有機反應機理第7章-2

1、有機反應機理第7章 活性中間體的研究（續(xù)）1有機反應機理7.4 碳負離子 碳負離子有兩種雜化形式：sp2雜化和sp3雜化，但多數(shù)場合取sp3雜化10a10b2有機反應機理碳負離子的穩(wěn)定性 碳負離子的穩(wěn)定性與其負電荷的分散程度有關，負電荷越分散，碳負離子就越穩(wěn)定碳負離子與吸電子基團，如NO2、COOEt等，或不飽合體系，如CH=CH2，Ar等相連時，穩(wěn)定性增加3有機反應機理多數(shù)碳負離子取sp3雜化，取代基之間較為擁擠，與碳正離子的穩(wěn)定性相反，隨著碳負離子的取代基體積變大，分子內(nèi)張力增加，穩(wěn)定性降低4有機反應機理碳負離子的形成 碳鹵鍵能被一些金屬還原，生成碳負離子格林亞試劑的制備是典型的例子5有機

2、反應機理金屬插入CX鍵按單電子轉(zhuǎn)移機理進行6有機反應機理通過鹵素-金屬交換形成碳負離子，反應可按SN2機理，加成-消除機理或單電子轉(zhuǎn)移機理進行7有機反應機理Addition-elimination mechanism for halogen exchangeBrOMen-BuLiBrOMen-BuLiOMeLin-BuBr+8有機反應機理Electron transfer mechanism for halogen exchangeBrOMen-BuLiOMen-BuBrLi9OMeBrn-BuLiOMeLin-Bu Br+OMen-BuLiBr有機反應機理碳負離子也可通過酸堿反應，使碳氫鍵發(fā)

3、生異裂而形成許多含活潑氫的化合物可按此途徑形成碳負離子R3CH+ BR3C + BH 10有機反應機理碳負離子還可由烯烴與親核試劑反應形成PhR-LiRPh+ Li+11有機反應機理碳負離子的反應 碳負離子的反應包括與親電試劑反應、重排反應和氧化反應等例如12有機反應機理CH2CO2HNH3NaNH2CHCO2H NaC6H5CH2ClEtOEtCHCO2HCH2C6H513有機反應機理7.5 有機自由基自由基是指有一個未成對電子的原子或分子自由基是缺電子的中間體，但不帶電荷，其性質(zhì)與正碳離子和卡賓等缺電子的中間體差別較大14有機反應機理7.5.1 自由基的結(jié)構和穩(wěn)定性烷基自由基具有7電子結(jié)構

4、，因而是缺電子的烷基自由基的中心碳原子雜化態(tài)處于sp2與sp3之間，近似于sp2雜化，具有扁平的角錐型結(jié)構15有機反應機理自由基的扁平角錐結(jié)構很容易翻轉(zhuǎn)自由基翻轉(zhuǎn)的能壘很低，只有2.5kJ/mol自由基的快速翻轉(zhuǎn)使得一些具有光學活性的反應物經(jīng)自由基機理反應后得到的是外消旋產(chǎn)物16有機反應機理CH3CHClH2CC2H5CH3CClH2CC2H5CH3CClH2CC2H5Cl2CH3CC lClH2CC2H5+CC lClH2CC2H5CH3例如光學活性的1-氯-2-甲基丁烷的氯化反應，得到的產(chǎn)物是外消旋體17有機反應機理自由基的穩(wěn)定性自由基與碳正離子一樣，是缺電子的，任何穩(wěn)定碳正離子的因素也能

5、穩(wěn)定自由基相鄰原子上的未共用電子對，鍵，鍵都能穩(wěn)定自由基，穩(wěn)定性順序：叔碳自由基 仲碳自由基 伯碳自由基18有機反應機理自由基與碳正離子穩(wěn)定性的差別自由基中心碳原子價殼層電子數(shù)為7，缺電子性不如碳正離子嚴重，較相應碳正離子穩(wěn)定例如，伯碳正離子很難形成，而伯碳自由基則通?？勺鳛榉磻虚g體19有機反應機理自由基與碳正離子穩(wěn)定性的差別（續(xù)）相鄰原子上的未共用電子對，鍵和鍵對自由基的穩(wěn)定化作用不如對碳正離子的穩(wěn)定化作用強這是因為自由基的這些共軛作用是占有軌道與占有軌道間的作用，有一個電子進入反鍵軌道20有機反應機理而碳正離子的這些共軛作用是占有軌道與空軌道間的作用，電子都進入成鍵軌道21有機反應機理對

