第五章有機(jī)反應(yīng)活潑中間體及在合成

第五章

有機(jī)活潑中間體及其

在有機(jī)合成中的應(yīng)用第一章有機(jī)反應(yīng)活潑中間體及在合成上的應(yīng)用

在有機(jī)反應(yīng)中，經(jīng)常出現(xiàn)的活潑中間體是卡賓、乃春、自由基、碳正離子、碳負(fù)離子（包括苯炔、葉立德）碳正離子自由基碳負(fù)離子卡賓乃春第一節(jié)：卡賓（碳烯（Carbene）

卡賓是指電中性含二價(jià)碳的化合物，如：（1,2－二卡賓）

一、卡賓的結(jié)構(gòu)與形成

卡賓有二種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)尉€態(tài)：碳原子為SP2雜化，一對(duì)電子在SP2雜化軌道上，能量高，能衰變?yōu)槟芰康偷娜€態(tài)的卡賓。三線態(tài)的卡賓：碳原子為SP雜化，有二個(gè)P空軌道，并相互直，每個(gè)P軌道上有一個(gè)電子，且自旋方向相同。SP2雜化

，單線態(tài)

SP雜化，線性結(jié)構(gòu)，三線態(tài)

1、雙鍵化合物分解（烯酮、重氮化合物的分解）

2α－消除反應(yīng)得到三氯乙酸鈉在非質(zhì)子溶劑如1，2－二甲氧基乙烷中回流脫羧如：二卡賓的反應(yīng)（強(qiáng)親電試劑）1、插入反應(yīng)

插入反應(yīng)在卡賓中較普遍存在，但在鹵代卡賓中沒(méi)有此類反應(yīng)，因?yàn)辂u代卡賓的活性比卡賓低。其反應(yīng)的活性順序?yàn)椋?CH2>:CHCl>:CCl2>:CBr2>:CF2（X=H,Cl,O,N，etc.），碳碳鍵不能插入2、加成反應(yīng)

2.1、對(duì)碳碳雙鍵的加成（協(xié)同反應(yīng)，形成三元環(huán)）

單線態(tài)卡賓對(duì)雙鍵的加成保持立體專一性，而三線態(tài)卡賓則不能，一般在液相中得到的是單線態(tài)卡賓，如果在溶液中加入C6F6稀釋，則主要得到三線態(tài)卡賓，在氣相條件下，光照，如果有惰性氣體如氬氣存在下，得到的卡賓以三線態(tài)為主。若加入O2等雙自由基試劑，它們和三線態(tài)卡賓結(jié)合，留下的是單線態(tài)卡賓。

（順加成）

例：（主產(chǎn)物，加成）（副產(chǎn)物，插入）

例：烯丙基卡賓分子內(nèi)加成雙環(huán)丁烷

例：（單線態(tài)）（協(xié)同加成）

（構(gòu)型保持，順式）（構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，反式）

2.2對(duì)羰基的加成3、重排反應(yīng)：Wolff重排反應(yīng)機(jī)理：

4、在合成上的應(yīng)用例：擬除蟲菊酯的合成例：

第二節(jié)乃春(Nitrenes)

一、乃春的結(jié)構(gòu)與形成

乃春與卡賓相似，是一個(gè)含氮的活性中間體，指電中性的一價(jià)氮的化合物。從結(jié)構(gòu)上看，也分為單線態(tài)和雙線態(tài)。乃春可由多種有機(jī)疊氮化合物經(jīng)光或熱分解脫氮?dú)舛a(chǎn)生。1、烷基和芳基乃春的產(chǎn)生2、由疊氮基甲酸酯（azidoformates）分解

其制備過(guò)程為：采用酰氯與疊氮鈉反應(yīng)制得。如：（氯甲酸乙酯）（疊氮基甲酸酯）3、消除反應(yīng)

烷氧羰酰乃春由N－（對(duì)硝基苯磺酰氧基）胺基甲酸酯在堿存在下消除反應(yīng)得到：

烷氧基羰酰乃春二、乃春的反應(yīng)主要反應(yīng)有：得氫、插入、環(huán)化、二聚、重排等。1.得氫反應(yīng)：ArN:+2RH---------ArNH2+R-R2.插入反應(yīng)：（主產(chǎn)物）（伯：仲：叔＝1：10：30）3.環(huán)化反應(yīng)

