高等有机化学 第二章 有机反应中的活性中间体(2010级)

5/25/2021 1 5/25/2021 2 5/25/2021 3 n 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 。 CH2HCHC CH 2 C O CO O HCHC CH 2 CH CHH2C C OCO O+ HCHC CH 2 CH CHH2C C OCO OTransition StateDiels-Alder反 应 5/25/2021 4 n 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 。 5/25/2021 5 CCH3H3C BrCH3 OH-H2O CCH3H3C BrCH3 -Br- CCH3H3C CH3+Transition state Intermediate H2O CCH3H3C OH2CH3 Transition state CCH3H3C OH2CH3+ -H+ CCH3H3C OHCH3+ 5/25/2021 6 协 同 反 应 的 能 峰 图分 步 反 应 的 能 峰 图 5/25/2021 7 一 、 正 碳 离 子 (Carbocations) 5/25/2021 8 CH3CH3C CH3+C sp2 - sp3bondHHHsp2杂 化 平 面 三 角 构 型 空 的 p轨 道1. 正 碳 离 子 的 结 构 5/25/2021 9 （ 1） 正 碳 离 子 的 稳 定 性 ：CH33C CH3 2CH CH3CH2 CH3 C CH HH 轨 道 交 盖 在 这 里 5/25/2021 10 烯 丙 型 正 碳 离 子 ：CH2 CH CH2 CH2 CH CH2p-共 轭 电 子 离 域正 电 荷 分 散 程 度 大 5/25/2021 11 n 共 轭 体 系 的 数 目 越 多 ， 正 碳 离 子 越 稳 定 ：3CCH2 CH 2CHCH2 CH CH2CH2 CH 5/25/2021 12 n 例 如 ： 三 苯 基 碳 正 离 子 非 常 稳 定 ， 能 以 盐的 形 式 稳 定 存 在 ， 有 些 还 是 有 用 的 染 料 或 指示 剂 ： C N(CH3)2 (H3C)2N (H3C)2N Cl C N(CH3)2 (H3C)2N Cl结晶紫 孔雀绿 5/25/2021 13 n 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 ： O2N CH2CH3 CH2 CH2 5/25/2021 14C3 CH2 CH2 CH2 n 环 丙 甲 基 正 离 子 比 苄 基 正 离 子 还 稳 定 ： C CH CH H 随 着 环 丙 基 的 数 目 增 多 ，正 碳 离 子 稳 定 性 提 高 。 5/25/2021 15CH2 CH2 CH2Cn 环 丙 甲 基 正 离 子 的 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 。 5/25/2021 16 直 接 与 杂 原 子 相 连 的 正 碳 离 子 结 构 ： CH3 O CH2 CH3O CH2类 似 地 ， 羰 基 正 离 子 ：R C O C OR 5/25/2021 17 CHR C H+ 5/25/2021 18此 二 类 正 碳 离 子 稳 定 性 极 差 ！ 空 的 杂 化 轨 道与 键 垂 直 ， 正 电 荷 得 不 到 分 散 。 5/25/2021 19环丙烯正离子 环庚三烯正离子 环戊二烯正离子有 芳 香 性 ， 特 别 稳 定 反 芳 香 性 ， 很 不 稳 定 5/25/2021 20 l 碳 正 离 子 中 心 碳 原 子 必 须 sp2杂 化 ， 才 较 稳 定 。 平 面 构 型 有 利 于 电 荷 离 域 ； 空 p轨 道 的 两 瓣 在 平 面 两 侧 均 可 溶 剂 化 。 如 果 空 间 因 素 使 之 不 能 具 有 平 面 构 型 时 ， 则 稳定 性 降 低 。 5/25/2021 21 Eg.： 叔 丁 基 氯 很 快 与 EtOH-AgNO3溶 液 反应 生 成 AgCl。 但 下 列 反 应 难 以 进 行 ： Cl1-氯 双 环 2,2,1庚 烷 5/25/2021 22 烯 丙 基 型 正 离 子 通 常 是 稳 定 的 ， 但 下 列 碳正 离 子 则 因 非 平 面 结 构 不 能 使 电 荷 离 域 很不 稳 定 ： 5/25/2021 23 但 在 形 成 的 桥 环 足 够 大 时 ， 桥 头 C可 取 平 面 构 型 ， 如 1-金 刚 烷 碳 正 离 子 : 5/25/2021 24 1) 溶 剂 的 诱 导 极 化 作 用 ，利 于 底 物 的 解 离 。2) 溶 剂 使 碳 正 离 子 稳 定 ： C CH 3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 。 5/25/2021 25 （ 3） 碳 正 离 子 的 生 成 ： 直 接 离 子 化RX R X 通 过 化 学 键 的 异 裂 而 产 生 。 