6、于雜原子自由基，由于自由基是缺電子的，自由電子所在原子電負性越大，相應自由基越不穩(wěn)定穩(wěn)定性：CR3NR2ORIBrClFHO和H極不穩(wěn)定，通常不能作為反應中間體存在22有機反應機理氮氧自由基是非常穩(wěn)定的自由基，例如TEMPONOCH3CH3H3CH3CNOCH3CH3H3CH3CTEMPO, a stable nitroxyl23有機反應機理7.5.2 自由基的產(chǎn)生鍵的均裂鍵的激發(fā)單電子還原或氧化24有機反應機理有機過氧化物和偶氮化合物分子中的氧氧鍵和碳氮鍵的鍵能很低，很容易均裂為自由基，常用來作為自由基反應的引發(fā)劑25有機反應機理OOOOOO2CCH3CH3NNCCH3CH3hvN2+2CC

7、H3CH326有機反應機理通過鍵離解能可以判斷化學鍵均裂的難易HHBr BrBDE/kj/mol435192不難看出，BrBr鍵易斷裂，HH鍵不易斷裂27有機反應機理一些鍵在光照下可使電子激發(fā)到*軌道上，形成雙自由基ORRhvORR雙自由基可以發(fā)生自由基的各種反應28有機反應機理某些順式烯烴的雙鍵在光照下異構成反式，可能經(jīng)過雙自由基機理PhHHPhhvPhHHPhPhPhHHPhPhHH29有機反應機理動物的視網(wǎng)膜中存在具有順式雙鍵的亞胺11-cis-retinal（視黃醛）imine，當光線照到眼睛時，異構成反式，產(chǎn)生電脈沖，通過視神經(jīng)傳遞給大腦反式亞胺被轉(zhuǎn)運到肝臟，在酶和ATP(腺苷三磷酸

8、)的作用下轉(zhuǎn)變成順式再送回視網(wǎng)膜30有機反應機理氧化還原反應也是產(chǎn)生自由基的簡便方法單電子轉(zhuǎn)移過程先生成陽離子自由基(氧化)或陰離子自由基(還原)，再分解成自由基和離子，例如：人名反應？31有機反應機理酮在金屬的作用下生成負離子自由基，稱作羰游基(ketyl)。深藍色的二苯甲酮羰游基在用鈉干燥溶劑時用作脫氧劑32有機反應機理7.5.3 自由基的反應 有關自由基的反應包括與鍵的加成，裂解，奪取氫，復合，重排等33有機反應機理與鍵的加成H2CCH3CH3Br例如溴自由基對雙鍵的加成和自由基環(huán)化CH3BrCH3CH2CH2CH234有機反應機理硝酮(nitrone)與自由基加成生成穩(wěn)定的氮氧自由基，

9、常用作自由基捕集劑Nt-BuOHPhRONt-BuRONt-BuRNt-BuOHPhR35有機反應機理奪取氫OOHOEtHH3C奪取氫也是自由基的基本反應，例如OEtHH3COOHCNH3CH3CHSnBu3CNH3CH3CHSnBu336有機反應機理奪取鹵素自由基也可奪取反應物分子中的鹵素，與奪取氫是同一類反應37有機反應機理自由基通常不能奪取反應物分子中的烷基，氰基等基團，例如CNDirect abstraction of CN by the aryl radicaldoes not occurCNCNCH2CNCH2CNAn addition-fragmentation mechanis

10、m is much more reasonable38有機反應機理注意：自由基奪取氫的難易與離子型反應中脫質(zhì)子的難易是完全不同的例如，堿性條件下ROH很容易異裂成RO和H+，但Me3CH鍵很難斷裂自由基奪取氫的反應則相反， Me3CH的氫容易被自由基奪取， ROH的氫則難以被自由基奪取，因為ROH鍵的BDE高于Me3CH鍵的BDEBDE:CH3_H, 435kJ/mol; HO_H, 498kJ/mol39有機反應機理由于上述原因，自由基反應常選擇甲醇，水和苯作溶劑如果用乙醚，THF，CH2Cl2，丙酮或氯仿作溶劑，常會發(fā)生自由基奪取溶劑分子中的氫的副反應40有機反應機理自由基的復合和歧化兩分

11、子自由基利用各自的自由電子所在軌道形成新的鍵的反應稱為自由基復合41有機反應機理自由基奪取另一自由基分子中的氫，形成兩分子八隅體結(jié)構產(chǎn)物的反應稱作自由基歧化，例如42有機反應機理自由基重排與碳正離子不同，自由基的同面協(xié)同的1,2-遷移重排是對稱性不允許的反應，但某些自由基可以通過加成-裂解的途徑發(fā)生1,2-遷移重排，例如43有機反應機理解釋以下自由基重排的機理44有機反應機理鏈反應和非鏈反應自由基引發(fā)劑作用下的反應通常為鏈反應使用化學計算量的氧化劑或還原劑所進行的反應不是鏈反應光化學反應中，單分子重排或消除通常不是鏈反應，而加成，取代反應通常為鏈反應45有機反應機理7.5.4 自由基反應實例4

