-4有機反應(yīng)中的活性中間體課件

1、第四章 有機反應(yīng)活性中間體 (Reactive intermediates in Organic Chemistry) 一、碳正離子(Carbocation)二、碳負(fù)離子 (Carbanions)三、自由基 (Free radicals)四、碳烯 （卡賓） (Carbenes)五、氮烯 （乃春）(Nitrenes)六、苯炔 (Benzyne)引言 在有機反應(yīng)中，有機反應(yīng)有些是屬于一步完成的，稱為協(xié)同反應(yīng)。例如Diels-Alder反應(yīng)： 更多的有機反應(yīng)則不止一步，反應(yīng)中至少包括一個活性中間體的生成，例如叔鹵代烷的水解首先生成碳正離子，然后與水反應(yīng)而得到水解產(chǎn)物。協(xié)同反應(yīng)的能峰圖分步反應(yīng)的能峰圖

2、一. 正碳離子 (Carbocations)含有帶正電荷的三價碳原子的原子團。1. 正碳離子的結(jié)構(gòu)+C sp2 - sbondCH3+ 的軌道結(jié)構(gòu)sp2 - sp3bond(CH3)3C + 的軌道結(jié)構(gòu)HHHsp2雜化平面三角構(gòu)型空的P軌道正碳離子的穩(wěn)定性：- p超共軛效應(yīng)：H軌道交蓋在這里空的 p 軌道烯丙型正碳離子：p-共軛電子離域正電荷分散程度大共軛體系的數(shù)目越多，正碳離子越穩(wěn)定：共軛效應(yīng)當(dāng)共軛體系上連有取代基時， 給電子基團使正碳離子穩(wěn)定性增加； 吸電子基團使其穩(wěn)定性減弱：環(huán)丙甲基正離子比芐基正離子還穩(wěn)定：CH2CH2CH2環(huán)丙甲基正離子的結(jié)構(gòu)：空的 p 軌道與彎曲軌道的交蓋中心碳原子

3、上的空的 p 軌道與環(huán)丙基中的彎曲軌道進(jìn)行側(cè)面交蓋，其結(jié)果是使正電荷分散。隨著環(huán)丙基的數(shù)目增多，正碳離子穩(wěn)定性提高。直接與雜原子相連的正碳離子結(jié)構(gòu)：氧上未共有電子對所 占 p 軌道與中心碳原子上的空的 p軌道側(cè)面交蓋，未共有電子對離域，正電荷分散。類似地，羰基正離子：乙烯型正碳離子：+C原子進(jìn)行sp2雜化， p軌道用于形成鍵，空著的是sp2雜化軌道，使正電荷集中。苯基正離子：結(jié)構(gòu)同乙烯型正碳離子，正電荷集中在sp2雜化軌道上。此二類正碳離子穩(wěn)定性極差。溶劑效應(yīng)：1) 溶劑的誘導(dǎo)極化作用，利于底物的解離。2) 溶劑使碳正離子穩(wěn)定：空的 p 軌道易于溶劑化溶劑3) 極性溶劑：溶劑化作用 強，利于底

4、物的解離。碳正離子的生成：1) 直接離子化 通過化學(xué)鍵的異裂而產(chǎn)生。2) 對不飽和鍵的加成 3) 由其它正離子轉(zhuǎn)化而生成4) 在超酸中制備C正離子溶液比100的H2SO4的酸性更強的酸超酸 (Super acid)常見的超酸 （與100H2SO4的酸性比較）HSO3F （氟硫酸） 1000倍HSO3F SbF5 （魔酸） 1013倍HFSbF5 1016倍叔丁醇在下列條件下完全轉(zhuǎn)變成叔丁基正離子： 很多正碳離子的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的研究都是在超酸介質(zhì)中進(jìn)行的。非經(jīng)典正碳離子1) 鍵參與的非經(jīng)典正碳離子實驗表明：反7原冰片烯基對甲苯磺酸酯在乙酸中的溶劑解的速度比相應(yīng)的飽和化合物大 1011倍。+2電子

5、3中心體系1234572)鍵參與的非經(jīng)典碳正碳離子外型原冰片醇的對溴苯磺酸酯溶劑解速度相應(yīng)的內(nèi)型化合物大350倍-OBs二 碳負(fù)離子 (Carbanions)碳負(fù)離子的生成1) C-H鍵的異裂 （金屬有機化合物的生成）碳負(fù)離子帶有一對孤對電子的三價碳原子的原子團。2) 負(fù)離子對不飽和鍵的加成碳負(fù)離子的結(jié)構(gòu)10928sp3 雜化棱錐型90sp2雜化平面三角型. .烷基負(fù)碳離子為棱錐型, 孤對電子處于sp3雜化軌道上。軌道夾角為109 28時，電子對間的排斥力小，利于負(fù)碳離子穩(wěn)定。 光學(xué)活性-70 C 20%光學(xué)活性 0 C 外消旋化三元環(huán)中的碳負(fù)離子選擇sp3雜化 109o28選擇sp2雜化12

