第三章碳正離子（章節(jié)課程）

1、第三章親核取代反應及碳正離子(Nucleophilic Substitution and Carbocations)一、碳正離子的產生、結構和穩(wěn)定性1、產生及類型：有機反應中產生的活性中間體的一種。是Intermediate, 而不是Transition state碳正離子能在一定條件下存在且被分離出1向陽書屋pChina Pharmaceutical University1922年，Meerwein發(fā)現(xiàn)萜類化合物重排與C+有關1962年，Olah在超酸中檢測到C+G. A. Olah, Nobel 19942向陽書屋p產生碳正離子的反應舉例：1） 脂肪族化合物的親核取代反應H3CClCH32

2、) 烯烴的親電加成反應H3CCH3H3COHCH3CH3CCH3C+OH-CH3CCH2CHCHH3CH3CCH3CHH3CH3CCH3CH2CH3H3C+HCl+CHH3C +CH3CH3C重 排-ClCCl CH23向陽書屋pHSO4China Pharmaceutical University3) 芳香化合物的親電取代反應O2N HNO2+NO2+-+ H2SO44向陽書屋pChina Pharmaceutical University經(jīng)典碳正離子(Carbenium ion):中心碳原子sp2 雜化與其他三個基團或原子以鍵相連形成具平面的構型2、結構5向陽書屋pChina Pharma

3、ceutical UniversityHC+120H3C。一些情形下，鍵角不是120，或者不是平面結構。如：H HCH3C+6向陽書屋pKR+ =China Pharmaceutical University3、穩(wěn)定性及研究方法碳正離子的相對穩(wěn)定性可由其pKR+來定量表示：pKR+=logR+/ROH + HR當反應達到平衡、 R+=ROH時，pKR+ = HR （酸度函數(shù)）; pKR+ 愈大， 碳正離子愈穩(wěn)定。R+ + H2OROHH+ R+R+ROH+p H+ROH + H+， p KR+ = log7向陽書屋pChina Pharmaceutical University一些碳正離子的p

4、KR+值碳正離子三苯基甲基4-甲氧基三苯基甲基4-硝基三苯基甲基二苯基甲基三環(huán)丙基甲基環(huán)庚三烯正離子三苯基環(huán)丙烯基pKR+-6.63-3.40-9.15-13.3-2.3+4.7+3.1C+C+HC+C+8向陽書屋p (CH3)2N 3 C+ CH3O 3 C+4,4,4-三(二甲氨基)-三苯基甲基正離子pKR+=+ 9.36 O2N4,4,4-三甲氧基三苯基甲基正離子pKR+=+ 0.82 3 C+4,4,4-三硝基三苯基甲基正離子pKR+=-16.27給電子取代基促進碳正離子的穩(wěn)定：9向陽書屋pChina Pharmaceutical University影響碳正離子穩(wěn)定性的因素：1）誘導

5、效應(Inductive effect)：離域或分散C+正電荷將有利于碳正離子的穩(wěn)定連有誘導推電子的基團時的穩(wěn)定性(+I)：連有誘導吸電子的基團時的穩(wěn)定性(-I)：10向陽書屋p+2) 共軛效應(Conjugative effect)：a) p- 共軛效應穩(wěn)定性次序：叔碳正離子 仲碳正離子 伯碳正離子(CH3)3C+ CH3CH2CHCH3 CH3CH2CH2CH2如：甲基推電子基通過C-H鍵與C+的空軌道共軛。11向陽書屋pChina Pharmaceutical University共軛效應的研究在超酸催化下進行超酸：強的質子給予體，強度用哈米特酸度H表示超酸特點：1) 給質子能力強，親核

6、性低；2) 凝固點低；3) 粘度小。12向陽書屋p在超酸介質中可得到熱力學最穩(wěn)定的碳正離子舉例：CH3CH2CH2CHOHOHHOHCH3CH2CHCH3(CH3)3COHFSO3H -SbF5 -SO2。-60 C CH3CH2CH2CH2+裂 解 ，重 排FSO3H -SbF5 -SO2。-60 C裂 解 ，重 排+(CH3)3CHO H CH3CH2CHCH3 +(CH3)3CFSO3H-SbF5 -SO2。-60 C(CH3)3C+13向陽書屋p(c)具有未共用電子對的化合物，如醇、醚、醛、酮、酯等China Pharmaceutical University超酸可將質子給予：(a)具

