高等有機第五章-活潑中間體

一、碳正離子1、碳正離子的結(jié)構(gòu)溶劑解Solvent+碳正離子結(jié)構(gòu)：sp2(平面)或sp3(快速翻轉(zhuǎn)角錐型)Ag+/H2O100℃橋頭鹵素不活潑可解釋為雙環(huán)體系不能形成平面的碳正離子。外消旋體第五章有機反應(yīng)中的活潑中間體1(CH3)3CX溶劑解V相10-310-710-131

中間體成為平面結(jié)構(gòu)的可能性越來越小2、碳正離子穩(wěn)定性影響碳正離子穩(wěn)定性的因素有幾方面：（1）溶劑效應(yīng)解離能：水中：20Kcalmol-1氣相：200Kcalmol-1溶劑的極性對穩(wěn)定碳正離子起重要作用，極性溶劑可通過溶劑化效應(yīng)穩(wěn)定離子中間體。2（2）電子效應(yīng)由于R的+I、+C超共軛效應(yīng)，所以穩(wěn)定性：R3C+>R2CH+>RCH2+>CH3+H2SO4NMR顯示只有三種氫，六個甲基質(zhì)子，四個亞甲基質(zhì)子，一個次甲基質(zhì)子，證明正電荷是離域的。與雙鍵共軛的碳正離子由于共軛離域而穩(wěn)定性增加。3Ph3C—ClSbF6-Ph3C+SbF6-H2SO4FSO3H—SO2—SbF5很多芐基正離子可在溶液中制成六氟化銻（SbF6-)鹽：超酸環(huán)丙基甲基碳正離子甚至比芐基型更穩(wěn)定：4環(huán)丙基甲基碳正離子的穩(wěn)定性是由碳正離子p空軌道與環(huán)丙基彎曲的C-C鍵共軛而產(chǎn)生。研究表明p空軌道與環(huán)丙基C2-C3鍵平行，這種穩(wěn)定性是環(huán)丙烷獨有的。雜原子的孤對電子對碳正離子起共振穩(wěn)定作用。簡單酰基正離子在溶液中及固體狀態(tài)下均已被制備。CH3CO+

