第四章非过渡金属有机化合物ppt课件.pptx

第四章,非过渡金属有机化合物,在20世纪中叶，非过渡金属有机化合物还是金属有机化学的主体。现在非过渡金属有机化学业已成熟，新的重要研究成果已不多见,许多非过渡金属有机化合物是高活性、高选择性的有机合成试剂，如Grignard试剂、锂试剂、硼试剂等在现代有机合成中占有重要位置,过渡金属有机配合物是配位催化的催化剂，但也离不开非过渡金属有机化合物作为助催化剂，如著名的Zigler-Natta(齐格勒-纳塔)催化剂中起催化作用的钛必须用一个Al(Et)3活化,许多过渡金属有机配合物可借鉴合成非过渡金属有机化合物的方法并用非过渡金属有机化合物作为试剂来制备,过渡金属有机配合物的一些基本化学性质、结构也与非过渡金属有机化合物密切相关,非过渡金属有机化学仍然是金属有机化学的基础，人们可以不再研究它，但不可不了解它、不使用它,常用于制备非过渡金属有机化合物的方法有三种，第一种是金属直接与卤代烃反应（格氏试剂和锂试剂）；第二种是金属交换反应；第三种是活泼金属有机化合物与有机化合物的金属化反应；另外还有一些其他的反应类型。比较重要的非过渡金属有机化合物有有机锂、格氏试剂、硼试剂、有机铝、烷基铜锂等。在本节中均做简要的介绍。,4.1 非过渡金属有机化合物的通用制法,4.1 非过渡金属有机化合物的通用制法,Grignard试剂(简称格氏试剂)是大家熟悉的镁有机化合物，制备Grignard试剂的最简单、最重要方法就是金属镁与卤代烃直接反应。根据制备Grignard试剂的目的，这个反应可以在不同溶剂中进行,4.1.1.1 金属镁和卤代烃在醚类溶液中反应,4.1.1 金属与卤代烃反应,合成方法格氏试剂的制法是将卤代烃(常用氯代烷或溴代烷)乙醚溶液缓缓加入被乙醚浸泡着的镁屑中，加料速度应能维持乙醚微沸，直至镁屑消失，即得格氏试剂。反应是放热的，如果反应起动迟钝，可加一小粒碘来启动，一旦反应开始，乙醚发生沸腾后，乙醚的蒸气足以排除系统内空气的氧化作用，但不允许有水。格氏试剂易与空气或水反应，故制得后应就近在容器中反应。氯乙烯和结合在烯碳上的氯不能在乙醚中与镁反应，如用四氢呋喃代替乙醚，可制得氯化乙烯基镁试剂。这种试剂有人称为诺曼试剂。,由于反应开始时很慢，为了更好地启动镁与卤代烃的反应，常用少量碘、碘甲烷或1，2-二溴乙烷加快反应的开始。1，2-二溴乙烷应当是启动反应的首选试剂，特别是乙醚中如有少量水时，二溴乙烷与镁很快反应，生成溴化镁和乙烯，溴化镁有去水干燥作用，还可以通过观察乙烯的气泡判断反应速率。另外，生成的溴化镁和乙烯都是无毒的。这三种启动时加入的试剂都是通过去除镁表面的钝化层来加快反应的。注意：启动试剂必须直接注射或放置于金属镁上，以造成较大的局部浓度。引发过程中不搅拌。,在三个烧杯中分别加入3 molL盐酸、去离子水及乙醚。将镁条依次在上述三个烧杯中洗涤后、在装乙醚的杯中剪碎，转入Schlenk(施伦克)瓶中抽干、称量,注意：,清除表面氧化层的镁与活泼卤代烃较易反应，镁表面处理得不彻底或使用活性较低的卤代烃，反应较难启动,如将金属用溶剂润湿，再加入少量碘或二溴乙烷可引发反应,卤代烃与镁反应活性顺序：RI RBr RF，苄基 三级 二级 一级 芳卤对于活性较差的卤代烃，可选用沸点较高的醚类，如用正丁醚、四氢呋喃等作溶剂（提高反应温度，加速反应进行）,金属镁和卤代烃反应是强放热的，反应开始后，应该控制加卤代烃速度并采用适当的方式冷却,在醚类溶液中制备的Grignard试剂是一个溶液，进行简单相分离除去固体物后就可直接用于下一步的反应。静置后用双头针转移或Schlenk过滤器相分离。,4.1.1.2 在烃类溶剂中制备Grignard试剂,在常压、烃类溶剂中，金属镁与卤代烃不能反应,1931年Schlenk(施伦克)将精制的镁粉、卤代烷和苯在玻璃封管中振荡两个月，得到了非醚Grignard试剂,Tschelinzeff在烃类溶剂中加入少量的叔胺或醚类，反应可以顺利地进行，说明醚类在制备Grignard试剂中的重要作用,4.1.1.3 无溶剂存在下制备Grignard试剂,卤代烃本身就是一个溶剂，可用纯净的卤代烃与金属镁反应制备Grignard试剂。