第四章 活性中间体
《活性中间体》课件
要点二
详细描述
自由基反应机理是指活性中间体与自由基发生反应，通常 是由于自由基的未配对电子所引起的。在反应过程中，自 由基进攻活性中间体的某个部位，形成新的键合。常见的 自由基反应包括：自由基加成、自由基取代和自由基聚合 等。
协同反应机理
总结词
协同反应是活性中间体的另一种重要反应类型，涉及多 个活性中间体的相互转化。
在材料科学中的应用
总结词
活性中间体在材料科学中有助于实现新型材料的合成和改性 。
详细描述
利用活性中间体的反应活性，可以在材料制备过程中引入所 需的官能团、晶格结构或特定的物理性质，从而实现对材料 性能的调控和优化。这为新型材料的设计和制备提供了新的 思路和方法。
PART 05
活性中间体的研究进展
活性中间体在合成中的新应用
总结词
活性中间体在有机合成中扮演着重要的角色，随着研究的深入，其在合成中的新应用也不断涌现。
详细描述
活性中间体因其独特的化学性质，在有机合成中具有很高的反应活性和选择性。近年来，科研人员利用活性中间 体成功合成了许多高性能材料、药物和功能分子。同时，通过深入研究活性中间体的反应机理和条件，可以进一 步优化合成路线和方法，提高产率和降低成本。
详细描述
在生物体内，活性中间体可以作为信号分子、代谢中间 产物或酶促反应的中间态，参与细胞代谢、能量转换、 信息传递等过程，对维持生命活动的正常进行具有至关 重要的作用。
在药物合成中的应用
总结词
药物合成中，活性中间体有助于实现高效、定向的分子转化。
详细描述
在药物研发和生产过程中，利用活性中间体可以大大提高合成效率，降低副反应，同时能够定向地修 饰药物分子，优化药效和降低副作用。活性中间体在药物合成中的运用对于新药开发和生产具有重要 意义。
有机化学常见活性中间体详解
有机化学常见活性中间体详解
高中化学常见官能团有：羟基（-oh）、羧基（-cooh）、醚键(-c-o-c-)、醛基（-coh）、羰基(c=o)等。
官能团，是决定有机化合物的化学性质的原子或原子团。
1、羟基（oxhydryl）是一种常见的极性基团，化学式为-oh。
羟基与水有某些相似的性质，羟基是典型的极性基团，与水可形成氢键，在无机化合物水溶液中以带负电荷的离子形式存在（oh-），称为氢氧根。
羟基主要分为醇羟基，酚羟基等。
2、羧基（carboxy），就是有机化学中的基本官能团，由一个碳原子、两个氧原子和一个氢原子共同组成，化学式为-cooh。
分子中具备羧基的化合物称作羧酸。
3、醚是醇或酚的羟基中的氢被烃基取代的产物，通式为r-o-r'，r和r’可以相同，也可以不同。
相同者称为简单醚或者叫对称醚；不同者称为混合醚。
如果r、r'分别是一个有机基团两端的碳原子则称为环醚，如环氧乙烷等。
多数醚在常温下为无色液体，有香味，沸点低，比水轻，性质稳定。
醚类一般具有麻醉作用，如乙醚是临床常用的吸入麻醉剂。
4、羰基中的一个共价键跟氢原子相连而共同组成的一价原子团，叫作醛基，醛基结构简式就是-cho，醛基就是亲水基团，因此存有醛基的有机物（例如乙醛等）存有一定的水溶性。
5、羰基（carbonyl group）是由碳和氧两种原子通过双键连接而成的有机官能团
（c=o），是醛、酮、羧酸、羧酸衍生物等官能团的组成部分。
在有机反应中，羰基可以发生亲核加成反应，还原反应等，醛或者酮的羰基还可以发生氧化反应。
活性中间体及在有机合成中的应用
碳负离子
总结词
具有负电荷的碳原子，是亲核试剂，稳定性受电子效应影响。
详细描述
碳负离子是亲核反应中的关键活性中间体，通常由富电子的碳原子与带负电荷的基团结合形成。由于 负电荷的集中，碳负离子具有稳定性，其稳定性同样受电子效应影响。在有机合成中，碳负离子可以 作为中间体，参与多种反应，如取代、加成和消除等。
活性中间体的稳定性问题
总结词
稳定性问题是活性中间体面临的主要挑战之一，因为它们通常具有较高的反应活性，容 易发生副反应或自分解。
详细描述
在有机合成中，活性中间体的稳定性对其应用至关重要。由于活性中间体的高反应性， 它们在合成过程中往往容易发生副反应或自分解，导致产物的纯度和收率降低。为了解 决这一问题，研究者们通常采取一系列策略，如优化反应条件、使用稳定剂或保护基等，
多步骤合成
活性中间体在多步骤合成中起到关键作用，通过 一系列的反应步骤实现复杂有机分子的合成。
串联反应
利用活性中间体的性质，将多个反应串联起来， 一步完成多个化学键的生成，简化合成过程。
组合化学
利用活性中间体在组合化学中的反应，实现大量 不同有机分子的快速合成和筛选。
04
活性中间体在有机合成中的 挑战与解决方案
05
未来展望
新型活性中间体的开发
探索新型的活性中间体
随着科学技术的不断发展，将会有更多新型的活性中间体 被发现和开发出来，这些新型的活性中间体将会在有机合 成中发挥更加重要的作用。
深入研究活性中间体的性质