Ph CH ClPh Ph2CH ClH2OR OH H ROH2 R CH3COF BF3 CH3CO BF4 5/25/2021 26 对 不 饱 和 键 的 加 成 C Z H C ZH Z: O,C,S,N HClC C C C ClC O H C OH C OH 5/25/2021 27 由 其 它 正 离 子 转 化 而 生 成 N2NH2 N2NaNO3HCl H H Ph3CSbF6 SbF6 5/25/2021 28 在 超 酸 中 制 备 C正 离 子 溶 液常 见 的 超 酸 （ 与 100 H2SO4的 酸 性 比 较 ）HSO3F（ 氟 硫 酸 ） 1000倍HSO3F SbF5 （ 魔 酸 ） 1013倍HF SbF5 1016倍 5/25/2021 29 叔 丁 醇 在 下 列 条 件 下 完 全 转 变 成 叔 丁 基 正 离 子 ：CCH3H3C CH 3OH HSO3F - SbF5 - SO2-60 CCH3H3C CH3+ H3+O + SO3F- + SbF5 + SO2 l 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 。 5/25/2021 30 H3C CHXH 3C SbF5-SO2ClF H3C CH+H 3CCH+ 13PPm 2 CH3 4.5PPm H3C F 4.25PPmH3C Cl 3.06PPm 5/25/2021 31 Ph Ph Ph PhBr Br SbF5-SO2 PhPh Ph Ph +-60oC 8.64(d), 2H, o-8.26(t), 1H, p-7.87(t), 2H, m- Ph Ph Ph+ 8.647.87 8.26 5/25/2021 32C C Br+ 5/25/2021 33由 于 、 键 邻 基 参 与 而 形 成 非 经 典 碳 正 离 子配 位 数 可 以 为 5个 5/25/2021 34 （ 1） 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 。 5/25/2021 35 TsO -TsOH AcO HAcOHTs = CH 3 SO2+2电 子 3中 心 体 系 12345 7 5/25/2021 36 （ 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 OAcexo- ( I ) OBs OAcendo- ( II ) HOAcAcOK HOAcAcOK生 成 外 消 旋 化 合 物 。 5/25/2021 37 OBsexo- OBsendo- 1 2 3456 1 2 3456 +SN2 SN1 + +对 外 型 而 言 -OBs离 去 是 从 C-6得 到 了 邻 基 帮助 ， 即 C-6在 C-2背 面 进 攻 ， 推 出 -OBs， 相当 于 SN2反 应 ， 同 时 生 成 非 经 典 C正 离 子 。 5/25/2021 38 OBsexo- OBsendo- 1 2 3456 1 2 3456 +SN2 SN1 + +而 内 型 的 几 何 形 状 不 具 备 背 面 进 攻 的 条 件 ， 即 -OBs基 团 阻 碍 了 C-6对 C-2的 背 面 进 攻 ， 反 应 按SN1历 程 进 行 ， 因 此 速 度 小 ， 但 内 型 化 合 物 生成 C正 离 子 后 能 迅 速 转 变 成 同 样 的 非 经 典 的 C正离 子 ， 因 此 产 物 相 同 。 5/25/2021 39-OAc进 攻 C1和 C2机 会 相 等 ， 因 此 生 成 外 消 旋化 合 物 。 1 3456 + 1 3 456 H AcO 1 345 6 OAc OAc1 5/25/2021 40 OBs OAcHOAc HOAc OBs-OBs 两 者 产 物 相 同 ， 都 为 外 型 乙 酸 降 冰 片 酯 ，100%外 消 旋 。 5/25/2021 41 二 碳 负 离 子 (Carbanions) 碳 负 离 子 ： 带 有 一 对 孤 对 电 子 的 三 价 碳 原子 的 原 子 团 。 即 中 心 碳 配 位 数 为 3， 外 层 电 子 为 8个 ， 其中 一 对 电 子 是 未 共 用 的 。 5/25/2021 42C H + B C HB+共 轭 酸 共 轭 碱 1. 碳 负 离 子 的 生 成（ 1） CH键 的 直 接 异 裂 （ 金 属 有 机 化 合物 的 生 成 ） 。 C-H键 在 碱 作 用 下 异 裂 ， 生 成 碳 负 离 子 。 5/25/2021 43 例 如 ： + +HC CH NaNH2 NH3（l） HC CNa NH3 +NaNH2NH3（l） NH3Ph3C H Ph3C Na+ +CH3 CO CH2 CO OEt NaOEt CH3 CO CH CO OEtNa+ HOEt 5/25/2021 44 NO2HOAcPh OCH3 NO2OAcPh OAc PhNO2 (C6H5)3P CH3CH3 NO2 NaOH CH2 NO2C6H5Li (C6H5)3P CH2 5/25/2021 45 碱 性 条 件 下 脱 羧 （ CC键 异 裂 ） C2H5 CCN COOHC 6H5 碱 C2H5 C C6H5 CN 5/25/2021 46 （ 2） 负 离 子 对 不 饱 和 键 的 加 成+ +HC CH OCH3 CH CH OCH3 HOCH3CH2 CH OCH3 OCH3 5/25/2021 47 （ 3） 来 自 金 属 有 机 化 合 物nRMgX、 RLi、 R2CuLi、 RZnX 2RMgX R2Mg + MgX2 R2Mg MgX2R Mg XOEt2 OEt2 R Mg ROEt2OEt2 X Mg XOEt2OEt2 5/25/2021 48 2. 