有機(jī)反應(yīng)機(jī)理

第7章活性中間體的研究7.1活性中間體概述7.2

碳正離子7.3卡賓7.4碳負(fù)離子7.5有機(jī)自由基11活性中間體的研究在機(jī)理研究中有何意義和作用？2有機(jī)反應(yīng)中常見的活性中間體有哪些？3掌握有機(jī)自由基、卡賓、碳正離子、碳負(fù)離子等常見活性中間體的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生的條件和反應(yīng)性27.1活性中間體概述多步反應(yīng)，生成一個(gè)或多個(gè)活性中間體活性中間體的研究是機(jī)理研究的一個(gè)重要組成部分確定中間體的存在和結(jié)構(gòu)可以提供有關(guān)反應(yīng)機(jī)理的信息，特別是關(guān)于過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)信息3根據(jù)Hammond假設(shè)，確定活性中間體的結(jié)構(gòu)有助于了解過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)因此，活性中間體的研究對(duì)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的研究具有重要意義4活性中間體包括自由基卡賓（碳烯）正碳離子負(fù)碳離子乃春（氮烯）苯炔57.2碳正離子碳正離子是指碳原子上帶正電荷的一類常見有機(jī)活性中間體，其結(jié)構(gòu)如下圖所示6帶正電荷的碳原子取sp2雜化，三個(gè)取代基與中心碳所成的三個(gè)共價(jià)鍵處于同一平面，有利于取代基之間盡量遠(yuǎn)離7碳正離子的穩(wěn)定性