为了更好地利用活性中间体，需要对其性质进行更加深入 的研究，包括其稳定性、反应性、选择性等方面的研究。
以增加活性中间体的稳定性。
活性中间体的选择性控制
要点一
有机催化反应的活性中间体研究
有机催化反应的活性中间体研究有机催化反应是一种重要的有机合成方法，可以高效、选择性地构建有机分子的键合。
而在催化反应的过程中，活性中间体的研究是至关重要的，它们可以通过稳定的方式催化反应，加速和导向反应的进行。
本文将探讨有机催化反应中的活性中间体研究，并介绍一些典型的活性中间体。
活性中间体是指化学反应中的中间产物，其反应活性高于起始物和产物。
这些中间体可以通过稳定的方式存在于反应体系中，从而充当催化剂的角色，参与并促进反应的进行。
对活性中间体的研究可以揭示反应机理的细节，有助于理解反应的速率、选择性和底物适用范围等方面的问题。
在有机催化反应中，活性中间体的研究主要集中在两个方面：1）活性中间体的合成和表征；2）活性中间体的反应机理。
为了合成活性中间体，研究人员通常采用先进的有机合成技术，通过设计合适的前体分子和反应条件，合成出目标中间体。
在合成过程中，需要考虑合成反应的温度、溶剂选择、催化剂的选择等多个因素，以确保中间体的高产率和高纯度。
合成后，研究人员可以通过核磁共振、质谱等多种技术手段对中间体进行表征，确定其结构和性质。
在反应机理的研究中，研究人员通常通过理论计算和实验验证的方法来解析活性中间体的形成和转化。
理论计算可以通过计算化学方法（如密度泛函理论）模拟中间体的构型和能量，从而推断其形成机制。
实验验证可以通过反应体系中有机合成步骤的定位同位素标记和同位素交换等方法，确定活性中间体的反应路径和转化过程。
以活性烯烃为例，其官能团的空间构型对活性中间体的形成和反应至关重要。
研究人员可以通过合成不同官能团的烯烃前体，并进行反应选择性研究，来揭示活性中间体的种类和反应路径。
此外，环状中间体的形成机理也是一个研究热点。
通过环闭合反应的研究，研究人员可以揭示环中间体的活性和稳定性，并探索它们在催化反应中的作用。
活性中间体的研究不仅对于理解有机催化反应机理具有重要意义，也可以为合成方法的改进和新反应的开发提供指导。
高等有机化学第四章有机反应中间体解析
正电荷分散程度大
共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：
CH2 CH 3C > CH2 CH 2CH > CH2 CHCH2
当共轭体系上连有取代基时，供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：
CH3
CH2 >
CH2 > O2N
CH2
环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：
3C >
2CH > CH2 >
含有带负电荷的三价碳原子的原子团。 是最早被确认的活性中间体
1、碳负离子的结构
两种构型： 未共用电子对占据p轨道
未共用电子对占据sp3杂化轨道
有利构型！
桥头碳负离子 角锥结构可以快速翻转，不具有手性
三元环碳负离子难于翻转 得到构型保持的氘代产物
当碳负离子与相邻的不饱和体系共轭时，平面结 构变为有利结构
CH2
环丙甲基正离子的结构：
C
其结果是使正电荷分散
CH2
空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖
随着环丙基的数目增多，
CH2
CH2
正碳离子稳定性提高。
直接与杂原子相连的碳正离子结构：
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。
CH3 O CH2
CH3O CH2
HC CH
NaNH3 液 NH3
HC CNa
NH3
Ph3C H
NaNH3 液 NH3
Ph3CNa
NH3
CH3COCH2COOEt NaOEt CH3COCHCOOEt
常用的碱 ■ 有机锂试剂：n-BuLi, PhLi, MeLi ■ KOBut ■ LDA
化学反应中的活性中间体研究
化学反应中的活性中间体研究在化学反应中，活性中间体是一种存在时间较短的化合物。
它们通常是反应物和产物之间的中间体，过渡状态或反应的不稳定良好。
因此，研究活性中间体是非常重要的，它能帮助理解反应机理，预测产物，设计更有效的反应条件。
在本文中，我们将讨论活性中间体的概念和研究方法。
1. 活性中间体的概念活性中间体可以通过两种方式理解。
一种是在化学反应中，产生的不稳定化合物。
这些化合物通过接受电子、质子或裂化键形成。
由于它们的不稳定性，它们会马上分解为其它化合物或与其它分子反应。
活性中间体包括，自由基、卡宾、反离子、三元分子等。
例如，在氧化还原反应中，存在一些不稳定基态的中间体，它们通过自由基反应创建出去电子的自由基，这些自由基则可以参与其他反应。
