第五章有機反應活潑中間體及在合成

第五章

有機活潑中間體及其

在有機合成中的應用第一章有機反應活潑中間體及在合成上的應用

在有機反應中，經(jīng)常出現(xiàn)的活潑中間體是卡賓、乃春、自由基、碳正離子、碳負離子（包括苯炔、葉立德）碳正離子自由基碳負離子卡賓乃春第一節(jié)：卡賓（碳烯（Carbene）

卡賓是指電中性含二價碳的化合物，如：（1,2－二卡賓）

一、卡賓的結構與形成

卡賓有二種結構：單線態(tài)：碳原子為SP2雜化，一對電子在SP2雜化軌道上，能量高，能衰變?yōu)槟芰康偷娜€態(tài)的卡賓。三線態(tài)的卡賓：碳原子為SP雜化，有二個P空軌道，并相互直，每個P軌道上有一個電子，且自旋方向相同。SP2雜化

，單線態(tài)

SP雜化，線性結構，三線態(tài)

1、雙鍵化合物分解（烯酮、重氮化合物的分解）

2α－消除反應得到三氯乙酸鈉在非質(zhì)子溶劑如1，2－二甲氧基乙烷中回流脫羧如：二卡賓的反應（強親電試劑）1、插入反應

插入反應在卡賓中較普遍存在，但在鹵代卡賓中沒有此類反應，因為鹵代卡賓的活性比卡賓低。其反應的活性順序為：:CH2>:CHCl>:CCl2>:CBr2>:CF2（X=H,Cl,O,N，etc.），碳碳鍵不能插入2、加成反應

2.1、對碳碳雙鍵的加成（協(xié)同反應，形成三元環(huán)）

單線態(tài)卡賓對雙鍵的加成保持立體專一性，而三線態(tài)卡賓則不能，一般在液相中得到的是單線態(tài)卡賓，如果在溶液中加入C6F6稀釋，則主要得到三線態(tài)卡賓，在氣相條件下，光照，如果有惰性氣體如氬氣存在下，得到的卡賓以三線態(tài)為主。若加入O2等雙自由基試劑，它們和三線態(tài)卡賓結合，留下的是單線態(tài)卡賓。

（順加成）

例：（主產(chǎn)物，加成）（副產(chǎn)物，插入）

例：烯丙基卡賓分子內(nèi)加成雙環(huán)丁烷

例：（單線態(tài)）（協(xié)同加成）

（構型保持，順式）（構型翻轉(zhuǎn)，反式）

2.2對羰基的加成3、重排反應：Wolff重排反應機理：

4、在合成上的應用例：擬除蟲菊酯的合成例：

第二節(jié)乃春(Nitrenes)

一、乃春的結構與形成

乃春與卡賓相似，是一個含氮的活性中間體，指電中性的一價氮的化合物。從結構上看，也分為單線態(tài)和雙線態(tài)。乃春可由多種有機疊氮化合物經(jīng)光或熱分解脫氮氣而產(chǎn)生。1、烷基和芳基乃春的產(chǎn)生2、由疊氮基甲酸酯（azidoformates）分解

其制備過程為：采用酰氯與疊氮鈉反應制得。如：（氯甲酸乙酯）（疊氮基甲酸酯）3、消除反應

烷氧羰酰乃春由N－（對硝基苯磺酰氧基）胺基甲酸酯在堿存在下消除反應得到：

烷氧基羰酰乃春二、乃春的反應主要反應有：得氫、插入、環(huán)化、二聚、重排等。1.得氫反應：ArN:+2RH---------ArNH2+R-R2.插入反應：（主產(chǎn)物）（伯：仲：叔＝1：10：30）3.環(huán)化反應

單線態(tài)乃春為協(xié)同反應，烯烴的順反構型保持，而三線態(tài)乃春為雙自由基，反應為分步進行的，由于σ鍵的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)物為順反異構體的混合物：4.二聚反應：5.重排反應：

乃春相關的重排反應有霍夫曼重排、洛森重排、克蒂斯重排反應。5.1霍夫曼（Hoffmann）重排酰胺在次鹵酸鈉的堿溶液中，重排生成第一胺的反應，反應歷程：5.2、洛森（lossen）重排：異羥肟酸及其乙?；苌镉袕妷A作用下，得到第一胺的重排反應：5.3、克蒂斯（Curtis）重排反應

