4. 有机反应中的活性中间体.ppt

1、第四章 有机反应活性中间体(Reactive intermediates in Organic Chemistry),一、碳正离子(Carbocation)二、碳负离子 (Carbanions)三、自由基 (Free radicals)四、碳烯 （卡宾） (Carbenes)五、氮烯 （乃春）(Nitrenes)六、苯炔 (Benzyne),引言在有机反应中，有机反应有些是 属于一步完成的，称为协同反应。例如Diels-Alder反应：,更多的有机反应则不止一步，反应中至少包括一个活性中 间体的生成，例如叔卤代烷的水解首先生成碳正离子，然后 与水反应而得到水解产物。,协同反应的能峰图,分步反应

2、的能峰图,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,+,C,sp2 - s bond,CH3+ 的轨道结构,sp2 - sp3 bond,(CH3)3C + 的轨道结构,H,H,H,sp2杂化,平面三角构型,空的P轨道,正碳离子的稳定性：,- p超共轭效应：,H,轨道交盖在这里,空的 p 轨道,烯丙型正碳离子：,p-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：,共轭效应,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：,环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：,环丙甲基正离子的

3、结构：,空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖,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。,随着环丙基的数目增多， 正碳离子稳定性提高。,直接与杂原子相连的正碳离子结构：,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。,类似地，羰基正离子：,乙烯型正碳离子：,+,C原子进行sp2杂化， p轨道 用于形成键，空着的是sp2 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sp2杂化轨道上。,此二类正碳离子稳定性极差。,溶剂效应：,1) 溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。

4、,2) 溶剂使碳正离子稳定：,空的 p 轨道易于溶剂化,溶剂,3) 极性溶剂：溶剂化作用强，利于底物的解离。,碳正离子的生成：,1) 直接离子化,通过化学键的异裂而产生。,2) 对不饱和键的加成,3) 由其它正离子转化而生成,4) 在超酸中制备C正离子溶液,比100的H2SO4的酸性更强的酸超酸 (Super acid),常见的超酸 （与100H2SO4的酸性比较）,HSO3F （氟硫酸） 1000倍 HSO3F SbF5 （魔酸） 1013倍 HFSbF5 1016倍,叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：,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。,非经典正碳离子,1)

5、 键参与的非经典正碳离子,实验表明：反7原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的 溶剂解的速度比相应的饱和化合物大 1011倍。,+,2电子3中心体系,1,2,3,4,5,7,2)键参与的非经典碳正碳离子,外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯,溶剂解,速度,相应的内型化合物,大350倍,-OBs,二 碳负离子 (Carbanions),碳负离子的生成1) C-H键的异裂 （金属有机化合物的生成）,碳负离子 带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。,2) 负离子对不饱和键的加成,碳负离子的结构,10928,sp3 杂化 棱锥型,90,sp2杂化 平面三角型,烷基负碳离子为棱锥型, 孤对电子处于sp3杂化轨道上。轨道

6、夹角为109 28时，电子对间的排斥力小，利于负碳离子稳定。,光学活性,-70 C 20%光学活性0 C 外消旋化,三元环中的碳负离子,选择sp3杂化109o28,选择sp2杂化 120o , 角张力增加, 不易转化,立体定向的顺式产物,2. 影响负碳离子稳定性的因素：,1) s-性质效应,2) 诱导效应与吸电子基团相连时,使电荷分散,稳定性增大.CH3-H F3C-H (CF3)3C-HpKa 42 28 11与推电子基团相连时, 稳定性降低.稳定性: CH3- CH3CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C-,邻近原子有孤电子对时, 碳负离子稳定性降低.,3) 共轭效应,与共轭体系相连

7、时使负电荷分散, 稳定性增加.,形成芳香体系,4n + 2, 芳香性,-C效应的影响:OHC-CH2-CHO CH3COCH2COCH3 NCCH2CN CH3NO2 pKa 5 9 11 10,必须注意, 如果p轨道的对称轴不能平行, 则侧面交盖将受影响,而不能充分离域. 例如:,杂化作用C-H键中的C的成分越多,H越易以质子形式解离,4) 溶剂效应 Solvent Effect,溶剂对反应速度、化学平衡以及有机反应机理的影响称为溶剂效应。溶剂效应主要通过溶剂的极性、氢键、酸碱性等产生作用。在所有涉及到的离子反应里, 溶剂对参与的离子的稳定化 作用是非常明显的. 在没有溶剂的情况下, 离子反