另一种理解活性中间体是在药物化学和生物化学的研究中使用的概念。
活性中间体可以是生物大分子操作的不稳定化合物，如DNA中的自由基、酰胺甲酰酶的反应中的酰化引发剂等。
不管是生物学还是化学，活性中间体的研究都非常重要。
它们的发现不仅有助于理解反应的化学机理和热力学，还可以为新药物研究和开发提供有价值的信息。
2. 活性中间体的研究方法研究活性中间体的方法有很多种类，但大多数方法都利用时间分辨技术。
这些技术包括研究光学、电化学、磁共振以及质谱学等。
研究光学技术，例如紫外吸收光谱与荧光光谱，可用于研究中间体的电子吸收光谱和荧光谱，并在物质的分子结构和反应动力学上提供了重要的信息。
电化学和磁共振可以检测活性中间体的氧化还原和磁性性质。
在电化学实验中，分别观察电流电势曲线或实验中伏安图对催化剂加入前后的反应进行评估。
磁共振技术则利用不同种类的电子和核自旋对活性中间体进行研究。
但对于大多数化学研究来说，活性中间体的研究最常用的方法，仍是质谱技术，尤其是中间体质谱技术。
中间体质谱技术是一种非常快速、准确的检测方法，可用于识别活性中间体的结构和它们与其它分子之间的反应。
中间体质谱技术的关键是如何产生所需的中间体。
有机活性中间体
过氧化物分解:
O
O
COOC
O
2
CO
偶氮化合物分解:
H3C
CH3
H3C C N N C CH3
NC
CN
偶氮二异丁腈
80~100 oC
H3C H3C C
NC
CH3 + N2 + C CH3
CN
23
• 2. 共价键的光分解
但极性非质子性溶剂（DMSO）可以溶剂化正离 子，不能溶剂化负离子，因此负离子在极性非质 子性溶剂中更加活泼，这也是一些反应所需要的。
OO-ຫໍສະໝຸດ SH3CCH3
H3C
S+ CH3
7
碳正离子中间体（ carbocation）
• 碳正离子的结构 • 一般碳正离子是sp2杂化状态，平面结构，中心碳
原子以三个sp3杂化轨道与另外三个原子或基团成 键，三个s键键轴构成平面，空着的p轨道垂直与 此面，正电荷集中在p轨道上。
RO R C O C Cl
R
X = OSOCl 氯亚磺酸酯 时也属于这一类。其推
动力是由于除去了二氧 化硫。
RO R C O S Cl
R
R R C + + C l- + C O 2
R
R R C + + C l- + S O 2
R
5. X 由= H醚2ORO或RR氧O原H 子键的断质裂子是
R O R'
负离子，只有在强亲电
试剂如Lewis酸或其他
CH3
稳定正离子的因素存在 H 3 C C H
下才能发生这一反应。
第四章-有机反应中活性中间体
CH3
H3C C Br
CH3
OHH2O
CH3
H3C C
Br
CH3
Transition state
CH3
-Br- H3C C +
H2O
CH3
Intermediate
CH3
H3C C
OH2
CH3
Transition state
CH3
H3C
C
+
OH2
CH3
-H+
CH3
H3C C +OH
CH3
分步反应的能峰图
C H 2> 3 C> 2 C H > C H 2
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：
C H 3 C H 2> C H 2> O 2 N C H 2
环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：
3C > 2 C H > C H 2> C H 2
环丙甲基正离子的结构：
C H 33 C >C H 32 C H >C H 3C H 2>C H 3
轨道交盖在这里
H
空的 p 轨道
σ- p超共轭效应：
CC
HH
共轭效应
烯丙型正碳离子：
CH2 CH CH2
CH
CH2
CH2
p-π共轭
电子离域
正电荷分散程度大
共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：
C H 2C H 3 C > C H 2C H 2 C H > C H 2C H C H 2
C
CH2
空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖
有机反应活性中间体
2 有机反应活性中间体有4种含碳原子的有机活性物种，它们一般只成2或3键，非常活泼，寿命很短，仅以中间体的形式存在并迅速转化为稳定的分子(其中也有些稳定的中间体可以分离出来)。
这4种活性中间体是碳正离子、碳负离子、自由基和碳烯(卡宾)，其中只有碳负离子具8电子结构。
除上述4种含碳的活性中间体之外，还有一些其它原子也因为带有电荷或孤对电子而成为有机反应的活性中间体，其中最重要的是氮烯(乃春)。
2.1碳正离子提示：命名自1902年以来，这些物种一直被称为碳鎓离子(carbonium ions)。