穩(wěn)定性與t-Bu+類似。由于空間因素，2，4，6－三甲基苯甲酰和2，3，4，5，6－五甲基苯甲酰正離子特別穩(wěn)定，它們在95％硫酸中很易生成。5很不穩(wěn)定，電荷無法離域（3）空間效應(yīng)中間體張力減小，反應(yīng)速度快。當(dāng)完全失去共振的可能性，碳正離子穩(wěn)定性很差，如烯基和芳基正離子。氯代叔丁烷中，由于氯原子體積大使三個甲基彼此靠近而產(chǎn)生張力。6中間體張力增大，反應(yīng)速度慢。3、非經(jīng)典碳正離子經(jīng)典碳正離子，正電荷定域在一個碳原子或離域在共軛體系中。例如，R3C+電荷離域在共軛體系7另一類具有二電子三中心的碳正離子稱非經(jīng)典碳正離子.下列化合物乙酸解反應(yīng)速度：8解釋：同步在超酸中研究中間體的1HNMR,C2,C3上的質(zhì)子有相同的化學(xué)位移，且在低場。先電離后生成非經(jīng)典碳正離子9例：外－原冰片酯的溶劑解反應(yīng)是s參與的實例，首例C-Cs鍵的鄰助效應(yīng)是Winstein在1949年發(fā)現(xiàn)的。外型異構(gòu)體溶劑解速度比內(nèi)型快350倍，無論外型、內(nèi)型異構(gòu)體均得到>99.9%的外型產(chǎn)物，且光活性外型異構(gòu)體反應(yīng)后得到完全消旋化的產(chǎn)物，而光活性內(nèi)型異構(gòu)體反應(yīng)產(chǎn)物仍然有部分旋光。10Winstein認(rèn)為外型異構(gòu)體通過1,6-s鍵參與幫助離去基離去，并形成一非經(jīng)典正離子中間體。在強親核溶劑中，由內(nèi)型異構(gòu)體得到的外型產(chǎn)物約87％消旋。因為內(nèi)型異構(gòu)體最初形成經(jīng)典碳正離子，在重排成非經(jīng)典正離子前的短暫時間內(nèi)，溶劑只能從外側(cè)進(jìn)攻C2，得到一種構(gòu)型的外型產(chǎn)物。溶劑的親核性越弱，消旋的比例越大，因親核試劑進(jìn)攻慢，則由重排后的非經(jīng)典正離子生成的外消旋體增多。114、碳正離子的反應(yīng)（1）與親核試劑結(jié)合成取代產(chǎn)物（2）消除去質(zhì)子（α,β—H）（3）重排成新的碳正離子12反應(yīng)中形成的碳正離子的穩(wěn)定性一般會影響不同產(chǎn)物的比例及產(chǎn)物的立體化學(xué)。伯胺重氮化脫氨基的反應(yīng)，常生成短壽命的碳正離子。將(+)-1,1-二苯基-2-氨基丙醇的兩個苯環(huán)之一用14C標(biāo)記，此化合物重氮化反應(yīng)，得到的產(chǎn)物a-苯乙基苯基酮中有88%的產(chǎn)物發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，12%產(chǎn)物構(gòu)型保持，并且所有構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物均由14C標(biāo)記的苯環(huán)遷移，而所有構(gòu)型保持的產(chǎn)物均由非標(biāo)記的苯環(huán)遷移。手性碳構(gòu)型翻轉(zhuǎn)手性碳構(gòu)型保持13I為最穩(wěn)定構(gòu)象，因為兩個大基團苯基均與氫原子相鄰。碳正離子形成后，仲碳正離子不夠穩(wěn)定，壽命短，苯基遷移之前C1-C2鍵來不及旋轉(zhuǎn)，處于氨基反式的Ph*遷移,使C2構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，非標(biāo)記Ph處于氨基順式，遷移得到構(gòu)型保持產(chǎn)物。上述反應(yīng)結(jié)果可用原料的穩(wěn)定構(gòu)象解釋：1,1—二苯基—2—氨基丙醇：14（蘇式〕1—胺基—1—苯基—2—對甲苯基丙醇－2優(yōu)勢構(gòu)象為：重氮化后形成的碳正離子可被苯環(huán)穩(wěn)定，有較長壽命，基團遷移前C-C鍵可以旋轉(zhuǎn)，從而形成的產(chǎn)物58%構(gòu)型保持，42%構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。15二、碳負(fù)離子碳負(fù)離子由于碳的電子云密度高，與之相連的質(zhì)子在NMR譜中移向高場。3.15ppm5.82ppm3.5ppm均在5.61ppm6ppm16烷基負(fù)離子有兩種可能結(jié)構(gòu)：平面的sp2和錐體sp3雜化構(gòu)型。簡單碳負(fù)離子沒有被離析，其結(jié)構(gòu)并不確定，但橋頭碳負(fù)離子容易形成支持sp3雜化構(gòu)型。在sp3雜化錐體構(gòu)型中，孤對電子與其它三對成鍵電子間斥力最小。0℃

-78℃

50%60%50%40%1.碳負(fù)離子的結(jié)構(gòu)光活性2-辛基鋰與CO2反應(yīng)結(jié)果可用迅速翻轉(zhuǎn)的角錐型碳負(fù)離子中間體解釋：17三元環(huán)碳負(fù)離子由于翻轉(zhuǎn)能壘增加，實際得到構(gòu)型保持的產(chǎn)物：與碳正離子不同，橋頭碳負(fù)離子容易形成：與不飽和鍵通過p-p共軛而穩(wěn)定的碳負(fù)離子基本是平面結(jié)構(gòu)，這是由于軌道重疊的要求。182、碳負(fù)離子穩(wěn)定性碳負(fù)離子的相對穩(wěn)定性可用它們的共軛酸酸度來表示。共軛酸酸性越強，形成的碳負(fù)離子越穩(wěn)定。（1）雜化狀態(tài)的影響C-H酸性：sp>sp2>sp3