8、应在气相 进行需要很高的能量, 在气相更普遍的是按自由基进行的. 例如:,HCl 在气相解离为自由基只需430.95KJ/mol的能量而解离为离子所需能量高达1393KJ/mol若在极性溶剂(如H2O) 中, HCl很容易解离为离子.,质子性溶剂, 能够有效地溶剂化正离子和负离子，因此能 促进极性分子形成活性中间体，促进离子型反应。,溶剂对反应速度的影响取决于溶剂对过渡态及反应物的作用情况：若过渡态极性比反应物大，则极性溶剂对过渡态的稳定化作用大于对反应物的稳定化作用，增加溶剂极性，反应速度加快；反之，溶剂极性减小，反应速度减慢。,极性非质子溶剂如DMSO，DMF，HMPA等, 能够溶剂化 正

9、离子,但不能溶剂化负离子. 因此, 负离子在极性非质子溶 剂中将更为活泼. 选择不同的溶剂,往往可以直接影响负离子 的活泼性.,例如, 甲氧基负离子的碱性, 在极性非质子性溶剂中比在极 性质子溶剂中要强的多:,在98.5%DMSO和1.5%的甲醇中进行, 比在纯的甲醇中要快108倍. 又如：CH3I和N3-的SN2反应，若将极性质子溶剂换成极性非质子溶剂DMSO，反应速度增加4.5x104倍。,溶剂的介电常数 Dielectric constant 介电常数随分子的偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数大的溶剂

10、，隔开离子的能力较大，同时具有较大的溶剂化能力。 介电常数用 表示。 15,极性溶剂；15,非极性溶剂。,一些特殊的溶剂, 如冠醚(Crown Ether),由于冠醚对正离子的络合, 负离子可作为相反离子或抗衡离子 （Counter Ion）溶解于溶液中. 例如18-冠-6可以有效地将K+溶解在非极性溶剂中, 同时把-OCH3 带入溶液, 从而提高了负离子的碱性和亲核性, 使如下的亲核取代 反应可以顺利进行.,离子液体(Ionic Liquid),离子化合物在常温时由于有较强的离子键存在而都以固态形式存在,它们的熔点都很高.,离子液体是近年来研究成功的在常温时呈液态的离子化合物.,在离子液体中

11、, 只有阳离子和阴离子而无分子存在. 阴离子有各种形式, 阳离子常为非球形结构的不对称有机离子, 体积往往较大而难以致密堆积排列而形成微观晶体, 故晶格能极小. 晶体结构的无序是离子液体在常温下呈液态的主要原因.,离子液体可作为有机溶剂使用, 能溶解非极性的有机化合物和过渡金属催化剂, 但不溶解玻璃和和金属, 故能安全地在这些器皿中使用. 不挥发, 几无蒸气压, 不燃烧, 化学稳定性好, 价格不贵.可以回收再利用.熔点范围广(-96200oC), 故可在不同温度下选用不同离子液体.离子液体有亲水性的, 疏水性的, 粘度大小和酸碱性不一的.以离子液体为有机溶剂进行的许多有机反应的结果都表明, 反

12、应速度提高的同时, 产物分离容易, 选择性和产率都很好, 而且不会产生一些非质子极性溶剂难以回收造成的环境污染问题.,离子液体的特点:,三. 自由基 (Free radicals),1. 自由基的种类及结构自由基也叫游离基, 与碳正离子和负碳离子不同,自由基 是共价键均裂的产物, 带有未成对的电子,也是重要的活性中间 体,其中碳原子为三价,价电子层有7个电子.,1) 自由基的种类,2) 自由基的结构,与碳正离子及碳负离子相似, 自由基中心碳原子的构型, 也可能是sp2杂化的平面构型或sp3杂化的角锥构型. 目前 认为简单的自由基如甲基自由基是平面构型或接近于平 面的浅角锥型, 中心碳原子为sp

13、2杂化或接近于sp2杂化, 未 成对独电子处于p轨道, 三个sp2杂化轨道则与H原子的s轨 道交盖形成三个键.,一般烷基取代的自由基属于那种构型? 通常认为一个光学活性的化合物, 通过产生自由基, 而后反应结果产生外消旋产物,就认为所生成的自由基是平面构型, 实际并不然.,如果自由基不是平面构型, 但具有一定寿命的话, 角锥型也可以迅速转化而达到平衡, 同样也可以得到外消旋产物.,实际上, 叔碳烷基自由基,如叔丁基自由基是角锥型构型, 但由于不同构型之间相互转化的能垒很低, 分离不出异构体.,双环桥头碳正离子与叔丁基正离子比较, 由于碳正离子一般是平面构型, 桥头碳因几何形状限制, 不可能为平