6、0o , 角張力增加, 不易轉(zhuǎn)化立體定向的順式產(chǎn)物2. 影響負(fù)碳離子穩(wěn)定性的因素：1) s-性質(zhì)效應(yīng)2) 誘導(dǎo)效應(yīng) 與吸電子基團相連時,使電荷分散,穩(wěn)定性增大. CH3-H F3C-H (CF3)3C-H pKa 42 28 11 與推電子基團相連時, 穩(wěn)定性降低. 穩(wěn)定性: CH3- CH3CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C- 鄰近原子有孤電子對時, 碳負(fù)離子穩(wěn)定性降低.3) 共軛效應(yīng)與共軛體系相連時使負(fù)電荷分散, 穩(wěn)定性增加.形成芳香體系4n + 2, 芳香性-C效應(yīng)的影響: OHC-CH2-CHO CH3COCH2COCH3 NCCH2CN CH3NO2pKa 5 9 11 1

7、0必須注意, 如果p軌道的對稱軸不能平行,則側(cè)面交蓋將受影響,而不能充分離域. 例如:雜化作用 C-H鍵中的C的成分越多,H越易以質(zhì)子形式解離4) 溶劑效應(yīng) Solvent Effect 溶劑對反應(yīng)速度、化學(xué)平衡以及有機反應(yīng)機理的影響稱為溶劑效應(yīng)。溶劑效應(yīng)主要通過溶劑的極性、氫鍵、酸堿性等產(chǎn)生作用。 在所有涉及到的離子反應(yīng)里, 溶劑對參與的離子的穩(wěn)定化作用是非常明顯的. 在沒有溶劑的情況下, 離子反應(yīng)在氣相進(jìn)行需要很高的能量, 在氣相更普遍的是按自由基進(jìn)行的.例如:HCl 在氣相解離為自由基只需430.95KJ/mol的能量 而解離為離子所需能量高達(dá)1393KJ/mol 若在極性溶劑(如H2O

8、) 中, HCl很容易解離為離子.質(zhì)子性溶劑, 能夠有效地溶劑化正離子和負(fù)離子，因此能促進(jìn)極性分子形成活性中間體，促進(jìn)離子型反應(yīng)。溶劑對反應(yīng)速度的影響取決于溶劑對過渡態(tài)及反應(yīng)物的作用情況： 若過渡態(tài)極性比反應(yīng)物大，則極性溶劑對過渡態(tài)的穩(wěn)定化作用大于對反應(yīng)物的穩(wěn)定化作用，增加溶劑極性，反應(yīng)速度加快；反之，溶劑極性減小，反應(yīng)速度減慢。 極性非質(zhì)子溶劑如DMSO，DMF，HMPA等, 能夠溶劑化正離子,但不能溶劑化負(fù)離子. 因此, 負(fù)離子在極性非質(zhì)子溶劑中將更為活潑. 選擇不同的溶劑,往往可以直接影響負(fù)離子的活潑性.例如, 甲氧基負(fù)離子的堿性, 在極性非質(zhì)子性溶劑中比在極性質(zhì)子溶劑中要強的多: 在9

9、8.5%DMSO和1.5%的甲醇中進(jìn)行, 比在純的甲醇中要快108倍.又如：CH3I和N3-的SN2反應(yīng)，若將極性質(zhì)子溶劑換成極性非質(zhì)子溶劑DMSO，反應(yīng)速度增加4.5x104倍。溶劑的介電常數(shù) Dielectric constant介電常數(shù)隨分子的偶極矩和可極化性的增大而增大。在化學(xué)中，介電常數(shù)是溶劑的一個重要性質(zhì)，表征溶劑對溶質(zhì)分子溶劑化以及隔開離子的能力。介電常數(shù)大的溶劑，隔開離子的能力較大，同時具有較大的溶劑化能力。介電常數(shù)用 表示。 15,極性溶劑； (CH3)2CH CH3CH2 CH3 叔 仲 伯例如: 叔碳的烷氧基自由基在進(jìn)一步分解時, 主要生成一個比較穩(wěn)定的自由基和一分子酮.