12、6Birch還原：非鏈反應有機反應機理液氨中用堿金屬鋰、鈉、鉀還原芳烴為非共軛環(huán)己二烯的反應稱為Birch還原M/NH3/ROHM = Li, Na, KHHHHRR47有機反應機理Birch還原的特點苯乙烯等底物的共軛雙鍵可被還原，底物中不與苯乙烯等底物的共軛雙鍵可被還原，底物中不與芳環(huán)共軛的孤立雙鍵不被還原芳環(huán)共軛的孤立雙鍵不被還原吡啶等芳雜環(huán)也可被還原，但吡咯等富電子的芳吡啶等芳雜環(huán)也可被還原，但吡咯等富電子的芳雜環(huán)只有環(huán)上存在吸電基時才起反應雜環(huán)只有環(huán)上存在吸電基時才起反應48有機反應機理Birch還原的機理R+ e/LiRRROHHHR+ e/LiHHRROHHHHHR49有機反應機

13、理單取代苯還原的區(qū)域選擇性芳環(huán)上有供電基：生成1-取代-1,4-環(huán)己二烯芳環(huán)上有吸電基：生成1-取代- 2,5-環(huán)己二烯EDGEWG50有機反應機理1-methylcyclohexa-1,4-dieneLi/NH3/EtOH88%HHHHCOOHCOOHcyclohexa-2,5-dienecarboxylic acidNa/NH3/EtOH95%HHH51有機反應機理Birch還原選擇性的解釋EWG+ e/LiEWG根據(jù)機理，先生成負離子自由基負離子自由基有以下多種共振結(jié)構EWGEWGEWG52有機反應機理產(chǎn)物由穩(wěn)定的共振結(jié)構生成EWGROHEWGH+ e/LiEWGHROHEWGHHH53

14、有機反應機理當苯環(huán)上有供電基時EDG+ e/LiEDGEDGEDGEDG負離子自由基同樣有以下多種共振結(jié)構54有機反應機理產(chǎn)物同樣由穩(wěn)定的共振結(jié)構生成EDGROHEDGHH+ e/LiEDGHHROHEDGHHHH55有機反應機理根據(jù)分子軌道理論和Birch還原的反應機理，也可以解釋Birch還原的選擇性根據(jù)Huckl分子軌道法，苯的分子軌道可表示如下56有機反應機理1/41/41/41/4001/31/31/121/121/121/12AS57有機反應機理還原時，電子應當加到最低空軌道A 或 S上取代基為供電基時，電子占據(jù)A軌道形成的負離子自由基能量較低，導致生成1,4-己二烯A1/41/4

15、1/41/400A1/41/41/41/400EDG58有機反應機理取代基為吸電基時，電子占據(jù)S軌道形成的負離子自由基能量較低，導致生成2,5-己二烯S1/31/31/121/121/121/12S1/31/31/121/121/121/12EWG59有機反應機理供電基導致電子占據(jù)A軌道，得1,4-環(huán)己二烯X(EDG)Li+ eH+X(EDG)X(EDG)X(EDG)HHHH+Li+ eX(EDG)X(EDG)HHHH+H+X(EDG)HHHH60有機反應機理吸電基導致電子占據(jù)S軌道，得2,5-環(huán)己二烯X(EWG)Li+ eH+X(EWG)X(EWG)+HHHX(EWG)Li+ eX(EWG)

16、X(EWG)+HHHH+X(EWG)HHH61有機反應機理更多的自由基反應王全瑞，李志銘譯. 當代有機合成方法，第4章，華東理工大學出版 社，上海：200662有機反應機理7.5.5 自由基中間體的檢測和捕獲電子自旋共振或電子順磁共振法 (ESR或EPR)63有機反應機理ESR的實驗原理與NMR相似，只不過ESR檢測的是電子的自旋譜，而NMR檢測的是核的自旋譜ESR可用來檢測有機自由基、三線態(tài)卡賓等中間體64有機反應機理電子的自旋：電子有兩種不同方向的自旋，即順時針方向和逆時針方向電子因自旋而具有自旋角動量，因而具有自旋磁矩65有機反應機理電子自旋的重要性磁致電阻的發(fā)現(xiàn)：1857年英國科學家威

17、廉姆 湯姆森測量鐵和鎳在磁場中的電阻變化1956年IBM科學家根據(jù)磁致電阻原理開發(fā)出世界上第一個計算機硬盤，由50片直徑24英寸涂著磁粉的圓盤組成，容量5M磁致電阻現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是電子自旋66有機反應機理實現(xiàn)巨磁電阻效應：1988年法國科學家費爾和德國科學家格林貝格爾，鉻、鐵多層膜，2007年諾貝爾物理學獎巨磁電阻效應的發(fā)現(xiàn)導致硬盤性能和容量在隨后十幾年中大幅提升法國Paris - Sud 大學的Albert Fert 以及德國尤利希研究中心的Peter Grnberg獲 2007 年度的諾貝爾物理學獎,以表彰他們在1988 年發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應67有機反應機理電子自旋是量子化的，自旋量子數(shù)