14、面构型, 因而不稳定. 但双环桥头碳自由基与叔丁基自由基比较, 其稳定性并无明显不利倾向.,处于共轭体系的自由基,由于电子离域的要求,中心碳原子为sp2杂化, 为平面结构,如烯丙基自由基和苄基自由基等.,三苯甲基自由基 螺旋桨形构型,乙烯自由基的未成对电子只能处于sp2 杂化轨道,2. 自由基的稳定性,自由基的稳定性主要取决于:共价键均裂的相对难易程度自由基的结构因素.,共价键的均裂所需的离解能越高, 生成的自由基能量越高, 生成的自由基越不稳定.例如:简单烷烃C-H键均裂时的离解能为:,(CH3)3C-H (CH3)2CH-H CH3CH2-H CH3-HH/kJmol-1 372 385

15、402 423,稳定性: (CH3)3C (CH3)2CH CH3CH2 CH3叔 仲 伯,例如: 叔碳的烷氧基自由基在进一步分解时, 主要生成一个比较稳定的自由基和一分子酮.,自由基的断裂 b断裂,自由基中心碳原子如与键共轭,同样可以分散独电子,而 使自由基稳定.,当苯环上有取代基时,不论取代基的本性如何(不论是吸电子基还是给电子基), 常常增加自由基的稳定性, 例如:,芳基自由基, 烯基自由基和炔基自由基, 由于未成对电子 不可能与键共轭,所以不稳定,是很活泼的自由基.,3. 自由基的生成,由分子产生自由基的方法很多, 比较重要的有以下三种:,热解 在加热的情况下, 共价键可以发生均裂而产

16、生自由基.,一些键的离解能(kJ/mol) H-H 430 N-N 150 C-H 410 F-F 155 C-C 325335 H-I 295 Cl-Cl 240 H-S 335 H-Br 365 Br-Br 190 C-Cl 325 H-Cl 430 I I 150 C-Br 272 H-F 565 -O-O- 140 C-I 240 H-O- 460,自由基反应通常以过氧化物或偶氮化合物作为引发剂, 主要是由于分子中含有较弱的键, 容易均裂产生自由基, 同时又是相同元素的同核键,一般不易异裂产生正/负离子.,常用的自由基引发剂有:过氧化苯甲酰(BPO) 偶氮二异丁腈(AIBN),自由基引

17、发剂,2) 光照,在可见和紫外光波段, 对辐射具有吸收能力的分子, 利用光 照射可以使之分解而产生自由基.,另一个有用的光解反应是丙酮气相光照分解反应,其它容易发生光解的反应如次氯酸酯和亚硝酸酯, 可以产生 烷氧基自由基.,与热解法比较, 光解产生自由基具有明显优点, 主要为:,光解可以分解在通常合理温度下不容易分解或很难分解的强共价键, 如偶氮烷类化合物:,b) 由于一定的官能团具有特定的吸收带, 是特定能量的转移,所以光解比热解具有更大的选择性, 副反应比较少.,3) 氧化还原反应一个电子自旋成对的分子失去或得到一个电子都可导致产生自由基, 实际上就是氧化还原过程, 因此通过氧化还原反应也

18、可以产生自由基.,某些金属离子, 如Fe2+/Fe3+, Cu+/Cu2+, Ti2+/Ti3+等是常用的 产生自由基的氧化还原剂.例如: Cu+离子可以大大加速酰基过氧化物的分解, 产生酰氧基自由基.,Ti2+是一个很强电子还原剂, 可用于还原过氧化氢生成羟基自由基,生成的羟基自由基是有效的催化剂,不但可以用于生成其它 自由基，也可以用于有机合成.,4. 影响自由基稳定性的因素,1) 诱导效应,由于超共轭效应的影响，烷基自由基的稳定性次序为:叔 仲 伯与共轭体系如烯键、苯基、硝基、氰基等相连都可使孤电子离域而得到稳定。取代基对自由稳定化能力的大小一般有如下次序：,苯基、烯基羰基腈基酯基烷基,

19、许多酚类化合物在冷的干醚中氧化，可以生成不稳定的酚氧自由基，2，4，6- 三叔丁基苯酚自由基由于单电子与苯环离域，又由于有较大的邻位阻效应而表现出是一个非常稳定的自由基，它可以被离析出来，IR上显示出1660cm-1的羰基吸收峰。,这一自由基能够与不稳定的自由基结合生成稳定的分子，因此可用于自由基淬灭剂或阻聚剂。,N，N-二苯基-N-苦味基自由基是一个紫色晶体，由于存在有庞大的空间位阻，再加上三个硝基的诱导影响，使它可以以固体状态存在并保存数年不变。,2，2，6，6-四甲基六氢吡啶-4-酮氧化氮自由基甚至可以在分子中的其他部位发生格氏反应而不影响自由基结构。,2) 空间因素,叔碳原子自由基的稳