但生成的Grignard试剂会与过量的原料继续反应生成偶联产物，类似Wurtz(武尔茨)反应，特别是用碘代烷反应，故无制备价值,4.1.1.4 金属锂与卤代烃反应,1930年Ziegler(齐格勒)在烃类溶剂中用金属锂与卤代烃直接反应合成了锂有机化合物，这是最简单、最重要的制备锂有机化合物的方法，可以合成结构较简单的烷基锂、芳基锂，再由它们合成结构复杂的锂有机化合物,由于锂有机化合物比Grignard试剂更活泼，甚至可以与醚类反应，故不能照搬制备Grignard试剂的方法。通常，是在石油醚、环己烷、苯等烃类溶剂中制备锂有机化合物,因为锂有机化合物的活泼性，生成的产物与原料发生偶合反应的倾向更大，因此要保证金属过量。,1.在制备锂有机化合物时不得不选用氯代烃，甚至氯代芳烃为原料,注意：,2.在室温或更低的温度、强烈搅拌下向分散的锂中滴加卤代烷,3.制备的锂有机化合物浓度也不能太高，这除了减少副反应外，锂有机化合物在非极性烃类中的溶解度也有限（与有机锂的分子结构有关）,4.不能照套清除镁表面氧化膜的方法，危险！,5.做成锂沙不仅可除去氧化膜而且也有利反应，但金属锂熔点高(180.5)，必须选用高沸点烃类溶剂。常用剪碎的锂丝或锂带。,其他碱金属，如金属钠与卤代烃反应，主要发生Wurtz(武尔茨)反应,有机镁、有机锂试剂的浓度标定1.酸碱滴定法,具体做法:配制NaOH 0.09885mol/L和HCl 0.10893mol/L标准液,GB-601具体参见配制手册,A、用1ml离心管取格氏试剂（因格氏试剂中含有镁屑会使结果偏高，故用0.45的滤膜过滤），精确称重到0.0001。B、取一个锥形瓶，加入50ml蒸馏水、10ml盐酸标准滴定溶液、35滴溴甲酚绿甲基红指示剂（配制方法见实验员手册）。C、将称好的格氏试剂倒入锥形瓶中水解，溶液呈桔红色，用氢氧化钠标准溶液滴定到呈绿色达到终点，记下氢氧化钠消耗量VNaOH(VHCl*0.10893-VNaOH*0.09885)/W=()mol/g W：称取的格氏试剂和重量。2.配位滴定,格氏试剂的标准滴定方法如下：指示剂的选择：若为烷基格氏试剂，则以2，2-biquinoline为指示剂（1%M/V in xylene)，颜色由red变为无色。若含有芳基如苯基，苄基等格氏试剂，则以1,10-phenanthroline为指示剂（1%M/V in xylene)，颜色由 burgundy red变为无色。滴定液的配制：配制1M（可以根据需要自行调节浓度）2-butanol in xylene,然后滴定就可以了。,4.1.1.5 金属铝与卤代烃反应,铝的金属性比锂、镁要弱，须用活泼的卤代烃才能顺利地发生反应。1859年Hallwachs(哈尔瓦克斯)和Schafarik(沙夫阿里克)用碘代烷与铝屑反应得到了倍半乙基碘合铝,因为在这个化合物中，一个铝原子同1.5倍的乙基和碘相结合，所以俗称倍半烷基铝,实际上它是由Et2AlI(118-120/0.50.6kPa)和EtAlI2(158160/0.5kPa)组成，而且还存在如下平衡：,由于这两个化合物沸点相差较大，可以蒸出EtAlI使平衡向右移动，得到纯品,氯(溴)代烷与铝反应没有碘代烷那么容易，需要用碘、三氯化铝、烷基铝等引发，生成的倍半烷基铝也不能用蒸馏法分离，但可用金属钠脱去卤素，得到三烷基铝,铝镁合金是飞机制造工业的重要材料，有工业来源，镁虽没有钠活泼但足以用来脱卤。所以，可直接用Al2-Mg来合成一氯二烷基铝。提高镁的含量，如使用A1Mg2合金与氯代烷反应甚至可直接得到三烷基铝。,曾用这个方法进行过小规模生产。但此法只能合成烷基较小的铝有机化合物，铝镁合金在粉碎时易着火，不安全；副产物MgX2曾作为废物，不好处理，所以现代工业已不用,4.1.1.6 其他非过渡金属与卤代烃反应,20世纪20年代四乙基铅是普遍使用的汽油抗震剂，曾大量生产。铅的活性比铝更差，不能直接与卤代烃反应，工业上用铅钠合金与氯乙烷来生产四乙基铅,由于四乙基铅有毒，严重地污染环境，所以多数国家已禁止使用它作为汽油抗震剂,锡与卤代烃的反应比较困难，但在六甲基磷酰胺中，CuI催化下，反应也很顺利,1849年Frankland(弗兰克兰)用碘甲烷和锌反应得到了二甲基锌(CH3)2Zn，这是含金属碳键的金属有机化合物，反应也是在醚类等给电子溶剂中进行,1885年Zinin发现汞能与活泼的碘代烃反应。在300汞能与C6F5I反应，生成C6F5HgI，还能与烯丙基碘反应，生成烯丙基碘合汞,4.1.1.7 金属与卤代烃反应的机理,非过渡金属与卤代烃反应，生成金属有机化合物的机理大致相同。用化学诱导动态核极化法研究证明，它们属自由基型反应。