第四章有機反應活性中間體

第三章有機反應活性中間體(Reactiveintermediates)高等有機化學主要內(nèi)容：1、碳正離子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、生成和反應；

2、碳負離子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、生成和反應；

3、自由基結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、檢出方法、生成和反應；4、卡賓的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、生成和反應；

5、乃春的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、生成和反應；

6、苯炔的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、生成和反應。

有機反應多數(shù)是多步反應，在反應中首先生成活性中間體，接著再轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。

常見的活性中間體有：碳正離子、碳離子、自由基、卡賓、乃春、苯炔等六種。1．碳正、負離子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、生成和反應；

2．自由基結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、檢出方法、生成和反應。重點：難點：各類活性中間體的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、生成和反應

一.碳正離子(Carbocations)

含義：帶正電荷的三價碳原子的原子團。1.碳正離子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性特點：缺電子，∵帶正電荷的碳有六個價電子。1)碳正離子結(jié)構(gòu)（可能有兩種）sp2雜化平面三角形能量上合理sp3雜化角錐型不穩(wěn)定空的p空的sp3穩(wěn)定（親電反應中間體）最常見2)碳正離子穩(wěn)定性①

σ-p超共軛效應H軌道交蓋空的

p軌道p-π共軛共軛體系的數(shù)目越多，碳正離子越穩(wěn)定②共軛效應吸電子基使其穩(wěn)定性↓Ph3C+>Ph2CH+>PhCH2+(CH2=CH)3C+>(CH2=CH)2CH+>CH2=CHCH2+取代基供電子基使碳正離子穩(wěn)定性↑；CH2CHCH2結(jié)構(gòu)：空

p軌道與彎曲軌道交蓋穩(wěn)定性：使正電荷分散隨環(huán)丙基的數(shù)目↑，碳正離子穩(wěn)定性↑。環(huán)丙甲基正離子﹥芐基正離子③環(huán)丙甲基碳正離子④直接與雜原子相連的碳正離子氧上未共用電子對所占p軌道與C原子空的

p軌道側(cè)面交蓋，未共用電子對離域，正電荷分散。類似的質(zhì)子化羰基：⑥乙烯型碳正離子+C原子：sp2雜化；⑦苯基正離子結(jié)構(gòu)同⑥

，正電荷在sp2軌道上。此二類碳正離子穩(wěn)定性極差。帶正電荷sp2軌道與p軌道⊥;p軌道：形成π鍵；使正電荷集中。⑤

?；颊x子RCH＝CH＋溶劑效應2)

溶劑的誘導極化作用，1)

溶劑使碳正離子穩(wěn)定；空的

p軌道易于溶劑化溶劑3)

極性溶劑：溶劑化作用強，有利于底物解離。更有利于底物解離。2.碳正離子生成1)直接離子化：

通過化學鍵的異裂而產(chǎn)生。①

重要條件：溶劑化；②

穩(wěn)定的碳正離子越易生成；例：叔>仲>伯>CH3+③

離去基團親核性越弱越易離去；例如:

PhSO3->X->RCOO-④

催化離子化作用常用：催化劑→酸或Lewis酸,⑴

RX和RCOX:

Ag+、AlX3、FeX3、BF3等⑵

ROH、ROR’等：H+、AlX3、FeX3、BF3等⑶RNH2：HNO2超酸：比100％的H2SO4酸性更強的酸。常見的超酸（與100％H2SO4的酸性比較）：HF－SbF51016倍⑷

RH：碳正離子、超強酸(Superacid)等(Ph)2CHCl-Cl(Ph)2CH++HSO3F（氟硫酸）1000倍HSO3F－SbF5

（魔酸）103倍∴很多C+：結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的研究在超酸介質(zhì)中進行。超強酸：可奪取負氫離子→碳正離子例：2)對不飽和鍵加成例如：3)由其它正離子轉(zhuǎn)化而生成3.非經(jīng)典碳正離子1)π鍵參與的非經(jīng)典碳正離子實驗表明：

反-7-原冰片烯基對甲苯磺酸酯在乙酸中的溶劑解速度比相應的飽和化合物快1011倍+2電子3中心體系2)σ-鍵參與的非經(jīng)典碳正離子外型原冰片醇對溴苯磺酸酯溶劑解速度比相應的內(nèi)型化合物快350倍4.碳正離子的反應1)生成穩(wěn)定化合物⑴與親核試劑結(jié)合⑵脫質(zhì)子β-位：γ-位：（最常見）Nu-：

