第四章有机活性中间体ppt课件.ppt

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1、有 机 活 性 中 间 体,碳正离子,碳负离子,自由基,卡宾、氮烯及类卡宾,非经典碳正离子,自由基离子,有机活泼中间体,苯炔,常见的有机活性中间体,碳正离子（Carbocation）,碳正离子的结构,平面形碳正离子的取代基空间相隔较远，而且空p轨道两侧都能受溶剂化影响而得到稳定，特别是烯丙基型的碳正离子只有保持平面形才能和p体系有效重叠，使正电荷有效离域，因此，平面形碳正离子稳定性更好。,平面形,角锥形,sp2,sp3,碳正离子稳定性,空的p轨道被非键孤对电子所稳定和p键共轭被s键所稳定（超共轭hyperconjugation）成为芳香体系的一部分,A.孤对电子对碳正离子的稳定化作用,当非键孤

2、对电子轨道和空的p轨道重叠后，产生一个新的成键分子轨道（bonding MO）和反键分子轨道(antibonding MO)，两个电子填充到成键轨道，体系能量下降。下降的能量叫稳定化能(stabilization energy)。,成键轨道,反键轨道,共振论的解释：,杂原子上的孤对电子对碳正离子的稳定化作用是最强的稳定化作用，强于p-p共轭、超共轭等等,例如：,八隅率,如果几何张力使得孤对电子和空的p轨道不能有效重叠，那么孤对电子就不能有效的稳定碳正离子，例如：,孤对电子的稳定化能力：,A.随着杂原子周期数的增加，稳定化作用减弱,B.同周期元素向右稳定化作用减弱,B.p键电子对碳正离子的稳定化

3、作用,成键轨道,反键轨道,碳碳双键也是稳定碳正离子的重要途径（碳氧双键和碳氮双键会使碳正离子去稳定化）。芳香环能很好的稳定碳正离子。几何张力同样会阻止p电子和p电子的有效重叠。,较稳定的烯丙基碳正离子和苄基正离子：,C.超共轭(hyperconjugation),s键和空的p轨道发生部分重叠（超共轭），从而对碳正离子起到稳定化作用。参与超共轭的s键越多，稳定化作用越大。,碳正离子稳定性：,参与超共轭的s键越多，相应的碳正离子越稳定,9个s键参与超共轭,6个s键参与超共轭,3个s键参与超共轭,3o 2o 1o,碳正离子稳定化作用的相对大小：,稳定化作用的相对强弱是：n p s。这是由于填充轨道和

4、空的p轨道线性组合时，能量越接近稳定化能越大。,D.成为芳香体系的一部分,troplylium,碳正离子中的空p轨道，成为芳香体系的一部分，也可以明显的稳定碳正离子。相反的，如果碳正离子中的空p轨道是反芳香性体系的一部分，会明显的使碳正离子去稳定化。,反芳香性antiaromatic,烯基、炔基和芳基碳正离子：,烯基、炔基和芳基碳正离子通常要比烷基碳正离子更不稳定,烯基、炔基和芳基碳正离子稳定性顺序：,碳正离子的生成方法,A.碳-杂原子键的异裂,B.不饱和键和酸（质子酸或Lewis酸）作用,C.重氮盐脱氮气,碳正离子发生的反应,A.与亲核试剂的反应B.碎裂反应生成含有不饱和键的化合物C.重排反

5、应,与亲核试剂的反应,碎裂反应（Fragmentation）,碎裂反应中 常失去的电正性碎片有：质子、碳正离子、SiR3和SnR3等,重排反应(Rearrangement),通常来说，碳正离子通过重排生成更稳定的碳正离子，在高温下也可以重排成不稳定的碳正离子。常见的碳正离子重排有：1,2-氢迁移和1,2-烷基迁移,重排反应的立体化学,1,2-氢迁移和1,2-烷基迁移的立体化学要求是：反式共平面迁移,非经典碳正离子,1.邻基参与（Neighboring-Group Participation）,两种顺反异构体发生溶剂解，反应速率有明显不同，反式异构体的反应速率是顺式的660倍。而且产物的立体化学

6、完全不同。,k=1,krel=660,邻基参与的机理解释,如果在乙醇中进行该反应，可以捕获到中间体，是邻基参与的重要证据。,卤素邻基参与,其它含有孤对电子的原子也有可能作为邻基（如O-，R3N），协助反应,芳基或双键参与,苯鎓离子,s键参与非经典碳正离子（Nonclassical Carbocations）,实验现象：,exo,endo,1.exo-降冰片磺酸酯反应速率比endo快350倍2.产物都是exo3.光学纯的exo降冰片磺酸酯得到完全外消旋产物，而endo化合物发生93%外消旋,非经典碳正离子：,非经典碳正离子的存在证明：,通过X-衍射显示，C1-C6键被明显拉长（1.74），而C1

