碳碳重键的加成反应

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章,碳碳重键的加成反应,1,24.1,烯烃与卤素的加成及相关的反应,24.1.1,烯烃与溴的反应,1827,年丹麦化学家,Zeise W C,首先发现乙烯与,Pt(II),生成络合物，,KPt(C,2,H,4,)Cl,3,H,2,O,以后称为,Zeise,盐,(Zeise salt),Zeise,盐的结构已由单晶,X-,衍射证实：,由,Pt(II), Rh(II), Ir(I), Cu(I) Ag(I),与烯烃反应也得到了相似的,络合物。由,1,，,5-,环辛二烯得到的,络合物是中性分子，,2,两个键占据了,Pd,的两个配位位置：,四氰基乙烯,(NC),2,C=C(CN),2,),与金属生成的,-,络合物的晶体结构研究说明，其中碳原子的键角已接近,sp,3,杂化，可以认为是生成了含金属的环,(metallacycle),由此可见，烯烃中的,电子容易受到亲电进攻。,24.1.1.2,烯烃的溴化反应的机理,实验说明，碳碳双键上的加成反应是亲电加成。例如，双键上的取代基对加溴反应的速率有显著的影响，给电子取代基使反应速率加快，吸电子取代基使反应速率减慢。一些烯烃起反应的相对速率如下：,3,(NC),2,C=C(CN),2,与溴不起加成反应。,4,烯烃与溴的加成，其反应动力学很复杂，并与溶剂有关，从质子溶剂到非质子溶剂，变化很大，其反应速率由三项组成：,反应速率,=,k,1,烯烃,Br,2,十,k,2,烯烃,Br,2,2,十,k,3,烯烃,Br,2,Br,在甲醇中,Br,离子的浓度很大时，以第一项为主，即为二级反应；在非质子极性溶剂中以第二项为主，即为三级反应。说明反应机理是复杂的。,两个溴原子如果从双键所在平面的同一边加上去，称为顺式,(syn),加成，如从两边加上去称为反式,(anti),加成。在环上这种顺反加成的产物很容易鉴别：,在烯烃加溴的反应中，多数生成反式的加成产物，但往往伴有少量顺式产物，主要生成顺式产物的反应较少：,5,加溴反应的机理：烯烃与溴首先生成,络合物，,络合物转变为,络合物，即环状溴,鎓,离子和,Br,的离子对，最后再结合成邻二溴化物：,6,络合物是一种电子转移络合物,(charge transfer complex),是由烯键的,轨道与,Br-Br,分子的,反键轨道重叠生成的（每一个轨道只能容纳一对电子，,轨道不能与,Br-Br,键的成键轨道重叠,),。络合物的生成在有些例子中已由光谱研究证明。在位阻很大的烯烃与溴的反应中，也有证据说明：烯烃和邻二溴化合物之间存在上述平衡。,环状溴鎓离子存在的证据主要从核磁共振实验中得到。比如在超强酸中下列化合物的核磁共振数据说明有溴鎓离子存在：,7,最后一个反应说明碘比氯更容易生成,鎓,离子：,1985,年测定了下列化合物的晶体结构，进一步证实了环状溴,鎓,离子的存在：,但上面这些例子中底物都是对称的结构。如果底物结构不对称，溴鎓离子的结构会怎么样？如果有能稳定碳正离子的取代基存在，会不会以碳正离子作为反应的中间体而不是溴离子？在下面的反应中，如果碳正离子是反应的中间体，两个原料应得同样的产物：,8,但实验结果是：两种异构体加溴，主产物都是各自的反式加成产物。由此推测：反应的中间产物仍是环状溴鎓离子，但它的结构不对称，有苯基的一端，,C-Br,键较弱；或者认为有部分碳正离子存在，碳正离子与溴鎓离子存在某种平衡，结果使反应的立体选择性降低：,9,溶剂极性加大，有助于碳正离子的生成。如果碳正离子的寿命很短，生成后立即与紧密离子对中的,Br,结合，则主要得到顺式加成产物；碳正离子的,C-C,键旋转后再与,Br,结合，或与另一面的,Br,结合，也可以生成反式加成产物：,碳正离子的生成有没有证据呢？