高等有机第四章 有机反应中的活性中间体

第四章有机反应活性中间体(ReactiveintermediatesinOrganicChemistry)一、碳正离子(Carbocation)二、碳负离子(Carbanions)三、自由基(Freeradicals)四、碳烯（卡宾）(Carbenes)五、氮烯（乃春）(Nitrenes)六、苯炔(Benzyne)引言在有机反应中，有机反应有些是属于一步完成的，称为协同反应。例如Diels-Alder反应：CH2HCHCCH2COCOOHCHCCH2CHCHH2CCOCOO+HCHCCH2CHCHH2CCOCOOTransitionState更多的有机反应则不止一步，反应中至少包括一个活性中间体的生成，例如叔卤代烷的水解首先生成碳正离子，然后与水反应而得到水解产物。CCH3H3CBrCH3OH-H2OCCH3H3CBrCH3-Br-CCH3H3CCH3+TransitionstateIntermediateH2OCCH3H3COH2CH3TransitionstateCCH3H3COH2CH3+-H+CCH3H3COHCH3+协同反应的能峰图分步反应的能峰图一.正碳离子(Carbocations)含有带正电荷的三价碳原子的原子团。1.正碳离子的结构CH3CH3CCH3+Csp2-sσbondCH3+的轨道结构sp2-sp3σbond(CH3)3C+的轨道结构HHHsp2杂化平面三角构型空的P轨道正碳离子的稳定性：CH33CCH32CHCH3CH2CH3σ-p超共轭效应：CCHHH轨道交盖在这里空的p轨道烯丙型正碳离子：CH2CHCH2CH2CHCH2p-π共轭电子离域正电荷分散程度大CH2C3CH2CH2共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：3CCH2CH2CHCH2CHCH2CH2CH共轭效应当共轭体系上连有取代基时，给电子基团使正碳离子稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：O2NCH2CH3CH2CH2C3CH2CH2CH2环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：CH2CH2CH2C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，正碳离子稳定性提高。直接与杂原子相连的正碳离子结构：CH3OCH2CH3OCH2氧上未共有电子对所占p轨道与中心碳原子上的空的p轨道侧面交盖，未共有电子对离域，正电荷分散。类似地，羰基正离子：RCOCORCHRCH乙烯型正碳离子：+C原子进行sp2杂化，p轨道用于形成π键，空着的是sp2杂化轨道，使正电荷集中。苯基正离子：结构同乙烯型正碳离子，正电荷集中在sp2杂化轨道上。此二类正碳离子稳定性极差。溶剂效应：1)溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。2)溶剂使碳正离子稳定：CCH3空的p轨道易于溶剂化溶剂3)极性溶剂：溶剂化作用强，利于底物的解离。•（6）结构上的影响•越趋于平面构型的碳正离子越稳定，桥头碳上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）：BrBrBr10-210-610-13(CH3)3CBr1碳正离子的生成：1)直接离子化RXRX通过化学键的异裂而产生。PhCHClPhPh2CHClH2OROHHROH2RCH3COFBF3CH3COBF42)对不饱和键的加成CZHCZHZ:O,C,S,NHClCCCCClCOHCOHCOH3)由其它正离子转化而生成N2NH2N2NaNO3HClHHPh3CSbF6SbF64)在超酸中制备C正离子溶液比100％的H2SO4的酸性更强的酸－超酸(Superacid)常见的超酸（与100％H2SO4的酸性比较）HSO3F（氟硫酸）1000倍HSO3F－SbF5（魔酸）1013倍HF－SbF51016倍叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：CCH3H3CCH3OHHSO3F-SbF5-SO2-60℃CCH3H3CCH3+H3+O+SO3F-+SbF5+SO2很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质中进行的。