有机反应活性中间体介绍
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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
第九章 反应活性中间体-卡宾、乃春、芳炔
0.0007
为何CHCl3的水解速度这样快？
快
1944年，Durk曾报道，在一
慢
次失败的实验中曾用到过卡宾。
1950年Hine & Doering进一步阐述
了卡宾，引起人们的重视，并逐渐
发展成为一个比较活跃的领域。
一. 卡宾的结构
卡宾为缺电子的，其中心碳原子具有两个非键轨道。在此两个非键轨道间分 布着两个电子。这两个电子可位于同一轨道或每个轨道中各一个电子。
一. 乃春的结构和稳定性
N
sp
单线态氮宾
N sp 三线态氮宾
乃春可以以两种形式即单线态和三线态存在，其中大部分乃春的基态是三 线态。
二. 乃春的生成方法
1. 热解与光解
1）叠氮化合物
2）叠氮甲酸酯
3）叠氮砜类化合物
2. a-消去
利用消除反应形成乃春相对比较少见。例如，用碱处理芳基磺酰羟胺可得 乃春：
单线态或三线态，具体哪一个为卡宾的真正基态（最低能量状态），取决于 取代基的性质。
大部分卡宾为三线态，但当两个取代基具有未共享电子对（F、Cl、Br、I、 NR2等）时，则单线态为正常的基态。也有人认为，绝大多数卡宾开始生成时为 单线态，但会在惰性气体存在下经碰撞而转变为三线态。
三线态卡宾可以认为是一个双基自由基，具有顺磁性（ESR可测其信号）：
乃春（nitrene），又名氮宾、氮烯或亚氮，是缺电子的一价氮活性中间体， 乃春的N原子具有六个价电子，只有一个σ键与其它原子或基团相连。
乃春, R-N, 是卡宾的氮类似物，它和卡宾一样为高度活性物质。在4K, 通过 模床捕集，曾经离析到过烷基乃春，在77K,曾经捕集过芳基乃春。
由于乃春非常不稳定，所以对乃春的了解没有对卡宾的了解多。了解比较 多的只有几个系列，即羰基乃春、芳基乃春和氨基乃春等。其中羰基乃春和氨基 乃春比较重要。
有机化学中的活性中间体
O 强碱 PhCCH2CH3 -H O PhCCHCH3 C5H11Br O PhCCHCH3 C5H11
O PhC=CHCH3 C5H11Br
Br OCH3 NaNH2 Br OCH3
OC5H11 PhC=CHCH3
OCH3
NH2
OCH3
NH2
OCH3
NaNH2
NH3
5.2负碳离子
5.2.2 结构和稳定性
CH3 D
+
+
D
CH3
CH3
69%
4.5%
15.4%
5.2 负碳离子
当中心碳原子和>C=O、-CN等相连时，孤电子对和π键的
共轭，同时二者也是强吸电子基团，使负电荷得到很好的 分散，更稳定。如:
O R O R R O CN Cl3C CCl3
(2) S 成分含量的影响：
碳负离子电子对所占据的轨道含S成分越多，越稳定。
..
Li Cl Li
1, CO2 2, H2O HO2C
桥头碳卤代的卤代烷很难发生取代反应，因为SN1历程，要有 平面结构的正碳离子形成； SN2历程，亲核试剂要背后进攻。
5.2 负碳离子
已经制备出负碳离子的固体产物，其X-衍射测定结
果表明碳负离子不是平面结构，而 是接近与SP3杂化的锥形结构。
N CN CN
子的稳定性。在碱存在下：
k1 k-1
k1 k-1
C
H + B:
C
+ BH
Ka =
5.2 负碳离子
一般情况下，烃的酸性很弱，因而需要比一般滴定方 法要复杂的技术来测定。 测定方法： A、竞争方法：使用两个酸性烃和它们的金属盐之间建立 起来的平衡来测定：
O PhC=CHCH3 C5H11Br
Br OCH3 NaNH2 Br OCH3
OC5H11 PhC=CHCH3
OCH3
NH2
OCH3
NH2
OCH3
NaNH2
NH3
5.2负碳离子
5.2.2 结构和稳定性
CH3 D
+
+
D
CH3
CH3
69%
4.5%
15.4%
5.2 负碳离子
当中心碳原子和>C=O、-CN等相连时，孤电子对和π键的
共轭，同时二者也是强吸电子基团，使负电荷得到很好的 分散，更稳定。如:
O R O R R O CN Cl3C CCl3
(2) S 成分含量的影响：
碳负离子电子对所占据的轨道含S成分越多，越稳定。
..
