第四章 有机活性中间体

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）：
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
★碳正离子稳定性
A.空的p轨道被非键孤对电子所稳定 B.和p键共轭 C.被s键所稳定（超共轭hyperconjugation ） D.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
反键轨道
成键轨道
当非键孤对电子轨道和空的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)。
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：
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
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。
★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：
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。
※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状态。
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：
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）
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成分为50%。因此，sp杂化碳原子具有较高的 负电荷稳定能力。
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。
简单碳负离子的稳定性：
R-基团越稳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
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
★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 ）
endo exo
实验现象： 1.exo-降冰片磺酸酯反应速率比endo快350倍 2.产物都是exo
3. 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（1.74Å ），而 C1-C2键有一定程度的缩短（ 1.44Å ）。C2到C6之间 的距离，从原来的2.50Å 缩短到2.09Å 。这些数据明 显说明部分形成了三中心二电子的桥状结构。
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
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。
有 机 活 性 中 间 体
常见的有机活性中间体
碳正离子 碳负离子 有机活泼 中间体 自由基 自由基离子 非经典碳正离子
卡宾、氮烯及类卡宾 苯炔
碳正离子（Carbocation）
碳正离子的结构
sp3
sp2 平面形 角锥形
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。
John A. Murphy, Regis Tripoli, Tanweer A. Khan, and Umesh W. Mail Org. Lett., 2005, 7, 3287
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： ※偶姻（Acyloins）缩合反应
反应机理：
※酮的双分子还原：
碳正离子稳定性：
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
参与超共轭的s键越多，相应的碳正离子越稳定 3o > 2o >1o
碳正离子稳定化作用的相对大小：
n-p共轭
p-p共轭
超共轭
稳定化作用的相对强弱是：n > p > s。这是 由于填充轨道和空的p轨道线性组合时，能量越 接近稳定化能越大。
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