碳 负 离 子 的 结 构109 28sp3杂 化 棱 锥 型 C 90sp2杂 化 平 面 三 角 型. .C 5/25/2021 49 当 碳 负 离 子 的 未 共 用 电 子 对 处 于 sp3 杂 化 轨道 时 ， 与 处 于 p轨 道 比 较 ， 未 共 用 电 子 对 更靠 近 碳 原 子 核 ， 因 此 ， 体 系 能 量 较 低 ， 比 较稳 定 。 . . 5/25/2021 50 未 共 用 电 子 对 与 其 他 三 对 成 键 电 子 之 间 也 存在 斥 力 ， 当 未 共 用 电 子 对 处 于 sp3 杂 化 轨 道 时 ，与 其 他 三 对 成 键 电 子 所 处 的 轨 道 之 间 近 似 109.5度 ， 而 处 于 p轨 道 时 ， 则 与 三 个 杂 化 轨 道之 间 为 90度 。 因 此 ， 处 于 sp3杂 化 状 态 的 棱 锥构 型 ， 电 子 对 的 排 斥 作 用 较 小 ， 比 较 有 利 。 5/25/2021 51 n 碳 负 离 子 采 取 何 种 构 型 ， 与 中 心 碳 原 子所 连 基 团 有 关 。 （ 1） 简 单 的 烷 基 负 离 子 和 环 烷 基 负 离 子 ，均 采 取 sp3杂 化 构 型 ， 这 种 构 型 使 负 离 子 能量 较 低 。 原 因 ： 5/25/2021 52 sp3杂 化 轨 道 中 含 部 分 s成 分 ， 电 子 云 相对 地 靠 近 原 子 核 ； 处 于 sp3轨 道 中 未 共 用 电 子 对 和 三 对 成 键电 子 间 （ 夹 角 为 109.5） 的 排 斥 作 用 较 小 。 n 三 角 锥 体 构 型 的 证 据 之 一 是 ， 碳 负 离 子的 反 应 非 常 容 易 在 桥 头 碳 原 子 上 发 生 。 5/25/2021 53而 该 类 化 合 物 相 应 的 碳 正 离 子 的 反 应 难 以进 行 （ 平 面 构 型 难 形 成 ） 。 Cl Li Li 1.CO2 2.H3O+ COOH 5/25/2021 54 （ 2） 若 碳 负 离 子 中 心 碳 连 结 着 可 与 之 发 生共 轭 作 用 的 不 饱 和 基 团 ， 则 中 心 碳 构 型 必 须为 sp2杂 化 平 面 构 型 。 因 为 这 样 能 通 过 共 轭 使负 电 荷 分 散 。 CH2 CH CH2 CH2 CH CH2 5/25/2021 55 C ICH3C6H12H BuLi C LiCH3C6H12H CO2H3O+ C6H12 CHCOOHCH3* 5/25/2021 56 CLiH3C C6H12H CO2H3O+CH3C C6H12H CCOOHH3C C6H12H . CH3C C6H12H. CO2H3O+ CH3C C6H12HCOOH 5/25/2021 57 5/25/2021 58 CH3. CH3. CH3. 5/25/2021 59 CO2H3O+CH3HLi CH3. CH3HCOOH 5/25/2021 60 3. 影 响 负 碳 离 子 稳 定 性 的 因 素n 碳 负 离 子 可 视 为 一 种 碱 ， 因 具 有 未 共 用 电子 对 。 n 负 离 子 的 稳 定 性 与 其 共 轭 酸 的 强 度 直 接 有关 ： 共 轭 酸 越 弱 ， 碱 强 度 越 大 ， 碳 负 离 子 的 稳 定性 就 越 低 。 5/25/2021 61 n 碳 负 离 子 稳 定 性 顺 序 常 通 过 对 其 相 应 共 轭 酸强 度 顺 序 （ 即 碳 氢 酸 Carbon acids 的 pKa） 来确 定 。 pKa值 越 大 ， 相 应 的 碳 负 离 子 越 不 稳 定 ，越 难 存 在 。n 从 结 构 上 看 ， 碳 负 离 子 的 稳 定 性 在 很 大 程 度上 取 决 于 取 代 基 对 电 荷 的 分 散 能 力 。 另 外 ， 空间 效 应 和 溶 剂 效 应 也 有 作 用 。 5/25/2021 62 3. 影 响 负 碳 离 子 稳 定 性 的 因 素 HC C CH2 CH CH3 CH2 5/25/2021 63 （ 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-H pKa 42 28 11例 如 ： . CH3 -CF3 CH3CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C- 与 斥 电 子 基 团 相 连 时 ， 稳 定 性 降 低 。n 邻 近 原 子 有 孤 电 子 对 时 ， 碳 负 离 子 稳 定性 降 低 。. CH3 O CH2. .CH3 O CH2不 稳 定 稳 定 5/25/2021 66 （ 3） 共 轭 效 应 与 共 轭 体 系 相 连 时 使 负 电 荷 分 散 ， 稳 定 性增 加 。 