由于“鎓”(-nium)通常指成键数高于中性原子的离子，所以，这一叫法并不合理。
1971年，Olah提出将碳鎓离子(carbonium ions)保留给成5键带正电荷的碳，而用碳正离子(carbocations)命名3配位的带正电荷的碳。
1987年，IUPAC接受了上述定义。
2.1.1形成与反应(1)形成碳正离子，不论其稳定与否，一般通过两种途径形成：①直接离子化，与碳原子相连的基团带着原来共用的一对电子离去：②质子或其它正电荷物种加到不饱和体系的一个原子上，从而在其相邻的碳原子上形成正电荷：由于碳正离子是短寿命的过渡物种，所以，不论它以何种方式产生，一般都不经分离直接继续反应。
(2)反应碳正离子反应形成稳定产物的两种主要方式恰恰是其两种主要形成方式的逆反应。
①碳正离子可以和拥有孤对电子的物种反应(路易斯酸碱的反应)这些拥有孤对电子的物种可以是羟基负离子、卤素离子或其它负离子，也可以是带有可共享的孤对电子的中性物种(此时产生的中间产物也会带有正电荷)。
②碳正离子可以从相邻的原子上脱去氢或其它正离子(消除反应)除生成稳定产物外，碳正离子还可以通过反应得到新的碳正离子。
③重排重排后的碳正离子较原碳正离子稳定，之后，新碳正离子可能按①或②生成稳定的产物。
④加成碳正离子可以加到双键上，在新位置上再形成一个正离子，而这个新的碳正离子还可以继续往双键上加成，这也是烯烃聚合的机理之一。
5[1].有机反应活性中间体
![5[1].有机反应活性中间体](https://img.taocdn.com/s3/m/b9af3119227916888486d772.png)
• 与不饱和碳原子相连，为sp2杂化。 • 处于共轭体系的自由基，为sp2杂化。 • 自由基稳定顺序为：苄基、烯丙基>三级 碳>二级碳>一级碳>甲基>芳基
自由基的产生
1. 共价键受热均裂
2. 共价键光分解
• 能够结合取代基效应判断有机活性中间 体的稳定性。 • 掌握有机活性中间体的电子构型。 • 了解有机活性中间体的产生。
作业
• 1. 指出下列有机活性中间体的杂化方式并简要说明理 由。
• 2. 比较下列碳负离子的稳定性，并简要说明理由。
• 3. 比较下列碳正离子的稳定性，并简要说明理由。
X可以是：H, F, Cl, Br, I, OTs, OCOZ(Z为卤素）, H2O, ROH, N2+, CO, CO2 如：
2. 质子或其他阳离子与不饱和体系的加成
3. 由其他正离子生成
碳正离子稳定性影响因素
• 1. 电子效应 给电子基团使碳正离子稳定性增加，吸电子集 团使碳正离子稳定性降低。
2. 卡宾的稳定性 一般来说，三线态比单线态稳定，但当卡宾连有给电 子基团时，单线态更稳定。
3. 卡宾的作用 卡宾是典型的缺电子活性中间体，是重要的亲电试剂。 在插入反应、加成反应、重排反应中起着重要作用。
4. 卡宾的产生 (1) a—消除反应
(2) 重氮盐或 烯酮分解
（二）乃春（nitrene）
共轭效应可以明显稳定碳正离子
2. 空间效应
中心碳原子连接的 基团越大，则张力 越大，有利于碳正 离子的形成。
由于几何形状的限制， 右边的碳正离子很难 形成
第四章有机反应活性中间体介绍
H 空的 p 轨道
CC H
H
Liaocheng University
Organic Advanced Chemistry
②共轭效应
CH2 CH CH2
CH
CH2
CH2
p-π共轭
共轭体系的数目越多，碳正离子越稳定
(CH2=CH)3C+ > (CH2=CH)2CH+ > CH2=CHCH2+
Ph3C+ > Ph2CH+ > PhCH2+
常见的活性中间体有：碳正离子、碳 离子、自由基、卡宾、乃春、苯炔等六种。
Liaocheng University
Organic Advanced Chemistry
一. 碳正离子 (Carbocations（) 亲电反应中间体）
含义：带正电荷的三价碳原子的原子团。 最常见
特点：缺电子，∵带正电荷的碳有六个价电子。
Liaocheng University
C6H13CHCH 3 2BuLi I
C6H13CHCH 3 Li
1)CO2 2)H3O+
C6H13CHCH
3
COOH
-70℃时，60%构型保持；0 ℃时，外消旋化
2. 碳负离子稳定性
1）诱导效应
-I：分散负电荷，使碳负离子稳定；反之亦然
CH3- > MeCH2- > Me2CH- > Me3C-
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Organic Advanced Chemistry
常见化合物的pKa值
化合物
CH4 CH2CH2
C6H6 PhCH3 Ph2CH2 CF3H CHCH CH3CN CH3COCH3 PhCOCH3
第四章有机反应中的活性中间体汇总
1．杂化效应
如 ： CH≡C- > CH2=CH- > CH3-CH2-