單線態(tài)乃春為協(xié)同反應(yīng)，烯烴的順?lè)礃?gòu)型保持，而三線態(tài)乃春為雙自由基，反應(yīng)為分步進(jìn)行的，由于σ鍵的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)物為順?lè)串悩?gòu)體的混合物：4.二聚反應(yīng)：5.重排反應(yīng)：

乃春相關(guān)的重排反應(yīng)有霍夫曼重排、洛森重排、克蒂斯重排反應(yīng)。5.1霍夫曼（Hoffmann）重排酰胺在次鹵酸鈉的堿溶液中，重排生成第一胺的反應(yīng)，反應(yīng)歷程：5.2、洛森（lossen）重排：異羥肟酸及其乙?；苌镉袕?qiáng)堿作用下，得到第一胺的重排反應(yīng)：5.3、克蒂斯（Curtis）重排反應(yīng)

?；B氮化物熱分解得到?；舜?，再重排得到異氰酸酯的反應(yīng)：一個(gè)具有殺蟲活性的氨基甲酸酯化合物過(guò)程如下：

乃春在芳環(huán)鄰位是不飽和支鏈時(shí)，極易環(huán)化成五元環(huán)，這一性質(zhì)對(duì)雜環(huán)的合成具有重要意義：

參考文獻(xiàn)：徐曉慧，殷平，胡玉才，唐清華，包沖榮.有機(jī)活性中間體氮烯的反應(yīng)性及應(yīng)用研究[J]，化工時(shí)刊，2007,21（10）：67-70第三節(jié)：自由基

自由基是共價(jià)鍵發(fā)生均裂，每個(gè)碎片各保留一個(gè)電子，是帶單電子的三價(jià)碳的化合物。一、自由基的結(jié)構(gòu)和形成

1、自由基的結(jié)構(gòu)：

甲基自由基、含共軛結(jié)構(gòu)的自由基是SP2雜化。平面型結(jié)構(gòu)，自由電子在空的P軌道上，叔丁基自由基是角錐型，為SP3構(gòu)型，其反轉(zhuǎn)的能量很低，一般約2.5cal/mol，其反轉(zhuǎn)經(jīng)平面型的SP2構(gòu)型。當(dāng)這種反轉(zhuǎn)速度沒(méi)有反應(yīng)速度快時(shí)，產(chǎn)物有旋光性；反之，得到外消旋產(chǎn)物。α=－1.45o外消旋產(chǎn)物

2、自由基的穩(wěn)定性：

若自由基中的電子能與π電子形成P-π共軛體系，這樣的自由基較穩(wěn)定：3、自由基的形成

(1)熱均裂反應(yīng)有機(jī)的過(guò)氧化物或有機(jī)偶氮化合物在加熱時(shí)均裂形成自由基，常作為自由基反應(yīng)的引發(fā)劑，如：（過(guò)氧化苯甲酰）、PBO

（偶氮二異丁氰）(2)輻射均裂反應(yīng)：共價(jià)鍵的化合物，在紫外光X-射線、γ－射線的輻射下，引起鍵均裂。如：有機(jī)汞化合物光分解如：

(3)單電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)

可變價(jià)的無(wú)機(jī)離子如：Cu、Fe、Co等由于他們得到或失去一個(gè)電子而生成自由基如：

過(guò)氧化叔丁醇二、自由基的反應(yīng)

1、鏈反應(yīng)機(jī)理

鏈引發(fā)：鏈增長(zhǎng)：

鏈終止：2、烴的鹵代反應(yīng)

鹵代反應(yīng)通常指烴的氯化和溴化。而氟代反應(yīng)太激烈，碘代反應(yīng)速度慢且不能進(jìn)行到底。常用的原料是氯氣、溴素。但有時(shí)使用其替代物反應(yīng)更溫和，而且副反應(yīng)少，收率高。

烯丙基或芐基鹵化物常采用NBS、NCS、Me3COCl（次氯酸叔丁酯）作鹵化試劑，它們是一種溫和的鹵化試劑、均只發(fā)生α－氫的取代反應(yīng)不發(fā)生烯烴的加成反應(yīng)。