p-共 轭 碳 负 离 子 中 心 碳 连 接 有 不 饱 和 基 团 时 ，采 用 sp2杂 化 ， 未 共 用 电 子 对 由 于 p- 共轭 ， 使 负 电 荷 分 散 而 稳 定 。 5/25/2021 67 CH3 CH CH CH2 CH2PhCH3 Ph2CH2 Ph3CHpKa 35 32 30 -CH2-CH=O CH2=CH-O- -CH2-CN CH2=C=N- 5/25/2021 68 CH2 NO O CH2 NO O Ph2CH Ph3C二 苯 甲 基 负 离 子 和 三 苯 甲 基 负 离 子 相 当 稳定 ， 它 们 的 盐 可 以 在 溶 液 中 长 期 保 存 ！ 5/25/2021 69 p-d共 轭 (CH3)3P CH3 -H+ (CH3)3P CH2 (CH3)3N CH3 -H+ (CH3)3N CH2 相 对 速 度 ， 硫 叶 立 德 比 氮 叶 立 德 快2.4 106 5/25/2021 70 n 磷 （ P） 原 子 有 空 3d轨 道 ， 可 与 带 负 电 荷 的C的 2p轨 道 重 叠 ， 形 成 p-d共 轭 ， 共 振 式 表示 ： 硫 叶 立 德（ 三 甲 基 硫 正 离 子 ， 硫 也 有 空 的 3d轨 道 ） 磷 叶 立 德 (CH3)3P CH2 (CH3)3P CH2(CH 3)2S CH2 (CH3)2S CH2 5/25/2021 71 不 饱 和 键 与 碳 负 离 子 的 电 子 对 共 轭 ， 则 碳 负离 子 必 然 成 为 平 面 构 型 ， 以 利 于 p轨 道 的 最 大重 叠 ； 但 是 ， 若 结 构 上 或 空 间 上 因 受 阻 碍 达 不到 最 大 重 叠 ， 则 相 应 碳 负 离 子 的 稳 定 性 就 小 。 O OHH O OH1 （ 4） 空 间 效 应 5/25/2021 72 OO OO. O O.O O 1,3-环 己 二 酮 可 与 NaOH溶 液 反 应 双 环 2,2,2辛 -2,6-二 酮 不 能 与 NaOH水 液 反 应 5/25/2021 73 例 如 烷 基 酮 ： CH3COCH3 CH3COCH2CH3 CH3COCH(CH3)2 去 质 子 相 对 速 度 100 41.5 RCH2 R2CH 5/25/2021 74 （ 4） 溶 剂 效 应 （ Solvent Effect）n 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 。n 在 所 有 涉 及 到 的 离 子 反 应 里 ， 溶 剂 对 参 与的 离 子 稳 定 化 作 用 是 非 常 明 显 的 。 在 没 有 溶剂 的 情 况 下 ， 离 子 反 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 。 5/25/2021 75 n HCl在 气 相 解 离 为 自 由 基 只 需 430.95 kJmol-1的 能 量 ；n 而 解 离 为 离 子 所 需 能 量 高 达 1393 kJmol-1；n 若 在 极 性 溶 剂 （ 如 H2O） 中 ， HCl很 容 易 解离 为 离 子 （ 为 什 么 ？ ）例 如 5/25/2021 76 n 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 ： 如 果 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 。 5/25/2021 77 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 ， 加 速 离 子 型 反 应 。 O HH.O HH.R+ R- 5/25/2021 78 极 性 非 质 子 溶 剂 如 DMSO， DMF， HMPA等 ， 能 够 溶 剂 化 正 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 . H3CH3C S O R+. R+SS S SSS A- 5/25/2021 79 n 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 。 C HCH3CNPhCH2 * CH3O- CCH3PhCH2 CN-在 98.5%DMSO和 1.5%的 甲 醇 中 进 行 ， 比 在 纯的 甲 醇 中 要 快 108倍 。 例 如 5/25/2021 80 n 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 4.5 104倍 。 5/25/2021 81 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 ， 隔 开 离 子 的能 力 较 大 ， 同 时 具 有 较 大 的 溶 剂 化 能 力 。n 溶 剂 的 介 电 常 数 （ Dielectric constant） 5/25/2021 82 一 般 地 ： 介 电 常 数 用 表 示 。 