有機合成試劑1課件

1、第五章 有機合成試劑有機合成試劑包括元素有機試劑、金屬有機試劑、過渡金屬有機試劑以及稀土金屬有機試劑等。這些試劑具有許多特殊的反應性能，對它們的研究、開發(fā)和利用是現代有機合成的一個重要特征。通過這些試劑的理論和應用研究，改變了傳統(tǒng)的有機合成面貌，促進了有機合成化學理論和實踐的發(fā)展，開辟了現代合成化學的一些新反應和新方法，在合成化學中占有重要地位。有機合成試劑包含范圍廣，內容豐富，本章只介紹鎂、鋰、銅、硼、磷、硅等幾種元素的原子和碳原子直接相連所形成的有機化合物及其應用。5.1 有機鎂試劑有機鎂化合物是金屬有機化合物中最重要的一類化合物， Grignard試劑是最重要的有機合成試劑之一。在Gri

2、gnard試劑分子中，鎂原子以共價鍵同碳原子相連。由于成鍵電子對移向電負性較大的碳原子，所以Grignard試劑中的烴基是一種高活性的親核試劑，能發(fā)生加成、偶合和取代等反應。由于Grignard試劑在合成中的重要作用，發(fā)明者格利雅（Grignard）獲得1912年諾貝爾化學獎。 5.1.1 Grignard試劑的制備和結構 用鹵代烴RX制Grignard試劑. 當R為烷基、鹵代活潑芳烴時，用無水乙醚作溶劑。 當R為CH2=CH-,CH2=CH-CH2-和鹵代不活潑芳烴時，不用無水乙醚作溶劑而是用四氫呋喃作溶劑，因為：用四氫呋喃作溶劑可避免歧化反應和偶聯(lián)反應的發(fā)生，因為四氫呋喃可與生成的Grig

3、nard試劑結合使得過渡狀態(tài)的生成受到抑制： 用金屬化法制Grignard試劑當采用鏈狀單取代末端炔烴或含有活潑氫的其他化合物時，用金屬化法制備Grignard試劑。要求電負性RR時 ，才能向生成物的方向進行。例如：關于Grignard試劑的結構，一直有許多爭論。目前認為在乙醚溶液中，可能以幾種組分的某種平衡體系而存在。5.1.2 Grignard試劑的反應 Grignard試劑與羰基化合物的加成反應在合成上，Grignard試劑主要用于同羰基化合物反應以制備醇。Grignard試劑同醛或酮的反應稱為格氏反應。 加成水解結果：甲醛得伯醇，其他醛得仲醇，酮得叔醇。 ，-不飽和酮的結構不同可能生成

4、1，2-加成和1，4-加成的混合物，也可能主要生成1，4-加成產物。 Grignard試劑與，-不飽和醛作用主要生成1，2- 加成產物。 Grignard試劑與，-不飽和酸酯作用主要生成1，4-加成產物。 在催化量的銅鹽存在下，Grignard試劑與，-不飽和酮或酯反應，以良好的收率生成1，4-加成產物。 Grignard試劑與羧酸衍生物-酯作用生成醇-兩次加成。 與酰鹵作用可使反應停留在生成酮的一步： Grignard試劑與二氧化碳作用生成羧酸： Grignard試劑與腈作用也生成酮： 亞胺水解生成羰基化合物！ Grignard試劑與環(huán)氧化合物的反應 G rignard試劑與環(huán)氧乙烷作用生成

5、伯醇，碳鏈增加兩個 碳原子： 仲醇伯醇伯醇 Grignard試劑與鹵代烴的偶聯(lián)反應 Grignard試劑與鹵代烴偶聯(lián)是合成烴的重要方法，也是增長碳鏈的方法。 Grignard試劑與飽和一鹵代烴作用制得的烴產率較低，但與烯丙基鹵化物偶聯(lián)在室溫下即可得到較高產率的末端烯烴。 Grignard試劑與多鹵代烴的偶聯(lián)也是增長碳鏈的方法，一般認為有卡賓形成并參與歷程：反應歷程：同理有：5. 2 有機鋰試劑 有機鋰試劑廣泛應用于有機合成，多用作堿和親核試劑。有機鋰試劑通常寫為R-Li。 有機鋰試劑能和大多數親電試劑反應：進行奪氫反應還是對親電試劑親核進攻取決于有機鋰試劑本身、親電試劑及反應條件。有機鋰試劑反