,p,-NO,2,C,6,H,4,CH=CHC,6,H,4,Me-,p,加溴反应中，与,C,6,H,4,NO,2,-p,连接的碳原子的,14,C,同位素效应远大于与,C,6,H,4,Me-,p,相连的碳原子，与反应中间体是碳正离子相符合。,有的烯烃在加溴时生成重排产物，也说明反应中有碳正离子生成,：,10,溴的浓度升高，溶液中,Br,3,的浓度升高，,Br,3,进攻溴鎓离子的机率增加，使动力学速率公式中出现有,Br,2,2,的一项。,吡啶氢溴酸盐与溴生成的,C,5,H,5,N,+,HBr,3,是比较温和的溴化剂，用于烯烃的溴化，立体选择性就高一些。例如：,用于不共轭的二烯烃的溴化也有一定的选择性：,11,24.1.2,烯烃与氯的反应,烯烃与氯也是亲电加成。一些烯烃与氯加成的相对速率如下：,其顺反比例的例子如下：,12,显然双键上有苯环时立体选择性降低。,氯鎓离子作为反应的中间体可以从一些实验事实中得到证明。例如，,(,Z,)-,和,(,E,)-2-,丁烯、,2-,甲基丙烯与氯的反应速率差不多相等，如果反应是通过碳正离子进行的，,2-,甲基丙烯的反应速率应当更快，因为生成的叔碳正离子比仲碳正离子更稳定：,现在差不多相等，说明不是碳正离子作为反应关键的中间体，而有可能是氯鎓离子。因为这两个反应的氯鎓离子的结构应该是相同的。,13,由于环状氯鎓离子的稳定性比溴鎓离子小，,CCl,键更弱，碳正离子在氯化反应中的重要性增加，苯基取代的烯烃氯化反应的立体选择性比溴化反应低。氯化反应中发生重排和消除的例子也更多一些。例如：,Acenaphthylene(,苊,),与氯生成顺式加成产物,.,可能是由于环的张力大，与氯的反应速率快，生成的离子对迅速结合：,烯烃用,SbCl,5,和,MoCl,5,氯化，主要生成顺式加成产物，用,Et,4,N,+,Cl,3,氯化剂生成反式加成产物。,14,24,1,3,烯烃与碘和氟的反应,烯烃与碘和氟的加成反应机理研究很少。烯烃与碘的加成在,I,的存在下是可逆的，平衡偏向烯烃一边。烯烃与碘容易起自由基加成反应，生成反式加成产物，可能是烯烃与碘先生成络合物，然后碘原子从另一面进攻。,FF,键的键能很低,(157.6kJmol,1,),，容易解离为反应活性很高的氟原子，与烯烃反应生成裂解产物。但在低温下，,CFCl,3,CHCl,3,溶液中与氮气混合,(l,F,2,),后再与烯烃反应，可以得到顺式加成产物。例如：,可能是生成的碳正离子与,F,离子立即结合，生成二氟化物。在超强酸溶液中进行的,NMR,研究和理论计算都排除了生成环状鎓离子的可能性。,15,24.1.4,卤代醇、卤代醇酯等的合成,乙烯在水溶液中与氯反应，除二氯乙烷外，还生成氯乙醇，相当于乙烯与次氯酸加成。选择适当的试剂可以避免生成二卤代烷。,烯烃在含水的,DMSO,溶液中与,NBS,反应，生成溴代醇。例如：,反应的第一步生成溴鎓离子，第二步亲核试剂进攻，相当于,S,N,2,反应，由于两个甲基的阻碍，,OH,从位阻小的一端进攻。因此反应的区域选择性和立体选择性都很好。用同样的方法可以制备溴代醚、溴代醇的酯；如用,HOAc,作溶剂，则得到溴代醇的乙酸酯。,16,烯烃与,I,2,H,2,O,的反应是可逆的，加入氧化剂除去,I,离子可以得到碘代醇：,过酸与溴化钠等反应产生酰基次卤酸：,而酰基次卤酸可以加成到烯烃上去，生成卤代醇的酯：,碘与烯烃不生成二碘化物，但可以利用碘生成环状离子，使它与别的亲核试剂反应。例如：,17,如果烯烃分子内在适当的位置有,OH,，,CO,2,H,等官能团，利用这种方法可以得到环醚或内酯。