15， 极性 溶 剂 ； Stability 5/25/2021 89 （ 5） 离 子 液 体 (Ionic Liquid)n 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 。n 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 。 5/25/2021 90N N NR RR R = CH3, n-C4H9, n-C8H17R= CH3, C2H5 NO3-, (CF3SO2)2N-, PF6-, AlCl4- + + 5/25/2021 91 n 在 离 子 液 体 中 ， 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 。 5/25/2021 92 1. 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 金 属 ， 故 能 安 全 地 在 这些 器 皿 中 使 用 。2. 不 挥 发 ， 几 无 蒸 气 压 ， 不 燃 烧 ， 化 学 稳定 性 好 ， 价 格 不 贵 。3. 可 以 回 收 再 利 用 。n 离 子 液 体 的 特 点 5/25/2021 93 4. 熔 点 范 围 广 (-96200 )， 故 可 在 不 同 温 度 下选 用 不 同 离 子 液 体 。5. 离 子 液 体 有 亲 水 性 的 ， 疏 水 性 的 ， 粘 度 大 小和 酸 碱 性 不 一 的 。 5/25/2021 94 n 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 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 。 5/25/2021 95 三 、 自 由 基 (Free radicals) 5/25/2021 96 n 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 Br C R R R . . . . . 5/25/2021 97 自 由 基 普 通 自 由 基 -中 性离 子 自 由 基 -带 有 电 荷 .烷 基 自 由 基 : CHH H .CCH3H3C CH3 5/25/2021 98 . .苯 基 自 由 基 : .苄 基 自 由 基 : CH 2 Ph3C. .卤 素 自 由 基 : F Cl Br I.烷 氧 基 自 由 基 : RO 5/25/2021 99S2O82- Na+. .-正 离 子 自 由 基 负 离 子 自 由 基 5/25/2021 100 C C sp2杂 化 平 面 构 型 （ A） 杂 化 三 角 锥 体 构 型 （ B）n 自 由 基 采 取 何 种 构 型 ， 取 决 于 中 心 碳 原 子所 连 基 团 的 性 质 。 5/25/2021 101 n 自 由 基 中 心 碳 原 子 可 以 是 构 型 sp2杂 化 平 面构 型 或 sp3杂 化 的 角 锥 构 型 。n 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 sp2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 。 5/25/2021 102 （ 1） 烷 基 自 由 基 除 叔 烷 基 自 由 基 外 ， 一 般都 是 平 面 构 型 ； （ 2） CF3 ,CCl3 和 (CH3)3C 均 为 三 角 锥 体构 型 ； （ 3） 自 由 基 中 心 碳 与 体 系 相 连 时 ， 中 心碳 采 取 平 面 构 型 以 组 成 p-共 轭 体 系 。 5/25/2021 103 例 如 ： CH2=CHCH2 , C6H5CH2 均 为 平 面 ；但 (C6H5)3C为 螺 旋 浆 型 ， 三 个 苯 基 并 不 共 面 。 （ 4） 环 状 自 由 基 ： 环 丙 基 自 由 基 ： 三 角 锥体 ， 环 已 基 ， 环 戊 基 和 环 丁 基 自 由 基 ： 平面 构 型 。（ 5） 桥 头 碳 自 由 基 5/25/2021 104 n 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 。注 意 ： 5/25/2021 105 n 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 。 5/25/2021 106 . . . C i-Bu Et Me H C O R -RH C i-Bu Et Me C O C i-Bu Et Me -CO C i-Bu Et Me C Bu-i Et Me . RCHO C i-Bu Et Me C Bu-i Et Me H H+ 外 消 旋 产 物 5/25/2021 107 n 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 。 C H3C H3C H3C C CH3 CH3 CH3 . 