5)重排形成更加稳定的碳正离子迁移的基团可以是烷基、芳基、氢或其它原子团，迁移时都是带着一对成键电子至带正电荷的碳原子上，形成新的正电荷中心。RCRRCH2RCRCH2R++•由碳正离子引起的重要的重排反应有:•瓦-美重排,几米亚诺夫重排,•邻二叔醇重排,烯丙基重排,•达尼诺夫重排等•例:写出下述反应的历程RCRRCHOH+RCHRC-RO•历程如下-H+RCHRC-RORCRRCHOH+RCRRCOHH+重排RCRCOHH+RRCHRCOHR+RCHRCOHR+重排邻基参与与非经典正碳离子•当一个进行亲核取代反应的底物分子上还带有一个能作为亲核体的基团，并位于分子的适当位置时，能够和反应中心部分地或完全地成键形成过渡态或中间体，从而影响反应的进行，这种现象称为邻基参与作用（Neighboringgroupparticipation）。•通常把由于邻基参与作用而使反应加速的现象称为邻基协助或邻基促进。邻基参与若邻基参与作用发生在决速步骤之后，只有邻基参与作用而无邻基促进。能发生邻基参与作用的原子团:具有未共用电子对的原子或原子团;含有碳-碳双键等的不饱和基团、具有π键的芳基以及C-C和C-Hσ键。分别称为n电子参与；π电子参与；σ电子参与。(a)n参与作用•化合物的分子中具有未共用电子对的基团位于离去基团的β位置或更远时，此化合物在取代反应过程中构型保持。•COO-（但不是COOH）、OCOR、COOR、COAr、OR、OH、O-、NH2、NHR、NR2、NHCOR、SH、SR、S-、Br、I及Cl(IBrCl)邻基参与效应CH3HBrCH3HOHorCH3HBrCH3HHOHBrCH3HBrCH3HBrmesoCH3HBrCH3HHOorCH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3HBrCH3HBrCH3HBr外消旋体立体专一+ROHBrHRBrSN2orSN1构型翻转或消旋一般情况下：用“邻基参与效应”解释CH3HBrCH3HOHHBrCH3HBrCH3HOH2HH3COH2HCH3BrHH3CHCH3Br分子内SN2（邻基参与）形成环正离子（溴鎓离子）BrababHH3CHCH3BrBrHH3CHCH3BrBrCH3HBrCH3HBrCH3HBrCH3HBr同一化合物内消旋体例：芥子气的水解速度比一般伯氯代烷快，动力学为一级机理：2,2'－二氯二乙硫醚H2O快ClSClClSOH邻基参与H2Ok1k2k2k1ClSClClSClSOH2HClSOH例1：例2：CH3BrHCO2NaNaOHH2OCH3HOHCO2Na构型保持OAcOTsOAcOTsKOAc/HOAcOAcOAc(+)or()racemicOAcOAckcisktransKOAc/HOAc+AcOAcO对例1的解释：分子内SN2CH3(S)BrHCO2NaNaOHH2OCH3(S)HOHCO2NaCH3(S)BrHOO邻基参与CH3HOO(R)分子间SN2OH2次SN2,构型保持对例2反应速率差别的解释(ktrans:kcis=800:1)OAcOTsOAcOTsKOAc/HOAcOAcOAc(+)or()racemicOAcOAckcisktransKOAc/HOAc+AcOAcOOAcOAcOTsOAcOAcHH直接进行SN2OAcOTsOAcOTsOTsOAcOAcOAcOAcOAcHH+OAcOAc2次SN2经过两次SN2反应,总结果是构型保持第一步第二步邻基原子更易，更近,外加的Nu必须和作用物碰撞才能发生反应，而邻基Z由于所处的位置有利，即刻就能进攻中心碳原子；ZCRR|CRLR:RR|RRZCC++L-+CCZRR|RNu:-RRC|RRCZNu:R2)π键参与的非经典正碳离子实验表明：反－7－原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度比相应的饱和化合物大1011倍。