有机活性中间体

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,#,四 有机反应活性中间体,(Reactive intermediates,in Organic Chemistry),2013,年,10,月,8,日,在有机反应中，有些是属于一步完成的，称为协同反应。,例如,Diels-Alder,反应：,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。,协同反应的能峰图,分步反应的能峰图,一、碳正离子,(Carbocation),二、碳负离子,(Carbanions),三、自由基,(Free radicals),四、碳烯（卡宾）,(Carbenes),五、氮烯（乃春）,(Nitrenes),六、苯炔,(Benzyne),提 纲,5,G.A.Olah:1994,年,Nobel,化学奖（碳正离子化学）,一,碳正离子,(Carbocations),桥头碳正离子的稳定性：,see,JOC,1999,64,6401,.,一般为,碳正离子的产生,详细结构,+,C,sp,2,-s,bond,CH,3,+,的轨道结构,sp,2,-sp,3,bond,(CH,3,),3,C,+,的轨道结构,H,H,H,7,8,9,-p,超共轭效应,H,轨道交盖在这里,空的,p,轨道,p-,共轭,电子离域,正电荷分散程度大,p-,共轭,电子离域,共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：,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：,环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：,CH,2,CH,2,CH,2,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。,随着环丙基的数目增多，,正碳离子稳定性提高。,直接与杂原子相连的正碳离子结构：,氧上未共有电子对所 占,p,轨道,与中心碳原子上的空的,p,轨道,侧面交盖，未共有电子对离域，,正电荷分散。,类似地，羰基正离子：,乙烯型正碳离子：,+,C,原子进行,sp,2,杂化，,p,轨道,用于形成,键，空着的是,sp,2,杂化轨道，使正电荷集中。,苯基正离子：,结构同乙烯型正碳离子，正电荷,集中在,sp,2,杂化轨道上。,此二类正碳离子稳定性极差。,溶剂效应,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：,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。,16,化学键,的异裂,而产生,17,18,对不饱和键的加成,其它正离子转化而生成,常见的超酸,（与,100,H,2,SO,4,的酸性比较,）,HSO,3,F,（,氟硫酸）1000倍,HSO,3,F,SbF,5,（,魔酸）10,1,3,倍,HF,SbF,5,10,16,倍,叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：,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。,在超酸中制备,C,正离子溶液,21,A WagnerMeerwein rearrangement is a class of carbocation 1,2-rearrangement reactions in which a hydrogen,alkyl or aryl group migrates from one carbon to a neighboring carbon,The first-formed cation canot eliminate a proton in an E1 reaction because loss of the only availabel proton would give a very strained alkene.However,migration of a methyl group both stabilizes the cation(it becomes tertiary instead of secondary)and allows E1 elimination of a proton to take place to give a stable alkene.The migration of an alkyl group to a cationic centre is known as a,Wagner-Meerwein rearrangement,or,Wagner-Meerwein shift,.,23,Aza-Heterocycles in WagnerMeerwein Rearrangement:Skeletal WagnerMeerwein rearrangement of perhydro-3a,6;4,5-diepoxyisoindoles Zubkov,F.I.;Zaytsev,V.P.;Nikitina,E.V.;Khrustalev,V.N.;Gozun,S.V.;Boltukhina,E.V.;Varlamov,A.V.Tetrahedron 2011,67,9148-9163,use of skeletal rearrangement in the synthesis of bridged azaheterocycles,Plausible mechanisms,24,sp,2,杂化，平面,sp,3,杂化，角锥形,碳负离子的结构,二 碳负离子,(Carbanions),碳负离子的结构,10928,sp,3,杂化,棱锥型,90,sp,2,杂化,平面三角型,.,烷基负碳离子为棱锥型,孤对电子处于,sp3,杂化轨道上。,轨道夹角为,109 28,时，电子对间的排斥力小，利于负碳离子稳定。