Li Cl Li
1, CO2 2, H2O HO2C
桥头碳卤代的卤代烷很难发生取代反应，因为SN1历程，要有 平面结构的正碳离子形成； SN2历程，亲核试剂要背后进攻。
5.2 负碳离子
已经制备出负碳离子的固体产物，其X-衍射测定结
果表明碳负离子不是平面结构，而 是接近与SP3杂化的锥形结构。
N CN CN
子的稳定性。在碱存在下：
k1 k-1
k1 k-1
C
H + B:
C
+ BH
Ka =
5.2 负碳离子
一般情况下，烃的酸性很弱，因而需要比一般滴定方 法要复杂的技术来测定。 测定方法： A、竞争方法：使用两个酸性烃和它们的金属盐之间建立 起来的平衡来测定：
第二章 有机反应中的活性中间体详解
乙烯型正碳离子：
HC C H
R
+
C原子进行sp杂化， p轨道 用于形成π键，空着的是sp 杂化轨道，使正电荷集中。
苯基正离子：
结构同乙烯型正碳离子，正电荷 集中在sp杂化轨道上。
此二类碳正离子稳定性极差。
（2）空间效应
如果中心碳原子连接的基团越大，则原来张力也越大，因而形 成碳正离子后张力越松弛，碳正离子也越容易生成、稳定性越 大。所以碳正离子的稳定性叔>仲>伯的顺序也是空间效应的结 果。
（4）芳构化效应
具有芳香性的环状正离子比较稳定
2+
2+
三、碳正离子的形成
一般有三种方法产生碳正离子。 1.由反应物直接生成 ：
与碳原子直接相连的原子或原子团带着一对成键电子裂解， 产生碳正离子。极性溶剂、Lewis酸常有促进效果。
1）X=H。烃很少自动失去氢负离子，只有在强亲电试剂如 Lewis酸或其它稳定正离子的因素存在下才能发生这一反应。
2）X=F、Cl、Br 或I。这是SN1异裂反应。Lewis酸或AgNO3可加 速这种电离作用。
3）X=OTs 酯类衍生物。OTs是一个很好的离去基团，这类 酯很易解离。
4）X=OCOZ ，其中Z= Cl、Br或I，其推动力是由于形成二 氧化碳。
5）X=H2O或ROH。断裂是由醚ROR中氧原子的质子化引 起的。
O RCHCH2R
RCHOH RCHCH2CHR
OH
2）亲电试剂与炔烃加成 3）小环在酸介质中开环 4）羰基质子化反应
55)）环环氧氧化化合物物在在酸酸介介质质中中开开环环 练习： 6）卡宾质子化反应
3. 由其它正离子生成 (重排反应等 )
四、碳正离子参与的反应类型
第六章 有机反应活性中间体
RC
CR'
RX + R'2CuLi
R-R' + R'Cu + LiX
23
（3）羧基化和脱羧反应
羧化:
O O
RMgI+ O
C
O
H
OMgI
R
R
OH
O
O
CH3Li + O C O
物质量的比 1 : 1
H
OLi
H3C
R
OH
脱羧:
CH3COONa
-CO2 NaOH 400℃
CH3 + CO2 H+ CH4
当羧基的邻位 有拉电子基时, 可以在较低温 度下脱羧.