2.5kJ/mol 5/25/2021 108 n 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 面 构 型 ， 因 而不 稳 定 。n 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 。 5/25/2021 109 . .R H C O t-BuO -H R C O K1 -CO R . CCl4 RCl CCl4 K2 RCOCl . . . R. K1/K2 R.的 相 对 稳 定 性 Me3C 12.3 1.0 30.5 2.5 15.2 1.2 5/25/2021 110 n 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 。 . CH2 CH CH2 . . CH2 . . . . . 5/25/2021 111 n 三 苯 甲 基 自 由 基螺 旋 桨 形 构 型 （ 黄色 ， 稳 定 存 在 ） 。 n 乙 烯 自 由 基 的 未 成对 电 子 只 能 处 于 sp2 杂 化 轨 道 。 . C C H H H . 5/25/2021 112 3. 自 由 基 的 稳 定 性n 自 由 基 的 稳 定 性 主 要 取 决 于 ：n 共 价 键 均 裂 的 相 对 难 易 程 度 ；n 自 由 基 的 结 构 因 素 。（ 1） 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 。 5/25/2021 113 例 如 ： 简 单 烷 烃 CH键 均 裂 时 的 离 解 能 为 (CH3)3C-H (CH3)2CH-H CH3CH2-H CH3-HH /kJmol-1 372 385 402 423(CH3)3C (CH3)2CH CH3CH2 CH3稳 定 性 : 5/25/2021 114 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 。 C OCH3CH3C2H5 C OCH3CH3 CH3CH2+ C OCH3CH3C2H5 C OCH3CH3CH2 CH3+ 5/25/2021 115 n 自 由 基 的 断 裂 -断 裂 。 C H3C H3C CH2CH3 O. 5/25/2021 116 （ 2） 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 。 .CH2. . . . . 5/25/2021 117 （ 3） 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 ： . . H X Ph H Ph X Product X -OMe -Me -H -Ph -Br -CN -NO2 相 对 速 度 1.2 1.9 1.0 4.0 1.75 3.7 4.0 5/25/2021 118 （ 4） 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 。 . 反 应 H /kJ.mol-1 CH3-CH3 2CH3 . 368 2Ph . . 420 HC C C CH 2CH C 627 H2C C H C H CH2 2CH2 CH 420 Ph-Ph 5/25/2021 119 n 由 分 子 产 生 自 由 基 的 方 法 很 多 ， 比 较 重 要的 有 以 下 三 种 。（ 1） 热 解 在 加 热 的 情 况 下 ， 共 价 键 可 以 发 生 均 裂而 产 生 自 由 基 。 . .R R R R+ 5/25/2021 120 H-H 430 N-N 150 C-H 410F-F 155 C-C 325335 H-I 295Cl-Cl 240 H-S 335 H-Br 365Br-Br 190 C-Cl 325 H-Cl 430I I 150 C-Br 272 H-F 565-O-O- 140 C-I 240 H-O- 460 n 键 的 裂 解 能 低 于 165 kJmol-1， 该 键 不 但在 气 相 中 ， 也 能 在 惰 性 溶 剂 中 进 行 裂 解 而生 成 自 由 基 。 过 氧 化 物 和 偶 氮 化 物 。 5/25/2021 121 CCH3 CH3CH3OCCH3 CH3CH3O C CH3CH3CH3O 100-110 2 5/25/2021 122 n 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 。n 自 由 基 引 发 剂 5/25/2021 123 n 常 用 的 自 由 基 引 发 剂 ： 过 氧 化 苯 甲 酰(BPO)， 偶 氮 二 异 丁 腈 (AIBN)等 。 . . . O O C O C O 80100 Co 2Ph + 2CO2 C C H3C CH3 H3C CH3 NC CN N N 80100 C o C H3C H3C NC C CH3 CH3 CN N N+ + 5/25/2021 124 （ 2） 光 照n 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 。 