非过渡金属易失去价电子，卤代烃接受了这个电子后生成烃基自由基，这是速度控制阶段,对不同族的非过渡金属随后的反应稍有差别,对第I族金属（碱金属），烃基自由基与另一个零价金属反应生成金属有机化合物，金属正离子与卤素负离子形成盐，如合成锂有机化合物,第2族金属（碱土金属）失去一个价电子后与卤素负离子生成一价的盐，但这个金属上还有一个价电子，它立即与烃基自由基结合得到金属有机化合物，如合成Grignard试剂,与第2族金属一样，第14族金属（IVA族）先失去一个价电子后与卤素负离子形成RMX，但它是不稳定的，继续与卤代烃反应，得到第14族金属有机化合物,注意：既然金属与卤代烃反应是自由基机理，就应该经过碳自由基阶段。碳自由基与金属反应时不可能保持原烃基构型；如发生异构化，就得不到希望结构的产物了,4.1.3 用非过渡金属有机化合物对金属的烃基化反应,这是由一种金属有机化合物制备另一种金属有机化合物的方法，也称为金属交换反应,一个金属交换反应能否进行，可由原料非过渡金属有机化合物与生成的金属有机化合物之间的生成焓之差来判断。从实验现象看，反应放热，即生成的金属有机化合物更加稳定。活泼金属可以置换较不活泼金属有机化合物中的金属元素。,Hg、Tl、Pb和Bi有机化合物是常用的试剂，特别是在空气中稳定又容易制备的汞有机化合物。虽然多数汞有机化合物有毒，但早年在实验室中还是得到广泛使用,上面由二甲基汞与镉反应制备二甲基镉在热力学上是不利的，但生成的金属汞从反应混合物中分离了出来，所以反应基本可进行到底,23,二烷基或二芳基汞与碱金属、碱土金属、Al、Ga、Sn、Pb、Sb、Bi及Se、Te、P、As等非金属元素反应都能得到令人满意的结果，如金属锂与汞有机化合物反应，生成的汞与锂形成锂汞齐有利于反应进行到底，只是要多消耗锂,当REt、Ph时，产物是固体，与液体Hg或Hg-Li很容易分离,24,非过渡金属有机化合物与碱金属反应除得到碱金属有机化合物外，还可得到双金属有机化合物,Tl 铊：毒性！,白色，质柔软。其化合物有毒。它的主要用途是制造硫酸铊 一种烈性的灭鼠药。中毒原因 铊无色、无味，毒性强烈。一般认为，铊对成人最小致死量约为12mg/kg，57.5mg/kg的剂量即可引起儿童死亡。人若饮用被铊污染的水或吸入含铊化合物的粉尘，就会引起铊中毒。,中毒表现 最初为胃肠道刺激症状，如恶心、呕吐、食欲减退，腹绞痛或隐痛，也有牙龈糜烂以及出血性胃炎等，有时患者仅表现为厌食或恶心。中毒后2至5天出现双下肢酸、麻、针刺感，下肢特别是足部疼痛是铊中毒的突出表现。运动障碍出现较晚，常可波及颅神经，可发生视力减退、中毒性脑病。脱发也是铊中毒的体征，一般于中毒后1至3周左右发生。指甲和趾甲于第4周出现白色横纹。如何预防 1.接触控制：皮肤接触也会造成轻度铊中毒，所以要尽量避免皮肤接触。2.饮食注意：铊化合物广泛应用于工业生产中。在生产鞭炮(花炮)的原料中往往也含有高量的铊，其副产品氯化钠(非食用盐)中同样被污染。3.作业防护：工作中若需要接触铊，要禁止在工作中进食、吸烟，并戴防护口罩或防毒面具、手套，穿防护服；工作后进行淋浴。,4.1.4 亲核置换反应,用一个非过渡金属有机化合物对另一个金属(包括过渡金属和非过渡金属)卤化物烃基化，是合成金属有机化合物有效的通用制法。如把非过渡金属有机化合物看成试剂，则该反应属亲核置换反应,4.1.4.1 金属卤化物的烃基化,活泼金属有机化合物（强亲核试剂）对另一金属卤化物烃基化是实验室应用最广泛的制备所需金属有机化合物的方法,锂有机化合物是最活泼的，它甚至可以对卤化镁实施烃化，得到镁有机化合物,用卤代烃与金属镁反应是制备镁有机化合物的常用方法，但p-Me2NC6H4-X分子中C-X键不活泼，很难用它与金属镁直接反应，而金属锂与p-Me2NC6H4-X反应，生成p-Me2NC6H4-Li并不难,-,+,在烃类溶剂中制备的Grignard试剂也是很好的烷基化试剂，它可以将三氯化铝烃基化得到铝有机化合物,这是在实验室中制备高碳烷基铝化合物的方法,烷基铝的烃基化能力稍弱，反应生成的AlCl3又能与被部分烃基化了的金属有机化合物配位，故反应不能进行到底。所以，在用n-Bu3A1对SnCl4烃基化时加入叔胺来束缚住AlCl3，使反应向右进行，才能得到目的产物,常用的非过渡金属有机化合物的烃基化活性是LiMgAl,1.锂有机化合物是在烃类中使用，生成的氯化锂会沉淀出来，只要过滤就可以分开，比较方便,注意：,2.