20、定性之所以较大，除了有超共轭电子效应外，空间因素也有一定作用。自由基中心碳原子所连的基团较大时可以使自由基中心的张力得到一定消除。此外，较大的空间位阻因素也不利于自由基发生反应。双叔丁基甲基自由基在低温（-30）无氧的稀溶液中是足够稳定的，这也是空间因素的影响之故。,3) 溶剂效应,溶剂效应对自由基的影响不似对离子那么大，溶剂若能与自由基络合不但会增加它们的稳定性而且会改变它们的某此反应性质。下列反应：,5. 自由基的反应 Free Radical Reactions,与离子型反应相比较，自由基反应常常在中性和较温和的反应条件下就能进行. 其反应一般有如下几个特点:1）反应常在光或有易于产生自

21、由基物种的催化剂引发下发生。2）反应常有一个诱导期，而溶剂对反应的影响较小，且无论在 气相还是液相，自由基均能反应。3）芳环的自由基反应并不服从一般定位规律。4）自由基反应在相当一段时间内被认为缺乏选择性，因而难有理想的产率，自20世纪80年代以来，情况有了显著的改变，应用于有机合成的自由基反应越来越多。,1）重排和碎裂反应 Rearangement and Fragementation自由基的稳定性比碳正离子小，其重排不如碳正离子容易发生，但比碳负离子重排容易。,从分子轨道分析，发生1，2重排时通过三中心过渡态，类似于环丙基的情况，两个碳的P轨道和迁移基团的P轨道重叠形成三个分子轨道，其中一

22、个是成键轨道，两个是反键轨道。,在有利条件下，如空间因素或重排后有利于单电子的离域时重排还是可以发生的。例如下面化合物发生自由基反应时不同取代基R和R引起重排反应的比例也不同。,易于发生1，2重排反应的常见取代基有：X, Ph, C=C, OAc等基团。,自由基的碎裂反应,结构影响：,Driving force: 环张力的解除。,2）卤素取代反应 Halogen Substitution对于一些不活泼的分子，要引入官能团，通常用自由基卤代反应。例如：,在所有卤素中，只有Cl.和Br.具有适中的活性。,例如，H Kcal/molReaction F Cl Br IX. + CH4 HX + CH

23、3. -32 -1 +15 +33CH3. + X2 CH3X + X. -70 -23 -21 -18X 2 + CH4 CH3X + HX -102 -24 -6 +15,可见，F 的反应是强放热反应，与有机物的反应太剧烈。I 在常温下不能与烷烃反应，只有在较高温度下才能进行反应。,比较Cl和Br的夺氢反应，Br的选择性比Cl高：,又如：,其它卤化反应：除卤素进行自由基反应外，还有几种常见的卤化试剂， 在有机合成中很有用。,（1）NBS N-溴代丁二酰亚胺（N-Bromo-succinimide),（2） 次卤酸酯 (CH3)3COCl） （Walling 试剂）,（3） 溴三氯甲烷 Br

24、CCl3,溴三氯甲烷常用作不饱和化合物的取代。,3）自由基加成反应,（1）加卤化氢,加HBr, 得到反马氏规则产物。 加HCl, 烯烃与HCl的自由基加成比HBr复杂。,加HI, HI键能小，易于产生自由基，但I.与烯烃的C结合较困难，需吸收7Kcal/mol以上的能量，故反应难进行。,加HF, HF的均裂能很大，第一步难以进行，至今未发现HF的自由基加成。,（2） 加多卤代烷HCXYZ ( CBr4, CCl4, BrCCl3, BrCHCl2, CHCl3, CHBr3, CHI3, CHF3)少于3个卤原子的卤代甲烷不易加成。,（3）醛对烯烃的加成醛羰基上的C-H键的均裂能近似于C-Br

25、键，用紫外光照射 或用过氧化物催化，能加到烯烃上，得到良好收率的酮。,但是由，不饱和醛生成的自由基并不与烯烃加成， 而是发生二聚反应。,（4）酯对烯烃的加成,含有活泼氢的酯，能与烯烃发生自由基加成。,这类反应可用作有机合成上的增长碳链。,（5）分子内的加成 Intramolecular Addition,4）自由基反应的立体化学和区域选择性Stereochemistry and Regioselectivity,立体化学 自由基加成反应的有利方式为反式加成。,区域选择性,对于二取代烯烃，自由基进攻的位置取决于取代基对新生自由基的稳定化能力。,由以上结果可以得到如下取代基稳定化能力次序：,四.卡