（N-溴代（氯代）丁二酰亞胺）

3、自由基加成反應(yīng)

在四種鹵化氫中，只有溴化氫與烯烴的加成能按自由基歷程進(jìn)行，即加成產(chǎn)物不符合馬科尼科夫規(guī)律。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在黑暗、無(wú)過(guò)氧化物存在下，與溴化氫加成符合馬氏規(guī)則。若在空氣中暴露或光照下與溴化氫所起的加成反應(yīng)是不符合馬氏規(guī)則產(chǎn)物。（1,3－二溴丙烷，反馬氏產(chǎn)物）自由基歷程：為什么僅僅HBr具有過(guò)氧化物效應(yīng)？這是因?yàn)樵阪準(zhǔn)椒磻?yīng)中，鏈傳遞的兩步反應(yīng)必須是放熱反應(yīng)，否則，鏈的傳遞將發(fā)生困難。表：鹵化氫的鏈傳遞反應(yīng)焓變：ΔH(KJ/mol)HF－222＋151HCl－75＋17HBr－21－50HI＋50－117

除HBr能和烯烴發(fā)生自由基加成外，羧酸衍生物，特別是含活潑氫的羧酸衍生物如：丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯、氯乙酸乙酯等，也能和烯烴發(fā)生自由基加成，如：例：殺蟲劑毒死蜱的合成：

4、自氧化反應(yīng)

分子氧對(duì)有機(jī)物進(jìn)行的氧化反應(yīng)稱之為自氧化反應(yīng)。自氧化反應(yīng)具有重要的實(shí)際意義，如油漆的干燥、橡膠的老化、暴露空氣中食物的變質(zhì)等都與自氧化反應(yīng)有關(guān)。為阻止有機(jī)物因自氧化反應(yīng)而遭破壞。常加入阻止氧化反應(yīng)的物質(zhì)如對(duì)苯二酚抗氧化劑。如苯甲醛很易被空氣氧化成苯甲酸，如加入0.001％的對(duì)苯二酚就可阻止反應(yīng)發(fā)生：再如：機(jī)理如下：5、自由基重排反應(yīng)自由基重排反應(yīng)沒(méi)有碳正離子那樣普遍，但在某些情況下自由基確實(shí)發(fā)生了重排。例：例：(重排產(chǎn)物)例：第四節(jié)碳正離子

一、碳正離子的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性1、經(jīng)典碳正離子：結(jié)構(gòu)可用經(jīng)典的lewis式表示的碳正離子

碳正離子的中心原子一般為SP2雜化，P軌道為空軌道。碳正離子的穩(wěn)定性順序?yàn)椋菏逄?gt;仲碳>伯碳

能產(chǎn)生P－π共軛的碳正離子較穩(wěn)定。幾種穩(wěn)定的正碳離子：

二、非經(jīng)典碳正離子

非經(jīng)典碳正離子不能用Lewis結(jié)構(gòu)式來(lái)表示1、烯丙基型非經(jīng)典碳正離子（碳碳雙鍵作為鄰基參與）反式－7－原冰片烯基對(duì)甲苯磺酸酯（反式，構(gòu)型保持）反式的速度是順式的107倍，而順式不僅速度慢，而且得到仍然是反式產(chǎn)物。

反式碳碳雙鍵可以形成π32的非經(jīng)典碳正離子，所以反式速度快順式－7－原冰片烯基對(duì)甲苯磺酸酯

2、螺環(huán)形碳正離子下列化合物水解產(chǎn)物很難用經(jīng)典的碳正離子加以解釋

85％二、碳正離子的反應(yīng)1、親核取代反應(yīng)

SN1歷程：正碳離子歷程，構(gòu)型消旋化，SN2歷程，分子過(guò)渡態(tài)，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。

離子對(duì)歷程：將兩極端歷程融合為一個(gè)歷程加以解釋：實(shí)際過(guò)程為SN1、SN2歷程都不同程度存在。

2、重排反應(yīng)3、β－消除反應(yīng)