7、-C2键有一定程度的缩短（1.44）。C2到C6之间的距离，从原来的2.50缩短到2.09。这些数据明显说明部分形成了三中心二电子的桥状结构。,其它非经典碳正离子：,经由碳正离子中间体的命名反应,A:,B:,C:,D:,E:,碳负离子（carbanion）,碳负离子的结构,平面形,角锥形,sp2,sp3,在角锥形结构中，孤对电子和与其它成键电子之间的斥力较小，因此，碳负离子在更多场合下是取角锥形构型的。碳负离子一般存在于有机金属化合物中，但是很多碳-金属键都是共价键，并不存在碳负离子。碳负离子通常存在于较活泼有机金属化合物中，而且还和烃基的结构和溶剂有关。,简单碳负离子的稳定性：,R-基团越稳

8、定越趋向于和金属锂形成有机锂化合物。研究发现碳负离子的稳定性为：,稳定性总体顺序为：,稳定碳负离子的因素：,1.和不饱和键共轭（Conjugation）：,不饱和键（双键或叁键）和孤对电子所在p轨道发生重叠，从而使负电荷分散在多个原子上，可以明显的稳定碳负离子。共轭越多，稳定性越强,碳杂原子不饱和键能显著稳定碳负离子：,由于杂原子的电负性比较大，能较好的稳定负电荷，能在共振杂化体中生成较稳定的共振式。这种稳定化作用要强于多芳基甲烷碳负离子。,碳原子杂化方式能稳定碳负离子：,碳原子杂化方式中s成分越大，稳定负电荷的能力越强。sp3杂化中s成分为25%；sp2杂化中s成分为33%；sp杂化中s成分

9、为50%。因此，sp杂化碳原子具有较高的负电荷稳定能力。,例如：,硫原子和磷原子能稳定碳负离子：,硫原子或磷原子与碳负离子相连能起到显著地稳定化作用，其可能的原因是孤对电子所在p轨道能和硫原子或磷原子空的d轨道重叠，从而稳定。硅原子也能稳定碳负离子。,场效应稳定碳负离子：,成为芳香体系的一部分：,非邻近双键稳定碳负离子：,稳定碳负离子的原子和官能团：,碳负离子的产生方法：,A.碱性条件下脱质子：,B.脱二氧化碳：,C.负离子对不饱和键加成：,碳负离子的反应：,A.Lewis酸碱反应：,B.亲核取代反应：,C.加成反应：,D.重排或氧化成自由基：,自由基（Free Radical）,自由基的结构

10、,自由基的这两种结构形式之间的能量水平相差不大，一般认为平面形的更稳定一点；与高电负性原子相连的碳自由基倾向于角锥形，CF3；具有共振的自由基必定为平面型；自由基常可在桥头形成，但比形成相应的开链自由基慢,自由基中存在一个或多个未成对电子，通常是缺电子中间体。但是，由于自由基中不带有电荷，因此，自由基的反应特性明显不同于碳正离子和碳负离子。,一些常见的无机自由基：,自由基的稳定性：,和碳正离子类似，邻近的杂原子、不饱和键等均能稳定自由基中间体。烷基自由基的稳定性顺序为：,通常自由基中间体的稳定性要强于相应的碳正离子。例如，苯基正离子和甲基正离子通常不存在，但是苯基自由基和甲基自由基却很常见。,

11、稳定自由基的因素：,A.共轭效应：,孤对电子、p电子和s电子都对自由基有较大的稳定作用，但是，稳定化能都要小于相应的碳正离子。,累积共轭效应（cumulative stabilizing effect）：,累积共轭效应可以大大稳定自由基中间体,1900年，Gomberg,Stable to oxygen;stable to extended storage as a solid,Stable to high temperature in the absence of O2,B.推拉效应（captodative effect）：,和碳正离子不同，自由基既可以被富电子双键所稳定，也可以被缺电子双键

12、所稳定。如果自由基同时连有吸电子基团和供电子基团，其稳定化作用要大于分别稳定化作用的总和。这个现象叫：推拉效应。,氮氧自由基是特别稳定的自由基，在有机合成中用非常多的应用,氮氧自由基（Nitroxyls）：,氮氧自由基是特别稳定的自由基，在有机合成中用非常多的应用。TEMPO、NHPI等是代表性的氮氧自由基。位阻也是决定其稳定性的重要因素。,自由基的生成：,A.s键均裂B.光解反应C.单电子氧化或还原,自由基的生成均裂,通常利用N-O或X-X键均裂产生自由基。,张力环中的C-C键均裂也可以产生自由基,常用的自由基反应引发体系：,引用最广自由基引发体系：Bu3SnH,光化学激发产生自由基：,例如