7、有電子對的化合物，使得烷烴中的C-H及C-C鍵對超酸表現(xiàn)出堿性。 在超酸的作用下，C-H或C-C鍵的-電子對與質子的空軌道作用形成缺電性的三中心兩電子鍵，用虛線表示。(b)具有-電子對的化合物，如烯、炔、芳香化合物等14向陽書屋pChina Pharmaceutical Universityb) p-共軛效應碳正離子中心碳原子p空軌道與電子共軛，分散正電荷，穩(wěn)定碳正離子。PhPh+CPh+CH+PhCH2Ph Ph CH2CHCH2+15向陽書屋pc) p-p 共軛效應碳正離子中心碳原子p空軌道與鄰位雜原子的未共用電子對的p電子共軛，穩(wěn)定碳正離子。CH2+CH2+如：CH3OCH3OCH2+C

8、H2CH3O+CH3O16向陽書屋p3）芳香性（Aromaticity）具有芳香性的平面環(huán)狀正離子穩(wěn)定如：環(huán)丙烯基卓正離子4n+2=2, n=04n+2=6, n=1+17向陽書屋p4) 不同價鍵狀態(tài)舉例： CH3-C+H2 CH2=C+Hsp2spS特性增加，吸電性增強，不利于C+穩(wěn)定。5）溶劑效應舉例： 在氣相中，電離活化能為836.8 kJ/mol;在水溶液中，電離活化能為83.7kJ/mol。因此，極性溶劑有助于碳正離子的形成和穩(wěn)定18向陽書屋pBrBrBr(CH3)3CBr6）空間效應（Steric effect）對于橋頭碳正離子，張力大，穩(wěn)定性差。形成碳正離子的相對反應速度：K =

9、 110 -310 -610 -1319向陽書屋pChina Pharmaceutical University二、經(jīng)典碳正離子與非經(jīng)典碳正離子(Carbenium ions and Carbonium ions)三價碳正離子(Carbenium ion)碳正離子(Carbocation)碳鎓離子(Carbonium ion)(五價or更高)20向陽書屋p1、區(qū)別經(jīng)典碳正離子：中心碳原子價電子層6個電子，形成三根鍵。此時中心C為3價。非經(jīng)典碳正離子：價電子層8個電子，除形成三根鍵外，余下的一對電子形成一個二電子三中心鍵，中心C是5價21向陽書屋pChina Pharmaceutical Uni

10、versity2、形成1) 電子參與在超酸催化下，形成環(huán)丙基甲基碳正離子。碳原子空軌道與鍵共軛形成離域鍵。 上世紀50年代，Roberts認為：+CH2應為CH2+環(huán)丙基甲基碳正離子三環(huán)丁鎓離子22向陽書屋pChina Pharmaceutical UniversityWinstein研究原菠基體系(Norbornyl system)的溶劑解行為，說明由鄰近基團參與形成了原菠基非經(jīng)典碳正離子。OAcAcOHOBs KexoAcOHKendoOBsKexoKendo=35023向陽書屋p結論：外向(exo)結構底物對溴苯磺酸-2-原菠酯醋酸解速度比內向(endo)快，產物為外消旋，內向結構底物的

11、產物有93%外消旋，7%有旋光。有旋光外消旋OBsOAcOBsOAcOAc+AcOH+-OAc-1234OAc56123654773475OAc6211234567+3756241+24向陽書屋p5153 5322 267OTs4 4 +China Pharmaceutical University2) 電子參與例：對向-7-取代原菠烯形成非經(jīng)典碳正離子：TsOAcOHOAcOAcHOAc+3576413574135741562627627623+6同向-7-取代原菠烯形成經(jīng)典碳正離子：7+4 3 41 1125向陽書屋p3) 一種碳鎓離子的形成可通過幾種途徑例：原菠基正離子的形成HX3756