在親核取代反應(yīng)的同時(shí)，常伴有消除反應(yīng)，特別是叔鹵代烴。如：

當(dāng)X＝NR3時(shí)，幾乎全為消除產(chǎn)物?；舴蚵驮啦煞蛳?/p>

扎依采夫消除規(guī)律：一般情況下，仲、叔鹵代烴的β消除得到主產(chǎn)物為碳碳雙鍵上烷基最多的烯烴?；舴蚵?guī)律：

從季胺堿或锍堿加熱消除得到的主產(chǎn)物為雙鍵烷基最少的烯烴。

4、烯烴的親電加成反應(yīng)

HX對(duì)烯烴的加成，在一般情況下，HX分子中的質(zhì)子與碳碳雙鍵上的π電子結(jié)合形成最穩(wěn)定的碳正離子，這就是馬爾尼可夫規(guī)則。

若在自由基引發(fā)劑（有氧或少量過(guò)氧化物）情況下，溴化氫的加成是反馬氏加成：5、芳香族親電取代反應(yīng)如：硝化、磺化反應(yīng)、F－C反應(yīng)：R+、RCO+、鹵化（Cl2、Br2）等。

第五節(jié)碳負(fù)離子（Carbenion）（活潑亞甲基）和葉立德1、碳負(fù)離子結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

一般碳負(fù)離子與相鄰基團(tuán)易形成共軛大π鍵時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，取SP2雜化的平面構(gòu)型，而簡(jiǎn)單的碳負(fù)離子類似于氨或胺結(jié)構(gòu)，取SP3雜化的錐型結(jié)構(gòu)。但能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)達(dá)到平衡。

穩(wěn)定性：(1)p－π或π－π共軛效應(yīng)在碳負(fù)離子所連的α碳原子上如有不飽和鍵，可使其穩(wěn)定，如

（2）S成分效應(yīng)

碳負(fù)離子穩(wěn)定性隨S成分的增加而增加如：（3）、誘導(dǎo)效應(yīng)

當(dāng)碳原子連有吸電子基團(tuán)是，碳負(fù)離子的穩(wěn)定性增加。如：（4）芳香性共平面的環(huán)狀烯烴負(fù)離子的π電子數(shù)符合4n＋2時(shí)，負(fù)離子有芳香性，穩(wěn)定2、碳負(fù)離子的反應(yīng)

2.1、飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)

丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯和類似β－二羰基化合物（1，3二羰基化合物）的烷基化反應(yīng)，在有機(jī)合成上非常重要。例：巴比妥酸例：（杜冷?。?.2、羰基α位的取代反應(yīng)－烯胺（Enamine）

烯胺的結(jié)構(gòu)中，由于N的孤對(duì)電子的P-π共軛結(jié)果，使得原來(lái)羰基的“α”碳的電負(fù)性增大，親核性增強(qiáng)。同時(shí)，由于烯胺很容易水解成羰基化合物，因而在有機(jī)合成上有著非常廣泛的用途。

例：例：例：

（嗎啉）

制備：采用羰基化合物在酸催化下脫水反應(yīng)得到：2.3烯胺的反應(yīng)及在有機(jī)合成中的應(yīng)用（羰基的α－位活化）：

（1）烴化：

（席夫堿）例：

（2）?；磻?yīng)：

（3）邁克加成反應(yīng)（提高邁克加成反應(yīng)的活性）（烴基化反應(yīng)）

例：

例：

2.3、法伏爾斯基（Favorskii）重排反應(yīng)

α－鹵代酮在強(qiáng)堿條件下，重排成羧酸或酯的反應(yīng)。

歷程：若用OH－替代CH3O－，產(chǎn)物為羧酸，如：

當(dāng)α－鹵代酮的α，位無(wú)酸性氫時(shí)，在醇、堿作用下，也可重排，稱似法沃斯基重排：

歷程：

例如：

2.4、邁克爾（Michael）加成反應(yīng)

碳負(fù)離子中間體對(duì)α，β－不飽和醛酮的1,4加成反應(yīng):

例：

例：

通常用胺甲基化反應(yīng)來(lái)制備α，β－不飽和醛酮，作為邁克爾反應(yīng)的原料，稱之為邁尼絲堿（Mannich）。如：

（制成季胺鹽更容易發(fā)生消除反應(yīng)）

邁尼絲堿（Mannich）例：

例：色胺酸的合成如下（色氨酸）

吲跺2.5羥醛縮合反應(yīng)

