第一章 有机反应活性中间体-自由基

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Ph3P-CH2COOEt OHPh3P-CHCOOEt
NH3 Ph3P H
PPh3 芴鎓内盐
(2)卡宾和膦的加成
Ph3P + CCl2 t-BuOCHCl3 Ph3P-CCl2
(3)碳负离子与乙烯基鏻离子的加成
Ph3P-CH=CH2
Bu-Li
Ph3P-CH-CH2Bu
6 碳烯
6--1 定义
碳烯也叫卡宾(Carbene),是具有两个共价键和 两个非键电子的两价碳活泼中间体。
CH3CH2OCHCH3 OOH PhC(CH3)2OOH
R CHCH=CH2 OOH
O
蒸馏时要特别注意不能蒸干
OOH
4.4.5 自由基加成:
4.4.6 卤代反应
应用:
4.4.7自由基聚合反应
(聚对苯二甲酸乙二醇酯)矿泉水瓶、碳酸饮料瓶 都是用这种材质做成的。这种材料耐热至70℃,装 高温液体或加热则易变形,有害物质会溶出。同时 这种塑料制品用了10个月后,可能会释放出致癌物 。

(1) 加成反应
三线态 :CH2( )
H + H3 C CH3 H3C 23% H3C H H CH3 H H3 C 23% H CH3 + H3C H 77% CH3 H H H + H3 C H 77% H CH3 H CH3
:CH2(
)
+
单线态
:CH2(
)
H + H3C H3C H
H CH3 H CH3
H H3C H3C H
H CH3 H CH3
:CH2(
)
+
:CH2( ) +
H C C CH3
H CH3
:CH2( ) + CH2 . C H CH3 CH2 . H CH3 H CH3 C
H C C CH3
CH3 H
CH2 . C H CH3 CH2 . H CH3 H CH3
23
C CH3
.
H
4.3 自由基的生成: (1)热解碳碳键和碳氢键的离解能大约在419 kJ/mol,需高温。但一些过氧化物和偶氮化 物的离解能仅为碳碳键和碳氢键的一半或更 低。自由基反应可自动发生。
(2)光解反应
Cl Cl CH3COCH3 2Cl 300 nm 气相 2CH3 +CO
(3)氧化还原反应
H2O2 + Fe2+ HO + Fe3+ + OH ( CH3)3COO + Co2+ + H+
NaOH Cl3CH Cl2C Cl Cl2C: + Cl
(2) 分解反应 某些重键化合物如烯酮和重氮甲烷通过光解或热 解即可生成碳烯。
Ar2C C O Ar2C ;: + CO
烷基重氮化合物不稳定,易于爆炸,如果 为羰基取代的重氮化合物则比较稳定,并
且可以分离。
H C 2H 5 O C O H C N2 C 2H 5O C O C : + N2
第二章 有机反应活性中间体 及反应历程研究现状-2
4 自由基 4.1 自由基的发现:

自由基(Free radical)也叫游离基,一般指不带 电荷,中性单电子的原子,原子团或分子。 1900年Gomberg首次制得稳定的三苯甲基自 由基,确立了自由基的概念。 4.1.1 六苯乙烷的制备
2Ph3CBr 2 Ag Ph3C-CPh3 + 2AgBr

由醛或酮生成的腙通过氧化,再分解; 或通过醛、酮的对甲苯磺酰腙的分解, 可制备烷基取代的碳烯,而不用容易爆 炸的重氮化合物作反应物。
R2C=N-NH2 R2C=N-NHSO2 HgO R2C=N2 光 R2C
(1) R2CO + NH2NH2 (2) R2C=N-NH2
CH3
B
R2C=N-NSO2
Wittig反应
5-1-4 鎓内盐的形成: (1)由相应的鎓盐除去质子 正电荷中心使a-氢 有质子化趋势,需要极强的碱。
Bu-Li Ph3P-CH3 Ph2S-CH2Ph Bu-Li Ph3P-CH2 Ph2SH-CHPh
形成鎓内盐的难易决定于碳负离子的稳定性。
形成鎓内盐的难易决定于碳负离子的稳定性。
(CH3)3COOH + Co3+
4.4 自由基的反应:
特点: (1)离解能低,高温或加热的条件可直接进行。 (2)反应放热。 (3)添加过氧化物,偶氮化合物缓和反应条件。 (4)选择性差,难于控制 (5)不需要易污染环境的酸碱做催化剂,符合绿 色化学。
4.4.1 偶联反应:
Kolbe 反应
4.4.2 岐化反应:
A B
乙烷
液态(CH3)4Pb
(CH3)4Pb
a) 通氮气,先加热A, A处有铅镜,说明有反应 b) 加热B,B有铅镜而A处消失,说明B处发生反应,且该 反应可逆。 c) 尾气中有乙烷


