来。 鎓内盐在有机合成中应用最广的是磷、硫叶立德，磷叶立德与羰基化合物反应合成烯就是著名的Wittig反应,碳负离子,稳定性:锥体形SP3平面形SP2,60%保留构型, 40% 构型翻转.计20% 活性. 时,外消旋.,游离的简单的烷基碳负离子并不存在，然而一些CM的共价健， 当碳和金属的电负性相差足够大时则cM 键主要表现为离子键特性。例如下列化含物物在很多反应都是作为负碳离子参加反应的。,影响碳负离子稳定性的主要因素:,4n+2, 稳定,根据Huckel规则，在平面、单环共扼多烯烃的环中具有“4n十2个”电子，它就具有芳香性，具有芳香性的环状负碳离子是稳定的。 这些负碳离于能存在于溶液中或作为盐类以固态存在 。,负碳离子的反应 1 与碳碳重键及碳-氧双键的加成连有强吸电子基的碳一碳双键(活泼烯)能与负离子（亲核试剂)发生Michael加成,2 饱和碳原子上的亲核取代,3羧化和脱羧 强的亲核负碳离子和CO2反应生成羧酸。,4 重排反应,共轭负碳离子的再质子化反应可引起双键的迁移：,D.自由基,六苯乙烷为白色固体物质，当溶解于醚中时，溶液就呈黄色。若讯速地振荡，由于和空气接触而颜色消失，过几秒钟后黄色又出现，当再震荡时黄色又消失，次现象称为史米德林（Schmidlin）现象，反复15次，并从此溶液中分离出三苯甲基的过氧化物，熔点185,自由基(Free radical)也叫游离基，任何具有未配对电子的物质称为游离基。1900年Gomberg首次制得稳定的三苯甲基自由基，确立了自由基的概念。,Active Intermediates,Carbocations and Radicals (碳正离子和自由基） sp2-hybridized three sigma-bond radical: one electron in p orbital carbocation: a vacant p orbital,Structures and Stability（结构与稳定性）,Carbocations and Radicals For both carbocations and radicals, the observed order of stability is： 30 20 10 +CH3 ( or .CH3 ) Hyperconjugation（超共轭作用）,Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,Carbocations and Radicals 烯丙型自由基和碳正离子的结构 共轭效应 (Conjugation ) , 稳定,Carbocations and Radicals 碳正离子的稳定性 30苄基型30烯丙型 20苄基型20烯丙型 30 20 10苄基型10烯丙型 10+CH3 碳自由基的稳定性 30苄基型30烯丙型 20苄基型20烯丙型10苄基型10烯丙型 30 20 10 .CH3,Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,游离基溶液的性质,（1）游离基溶液不遵守比尔(Beer)定律,溶液在稀释后颜色加深，按比尔定律溶液的颜色强度不因稀释而改变。 （2）分子量和理论值不符合，用冰点降低法测定“六苯乙烷”的分子量时，发现它的平均分子量为477，而理论值为486。这表明“六苯乙烷”在溶液中部分离解为分子量较小的三苯甲基。 （3）顺磁性：因为游离基都含有未配对电子，所以具有顺磁性，即在磁场中能被吸引。,关于三苯甲基游离基的二聚体结构不是象冈伯格所提出的六苯乙烷结构，经核磁共振谱研究表明为醌式结构：,D. 离子游离基,当金属钠和二苯甲酮在二甲氧基乙烷中反应时，得到兰色物质，为二苯甲酮负离子游离基的钠盐 离子游离基具有顺磁性和导电性，这是由于离子基分子内的未配对电子和离子键所引起的，多数离子基具有特殊颜色,E.碳烯,碳烯也叫卡宾(Carbene)，是具有两个共价键和两个非键电子的两价碳化合物活泼中间体。 1.碳烯的结构 碳烯的中心碳原子有六个价电子，四个价电子为成键电子，占用两个键，余下两个未成对电子有两种可能的排布方式。