26、宾（碳烯 ） (Carbenes)卡宾中心碳原子为中性两价碳原子,包含6个价电子,4个价电子参与形成两个键,其余两个价电子是游离的.卡宾是一类非常活泼的活性中间体, 已知的卡宾有如下几类:,:CH2, :CHR, :CRR(R为烷基,芳基,烯基或炔基):CHX, :CRX, :CXX(X为F, Cl, Br, I):CHY, :CRY, CYY(Y为其它原子团如:-OR, -SR, -CN, -COOR, COR) :CR2=C:, CR2=C=C:,卡宾的命名 一般以CH2为母体, CH2 :卡宾, Cl2C: 二氯卡宾, CH3COCH: 乙酰基卡宾,卡宾的结构卡宾碳原子只用两个分子轨道成

27、键,还剩下两个分子轨道容纳两个未成键电子.电子在两个轨道中的填充有两种可能:,三重态碳烯 (triplet state),单重态卡宾 (singlet state),2. 卡宾的生成a. 光或热分解反应 Photodessociation or Thermodessociation,b. 消除反应,3. 卡宾的反应卡宾是非常活泼的中间体,容易发生反应, 由于是缺电子的活泼中间体, 一般是以亲电性为特征的. 反应活性的次序大致为:CH2 :CR2 :CAr2 :CX2,卡宾的典型反应主要有两类: a. 对 C = C 键的加成b. 对 C H 键的插入,a) 加成反应,卡宾与碳-碳双键加成则生成

28、环丙烷衍生物, 这是卡宾最 典型的反应之一.,单线态卡宾, 与烯烃的加成属协同加成机理, 烯烃的立体化学特征保持不变:,三线态卡宾, 具有双自由基性质,与烯烃的加成,无论是顺式还是反式烯烃, 都生成顺,反产物的混合物.,选择性:卡宾与共轭二烯烃进行加成反应时, 由于卡宾电子自旋状态 不同, 所得产物也不完全相同.,在没有溶剂时, 单线态卡宾与1,3-丁二烯加成, 产物几乎全部 是乙烯基环丙烷; 而在惰性气体存在下, 单线态卡宾经碰撞使 激发态去活化而形成基态的三线态, 这时再与二烯进行加成, 则按双自由基的分步加成,产物主要是环戊烯.,卡宾也可以与炔烃, 环烯烃,甚至与苯环上的p键进行加成反应

29、.,卡宾对不饱和键的加成为合成带有功能基团的环丙烷提供 了简单有效的方法;其立体化学表现为透视卡宾的结构和了解反应历程提供了 条件.,* 若加成产物为顺反混合物, 则可认为卡宾为三线态(基态).,* 若反应为立体专一性的,一般认为是单线态卡宾(激发态)对不饱和键的协同反应.,* 若用环状烯烃, 只能得到顺式双环n,1,0.,*若卡宾的两个取代基不同,可得到至少两种可能的产物.,b) 插入反应卡宾可以在C-H 键上进行插入反应,卡宾插到C-H键之间, 不 论单线态卡宾还是三线态卡宾, 其插入反应得到的产物是相同的. 这也是卡宾的主要反应之一, 但因其在不同的C-H键上都可以插 入,因而在合成上意

30、义不大.,单线态卡宾的插入是按一步完成的协同历程进行.,三线态卡宾作为双自由基,反应是分步进行的.首先夺取H原子, 而后通过自由基偶联两步完成.,单线态卡宾比较活泼. 对不同的C-H键只有很小的选择性.叔 : 仲 : 伯 = 1.5 : 1.2 : 1.0,三线态卡宾比较稳定,有较大的选择性.叔 : 仲 : 伯 = 7 : 2 : 1,不同的卡宾进行插入反应的活性也是不同的, 活性次序为:,除了C-H 键可以进行插入反应外, 卡宾还可以在C-Br, C-Cl, C-O 键上进行插入反应, 但C-C键不能.,c) 重排反应卡宾可以发生分子内的重排, 通过氢, 芳基,和烷基的迁移, 得到更稳定的化