在醚类中使用镁有机化合物烃基化，产物卤化镁会与醚配位，要彻底脱去并不容易，必须使用在烃类溶剂中制备的Grignard试剂(问题),烃基铜是重要的有机合成试剂，用非过渡金属有机化合物对氯化亚铜烃化是首选的制备方法,M=Li、Mg、A1、Pb；R烷基、烯丙基、乙烯基、芳基,由于许多烃基铜不溶于有机溶剂，限制了它的使用，在制备过程中加入适当的油溶性配体则可增加产物的溶解度,用过量的锂有机化合物对卤化亚铜进行烃基化时，得到二烃基铜锂，它也是重要的有机合成试剂,锌、铝的氯化物不易被甲基化,在金属卤化物被烃基化的反应中，都是卤素与电正性更强的元素结合,金属卤化物被烃基化，属亲核置换反应机理，与有机化学中的卤代烷亲核取代反应机理类似,4.1.4.2再分配反应,再分配反应就是两个非过渡金属有机化合物分子间配体的交换反应,再分配反应是参加反应的两个非过渡金属有机化合物经过缔合、配体交换、离解而完成的反应,不管对哪个金属有机化合物来说，配体交换反应都是按亲核置换反应机理进行的,再分配反应是一个平衡，反应的结果是负电性较强的基团与正电性较强的金属相结合,用锡、汞、硼、硅有机化合物可制备相应的乙烯基、烯丙基、烃基锂化合物。在下面的例子中，因Ph4Sn不溶而沉淀下来使反应顺利进行,4.1.5 由重氮化合物制备,脂肪和芳香族重氮化合物都能与金属盐反应，得到金属有机化合物,4.1.5.1 脂肪族重氮化合物,在温和的条件下，重氮甲烷、重氮乙酸乙酯都可以与许多金属卤化物或氢化物反应，烃基插入MX或MH中,4.1.5.2 芳香族重氮化合物,1Bart(巴特)反应,芳香族重氮盐是容易制备的，用它可以方便地合成芳香族重金属和非金属元素的有机化合物,2Nesmeyanov(涅斯梅亚诺夫)反应,在铜催化下，重氮盐对HgCl2进行烃化生成汞有机化合物的反应，称Nesmeyanov反应,在0-5间，强烈搅拌下重氮盐也能直接与金属汞反应生成芳基卤合汞。反应可能是自由基型的，铜粉能促进重氮盐均裂,4.1.6 金属有机化合物对不饱和烃的加成反应,用金属有机化合物对不饱和烃加成，合成新的金属有机化合物包括两类反应：,1.含金属氢键的金属有机化合物与不饱和烃加成，最重要的是硼氢化、硅氢化、铝氢化等反应；,2.金属有机化合物中的金属碳键与不饱和烃加成，它可用来合成高碳烷基铝，也是高聚合、齐聚合等反应的基础,4.1.6.1 金属氢键对不饱和烃加成反应,1.硼氢化反应,1956年Brown(布朗)发现了烯烃与硼氢化合物的加成反应，称硼氢化反应,最常用的硼氢化试剂是二硼烷，它可用三氟化硼与硼氢化钠反应而制备,在进行硼氢化反应时硼烷二聚体需先离解成单体，这是决定反应速度的步骤，单体对烯烃加成很快，所以这个反应是离解机理，符合一级反应动力学，得到反Markovnikov(马尔科夫尼科夫)规律加成产物,Lewis碱能促进二聚硼烷离解成单体，故醚类等中等强度的Lewis碱对硼氢化反应有催化作用,（1）反应过程不发生重排；（2）反应为顺式加成；（3）与不对称烯烃加成时，符合反马尔可夫尼可夫规则。硼原子加到含氢原子较多的双键碳原子上，而氢则加在含氢较少的碳原子上。有机硼烷可以发生多种反应，是一个多能的中间体，可以用来合成多种类型的有机化合物。,烯烃硼氢化-氧化制备醇,炔烃硼氢化-氧化制备醛酮,2铝-氢化反应,R2A1H与烯烃的加成反应称为铝氢化反应,铝氢化反应在有机合成上远不如硼氢化反应重要，但它是工业上Ziegler(齐格勒)法直接合成三乙基铝的基础,Ziegler(齐格勒)在20世纪50年代发明了用金属铝、烯烃和氢气合成三烷基铝的方法,二乙基氢合铝在较温和条件下与烯烃通过铝氢化反应得到三乙基铝,铝粉和氢气在高温、高压下可将三乙基铝转变成二乙基氢合铝,总反应：,它是现在工业上生产三乙基铝的最经济、最合理的方法,R2A1H与非共轭二烯烃，首先加成到二烯烃的端位双键上,R2A1H与共轭二烯烃，可以发生1,2或1,4加成反应,R2A1H与端位炔烃发生金属化反应放出氢，然后再发生加成反应，生成同碳二铝化合物,当炔烃过量时，还可以发生置换反应,内炔烃虽活性较差，但第一次铝氢化反应还是可以进行的,烯烃结构对铝氢化反应速度有明显影响，并有如下次序：,CH2CHR CH2CRR1 RCHCHR1,主要是空间效应,铝氢化反应也按顺式加成，得到反Markovnikov加成产物,3第14族元素氢化物与不饱和烃加成反应,第14族元素氢化物，R3MH(MSi、Ge、Sn、Pb)的金属氢键的键能随原子序数增加而减小,R3SiH与烯烃的加成反应需在铂、钯配合物如H2PtCl66H2O的催化下才能顺利进行。