碳负离子在有机合成中的应用

碳负离子在有机合成中的应用
翟迈豪化基7班 2013301040201
摘要：在某些有机化学反应中，经常遇到C-H键的断裂的情形，裂解出来的质子为反应体系中的碱或Lewis碱所接受，所留下来的+3价的碳原子像胺类化合物一样带有一对孤对电子，这就是碳负离子。

本文综述了碳负离子的各类反应，反应机理及其在有机合成中的应用，并对一些反应做出了必要的分析。

关键词：碳负离子反应有机合成应用
一、碳负离子的形成
1.碳氢酸脱质子作用
2.亲核试剂对活性烯烃的加成作用
3.活性烯烃亲核反应逆反应
逆的Michael加成、逆羟醛缩合、逆的Claisen酯缩合，都是由碱引起了原来缩合反应的逆反应而重新生成反应物和碳负离子
4.还原金属化作用
烷基和芳基锂化物及格氏试剂都象碳负离子那样起作用,在醚溶液中它们成离子对形式而存在
5.溶解金属还原(自由基反应)
金属溶解时就发生电子加成作用,首先形成负离子基,然后形成双负离子。

二、碳负离子的反应
1.亲核加成反应（包括加成-消除反应）
（1）羟醛缩合反应
在碱的催化作用下,一分子带有α-氧的酸或酮失去质子形成碳负离子,与另一分子酸或酮发生亲核加成反应生成β-经基醛或酮,然后在高温
或者强酸/碱条件下脱水而生成α,β-不饱和酸酮。

（2）普尔金(Perkin)反应
由不含有α-H的芳香醛（如苯甲醛）在强碱弱酸盐（如碳酸钾、醋酸钾等）的催化下，与含有α-H的酸酐（如乙酸酐、丙酸酐等）所发生
的缩合反应，并生成α,β-不饱和羧酸盐，后者经酸性水解即可得到α,β-
不饱和羧酸。

（3）脑文格(Knoevenagel)反应
在Perkin反应的基础上进行了改进,把产生碳负离子的酸酐换成带有吸电子基的活泼亚甲基化合物,碱由羧酸盐改为有机碱(如吡啶、六氢吡啶、一级胺、二级胺等)，溶剂一般为苯和甲苯，反应得到α,β-不饱和化合物。

弱碱的使用避免了醛、酮等化合物自身羟醛缩合副反应发生,因此优化条件后底物的范围得到极大的拓展，芳香醛，酮，脂肪醛均能够发生反应。

（4）克莱森（Claisen）酯缩合反应
克莱森（酯）缩合反应是含有α-活泼氢的酯类在醇钠、三苯甲基钠等碱性试剂的作用下，发生缩合反应形成β-酮酸酯类化合物，称为克莱森(脂)缩合反应，反应可在不同的酯之间进行，称为交叉酯缩合；也可将本反应用于二元羧酸酯的分子内环化反应，这时反应又称为迪克曼反应(Dieckmann reaction)。

如果酯的α-碳上只有一个氢原子,由于酸性太弱,用乙醇钠难于形成负离子,需要用较强的碱才能把酯变为负离子。

如异丁酸乙酯在三苯甲基钠作用下,可以进行缩合,而在乙醇钠作用下则不能发生反应。

（5）迪克曼(Dieckmann)缩合反应
分子内的Claisen酯缩合反应,只要当分子内的两个酯基间隔四个或四个以上碳原子时,即可发生分子内的Claisen酯缩合反应,形成五元环或者更大环的β-酮酸酯。

（6）格氏试剂加成反应
在格氏试剂中,可以把R看作碳负离子(R-),所以格氏试剂与羰基化合物反应时,进攻羰基碳,羰基上的一对电子向氧原子偏移,经过酸化,得到醇。

与甲醛反应,最终得到比格氏试剂的烃基多一个碳的一级醇;与多于一个碳的酸反应,生成二级醇;与酮反应,生成三级醇。

类似的CN-也会和羰基发生亲核加成反应，可以得到α-羟氰，在经过酸性水解可以得到α-羟基羧酸，如果加热可能的到αβ-不饱和羧酸。

（7）Witting（叶立德）反应
本反应是由仲烃基溴(较典型)与三苯磷作用生成叶立德(Ylides，分子内两性离子)，后者与醛或酮反应(Wittig 反应)，给出烯烃和氧化三苯磷。

（8）Reformatsky反应
α-卤代酸酯和锌在惰性溶剂中反应,得到中间体有机锌试剂,然后有机锌试剂与醛或酮的羰基进行加成,再经水解后得到β-羟基酸酯,易失水成α,β-不饱和酯。

（9）迈克尔(Michael)加成反应
在强碱作用下,带有活拨α-氢的分子失去质子形成碳负离子（给体）,含吸电子基的α,β-不饱和化合物（受体）的极性双键与碳负离子进行1,4亲核共轭加成。

A为吸电子基团
Michael加成反应在有机合成化学中极为重要,常被用来合成环状化合物（Robinson环合反应）。

（10）达森(Darzen)反应
在强碱(如醇钠、氨基钠等)的作用下,α-卤代羧酸酯形成碳负离子,然后醛或酮的羰基与碳负离子发生亲核加成反应,得到一个烷氧负离子,之后烷氧负离子进攻α-碳发生亲核取代反应,让α-碳上的卤离子离去,形成α,β-环氧酸酯。