31、合物, 这也是卡宾常见的反应.,4) 过渡金属卡宾络合物在有机合成中的应用,过渡金属卡宾络合物化学是金属有机化学的前沿研究领域之一。卡宾作为活泼的二价碳衍生物已广泛用于有机合成。过渡金属的一个显著特点是可以和作为配体的寿命短的分子结合并使其稳定，因而被迅速用于有机合成中并成为一类重要试剂和反应中间体。,过渡金属卡宾络合物的类型、结构特征及反应性能,到目前为止，几乎所有的过渡金属均已被合成出相应的金属卡宾络合物。常见的卡宾络合物为Fischer型。,Fischer型卡宾络合物结构特征：a）含有从VI族到VIII族的金属，中心金属以低价氧化态存在，同时被其他配体分子（如CO）所稳定。b）络合物中卡

32、宾碳原子的邻位含有杂原子，卡宾碳富亲电性。c）X射线衍射研究表明，卡宾碳原子为sp2杂化，有一个空P轨道，是缺电子的，它与金属及邻位杂原子之间均有明显的双键性质。,a）强正电性的卡宾碳表现为亲电中心，为亲核试剂。 b）亲电试剂络合到卡宾碳邻位杂原子上。 c）卡宾配体的碳原子上的H具有明显的酸性，故可被碱脱去H原子形成金属卡宾负离子然后与一系列亲电试剂反应生成C-C键。 d）络合物中的杂原子还可被亲核性更强的试剂取代。 e）金属与卡宾之间的碳键也可发生断裂。 f）络合物中配体（CO)也可以被其它配体取代。,（2）金属卡宾络合物的制备,a)从金属羰基化合物的制备,常用的亲核试剂为有机鋰，它比格氏试

33、剂更为有效。加成速度取决于羰基的亲电性、空间因素和配体的种类。,优点：原料易得，大多数产物为固体，且在空气中较稳定，产率高，易于操作。,b)从金属羰基阴离子制备从金属的五羰基二价离子与酰胺或酰氯反应而得,此法经济实用，产率亦好，可直接制备胺基卡宾络合物,c) 由金属羰基化合物和炔烃制备,此法对制备某些特殊卡宾络合物有用，其优点是不需要高反应活性的亲电试剂。此法是利用金属炔烃络合物的重排，然后用醇类化合物捕获制备。,(3) 金属卡宾络合物的反应,卡宾络合物所经历的反应可分为两类A.卡宾配体的反应,亲核取代反应,金属卡宾阴离子的反应,这类阴离子可与亲电试剂作用，常用于CC键的形成. 例如：, 【2

34、+2】环加成, 【32】环加成反应, 【42】环加成反应，不饱和卡宾络合物的乙烯基所表现的缺电子性使其易于与双烯体发生Diels-Alder反应, 1，4共轭加成反应,B.天然产物合成上的应用,Fischer卡宾络合物由于其制备简单，易于操作和其强的官能化能力，使得它们在天然产物合成中得到广泛应用。,(1) 多肽的合成,(2) 抗生素的合成,西他沙星Sitafloxacin广谱型抗菌剂,Cis-2-氟环丙胺,Cis-2-氟环丙胺,IV 乃春 (氮烯 Nitrene）,乃春又称亚氮.,是卡宾的 N 类似物，非常活泼，在普通条件下难以离析。,乃春的生成,1）热解或光解,（thermolysis o

35、r photolysis）,叠氮化合物的分解,异氰酸酯的光解,NH3 or H2NNH2 的光解,2) 乃春的反应典型的反应也是与-键的加成和与C-H键的插入反应.,乃春的重排反应：烷基乃春的重排发生的很快，往往发生在插入和加成反应之前。生成后很快发生重排而生成亚胺（Schiff Base imine ）,V 苯炔（Benzyne ）,苯炔是苯环上发生亲核取代的活性中间体，苯炔的发现，使芳类亲核取代反应中的许多过去难以解释的现象得到了解决.,苯炔的确证,芳基卤化物在氨基钠存在下加热，氨解成芳胺，存在一些异常现象：,结果表明，反应不是简单的亲核取代反应，不是加成消去历程，而是按消去加成历程进行的

36、，生成中间体苯炔。,示踪方法证明：,卤原子邻位有取代基时，不发生反应：,活性中间体捕集( Trapping of intermediate),近代物理方法证明：邻氨基苯甲酸重氮盐用闪光光解后，在极短的时间内，经质谱分析，证明有质量相当于76的峰出现：,苯炔还可以与某些化合物生成稳定的固体配合物而被离析出来：,2. 苯炔的结构：苯炔的存在已是不可争议的事实，但苯炔的叁键结构如何？,首先设想与乙炔相似，两个叁键C原子为SP杂化：,若考虑叁键C原子仍为SP2杂化，叁键的形成基本不影响体系的离域，即苯环骨架的稳定性保持不变，而新的“键”是由两个SP2杂化轨道在环平面内，侧面交盖而形成很弱的键，因此很活