,R3GeH与-烯烃的加成在120下进行，并不需要催化剂,R3SnH与-烯烃的加成在90条件下就可进行，也无需催化剂。它与含官能团烯烃加成在有机合成上很有用，加入自由基引发剂可加速反应,R3SnH在自由基引发下与取代炔烃加成，主要得到 E-型结构的产物,在乙醚溶液中Bu3PbH与烯、炔烃反应非常容易，甚至在0就能顺利地完成反应,4.1.6.2 金属碳键与不饱和烃加成反应,金属有机化合物中极性的金属碳键能与不饱和烃发生加成反应,当不饱和烃分子中有吸电子取代基时，不仅增加了不饱和键的极性而且能稳定带负电荷的中间活性物种,锂有机化合物与内炔烃发生加成反应，从水解产物看也是顺式加成,锂有机化合物与共轭烯烃不是发生加成反应而是催化它聚合,Coleman(科尔曼)报道锂有机化合物与苯乙烯衍生物发生加成反应,格氏试剂也能不饱和烃发生加成反应,在三乙酰丙酮铁催化下，Grignard试剂也能与炔烃发生加成反应，水解得到含累积烯烃醇类，反应条件温和，产率在64-98之间,1973年Lehmkuhl(莱姆库尔)发现苄基氯合镁能与1-辛烯发生加成反应，水解得到烷烃,4.1.7 由金属化反应制备,金属化反应，是含活泼C-H键的有机化合物与金属有机化合物发生金属-氢交换的反应。这既是非过渡金属有机化合物的重要化学性质，也是有效的制备方法,各种烃基锂对呋喃的金属化反应速度顺序为：,苄基锂 烯丙基锂 正丁基锂 苯基锂 乙烯基锂 甲基锂,锂有机化合物金属化能力与它的聚集状态有关：单体时，金属化能力最强,四甲基乙二胺(TMEDA)能将BuLi离解成活性更高的单体的形式，在它作用下，BuLi可以使苯、甲苯等芳烃金属化,金属化反应主要发生在侧链甲基上，当BuLi过量时，还可以发生第二次金属化反应,有机化合物CH键的活泼程度可以用它的pKa值来量度，pKa值越小则表示该CH键的酸性越强，更易被金属化,表4-1 烃类的pKa数据,(1)处在双键-碳上的氢和炔键上的氢比较活泼,(2)碳数相同时，脂环烃C-H键的活泼性高于直链 烷烃,与烷氧基相连C上的氢较活泼，所以在制备锂有机化合物时不宜使用醚类作溶剂，否则生成的锂有机化合物会对醚的-C上的氢进行金属化,Grignard试剂的有机基团被含活泼C-H键的有机化合物置换，形成新的Grignard试剂,这种含有叁键的Ghgnard试剂不能用相应的卤代烃和镁直接反应制得,在制备和使用Grignard试剂时，溶剂不应该含有活泼氢,Grignard试剂的金属化能力不如锂有机化合物，尚不能与醚O碳上的氢发生金属化反应,4.1.8 通过亲电取代反应合成芳香族金属有机化 合物,4.1.8.1 芳烃汞化,用汞盐对芳烃汞化，可直接得到芳香族汞化合物,醋酸汞就是一种亲电试剂，它对芳烃的亲电取代，可得到芳香族的汞化合物，环上有第一类定位基有利于汞化，可得到邻、对位产物,环上有第二类定位基，汞化反应比较困难，加入高氯酸可以提高醋酸汞的活性，使卤苯、硝基苯汞化,高氯酸的作用是使得醋酸汞成为带正电荷的离子，因而具有很强的汞化能力,非苯杂环芳烃由于环上电子云相对密度较高，可以进行多次汞化。如HgCl2的水醇溶液在室温下就能对噻吩汞化，用此法可以除去苯中的噻吩,4.1.8.2 芳烃铝化,在室温和四氢呋喃中，三异丁基铝与四甲基哌啶锂(LTMP)混合物能直接对苯甲醚铝化，而且不管原料芳烃上存在第一类还是第二类定位基，主要得到邻三异丁基铝锂。,4.2 非过渡金属有机化合物的化学性质,4.2.1 非过渡金属有机化合物与极性不饱和化合 物加成,4.2.1.1 非过渡金属有机化合物与羰基化合物加成 反应,非过渡金属有机化合物与羰基化合物的加成反应是它们最重要的化学性质之一,加成产物经水解可得醇类，这是合成结构复杂醇类的有效的方法,不同非过渡金属有机化合物与羰基化合物的加成活性差别较大,锂有机化合物是活性最高的非过渡金属有机化合物，就是羰基受到很大的空间障碍，也能得到很好的结果：加成反应,而异丙基溴合镁与二异丙基酮反应，得到的是二异丙基甲醇:还原反应 空间位阻,、不饱和羰基化合物与锂有机化合物主要发生1,2加成，即得到羰基加成产物；,用镁有机化合物则主要发生1,4-加成，水解生成烯醇结构产物，经异构化，最终得到碳-碳双键加成的产物,用有机铜锂，也主要得到1,4-加成产物，产率一般很好,烯丙基格氏试剂与羰基化合物的加成反应经过一个环状过渡态，伴随一个烯丙基重排的双分子SE2取代反应,二苯甲酮在格氏试剂作用下，接受一个电子成为酮自由基，再进行二聚得到四苯基乙二醇。