6、應活性比Grignard試劑大，一般來說凡是Grignard試劑參加的反應， R-Li也能反應。由于有機鋰試劑非常容易作為堿參與反應，所以在有機合成中的應用受到限制。5.2.1 有機鋰化合物的制備（1）鹵代烷與金屬鋰反應 （2）鹵化物和正丁基鋰交換反應 芳基鹵、乙烯基鹵化物與金屬鋰反應較難，通常采用鹵化物交換法來制備相應的有機鋰化合物，產率很好。（3）金屬化反應（奪氫反應） 由烴和n-C4H9Li作用，也可以制備有機鋰化合物，烴中的氫原子被金屬鋰取代，這叫金屬化反應。 5.2.2 有機鋰化合物的特征反應 R-Li試劑常以聚集體形式存在，有明顯的碳-鋰共價鍵特征。有機鋰化合物中C-Li+，碳上具

7、有部分負電荷，作為 親核試劑與Grignard試劑類似，可以與極性雙鍵、鹵代烴及 活潑金屬化合物進行反應。許多有機鋰試劑參與的反應在乙醚溶液中進行。為避免堿性 的R-Li試劑奪取溶劑乙醚中的氫，反應通常在低溫（-78C） 下進行。 （1）有機鋰化合物與羰基化合物反應-醇的形成有機鋰化合物與羰基化合物反應時，與Grignard試劑 相比，不易受到空間位阻影響。烯醇化產物還原產物同樣由于位阻原因，有機鋰化合物與，-不飽和酮的加成1，2-加成為主，而Grignard試劑則是1，4-加成產物為主：（2）有機鋰化合物和CO2、羧酸的反應-酮的形成與Grignard試劑產物羧酸不同！ Grignard試劑

8、與羧酸作用產生的RCOOMgX的羰基不活潑，不能繼續(xù)與Grignard試劑反應，故不能用于酮的合成。（3）有機鋰化合物和金屬鹵化物的反應 由于鋰是電正性很高的金屬，因此，有機鋰試劑可同某些電正性較低的金屬鹵化物在無水惰性溶劑里反應，以制備該金屬的有機金屬化合物。 （4）有機鋰化合物與吡啶和三級酰胺的反應 RLi試劑與三級酰胺反應得到醛或酮。芳香體系易于進行親電取代，難于親核取代。有機鋰試劑與有機鎂試劑不同，C-Li鍵比C-Mg鍵可極化性強，對芳核的親核反應是充分的。 （5）炔基鋰和烯基鋰的反應-炔烴與烯烴的形成5.3 有機銅試劑 20世紀60年代后期，銅的有機化合物作為有機合成中的重要試劑開始

9、形成發(fā)展。應用中主要是有機銅鋰試劑，表示為R2CuLi，有機銅鋰試劑比有機銅（I）試劑更穩(wěn)定，性質更活潑。R2CuLi是一種雙金屬絡合物，具有溶解性好、活性高、反應選擇性好等特點，是合成化學中最常用的有機合成試劑之一。 5.3.1 有機銅試劑的制備 通過有機鋰試劑分別制備有機銅（I）試劑和有機銅鋰化合物.5.3.2 有機銅鋰試劑的反應(1)與，-不飽和酮的共軛加成反應有機銅鋰試劑對，-不飽和酮進行共軛加成，生成對應的飽和酮的-衍生物，已成為向，-不飽和共軛酮的-位引入烷基等的標準、專一、高收率的合成方法。例如：R2CuLiCH2=CHCHORCH2CH=CHCH-OCuLiROH2RCH2CH

10、=CH-OHRCH2CH2CHOEt2O+CH3CH=CHCOCH3Me2CuLiMe2CHCH2COCH3Me2C=CHCOCH3(CH2=CH)2CuLiCH2=CHC(CH3)2CH2COCH3+由于二烴基銅鋰中的烴基可以是烷基 、烯基、烯丙基和芐基、芳基等，反應物中帶有CO、COOH、COOR、CONR2基團時不受影響，故在合成中應用很廣。對于多環(huán)體系的化合物，有機銅鋰試劑的1，4-加成反應是立體定向的，利用這一性質可進行許多天然產物的立體選擇合成。 （2）與酰鹵的作用 二烴基銅鋰R2CuLi與酰鹵反應生成酮。但它不是一種加成-消去反應歷程，而直接與酰鹵的活潑鹵素發(fā)生置換反應，酰鹵分子