通常是,5,元或,6,元环，例如：,碘可以作为这种环合反应的试剂：,18,也可以用溴来实现这类反应：,19,24.2.1,烯烃与卤化氢的加成,烯烃与溴化氢和氯化氢的加成研究较多，与碘化氢的加成研究较少，与氟化氢的加成研究更少。,烯烃与溴化氢的加成是放热反应，很容易进行，可以在液态的烯烃中反应，也可以在惰性溶剂，如水、乙酸等质子溶剂中反应。对于反应活性高的烯烃（例如能生成叔氯代烷的烯烃），通入氯化氢气体，反应即能发生；反应活性低的烯烃,(,如烯丙基氯等含吸电基的烯烃,),，要加入,Lewis,酸,(AlCl,3,，,FeCl,3,，,ZnCl,2,等,),作催化剂。烯烃与碘化氢的反应在水和乙酸中用浓的氢碘酸作试剂进行。烯烃与氢氟酸的水溶液很难反应，与无水氢氟酸可以迅速起加成反应，但需要特殊设备，并采取一定的安全措施。,24211,区域选择牲,在没有过氧化物存在，排除自由基反应的条件下，烯烃与卤化氢的加成产物符合,Markovnikov,规律。双键碳原子上有卤素或,CF,3,等吸电子取代基时应当注意加成的方向：,20,24.2.1.2,立体化学,溴化氢和氯化氢与环己烯、,1,2-,二甲基环己烯、环戊烯、,(,Z,)-2-,丁烯、,(,E,)-2-,丁烯、,3-,己烯等生成反式加成产物，与甲基戊烯主要生成反式加成产物，与苊,(acenaphthylene),、茚、,(,Z,)-l-,苯基丙烯、,(,E,)-1-,苯基丙烯在非极性溶剂中生成顺式加成产物。,降冰片烯,(norbornene),与,DBr,反应生成,exo-,加成产物，并且一半产物是由桥联的降冰片碳正离子生成的：,21,与,DCl,反应也得到相似的结果：,降冰片二烯与,HCl, HBr,和,HF,加成都有重排产物生成：,溶剂和反应温度对加成产物的立体化学也有影响。例如：,22,24.2.1.3,反应机理,综合各种实验结果，可以认为,HX,与烯烃的加成反应是亲电加成，中间多数有碳正离子或离子对生成。而第一步质子的加成看成是,HX,先对双键作用生成,-,络合物更合理，特别是在无水,、,HX,不易电离的情况下更合理，而后由另一分子,HX,从背面加成：,确实不少烯烃与,HCl,或,HBr,加成的速率与,HX,2,成正比：,有重排产物生成的反应中，中间体可能就是碳正离子。特别是在双键上有苯环等能稳定碳正离子的基团存在时，碳正离子机,23,理是可以肯定的。另外，动力学测定也能提供佐证。例如，苯乙烯与,HCl,加成，是二级反应：,24.2.2,烯烃的水合及相关反应,烯烃能在强酸催化下与水发生加成,(hydration),。酸根离子的亲核性要小，不与水竞争加成。烯烃加水的速率与其结构有关：,显然这与加,HX,一样，先是质子对双键发生加成，生成碳正离子，然后水再加上去：,24,测定过同位素效应，,k,H2O,/k,D2O,=24,说明,双键的质子化是决速步,。产物的区域定位符合,Markovnikov,规律，但立体选择性可能没有：,由于在强酸中进行生成碳正离子中间体，因此有可能伴有重排：,其实强酸催化下第一步先质子化，第二步也可以加上去其它的亲核试剂，例如醇，酸等，甚至过氧化氢：,25,也可以发生分子内的加酸等，例如：,Ritter,反应,烯烃在强酸催化下与睛反应生成酰胺，称为,Ritter,反应：,26,常用硫酸作催化剂，乙酸，二丁醚，氯代烷烃作溶剂，反应条件一般很温和。酰胺水解后得胺，因此，这是将烯烃转化为胺的方便方法。能够生成稳定碳正离子的醇也可以进行,Ritter,反应：,Ritter,反应设计得好可以用于结构复杂的杂环化合物的合成，例如：,24.2.2.3,碳正离子与烯烃的反应,烯烃在强酸的存在下，如果没有别的亲核试剂存在，烯烃质子化后的碳正离子就会进攻未质子化的烯烃，发生烯与烯的加成，,27,显然，设计适当的二烯烃能发生分子内反应成环：,24.2.3,羟汞化反应,烯烃与醋酸汞在含水的,THF,中加成，生成,-,羟基有机汞化合物，随后用,NaBH,4,还原去汞，即得到醇：,28,羟汞化反应很快，然后加入,NaBH,4,还原脱汞，两步反应在一锅中完成；虽然中间的有机汞化合物能被分离出来，,显然，羟汞化反应只适用于实验室制备醇，不适用于工业规模，因会产生大量的汞。