稳定的 自由基
O
( iii) 键的离解能 自由基是由共价键均裂产生的, 键 的离解能越大, 产生的自由基越不稳定,容易二聚生 成原来化合物。键的裂解能小的键如含有-O-O-, C-N=N-C 等弱键的化合物, 所产生的自由基比较 稳定。
30
常见自由基按稳定性排序:
(C6H5)3C > (C6H5)2CH > C6H5CH2 > CH2=C H CH2 > (CH3)3C > CH3 CHCH2CH3 >
- OH -
+ N2
（5）质子或其他带正电的原子团与不饱和键加成。
+ R+ (CH 3)3C=CH 2 + H+
CH 3
R (CH 3)3C+-CH 3 CH3CH-CH 2CH3
13
+ H+
6. 碳正离子的反应
1. 与带有电子的亲核体结合：取代反应（SN1） R+ + Nu- RNu
2 有机反应活性中间体
H2C CH2 H3C CH2 CH-NH2
50%
β - 插入
H2C CH2 H3CHC N H CH2
c.重排反应 (一般是烷基乃春重排) P88 .. R-C-N: RCH=NH 亚胺 (Schiff碱) H d.二聚
30%
2Ar-N:
Ar-N=NAr
Chapter 2
六.苯炔 (Benzyne)
Chapter 2
有机反应活性中间体
三.游离基(自由基 free radical)
自由基的反应一般有以下六种： ①偶联与歧化反应（偶联指二聚， 歧化一般是自由基夺取原子的反应） ②碎裂反应 ③重排反应（重排一般是芳基的迁移） ④取代反应（卤代等） ⑤自氧化反应 ⑥加成反应
Chapter 2
四.卡宾 (Carbenes)
b
Chapter 2
有机反应活性中间体
四.卡宾 (Carbenes)
H
CH2
H
H
C
H
sp2杂化 单线态
a b
sp杂化 三线态
CH2( )
惰性气体
CH2( )
液相中——以单线态进行 惰性气体中，光敏剂中——以三线态进行
Chapter 2
有机反应活性中间体
卡宾的类型：
①:CH2, :CHR, :CRR’ (R为烷基) ②:CHX, :CRX, :CXX’ (X为卤素) ③:CHY, :CRY, :CYZ (Y、Z为-OR、-SR、 -CN、-COOR等基团) ④CR2=C:,CR2=C=C
有机反应活性中间体
卡宾是一类包含只有六个价电子的两价碳原子 化合物的总称，其中四个价电子在二个共价键 上，另外两个电子未成键。其中最简单的是亚 甲基，其它可看作亚甲基的衍生物。 1.卡宾的结构、类型及命名 a.两个电子占据同一轨道，自旋相反 b.两个电子各占一个轨道，自旋相同或相反
有机反应活性中间体
常用氧化还原剂： Fe2＋/Fe3+、Cu+/Cu2+、Ti2+/Ti3+、Co3+/Co2+等。
H2O2 + Fe2+ RCOOH + Fe2+
HO + OH－ ＋ Fe3+ RCO + OH－ ＋ Fe3＋
采用电解法也能够产生自由基。
阳极：RCOO－ －e R + CO2
阴极：2 R C R +e 2 R C R
可能填充方式：a）2个电子占据1个轨道，自旋相反； b）2个电子各自占据1个轨道，其自旋方宾
三线态卡宾
单线态、三线态是光谱学上旳术语。
一般以为：单线态卡宾中心碳原子采用sp2杂化，三线态 卡宾中心碳原子采用sp杂化，可被看成是双自由基。理 论上，单线态键角应为120º，三线态键角应为180º，实 际并非如此。
R H2O
b、对不饱和键旳加成
CZ H
C ZH
Z: O,C,S,N
CC
HCl
CC
Cl
C O H C OH
C OH
c、由其他正离子转化而生成
NH2 NaNO3
N2
HCl
HH
Ph3CSbF6
N2
SbF6
(3)非经典碳正离子