sp
sp2
sp3
s成份： 50%
33%
25%
▪ 这种由于中心碳原子杂化状态的不同，对负碳离 子的稳定性产生的不同影响称为杂化效应。因为 这种不同的影响是由于杂化轨道中s轨道成分的 不同所造成的，所以也叫s-性质效应。
2．诱导效应
▪ 只有少数情况下，如在炔基或苯基正离子 中，正电荷不可能处于p轨道。
R-C≡C+
三.正碳离子的稳定性
▪ 正碳离子的稳定性与电子效应、空间效应 和溶剂效应有关。
1．电子效应 ▪ 使正离子中心碳原子上电子云密度增加的
结构因素使正电荷分散，使正碳离子稳定 性增高，相反，吸电子基团使中心碳原子 正电荷更集中，使正碳离子减小。
R-C-OO
R- + CO2
COOH
CH2
CO2
COOH
-CH2COOH H+ CH3COOH
3．负离子与碳-碳双键或叁键加成
▪ 负离子与碳碳双键或叁键加成也是生成负 碳离子的主要方法之一。
如：
CH≡CH + -OCH3
H+
-CH=CH-OCH3 CH2=CH-OCH3
二. 负碳离子的结构
▪ 不同的负碳离子由于中心碳原子连接的基团不同， 其构型有所不相同。
▪ 一般极性的质子溶剂如水能够有效地溶剂 化正离子和负离子，其中正离子是通过与 溶剂分子的未共用电子对偶极作用溶剂化， 而负离子则通过氢键作用溶剂化。
▪ 极性的非质子溶剂如二甲基亚砜（DMSO， CH3SOCH3），它虽然能够溶剂化正离子，但并 不能有效的溶剂化负离子，因为没有活泼氢可以 形成氢键，这样负离子在极性非质子溶剂中将更 为活泼（即不稳定），所以如选择不同的溶剂， 往往可以直接影响负离子的活泼性。
烯烃亲电加成反应机理及其活性中间体
烯烃亲电加成反应机理及其活性中间体
烯烃亲电加成反应是一种重要的有机合成反应，它可以将烯烃与电子富集的受体分子反应，从而产生烯烃亲电加成产物。
烯烃亲电加成反应的机理是，烯烃分子中的π共轭系统会与受体分子中的电子富集的部分发生共轭作用，从而形成烯烃亲电加成反应的活性中间体。
活性中间体是一种具有双重性质的分子，它既具有烯烃分子的特性，又具有受体分子的特性。
活性中间体可以与受体分子发生反应，从而产生烯烃亲电加成产物。
烯烃亲电加成反应的活性中间体有多种，其中最常见的是烯烃亲电加成反应的碳碳双键中间体。
这种中间体是由烯烃分子和受体分子的电子富集部分结合而成的，它具有双重性质，既具有烯烃分子的特性，又具有受体分子的特性。
碳碳双键中间体可以与受体分子发生反应，从而产生烯烃亲电加成产物。
此外，还有一种烯烃亲电加成反应的碳氢双键中间体。
这种中间体是由烯烃分子和受体分
子的电子富集部分结合而成的，它具有双重性质，既具有烯烃分子的特性，又具有受体分
子的特性。
碳氢双键中间体可以与受体分子发生反应，从而产生烯烃亲电加成产物。
综上所述，烯烃亲电加成反应的机理是，烯烃分子中的π共轭系统会与受体分子中的电子富集的部分发生共轭作用，从而形成烯烃亲电加成反应的活性中间体。
活性中间体可以与
受体分子发生反应，从而产生烯烃亲电加成产物。
烯烃亲电加成反应的活性中间体有碳碳
双键中间体和碳氢双键中间体两种，它们都具有双重性质，既具有烯烃分子的特性，又具
有受体分子的特性。
第四章 活性中间体
CH3NO2
KOC2H5 HOC2H5
-CH2NO2
31
(2) C-C的异裂
O RCO
R + CO2
(3) 负离子对双键（三键）的加成
HC CH OCH3
CH CH OCH3 HOCH3 CH2 CH OCH3
32
3. 影响负碳离子稳定性的因素：
1) 杂化效应（s-性质效应）
—
HC C > CH2 CH ~ Ar— >
> CH3CH2
2) 诱导效应
负碳离子中心碳原子上连接有强的吸电子基
时，可分散负电荷，使负碳离子稳定。
稳定性：(F3C)3C- > F3C- > CH33) 共轭效应
负碳离子中心碳原子与π键相连时，未共用电 子对与π键共轭，电子离域，负碳离子稳定。
(
)3C- > (
)2CH- >
CH233
4）芳香性 具有芳香性的环状碳负离子稳定性好。
3. 自由基的稳定性 键的解离能
4
四. 碳烯 （卡宾） (Carbenes) 1. 碳烯的结构 单重态碳烯 (singlet state) 三重态碳烯 (triplet state) 2. 碳烯的生成 a. 分解反应 b.α－消除反应 3. 碳烯的反应 a. 对 C = C 的加成 b. 对 C －H的插入
CH3 CH3
Cl CH3
CH3 Cl
SbF5-SO2
CH3 CH3
1H NMR只检测到一个峰
(4n+2)规则
+ CH3 + CH3
CH3 CH3
CH3
++ CH3
离域体系
16
有机合成中的活性中间体与过渡态
有机合成中的活性中间体与过渡态有机合成是一门重要的化学领域，通过一系列的反应步骤，将简单的化合物转化为复杂的有机分子。
在这个过程中，活性中间体和过渡态起着至关重要的作用。