11、中含有氰基、羧基、烷氧基、鹵素等基團均無影響，這是銅試劑的又一特點。 （3）與環(huán)氧化合物反應 和Grignard試劑、有機鋰試劑相似，有機銅試劑與環(huán)氧化合物反應，發(fā)生親核開環(huán)。經水解得到醇。 環(huán)氧化合物中的羰基、酯基不受影響。（4）與鹵代烴反應 與有機鎂化合物類似，有機銅化合物亦可與鹵代烴反應，且具有以下優(yōu)點： 其一，有機銅化合物與烯丙基鹵化物、乙烯基鹵化物均能順利反應；其二，無論是順反異構的乙烯基鹵化物與有機銅試劑反應，還是順反異構的有機銅試劑與鹵代烴反應，均可優(yōu)先得到雙鍵構型保持不變的產物。 有機銅化合物與鹵代烴反應 R2CuLi作為親核試劑有很高的選擇性，在鹵代烴分子中含有羥基、羰基、酯

12、基、酰胺基、腈基等在烴化條件下都不收影響。產物構型保持不變。（5）. 有機銅試劑的偶聯(lián)反應當有機銅試劑被加熱(有時甚至是室溫)以及二烴基銅鋰試劑暴露在氧化劑(包括在空氣中)時，發(fā)生自由基型偶聯(lián)反應。 5.4 膦葉立德 5.4.1 膦葉立德的結構和制備膦葉立德是碳負離子的內鏻鹽，結構為R3P+-C-R1R2或R3P=CR1R2。常規(guī)制備方法是將三價磷化合物與鹵代烴作用生成的季鏻鹽用堿處理脫-H得到。通過卡賓或苯炔與膦作用也可得到膦葉立德：X,Y=CN,COR,COOR5.4.2 膦葉立德的反應 膦葉立德的結構特征表明它是一類強親核試劑，但它與一般的碳負離子不同，極大多數都能穩(wěn)定存在。膦葉立德具有

13、特殊的化學活性，能發(fā)生多種有機反應，是有機合成的重要中間體，廣泛用于C-C鍵的形成。(1)與羰基化合物的反應 膦葉立德與醛、酮反應生成烯烴，該反應稱為Wittig反應或羰基烯化反應，是合成烯烴的重要方法. Georg Wittig Nobel Prize in 1979 第一個特點是高度的位置專一性 第二個特點是與，-不飽和羰基化合物作用，不發(fā)生1，4-加成，因此雙鍵位置比較固定,十分適于多烯類化合物和萜類化合物的合成。 第三個特點是反應具有很好的立體選擇性。一般來說，在非極性溶劑中，共軛穩(wěn)定的膦葉立德與醛（酮）反應優(yōu)先生成反式烯烴，而不穩(wěn)定葉立德則優(yōu)先生成順式烯烴。這一特點特別適合于許多產物

14、中雙鍵的立體選擇性合成。 反式順式Wittig試劑反應的立體選擇性參考表 反應條件穩(wěn)定的膦葉立德不穩(wěn)定的膦葉立德極性溶劑a)非質子性b)質子性低選擇性，但以反式為主生成順式烯烴的選擇性增加選擇性差，以順式為主生成反式烯烴的選擇性增加非極性溶劑a)無鹽存在b)有鹽存在高選擇性地生成反式烯烴生成順式烯烴的選擇性增加高選擇性地生成順式烯烴生成反式烯烴的選擇性增加甲基胭脂素：引入兩個反式烯鍵: Wittig試劑與羰基化合物的反應機理: 首先是膦葉立德對羰基化合物進行親核加成形成內鏻鹽，接著閉環(huán)形成四元環(huán)中間體，最后發(fā)生順式消除形成烯烴。 Wittig試劑價格比較昂貴，一種改進的方法是用價格便宜的亞磷酸

15、酯(RO)3P代替Ph3P。亞磷酸酯與鹵代烴反應，經阿爾布佐夫(Arbuzov)重排生成烷基膦酸酯，烷基膦酸酯在強堿存在下，與羰基化合物反應，高產率地生成烯烴及磷酸根，該方法又稱為沃茲沃斯(Wadswosrth)合成法。 Wittig-Horner-Wadswosrth反應 PO試劑上述Wittig-Horner-Wadswosrth反應中，生成的碳負離子（RO)2 POC-HR（含有P和O，又叫PO試劑）具有膦葉立德類似性質，可與羰基化合物反應形成烯烴，由于受取代基立體因素影響，反應幾乎立體專一性形成反式產物。（2）膦葉立德的?；磻?膦葉立德與酰鹵等在苯溶液中作用得到?；⑷~立德，經加熱水

