第四章 活性中间体

2-
2-
5）溶剂效应 水可溶剂化正离子、负离子。
极性非质子溶剂（如：DMSO）可溶剂化正离 子，不能溶剂化负离子。负离子在极性非质子 溶剂中活泼。
34
4. d轨道共轭与内鎓盐
• 内鎓盐(ylid)是指一种化合物，在其分子内含有负碳 离子，和负碳离子相邻的杂原子带正电荷，这些杂 原子为P、S、As、Sb、Se等。稳定性明显增大。
5
3
1
6 + 2 OBs
5
4 367 2+ 1
end o
OBs 缓慢
OBs
+ +
正电荷分散于C-1和C-2， 桥头C-6五价，C-1、C-2 和C-6形成2电子三中心体 系。
27
5
5
4
367 2+ 1
(a)
(b)
OAc
(a) (b)
4
367
2
1
OAc
5
4
367
2
1
OAc
7
4
5
3
1
6
2 OAc
3 外消旋产物
R OH H ROH2
R H2O
BF3
CH3COF
CH3CO
BF4
20
2) 正离子对不饱和键的加成
CZ H
C ZH Z: O,C,S,N
CC
HCl
C C H Cl
C O H C OH
3) 由其它正离子转化而生成
NH2 NaNO2
N2
HCl
HH
Ph3CSbF6
C OH
N2
SbF6
21
4) 在超酸中制备正碳离子溶液
过渡态III
能
量
活性中
反应物
间体I
活性中
谷底间体II
产物
H2O
CH3
CH3 Cδ+ CH3
OH2
过渡态
CH3 CH3 C OH2
CH3 活性中间体II
_ H+
CH3
CH3 C OH CH3
反应进程
分步反应的能峰图
活性中间体与过渡态的区别：
活性中间体具有一定寿命，可检测（分离）。 反应历程 过渡态为寿命极短的极不稳定状态，不能检测（分离）。
Ph
Ph
Ph
P+
-CH2
Ph
P CH2
Ph
Ph
• 磷内鎓盐的X光结晶结构研究表明，碳为平面结
构，即为sp2杂化。
• 1H NMR分析表明，结构主要为内鎓盐的极性结构。
35
内鎓盐较为稳定，原因：
C的2p轨道与S或P的3d空轨道相互重叠
C的2p轨道未共用电子对向S或P的3d空轨道共轭离域。
CH3
Beijing Technology and Business University
高等有机化学
第四章 有机反应活性中间体
食品学院应用化学系 郑福平 杨绍祥
Beijing Technology and Business University
一. 正碳离子(Carbocations) （一）. 正碳离子 的结构 （二）. 正碳离子的稳定性 （三）. 正碳离子的生成 （四）. 非经典正碳离子
3. 自由基的稳定性 键的解离能
4
四. 碳烯 （卡宾） (Carbenes) 1. 碳烯的结构 单重态碳烯 (singlet state) 三重态碳烯 (triplet state) 2. 碳烯的生成 a. 分解反应 b.α－消除反应 3. 碳烯的反应 a. 对 C = C 的加成 b. 对 C －H的插入
> CH3CH2
2) 诱导效应
负碳离子中心碳原子上连接有强的吸电子基
时，可分散负电荷，使负碳离子稳定。
稳定性：(F3C)3C- > F3C- > CH33) 共轭效应
负碳离子中心碳原子与π键相连时，未共用电 子对与π键共轭，电子离域，负碳离子稳定。
(
)3C- > (
)2CH- >
CH233
4）芳香性 具有芳香性的环状碳负离子稳定性好。
4
7
5
AcO 1
2 6
28
二. 负碳离子 (Carbanions)
带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。
1. 负碳离子的结构
sp3：含s成分，轨
道靠近原子核，轨 道能量降低。
.
.