H-、OH-、CN-、X-、…H2O、NH3…2)生成新碳正離子⑴重排反應遷移活性：芳基>烷基>H遷移動力：生成更穩(wěn)定的碳正離子⑵加成反應二、碳負離子(Carbanions)含義：帶負電荷的三價碳原子的原子團。特點：富電子，∵帶負電荷的C上有八個價電子。（親核反應中間體）1.碳負離子結(jié)構(gòu)①

sp2雜化：平面三角形

∵sp2軌道s成分高，成鍵電子離核近，孤電子對離核遠且與鍵合電子斥力大∴穩(wěn)定性較差一般在共軛體系中取這種構(gòu)型②sp3雜化：角錐形

孤電子對離核近且與鍵合電子間斥力小，能量低，較穩(wěn)定(通常構(gòu)型)，但易翻轉(zhuǎn)。注意：小環(huán)和連有強吸電子基不易翻轉(zhuǎn)-70℃時，60%構(gòu)型保持；0℃時，外消旋化2.碳負離子穩(wěn)定性1）誘導效應-I：分散負電荷，使碳負離子穩(wěn)定；反之亦然∴穩(wěn)定化作用2）共軛效應共軛效應能分散負電荷，使碳負離子穩(wěn)定

–C效應對負電荷分散↑，對碳負離子穩(wěn)定化作用↑。3）雜化方式（S-特性效應）C雜化狀態(tài)不同：C—H鍵性質(zhì)有差異spsp2sp3S成分/%503325pKa253743C-穩(wěn)定性:4）溶劑化效應可與C-形成H鍵，使其穩(wěn)定；⑵極性非質(zhì)子性溶劑常用：三類⑴質(zhì)子性溶劑：C-難溶劑化，而活潑。特性：只能溶劑化正離子，DMFDMSOHMPA5）p-dπ重疊作用中心C連有S或P碳負離子，穩(wěn)定性明顯增大k=1k=2×107k=2.4×106Me3N+-I效應最強，交換速率最慢，∵沒有空3d軌道六甲基磷酰胺

∵S、P有空3d

軌道，負電荷分散到3d形成

p—d重疊，起到穩(wěn)定化作用。例如：內(nèi)鎓鹽-I：F>Cl穩(wěn)定性：∵有p—d

重疊磷Ylid硫Ylid3.碳負離子生成①

直接分解法（C-H異裂）[須強堿催化]質(zhì)子解離活性與其酸性有關：酸性越強，越易解離。常見化合物的pKa值

化合物

pKa化合物pKaCH4CH2CH2C6H6PhCH3Ph2CH2CF3HCHCHCH3CNCH3COCH3PhCOCH343373737332825252019CH3(COOEt)2CH2(CN)2CH2(CF3)2MeCOCH2COMeCH3NO2(MeCO)2CH2(MeCO)3CHCH2(NO2)2CH(NO2)3CH(CN)313.3121110.710.28.86400②

負離子對重鍵的加成常見：炔烴親核加成、Michacl加成等。③

金屬化反應4.碳負離子反應①

取代反應如：EAA等含活潑H化合物烴基化反應等。親核取代金屬有機化物:C-②

加成反應③

重排反應（后課介紹）5.碳負離子與互變異構(gòu)現(xiàn)象①含義：②特點：同分異構(gòu)體之間可逆性相互轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。分子中電子云和一個相對流動的原子(團)的位置發(fā)生改變。③極限歷程⑵雙分子互變異構(gòu)歷程⑴單分子互變異構(gòu)歷程

化物酸性越強，碳負離子越穩(wěn)定，⑴歷程幾率越大。

酮式和烯醇式互變：最常見互變異構(gòu)現(xiàn)象④有多個活性氫6.兩可碳負離子的反應選擇性

許多C-負電中心分布到幾個部位，親核進攻時會得到不同的產(chǎn)物。⑴酸性大的H遷移；⑵酸性相近動力學控制：生成取代少烯醇熱力學控制：生成取代多烯醇影響因素：①溶劑影響1585DMF955

S:ButOH496

DMSO5050

②空間效應影響

③反應溫度影響

一般溫度

升高溫度

更高溫度

④堿用量影響

堿的體積、陽離子體積也有影響三、自由基：含有未成對電子的原子或原子團。1.自由基結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性※碳（烴基）自由基①