酰基疊氮化物熱分解得到?；舜?，再重排得到異氰酸酯的反應：一個具有殺蟲活性的氨基甲酸酯化合物過程如下：

乃春在芳環(huán)鄰位是不飽和支鏈時，極易環(huán)化成五元環(huán)，這一性質(zhì)對雜環(huán)的合成具有重要意義：

參考文獻：徐曉慧，殷平，胡玉才，唐清華，包沖榮.有機活性中間體氮烯的反應性及應用研究[J]，化工時刊，2007,21（10）：67-70第三節(jié)：自由基

自由基是共價鍵發(fā)生均裂，每個碎片各保留一個電子，是帶單電子的三價碳的化合物。一、自由基的結構和形成

1、自由基的結構：

甲基自由基、含共軛結構的自由基是SP2雜化。平面型結構，自由電子在空的P軌道上，叔丁基自由基是角錐型，為SP3構型，其反轉(zhuǎn)的能量很低，一般約2.5cal/mol，其反轉(zhuǎn)經(jīng)平面型的SP2構型。當這種反轉(zhuǎn)速度沒有反應速度快時，產(chǎn)物有旋光性；反之，得到外消旋產(chǎn)物。α=－1.45o外消旋產(chǎn)物

2、自由基的穩(wěn)定性：

若自由基中的電子能與π電子形成P-π共軛體系，這樣的自由基較穩(wěn)定：3、自由基的形成

(1)熱均裂反應有機的過氧化物或有機偶氮化合物在加熱時均裂形成自由基，常作為自由基反應的引發(fā)劑，如：（過氧化苯甲酰）、PBO

（偶氮二異丁氰）(2)輻射均裂反應：共價鍵的化合物，在紫外光X-射線、γ－射線的輻射下，引起鍵均裂。如：有機汞化合物光分解如：

(3)單電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應

可變價的無機離子如：Cu、Fe、Co等由于他們得到或失去一個電子而生成自由基如：

過氧化叔丁醇二、自由基的反應

1、鏈反應機理

鏈引發(fā)：鏈增長：

鏈終止：2、烴的鹵代反應

鹵代反應通常指烴的氯化和溴化。而氟代反應太激烈，碘代反應速度慢且不能進行到底。常用的原料是氯氣、溴素。但有時使用其替代物反應更溫和，而且副反應少，收率高。

烯丙基或芐基鹵化物常采用NBS、NCS、Me3COCl（次氯酸叔丁酯）作鹵化試劑，它們是一種溫和的鹵化試劑、均只發(fā)生α－氫的取代反應不發(fā)生烯烴的加成反應。

（N-溴代（氯代）丁二酰亞胺）

3、自由基加成反應

在四種鹵化氫中，只有溴化氫與烯烴的加成能按自由基歷程進行，即加成產(chǎn)物不符合馬科尼科夫規(guī)律。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在黑暗、無過氧化物存在下，與溴化氫加成符合馬氏規(guī)則。若在空氣中暴露或光照下與溴化氫所起的加成反應是不符合馬氏規(guī)則產(chǎn)物。（1,3－二溴丙烷，反馬氏產(chǎn)物）自由基歷程：為什么僅僅HBr具有過氧化物效應？這是因為在鏈式反應中，鏈傳遞的兩步反應必須是放熱反應，否則，鏈的傳遞將發(fā)生困難。表：鹵化氫的鏈傳遞反應焓變：ΔH(KJ/mol)HF－222＋151HCl－75＋17HBr－21－50HI＋50－117

除HBr能和烯烴發(fā)生自由基加成外，羧酸衍生物，特別是含活潑氫的羧酸衍生物如：丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯、氯乙酸乙酯等，也能和烯烴發(fā)生自由基加成，如：例：殺蟲劑毒死蜱的合成：

4、自氧化反應

分子氧對有機物進行的氧化反應稱之為自氧化反應。自氧化反應具有重要的實際意義，如油漆的干燥、橡膠的老化、暴露空氣中食物的變質(zhì)等都與自氧化反應有關。為阻止有機物因自氧化反應而遭破壞。常加入阻止氧化反應的物質(zhì)如對苯二酚抗氧化劑。如苯甲醛很易被空氣氧化成苯甲酸，如加入0.001％的對苯二酚就可阻止反應發(fā)生：再如：機理如下：5、自由基重排反應自由基重排反應沒有碳正離子那樣普遍，但在某些情況下自由基確實發(fā)生了重排。例：例：(重排產(chǎn)物)例：第四節(jié)碳正離子