hv 2Cl2 Cl +hv BrCl 3CBr Cl3C 5/25/2021 125 n 另 一 个 有 用 的 光 解 反 应 是 丙 酮 气 相 光 照 分解 反 应 。 . .h CH3H3C H3C C O 320nm H3C H3C C O* H3C C O + .CH3 + CO 5/25/2021 126 n 其 它 容 易 发 生 光 解 的 反 应 的 如 次 氯 酸 酯和 亚 硝 酸 酯 ， 可 以 产 生 烷 氧 基 自 由 基 。 . . .RO-Cl h RO + Cl RO-NO h . RO + NO 5/25/2021 127 n 光 照 产 生 自 由 基 具 有 明 显 优 点 。 R N N R hv R N2 R+ + 5/25/2021 128 5/25/2021 129 n 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 可 以 产生 自 由 基 。n 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 。 5/25/2021 130 n 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 。例 如 : +Ar CO O O CO Ar Cu+ Ar CO O2 + Cu2+ArAr CO O + CO 2 5/25/2021 131 n 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 。n 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 。 .Ti2+ + H2O2 Ti3+ + -OH + HO 5/25/2021 132 +OH C OHCH3CH3CH2H C OHCH3CH3CH2 H2O + C OHCH3CH3CH2CHO CH3CH3CH2 CHO CH3CH3CH2 C OHCH3CH3CH2 Co3+ + ArCH3 ArCH2 + Co2+ + H+ Fe2+ + H2O2 Fe3+ + HO + HO- 5/25/2021 133叔 仲 伯 n 超 共 轭 效 应 的 影 响 ， 烷 基 自 由 基 的 稳 定 性 次序 为 ： 5/25/2021 134 n 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 。n 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 5/25/2021 135 n 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 因 单 电 子 与 苯 环 离 域 ， 且 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 1660 cm-1的 羰 基 吸 收 峰 。 5/25/2021 136 O ButBut But . O ButBut But .n 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 。 5/25/2021 137 n 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 。 N NO2O2NO 2N Ph2N . 5/25/2021 138 n 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 它 部 位 发 生 格 氏 反应 而 不 影 响 自 由 基 结 构 。 N O O. NO. R OMgBrRMgBr 5/25/2021 139 NOH H2O2NaWO4EDTAMeOH/H2O NO NO 5/25/2021 140 （ 2） 空 间 因 素n 叔 碳 原 子 自 由 基 的 稳 定 性 较 大 ， 除 了 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 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 。 5/25/2021 141CH CCCH3H3CH3C CH3H3CH3C . 5/25/2021 142 （ 3） 溶 剂 效 应n 溶 剂 效 应 对 自 由 基 的 影 响 不 如 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 些反 应 性 质 。 5/25/2021 143在 CS2中 反 应 ： 106 : 1在 苯 中 反 应 49 : 1 +CCH3 H CH3 C CH3CH3H Cl2 / hv CCH3 ClCH3 C CH3CH3H CCH3 HCH3 C CH2CH3H Cl 5/25/2021 144 n 卡 宾 又 称 碳 烯 ： 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 。n 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 。