本文将介绍有机合成中常见的活性中间体和过渡态，并探讨它们的作用和应用。
一、活性中间体在有机合成中，活性中间体是反应的关键步骤，通常是不稳定的中间化合物。
这些中间体具有较高的反应活性，因此它们在反应过程中往往只是暂时产生并立即参与下一步的反应。
1. 碳正离子碳正离子是有机合成中常见的一类活性中间体。
它们具有带正电荷的碳原子，通常以正离子形式存在。
碳正离子反应活性极高，但也容易重新排列或发生反应，因此需要注意控制反应条件，以避免副反应的发生。
2. 碳负离子碳负离子是另一类重要的活性中间体。
与碳正离子相反，碳负离子具有带负电荷的碳原子，通常以负离子形式存在。
碳负离子的反应活性同样很高，但由于带负电荷的不稳定性，需要合适的条件来稳定这些负离子。
3. 自由基自由基是带有未配对电子的中间体，通常以单个原子的形式存在。
它们反应活性很高，并且可以引发链式反应。
自由基反应在聚合反应、氧化反应和阻聼反应等方面具有广泛的应用。
二、过渡态过渡态是反应中的瞬时状态，是从反应物向生成物转化过程中的高能量中间环节。
它们在反应过程中起到催化剂的作用，降低反应的活化能，加速反应速率。
1. 转移性过渡态转移性过渡态是指在有机反应中，通过键的形成和断裂实现反应物到产物转化的过程。
它们通常包括键的形成、局部键的断裂和新键的形成等反应步骤。
有机合成中经典的转移性过渡态包括亲核取代、氧化还原等反应。
2. 物质的中间态物质的中间态是指在反应过程中，通过过渡态形成的具有较高能量的中间分子。
这些中间态在反应中参与键的重排和重新组合，最终形成产物。
物质的中间态通常具有较短的寿命，需要合适的条件来稳定和利用。
三、活性中间体与过渡态的应用活性中间体和过渡态在有机合成中有着广泛的应用。
第4章机理描述和活性中间体
1、有机物的酸性相对强弱(p46-48)概念扩展： 被碱夺去质子的难易 2、复习酸碱电子理论：Lewis酸碱 3、能分析各种因素对酸碱相对强弱的影响 4、了解硬软酸碱理论：离子半径与基团变形性 5、了解酸碱催化(p61)：一般酸(碱)催化，起催 化作用的是所有酸(碱)，包括分子状态的和离 子状态的；特殊酸(碱)催化，催化作用的是H+ 或溶剂化H+ （溶剂共轭碱），主要指强酸(碱)
第四章 有机反应机理的研究和描述
• 研究反应机理的目的:认识理解在反应过 程中，旧键断裂和新键形成的位臵、过 程、次序、方式等一般性变化，通过概 括归纳出一般性理论。 • 反应进行的途径取决于：(1)反应分子自 身的反应性能、进攻试剂的性能(内因) 和(2)反应条件(外因)
4.1有机反应分类
• 自由基(free radical, 亦称游离基)反应： 键均裂
动力学研究反应机理的局限性
• 对于某一反应，有关的几个机理可以推论出 同一种速率方程，这些机理是“动力学上相 当的”，所以只根据动力学是不可能作出选 择的（只能排除与动力学结果不相符合的假 设，还需其他手段进一步验证、排除）。
• 不能提供过渡态的结构信息。
4.3.3 过渡态理论
• 假设一个反应先达到一个 过渡态，然后从过渡态以 极快的速度变成产物 :
• 亲电试剂和亲核试剂分类见教材p69
4.3 反应速率理论
4.3.1反应的能学原理——热力学
• △G=△H-T△S =-RTlnK ：△H为总能量差， △S为总熵差，T为反应温度 • △G<0, 则K>1, 平衡时产物浓度大于反应物浓 度， △G负得越多，反应进行得越彻底，要 使反应正向发生，产物的自由能必须低于反 应物的自由能，即必须是△G负值。 • T△S << △H时，反应条件对反应方向和程度 不起决定作用，反应正向进行趋势强烈 • △H~T△S时，T对△G符号有决定性作用，可 以控制反应条件使反应向需要方向进行！
第四章 有机活性中间体
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。
antiaromatic
反芳香性
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
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
sp3 sp2 平面形 角锥形
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。
★非经典碳正离子
1.邻基参与（ Neighboring-Group
Participation
）
k=1
krel = 660
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完全不同。
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。
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）