,锡有机化合物对羰基化合物的亲核加成能力较差，为实现这一反应需要Lewis酸作催化剂,R1烷基、芳基；R2H、烷基；R3Me，Bu；R4H、Me,产率高，选择性好,利用这一反应已成功地合成了欧洲榆树甲虫的昆虫激素,烯丙基二正丁基氯合锡对羰基化合物的亲核加成时，无需Lewis酸性催化剂，选择性高，产率也不错,Barbier-Grignard(巴比尔-格林尼亚)型反应,在常温、常压下进行，产率尚好,在草酸钠稀溶液中，CuI、Zn/InCl催化下卤代烷直接与芳香醛基发生亲核加成反应，得到相应的醇类,表4-2 Barbier-Grignard(巴比尔-格林尼亚)型反应结果,提高羰基碳的正电性，有利于卤代烃的亲核加成,仲卤代烃的活性比伯卤代烃高,碘代烃比溴代烃更活泼,Grignard试剂与酮反应时容易发生还原副反应锂有机化合物的强碱性又会引起羟醛缩合 发现n-BuLi和n-Bu2Mg混合物既有很高的亲核加成能力，又可避免副反应,表4-3 四种试剂与苯乙酮反应,用RLiRMgCl2的混合物也有同样的效果,R3MgLi与不活泼的二苯酮也能顺利地进行亲核加成反应，几乎不发生副反应,表4-4 R3MgLi与二苯酮亲核加成反应,表4-5 R3MgLi中不同烃基的活性,正丁基的亲核加成产物始终占优势,4.2.1.2 非过渡金属有机化合物与羰基化合物加成 反应机理,非过渡金属有机化合物与羰基化合物加成反应机理大体相同，现用Grignard试剂与羰基化合物的加成反应为例,简单的醛酮,首先，Grignard试剂中带负电性的烃基进攻羰基带电正性的碳，是典型的亲核加成机理,当反应底物和Grignard试剂中烃基的结构及反应条件不同时，虽机理基本特征未变，但却各有特点,镁与羰基配位后提高了镁的电子云密度，通过离域的烯丙基链传递到远离镁的双键碳上，使它变成带部分负电荷的碳，具备进攻羰基碳的能力,远离镁的双键碳进攻羰基碳在空间位置上也更有利,4-叔丁基环己酮与Grignard试剂加成产物中，直立羟基醇的产率与Grignard试剂中烃基体积大小有关,烃基越大，直立键醇的产率也越高，如用MeMgBr是60，而用t-BuMgCl则是100,Grignard试剂中的烃基是从平伏键的方向进攻羰基的,反应经过如下的四元环过渡状态,4.2.1.3 非过渡金属有机化合物与羧酸衍生物的羰 基加成反应,锂有机化合物很容易与酰氯、酸酐分子中的羰基发生亲核加成反应，水解得到叔醇,第一个烷基是通过置换酰氯中的氯进入的,第二个烷基才是经过亲核加成反应而进入的,与酯羰基加成的反应速度较慢，产物经水解得到酮。,如在过量的锂有机化合物存在下也能得到叔醇,锂有机化合物与、不饱和酯的羰基加成，主要发生l,2-加成反应,N,N-二甲基甲酰胺与锂有机化合物加成，水解后可得到醛，用其他酰胺则得到酮,Reformatsky(列福尔马茨基)反应,将锌粉、-溴代酸酯和醛或酮的醚溶液共热、水解得到-羟基酸,在生物化学中，现在还用它经-羟基酸来合成-氨基酸,锌有机化合物只能对醛、酮的羰基进行加成而不与羧酸衍生物中的羰基反应,邻位被叔丁氧(Boc)酰胺取代的苯乙烯与锂有机化合物的加成反应产物是一个活泼的中间体，锂有机化合物中的烃基进入苯乙烯双键的端位。它可对N,N-二甲基甲酰胺的羰基进行为亲核加成，水解得到取代吲哚,表4-6 底物中烃基对反应的影响,二氧化碳过量，锂有机化合物中的烷基又较大时，加成产物水解可得到羧酸，产率很好,锂有机化合物过量则可得到酮甚至叔醇。,镁、铝的有机化合物与二氧化碳也能发生亲核加成反应，得到羧酸,4.2.1.4 与二氧化碳的加成反应,将锂有机化合物倒人干冰中，加成反应即发生亲核加成反应。,4.2.1.5 与腈和异腈的加成反应,锂有机化合物可以对腈和异腈的碳氮叁键进行亲核加成，水解得到各种含氧化合物,异腈与锂有机化合物的加成产物是一个活泼的中间体，生成的C-Li与亲电试剂，如卤代烷反应，水解后CN转变成羰基，在有机合成上可用来高选择性地合成各种含氧化合物,邻位被叔丁氧酰胺取代的苯乙烯与锂有机化合物的加成产物还可以对腈基进行亲核加成，虽速度较慢但反应还是能顺利完成，水解得到二取代吲哚,锂有机化合物中的烃基进入苯乙烯双键的端位,腈分子中的烃基进入吲哚的2-位,表4-7 烃基对反应的影响,4.2.1.6 非过渡金属有机化合物与环氧化合物的反 