，如：乙烷乙烯乙炔Pka4236.525

三種環(huán)均為sp3

雜化，但小環(huán)由于角張力，碳為不等性雜化，C-C鍵P成份多，C—H鍵的S成份更多。（P成分越多，鍵越易彎曲。）C—H鍵的S成份越多，酸性越強。<a-H酸性:<19（2）誘導(dǎo)效應(yīng)碳負(fù)離子的鄰近有吸電子基團可增加其穩(wěn)定性。（3）電荷的離域碳負(fù)離子與p體系相連可使負(fù)電荷離域:堿D2O20Ylide是由于碳負(fù)離子向相鄰原子的d軌道離域而穩(wěn)定：一些具有芳香性的負(fù)離子可在溶液中或以固體鹽的形成穩(wěn)定存在。21p軌道有時在不相鄰的兩個碳之間也可發(fā)生重疊：雙環(huán)[3,2,1]-2,6－辛二烯在堿作用下形成雙同環(huán)戊二烯負(fù)離子.（雙同表示芳香體系插入兩個飽和碳〕NMR中化學(xué)位移數(shù)據(jù)與負(fù)電荷在C6,C7上離域一致，由于負(fù)電荷離域使C6,C7質(zhì)子移向高場，而C2和C4因共振成為相同化學(xué)位移，且是環(huán)中質(zhì)子化學(xué)位移最小的質(zhì)子。22（4）溶劑效應(yīng)溶劑對穩(wěn)定各種離子均起十分重要的作用。酸性氣態(tài)：溶液中：極性質(zhì)子溶劑：通過正離子與未共用電子對間的相互作用使正離子溶劑化，通過氫鍵使負(fù)離子溶劑化。極性非質(zhì)子溶劑能有效穩(wěn)定正離子而不能溶劑化負(fù)離子，碳負(fù)離子在極性非質(zhì)子溶劑中很活潑。消旋化和重氫交換K相對

98.5%DMSO,1.5%CH3OH純CH3OH108

1233、碳負(fù)離子的反應(yīng)以碳負(fù)離子為中間體的有機反應(yīng)極其普遍，如b-二羰基化合物的烷基化，羰基a-位取代，Micheal加成，羥醛縮合，消除反應(yīng)等。碳負(fù)離子重排現(xiàn)象不常見，芐基醚在強堿作用下發(fā)生Wittig重排。三、自由基自由基反應(yīng)往往與溶劑極性無關(guān)，反應(yīng)常常容易在氣相進(jìn)行，酸堿催化也不起作用。自由基反應(yīng)常常對含氧、氮、硫等化合物非常敏感，因為這些化合物可與活潑自由基反應(yīng)形成不活潑自由基而阻止反應(yīng)，這些特點有助于反應(yīng)機理的判斷。24１、檢測

電子順磁共振(EPR：Electronparamagneticresonance)自由基的特點是具有未成對電子的順磁物質(zhì)，未偶電子在磁場中有兩種可能的能態(tài)，這兩種能態(tài)的能量差DE隨外磁場強度而增加：2、穩(wěn)定性叔>仲>伯>CH3DE=hv=gbHg光譜分裂因子,b

波爾磁子，H磁場強度當(dāng)外加能量符合上述關(guān)系即發(fā)生能量吸收，產(chǎn)生磁能級間躍遷。R自由基的穩(wěn)定性順序與R-H鍵解離能順序相反。當(dāng)可能存在共振離域時，自由基穩(wěn)定性增加。芐基和烯丙基自由基穩(wěn)定性大于烷基自由基，但仍為瞬間存在。25共平面性I>II>III