Brown和Schleyer以为：假如能用个别旳路易斯构 造式来表达，其碳正离子旳价电子层有六个电子， 与三个原子或原子团相连，如+CH3，R3C+等称为 经典碳正离子。
三线态卡宾
(2)卡宾旳生成
能形成卡宾旳化合物：HCCl3、CH2=C=O、CH2N2
主要有下列几种方式： 1）－消除反应
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
有机活性中间体
• 偶氮化合物分子中含有较弱键，易均裂产生自由 基。过氧化物同样也常用作自由基引发剂。
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。
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
有机反应中四种中间体
O R C CHN2 O
-N2 Ag2O
H2O
CH:
R
C
RCH2COOH
酰基卡宾变成的烯酮的重排叫 Wolff 重排，以此为基础制备高一级羧酸的方法叫 Arndt-Eistort 合成法 3.4.5 二聚反应 卡宾十分活泼，往往来不及相互聚合就一极和其它物质反应了。但在闪光分解或稍加热 的惰性条件下是可以得到二聚产物的。
CH3 CH3 CH3
-
-
。单线态卡宾的插入反应是协调的一步反应，而三线态卡宾
C
H+:CH2
C C H2
H
CH2 H
C
H+:CH 2
C· + H2 C·
H
C· + H 2C·
H
CH2 H
单线态卡宾比三线态卡宾活泼，所以它的选择性比三线态高。 3.4.3 加成反应 卡宾可以与不饱和键，如 C=C，C=N，C=P，N=N，C=C 等加成反应。烯烃双键电子密 度越高，反应活性越大。单线态卡宾加成反应是协调同的一频应，烯烃的立体化学在环加成 产物中保持不变。而三线态卡宾加成则是双自由基的两步 基的两步反应，它无论与顺或反式烯烃作用得到的是混合物。Simmons-smith 反应是有 立体特异性的顺式加成反应，先生成单线态卡宾，烯烃的构型因而保持不便。例：
(1)单分子亲核取代反应(Sn1)； (2)芳烃的亲电取代反应；(3) 单分子消去反应 E1；(4)与烯 烃加成生成更大的碳正离子；(5)从烷烃上消去一个 H；(6)重排反应，如 Wagner-Meerwein 重排 Demyanov 重排，生成更稳定的碳离子。 1.5 碳正离子的应用 利用取代反应可以制备很多物质，而消去脱氢也是制备某些烯烃等的一种重要方法。阳 离子聚合可以制备很多有用的高分子材料，但起反应机理有待进一步研究。 ２ 碳负离子 碳负离子是存在的，尽管简单未被取代的碳负离子尚未离析。 2.1 碳负离子有孤对电子，中心碳原理以 SP 杂化，孤对电子占据了四面的一个顶点，因 为它呈角锥结构。形成烯醇化物而稳定的碳负离子是平面形的。 2.2 碳负离子的稳定性 2.2.1 未共享电子不饱键共轭，这种因素造成了碳负离子的烯丙式和芳式的稳定性。 2.2.2 S-特性效应：碳负离子的稳定性随着碳负离子 S 成分的增加而增加。 2.2.3 诱导效应导致稳定性 伯 C>仲 C>叔 C，而这一点与碳正离子正好相反。 2.2.4 芳香性效应：有芳香性的碳负离子更稳定。 2.2.5 溶剂化效应。 2.2.6 连有硫或磷原子稳定的碳负离子稳定性增大，其原因尚有争论。 2.2.7 共振效应：共振使碳负离子的负电荷更分散， 碳负离子更稳定。 2.3 碳负离子的产生
-N2 Ag2O
H2O
CH:
R
C
RCH2COOH
酰基卡宾变成的烯酮的重排叫 Wolff 重排，以此为基础制备高一级羧酸的方法叫 Arndt-Eistort 合成法 3.4.5 二聚反应 卡宾十分活泼，往往来不及相互聚合就一极和其它物质反应了。但在闪光分解或稍加热 的惰性条件下是可以得到二聚产物的。