一、碳正離子的結構及穩(wěn)定性1、經(jīng)典碳正離子：結構可用經(jīng)典的lewis式表示的碳正離子

碳正離子的中心原子一般為SP2雜化，P軌道為空軌道。碳正離子的穩(wěn)定性順序為：叔碳>仲碳>伯碳

能產(chǎn)生P－π共軛的碳正離子較穩(wěn)定。幾種穩(wěn)定的正碳離子：

二、非經(jīng)典碳正離子

非經(jīng)典碳正離子不能用Lewis結構式來表示1、烯丙基型非經(jīng)典碳正離子（碳碳雙鍵作為鄰基參與）反式－7－原冰片烯基對甲苯磺酸酯（反式，構型保持）反式的速度是順式的107倍，而順式不僅速度慢，而且得到仍然是反式產(chǎn)物。

反式碳碳雙鍵可以形成π32的非經(jīng)典碳正離子，所以反式速度快順式－7－原冰片烯基對甲苯磺酸酯

2、螺環(huán)形碳正離子下列化合物水解產(chǎn)物很難用經(jīng)典的碳正離子加以解釋

85％二、碳正離子的反應1、親核取代反應

SN1歷程：正碳離子歷程，構型消旋化，SN2歷程，分子過渡態(tài)，構型翻轉(zhuǎn)。

離子對歷程：將兩極端歷程融合為一個歷程加以解釋：實際過程為SN1、SN2歷程都不同程度存在。

2、重排反應3、β－消除反應

在親核取代反應的同時，常伴有消除反應，特別是叔鹵代烴。如：

當X＝NR3時，幾乎全為消除產(chǎn)物?；舴蚵驮啦煞蛳?/p>

扎依采夫消除規(guī)律：一般情況下，仲、叔鹵代烴的β消除得到主產(chǎn)物為碳碳雙鍵上烷基最多的烯烴?；舴蚵?guī)律：

從季胺堿或锍堿加熱消除得到的主產(chǎn)物為雙鍵烷基最少的烯烴。

4、烯烴的親電加成反應

HX對烯烴的加成，在一般情況下，HX分子中的質(zhì)子與碳碳雙鍵上的π電子結合形成最穩(wěn)定的碳正離子，這就是馬爾尼可夫規(guī)則。

若在自由基引發(fā)劑（有氧或少量過氧化物）情況下，溴化氫的加成是反馬氏加成：5、芳香族親電取代反應如：硝化、磺化反應、F－C反應：R+、RCO+、鹵化（Cl2、Br2）等。

第五節(jié)碳負離子（Carbenion）（活潑亞甲基）和葉立德1、碳負離子結構與穩(wěn)定性

一般碳負離子與相鄰基團易形成共軛大π鍵時，結構穩(wěn)定，取SP2雜化的平面構型，而簡單的碳負離子類似于氨或胺結構，取SP3雜化的錐型結構。但能自動翻轉(zhuǎn)達到平衡。

穩(wěn)定性：(1)p－π或π－π共軛效應在碳負離子所連的α碳原子上如有不飽和鍵，可使其穩(wěn)定，如

（2）S成分效應

碳負離子穩(wěn)定性隨S成分的增加而增加如：（3）、誘導效應

當碳原子連有吸電子基團是，碳負離子的穩(wěn)定性增加。如：（4）芳香性共平面的環(huán)狀烯烴負離子的π電子數(shù)符合4n＋2時，負離子有芳香性，穩(wěn)定2、碳負離子的反應

2.1、飽和碳原子上的親核取代反應

丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯和類似β－二羰基化合物（1，3二羰基化合物）的烷基化反應，在有機合成上非常重要。例：巴比妥酸例：（杜冷?。?.2、羰基α位的取代反應－烯胺（Enamine）

烯胺的結構中，由于N的孤對電子的P-π共軛結果，使得原來羰基的“α”碳的電負性增大，親核性增強。同時，由于烯胺很容易水解成羰基化合物，因而在有機合成上有著非常廣泛的用途。