1940年, 电子自旋共振仪直接检测到自由基。
离子游离基 当金属钠和二苯甲酮在二甲氧基乙烷中反应时, 得到蓝色物质,为二苯甲酮负离子游离基的钠 盐 O
.
C
CH3 H
C
C CH3 H CH3
.
H
.
C
CH3
H CH3 H
%
77%
单线态卡宾的同向立体专一性反应
:CH2(
)
H + H3C
H CH3
H H3 C
H C CH3 H2
H H3 C
H CH3
:CH2(
)
+
H3 C H
H CH3
H3 C H
H C CH3 H2
H3 C H
H CH3
取代的烯烃与碳烯进行加成反应时,如 果为单线态则服从亲电加成规律,烯烃 双键电子密度越高,反应活性越大。 如:CCl2与下列烯烃加成的相对反应活性: Me2C=CMe2>Me2C=CHMe>Me2C=CH2 >ClHC=CH2。 碳烯也可以与炔烃、环烯烃、甚至与芳 环上的C=Cπ键以及C=N、C≡Nπ键进行 加成反应。
Na C O Na
离子游离基具有顺磁性和导电性,这是由于离 子基分子内的未配对电子和离子键所引起的, 多数离子基具有特殊颜色
4.2 自由基的稳定性: 4.2.1自由基的稳定性可用共价键的离解能 衡量。次序同碳正离子, 叔碳自由基 > 仲 碳自由基 > 伯碳自由基, 但彼此之间能量 差很小,有的甚至在实验误差内。
2(C6H5)3C. 黄色 (C6H5)3C O O C(C6H5)3
白色固体,熔点 145-147 “六苯乙烷”
2(C6H5)3C. + O:O
白色固体,熔点 185

在当时, Gomberg的自由基学说并没有完全得 到认可。

1968年, H. Lankovmp用核磁共振技术测定了 Gomberg的所谓六苯基乙烷是环己烯的衍生物。
产物: 空气中:白色固体,熔点 185 不符合元素分析 C,H和仅占94%
6% 氧?
CO2气氛中:白色固体,熔点145-147 符合元素分析 “六苯乙烷”

产物溶解于醚中时,溶液就呈黄色(自由基)。 若迅速地振荡,由于和空气接触而颜色消失, 过几秒钟后黄色又出现,当再震荡时黄色又消 失,此现象称为史米德林(Schmidlin)现象, 反复15次,并从此溶液中分离出三苯甲基的过 氧化物,熔点185℃
一个自由基从另一个自由基的b-碳夺取一个质子,另一个自由 基变为不饱和化合物。
偶氮异丁酸甲酯
4.4.3 氧化还原反应:
在适当的氧化剂及还原剂存在下,自由基可氧化成正离子或 还原成负离子。
4.4.4 氧气的自动氧化反应:
分子氧有两种状态:高能的单线态不具有孤单电子(两 个自旋方向相反的电子), 基态三线态态有两个自旋方 向相同的两个未成对电子,是一个双自由基,易于和自 由基结合,反应速度快。
kJ/mol CH3-H CH3CH2-H (CH3)3C-H CH2=CH-CH2-H PhCH2-H 435 410 397 368 356
4.2.2 C-Cl 键:类似 (a) 均裂比异裂所需能量小的多,易发生 反应。 (b) 不同结构的碳自由基的能量差异小, 反应选择性差
RCl CH3-Cl CH3CH2-Cl C3H7-Cl CH2=CH-CH2-Cl PhCH2-Cl R + Cl 352 339 339 250 285 RCl 950 799 711 724 695 R+ + ClD均裂kJ/mol 异裂kJ/mol
(高密度聚乙烯)盛装清洁用品、沐浴产品的塑 料容器多是此种材质制成,可耐110℃高温。但这些 容器通常不好清洗,易变成细菌温床,最好不要循 环使用。
(聚氯乙烯) 有毒有害
(低密度聚乙烯)保鲜膜、塑料膜等都是 这种材质。耐热性不强,食物入微波炉,先要 取下包裹着的保鲜膜。 (聚丙烯)多用于制造微波炉餐盒。耐 130℃高温,是唯一可以放进微波炉的塑料盒 。需要特别注意的是,一些餐盒的盒盖并不耐 高温,加热前最好先把盖子取下。
H Ph3C CPh2 Ph3C + H CPh2
环己烯的衍生物。
尽管Gomberg从未得到过真正的六苯基乙烷,但 他对自由基领域乃至有机化学作出的贡献是功不 可没的。
4.1.2 甲基自由基的发现 1929年, Paneth制取了最活泼的甲基自由基。
(CH3)4Pb
450度
Biblioteka Baidu
4CH3 + Pb
N2
6-3稳定的碳烯 稳定的双蒽基亚甲基三线态碳烯 室温下,溶液中寿命 19 min