37、泼，不稳定。,3. 苯炔的生成 （邻位消去）,从相邻两个C原子上消去一个电正性基团和一个电负性基团,1）芳卤化物脱HX,对于不同的卤代苯，活性顺序为：Ph-FPh-ClPh-BrPh-I这是因为F的电负性大，使邻位C原子上的H酸性增强，有利于其作为质子离去，虽然F不是好的离去基团，但其离去不是在决速步骤。,2) 由邻卤代有机金属化合物制备：,3) 脱中性基团,4) 光解或热解,3. 苯炔的反应1) 亲核加成反应在某些反应中，加成的方向是有选择性的.,2） 亲电加成反应,3) 环加成反应,4) 二聚反应,VI. 叶立德 Ylid伊立德、内鎓盐、鎓内盐，邻位两性离子，在分子内含有碳负离子和邻位杂原

38、子正离子。,连在C和杂原子上的取代基可以是各种各样的原子和原子团,1. Ylid的结构,三苯基膦叶立德, 这类化合物能以高熔点的黄色固体离析, 在反应中作为活性中间体存在.X-光衍射晶体结构研究表明, C为sp2杂化, P为sp3杂化,普通C-P键长1.87,说明有双键 的性质, 即:,2. Ylid的形成,1) 由相应的膦盐除去质子,Ylid的形成难易决定于碳负离子的稳定性. 对于-卤代酸酯或-卤代腈所生成的膦盐,只需要弱碱就可以形成Ylid.,3) 碳负离子与乙烯基鏻离子的加成,4) 通过对苯炔的加成形成,2) 卡宾和瞵的加成,此方法适用于卤素或烷氧基取代的膦盐,3. Ylid的反应,1)

39、 与醛, 酮的反应,Wittig反应Driving Force: 生成稳定的三苯氧膦,Wittig试剂与醛的反应容易进行,但与酮的反应活性降低,有时可能不发生反应.用亚磷酸三乙酯代替三苯基膦, 可增加Ylid的活性 -改进的Wittig反应:,WadsworthEmmons反应,连有烯基或苯基的Ylid与醛酮 不起Wittig反应.,Stereochemistry经Wittig反应生成的烯烃, 其双键的位置完全可以预言,但烯烃的立体化学关系则比较复杂, 与反应物及试剂的结构有关. 生成的烯烃通常是顺式和反式异构体的混合物.使用活波的Wittig试剂, 生成较多的顺式烯烃. 使用稳定的Witti

40、g试剂, 生成较多的反式烯烃.,对于活波的Ylid, 生成的甜菜碱中间体是不可逆的, 动力学有利的赤式优先生成; 对于稳定的Ylid, 生成的甜菜碱中间体是可逆的, 赤式和苏式可以相互转变, 使热力学稳定的苏式为主要中间体, 分解成反式烯烃,Wittig反应在有机合成中的应用用途广泛, 可用来合成烯烃, ,-不饱和酸, 多环化合物和天然产物等.,2) 氧化反应,主要生成顺式烯烃,醇的对甲苯磺酸酯(ROTs)或 卤代烷(RX)可以用DMSO氧 化成醛或酮:,3) 还原反应用LiAlH4还原Ylid, 使杂原子上的一个 基团除去.,4)水解反应,由以上反应可以看出, Ylid很活波, 怕水, 氧化

41、剂, 强还原剂, 因此, Wittig反应常常在无水无氧条件下进行.,5) 重排反应,(Stevens Rearrangement),VII. 有机化学反应机理研究1. 反应机理的类型：对于大多数有机反应，往往可以提出不止一个反应机理。下面几条原则可以帮助我们判断那些机理是合理的：1）提出的机理应能解释所有已知实验事实，同时又尽可能简单、易于重复和证明。2）基元反应应是单分子或双分子的，通常情况下不必考虑涉及三个以上分子的其它反应。3）机理的每一个步骤在能量上是允许的，化学上是合理的。4）机理应具有一定的预见性。当反应条件或反应物的结构改变时，应能对新反应的速度和产物的变化作出正确的预测。,一

42、个较为正确的反应机理应能符合上述各条要求，而研究反应机理一般可采用下面几个基本步骤：,提出一个与已有实验事实及理论知识相符合的假设；2) 设计并进行实验以检测所提出的机理；3) 根据实验结果对提出的机理进行修正和完善。应当注意，对同一个实验事实的解释可能有多种多样，与实验事实相符的机理也可能不止一条，因此应当认真、反复推敲，以得到满意的、切另人信服的反应机理。,2. 确定有机反应机理的方法1）产物的鉴别2）中间体的确定：a. 中间体的分离 b. 中间体的检测c. 中间体的捕获 d. 可疑中间体的合成3）催化作用4）同位素标记5）立体化学6）化学热力学方法7）化学动力学方法8）同位素效应,3.