10、自由基的斷裂 b斷裂自由基中心碳原子如與鍵共軛,同樣可以分散獨電子,而使自由基穩(wěn)定. 當(dāng)苯環(huán)上有取代基時,不論取代基的本性如何(不論是吸電子基還是給電子基), 常常增加自由基的穩(wěn)定性, 例如:芳基自由基, 烯基自由基和炔基自由基, 由于未成對電子不可能與鍵共軛,所以不穩(wěn)定,是很活潑的自由基.3. 自由基的生成由分子產(chǎn)生自由基的方法很多, 比較重要的有以下三種:熱解 在加熱的情況下, 共價鍵可以發(fā)生均裂而產(chǎn)生自由基.一些鍵的離解能(kJ/mol)H-H 430 N-N 150 C-H 410F-F 155 C-C 325335 H-I 295Cl-Cl 240 H-S 335 H-Br 365B

11、r-Br 190 C-Cl 325 H-Cl 430I I 150 C-Br 272 H-F 565-O-O- 140 C-I 240 H-O- 460 自由基反應(yīng)通常以過氧化物或偶氮化合物作為引發(fā)劑, 主要是由于分子中含有較弱的鍵, 容易均裂產(chǎn)生自由基, 同時又是相同元素的同核鍵,一般不易異裂產(chǎn)生正/負(fù)離子.常用的自由基引發(fā)劑有: 過氧化苯甲酰(BPO) 偶氮二異丁腈(AIBN)自由基引發(fā)劑2) 光照在可見和紫外光波段, 對輻射具有吸收能力的分子, 利用光照射可以使之分解而產(chǎn)生自由基.另一個有用的光解反應(yīng)是丙酮氣相光照分解反應(yīng)其它容易發(fā)生光解的反應(yīng)如次氯酸酯和亞硝酸酯, 可以產(chǎn)生烷氧基自由基

12、.與熱解法比較, 光解產(chǎn)生自由基具有明顯優(yōu)點, 主要為:光解可以分解在通常合理溫度下不容易分解或很難分解的強共價鍵, 如偶氮烷類化合物:b) 由于一定的官能團具有特定的吸收帶, 是特定能量的轉(zhuǎn)移, 所以光解比熱解具有更大的選擇性, 副反應(yīng)比較少.3) 氧化還原反應(yīng) 一個電子自旋成對的分子失去或得到一個電子都可導(dǎo)致產(chǎn)生自由基, 實際上就是氧化還原過程, 因此通過氧化還原反應(yīng)也可以產(chǎn)生自由基. 某些金屬離子, 如Fe2+/Fe3+, Cu+/Cu2+, Ti2+/Ti3+等是常用的產(chǎn)生自由基的氧化還原劑.例如: Cu+離子可以大大加速?；^氧化物的分解, 產(chǎn)生酰氧基 自由基.Ti2+是一個很強電子

13、還原劑, 可用于還原過氧化氫生成羥基自由基生成的羥基自由基是有效的催化劑,不但可以用于生成其它自由基，也可以用于有機合成.4. 影響自由基穩(wěn)定性的因素1) 誘導(dǎo)效應(yīng) 由于超共軛效應(yīng)的影響，烷基自由基的穩(wěn)定性次序為: 叔 仲 伯 與共軛體系如烯鍵、苯基、硝基、氰基等相連都可使孤電子離域而得到穩(wěn)定。 取代基對自由穩(wěn)定化能力的大小一般有如下次序： 苯基、烯基羰基腈基酯基烷基 許多酚類化合物在冷的干醚中氧化，可以生成不穩(wěn)定的酚氧自由基，2，4，6- 三叔丁基苯酚自由基由于單電子與苯環(huán)離域，又由于有較大的鄰位阻效應(yīng)而表現(xiàn)出是一個非常穩(wěn)定的自由基，它可以被離析出來，IR上顯示出1660cm-1的羰基吸收峰

14、。 這一自由基能夠與不穩(wěn)定的自由基結(jié)合生成穩(wěn)定的分子，因此可用于自由基淬滅劑或阻聚劑。 N，N-二苯基-N-苦味基自由基是一個紫色晶體，由于存在有龐大的空間位阻，再加上三個硝基的誘導(dǎo)影響，使它可以以固體狀態(tài)存在并保存數(shù)年不變。2，2，6，6-四甲基六氫吡啶-4-酮氧化氮自由基甚至可以在分子中的其他部位發(fā)生格氏反應(yīng)而不影響自由基結(jié)構(gòu)。2) 空間因素 叔碳原子自由基的穩(wěn)定性之所以較大，除了有超共軛電子效應(yīng)外，空間因素也有一定作用。自由基中心碳原子所連的基團較大時可以使自由基中心的張力得到一定消除。此外，較大的空間位阻因素也不利于自由基發(fā)生反應(yīng)。雙叔丁基甲基自由基在低溫（-30）無氧的稀溶液中是足夠