CH3 CH3 CH3
-
-
。单线态卡宾的插入反应是协调的一步反应，而三线态卡宾
C
H+:CH2
C C H2
H
CH2 H
C
H+:CH 2
C· + H2 C·
H
C· + H 2C·
H
CH2 H
单线态卡宾比三线态卡宾活泼，所以它的选择性比三线态高。 3.4.3 加成反应 卡宾可以与不饱和键，如 C=C，C=N，C=P，N=N，C=C 等加成反应。烯烃双键电子密 度越高，反应活性越大。单线态卡宾加成反应是协调同的一频应，烯烃的立体化学在环加成 产物中保持不变。而三线态卡宾加成则是双自由基的两步 基的两步反应，它无论与顺或反式烯烃作用得到的是混合物。Simmons-smith 反应是有 立体特异性的顺式加成反应，先生成单线态卡宾，烯烃的构型因而保持不便。例：
(1)单分子亲核取代反应(Sn1)； (2)芳烃的亲电取代反应；(3) 单分子消去反应 E1；(4)与烯 烃加成生成更大的碳正离子；(5)从烷烃上消去一个 H；(6)重排反应，如 Wagner-Meerwein 重排 Demyanov 重排，生成更稳定的碳离子。 1.5 碳正离子的应用 利用取代反应可以制备很多物质，而消去脱氢也是制备某些烯烃等的一种重要方法。阳 离子聚合可以制备很多有用的高分子材料，但起反应机理有待进一步研究。 ２ 碳负离子 碳负离子是存在的，尽管简单未被取代的碳负离子尚未离析。 2.1 碳负离子有孤对电子，中心碳原理以 SP 杂化，孤对电子占据了四面的一个顶点，因 为它呈角锥结构。形成烯醇化物而稳定的碳负离子是平面形的。 2.2 碳负离子的稳定性 2.2.1 未共享电子不饱键共轭，这种因素造成了碳负离子的烯丙式和芳式的稳定性。 2.2.2 S-特性效应：碳负离子的稳定性随着碳负离子 S 成分的增加而增加。 2.2.3 诱导效应导致稳定性 伯 C>仲 C>叔 C，而这一点与碳正离子正好相反。 2.2.4 芳香性效应：有芳香性的碳负离子更稳定。 2.2.5 溶剂化效应。 2.2.6 连有硫或磷原子稳定的碳负离子稳定性增大，其原因尚有争论。 2.2.7 共振效应：共振使碳负离子的负电荷更分散， 碳负离子更稳定。 2.3 碳负离子的产生
高等有机化学 第二章 有机反应中的活性中间体
.
44
② 碱性条件下脱羧（C—C键异裂）
CN
碱
C 2H 5C COOH
C 6H 5
CN C 2H 5C
C 6H 5
29.04.2020
.
45
（2）负离子对不饱和键的加成
H C C H+O C H 3
C HC HO C H 3 H O C H 3
C H 2 C HO C H 3 + O C H 3
29.04.2020
.
37
5
4 3
SN2
6
1
OBs
exo- 2
54 3
1 6+2
SN1 +
endo-
+
OBs
而内型的几何形状不具备背面进攻的条件，即-
OBs基团阻碍了C-6对C-2的背面进攻，反应按
SN1历程进行，因此速度小，但内型化合物生
成C正离子后能迅速转变成同样的非经典的C正
离29.子04.20，20 因此产物相同。 .
29.04.2020
.
46
（3）来自金属有机化合物 RMgX、RLi、R2CuLi、RZnX
2 R M g XR 2 M g + M g X 2 R 2 M g M g X 2
OEt2 R Mg X
OEt2 R Mg R
OEt2 X Mg X
29.04.2020
OEt2
OEt2
.
OEt2
47
2. 碳负离子的结构 ~109°28′
环庚三烯正离子
环戊二烯正离子
有芳香性，特别稳定 反芳香性，很不稳定
29.04.2020
.