自由基結(jié)構(gòu)sp2雜化：平面三角形sp3雜化：角錐型雜原子（O、N、S等）自由基自由基烴基自由基簡單的接近平面形，復雜的多為快速翻轉(zhuǎn)的角錐形。一般：②自由基穩(wěn)定性穩(wěn)定因素：電子效應、空間效應等。（p-π共軛效應）例如：﹥一般穩(wěn)定性：平面型﹥角錐形~1-降冰片基（但有特例）注意：自由基不象碳正,負離子那樣有一個主要構(gòu)型。超共軛效應解釋穩(wěn)定自由基舉例：

高溫無O2

長期存放300℃還穩(wěn)定存在

空氣中無限期穩(wěn)定2.自由基生成中性自由基：由共價鍵均裂生成①

熱均裂法含弱共價鍵化合物，易吸收熱能發(fā)生均裂可做引發(fā)劑

②

光解法（重要方法）

光提供能量，將成鍵電子激發(fā)到反鍵軌道上，而使共價鍵發(fā)生均裂。③

氧化還原法④

離子自由基的制備⑴中性分子受授電子

多數(shù)含共軛π鍵和雜原子的化合物，有較低能量LUMO和較高能量HOMO，易通過電子轉(zhuǎn)移而受授電子生成負、正離子自由基。十分穩(wěn)定可長期儲存⑵自由基和離子相互結(jié)合

自由基有未成對電子，其自旋磁矩使自由基有磁性。①

化學捕獲自由基+捕獲劑穩(wěn)定化合物較穩(wěn)定自由基可用儀器鑒定得到自由基參加反應的信息DPPH（紫色）無色2,2-二苯基-2′,4′,6′-三硝基苯肼基3.自由基檢出較穩(wěn)定，可用ESR測定②

物理儀器鑒定

電子自旋共振（ESR）也叫電子順磁共振（EPR）較新技術：化學誘導極化作用（CIDNP)4.自由基反應①

生成穩(wěn)定化合物⑴雙基偶聯(lián)⑵雙基歧化②

生成新自由基⑴自由基轉(zhuǎn)移：最常見⑵加成反應：⑶消除反應⑷重排反應③

攏著的自由基反應液相中自由基在一定時間內(nèi)是攏在一起的，而在氣相中不然。氣相中1：11：1：2液相中1：11：1：0實驗表明：共價鍵均裂生成的自由基，最初被溶劑分子包圍，即溶劑籠。籠內(nèi)自由基不立即分離，經(jīng)一段時間后相互結(jié)合生成產(chǎn)物稱為籠產(chǎn)物。⑴籠效應⑵影響籠效應因素1）產(chǎn)生自由基反應物的結(jié)構(gòu)偶氮甲烷﹥過氧化雙乙?；\效應：籠內(nèi)插入分子體積大2）溶劑粘度：越大籠效應越大3）反應溫度：越高籠效應越小4）反應壓力：越高籠效應越大⑶籠效應測定

利用自由基捕獲劑（其不能和籠內(nèi)自由基反應）測定5.典型的自由基反應①烷烴氯化（甲烷為例）反應機理:鏈引發(fā)鏈增長鏈終止H=7.5KJ/molEa=16.7KJ/molH=-112.9KJ/molEa=8.3KJ/molCH3CH=CH2+HBrCH3CH2CH2Br過氧化物或光照②烯烴的自由基加成⑴

反應機理CH3CH=CH2+BrCH3CHCH2Br終止：（略）增長CH3CHCH2Br+HBrCH3CH2CH2Br+Br引發(fā)

⑵過氧化物效應HBr在過氧化物或光照下與烯烴發(fā)生反馬規(guī)則的加成反應b.多鹵代烴BrCCl3,CCl4,ICF3等能發(fā)生該反應。斷裂原則:⑶自由基加成適用范圍

CCl3>CHCl2>CH2Cl>CH3a.HBr；而HCl，HI不能發(fā)生類似反應；ⅰ、生成最穩(wěn)定的自由基∵H-CCl3414.2KJ/mol（卡拉施效應）CH3CH=CH2+Br2CH2BrCH=CH2氣相，hor500oC反應機理（略）⑶烯烴的-C鹵化CH3CH2CH2CH=CH2CH3CH2CHClCH=CH2+CH3CH2CH=CHCH2Cl