12、241+3756241 途徑SbF5 途徑SbF5 X26向陽書屋p三、親核取代反應定義：親核試劑提供一對電子與碳原子形成新的共價鍵，碳原子與離去基團之間原有的共價鍵斷裂，離去基帶著一對電子離開分子。通式：R-X + Y ：R-Y + X ：27向陽書屋pChina Pharmaceutical University四種反應實例四種SN反應類型(A) neutral substrate + neutral nucleophile(B) neutral substrate + anionic nucleophile(C) cationic substrate + neutral nucleoph

13、ile(D) cationic substrate + anionic nucleophile28向陽書屋pChina Pharmaceutical University29向陽書屋pChina Pharmaceutical University30向陽書屋pChina Pharmaceutical University31向陽書屋pChina Pharmaceutical University32向陽書屋pChina Pharmaceutical University1.The SN1 Reaction1) Kinetics of the SN1 Reactionfirst-order re

14、actionv = k RX2) Mechanism of the SN1 Reactiongenerally two stepsthe rate-limiting step is the reactant give a carbocation intermediate33向陽書屋pC+ Br舉例：H 3 CCBrCH 3CH 3H 3 CCH 3+CH 3H 3 CCH 3C OCH 3HHRate-limitingstepFaststep-OH 2OH 2H 3 CCOHCH 3CH 334向陽書屋pSN1 反應勢能圖：G#R + + :X -Carbocationintermediate

15、RX + :Nu -RNu + :X -Reaction Coordinate (progress)35向陽書屋pChina Pharmaceutical UniversitySince carbocations are planer andsp2-hybridized, they are achiral.Thus if we carry out an SN1 reactionon one enantiomer of a chiral reactant,the product ( a racemic mixture) mustbe optically inactive.3) Stereoche

16、mistry of the SN1 Reaction36向陽書屋pR1R2BrR3R1R2R3R2R3OHHOR3R2CC+Nu:R1C-Br-慢OH-快+R1C以有光學活性的底物為例：37向陽書屋p4) Characteristics of the SN1 Reaction(1) The Substrate形成的碳正離子愈穩(wěn)定，底物的活性就愈大The SN1 reactivity order for reactants :CH3 10 Allyl Benzyl 20 Br Cl F離去能力：可極化度減小，離去能力降低a.b.C.CF3COOCH3COO-106 倍d.e.N-+N-RO 、O

17、H離去能力強離去能力差，需催化SO3O2NSO3H3C-10 倍42向陽書屋pChina Pharmaceutical University(3) The Solvent A. 對SN1反應的影響： 溶劑的極性，有利于SN1反應的進行。這是因為該反應在過渡狀態(tài)已出現(xiàn)了部分正負電荷的高度極化狀態(tài)，而極性溶劑的存在，有利于過渡狀態(tài)的形成和進一步的離解。43向陽書屋p B. 對SN2反應的影響：溶劑對SN2反應的影響較為復雜，通常情況下是增強溶劑的極性對反應不利。反應前后沒有電荷變化，過渡態(tài)也沒產生新的電荷，只是電荷有所分散，因此溶劑對反應的影響不大。但溶劑極性，還是有利于反應的進行；溶劑極性，反而

18、會使極性大的親核試劑溶劑化，使反應速度有所減慢。 44向陽書屋pR / LWinstein的離子對溶劑化學說R-L+R L-+-R+L-離子化解離緊密離子對溶劑隔離離子對溶劑效應會影響SN1反應產物構型比例，舉例：-氯代乙苯的水解反應45向陽書屋pChina Pharmaceutical UniversityPhClH3CPhPhHOCH3PhHOCH3PhPhCH3OHCH3CHCH+Cl-H2OCH3+CH+Cl-CCC+H2%H49%H49%H2OH2O80%丙 酮46向陽書屋pR / LH證明離子對-溶劑化學說中離子對的存在ClPhNO2OOCClNO2ClPhPhHOCNO2HC18

19、80%丙 酮OC - C18COO18R-L+R L-+-R+L-47向陽書屋pR / L+ N3證明離子對-溶劑化學說中離子對的存在R-L+R L-+-R+L-強親核試劑，親核反應速度快。親核反應發(fā)生在緊密離子對階段，產物為構型轉化產物。說明很強的親核試劑堵住了離子逆轉的消旋化道路。ClPhNO2ClHC18OOC-N3PhHC48向陽書屋pR / L證明離子對-溶劑化學說中離子對的存在R-L+R L-+-R+L-ClNO2ClPhNO2ClHOCNO2OClHOCNO2OHC18OOCHCO18OC衡k 平CPh標 記 反應物Ph光學 活 性 反應物k 消旋CPh消旋 化產 物平衡速度大于