空間位阻I<II<III

共振穩(wěn)定性I>II>III

二聚容易程度I>II>III說明自由基二聚難易主要由空間位阻決定。三苯甲基游離基室溫下能在溶液中存在。雖然三苯甲基游離基由于電子離域而穩(wěn)定，但空阻大是其二聚困難的主要原因。IIIIII26①EtMgX②H2O一些氮自由基很穩(wěn)定，如二苯基三硝基苯基偶氮游離基是固體，可保存幾年。一些亞硝基游離基可發(fā)生反應(yīng)而不影響自由基的孤對電子。273、自由基結(jié)構(gòu)：SP2，SP3

均有可能例如，光活性醛經(jīng)自由基反應(yīng)得外消旋產(chǎn)物，表明自由基可能為SP2或迅速翻轉(zhuǎn)的SP3雜化。28R·+R1HR1·+RH(2)加成R·+(3)氧化還原Cu2+可將R·氧化為R+(1)取代4、自由基反應(yīng)29酚類化合物容易被Fe3+,Pb4+,Ce3+,MnO4氧化成苯氧基自由基，苯氧基自由基進(jìn)一步與另一分子酚類化合物發(fā)生偶聯(lián)。(4)重排反應(yīng)與碳正離子重排和鄰基參與不同，在自由基化學(xué)中不發(fā)生烷基和氫原子的1,2-遷移。自由基和碳正離子化學(xué)行為的差別可從分子軌道來解釋：烷基遷移的過渡態(tài)包括一個三中心鍵，在碳正離子重排中，此過渡態(tài)是二電子三中心環(huán)狀體系，對自由基則是三電子、三中心的環(huán)狀體系。一個三中心的環(huán)狀體系只有一個成鍵分子軌道，二電子結(jié)構(gòu)比三電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。30四、卡賓卡賓是碳原子上含有二個未成鍵電子的活潑中間體。1、結(jié)構(gòu)芳基遷移不需包括三中心成鍵，因電子可離域到苯環(huán)上，因此，芳基自由基重排很普遍。1,5-氫重排是通過六元環(huán)過渡態(tài)發(fā)生的分子內(nèi)SH2反應(yīng)：31三線態(tài)三線態(tài)能量更低，剛生成的卡賓是單線態(tài)。若其壽命長，會轉(zhuǎn)化為三線態(tài)。2、卡賓的生成1)鹵代烴脫鹵化氫2)重氮化物的分解CHCl3OH-Δorhv兩電子成對占據(jù)一個SP2軌道單線態(tài)兩電子分別占據(jù)兩個P軌道32CH2N2hvΔorhv3)烯酮光解hv+CO4)亞胺鹽脫質(zhì)子333、卡賓的穩(wěn)定性分類：親電卡賓親核卡賓兩親卡賓親電卡賓：親電卡賓壽命小于1秒，目前尚無方法離析。親核卡賓：34親核卡賓相對穩(wěn)定得多,自1991年ArduengoIII離析出第一個穩(wěn)定的咪唑啉卡賓以來，已有數(shù)個穩(wěn)定的親核卡賓被制備并通過X-衍射確定結(jié)構(gòu)。Ad

=

1991年，JArduengo制得354、親電卡賓的反應(yīng)1)插入反應(yīng)++++1.01.511.221.05親電卡賓的活性36三線態(tài)活性低，插入反應(yīng)選擇性好。對叔C－H的插入比伯C－H快４倍。對3級C－H的插入是對1級C－H插入速度的20倍二鹵卡賓活性更低，主要插入PhCH2－H,而對其它C－H鍵的插入很少見。37卡賓可插入C－O，C－Cl，C－Br，不插入C－Cs鍵。+60%40%++烷基卡賓優(yōu)先進(jìn)行分子內(nèi)插入反應(yīng)，反應(yīng)常常發(fā)生在b或g－碳，分別形成烯或環(huán)丙烷。分子內(nèi)插入可得到一些高張力分子。bC-HgC-H38392)加成反應(yīng)+單線態(tài)卡賓與烯烴加成是協(xié)同反應(yīng)，是立體專一性加成。