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CH3 H3C C + H +O + SO F3 3 CH3 + SbF + SO
5 2
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。 介质中进行的。
非经典正碳离子
1) π键参与的非经典正碳离子 键参与的非经典正碳离子 实验表明： 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 大 1011倍 +
CH3O
CH2
类似地，羰基正离子： 类似地，羰基正离子：
R C O
R C
O
乙烯型正碳离子： 乙烯型正碳离子：
H R
C
C
H
+
C原子进行 2杂化， p轨道 原子进行sp 杂化， 轨道 原子进行 用于形成π键 空着的是sp 用于形成 键，空着的是 2 杂化轨道，使正电荷集中。 杂化轨道，使正电荷集中。
苯基正离子： 苯基正离子：
第四章 有机反应活性中间体 (Reactive intermediates)
正碳离子(Carbocations) 一. 正碳离子 （一）. 正碳离子 的结构 ( )
（二）. 正碳离子的稳定性 ( ) 取代基效应的影响 溶剂效应的影响( 溶剂效应的影响 ) 正碳离子的生成( （三）. 正碳离子的生成 ) 1. 直接离子化 2. 正离子对不饱和分子的加成 3. 由其它正离子转化
负碳离子： 负碳离子： 带有一对 孤对电子的三 价碳原子的原 子团。 子团。
NH 3
Ph 3 CNa
NaOEt
CH3COCH2COOEt
CH3COCHCOOEt
2. 负离子对双键的加成
HC CH OCH3 CH CH OCH3
HOCH3
CH2 CH OCH3
负碳离子的结构 ..
90° °
C
sp3 杂化 棱锥型
空的 p 轨道 易于溶剂化
C
CH3
溶剂
正碳离子的生成： 正碳离子的生成：
1) 直接离子化
RX
Ph CH Cl Ph
H
R
通过化学键的异裂 X 而产生。 而产生。
Ph2CH
Cl
R OH
ROH2
BF3
R
H2O
CH3COF
C Z H
CH3CO
C ZH
BF4
Z: O,C,S,N
2) 对不饱和键的加成
C C
p-π共轭 共轭
电子离域
正电荷分散程度大
共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定： 共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：
CH2 CH 3C
CH2
>
CH2 CH 2CH
3C
>
2
CH 2 CHCH2
>
>
CH
>
CH2
当共轭体系上连有取代基时， 当共轭体系上连有取代基时，供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： 稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：
C6H12CH CH3 Li
2 H 3O
C6H12 CH CH3 COOH
影响负碳离子稳定性的因素： 影响负碳离子稳定性的因素： 1) s-性质效应 性质效应
HC
C
> CH2 CH
> CH3CH2
2) 诱导效应 3) 共轭效应
因此，一个负碳离子是否稳定 有两个重要影响因素：
1、如果与它相邻有较大的共轭体系，如双键、 、如果与它相邻有较大的共轭体系，如双键、 三键、苯环等， 三键、苯环等，由于负离子的电荷能扩散到 共轭体系，所以，会大大稳定。 共轭体系，所以，会大大稳定。这时候的负 碳离子是SP2杂化。 杂化。 碳离子是 杂化 2 如果邻接基团是一个甚至多个强的吸电子 基团，如硝基、羰基、正离子等， 基团，如硝基、羰基、正离子等，负碳离子 的电荷能分散到它们，所以，就比较稳定。 的电荷能分散到它们，所以，就比较稳定。 需要注意的是： 需要注意的是 负碳离子周围的烷基越多就
TsO H AcO
AcOH -TsO Ts = CH3 SO2
相应的饱和化合物
7
H
5 3 4 2
1
2电子 中心体系 电子3中心体系 电子
2)σ键参与的非经典正碳离子 键参与的非经典正碳离子 键参与的非经典
外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯 外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯 速度 相应的内型化合物 溶剂解 大350倍 倍
结构同乙烯型正碳离子，正电荷 结构同乙烯型正碳离子， 集中在sp 杂化轨道上。 集中在 2杂化轨道上。
此二类正碳离子稳定性极差。 此二类正碳离子稳定性极差。
溶剂效应： 溶剂效应：