碳正離子的穩(wěn)定性受電子效應(yīng)(包括共軛效應(yīng)、超共軛效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)和場(chǎng)效應(yīng))、位阻效應(yīng)、溶劑效應(yīng)等因素的影響任何使中心碳原子電子云密度增加的電子效應(yīng)可使中心碳原子的正電荷分散，提高碳正離子的穩(wěn)定性8穩(wěn)定碳正離子的三種效應(yīng)相鄰原子上有未共用電子對(duì)相鄰原子上的鍵相鄰原子上的鍵9相鄰原子上的未共用電子對(duì)，鍵和鍵對(duì)碳正離子的穩(wěn)定化作用10相鄰原子上有未共用電子對(duì)時(shí)的共振結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化作用順序：周期表自左向右，自上而下降低X=N>O>F；X=O>S11氮原子的穩(wěn)定化作用最強(qiáng)，因此，亞胺正離子是一個(gè)較穩(wěn)定的中間體哪一共振結(jié)構(gòu)穩(wěn)定？為什么親核試劑通常進(jìn)攻碳原子？12許多縮合反應(yīng)經(jīng)由亞胺正離子中間體，如Knoevenagel縮合13Knoevenagel縮合的機(jī)理1415Mannich縮合反應(yīng)也以亞胺正離子為中間體16Formationofthereactiveiminiumionunderacidicconditions17Alkylationoftheenolizedcarbonylcompound18如果相鄰原子上未共用電子對(duì)所在軌道與碳正離子的空p軌道不平行，則不能起到穩(wěn)定化作用，例如resonancestabilizationnotpossible19與相鄰原子上鍵的共振20與相鄰原子上鍵的共振：超共扼效應(yīng)21由于碳正離子的中心碳原子取sp2雜化，與sp3雜化相比，有利于取代基之間相互遠(yuǎn)離，降低張力因此，碳正離子的中心碳原子上取代基越擁擠，則相應(yīng)碳正離子越容易形成空間位阻對(duì)碳正離子穩(wěn)定性的影響22碳正離子的形成碳正離子是強(qiáng)酸，堿性條件下不可能生成碳正離子形成碳正離子的主要途徑包括在質(zhì)子酸或Lewis酸的作用下使鍵發(fā)生異裂酸或其它親電試劑對(duì)不飽和鍵的加成23質(zhì)子酸作用下鍵的異裂，如：24又如：25Lewis酸作用下鍵異裂生成碳正離子26酸對(duì)不飽和鍵的加成質(zhì)子與酰胺，酯等羧酸衍生物加成時(shí)，為什么質(zhì)子加成到羰基氧上而不是加成到氮或烷氧基氧上27其它親電試劑對(duì)不飽和鍵的加成28碳正離子的反應(yīng)消除質(zhì)子生成不飽和化合物與親核試劑反應(yīng)重排，生成更穩(wěn)定的碳正離子29與含未共用電子對(duì)的親核試劑反應(yīng)30與含未共用電子對(duì)的親核試劑反應(yīng)（續(xù)）WhenthenucleophileisRCO2H,thecarbonylOmakesthenewbond,nottheOoftheOHgroup31與親核試劑反應(yīng)32與親核試劑反應(yīng)Pi-bondnucleophilescanalsoaddtocarbocationsandanewcarbocationisformed該反應(yīng)是否為人名反應(yīng)？33消除氫DonotusethearrowtoshowtheH+fragmentflyingoffintothewilderness!IfH+floatingawaybothersyou,showaweakbasemakinganewbondtoH+atthesametimeastheC–Hbondiscleaved.Usuallythebaseisassumedtobepresentandisnotshown.34重排Themajormechanismsforcarbocationicrearrangementsare1,2-hydrideshiftsand1,2-alkylshifts.Bothoftheseoccurintherearrangementofthecyclohexyliumion(a2°carbocation)tothe1-methylcyclopentyliumion(a3°carbocation).35碳正離子重排的實(shí)例Pinacolrearrangement鄰二叔醇重排，頻哪醇重排36酸催化下，鄰二叔醇失去一分子水，重排成醛或酮的反應(yīng)：37Pinacol重排兩種可能的機(jī)理以正碳離子為中間體的分步機(jī)理基團(tuán)離去與基團(tuán)遷移同時(shí)發(fā)生的協(xié)同機(jī)理38以正碳離子為中間體的分步機(jī)理39基團(tuán)離去與基團(tuán)遷移同時(shí)發(fā)生的協(xié)同機(jī)理40Howdoesonedecidewhetherlossofaleavinggroupisconcertedwitha1,2-shiftorwhetheracarbocationisformedbeforethe1,2-shiftoccurs?Understronglyacidicconditions,whencarbocationsareparticularlylonglived,nonconcertedmechanismsareusuallydrawn41Aconcertedmechanismisusuallydrawnwhen?lossoftheleavinggroupwouldgiveaparticularlyhighenergycarbocation;or?thecarbocationthatoneobtainsafterthe1,2-shiftisparticularlylowinenergy;or?agroupthatisantiperiplanartotheleavinggroupshiftsselectively,whereasothergroupsdonot.42酸催化下脫任何一個(gè)羥基得相同的正碳離子，生成何種產(chǎn)物取決于R和R1的遷移能力，例如：Pinacolrearrangementofsymmetricaltetrasubstituted1,2-diols43遷移能力：芳基>烷基PPSE：多聚磷酸三甲硅酯44X處于對(duì)位或間位：X為供電基>X為吸電基X處于鄰位：由于空間位阻，使芳基遷移能力下降常見取代基的遷移能力大小見下圖Migratoryaptitudesofsubstitutedphenylgroups4546思考題以下Pinacol重排只生成甲基遷移產(chǎn)物，為什么？47重排方向主要取決于脫羥基后所生成的正碳離子的穩(wěn)定性，通常與基團(tuán)的遷移能力無(wú)關(guān)，例如：Pinacolrearrangementofunsymmetricaltetrasubstituted1,2-diols4849Pinacolrearrangementoftrisubstituted1,2-diols酸催化下優(yōu)先脫叔羥基，仲碳上所連的氫原子或基團(tuán)發(fā)生遷移，例如50