18、只能取1/2和1/2當分子中電子配對時，處在同一軌道上的兩個電子自旋方向相反(自旋量子數(shù)分別為1/2和1/2)，所以不會產(chǎn)生凈磁矩，不給出ESR信號具有未成對電子的物質(zhì)(如有機自由基)，在無外加磁場存在的情況下，磁矩的取向是隨機的，所以宏觀上表現(xiàn)不出磁性68有機反應機理0eEhgH H0 H0 (a) (b) 有外加磁場存在時，兩個自旋狀態(tài)會發(fā)生能級分裂兩能級的能量差E可用下式計算69有機反應機理式中H0為外加磁場強度g為磁旋比，是磁矩對電子角動量的比值，相當于NMR中的化學位移，因其變化小，提供的信息較少e為玻爾磁子，其值為9.27321021爾格/高斯自由電子的g值為2.002319，有機

19、自由基的未成對電子的g值相對自由電子變化不大70有機反應機理共振頻率的計算geH0/h =(2.00239.27321021/6.6251027)H0 =2.80106H0 Hz在磁場強度H0為3400高斯的場中 2.801063400=9520MHz71有機反應機理與NMR共振條件的比較：02hErBNMR共振條件式中h為普朗克常數(shù)g=2.67515255108/sT為磁旋比，它是核的特征常數(shù)，因為：1 Tesla = 104 Gauss對1H g為26751/sGB0為外加磁場的強度72有機反應機理061126751 3400223.14159=14.5 1014.5rBHzMHz在磁場強

20、度B0為3400高斯的場中，振動頻率為73有機反應機理比較ESR與NMR的靈敏度在相同外加磁場強度下，ESR共振頻率遠高于NMR，這說明ESR的能級差遠高于NMR的能級差根據(jù)Boltzmann分布定律，粒子在兩個能級間的分布與能級差有關，能級差越大，處于低能級的粒子數(shù)就越多，發(fā)生共振時，躍遷至高能級而產(chǎn)生的信號就越強。因此， ESR的靈敏度較NMR高得多74有機反應機理0B0A0BBAAexpexp(14)bbQQKQk TQk TABK有機反應機理ESR譜的解析ESR譜與NMR譜不同，不同自由基相當于化學位移的g值變化很小，不能提供有用的結(jié)構信息ESR譜主要由超精細裂分及超精細裂分常數(shù)提供結(jié)

21、構信息76有機反應機理超精細裂分電子自旋與附近磁核自旋的相互作用所產(chǎn)生的ESR信號的偶合裂分稱為超精細裂分，可以提供有關自由基結(jié)構的有用信息，成為ESR譜的重要參數(shù)。77有機反應機理兩類重要的超精細裂分一類是處于碳上的氫質(zhì)子與未成對電子之間的電子-質(zhì)子偶合作用另一類是處于碳上的氫質(zhì)子與未成對電子之間的電子-質(zhì)子偶合作用g碳原子或更遠碳原子上的氫質(zhì)子與未成對電子的偶合常數(shù)很小，通常小于1G78有機反應機理若參與偶合的自旋為I的核有n個，則譜線數(shù)為2nI+1例如，甲基自由基的孤電子可與三個質(zhì)子偶合，譜線數(shù)為231/2+1=4，譜圖如下79有機反應機理 又如，乙基自由基的譜線數(shù)為(231/2+1)(

22、221/2+1)=12，譜圖如下80有機反應機理超精細裂分常數(shù)的意義aQaQ,aa,QQ裂分常數(shù)的大小與未配對電子的自旋密度成正比式中： 分別表示與H和H的偶合常數(shù) 為未配對電子在碳和碳上的自旋密度 為常數(shù)81有機反應機理aa,aa對脂肪族自由基，由于超共軛效應，常有：例如，乙基自由基的 分別為22.38G和26.89G82有機反應機理思考題將氧化劑Ti/H2O2與乙醚混合，用ESR檢測到自由基的存在，譜圖如下，推測自由基的結(jié)構83有機反應機理芳基自由基的超精細裂分-自由基由于未成對電子在體系中可以離域，使得體系中每一個碳原子上都帶有部分未成對電子的電荷密度，因此未成對電子與體系中所有質(zhì)子都發(fā)生偶合當這些質(zhì)子為全同質(zhì)子時，得到的ESR譜較為簡單，例如，苯負離子自由基的ESR譜由7條線組成84