1) 溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。 溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。 2) 溶剂使正碳离子稳定： 溶剂使正碳离子稳定： 3) 极性溶剂：溶剂化作用 极性溶剂： 利于底物的解离。 强，利于底物的解离。
非经典正碳离子(Nonclassical Carbocations) （四）. 非经典正碳离子 1.π键参与的非经典正碳离子 ) 键参与的非经典正碳离子( 键参与的非经典正碳离子 2.σ键参与的非经典正碳离子 ) 键参与的非经典正碳离子( 键参与的非经典正碳离子
二. 负碳离子 (Carbanions)
C C
Z
电负性 (Electronegativeties)
C -I
Z C H
标准
C +I
Z
规则： 规则： 1. 同周期的原子： -CH3 < -NH2 < -OH < -F 同周期的原子： 2. 同族的原子： F > Cl > Br > I 同族的原子： 电负性： 电负性： 4.0 3.0 2.8 2.5
一. 正碳离子 (Carbocations)
含有带正电荷的三价碳原子的原子团。 含有带正电荷的三价碳原子的原子团。 1. 正碳离子的结构 H
H 3C
C
H
+
H
C
CH 3
sp2 - sp3 σbond
H 3C
sp2 - s σbond
CH3
+ 的轨道结构
(CH3)3C + 的轨道结构
sp2杂环
平面三角构型
C C C H
δ
δ
δ
O
δ
HCN
NC C C C OH H
OH
δ δ δ
苯酚分子中氧原子上的孤对电子与 苯环上的π电子形成 共轭。 苯环上的 电子形成 p- π共轭。 共轭 结果： 使羟基的邻、 结果： 使羟基的邻、对位的碳原子 带有部分的负电荷。 带有部分的负电荷。
O R C OH
传递方式： 键 传递方式： π键
常见的超酸 与100％H2SO4的酸性比较 ％ HSO3F （氟硫酸） 氟硫酸） 1000倍 倍 HSO3F － SbF5 （魔酸） 103倍 魔酸） HF－SbF5 1016倍 － 叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子： 叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：
CH3 H3C C OH CH3
HCl
H
C C
Cl
C O
NH 2
C OH
C OH
3) 由其它正离子转化而生成
NaNO 3 HCl
N2
N2
H
H Ph3CSbF6 SbF6
4) 在超酸中制备 正离子溶液 在超酸中制备C正离子溶液 的酸性更强的酸－ 比100％的H2SO4的酸性更强的酸－超酸 (Super acid) ％ 的酸性更强的酸
C
δ
δ
C
δ
δ
Cl Cl Cl
δ
取代基的影响 分子链 传递 电子云密度 分布不均匀 取代基性质 方向 转移的结果 －诱导效应
C C C
δ
C
δ
结构特征： 结构特征： 单、双、叁键 传递方式： 、 键 传递方式：σ、π键 传递强度：与距离相关。距离越大，强度越弱。 传递强度：与距离相关。距离越大，强度越弱。 诱导效应的相对强度： 诱导效应的相对强度：取决 取代基 中心原子
109°28′ °
C
sp2杂化 平面三角型
孤对电子处于 杂化轨道上， 稳定。 烷基负碳离子为棱锥型 sp3杂化轨道上，C -稳定。
轨道夹角为109° 28′时，电子对间的排斥力小， 轨道夹角为 ° 时 电子对间的排斥力小， 利于负碳离子稳定。 利于负碳离子稳定。
C6H12 CH CH3 I
BuLi 1 CO 2
空间效应 （位阻效应） 物理的相互作用 位阻效应） 电子效应 (Electronic effect)： ： 由于取代基的作用而导致的共有电子对 沿共价键转移的结果。 沿共价键转移的结果。
O O2N CH2 C O H > CH3
O C O H
（一）. 诱导效应 (Inductive effect)
HOAc OAc OBs
HOAc OBs
-OBs
对溴苯磺酸根
二、负碳离子 (Carbanions)
1. C-H的异裂 （金属有机化合物的生成） 的异裂 金属有机化合物的生成）
C H + B
共 轭酸
HC Ph 3 C CH H
NaNH 3 液 NH 3 NaNH 3 液 NH 3
C + HBFra bibliotek共轭碱HC CNa NH 3
CH3COOH pKa 4.76 ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH 2.86 1.29 0.65
取代基效应： 取代基效应： 分子中的某个原子或原子团对整个分子 或分子中其它部分产生的影响
电子效应 取代基效应 场效应
诱导效应 共轭效应 空间传递