应,在2,2,6,6-四甲基哌啶锂(LTMP)存在下，端位环氧烷烃与锂有机化合物反应,首先，是环氧烷烃亚甲基上酸性较强的氢被锂有机化合物金属化，生成反式-锂化的环氧烷烃,其次是锂有机化合物中烃基的亲核加成、开环反应，脱掉Li2O得到烯烃,这是一个新的合成烯烃方法,表4-8 锂有机化合物与环氧烷烃反应,烯烃产物的立体选择性很好，E-型烯烃均超过90，而且产率也不错，但锂有机化合物的用量较大,在2,2,6,6-四甲基哌啶锂存在下，Grignard试剂与端位环氧烷烃反应,表4-9 镁有机化合物与环氧烷烃反应,烯烃产物的立体选择性还是很好的，E-型烯烃也都超过90,4.2.2 非过渡金属有机化合物与碳碳不饱和键 的加成,4.2.2.1 锂有机化合物催化共轭二烯烃的阴离子聚 合,锂有机化合物中的碳负离子容易与烯烃，特别是共轭二烯烃的双键发生加成，生成新的碳负离子,反应不会终止，继续加成，即碳负离子引发的阴离子聚合,如果第一次加入的聚合单体反应完后再加入另一种单体，聚合反应将再继续进行下去，得到在高分子链上具有不同单体结构单元的共聚物 这是调节高分子化合物性能的有效方法之一,阴离子聚合是合成材料工业上重要的反应类型，顺丁橡胶、合成天然橡胶都是按阴离子聚合机理进行的，聚合物的等规性好,在戊烷中用乙基锂催化异戊二烯聚合，产物中顺式-1,4结构占94，3,4-加聚物仅占6。,注意：,当烯烃双键上有大体积的取代基时聚合反应不能发生,如苯乙烯衍生物与烷基锂只发生简单加成反应，得到锂有机中间体，它再与亲电试剂E-R3反应则得到取代芳烃,当邻位有取代基R4-X，则锂有机化合物的加成物与E-R3反应并继续环化得到苯并五元杂环化合物,4.2.2.2 锂有机化合物对芳环加成及去芳香化反应,芳烃是一类容易得到的原料，将它们去芳香化得到相应的脂环化合物，在有机合成上具有重要意义,芳烃是稳定的，不易发生加成反应，但与Lewis酸性的金属有机化合物配位后芳香环的电子云密度降低，给亲核加成提供了机会,Mn(CO)3与苯配位,亲核加成而去芳香化,氧化只是为了脱去Mn(CO)3,(1)t-BuLi(2.l equiv)，THF，-78进行碘-锂交换反应；(2)-78，lh进行环化反应的同时，去芳香化,4.2.2.3 铝有机化合物催化烯烃齐聚合反应,三乙基铝可催化乙烯齐聚合。A1-C只是极性共价键并非离子键，其聚合机理不是阴离子聚合，而是乙烯插入A1-C键，故该反应称为链增长反应,增长了的烷基可被乙烯或其他烯烃置换下来，生成烯烃,乙烯是气体，链增长反应又强放热，故提高乙烯压力，降低反应温度，是有利的；,置换反应使体积增大，而且是吸热反应，故提高反应温度，降低反应压力更有利,在改进的两步法工艺条件中，第一步是60-l00，10-20MPa；第二步是245-300，0.7-2MPa。,铝有机化合物催化下乙烯齐聚合成直链高碳烷基铝；再经置换生成烯烃，是工业上合成直链高碳烯烃的方法，称为Alfene(阿琳)法,虽然，已有更先进的乙烯齐聚合成直链高碳烯烃方法，但该法生产的烯烃的质量好，尚有竞争力,直链高碳烷基铝经氧化、水解得到高碳醇，称为Alfol(阿尔富尔)法，产物的质量远好于烯烃羰基化法合成的高碳醇，可在许多场合下代替天然高碳醇，是目前合成高碳醇的主要工业方法之一,4.2.3 非过渡金属有机化合物的偶联反应,碱金属、碱土金属有机化合物可发生偶联反应，生成碳碳键,在有机化学中也叙述过由卤代烷与金属钠经偶联反应生成烷烃(Wurtz反应)，中间经过烷基钠,Grignard试剂与活泼卤代烃之间很容易发生交叉偶联反应，在催化剂存在下，这种交叉偶联反应的选择性提高了，使它成为合成一定结构的烃类的方法之一,表4-10 卤代烃与Grignard试剂交叉偶联反应,表4-10 卤代烃与Grignard试剂交叉偶联反应,二烃基铜锂与伯卤代烷、苄卤、烯丙基卤、卤代环烷烃等反应生成偶联产物,卤代烷中卤素的活泼性是：IBrC1,仲卤代烷与二烃基铜锂的偶联反应比较困难，但用仲卤代烷制备铜有机化合物是容易的，它与伯卤代烷反应可以达到同样目的,叔卤代烷几乎不与铜试剂反应,卤乙烯型化合物中的卤原子被认为是不活泼的，但它却能与二烃基铜锂反应，烃基取代卤原子的位置，构型保持不变，双键也不参加反应,卤代芳烃和卤乙烯的结构相似，它们也能与二烃基铜锂反应。但是，除得到偶联产物外还有基交换反应产物,铜有机化合物和卤代烃反应时，其他官能团通常不受影响，为增长碳链提供了一个方便的方法。