一是两个未成键电子同处一个轨道，其自旋方向相反，余下一个空轨道，这叫单线态(Singlet state)碳烯；另一种可能是两个未成键电子分别处于两个轨道，电子的自旋方向相同，这叫三线态(Triplet state)碳烯。,Carbenes (卡宾, 碳烯) another class of neutral reactive intermediates highly electron-deficient (未充满）,Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,singlet carbene (单线态卡宾) triplet carbene (三线态卡宾),Carbene,3.1 Singlet carbene (单线态卡宾) sp2-hybridized two sigma-bond, a vacant p-orbital the electron pair in sp2-hybrid orbital 具有亲电和亲核双重反应性,Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,3.2 Triplet carbene (三线态卡宾) sp2- or sp-hybridized two sigma-bond one electron in each p orbital or one in the sp2-hybrid orbital and another in the p orbital have radical-like reactivity,Active Intermediates Structures and Stability（结构与稳定性）,碳烯的结构,电子光谱和电子顺磁共振谱研究表明：三线态亚甲基碳烯是弯分子，键角约为136°，单线态亚甲基碳烯也是弯的，H-C-H键角为103°。三线态结构中，未成键电子排斥作用小，能量比单线态低33.5-41.8KJ/mol，说明三线态碳烯比单线态稳定，是基态。在惰性气体中，单线态碰撞可变成三线态。,连接有取代基的时，稳定性发生变化,相邻杂原子的推电子作用，能显著的稳定单线态，直到卡宾的亲电性消失。例如 甲氧基卡宾由于氧的斥电子性使之对烯烃不显示亲电性：,1.碳烯的形成,(1) -消去反应 以碱处理卤仿，是制备二卤碳烯的一个方便的方法。 (2) 分解反应 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碳烯。,烷基重氮化合物不稳定，易于爆炸，如果为羰基取代的重氮化合物则比较稳定，并且可以分离。,由醛或酮生成的腙通过氧化，再分解；或通过醛、酮的对甲苯磺酰腙的钠盐分解，可制备烷基取代的碳烯，而不用容易爆炸的重氮化合物作反应物。,(3) 三元环化合物的消去反应,可以看作是碳烯与双键加成的逆反应。取代环丙烷、环氧化物、偶氮环丙烷等。 (4) Simmon-Smith反应 Simmons-Smith反应是形成环丙烷衍生物的好方法,3 碳烯的反应,碳烯是典型的缺电子化合物，它们的反应以亲电性为特征，是非常活泼、寿命极短的中间体。其反应活性的顺序为：CH2CR2CAr2CX2。 碳烯的典型反应主要有两类：键的加成反应和键的插入反应。其反应的历程和结果很大程度上依赖于碳烯未成键电子的自旋状态的不同，即是单线态还是三线态。,(1) 加成反应,取代的烯烃与碳烯进行加成反应时，如果为单线态则服从亲电加成规律，烯烃双键电子密度越高，反应活性越大。 如:CCl2与下列烯烃加成的相对反应活性：Me2C=CMe2Me2C=CHMeMe2C=CH2ClHC=CH2。 碳烯也可以与炔烃、环烯烃、甚至与芳环上的C=C键以及C=N、CN键进行加成反应。,(2) 插入反应,碳烯可以在CH、CBr、CCl和CO单键上进行插入反应，但不能在C-C键上进行插入反应。碳烯插入C-H间的活性是3°2°1°，分子间插入反应往往得一混合物，在有机合成上没有重要价值。 碳烯也可以发生分子内插入，特别是烷基碳烯优先发生分子内插入。这对制备有较大张力的环状化合物具有一定意义。,(3) 重排反应,碳烯可以发生分子内的重排反应，通过氢、烷基和芳基的迁移，得到更为稳定的化合物如烯烃等。其迁移难易顺序是H芳基烷基。