四 、 卡 宾 (Carbenes) 5/25/2021 145 （ 1） :CH2、 :CHR、 :CRR（ R为 烷 基 ,芳 基 ,烯基 或 炔 基 ） ；（ 2） :CHX、 :CRX、 :CXX(X为 F, Cl, Br, I)（ 3） :CHY、 :CRY、 CYY(Y为 其 它 原 子 团如 :-OR, -SR, -CN, -COOR, COR) （ 4） CR2=C:、 CR2=C=C: 5/25/2021 146 n 卡 宾 的 命 名 ， 一 般 以 :CH2为 母 体 ， :CH2称 为 卡 宾 。 Cl2C: 二 氯 卡 宾 CH3COCH: 乙 酰 基 卡 宾 CH3CH： 甲 基 卡 宾 (C6H5)2C 二 苯 基 卡 宾 。 5/25/2021 147 p 卡 宾 碳 原 子 只 用 两 个 分 子 轨 道 成 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 。 1. 卡 宾 的 结 构 5/25/2021 148 两 个 电 子 占 据 同 一轨 道 ,自 旋 方 向 相 反另 一 个 轨 道 是 空 的 .光 谱 上 显 示 一 条 谱 线 称 为 单 重 态 或 单 线 态 两 个 电 子 分 别 处 于 两 个轨 道 ,自 旋 方 向 相 同 或相 反 ,光 谱 上 显 示 三 条谱 线 ,称 为 三 线 态 (或 三 重 态 )p 三 线 态 卡 宾 比 单 线 态 的 能 量 低 ， 因 两 个 单 电子 分 布 在 两 个 轨 道 上 ， 符 合 洪 特 规 则 ， 故 稳定 性 TS。 5/25/2021 149 （ 1） 三 重 态 碳 烯 (triplet state， T)C HHp sp杂 化 ， 两 个 sp杂 化 轨 道 分 别 与 氢 原 子 成键 ， 两 个 p轨 道 各 容 纳 1个 电 子 ， 可 以 看着 是 双 自 由 基 形 式 ， 这 是 降 低 电 子 之 间相 互 排 斥 的 最 有 效 填 充 方 式 。 5/25/2021 150 （ 2） 单 重 态 卡 宾 (singlet state， S)p sp2杂 化 ， 其 中 两 个 sp2杂 化 轨 道 分 别 与 氢 原子 成 键 ， 另 一 个 sp2杂 化 轨 道 容 纳 2个 未 成 键电 子 ， 而 p轨 道 是 空 的 。 单 线 态 同 时 显 示 C+空 轨 道 和 C-离 子 的 孤 对 电 子 ， 这 是 降 低 电子 对 之 间 相 互 排 斥 的 最 有 效 形 式 。 5/25/2021 151CH2N2 h or :CH2, + N2 Cl3CCO2Na MeOCH2CH2OMe 150 Co Cl2C: + CO2 + NaCl CH2=C=O h or 700 Co :CH2 + CO 2. 卡 宾 的 生 成 5/25/2021 152CHCl3 t-BuO- Cl3C- Cl2C: + Cl- 5/25/2021 153 五 、 乃 春 (氮 烯 Nitrene）p 乃 春 又 称 亚 氮 R-N:. .p 是 卡 宾 的 N 类 似 物 ， 非 常 活 泼 ， 在 普 通条 件 下 难 以 离 析 。 5/25/2021 154 1. 乃 春 的 生 成（ 1） 热 解 或 光 解 : . hvor R-N: . + N 2 Me3CN3 Ph2CO(Sensitizer)hv + N2 C hv + N2 R-N=N=N EtO O N3 CEtO O N: Me3C-N: 5/25/2021 155 Ph hv + CON=C=O Ph-N: H2NNH2 hv HN: 5/25/2021 156 六 、 苯 炔 （ Benzyne ）p 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 。 5/25/2021 157 苯 炔 的 确 证p 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 。 5/25/2021 158 CH3 Cl Cl CH3 Cl CH3 NaNH2,NH3 -HCl NaNH2,NH3 -HCl NaNH2,NH3 -HCl CH3 NH2 NH2 CH3 NH2 CH3 + NH2 CH3 + CH3 NH2 + NH2 CH3 + NH2 CH3 5/25/2021 159 p 根 据 反 应 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 ， 生 成 中 间体 苯 炔 。 5/25/2021 160 CH3 Cl Cl CH3 Cl CH3 CH3 CH3 -HCl NH2- NH2- NH2- NH2- -HCl -HCl -HCl CH3 NH2 NH2 CH3 NH2 CH3 NH3 NH3 NH3 NH3 5/25/2021 161 Cl -HCl * * NH3 NH2 * * NH 2 + I * CH3H3C NaNH2 NH3 Br * CH3H3C CH3 NaNH2 NH3 5/25/2021 162 I NaNH2 NH3 * 5/25/2021 163 p 邻 氨 基 苯 甲 酸 重 氮 盐 用