二烃基铜锂参加的偶联反应按SN2亲核取代反应机理进行,在钯配合物催化下卤代烃与锡有机化合物发生Stille偶联反应。但是苄氯与三丁基烯丙基锡反应，得到去芳香化产物,Negishi 偶联,E.Negishi(1935-),4.2.4 非过渡金属有机氢化合物的还原作用,LiAlH4、NaBH4是两个非过渡金属氢化物，它们是有机合成上著名的还原剂，活性与选择性都很好,4.2.4.1 R2AlH的还原作用,i-Bu2A1H是常用的非过渡金属有机氢化合物，它可通过i-Bu3Al热分解制备，也有商品出售。i-Bu2A1H能将醛、酮还原到醇类，选择性很好,i-Bu2A1H能将羧酸酯(内酯)还原、水解得醛，一般产率都在7090之间,由仲胺形成的酰胺和内酰胺同样可被i-Bu2A1H还原成醛,在室温下i-Bu2A1H可将腈类还原成醛亚胺衍生物，水解得到醛。提高反应温度可以得到胺，产率8090,4.2.4.2 第14族金属有机氢化物的还原作用,第14族金属有机氢化物的还原能力较弱，只有羰基被强吸电子基团活化，反应才能顺利进行,第14族金属有机氢化物还原CX键的能力虽差但选择性却很好。它们甚至可选择性地还原同一分子内，不同卤素中的某一原子,卤素原子对还原反应的活泼性次序为：BrC1F,用n-Bu3SnH还原6-溴代青霉酸酯的结果表明，仅C-Br键被还原，产率接近100,叔碳上硝基的C-N键可被n-Bu3SnH还原成C-H键 在吸电子基团存在下，仲碳上的硝基也能被还原 分子中酮基、酯基、氯等基本上不受影响,4.2.5 非过渡金属有机化合物的缔合与配合反应,非过渡金属有机化合物中，金属外层价电子数没有达到稳定的八隅体时，它们就有通过缔合、配合等方式达到稳定的八隅体结构,4.2.5.1锂有机化合物,在室温下n-BuLi是液体，但相对分子质量小的甲基锂、乙基锂则为固体，X射线单晶分析证明，甲基锂通过缔合形成了四聚体,图4-4 甲基锂缔合物结构,4.2.5.2镁有机化合物,镁有机化合物与二分子乙醚的配合物，X射线单晶分析证明，该化合物是四面体，镁原子在中心，其他四个原子或基在四面体的顶点上,在乙醚溶液中制备的Grignard试剂是镁有机化合物与乙醚的配合物，并存在着单体、二聚体、二烷基镁、烷基氯合镁及二氯化镁之间平衡，也称Schlenk(舒伦克)平衡,图4-5 Schlenk平衡,Grignard试剂的二聚体中存在着卤桥和碳桥。当是碳桥时，是与金属直接相连的那个碳原子参与成桥,当Grignard试剂乙醚溶液的浓度很低时，镁有机化合物主要以溶剂的配合物形成存在。浓度超过0.1mol.L-1就出现直链或环状缔合物,图4-6 离解度与浓度关系,4.2.5.3铝有机化合物,1铝有机化合物的配合物,铝有机化合物能与碱金属及其盐类生成稳定的配合物,对同一种烷基铝与碱金属卤化物形成配合物的难易程度是：Li+Na+K+Rb+Cs+,对于同一种烷基铝，同一种碱金属离子，负离子的影响有如下关系：RO PhO Et H F Cl Br I,碱金属氢化物与铝有机化合物的配合物是很好的还原剂。人们可以利用上述规律制备具有某种还原能力的配合物，提高选择性，在有机合成上有重要的意义,著名的Ziegler-Natta乙烯聚合催化剂中则是铝有机化合物与过渡金属化合物(如TiCl3)形成的配合物,铝有机化合物能同周期表中第15、16族元素的有机化合物形成配合物，配合物的稳定性有如下规律：,Me3NMe3PMe2OMe2SMe2SeMe2Te,稳定性第15族大于第16族 同族中，原子序数小的比原子序数大的稳定 对同一有机化合物，不同铝有机化合物形成配合物的稳定性次序是：RAlCl2 R2A1Cl A1R3,2铝有机化合物缔合及三中心键,相对分子质量较小的铝有机化合物大多是以缔合物形式存在。三甲基铝在90时还有90以上是二聚体,在-75下三甲基铝的1H NMR谱有两种氢，说明三甲基铝分子中存在两种甲基。提高温度，则只能测到一种氢。由此推断，三甲基铝是一个桥式二聚体,图4-7 三甲基铝结构,两个铝原子和两个桥碳原子处在同一个平面上，其他四个碳原子则分布在与这个平面垂直的平面内,一种的A1-C键键长是195 pm，稍小于它们的共价半径之和202pm，是正常的A1-C键,而另一种的Al-C键键长是213pm比共价半径之和大得多，显然是一种非正常的化学键,sp3,sp3,sp3,sp3,铝原子有三个价电子,在这个桥键分子轨道中有三个原子(两个铝，一个碳)即三中心，但只有两个自旋相反的