第四章 有机活性中间体

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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。
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. 原子提取反应 ( Atom abstraction ) D. 自由基偶联反应 ( Combination )
E. 歧化反应 ( Disproportionation )
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。
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
B.p键电子对碳正离子的稳定化作用
反键轨道
成键轨道
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。
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:
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。
★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)。
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
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)
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。
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 ):
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
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

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。
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
sp3 sp2 平面形 角锥形 ▲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·;
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
★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
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:
※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。
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。
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)
Байду номын сангаас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。
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。
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。
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:
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. 重排反应
与亲核试剂的反应
碎裂反应( Fragmentation )
卡宾的生成:
A.重氮化合物的光解
卡宾的生成:
B.通过a-消除生成卡宾
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。
▲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:
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):
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