19
空间效应 碳正离子中心碳原子必须sp2杂化，才较稳定。 ①平面构型有利于电荷离域； ②空p轨道的两瓣在平面两侧均可溶剂化。
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。
第二章 有机反应中的活性中间体详解
（3）溶剂化效应 溶剂化效应对碳正离子的稳定性影响比较严重，含有孤对电 子的极性质子溶剂能够很好的将碳正离子溶剂化，从而稳定 性增强。
常见的极性非质子溶剂： 四氢呋喃(THF),二甲亚砜(DMSO),丙酮,乙腈,二甲基甲酰胺 (DMF),二甲基乙酰胺(DMAC). 常见的质子性溶剂： 常与溶质分子以氢键缔合的溶剂，一般含有羟基、氨基或羧 基的化合物。如：水、乙醇、甲酸、乙酸、乙胺。
3.重排：烷基、芳基、氢或其他基团，带着它的一 对成键电子迁移到正离子中心碳原子上，使迁移的 起点碳原子上带正电荷。迁移的总结果是由比较不 稳定的碳正离子产生比较稳定的碳正离子。 举例：
Pinacol重排
邻二醇在酸催化下，经过碳正离子的重排成为酮
或醛的反应。
Wagner-Meerwein重排
醇羟基的β位上是个仲碳原子 或叔碳原子时，在酸催 化脱水中，常常会发生的重排反应。
pKDMSO
17.2
24.7
三、碳负离子的形成
• 1．R-H解离： • 一般在强碱作用下便可生成碳负离子。
2. 亲核加成反应
3. 生成金属炔化物或带负电荷的芳香化合物
4. 格式试剂（极性转化）
四、 碳负离子的反应类型
1.亲核取代反应：烷基化和酰基化
举例：
2. 缩合反应
克莱森(Claisen)酯缩合反应—乙酰乙酸乙酯的合成
CF3CH3
CH3CH3
(4) 共轭效应
>
O
O
O
O
(5) 芳香性
2-
2-
（6）溶剂化作用 碳负离子的溶剂化作用主要是形成氢键的影响，因此极性 非质子溶剂中更加活泼。而在质子性溶剂中往往形成氢键 而比较稳定。 C-H酸 O2NCH2NO2 CH3COCH2COCH3 CH3NO2 PhCOCH3 pKH2O 3.6 9 10.2 15.8
第四章有机反应活性中间体介绍
轨道交盖
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-
Liaocheng University
Organic Advanced Chemistry
常见化合物的pKa值
化合物
CH4 CH2CH2
C6H6 PhCH3 Ph2CH2 CF3H CHCH CH3CN CH3COCH3 PhCOCH3
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。
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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。
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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-
Liaocheng University
Organic Advanced Chemistry
常见化合物的pKa值
化合物
CH4 CH2CH2
C6H6 PhCH3 Ph2CH2 CF3H CHCH CH3CN CH3COCH3 PhCOCH3
有机反应机理第六章(一)
有机反应机理
与含未共用电子对的亲核试剂反应（续）
When the nucleophile is RCO2H, the carbonyl O makes the new bond, not the O of the OH group
有机反应机理
与亲核试剂反应
有机反应机理
与亲核试剂反应
Pi-bond nucleophiles can also add to carbocations and a new carbocation is formed
第6章 活性中间体的研究
6.1 活性中间体概述 6.2 碳正离子 6.3 卡宾 6.4 碳负离子
6.5 有机自由基
有机反应机理
1活性中间体的研究在机理研究中有何意义和作用？ 2 有机反应中常见的活性中间体有哪些？
3 掌握有机自由基、卡宾、碳正离子、碳负离子
等常见活性中间体的结构、产生的条件和反应性
有机反应机理
相邻原子上的未共用电子对，键和键对碳正离 子的稳定化作用
有机反应机理
相邻原子上有未共用电子对时的共振结构
R X C
R
R X C
R
稳定化作用顺序：周期表自左向右，自上而下降低 X = N > O > F；X = O > S
有机反应机理
氮原子的稳定化作用最强，因此，亚胺正离子是 一个较稳定的中间体
有机反应机理
碳正离子重排的实例
Pinacol rearrangement 邻二叔醇重排，频哪醇重排