Pinacolrearrangementswithringexpansionorcontraction5152思考題：解釋以下反應(yīng)結(jié)果53處于離去基團(tuán)OH2+反式的甲基遷移，協(xié)同機(jī)理若兩個(gè)羥基處于同一環(huán)上，離去基團(tuán)（OH2+）與遷移基團(tuán)互成反式有利于遷移54處于OH2+反式的環(huán)上的鍵遷移，導(dǎo)致縮環(huán)55β-鹵代醇，β-氨基醇，β-羥基硫醚等在一定條件下也能產(chǎn)生以上中間體，然后重排成醛或酮，稱其為Semipinacol重排。鄰二叔醇重排經(jīng)由以下正碳離子中間體Semipinacolrearrangements56β-鹵代醇的重排57脂環(huán)β-氨基醇重氮化，擴(kuò)環(huán)反應(yīng)：Tiffeneau（蒂芬歐）擴(kuò)環(huán)58Tiffeneau（蒂芬歐）擴(kuò)環(huán)在合成上的應(yīng)用通過以下的反應(yīng)過程，使環(huán)不斷地?cái)U(kuò)大：59通過硝基甲烷的加成和硝基還原也可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)環(huán)60β-羥基硫醚的重排條件：CH2Cl2/10%MeOH/R4NCl

電解氧化61分析以下重排反應(yīng)的機(jī)理6263分析以下重排反應(yīng)的機(jī)理64Tf：三氟甲磺?；?；DTBMP：2,6-二叔丁基-4-甲基吡啶656.3卡賓卡賓又叫碳烯，是碳原子上具有兩個(gè)共價(jià)鍵和兩個(gè)未成鍵電子呈電中性的活性中間體66亞甲基是最簡(jiǎn)單的卡賓，它有兩種電子狀態(tài)如果兩個(gè)未成鍵電子以相反的自旋處于同一軌道內(nèi)，在光譜學(xué)上稱為單線態(tài)如果兩個(gè)未成鍵電子以相同的自旋分處于不同的軌道中，稱為三線態(tài)67單線態(tài)卡賓的中心碳原子取sp2雜化，兩個(gè)配對(duì)的未成鍵電子處于sp2雜化軌道中，p軌道為空軌道，此結(jié)構(gòu)與碳正離子的結(jié)構(gòu)相似泡利(Pauli)不相容原理68三線態(tài)卡賓的中心碳原子取sp雜化，兩個(gè)未成鍵電子分占兩個(gè)相互垂直的p軌道洪特（Hund）規(guī)則69三線態(tài)和單線態(tài)卡賓的性質(zhì)均極活潑，但單線態(tài)卡賓更活潑就亞甲基而言，單線態(tài)的能量更高，兩種狀態(tài)的能量差約為33kJmol－1～36kJmol－170卡賓一般具有極高的反應(yīng)活性，穩(wěn)定性很低。某些具有特殊結(jié)構(gòu)的卡賓可穩(wěn)定存在71卡賓的形成

卡賓的形成方法主要分為兩類通過熱解或光解含一定形式雙鍵的活性化合物而產(chǎn)生卡賓通過-消除反應(yīng)形成卡賓72通過-消除反應(yīng)形成卡賓Carbenesgeneratedby-eliminationaresingletsbecausethetwounsharedelectronsarederivedfromthesameMO73重氮化合物光解產(chǎn)生三線態(tài)卡賓74Simmons–Smith試劑(ICH2ZnI)：類卡賓TherateofinsertionofordinaryZndustintotheC–Ibondisveryslow,sozinc–coppercouple,orZn(Cu),isusedinstead75卡賓的反應(yīng)卡賓的主要反應(yīng)可歸為三類環(huán)加成反應(yīng)插入反應(yīng)重排反應(yīng)76單線態(tài)卡賓的環(huán)加成反應(yīng)是立體專一的，即順式的烯烴只得到順式的環(huán)丙烷衍生物，反式的烯烴只得到反式的環(huán)丙烷衍生物77這是由于單線態(tài)卡賓有空p軌道，具有親電性，卡賓上的未成鍵電子對(duì)與烯烴的兩個(gè)電子通過三元環(huán)過渡態(tài)形成了兩個(gè)鍵，這種一步協(xié)同成