在堿性催化下，具有α－氫的醛酮可以與另一個(gè)分子醛酮的羰基加成而得到β－羥基醛酮的反應(yīng)稱羥醛縮合反應(yīng)。（有順?lè)串悩?gòu)，但反式E為主）

（多巴胺）擴(kuò)展到含活性氫化合物

如若其中一個(gè)分子沒(méi)有α－氫，不同的醛酮之間的縮合稱之為克萊森－施米特縮合反應(yīng)（Claisen－Schmidt）縮合

含活潑亞甲基化合物在胺或氨（仲胺）催化下發(fā)生的與醛酮的縮合稱之為克諾芬蓋爾縮合（Knoevenagel）如:

例：例：

若改為丁二酸二乙酯，在強(qiáng)堿催化下與醛酮或酮的羥醛縮合稱之為斯托布（Stobbe）反應(yīng)：

在強(qiáng)堿存在下，α－鹵代酸酯與醛酮縮合得到α，β－環(huán)氧化酯稱之為達(dá)森反應(yīng)（Darzen,s）,機(jī)理如下：

例:例:（香料）（甲基壬基乙醛）

例：在強(qiáng)堿存在下，含活潑氫的酯與酯縮合稱之為克萊森酯縮合反應(yīng)：例：

若克萊酯縮合發(fā)生在分子內(nèi)稱之為迪克曼酯縮合（Dieckmann）如:

例：例：例：例：

酸酐在同一種酸的鈉或鉀鹽存在下，產(chǎn)生碳負(fù)離子，再與芳醛反應(yīng)，產(chǎn)生的羥醛型縮合反應(yīng)稱之為柏金反應(yīng)（Perkin）：（碘番酸，膽道造影藥物）

二、葉立德（Ylides）

葉立德是指一個(gè)帶正電荷的雜原子（一般是五、六族元素）和一個(gè)碳負(fù)離子相連的化合物，通式為:

磷葉立德；砷葉立德；碲葉立德；硫葉立德；氮葉立德也可以用雙鍵表示為：

葉立德不是真正意義上的碳負(fù)離子，但它們發(fā)生的反應(yīng)都類似于碳負(fù)離子，是強(qiáng)親核試劑，如著名的維狄希試劑（Wittig）反應(yīng)就是磷葉立德與醛酮的反應(yīng)。到目前為止，葉立德的重要反應(yīng)仍在不斷涌現(xiàn)，特別是硫、氮葉立德在有機(jī)合成中所起的重要作用更引人注目。1、翁內(nèi)鹽的形成1.1、由翁鹽除去質(zhì)子

形成的難易程度，取決于碳負(fù)離子的穩(wěn)定性，或決定于被除去的質(zhì)子的酸性。酸性越強(qiáng)，越易除去。例如：1.2、卡賓直接和膦反應(yīng)1.3、碳負(fù)離子和乙烯基磷離子的加成2、翁內(nèi)鹽的結(jié)構(gòu)

X衍射研究表明：與雜原子相鄰的碳是平面型結(jié)構(gòu)。C－P鍵長(zhǎng)為1.7à，比正常C－P單鍵1.87à短。這表明，C－P之間有雙鍵的成分。主要是填滿的2P軌道與d的空軌道有重疊的緣故。

3、翁內(nèi)鹽的反應(yīng)3.1、磷葉立德3.1.1與醛酮的反應(yīng)（Wittig反應(yīng)）

碳負(fù)離子進(jìn)攻醛酮的羰基碳，得到兩性離子中間體，此時(shí)，氧再和磷配位形成膦化氧和烯烴：例：例：

維狄希反應(yīng)對(duì)許多采用別的方法難以合成的天然產(chǎn)物如：萜類、多烯類化合物的合成上非常有用。例如，合成棉鈴蟲性信息素：（7Z,11E）-7,11－十六碳二烯基乙酸酯合成：

采用膦酸酯來(lái)制備葉立德是對(duì)維狄希試劑的改進(jìn)和發(fā)展，成為霍納－艾蒙斯（Horner－Emmons）反應(yīng)，其特點(diǎn)是制備方便，副產(chǎn)物溶