15、穩(wěn)定的，這也是空間因素的影響之故。 3) 溶劑效應(yīng) 溶劑效應(yīng)對自由基的影響不似對離子那么大，溶劑若能與自由基絡(luò)合不但會增加它們的穩(wěn)定性而且會改變它們的某此反應(yīng)性質(zhì)。下列反應(yīng)：5. 自由基的反應(yīng) Free Radical Reactions 與離子型反應(yīng)相比較，自由基反應(yīng)常常在中性和較溫和的反應(yīng)條件下就能進(jìn)行. 其反應(yīng)一般有如下幾個特點:1）反應(yīng)常在光或有易于產(chǎn)生自由基物種的催化劑引發(fā)下發(fā)生。2）反應(yīng)常有一個誘導(dǎo)期，而溶劑對反應(yīng)的影響較小，且無論在 氣相還是液相，自由基均能反應(yīng)。3）芳環(huán)的自由基反應(yīng)并不服從一般定位規(guī)律。4）自由基反應(yīng)在相當(dāng)一段時間內(nèi)被認(rèn)為缺乏選擇性，因而難有 理想的產(chǎn)率，自20

16、世紀(jì)80年代以來，情況有了顯著的改變， 應(yīng)用于有機合成的自由基反應(yīng)越來越多。1）重排和碎裂反應(yīng) Rearangement and Fragementation 自由基的穩(wěn)定性比碳正離子小，其重排不如碳正離子容易發(fā)生，但比碳負(fù)離子重排容易。 從分子軌道分析，發(fā)生1，2重排時通過三中心過渡態(tài)，類似于環(huán)丙基的情況，兩個碳的P軌道和遷移基團的P軌道重疊形成三個分子軌道，其中一個是成鍵軌道，兩個是反鍵軌道。 在有利條件下，如空間因素或重排后有利于單電子的離域時重排還是可以發(fā)生的。例如下面化合物發(fā)生自由基反應(yīng)時不同取代基R和R引起重排反應(yīng)的比例也不同。 易于發(fā)生1，2重排反應(yīng)的常見取代基有： X, Ph,

17、 C=C, OAc等基團。自由基的碎裂反應(yīng)結(jié)構(gòu)影響：Driving force: 環(huán)張力的解除。2）鹵素取代反應(yīng) Halogen Substitution 對于一些不活潑的分子，要引入官能團，通常用自由基鹵代 反應(yīng)。例如：在所有鹵素中，只有Cl.和Br.具有適中的活性。例如， H Kcal/mol Reaction F Cl Br I X. + CH4 HX + CH3. -32 -1 +15 +33 CH3. + X2 CH3X + X. -70 -23 -21 -18 X 2 + CH4 CH3X + HX -102 -24 -6 +15可見，F(xiàn) 的反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，與有機物的反應(yīng)太劇烈。

18、 I 在常溫下不能與烷烴反應(yīng)，只有在較高溫度下才能 進(jìn)行反應(yīng)。比較Cl和Br的奪氫反應(yīng)，Br的選擇性比Cl高：又如：其它鹵化反應(yīng)： 除鹵素進(jìn)行自由基反應(yīng)外，還有幾種常見的鹵化試劑，在有機合成中很有用。（1）NBS N-溴代丁二酰亞胺（N-Bromo-succinimide)（2） 次鹵酸酯 (CH3)3COCl） （Walling 試劑）（3） 溴三氯甲烷 BrCCl3溴三氯甲烷常用作不飽和化合物的取代。3）自由基加成反應(yīng)（1）加鹵化氫加HBr, 得到反馬氏規(guī)則產(chǎn)物。加HCl, 烯烴與HCl的自由基加成比HBr復(fù)雜。 加HI, HI鍵能小，易于產(chǎn)生自由基，但I(xiàn).與烯烴的C結(jié)合 較困難，需吸收7

19、Kcal/mol以上的能量，故反應(yīng)難進(jìn)行。加HF, HF的均裂能很大，第一步難以進(jìn)行，至今未發(fā)現(xiàn) HF的自由基加成。（2） 加多鹵代烷 HCXYZ ( CBr4, CCl4, BrCCl3, BrCHCl2, CHCl3, CHBr3, CHI3, CHF3) 少于3個鹵原子的鹵代甲烷不易加成。（3）醛對烯烴的加成 醛羰基上的C-H鍵的均裂能近似于C-Br鍵，用紫外光照射或用過氧化物催化，能加到烯烴上，得到良好收率的酮。但是由，不飽和醛生成的自由基并不與烯烴加成，而是發(fā)生二聚反應(yīng)。（4）酯對烯烴的加成含有活潑氫的酯，能與烯烴發(fā)生自由基加成。這類反應(yīng)可用作有機合成上的增長碳鏈。（5）分子內(nèi)的加成

20、 Intramolecular Addition4）自由基反應(yīng)的立體化學(xué)和區(qū)域選擇性 Stereochemistry and Regioselectivity立體化學(xué) 自由基加成反應(yīng)的有利方式為反式加成。區(qū)域選擇性 對于二取代烯烴，自由基進(jìn)攻的位置取決于取代基對新生自由基的穩(wěn)定化能力。由以上結(jié)果可以得到如下取代基穩(wěn)定化能力次序：四.卡賓（碳烯 ） (Carbenes) 卡賓中心碳原子為中性兩價碳原子,包含6個價電子,4個價電子參與形成兩個鍵,其余兩個價電子是游離的.卡賓是一類非?；顫姷幕钚灾虚g體, 已知的卡賓有如下幾類:CH2, :CHR, :CRR(R為烷基,芳基,烯基或炔基) :CHX,