思考題：用反應機理解釋下列實驗事實hCl2Br-CCl3Cl-CCl3I-CCl3

ⅱ、最弱的鍵首先斷裂CCl3284.5KJ/mol339.0KJ/mol217.6KJ/molI-CCl3

光照+I⑷自動氧化：烯丙位、苯甲位、3oH、醚-H均易發(fā)生自動氧化。（CH3)2CH—O—CH3自動氧化O2

化學物質(zhì)與空氣中的氧在常溫下溫和地進行氧化，而不發(fā)生燃燒和爆炸。注意：優(yōu)先形成穩(wěn)定的自由基。ROO?ROOH+(CH3)2COCH3?R?+O2ROO?+(CH3)2CHOCH3

引發(fā)

反應機理：自由基歷程位H增長（重要中間體）(CH3)2COCH3OO?(CH3)2COCH3+O2?(CH3)2COCH3+(CH3)2COCH3OOH?(CH3)2COCH3+(CH3)2CHOCH3

OO?練習題：異丙苯的氧化四.卡賓(Carbenes)電中性的含二價碳的化合物2、特點：瞬間存在，但不能分離得到的活性中間體。（碳烯）1、含義：3、卡賓的結(jié)構(gòu)具有六個價電子的兩價化合物，兩個未成鍵電子有兩種排布方式。①單線態(tài)：兩個價電子自旋反平行同處于一個軌道

幾何模型：sp2雜化計算和測定結(jié)果

<HCH=103°價電子：sp2軌道②叁線態(tài)：兩個價電子自旋平行處于兩個軌道sp雜化幾何模型:計算和測定結(jié)果

<HCH=136°價電子：p軌道3、單線態(tài)和叁線態(tài)的比較穩(wěn)定性單線態(tài)叁線態(tài)雜化狀態(tài)反應方式sp2sp<能量差40kJ/mol協(xié)同反應分步反應反應立體化學立體專一無選擇性4、卡賓的穩(wěn)定性⑴叁線態(tài)比單線態(tài)穩(wěn)定⑵取代基的影響1)烷基的影響與上類似2)共軛效應的影響：a.雜原子的p-p共軛缺電子性消失b.形成芳香體系無親電性反而有親核性使單線態(tài)比叁線態(tài)更穩(wěn)定H2C:<ROOCC:<PhCH:<BrCH:<ClCH:

<

Cl2C:<Br2C:

穩(wěn)定性逐漸增加母體卡賓不活潑的卡賓5、卡賓的生成⑴熱解或光解⑵α-消除反應HCCl3Cl2C:+HClt-BuOK(orKOH),t-BuOH6、卡賓的反應卡賓：非?；顫娭虚g體、缺電子、以親電性為特征單線態(tài)(sp2)CH2:>R2C:>ArRC:>Ar2C:>X2C：（1）對雙鍵的加成反應立體專一的順式加成，（反應物）衰變?nèi)€態(tài)(sp)（反應物）反應活性:液態(tài)：---協(xié)同反應---單線態(tài)反應氣態(tài)：沒有立體選擇性---叁線態(tài)反應

單線態(tài)：

乙烯基環(huán)丙烷

叁線態(tài)：

乙烯基環(huán)丙烷+環(huán)戊二烯與共軛二烯反應雙鍵的反應活性:

同雙鍵親電加成反應活性相同例如：烯烴與Cl2C：加成的相對速度供電基越多反應活性↑，吸電基反之。注意：叁線態(tài)受生成自由基的穩(wěn)定性控制。如：

Ph2C=CH2比Me2C=CH2與卡賓的反應快100倍反應實例+CHBr3(CH3)3COH(CH3)3COKCH2=CH-CH=CH2+:CH2:CH2CH2=C=CH2+:CH2:CH2應用：C=C的加成，制備環(huán)丙烷衍生物，+:CH2但對C=O、C=N、C≡C加成最近也有報道。（2）插入反應①插入C-Ha.反應歷程單線態(tài)三線態(tài)+:CH2結(jié)合b.對C—H的選擇性單線態(tài)三線態(tài)1.5:1.2:1.07:2:1自旋轉(zhuǎn)化+·CH3+·CH330：20：10c.選擇性與卡賓的反應活性有關:CH2>:CHCOOR>:CHPh>:CHBr~:CHCl活性↓選擇性↑,∴:CCl2只能插入芐基C-H鍵CH2N2h加成產(chǎn)物+++插入產(chǎn)物26%11%26%37%②插入C-Br、C-Cl、C-O等σ鍵（不插入C-C）60%40%卡賓的插入反應選擇性小，∴在合成上意義不大。（3）重排反應1,2-氫遷移1,3-氫遷移66%33%或:αC-H鍵插入βC-H鍵插入（4）二聚反應

惰性