例：例：例：

（嗎啉）

制備：采用羰基化合物在酸催化下脫水反應得到：2.3烯胺的反應及在有機合成中的應用（羰基的α－位活化）：

（1）烴化：

（席夫堿）例：

（2）?；磻?/p>

（3）邁克加成反應（提高邁克加成反應的活性）（烴基化反應）

例：

例：

2.3、法伏爾斯基（Favorskii）重排反應

α－鹵代酮在強堿條件下，重排成羧酸或酯的反應。

歷程：若用OH－替代CH3O－，產(chǎn)物為羧酸，如：

當α－鹵代酮的α，位無酸性氫時，在醇、堿作用下，也可重排，稱似法沃斯基重排：

歷程：

例如：

2.4、邁克爾（Michael）加成反應

碳負離子中間體對α，β－不飽和醛酮的1,4加成反應:

例：

例：

通常用胺甲基化反應來制備α，β－不飽和醛酮，作為邁克爾反應的原料，稱之為邁尼絲堿（Mannich）。如：

（制成季胺鹽更容易發(fā)生消除反應）

邁尼絲堿（Mannich）例：

例：色胺酸的合成如下（色氨酸）

吲跺2.5羥醛縮合反應

在堿性催化下，具有α－氫的醛酮可以與另一個分子醛酮的羰基加成而得到β－羥基醛酮的反應稱羥醛縮合反應。（有順反異構，但反式E為主）

（多巴胺）擴展到含活性氫化合物

如若其中一個分子沒有α－氫，不同的醛酮之間的縮合稱之為克萊森－施米特縮合反應（Claisen－Schmidt）縮合

含活潑亞甲基化合物在胺或氨（仲胺）催化下發(fā)生的與醛酮的縮合稱之為克諾芬蓋爾縮合（Knoevenagel）如:

例：例：

若改為丁二酸二乙酯，在強堿催化下與醛酮或酮的羥醛縮合稱之為斯托布（Stobbe）反應：

在強堿存在下，α－鹵代酸酯與醛酮縮合得到α，β－環(huán)氧化酯稱之為達森反應（Darzen,s）,機理如下：

例:例:（香料）（甲基壬基乙醛）

例：在強堿存在下，含活潑氫的酯與酯縮合稱之為克萊森酯縮合反應：例：

若克萊酯縮合發(fā)生在分子內(nèi)稱之為迪克曼酯縮合（Dieckmann）如:

例：例：例：例：

酸酐在同一種酸的鈉或鉀鹽存在下，產(chǎn)生碳負離子，再與芳醛反應，產(chǎn)生的羥醛型縮合反應稱之為柏金反應（Perkin）：（碘番酸，膽道造影藥物）

二、葉立德（Ylides）

葉立德是指一個帶正電荷的雜原子（一般是五、六族元素）和一個碳負離子相連的化合物，通式為:

磷葉立德；砷葉立德；碲葉立德；硫葉立德；氮葉立德也可以用雙鍵表示為：

葉立德不是真正意義上的碳負離子，但它們發(fā)生的反應都類似于碳負離子，是強親核試劑，如著名的維狄希試劑（Wittig）反應就是磷葉立德與醛酮的反應。到目前為止，葉立德的重要反應仍在不斷涌現(xiàn)，特別是硫、氮葉立德在有機合成中所起的重要作用更引人注目。1、翁內(nèi)鹽的形成1.1、由翁鹽除去質(zhì)子

形成的難易程度，取決于碳負離子的穩(wěn)定性，或決定于被除去的質(zhì)子的酸性。酸性越強，越易除去。例如：1.2、卡賓直接和膦反應1.3、碳負離子和乙烯基磷離子的加成2、翁內(nèi)鹽的結構

X衍射研究表明：與雜原子相鄰的碳是平面型結構。C－P鍵長為1.7à，比正常C－P單鍵1.87à短。這表明，C－P之間有雙鍵的成分。主要是填滿的2P軌道與d的空軌道有重疊的緣故。

3、翁內(nèi)鹽的反應3.1、磷葉立德3.1.1與醛酮的反應（Wittig反應）

碳負離子進攻醛酮的羰基碳，得到兩性離子中間體，此時，氧再和磷配位形成膦化氧和烯烴：例：例：

維狄希反應對許多采用別的方法難以合成的天然產(chǎn)物如：萜類、多烯類化合物的合成上非常有用。例如，合成棉鈴蟲性信息素：（7Z,11E）-7,11－十六碳二烯基乙酸酯合成：

采用膦酸酯來制備葉立德是對維狄希試劑的改進和發(fā)展，成為霍納－艾蒙斯（Horner－Emmons）反應，其特點是制備方便，副產(chǎn)物溶