21、:CRX, :CXX(X為F, Cl, Br, I) :CHY, :CRY, CYY(Y為其它原子團如:-OR, -SR, -CN, -COOR, COR) :CR2=C:, CR2=C=C:卡賓的命名 一般以CH2為母體, CH2 :卡賓, Cl2C: 二氯卡賓, CH3COCH: 乙?；ㄙe卡賓的結(jié)構(gòu) 卡賓碳原子只用兩個分子軌道成鍵,還剩下兩個分子軌道容納兩個未成鍵電子.電子在兩個軌道中的填充有兩種可能: 三重態(tài)碳烯 (triplet state)單重態(tài)卡賓 (singlet state)2. 卡賓的生成 a. 光或熱分解反應(yīng) Photodessociation or Thermodess

22、ociation b. 消除反應(yīng)3. 卡賓的反應(yīng) 卡賓是非?；顫姷闹虚g體,容易發(fā)生反應(yīng), 由于是缺電子的活潑中間體, 一般是以親電性為特征的. 反應(yīng)活性的次序大致為: :CH2 :CR2 :CAr2 :CX2卡賓的典型反應(yīng)主要有兩類: a. 對 C = C 鍵的加成 b. 對 C H 鍵的插入a) 加成反應(yīng) 卡賓與碳-碳雙鍵加成則生成環(huán)丙烷衍生物, 這是卡賓最典型的反應(yīng)之一.單線態(tài)卡賓, 與烯烴的加成屬協(xié)同加成機理, 烯烴的立體化學(xué)特征保持不變:三線態(tài)卡賓, 具有雙自由基性質(zhì),與烯烴的加成,無論是順式還是反式烯烴, 都生成順,反產(chǎn)物的混合物.選擇性: 卡賓與共軛二烯烴進(jìn)行加成反應(yīng)時, 由于卡賓

23、電子自旋狀態(tài)不同, 所得產(chǎn)物也不完全相同. 在沒有溶劑時, 單線態(tài)卡賓與1,3-丁二烯加成, 產(chǎn)物幾乎全部是乙烯基環(huán)丙烷; 而在惰性氣體存在下, 單線態(tài)卡賓經(jīng)碰撞使激發(fā)態(tài)去活化而形成基態(tài)的三線態(tài), 這時再與二烯進(jìn)行加成,則按雙自由基的分步加成,產(chǎn)物主要是環(huán)戊烯.卡賓也可以與炔烴, 環(huán)烯烴,甚至與苯環(huán)上的p鍵進(jìn)行加成反應(yīng). 卡賓對不飽和鍵的加成為合成帶有功能基團的環(huán)丙烷提供了簡單有效的方法; 其立體化學(xué)表現(xiàn)為透視卡賓的結(jié)構(gòu)和了解反應(yīng)歷程提供了條件.* 若加成產(chǎn)物為順反混合物, 則可認(rèn)為卡賓為三線態(tài)(基態(tài)).* 若反應(yīng)為立體專一性的,一般認(rèn)為是單線態(tài)卡賓(激發(fā)態(tài))對 不飽和鍵的協(xié)同反應(yīng).* 若用環(huán)

24、狀烯烴, 只能得到順式雙環(huán)n,1,0.*若卡賓的兩個取代基不同,可得到至少兩種可能的產(chǎn)物.b) 插入反應(yīng) 卡賓可以在C-H 鍵上進(jìn)行插入反應(yīng),卡賓插到C-H鍵之間, 不論單線態(tài)卡賓還是三線態(tài)卡賓, 其插入反應(yīng)得到的產(chǎn)物是相同的.這也是卡賓的主要反應(yīng)之一, 但因其在不同的C-H鍵上都可以插入,因而在合成上意義不大.單線態(tài)卡賓的插入是按一步完成的協(xié)同歷程進(jìn)行.三線態(tài)卡賓作為雙自由基,反應(yīng)是分步進(jìn)行的.首先奪取H原子,而后通過自由基偶聯(lián)兩步完成.單線態(tài)卡賓比較活潑. 對不同的C-H鍵只有很小的選擇性. 叔 : 仲 : 伯 = 1.5 : 1.2 : 1.0三線態(tài)卡賓比較穩(wěn)定,有較大的選擇性. 叔 :