,羟汞化反应也是亲电加成,，电子云密度大的烯烃容易反应，,定位也符合马氏法则,，,也是反式加成,，,29,汞正离子就像质子那样先加到双键上去：形成三元的“鎓”离子，而后亲核试剂再从背面进攻：,与在酸性溶液中的加成一样，羟汞化如在醇或酸溶液中进行，也可以得醚或酯：,30,24.3,烯烃的硼氢化反应,H. C. Brown,在,1959,年发现了硼氢化反应。这个反应非常有价值，应用范围广，可用于多类有机化合物的合成，因此，他在,1979,年与,Wittig G,共同获得诺贝尔化学奖。,24,3,1,区域选择性和立体选择性,弱的,Lewis,碱，如醚和硫醚对反应有催化作用。,硼氢化反应对位阻很敏感，,端烯和位阻小的二取代烯烃，如环戊烯，立即生成三烷基硼，调节试剂的用量比也不能使反应停在生成一烷基硼烷和二烷基硼烷的阶段。三取代烯烃和位阻较大的二取代烯烃，如环己烯，则主要生成二烷基硼烷，调节试剂用量比和反应温度，可以选择性地得到二烷基硼烷。四取代烯烃在生成一烷基硼烷后，继续反应的速率很慢：,31,位阻大的烯烃在高压下才能起硼氢化反应。,硼氢化反应的区域选择性和立体选择性都非常强，硼从位阻小的一面加在含氢多的双键碳原子上，即加在烯键上位阻小的一端。不对称的链间烯键常生成两种异构体的混合物。,硼氢化反应也是立体特异性的顺式加成。反应总是在烯键位阻小的一面进行。例如：,为了提高硼氢化反应的立体选择性，人们用体积很大的烯烃制备成位阻很大的二烃基硼烷，用这种试剂再去进行,硼氢化反应，则立体选择性就更好，常用的有,32,这种试剂应用的例子如降冰片烯用,9-BBN,进行硼氢化和氧化，,exo-,醇的产率达到,99.5%,，如,7,位上有两个甲基，反应后内型醇的产率达到,97,：,开链烯烃也可以用,9-BBN,作试剂提高反应的区域选择性：,33,用有手性的烃基硼烷作硼氢化试剂，可以得到对映选择性的硼氢化结果：,24.3.2,机理,根据现有的实验事实，推测硼氢化可能是通过环状过渡态进行的一步反应：,34,另一种观点是,电子先与,硼原子配位成,络合物，然后立即转变成加成产物。络合物中两个碳原子和一个硼原子之间为,3,中心,2,电子键。,24.3.3,三烃基硼的反应,乙硼烷与烯反应后变成三烃基硼，三烃基硼用过氧化氢氧化就成为醇，,但也可以被其它基团取代，如,X, NH,等。硼氢化反应中的烯烃可以含有,OH, OR, NH,2, SMe, CO,2,R,等多种官能团,。,硼氢化反应是可逆的，在较高温度下，三烃基硼可以通过一系列消除加成而异构化：,35,例如：,24.3.4,在催化剂存在下的硼氢化反应,邻苯二酚硼烷,(catecholborane,，,o,-C,6,H,4,O,2,BH),是一种硼酸酯，它的反应活性较低，不容易与烯烃起硼氢化反应，但在,Rh(1),等催化剂存在下，反应却容易进行。,此外，催化剂存在下烯烃中的双键可以在较温和的条件下移至链端：,36,24.4,烯烃与卡宾及卡宾体的加成,24.4.1,卡宾,卡宾,(carbenes),是一类寿命很短,(1s,以下,),的活性中间体，其母体为亚甲基,(methylene, :CH,2,),。亚甲基中的一对电子可以是配对的，也可以是不配对的，在光谱学中前者叫做单线态,(singlet),，后者叫做三线态,(triplet),。