有机反应机理
酸催化下，邻二叔醇失去一分子水，重排成醛或酮 的反应：
R R
1
R C R
1
R H R
1
C
与含未共用电子对的亲核试剂反应（续）
When the nucleophile is RCO2H, the carbonyl O makes the new bond, not the O of the OH group
有机反应机理
与亲核试剂反应
有机反应机理
与亲核试剂反应
Pi-bond nucleophiles can also add to carbocations and a new carbocation is formed
第6章 活性中间体的研究
6.1 活性中间体概述 6.2 碳正离子 6.3 卡宾 6.4 碳负离子
6.5 有机自由基
有机反应机理
1活性中间体的研究在机理研究中有何意义和作用？ 2 有机反应中常见的活性中间体有哪些？
3 掌握有机自由基、卡宾、碳正离子、碳负离子
等常见活性中间体的结构、产生的条件和反应性
有机反应机理
相邻原子上的未共用电子对，键和键对碳正离 子的稳定化作用
有机反应机理
相邻原子上有未共用电子对时的共振结构
R X C
R
R X C
R
稳定化作用顺序：周期表自左向右，自上而下降低 X = N > O > F；X = O > S
有机反应机理
氮原子的稳定化作用最强，因此，亚胺正离子是 一个较稳定的中间体
有机反应机理
碳正离子重排的实例
Pinacol rearrangement 邻二叔醇重排，频哪醇重排
有机反应机理
酸催化下，邻二叔醇失去一分子水，重排成醛或酮 的反应：
R R
1
R C R
1
R H R
1
C
高等有机化学-第5章-活泼中间体1
2019/7/8
2
碳正离子的中心碳原子是缺电子的（价电子层仅有六个电 子），其成键形式可以采取下列两种情况：一是碳原子以 sp2杂化轨道和三个原子(团)成键，呈平面型结构，有一个空 的p轨道垂直于该平面；另一种是碳原子以sp3杂化轨道与其 它三个原子(团)成键，呈棱锥型结构，有一个空的sp3杂化轨 道。
空间效应： 碳正离子的中心碳原子处于sp2杂化状态的平面构型是
较稳定的，但是当空间因素使碳正离子不能具有平面构型 时，则其稳定性大为降低。如叔丁基氯能与乙醇-硝酸银 溶液迅速反应，但1-氯双环[2,2,1]庚烷(A)则不能与之反应。 因为(A)难以生成如(B)所示的正离子。
2019/7/8
7
另外，烯丙基正离子通常是稳定的，但是(C)所示正 离子很不稳定。因为非平面结构不能使电荷离域。
2019/7/8
15
(C6H5)3C+ +
H
H
(C6H5)3CH +
+
此外，自由基被高价铜离子氧化，也生成碳正离子。
R. + Cu 2+
R+ + Cu+
2019/7/8
16
四、碳正离子的反应
ห้องสมุดไป่ตู้
碳正离子一般是活性很高的中间体，可进一步发生多
种化学反应。它们是亲电物种，其反应一般是亲电试剂要 求的反应。
H
13
羰基化合物C=O双键的氧原子也可发生质子化形成碳 正离子。如酮在浓硫酸中产生如下的碳正离子：
R
C
R
O + H+
R
+
C
OH
R
卤素正离子可由卤素或取代卤素产生，例如：
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HSO3F （氟硫酸）
1000倍
HSO3F － SbF5 （魔酸） 103倍
HF－SbF5
1016倍
Organic Advanced Chemistry
例：
H3C
CH3 C OH CH3
HSO3F - SbF5 - SO2 -60℃
H3C
CH3 C + H3+O + SO3FCH3 + SbF5 + SO2
使正电荷集中。
⑦ 苯基正离子 结构同⑥ ，正电荷在sp2轨道上。
Liaocheng University
此二类碳正离子稳定性极差。
Organic Advanced Chemistry
溶剂效应
1) 溶剂使碳正离子稳定； 2) 溶剂的诱导极化作用，
空的 p 轨道 易于溶剂化
有利于底物解离。
3) 极性溶剂： 溶剂化作用强，
C
使正电荷分散
CH
空 p 轨道与弯曲轨道交盖
随环丙基的数目↑ ，
CH2
CH2
碳正离子稳定性↑。
Organic Advanced Chemistry
④ 直接与杂原子相连的碳正离子
CH3 O CH2
CH3O CH2
氧上未共用电子对所 占 p 轨道与C原子空的 p轨
道侧面交盖，未共用电子对离域，正电荷分散。
取代基
供电子基使碳正离子稳定性↑； 吸电子基使其稳定性↓
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CH3
CH2 >
CH2 > O2N
CH2
Organic Advanced Chemistry
③ 环丙甲基碳正离子 稳定性：环丙甲基正离子﹥苄基正离子
3C >