16、解可制備酮或高溫還原裂解制備炔。酰基膦葉立德酮炔（3）膦葉立德的偶聯(lián)反應具有-H的膦葉立德與氧作用發(fā)生偶聯(lián)，可以合成對稱的烯烴或環(huán)烯烴； 沒有-H的膦葉立德與氧作用生成酮，通過控制氧的用量也可得到烯烴。5.5 有機硼試劑5.5.1 硼氫化反應-硼烷的形成 有機硼試劑主要包括硼烷和烴基硼烷，硼的電子構型1s22s22p1,與碳一般形成三價化合物，其外層僅有6個電子，是高度缺電子的親電試劑，在有機合成上有重要價值。 烴基硼烷是由硼烷BH3(通常以氣態(tài)二聚體二硼烷B2H6存在)對烯烴或炔烴的加成得到的，該反應叫硼氫化反應。 硼氫化反應反應幾乎在任何情況下室溫就能迅速地進行，只有對位阻特別大的烯烴才不

17、反應。對單取代或雙取代的乙烯加成時，生成三烷基硼化物；對于三取代的烯烴通常只生成二烷基硼化物；四取代的乙烯只形成一烷基硼化物。 硼烷對不對稱烯烴的加成，硼原子可以加到雙鍵的任何一個碳原子上，生成兩種不同產物。實際上在沒有強活性鄰位取代基時，反應是高立體選擇性的，生成的產物主要是硼原子連接在取代基較少的碳原子上-空間位阻較小。 硼烷是缺電子親電試劑，與烯烴的加成反應的選擇性還和 電子效應有關 。雙鍵右端碳上電子云密度逐漸降低5.5.2 硼烷的反應 硼化物可氧化成醇或羰基化合物；水解(質子分解)時硼原子可被氫原子取代生成烴；與CO發(fā)生羰基化反應；與,-不飽合化合物的1，4-共軛加成反應偶聯(lián)反應異構

18、化反應 置換反應 硼化物可氧化成醇或羰基化合物例如：機理：硼氫化氧化反應水解(質子分解)時硼原子可被氫原子取代生成烴硼氫化-質子分解反應通常是在質子酸中回流進行的。當烯烴或炔分子中存在某些對催化氫化敏感的基團時，該方法可用于實現雙鍵或叁鍵的選擇性反應，還原烯烴成為相應的飽和烴。還原炔烴生成相應的烯烴。 質子分解反應機理例如：與CO發(fā)生羰基化反應烴基硼烷和一氧化碳的反應稱為羰基化反應。該反應被乙二醇或某些金屬氫化物如硼氫化鋰所促進。這可能是因為一氧化碳容易同烴基硼負離子作用的緣故。生成的初始產物，連續(xù)經過三次重排，生成硼酸酯衍生物，后者同溶劑乙二醇生成類似環(huán)狀縮醛的中間體，最后堿性過氧化氫氧化得

19、三烴基甲醇。烴基硼烷和一氧化碳的反應稱為羰基化反應。反應體系有水存在時，硼雜環(huán)氧化物中間體被水解成鄰二醇，后者經氧化生成酮。例如：硼氫化-羰基化在有機合中有廣泛用途。當硼原子上的三個烴基不同時，基團遷移的能力為：伯仲叔。因此選擇適當的三烴基硼進行羰基化，可優(yōu)先生成伯烴基酮。 與,-不飽合化合物的1，4-共軛加成反應有機硼烷在氧存在下很容易與許多，-不飽和羰基化合物發(fā)生1，4-加成反應，在-位發(fā)生烷基化。 -位即使有取代基產率也好。 例如： 1，4-共軛加成反應機理：偶聯(lián)反應末端炔烴與位阻較大的硼烷加成，然后在I2NaOH作用下發(fā)生親核重排和偶聯(lián)反應得到順式烯烴。 有機硼烷與Tollens試劑反