最常见的卡宾为亚甲基和二氯卡宾,(dichlorocarbene,，,:CCl,2,),。,后来发现一种环状氮杂结构的亚甲基可以成为卡宾（,N,-Heterocyclic carbene,）,，并且在两边有大的基团的情况下，甚至在室温下也能稳定存在，并由,X,射线晶体分析证实了它的结构：,37,关于这类卡宾的研究很多，例如，有人把它做成其他原子的类似的卡宾，研究它们的性质：,J. Am. Chem. Soc,.,2005,127, 8248-8249.,卡宾可以在多种反应中产生，由于它是寿命很短的活性中间体，确定它的存在比较困难。有的化合物，如,卤代的有机金属化合物,R,2,CXM,，在它们与其他化合物的反应中表面上看是有卡宾参加，但还有疑问或实际上没有生成卡宾，只不过是将卡宾转移到其他分子中，称为卡宾体,(carbenoids),。,在有机合成中卡宾最重要的一种反应就是与碳,碳双键加成。单线态的卡宾与烯烃的反应为立体特异性的顺式加成：,38,这是通过环状过渡态进行的环加成反应,(cycloaddition),，是一步反应。三线态的卡宾，两个电子的自旋相同，与烯烃反应时只能先生成一个,CC,键，剩下的两个电子自旋相同，不能成键，只有在与别的分子碰撞，一个电子的自旋反转后才能成键，这时,CC,单键可能转动，可能生成反式加成产物，因此，没有立体选择性：,卡宾的另一类反应是,C-H,之间的插入反应。,卡宾的产生有多种方法，例如重氮化合物分解,、,卤代烃的,消除等。,39,24.5,炔烃的加成反应,炔烃的加成反应与烯烃相似，但反应机理方面的研究还不充分。,24.5.1,炔烃与卤素的加成反应,炔烃在乙酸溶液中与溴或氯加成的速率比相应的烯烃慢,：,k,烯,/,k,炔,在,10,2,10,5,之间，因此，同时含有炔键和烯键的化合物，可以选择性地使烯键加溴,烷基取代的炔烃加溴，主要为反式加成，反应中间体可能为,络合物或环状溴鎓离子，亲核试剂从溴的另一面进攻：,炔烃与溴生成,络合物已有实验证明。,芳基取代的炔烃加溴，反应没有立体选择性，可能是通过乙烯型碳正离子进行的,40,如果在反应混合物中加入大量,Br,负离子，则为立体选择性的反式加成：,一烷基取代乙炔加氯生成顺式加成产物。反应可能是通过乙烯型碳正离子进行的。乙烯型碳正离子稳定性比,RCH,2,+,还低，可能迅速与,Cl,离子结合生成顺式加成产物：,二烷基取代乙炔与氯生成反式加成产物，反应可能是通过,络合物或环状氯鎓离子进行的。,炔烃与碘生成,l,2,二碘烯烃，为反式加成产物。,41,24.5.2,炔烃与卤化氢的反应,3,己炔与氯化氢反应生成反式加成产物，,1,苯丙炔加氯化氢主要生成顺式加成产物：,反应可能是通过乙烯型碳正离子进行的。,丙炔在,Hg(II),催化下与,HCl,或,HBr,反应，都生成反式加成产物。,24.5.3,炔烃的水合,炔烃在强酸，如硫酸中加水生成醛或酮。,Hg(II),离子对反应有催化作用。用,Hg(II),盐浸渍过的,NafionH,是一类新的催化剂：,42,其他的金属离子，如,Cu,2+, Pd,2+,，,Ni,2+,，,Rh,2+,也有催化作用。炔烃在光催化加水时，可以检测到反应的中间产物烯醇：,在,Hg(II),盐的催化下，炔烃也容易与醇及羧酸加成：,24.5.4,其他加成反应,炔烃的硼氢化可以停留在双键这一步：,硼氢化产物用酸处理生成顺式烯烃，氧化则生成酮或醛：,43,采用位阻大的二取代硼烷作试剂，可以使三键在链端的炔烃生成一烃基硼烷，产物经氧化水解后得到醛。例如：,炔烃与二氯卡宾加成的速率比烯烃慢，可以使同时含有炔键和烯键的化合物中的烯键选择加成：,44,烃与二氯卡宾加成生成的,3,3,二氯环丙烯容易解离成离子对，水解后生成环丙烯酮：,生成的碳正离子是含两个,-,电子的芳环。,45,