2CH > CH2 >
CH2
结构：
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1. 碳正离子结构和稳定性 1) 碳正离子结构 （可能有两种）
Liaocheng University
sp2杂化
C
sp3杂化
平面三角形
空的p
C
能量上合理 稳定
角锥型 空的sp3 不稳定
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2) 碳正离子稳定性 ① σ- p 超共轭效应
CH3 3C > CH3 2CH > CH3CH2 > CH3
轨道交盖
H 空的 p 轨道
CC HH
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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。
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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。
C CH3
更有利于底物解离。 2. 碳正离子生成
溶剂
1) 直接离子化：通过化学键的异裂而产生。
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RX
R+ + X-
① 重要条件：溶剂化；
② 稳定的碳正离子越易生成；例：叔>仲>伯>CH3+
③ 离去基团亲核性越弱越易离去；
超强酸：可夺取负氢离子→碳正离子
Me3CH + SbF5·FSO3H = Me3C+ + Sb5FSO3- + H2 ∴很多C+：结构与稳定性的研究在超酸介质中进行。
2) 对不饱和键加成
CZ H
C ZH Z: O,C,S,N
Liaocheng University
例如： C C
HCl
CC
Cl
Liaocheng UniveX- > RCOO-
④ 催化离子化作用
常用：催化剂→酸或Lewis酸,
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⑴ RX和RCOX: Ag+、AlX3、FeX3、BF3等 ⑵ ROH、ROR’等：H+、 AlX3、FeX3、BF3等 ⑶ RNH2：HNO2
Organic Advanced Chemistry
Organic Advanced Chemistry
高等有机化学
第三章 有机反应活性中间体
(Reactive intermediates)
Liaocheng University
Organic Advanced Chemistry
主要内容：
1、碳正离子结构、稳定性、生成和反应； 2、碳负离子结构、稳定性、生成和反应； 3、自由基结构、稳定性、检出方法、生成和反应； 4、卡宾的结构、稳定性、生成和反应； 5、乃春的结构、稳定性、生成和反应； 6、 苯炔的结构、稳定性、生成和反应。
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Organic Advanced Chemistry
重点：
1．碳正、负离子结构、稳定性、生成和反应； 2．自由基结构、稳定性、检出方法、生成和反应。
难点：
各类活性中间体的结构、稳定性、生成和反应
有机反应多数是多步反应，在反应中首先 生成活性中间体，接着再转化成产物。
(Ph)2CHCl
+ (Ph)2CH
+
Cl-
R OH H ROH2
R H2O
CH3COF BF3
+ CH3CO
+
BF4-
⑷ RH：碳正离子、超强酸(Super acid)等
Liaocheng University
超酸：比100％的H2SO4酸性更强的酸。
常见的超酸（与100％H2SO4的酸性比较）：
类似的质子化羰基：
+ HO—CH—R
+ HO=CH—R
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Organic Advanced Chemistry
⑤ 酰基碳正离子 R C O
RC O
⑥ 乙烯型碳正离子
＋
RCH＝CH
C原子：sp2杂化；
HC R
H C
+
p轨道：形成π键； 带正电荷sp2轨道与p轨道⊥;
Organic Advanced Chemistry
O··+ H+
+ OH
3) 由其它正离子转化而生成
NH2
NaNO 2 HCl
N2+
HH
Ph3CSbF6
3. 非经典碳正离子 1) π键参与的非经典碳正离子
+ OH
+ + N2
SbF6
Organic Advanced Chemistry
实验表明：
反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的 溶剂解速度比相应的饱和化合物快1011倍