25、 仲 : 伯 = 7 : 2 : 1不同的卡賓進(jìn)行插入反應(yīng)的活性也是不同的, 活性次序為:除了C-H 鍵可以進(jìn)行插入反應(yīng)外, 卡賓還可以在C-Br, C-Cl,C-O 鍵上進(jìn)行插入反應(yīng), 但C-C鍵不能.c) 重排反應(yīng) 卡賓可以發(fā)生分子內(nèi)的重排, 通過氫, 芳基,和烷基的遷移, 得到更穩(wěn)定的化合物, 這也是卡賓常見的反應(yīng).4) 過渡金屬卡賓絡(luò)合物在有機合成中的應(yīng)用 過渡金屬卡賓絡(luò)合物化學(xué)是金屬有機化學(xué)的前沿研究領(lǐng)域之一。卡賓作為活潑的二價碳衍生物已廣泛用于有機合成。過渡金屬的一個顯著特點是可以和作為配體的壽命短的分子結(jié)合并使其穩(wěn)定，因而被迅速用于有機合成中并成為一類重要試劑和反應(yīng)中間體。過渡金

26、屬卡賓絡(luò)合物的類型、結(jié)構(gòu)特征及反應(yīng)性能 到目前為止，幾乎所有的過渡金屬均已被合成出相應(yīng)的金屬卡賓絡(luò)合物。常見的卡賓絡(luò)合物為Fischer型。Fischer型卡賓絡(luò)合物結(jié)構(gòu)特征： a）含有從VI族到VIII族的金屬，中心金屬以低價氧化態(tài)存在，同時被其他配體分子（如CO）所穩(wěn)定。 b）絡(luò)合物中卡賓碳原子的鄰位含有雜原子，卡賓碳富親電性。 c）X射線衍射研究表明，卡賓碳原子為sp2雜化，有一個空P軌道，是缺電子的，它與金屬及鄰位雜原子之間均有明顯的雙鍵性質(zhì)。a）強正電性的卡賓碳表現(xiàn)為親電中心，為親核試劑。b）親電試劑絡(luò)合到卡賓碳鄰位雜原子上。c）卡賓配體的碳原子上的H具有明顯的酸性，故可被 堿脫去H

27、原子形成金屬卡賓負(fù)離子然后與一系列親電試 劑反應(yīng)生成C-C鍵。d）絡(luò)合物中的雜原子還可被親核性更強的試劑取代。e）金屬與卡賓之間的碳鍵也可發(fā)生斷裂。f）絡(luò)合物中配體（CO)也可以被其它配體取代。（2）金屬卡賓絡(luò)合物的制備a)從金屬羰基化合物的制備 常用的親核試劑為有機鋰，它比格氏試劑更為有效。加成速度取決于羰基的親電性、空間因素和配體的種類。 優(yōu)點：原料易得，大多數(shù)產(chǎn)物為固體，且在空氣中較穩(wěn)定，產(chǎn)率高，易于操作。 b)從金屬羰基陰離子制備 從金屬的五羰基二價離子與酰胺或酰氯反應(yīng)而得此法經(jīng)濟實用，產(chǎn)率亦好，可直接制備胺基卡賓絡(luò)合物c) 由金屬羰基化合物和炔烴制備 此法對制備某些特殊卡賓絡(luò)合物有用

28、，其優(yōu)點是不需要高反應(yīng)活性的親電試劑。此法是利用金屬炔烴絡(luò)合物的重排，然后用醇類化合物捕獲制備。(3) 金屬卡賓絡(luò)合物的反應(yīng) 卡賓絡(luò)合物所經(jīng)歷的反應(yīng)可分為兩類A.卡賓配體的反應(yīng)親核取代反應(yīng) 金屬卡賓陰離子的反應(yīng) 這類陰離子可與親電試劑作用，常用于CC鍵的形成.例如： 【2+2】環(huán)加成 【32】環(huán)加成反應(yīng) 【42】環(huán)加成反應(yīng) ，不飽和卡賓絡(luò)合物的乙烯基所表現(xiàn)的缺電子性使其易于與雙烯體發(fā)生Diels-Alder反應(yīng) 1，4共軛加成反應(yīng) B.天然產(chǎn)物合成上的應(yīng)用 Fischer卡賓絡(luò)合物由于其制備簡單，易于操作和其強的官能化能力，使得它們在天然產(chǎn)物合成中得到廣泛應(yīng)用。(1) 多肽的合成(2) 抗生素

29、的合成西他沙星Sitafloxacin廣譜型抗菌劑Cis-2-氟環(huán)丙胺Cis-2-氟環(huán)丙胺IV 乃春 (氮烯 Nitrene）乃春又稱亞氮. 是卡賓的 N 類似物，非常活潑，在普通條件下難以離析。乃春的生成1）熱解或光解 （thermolysis or photolysis） 疊氮化合物的分解異氰酸酯的光解 NH3 or H2NNH2 的光解2) 乃春的反應(yīng) 典型的反應(yīng)也是與-鍵的加成和與C-H鍵的插入反應(yīng). 乃春的重排反應(yīng)： 烷基乃春的重排發(fā)生的很快，往往發(fā)生在插入和加成反應(yīng)之前。生成后很快發(fā)生重排而生成亞胺（Schiff Base imine ） V 苯炔（Benzyne ） 苯炔是苯環(huán)上