,26,碳负离子连有,Ph,C=O,CN,NO,2,等吸电子基团，由于这些基团能够通过共轭分散负电核，一般取平面结构，或具有较低的,反转,能垒。,27,碳负离子的反转现象,28,see Peoples R.R.,J.Am.Chem.Soc,.1980,102,4709.,-,29,决定取向的因素,底物的结构,构型保持,：,构型转化的能垒很高，需经过环丙烷,120,C,的平面，其张力很大,30,碱及其溶剂的影响,在低极性、低介电常数溶剂,(,如,THF,等,),中，碳负离子和铵离子紧密成对，去质子和再质子化在同一边、同一铵离子上发生；碳负离子此时是平面的。,Ke/k,=148 1.,在极性较大的溶剂（如,DMSO,）中，溶剂化的离子对占优势，每进行一次交换都发生完全的外消旋化,ke/k,=1,在,NaOMe/MeOH,中，,ke/k,=0.84,发生部分反转,决定取向的因素,31,反离子的影响,共轭效应,当碳负离子,位有诸如,-CN,-NO,2,R,1,R,2,CO,-Ph,等 吸电子基时，一般取平面结构,决定取向的因素,32,碳负离子的生成方式,碱夺氢,RH+B,R,+HB,选用什么样的碱需要比较其,pKa,值,既有亲质子性又有亲核性,：,Me,Et,NH,2,等类碱。将它们作为碱来夺取氢时易发生亲核加成等副反应,较好的亲质子碱，亲核性却较弱,：,t-BuO,H,等,非亲核性碱,：,(Me,3,Si),2,N,Li,+,(,LHMDS,),、,(Me,3,Si),2,N,K,+,(,KHMDS,),、,异丙基环己基胺基锂（,LICA,）,等，空间障碍大，无亲核性，在有机合成上有广泛的应用,33,CH,3,COCH,3,+MeLi,MeCOCH,2,Li +CH,4,p,Ka,20,40,例如,34,芳香族亲核取代,脱羧作用,Cl,3,CCO,2,Cl,3,C,Ph-CC-CO,2,Ph-CC,-,消除、,E1cb,反应中,碳负离子对双键的加成,（如,Michael,型加成反应）,1,s-,特性效应,影响碳负离子稳定性的因素,碳负离子中负离子所占轨道,s,成份越多，碳负离子就越稳定。,稳定性顺序：,RCC,R,2,C=CH,Ar,R,3,C-CH,2,C-H,键中的,C,的成分越多,H,越易以质子形式解离,36,2,诱导效应,与吸电子基团相连时,使电荷分散,稳定性增大,.,CH,3,-H F,3,C-H (CF,3,),3,C-H,pKa 42 28 11,与推电子基团相连时,稳定性降低,.,稳定性,:CH,3,-,CH,3,CH,2,-,(CH,3,),2,CH,-,(CH,3,),3,C,-,3),共轭效应,与共轭体系相连时使负电荷分散,稳定性增加,.,形成芳香体系,4n+2,芳香性,-C,效应的影响,:,OHC-CH,2,-CHO CH,3,COCH,2,COCH,3,NCCH,2,CN CH,3,NO,2,pKa 5 9 11 10,4),溶剂效应,Solvent Effect,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。,在所有涉及到的离子反应里,溶剂对参与的离子的稳定化,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的,.,例如,:,HCl,在气相解离为自由基只需,430.95KJ/mol,的能量,而解离为离子所需能量高达,1393KJ/mol,若在极性溶剂,(,如,H,2,O),中,HCl,很容易解离为离子,.,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，促进离子型反应。,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：,若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。,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,.,例如,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,:,在,98.5%DMSO,和,1.5%,的甲醇中进行,比在纯的甲醇中要快,10,8,倍,.,又如：,CH,3,I,和,N,3,-,的,S,N,2,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,4.5x10,4,倍。,溶剂的介电常数,Dielectric constant,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。,介电常数用,表示。,15,极性溶剂,；,(CH,3,),2,CH CH,3,CH,2,CH,3,叔,仲,伯,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,.,自由基的断裂,b,断裂,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,.,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,:,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,.,3.,自由基的生成,由分子产生自由基的方法很多,比较重要的有以下,三种,:,热解,在加热的情况下,共价键可以发生均裂而产生自由基,.,一些键的离解能,(kJ/mol),H-H 430 N-N,150,C-H 410,F-F,155,C-C 325335 H-I 295,Cl-Cl,240,H-S 335 H-Br 365,Br-Br,190,C-Cl 325 H-Cl 430,I I,150,C-Br 272 H-F 565,-O-O-,140,C-I 240 H-O-460,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