20、消旋化速度意味著反應發(fā)生在解離的離子步驟之前。外消旋速度大于平衡速度意味著反應發(fā)生在解離的離子步驟之后。49向陽書屋p2. The SN2 Reaction1) Kinetics of the SN2 ReactionThe reactions show second-orderkinetics:v = k RX Nu - HO -+ CH 3 - BrHO - CH 3+Br -20%NaOH80%MeOH50向陽書屋pChina Pharmaceutical University51向陽書屋pChina Pharmaceutical University2) Mechanism of th

21、e SN2 ReactionDirect displacement.Involve a single rate-determiningtransition state without an intermediate.52向陽書屋pChina Pharmaceutical University勢能圖：53向陽書屋p3) Stereochemistry of the SN2 ReactionSN2 reaction occurs with inversion of stereochemistryat the carbon atom because the nucleophilic reagenta

22、ttacks the back side.NuX#R1R2XNu:CR3慢-+R2NuR1CR3+-快X54向陽書屋pChina Pharmaceutical University(CH3)(CH2)5SN2反應構型反轉的實驗證明：HH3COHTsCl(CH3)(CH2)5HH3COTs(CH3)(CH2)5H3CHOAcAcOH3CH(CH2)5CH3CC(+)-2-辛 醇AcCl/PyC(+)-乙 酸 -2-辛 酯+ CH3CH24N OAc-C(-)-乙 酸 -2-辛 酯 D +0.84 D -0.8555向陽書屋pChina Pharmaceutical University4) Ch

23、aracteristics of the SN2 Reaction空間效應取代基愈小，位阻愈小，反應速度愈快。在SN2反應中，底物的反應活性與SN1的相反。+CH3 10 Allyl Benzyl 20 3056向陽書屋pb) 電性效應(a)具有烯丙基或芐基結構的底物SN2反應速度加快，中心碳原子的P軌道與體系共軛使過渡態(tài)更穩(wěn)定。(b) 若底物上連有吸電子基，可使SN2反應速度加快XCH2Cl+I-XCH2I如：57向陽書屋p親核試劑的影響是至關重要的: 顯然，親核試劑的親核能力，濃度，反應。 試劑親核能力的強弱取決于兩個因素：a. 試劑的堿性(即給電子性)；b.試劑的可極化性(即極化度或變形

24、性)。 (1) 試劑的堿性： 試劑的堿性與親核性是兩個不同的概念，二者的關系可能一致，也可能不一致。58向陽書屋p A. 親核性與堿性一致： a. 同周期元素所形成的親核試劑 b. 同周期中的同種原子形成的不同親核試劑 B.親核性與堿性不一致(親核試劑體積大小的影響)：59向陽書屋p (2) 試劑的可極化性 可極化性系指分子中周圍電子云在外電場的影響下發(fā)生形變的難易程度。易形變者，可極化性大。 在親核取代反應中，可極化大的原子或基團，因形變而易于接近反應中心，從而降低了達到過渡狀態(tài)所須的活化能，故親核能力增強。 顯然，同族元素，隨原子序數(shù)的增大，核對核外電子的束縛力，可極化性，親核能力。60向

25、陽書屋p 綜上所述，判斷一個試劑親核能力的大?。?對于同周期元素或同種原子形成的親核試劑，可用其堿性的強弱來判斷； 對于同族元素形成的親核試劑，可用可極化性的大小來判斷。 3. 離去基團的影響 無論SN1反應，還是SN2反應，在決定反應的關鍵步61向陽書屋p驟中，都包含CX鍵的斷裂，因此，離去基團X的性質對SN1反應和SN2反應將產生相似的影響，即鹵代烷的活性次序是： 這一活性次序可從CX鍵的離解能、可極化性、離去基團的堿性等方面來說明。62向陽書屋p 由此可見，I既是一個好的離去基團，又是一個好的親核試劑。因此，這一特性在合成中有著重要的用途。 4. 溶劑的影響63向陽書屋p 溶劑對SN2反