30、發(fā)生親核取代的活性中間體，苯炔的發(fā)現(xiàn)，使芳類親核取代反應(yīng)中的許多過去難以解釋的現(xiàn)象得到了解決. 苯炔的確證 芳基鹵化物在氨基鈉存在下加熱，氨解成芳胺，存在一些異?，F(xiàn)象： 結(jié)果表明，反應(yīng)不是簡單的親核取代反應(yīng)，不是加成消去歷程，而是按消去加成歷程進(jìn)行的，生成中間體苯炔。 示蹤方法證明： 鹵原子鄰位有取代基時，不發(fā)生反應(yīng)： 活性中間體捕集( Trapping of intermediate) 近代物理方法證明： 鄰氨基苯甲酸重氮鹽用閃光光解后，在極短的時間內(nèi)，經(jīng)質(zhì)譜分析，證明有質(zhì)量相當(dāng)于76的峰出現(xiàn)：苯炔還可以與某些化合物生成穩(wěn)定的固體配合物而被離析出來： 2. 苯炔的結(jié)構(gòu)： 苯炔的存在已是不可爭

31、議的事實，但苯炔的叁鍵結(jié)構(gòu)如何？首先設(shè)想與乙炔相似，兩個叁鍵C原子為SP雜化： 若考慮叁鍵C原子仍為SP2雜化，叁鍵的形成基本不影響體系的離域，即苯環(huán)骨架的穩(wěn)定性保持不變，而新的“鍵”是由兩個SP2雜化軌道在環(huán)平面內(nèi)，側(cè)面交蓋而形成很弱的鍵，因此很活潑，不穩(wěn)定。 3. 苯炔的生成 （鄰位消去）從相鄰兩個C原子上消去一個電正性基團和一個電負(fù)性基團1）芳鹵化物脫HX對于不同的鹵代苯，活性順序為： Ph-FPh-ClPh-BrPh-I 這是因為F的電負(fù)性大，使鄰位C原子上的H酸性增強，有利于其作為質(zhì)子離去，雖然F不是好的離去基團，但其離去不是在決速步驟。2) 由鄰鹵代有機金屬化合物制備：3) 脫中性

32、基團4) 光解或熱解3. 苯炔的反應(yīng) 1) 親核加成反應(yīng) 在某些反應(yīng)中，加成的方向是有選擇性的. 2） 親電加成反應(yīng)3) 環(huán)加成反應(yīng)4) 二聚反應(yīng)VI. 葉立德 Ylid 伊立德、內(nèi)鎓鹽、鎓內(nèi)鹽，鄰位兩性離子，在分子內(nèi)含有碳負(fù)離子和鄰位雜原子正離子。連在C和雜原子上的取代基可以是各種各樣的原子和原子團1. Ylid的結(jié)構(gòu)三苯基膦葉立德, 這類化合物能以高熔點的黃色固體離析,在反應(yīng)中作為活性中間體存在.X-光衍射晶體結(jié)構(gòu)研究表明, C為sp2雜化, P為sp3雜化普通C-P鍵長1.87,說明有雙鍵的性質(zhì), 即:2. Ylid的形成1) 由相應(yīng)的膦鹽除去質(zhì)子Ylid的形成難易決定于碳負(fù)離子的穩(wěn)定性

33、. 對于-鹵代酸酯或-鹵代腈所生成的膦鹽,只需要弱堿就可以形成Ylid.3) 碳負(fù)離子與乙烯基鏻離子的加成4) 通過對苯炔的加成形成2) 卡賓和瞵的加成此方法適用于鹵素或烷氧基取代的膦鹽3. Ylid的反應(yīng)1) 與醛, 酮的反應(yīng)Wittig反應(yīng)Driving Force: 生成穩(wěn)定的三苯氧膦Wittig試劑與醛的反應(yīng)容易進(jìn)行,但與酮的反應(yīng)活性降低,有時可能不發(fā)生反應(yīng).用亞磷酸三乙酯代替三苯基膦, 可增加Ylid的活性-改進(jìn)的Wittig反應(yīng):WadsworthEmmons反應(yīng)連有烯基或苯基的Ylid與醛酮不起Wittig反應(yīng).Stereochemistry 經(jīng)Wittig反應(yīng)生成的烯烴, 其雙