13、：,单电子还原产生自由基：,某些化合物从还原性金属或金属盐得到一个电子，生成带有一个单位负电荷的自由基片段，这样的自由基中间体叫做：自由基负离子（radical anion）,通常是分子的反键轨道接收一个电子,单电子氧化产生自由基：,中性的有机分子失去一个电子，生成相应的自由基正离子（radical cation）。常用的单电子氧化剂有：Pb(OAc)4，Mn(OAc)3，(NH4)2Ce(NO3)6(ceric ammonium nitrate,CAN)等,常见的自由基反应：,A.对不饱和键加成（Addition to a p bond）B.碎裂反应（Fragmentation）C.原子提取

14、反应（Atom abstraction）D.自由基偶联反应（Combination）E.歧化反应（Disproportionation）F.电子转移反应G.亲核试剂的加成,自由基对不饱和键的加成：,自由基对p键加成，产生一个新的自由基。加成过程类似于碳正离子对p键的加成。,自由基环合：5-exo vs 6-endo,量子化学计算表明，自由基对双键加成环合以70o的角度是最佳角度，因此，即使新生成的自由基稳定性较低也会优先进行反应。,自由基对极性不饱和键的加成：,自由基对极化的不饱和键的加成有时和亲核试剂不同。例如，Bu3Sn自由基对C=S双键的加成是加在S原子上而不是C原子。,自由基碎裂反应：

15、,碎裂反应是加成反应的逆反应。与自由基中心邻近的s键发生均裂，其中一个电子和邻近的自由基形成一个新的p键，同时，产生一个新的自由基。,自由基原子提取反应(Abstraction)：,自由基X进攻Y-Zs键，生成一个新的s键X-Y，和一个新的自由基Z。被提取的原子通常为H或卤素。,三丁基锡基自由基（Bu3Sn）常常用来从C-X中提取重原子X。常见的被提取原子X有Br或I，有时Se或S也可以被提取。,例如：,利用自由基原子提取反应合成吲哚环：,John A.Murphy,Regis Tripoli,Tanweer A.Khan,and Umesh W.Mail Org.Lett.,2005,7,3

16、287,自由基偶联和歧化反应：,偶 联,歧化,歧化,经历自由基的命名反应：,反应机理：,偶姻（Acyloins）缩合反应,酮的双分子还原：,Birch Reduction,卡宾（Carbenes）,单线态亚甲基卡宾,三线态亚甲基卡宾,卡宾分为单线态卡宾和三线态卡宾。如果卡宾的两个非键电子是自旋配对的，称为单线态卡宾（singlet）。如果非键电子是未成对的，称为三线态卡宾（triplet）。,单线态卡宾与三线态卡宾的区分：,卡宾与双键的加成反应中，单线态卡宾立体专一性的生成环丙烷衍生物，而三线态卡宾则会生成顺反异构体的混合物。通常方法制备的亚甲基卡宾都是单线态卡宾。卡宾的生成方法往往决定着它的

17、状态。,卡宾的生成：,A.重氮化合物的光解,B.通过a-消除生成卡宾,卡宾的生成：,卡宾的反应：,A.卡宾对不饱和键的加成,Simmons-Smith反应：,反应机理：,例如：,卡宾的反应：,B.卡宾对饱和键的插入反应,只有高活性的卡宾才能发生插入反应，二卤卡宾不能发生插入反应。,氮宾（Nitrenes）,氮宾（又叫乃春），R-N，是卡宾的含氮类似物。氮宾的反应特点和卡宾十分相近。氮宾的活性远远大于卡宾，在通常情况下无法分离得到稳定的氮宾。但是，量子化学计算表明氮宾的稳定性要大于卡宾。,虽然单线态氮宾和三线态氮宾都可以制备，但是，大多数氮宾都是三线态的。,氮宾的生成：,A.消除反应生成氮宾,B.叠氮化合物的热解或光解,叠氮化合物的热解和光解是生成氮宾的最常用方法,氮宾的反应：,A.插入反应,B.对不饱和键的加成,氮宾，特别是酰基氮宾和磺酰基氮宾能对C-H键进行插入反应,Satoshi Minakata Acc.Chem.Res.,2009,42,1172,经历卡宾、氮宾的反应：,Endo exo,当桥环中无取代基的两个桥长度不等时，取代基更接近于较长桥为endo构型（内型），接近于较短桥为exo构型（外型）；当等长桥其中之一含有官能团时，视为较长桥；,