43、热力学控制和动力学控制,4. 有机酸碱理论1）Bronsted酸碱理论立论于质子的授受：给出质子的物质为酸 Proton donor接受质子的物质为碱 Proton acceptor2) Lewis 酸碱理论立论于电子对的授受：给出电子对的物质为碱 Electron donor接受电子对的物质为酸 Electron acceptor,3. 结构对酸碱强度的影响1）取代基的电子效应2) 氢键3) 空间效应4. 软硬酸碱理论,一，下列化合物那些能形成分子内氢键？,练习题：,二、下列各组化合物能否形成分子间氢键？若有的 化，请画出分子间氢键。,三、羟基异丁酸有三种可能的氢键，但只有（1）和（2）是实

44、际得到的，请解释原因。,四，判断下列各分子优先质子化的位置。,五、预期下列各对反应中，那个化合物反应得较快和反应得较完全。,六、将下列各组基团按诱导效应增加的顺序排列。,七、试说明下列化合物Pka变化的倾向.,八、下列含氮化合物的Pka数据说明了什么？,九、将下列各组化合物按碱性减小的顺序排列。（参考酸：H+）,十、在下列各组中，试确定那个是更强的酸，为什么？,一, 化合物C6H5CHClR在80%的乙醇溶液中溶剂分解,对不同的的R的相对速度是; R CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH3)3CRelative rate 540 125 27 1 试解释之.,二, 解释如下反应,三,

45、 提出下面反应的机理.,四, 排出下列各组化合物的酸度并说明理由1, 环丙烷, 乙炔, 环己烷, 乙烯2, 丙酮, 环己酮, 乙酰丙酮, 丙二酸二乙酯,五, 试指出下列每个化合物中， 哪个质子酸性最强? 为什么?,六, 为什么CH3Cl对于-消去反应没有CHCl3敏感?试预言CH3Cl加OH-应得到什么产物.,七, 试提出解释如下反应中生成不同产物的机理.,八, 2,2,6,6-四甲基环己醇用酸处理时,可得到一个烯烃,试写出反应方程式和烯烃的结构.,九, 安息香缩合反应;,所用芳醛中醛基的邻对位上不能有强的吸电子或供电子基, 试解释其原因.,十, 写出下列反应转变的历程.,十一, 下列每对可被

46、碘负离子取代的化合物中, 哪一个更易被取代?,十二, 对下列反应提出合理的反应机理.,2)在甲醇溶液中苯乙烯的溴化反应不仅得到1，2二 溴1苯基乙烷，也生成2溴1甲氧基1苯基乙烷。,十三, 测得三乙胺与碘甲烷和2-碘丙烷反应的KCH3/K(CH3)2CH = 2.9104而,与上述试剂反应的 KCH3/K(CH3)2CH = 2.4103, 试解释之.,十四, 试对化合物(1)和(2)独立进行溶剂解时的速率,提出解释.(1),(2),相对速率 1,十五、 化合物(1)和(2)进行SN1水解时其反应速率如下所示,试提出解释;,相对速率 1,十六、 2-烷基-2-金刚烷基-对硝基苯甲酸酯25在80

47、%的丙酮水溶液中溶剂解的速率数据如表，试解释之.,十七、 (1) 化合物i的醋酸解是立体专一性的反应, 仅生成ii,十八, 从观察到的实验现象提出符合这些现象的反应历程.下面两个反应有相等的反应速度并遵循相同的动力学方程:,反应在重水中进行时若在反应完成前回收原料有氘代原料产生.,4）HOCl 和CH2=CHCH2*Cl 反应得到三种产物1,2,3, 若用CH2=C(CH3)CH2*Cl 反应, 则标记*Cl重排产物的比例要小的多.,5）化合物1进行SN1反应比2快, 3进行SN2反应比4慢.,十九，判断下列反应的值，说明那个值适合那个反应。 2.45, 0.75, -2.39, -7.29,二十，用Hammett方程分析氯化苄类化合物在不同条件下进行亲核取代反应行为发现：,1）氯化苄类化合物在水中溶剂解，求得 = - 1.8752）氯化苄类化合物在丙酮中与I-反应，求得 = +0.785,21， 为什么取代苯甲酰胺的碱性水解反应的值为正值，而它的酸性水解反应的值为负值?,22,下列环烃体系, 指出它们是芳香性, 同芳香性还是反芳香性的?,