C 109°28′
C
90°
sp3 杂化 棱锥型
sp2杂化 平面三角型
烷基负碳离子为棱锥型时，孤对电子处于sp3杂化轨道，稳定。 轨道夹角为109°28′时，电子对间的排斥力小，稳定。 29
CH2
CH2
随着环丙基的数目增多， 正碳离子稳定性提高。
14
直接与杂原子相连的正碳离子：
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
类似地，羰基正离子：
RCO
RC O
15
环状正碳离子： 稳定性还与芳香性有关。
CH3 CH3
Cl CH3
CH3 Cl
SbF5-SO2
CH3 CH3
1H NMR只检测到一个峰
(4n+2)规则
+ CH3 + CH3
CH3 CH3
CH3
++ CH3
离域体系
16
乙烯型正碳离子：
HC C H
R
+
C原子进行sp2杂化， p轨道 用于形成π键，空着的是sp2 杂化轨道，使正电荷集中。
苯基正离子：
+
P CH3
CH3 CH3
+
N CH3
CH3
CH2CH2-
CH3
P CH3
CH3 CH3
N CH3
CH3
CH2 CH2
无空3d轨道， 不稳定
Cl
F
稳定性
C- > C-
Cl
F
Cl
F
Cl
C-
Cl
Cl
Cl
C Cl-
Cl
C的2p轨道与Cl的3d轨道共轭 36
许多内鎓盐可以结晶离析，并广泛用于有机合成。 普通的负碳离子对水和氧都极其敏感，只能存在于
“ 六苯乙烷”
2(C6H5)3C.
2(C6H5)3C. + O:O
(C6H5)3C O O C(C6H5)3
史米德林（Schmidlin）现象：
Leabharlann Baidu
六苯乙烷为白色固体物质，溶解于醚中时，溶液呈
黄色。
若迅速振荡，颜色消失，过几秒钟后黄色又出现，
再次震荡时黄色又消失。
H3C
CH3 C + H3+O + SO3FCH3 + SbF5 + SO2
很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸
介质中进行的。
22
4. 非经典正碳离子(Nonclassical Carbocations)
1) π键参与的非经典正碳离子
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 大 1011倍，且C-7构型不 变
5
五. 氮烯 （乃春）(Nitrenes)
1. 氮烯的类型 2.氮烯的结构
单重态氮烯 三重态氮烯 3. 氮烯的反应 加成反应 插入反应
6
六. 苯炔 (Benzyne)
1. 苯炔的结构 2. 苯炔的产生 3. 苯炔的反应
亲核加成 亲电加成 环加成
7
有些有机反应为协同反应，一步完成，无活性中间体存在。 如：Diels-Alder反应。
25
2) σ键参与的非经典正碳离子
原冰片基（2-Norbornyl）正离子
(
+ +
)
+
证据： 原冰片醇对溴苯磺酸酯 在乙酸中的溶剂解 得外型产物 kexo/kendo=350 产物外消旋
HOAc
OBs kexo
HOAc
OAc kendo
OBs
26
7
4
exo
5
3
1
OBs
6
2 OBs
7
4
正碳离子存在的证据：
冰点下降
反应速度
光学活性
导电率
核磁共振谱
其它光谱
消旋化
正碳离子重排
溶液颜色变化（Ph3C+深黄色）
11
C+稳定性影响因素：电子效应、空间效应、溶剂效应 (1) 电子效应
CH3 3C > CH3 2CH > CH3CH2 > CH3
σ- p超共轭效应：
C6H13 CH CH3 BuLi I
C6H13CH CH3 Li
1 CO2 2 H3O
C6H13
CH
CH3
COOH
-70℃ 20%构型保持；
0℃ 外消旋。
sp3杂化的角锥形构型容易发生反转，反转是 通过中心碳原子的再杂化，由sp3杂化转变为sp2杂 化，最后达到平衡。不存在对映异构现象。
:
R1
R3
结构同乙烯型正碳离子，正电荷 集中在sp2杂化轨道上。
此二类正碳离子稳定性极差。
17
（2）空间效应：
C+中心碳sp2杂化，键角120°
四价碳sp3杂化，键角109.5 °
形成C+过程，张力减小
大取代基有利于C+的生成和稳定。
特例： 下列碳正离子张力大，不稳定，难以生成
CH3 Cl
1. π键参与的非经典正碳离子 2. σ键参与的非经典正碳离子
2
二. 负碳离子 (Carbanions)
（一）.负碳离子的生成 （二）.负碳离子的结构 （三）.负碳离子的稳定性影响因素
3
三. 自由基 (Free radicals)
1. 自由基的种类及结构 烷基自由基 烯丙基型自由基 桥头自由基
2. 自由基的生成 (1) 热解 (2) 光解
干燥绝氧的有机溶剂中，不能离析出来。 内鎓盐在有机合成中应用最广的是磷、硫叶立德。
Wittig反应： 磷叶立德与羰基化合物反应合成烯。
37
三. 自由基（Free Radical）