TsO-TsOHAcOHAcOHTs=CH3SO2+2电子3中心体系1234573中心2电子体系:+•三种结构相似的原冰片衍生物的溶剂解的活性:TsOOTsTsOABC(2)环丙基的参与作用•环丙烷环的某些性质与双键类似，因此处于适当位置时也可能发生邻基参与作用。•（Ⅰ）的溶剂解速率比化合物（Ⅱ）的溶剂解速率快1014倍。HOCOC6H4NO2-pp-O2NC6H4OCOH(I)(II)•又如：化合物（Ⅳ）的溶剂解速率比化合物（Ⅴ）大约快5倍，而化合物（Ⅲ）的溶剂解速率比化合物（Ⅴ）慢3倍。•由此可以看出：只有当环丙基位于适当位置时才起邻基参与作用，有时甚至比双键更有效。BsOHBsOHHOBs(III)(IV)(V)(3)芳基参与作用β-位的芳基能发生邻基参与作用•具有旋光性的苏型对甲苯磺酸-3-苯基-2-丁酯的乙酸解反应，似乎应该生成相应的具有旋光性的乙酸酯，但事实上却生成了外消旋混合物。原因是带着π电子的苯基促进对甲苯磺酸根离去，同时生成苯桥正离子（phenoniumion）中间体，其中与苯桥正离子直接相连的两个碳原子完全相同，整个分子有一个对称面，是一个非手性分子，亲核试剂乙酸可以机会均等地进攻两个碳原子，得到一对对映体：而且D和L两种异构体的数量大致相等.PhMeHMeHOTsHOAcPhMeHMeHOAcPhMeHHMeOAc-H++苏型96%为苏型仅4%为赤型CCHMeOTsMeHCCHMeMeH+•外型和内型对溴苯磺酸酯乙酸解反应外型比内型快３５０倍•两者产物相同，都为外型乙酸降冰片酯，１００％外消旋OBsOAcexo-(I)OBsOAcendo-(II)HOAcAcOKHOAcAcOK2)σ键参与的非经典正碳离子OBsexo-OBsendo-123456123456+SN2SN1++对外型而言-OBs离去是从C-6得到了邻基帮助，即C-6在C-2背面进攻，推出-OBs，相当于SN2反应，同时生成非经典C正离子。而内型的几何形状不具备背面进攻的条件，即-OBs基团阻碍了C-6对C-2的背面进攻，反应按SN1历程进行，因此速度小，但内型化合物生成C正离子后能迅速转变成同样的非经典的C正离子，因此产物相同。•-OAc进攻C1和C2机会相等，因此生成外消旋化合物。13456+进攻C1进攻C22HOAc134562HAcO134562OAcOAc1二碳负离子(Carbanions)1.碳负离子的生成1)C-H键的异裂（金属有机化合物的生成）CH+BC+HB共轭酸共轭碱碳负离子带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。NH3CCHHCCHNaNaNH3液NH3CH3COCH2COOEtCH3COCHCOOEtNaOEt2)负离子对不饱和键的加成NH3Ph3CHPh3CNaNaNH3液NH3OCH3CCHHCHOCH3CHCH2CHOCH3HOCH3C碳负离子的结构109°28′sp3杂化棱锥型C90°sp2杂化平面三角型..烷基负碳离子为棱锥型,孤对电子处于sp3杂化轨道上。轨道夹角为109°28′时，电子对间的排斥力小，利于负碳离子稳定。碳负离子(Carbanion)碳负离子构型与饱和碳相连,负碳sp3杂化与不饱和碳相连,负碳sp2杂化CO2HO312BuLiC6H12CHCH3IC6H12CHCH3LiC6H12CHCH3COOH光学活性-70ºC20%光学活性0ºC外消旋化COOHCLiCH3HC6H13HCCH3HC6H13..CHCH3HC6H13..CO2CCH3HC6H13CCH3HC6H13CO2COOHSRS在低温时,转化未达到平衡时进攻CO2,构型部分保持在较高温度时,转化很快达到平衡,外消旋化三元环中的碳负离子....选择sp3杂化109o28’’选择sp2杂化120o,角张力增加,不易转化CH3HCH3HCH3CO2HLiH1)CO22)H3O+立体定向的顺式产物2.影响负碳离