如芳基迁移的重排： 沃尔夫（Wolff）重排,(4)二聚反应,二聚反应在一般条件下几乎不可能发生。但是，在闪光分解或温热的惰性介质中进行反应可以得到二聚反应产物。如苄基碳烯在气相加热的条件下，发生重排生成环庚三烯基碳烯，并立即二聚而稳定。,F. 氮烯,氮烯也叫氮宾或乃春(Nitrenes)，是缺电子的一价氮活性中间体，与碳烯类似。氮烯的N原子具有六个价电子，只有一个键与其它原子或基团相连，也有单线态和三线态两种结构。,单线态氮宾比三线态氮宾能量高154.8KJ/mol。,1 氮烯的生成,生成氮烯的方法与碳烯类似： (1) 热和光分解 叠氮化合物、异氰酸酯等进行热解或光解，是形成单线态氮烯的最普通方法。 (2) -消去反应 以碱处理芳磺酰羟胺则生成氮烯,一般认为Hofmann 和Lossen重排反应也是属于经氮烯中间体进行重排的-消去反应。,Lossen重排,(3) 氧化反应 原则上，伯胺氧化可以生成氮烯，肼的衍生物以HgO或乙酸铅氧化可以形成氨基氮烯：,4. 脱氧还原反应,硝基或亚硝基化合物用三苯基膦或亚膦酸酯等脱氧还原，可生成氮烯并进一步反应。,2. 氮烯的反应,重键的加成和CH键的插入是氮烯的典型反应。 (1)插入C-H键 氮烯可插入脂肪族化合物的C-H键，通常认为是单线态氮烯的典型反应，反应前后C原子的构型不变。特别是羰基氮烯和磺酰基氮烯易插入脂肪族化合物的C-H键。,氮烯插入C-H间的活性也是3°2°1°，且氮烯也可以发生分子内插入。,(2) 与烯烃加成,与碳烯加成反应的立体化学特性相同。氮烯的基态也是三线态，通常氮烯生成后，由单线态逐渐转变为能量较低的三线态。,3.二聚反应,Hofmann(霍夫曼)降解反应,Curtius重排,R给电反应速度快, 与Hofmann重排有相同中间体.,Schmidt重排 为Curtius重排的改进.,R给电反应速度快, 与Hofmann重排有相同中间体.,七 芳炔,当用氨基钠或氨基钾等强碱处理芳香卤代物时，不仅生成正常的亲核取代产物，同时得到异构体。卤苯中的邻位如果没有氢时，因不能消除卤化氢生成苯炔，氨解反应不能发生。,由于芳炔的高度活泼性，到现在一直没有离析成功，但用光谱证明了苯炔的存在，也可以通过活性中间体捕获的方法证实,1 结构,芳炔的高度活泼性毫无疑问是由于含有三键的六员环的张力所致，苯炔的叁键碳原子仍为SP2杂化状态，叁键的形成基本上不影响苯炔中离域的体系，苯环的芳香性保持不变，新的“键”在环平面上与苯环的轨道垂直，由两个SP2杂化轨道在侧面重叠形成很弱的键，因此苯炔非常活泼，很不稳定。,2 芳炔的生成,芳炔是由芳烃中相邻位置的电负性原子团和电正性原子团的消除： (1) 脱卤化氢,在非质子溶剂中：卤素不同，生成苯炔的难易程度不同，一般氟化物较易生成苯炔，因为氟的电负性大，邻位碳原子上氢的酸性增强，有利于作为质子离去。碱消除质子是反应速度的控制步骤，卤原子的离去不起决定作用。FClBrI,BrICl F,(2)由邻二卤代芳烃与锂或镁作用，也可制备苯炔:,(3) 中性原子的消除 (4)环状化合物的分解,(5)光解或热解,3 芳炔的反应,芳炔的反应为“三键”加成恢复芳香体系的产物。 (1) 亲核加成反应 醇类、烷氧基、烃基锂及其它亲核试剂，如羧酸盐、卤离子和氰化物都比较容易与芳炔反应。对于未取代的苯炔，亲核试剂无论从三键的那一端进行进攻均得到同一产物。当亲核试剂与不对称的取代芳炔进行加成时，则有一个方向问题。加成的方向取决于取代基的诱导效应，诱导效应不同，失去电正性基团所形成的碳负离子稳定性不同。稳定性愈大，愈易发生反应。,当Z为给电子的诱导效应时，有两种可能的进攻方位:,一是亲核试剂进攻2-位，负电荷在3-位，生成的负离子可以减少Z的给电子作用，有利于负电荷分散，为主要反应。二是亲核试剂进攻3-位，负电荷在2-位上，Z的给电子诱导效应(+I)，不利于负电荷分散，对反应不利。,当Z为 吸电子 的诱导效应?,(2) 亲电加成反应,亲电试剂如卤素、卤化汞等易与苯炔发生加成反应 (3) 环加成 苯炔可以与双稀体进行2+4的Diels-Alder协同环加成反应，苯炔是很好的亲双烯体，,(4) 聚合反应,在没有其它活性物质存在时，苯炔可以发生二聚或三聚反应，生成右边的两种产物。（ 完）,