稳定的单线态碳烯 a-位有较大负诱导效应的取代基的存在有 利于电荷的分散,而采用单线态。
CF3 P(i-Pr)2 CF3
CF3
N2
hv
-10 oC
P(i-Pr)2 CF3
6-4 碳烯的形成
(1) a-消去反应 以碱处理卤仿,是制备二卤碳烯的一个方便的方 法。
Simmons-Smith反应是形成环丙烷衍生物 的好方法
6-5 碳烯的反应
碳烯,缺电子,反应以亲电性为特征, 其反应活性的顺序为: ∶CH2>∶CR2>∶CAr2>∶CX2 碳烯的典型反应主要有三类:π键的加 成反应、σ键的插入反应和重排反应。其 反应的历程和结果很大程度上依赖于碳 烯未成键电子的自旋状态,即是单线态 还是三线态。
Ph Ph Ph Ph
P
+
-
CH2
Ph Ph
P
CH2
5-1-2 磷鎓内盐的结构:X-ray研究表明, 碳为平面结构,即为sp2杂化。
5-1-3 鎓内盐特点: 较为稳定,与碳负离子相邻的带正电荷的杂 原子基团,使碳负离子稳定性明显增大。这主 要是由于碳原子的2P轨道与磷和硫杂原子的3d (或砷、锑的4d、5d)空轨道相互重叠,碳原 子2P轨道的未共用电子对向3d空轨道共轭离域, 从而使碳负离子稳定。因此许多内鎓盐可以结 晶离析。 鎓内盐在有机合成中应用最广的是磷、硫 叶立德,磷叶立德与羰基化合物反应合成烯就 是著名的Wittig反应
6-2 碳烯的结构

碳烯的中心碳原子有六个价电子,四个价电子 为成键电子,占用两个σ键,余下两个未成对 电子有两种可能的排布方式。一是两个未成键 电子同处一个轨道,其自旋方向相反,余下一 个空轨道,这叫单线态(Singlet state)碳烯; 另一种可能是两个未成键电子分别处于两个轨 道,电子的自旋方向相同,这叫三线态 (Triplet state)碳烯。
CH3 -N2
SO2
CH3 + R2C
(3) 三元环化合物的消去反应

可以看作是碳烯与双键加成的逆反应。 取代环丙烷、环氧化物、偶氮环丙烷等。
O C 6H 5 C 6H 5 C 6H 5 C H O
+
:C H C 6 H 5
(4) Simmon-Smith反应
a-卤代物与金属作用
H C C H3 C H C H3 C H 2I2,Zn C u H C C H3 C H2 C C H3 H
引发剂 R R 增长 R-O-O R' 终止 2R-O-O R-O-O-O-O-R R-O-O-R + O2 + + R'H O-O R-O-O-H + R' R'-O-O + O-O R' R R-O-O + RH
+ R'H
过氧自由基有明显选择性,能产生稳定的自由基的就易 被氧化,如久置的乙醚,THF等试剂。
碳烯的结构
单线态碳烯 三线态碳烯
C
H
C
H

电子光谱和电子顺磁共振谱研究表明:三线态亚甲基 碳烯是弯分子,键角约为136°,单线态亚甲基碳烯 也是弯的,H-C-H键角为103°。三线态结构中,未 成键电子排斥作用小,能量比单线态低33.541.8KJ/mol,说明三线态碳烯比单线态稳定,是基 态。在惰性气体中,单线态碰撞可变成三线态。
(聚苯乙烯)多用于制造碗装泡面盒、 发泡快餐盒的材质。又耐热又抗寒,但不 能放进微波炉中,尽量避免用其打包滚烫 的食物。
(聚碳酸酯)及其他类PC多用于制 造奶瓶、太空杯等,因为含有双酚A而备 受争议。专家指出,在使用此塑料容器时 要格外注意。
4.4.8重氮盐的偶联反应 等等
5 鎓内盐 5-1-1定义: 鎓内盐[ylid(e)]是指一种化合物,在其分子 内含有碳负离子,和碳负离子相邻的杂 原子带正电荷,这些杂原子为P、N、S、 As、Sb、Se等
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