由于得到的α,β-环氧酸酯很容易发生水解为羧酸.而羧酸又是很不稳定的,受热后会失去一分子二氧化碳成为烯醇,进而结构互变生成醛或酮。

（11）与氨基及衍生物反应
2.亲核取代反应（包括加成-消除反应）
常见的类型是在碱的催化作用下，最好和伯卤代烃发生SN2亲核取代得到烃基化产物,与酰基反应得到酰基化产物，与卤素发生取代反应得到a –卤化产物。

如图所示：
端炔化物的反应：
3.Mannich反应
具有活泼氢的化合物和甲醛及胺同时缩合，活泼氢被胺甲基或取代胺甲基代替的反应称为胺甲基化反应，也称曼尼希反应，简称曼氏反应，产物为曼氏碱。

这些曼氏碱或其盐酸盐的作用为在蒸馏或在碱的作用下会分解，提供α,β-不饱和酮，便于后续的反应。

4.罗宾逊(Robinson)环合反应
Michael 加成反应后产物分子内的醛基在稀碱作用下形成碳负离子，然后碳负离子作为亲核试剂对醛酮进行亲核加成，生成β－羟基醛，β－羟基醛受热脱水成不饱和醛。

在稀碱或稀酸的作用下，两分子的醛或酮可以互相作用，其中一个醛（或酮）分子中的α-氢加到另一个醛（或酮）分子的羰基氧原子上，其余部分加到羰基碳原子上，生成一分子β-羟基醛或一分子β-羟基酮。

环上羟基可脱水形成双键。

5.制备卡宾反应
多卤代烃如CHCl
3,CHBr
3
,CHF
2
l等的α-H被碱夺去,形成多卤代烷基
负离子。

在碱的的作用下发生α-消除,失去一分子卤化氢,得到卡宾。

6.Stevens重排反应
季铵盐分子中与氮原子相连的碳原子上具有吸电子的取代基时,如RCO,ROOC,Ph等,强碱夺去该碳原子上的H,将其变成碳负离子,再形成内鎓盐,最后重排得到一个三级胺,最常见的迁移基团为烯丙基、二苯甲基、3-苯基丙炔基、苯甲酰甲基等。

7.Stevens重排反应
烯胺与α,β-不饱和羰基化合物发生类似于Michael加成的反应后，使产物在酸性水溶液水解，产生1,5-二羰基化合物。

8.安息香缩合反应
苯甲醛在氰离子(CN-)的催化作用下，发生双分子缩合生成安息香，
很多芳香醛也能够发生这类反应。

生重排形成α-羟基羧酸。

三、碳负离子的稳定性
1.定性分析
碳负离子的稳定性是由与其相连的基团的结构所决定的，一般来说，吸电子基团由于共轭效应可以使碳负离子的电负性得到分散而稳定，所以与碳负离子相连的基团吸电性越强，碳负离子越稳定，其反应越容易进行。

2.Pka值定量分析
化合物的酸性越弱，其Pka值越小，越容易和碱反应。

所以有机化合物的Pka越小，其反应产生的碳负离子稳定性越强。

3.影响稳定性的因素
（1）空间立体效应
分子的空间几何形状会影响碳负离子的稳定性，比如桥环体系的二元酮的碳负离子它不能和旁边的羰基碳发生共轭作用，若发生作用的结果是在桥头上形成一个具有双键性质的键，张力非常大。

（2）电子效应
电子效应分为共轭效应和诱导效应。

共轭效应是指当碳负离子的a-位有重键时,由于未共用电子对与重键的n电子体系发生共轭作用,使得该碳负离子十分稳定，比如有碳碳双键、羰基、氰基、硝基、磷酰基或磺酰基等吸电子基团。

诱导效应是通过碳链传递的，当负碳中心与一个具有吸电子诱导效应的基团连接时,也会加强碳负离子的稳定性。

（3）介质的介电常数以及溶剂化，是否符合休克尔规则的芳香性作用，以及邻位正电荷效应、d轨道效应、杂化轨道效应等相关。

四、碳负离子的合成应用
1.碳链的增长
（1）格氏试剂合成醇、酮
（2）炔钠、烷基铜锂的增链
（3）乙酸乙酯合成酮、酮酸、酮酯
（4）丙二酸酯合成一元、二元羧酸
（5）有机硼烷合成酸和酮
2.碳环的形成
（1） Dieckmann缩合反应
（2）羟醛缩合成环
（3）丙二酸酯成环
五、结论
碳负离子在有机合成中具有重要的地位，广泛应用于现如今化工厂的有机合成中。

可见总结碳负离子相关反应的必要性。

因此作为化院的学生，我们要好好掌握碳负离子反应的规律，立足于基本反应机理，把碳负离子应用到科研实际中去，更好地学习有机化学。

参考文献：
[1] 邢其毅基础有机化学上下册第三版高等教育出版社1993
[2] 徐寿昌有机化学第二版高等教育出版社1991
[3] Carey Sundberg 高等有机化学上海出版社1987。