34、鍵的位置完全可以預(yù)言,但烯烴的立體化學(xué)關(guān)系則比較復(fù)雜, 與反應(yīng)物及試劑的結(jié)構(gòu)有關(guān). 生成的烯烴通常是順式和反式異構(gòu)體的混合物.使用活波的Wittig試劑, 生成較多的順式烯烴.使用穩(wěn)定的Wittig試劑, 生成較多的反式烯烴.對于活波的Ylid, 生成的甜菜堿中間體是不可逆的, 動力學(xué)有利的赤式優(yōu)先生成;對于穩(wěn)定的Ylid, 生成的甜菜堿中間體是可逆的, 赤式和蘇式可以相互轉(zhuǎn)變, 使熱力學(xué)穩(wěn)定的蘇式為主要中間體, 分解成反式烯烴Wittig反應(yīng)在有機合成中的應(yīng)用 用途廣泛, 可用來合成烯烴, ,-不飽和酸, 多環(huán)化合物和天然產(chǎn)物等.2) 氧化反應(yīng)主要生成順式烯烴醇的對甲苯磺酸酯(ROTs)或鹵

35、代烷(RX)可以用DMSO氧化成醛或酮:3) 還原反應(yīng) 用LiAlH4還原Ylid, 使雜原子上的一個基團除去.4)水解反應(yīng)由以上反應(yīng)可以看出, Ylid很活波, 怕水, 氧化劑, 強還原劑,因此, Wittig反應(yīng)常常在無水無氧條件下進(jìn)行.5) 重排反應(yīng)(Stevens Rearrangement)VII. 有機化學(xué)反應(yīng)機理研究 1. 反應(yīng)機理的類型： 對于大多數(shù)有機反應(yīng)，往往可以提出不止一個反應(yīng)機理。下面幾條原則可以幫助我們判斷那些機理是合理的： 1）提出的機理應(yīng)能解釋所有已知實驗事實，同時又盡可能簡 單、易于重復(fù)和證明。 2）基元反應(yīng)應(yīng)是單分子或雙分子的，通常情況下不必考慮涉 及三個以上

36、分子的其它反應(yīng)。 3）機理的每一個步驟在能量上是允許的，化學(xué)上是合理的。 4）機理應(yīng)具有一定的預(yù)見性。當(dāng)反應(yīng)條件或反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)改 變時，應(yīng)能對新反應(yīng)的速度和產(chǎn)物的變化作出正確的預(yù)測。 一個較為正確的反應(yīng)機理應(yīng)能符合上述各條要求，而研究反應(yīng)機理一般可采用下面幾個基本步驟：提出一個與已有實驗事實及理論知識相符合的假設(shè)；2) 設(shè)計并進(jìn)行實驗以檢測所提出的機理；3) 根據(jù)實驗結(jié)果對提出的機理進(jìn)行修正和完善。 應(yīng)當(dāng)注意，對同一個實驗事實的解釋可能有多種多樣，與實驗事實相符的機理也可能不止一條，因此應(yīng)當(dāng)認(rèn)真、反復(fù)推敲，以得到滿意的、切另人信服的反應(yīng)機理。2. 確定有機反應(yīng)機理的方法 1）產(chǎn)物的鑒別 2）中

37、間體的確定：a. 中間體的分離 b. 中間體的檢測 c. 中間體的捕獲 d. 可疑中間體的合成 3）催化作用 4）同位素標(biāo)記 5）立體化學(xué) 6）化學(xué)熱力學(xué)方法 7）化學(xué)動力學(xué)方法 8）同位素效應(yīng)3. 熱力學(xué)控制和動力學(xué)控制4. 有機酸堿理論 1）Bronsted酸堿理論 立論于質(zhì)子的授受： 給出質(zhì)子的物質(zhì)為酸 Proton donor 接受質(zhì)子的物質(zhì)為堿 Proton acceptor 2) Lewis 酸堿理論 立論于電子對的授受： 給出電子對的物質(zhì)為堿 Electron donor 接受電子對的物質(zhì)為酸 Electron acceptor3. 結(jié)構(gòu)對酸堿強度的影響 1）取代基的電子效應(yīng) 2) 氫鍵 3) 空間效應(yīng)4. 軟硬酸堿理論一，下列化合物那些能形成分子內(nèi)氫鍵？練習(xí)題：二、下列各組化合物能否形成分子間 氫鍵？若有的 化，請畫出分子間 氫鍵。三、羥基異丁酸有三種可能的氫鍵， 但只有（1）和（2）是實際得到的， 請解釋原因。四，判斷下列各分子優(yōu)先質(zhì)子化的位置。五、預(yù)期下列各對反應(yīng)中，那個化合物反 應(yīng)得較快和反應(yīng)得較完全。六、將下列各組基團按誘導(dǎo)效應(yīng)增加的順序排列。七、試說明下列化合物Pka變化的傾向. 八、下列含氮化合物的Pka數(shù)據(jù)說明了什么？九、將下列各組化合物按堿性減小的順序排列。（參考酸：H+）十、在下列各組中，試確定那個是