任何具有未配对电子的物质（共价键均裂产物）。
也叫游离基。 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。
轨道交盖,电子离域，正电荷分散
H
空的 p 轨道
CC H
H
12
共轭效应
烯丙型正碳离子：
可稳定存在
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：
CH2 CH 3C > CH2 CH 2CH > CH2 CHCH2
3C >
2CH >
CH2
当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子
7位带正电荷碳原子p轨道只与其中一个键相互作用，生 成二电子三中心体系。
24
非经典C+的形成，与桥碳（C-7）p轨道方位关系 密切。
顺-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中溶剂解， 反应速度比反式小107倍，产物构型翻转。
H TsO
AcO H
AcOH
几何形状不利于π键从背后参与
AcO-背后进攻，构型翻转
稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：
CH3
CH2 >
CH2 > O2N
CH2
13
环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：
3C >
2CH > CH2 >
CH2
环丙甲基正离子的结构：
C
中心碳原子上的空的 p 轨道与环丙基中的弯曲 轨道进行侧面交盖，其 结果是使正电荷分散。
CH2
空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖
9
一. 正碳离子 (Carbocations)
含有带正电荷的三价碳原子的原子团。
1. 正碳离子的结构
正电荷集 中在p轨 道。
H
C+
H
H3C
H
C CH3
H3C
sp2 - sp3σ
键
sp2 – sσ键
CH3+ 的轨道结构
(CH3)3C + 的轨道结构
sp2杂化 平面三角构型 空的p轨道 10
2.正碳离子的稳定性
O
O
O
+
O
O
O
O
O
过渡态
O
能 量
过渡态
反应物
产物
反应进程
协同反应的能峰图
8
多数有机反应为分步反应，至少有一个活性中间体生成。
如：溴代叔丁烷的水解：
CH3
CH3 C Br CH3
OHH2O
CH3 CH3 Cδ+
δ_
Br
CH3
过渡态
_ Br-
CH3 CH3 C
CH3 活性中间体I
过渡态过I 渡峰态顶II
R2
SP3杂化
: R3
R1 R2
SP2杂化
R2
R1
R3
:
SP3杂化
30
2. 负碳离子的生成 (1) C-H的异裂 （金属有机化合物的生成）
C H + B C + HB
共轭酸
共轭碱
HC CH
NaNH2 液 NH3
HC CNa
NH3
Ph3C H
NaNH2 液 NH3
Ph3CNa
NH3
CH3COCH2COOEt NaOEt CH3COCHCOOEt
+ CH3 + Cl-
Cl 18
（3）溶剂效应： 影响极大
① 溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。
② 溶剂使正碳离子稳定：
③ 极性溶剂：溶剂化作用 强，利于底物的解离。
空的 p 轨 道 易于溶剂化
C CH3
溶剂
19
3. 正碳离子的生成：
1) 直接离子化
RX
RX
化学键异裂
Ph CH Cl Ph
Ph2CH Cl
TsO H
AcO H
AcOH
+7
4
-TsO
Ts = CH3
SO2
5
3
2电子3中心体系（C2和C3的π电子与C7的空p轨道）
正电荷不集中于C7，而是分散于C2、C3和C7间。
6
1 2
23
7-原冰片二烯基正离子氢核磁谱图
+
7
6
2
5
3
7-原冰片二烯基正离子1H NMR中，2,3-位和5,6-位质子 峰位移不同。
CH3NO2
KOC2H5 HOC2H5
-CH2NO2
31
(2) C-C的异裂
O RCO
R + CO2
(3) 负离子对双键（三键）的加成
HC CH OCH3
CH CH OCH3 HOCH3 CH2 CH OCH3
32
3. 影响负碳离子稳定性的因素：
1) 杂化效应（s-性质效应）
—
HC C > CH2 CH ~ Ar— >
超酸 (Super acid) －比100％的H2SO4酸性更强的
酸常见的超酸
与100％H2SO4的酸性比较
HSO3F （氟硫酸） HSO3F － SbF5 （魔酸） HF－SbF5
1000倍 103倍
1016倍
叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：
H3C
CH3 C OH CH3
HSO3F - SbF5 - SO2 -60℃