26、應的影響較為復雜，通常情況下是增強溶劑的極性對反應不利。反應前后沒有電荷變化，過渡態(tài)也沒產生新的電荷，只是電荷有所分散，因此溶劑對反應的影響不大。但溶劑極性，還是有利于反應的進行；溶劑極性，反而會使極性大的親核試劑溶劑化，使反應速度有所減慢。 64向陽書屋pCH3CH3OH C +NNMe2NMe2NMe2 -O +P有一定極性的非質子性溶劑，正極埋在溶劑分子內部，負極與親核試劑的正離子形成離子-偶極鍵，將親核試劑正負離子隔開，使親核負離子裸露，故中等極性非質子性溶劑適合SN2反應。極性非質子性溶劑適于SN2反應 -SH 3 CH 3 CO65向陽書屋p為何在非質子性溶劑中加入少量冠醚做催化劑

27、，能加快SN2反應速度？以親核試劑KOAc為例，OOOOOKO+-OAc冠醚絡合金屬陽離子，將負離子親核試劑裸露在外，促進反應進行。同時，形成的絡陽離子與陰離子的離子對在有機相中溶解度更好，構成相間催化劑。66向陽書屋pChina Pharmaceutical University常用親核試劑：67向陽書屋pChina Pharmaceutical University(3) The leaving GroupThe weakest bases are indeed the best leaving groups.Relative reactive:OH-, NH2-, OR-, F- Cl-

28、 Br- I- B, 107倍AC, 1011倍舉例：81向陽書屋p解釋：OTsHH+-OTsH+OAc-HOAc鍵與取代基為對向，參與碳鎓離子形成，OAc從背面進攻，得到構型保留溶劑解產物。雙鍵電子參與碳鎓離子形成，對正電荷的離域有幫助，可促進碳鎓離子的穩(wěn)定。82向陽書屋pTsOHOAc-+AcO鍵與取代基為同向，由于位阻，不能鄰位參與，生成經(jīng)典碳正離子，重排成更穩(wěn)定的烯丙基正離子，生成重排后的溶劑解產物。83向陽書屋pOTsH3CCH3HH3CCH3HHCH3OAcHH3CHH3CAcOCHCCH3COOH-OTsCC3、苯基參與形成“苯橋正離子”，正電荷離域到芳香環(huán)中。舉例：對甲苯磺酸-

29、3-苯基-2-丁酯乙酸解反應+AcO-AcO-CHCCCHCH3+蘇 式84向陽書屋pOTsH3CHHH3CHHCH3HH3CCH3HH3CAcOCCH3CCH3COOH-OTsCC+AcO-AcO-CCH3HCOAcCCH+赤式85向陽書屋pChina Pharmaceutical University苯基的鄰位參與受溶劑效應影響，也受苯基上的取代基的影響。1、溶劑親核性強，發(fā)生正常取代可能性大；溶劑親核性弱，橋碳正離子易形成，重排發(fā)生。2、苯環(huán)上有吸電子基，碳正離子離域受影響，正常取代；苯環(huán)上有推電子基，穩(wěn)定橋碳正離子，重排發(fā)生。86向陽書屋pChina Pharmaceutical Un

30、iversity六、碳正離子的重排反應烷基、芳基或氫帶著電子從一個碳原子轉移至另一個碳原子上碳正離子中心的P軌道與發(fā)生轉移的軌道基本共平面。舉例：負氫轉移：87向陽書屋p1,2-重排1、熱力學能壘叔碳正離子仲碳正離子叔碳正離子仲碳正離子， 吸熱10 kcal/mol；伯碳正離子，吸熱20 kcal/mol；伯碳正離子，吸熱30 kcal/mol。2、介質的影響重排反應與親核取代反應相互競爭。介質親核性降低，重排易發(fā)生88向陽書屋p 重排反應舉例：1、瓦格納-米爾文重排 (Wagner-Meerwein rearrangements)碳正離子中的氫原子、烷基、芳基基團的遷移。1,2-遷移為主。CH2OHCH3CH3CH2CH3CH3CH2CH3BrH3CCH3CH3 CC