20、應生成偶聯(lián)產物R-R.機理:異構化反應在較高溫度下，有機硼烷會發(fā)生異構化，硼原子傾向于遷移到分子中空間阻礙較小的位置。 置換反應當活性相近或活性更高的烯烴存在時，烴基硼烷中的烴基可以部分地或全部地被置換。 5.6 有機硅試劑 最初的硅有機化合物僅作為醇的保護基團而引入到有機合成中。隨著有機硅化學的迅速發(fā)展，有機硅化合物作為合成試劑已普遍受到重視，許多硅有機化合物如芳基硅烷、乙烯基硅烷等具有多種反應性能，能夠發(fā)生多種類型的反應，廣泛用于有機合成。 5.6.1 有機硅化合物的結構特征硅原子的電子結構為3s23p23d0,它的3p軌道能量較高，不能與碳的2p軌道有效重疊。因此，含Si-C鍵的化合物均

21、不穩(wěn)定。由于硅原子具有3d空軌道，它可以形成配位鍵，例如SiF62-。 從Si、C與其他原子結合成鍵的相對強度來看,Si-O及Si-F比C-O及C-F 鍵強，而Si-C及Si-H比C-C及C-H鍵弱，這就可以引起許多熱力學有利 的反應。 Si-O (鍵能：370450KJ/mol)C-O (鍵能：350360KJ/mol)Si-F (鍵能：540570KJ/mol)C-F (鍵能：440450KJ/mol)Si-C (鍵能：230320KJ/mol)C-C (鍵能：348KJ/mol)Si-H (鍵能：290320KJ/mol)C-H (鍵能：414KJ/mol) 由于Si+-C-及Si+-O

22、-都是極性鍵，硅原子易被親核試劑進攻，因此，Si-C及Si-O易發(fā)生異裂，使含硅基團甚易離去，發(fā)生多種形式的消去反應及取代反應。 硅原子具有3d空軌道，它可與相鄰的-碳負離子形成d-共軛，使碳負離子穩(wěn)定，從而使得硅原子或碳原子上能發(fā)生多種類型的烴化反應，酯化反應和縮合反應等。 硅原子的另一特性是它形成的Si-C鍵可以穩(wěn)定相鄰的碳正離子，這一現象與C-H鍵的超共軛效應相似。顯然可見，-硅基取代的鹵代烴易發(fā)生SN1反應，烯基硅烷易發(fā)生親電加成反應，硅基芳烴易發(fā)生親電取代反應。這都是硅基穩(wěn)定了反應中間體碳正離子的緣故。5.6.2 芳基硅烷 芳基硅烷的制備芳基硅烷由芳基金屬化合物與三烴基氯硅烷反應制備

23、：芳鹵與三烴基硅基金屬化合物反應制備：芳鹵與三烴基硅基鋁反應制備：雙炔與乙炔基硅烷在環(huán)戊二烯二羰基鈷存在下進行環(huán)加成反應制備芳基硅烷：芳基硅烷的親電取代反應芳基硅烷最重要的反應是芳硅鍵可被親電試劑取代：機理：例如：芳基雙三甲基硅烷的取代反應：5.6.3 乙烯基硅烷乙烯基硅烷的制備（1）由末端炔烴制備立體專一的 順式加成炔基三甲基硅烷光異構化（2）由炔基硅烷制備 炔基硅烷發(fā)生鋁氫化-質子分解反應制備乙烯基硅烷：順式加成反式加成（3）由炔基鋰制備乙烯基硅烷的反應（1）乙烯基硅烷的親電取代反應原因：形成硅基穩(wěn)定的-碳正離子：特征一：按加成-消除兩部機理進行，親電試劑導入到原來 與-SiR3相連的碳上。特征二：立體專一性，如乙烯基硅烷的質子解反應均為 構型保持。原因：D進行加成時，C-C單鍵發(fā)生旋轉，使硅基能穩(wěn)定形成-碳正離子；若反向旋轉，苯基與-SiMe3基團位置重疊，阻力過大。（2）乙烯基硅烷的加成反應乙烯基硅烷的親電取代反應是按加成-消除兩步機理進行的，控制條件可停留在加成階段。硼氫化反應汞化還原反應乙烯基硅烷與有機銅鋰試劑的共軛加成：（3）乙烯基硅烷的環(huán)加成反應帶有吸電子取代基的乙烯基硅烷是良好的親雙烯體系，易于進行環(huán)加成反應。（4）乙烯基硅烷的氧化反應乙烯基硅烷易被多種氧化劑（如間氯過苯甲酸，MCPBA)氧化成,-環(huán)氧硅烷