第四章有機活性中間體匯總

有機活性中間體碳正離子碳負(fù)離子自由基卡賓、氮烯及類卡賓非經(jīng)典碳正離子自由基離子有機活潑中間體苯炔常見的有機活性中間體碳正離子（Carbocation）碳正離子的結(jié)構(gòu)平面形碳正離子的取代基空間相隔較遠(yuǎn)，而且空p軌道兩側(cè)都能受溶劑化影響而得到穩(wěn)定，特別是烯丙基型的碳正離子只有保持平面形才能和p體系有效重疊，使正電荷有效離域，因此，平面形碳正離子穩(wěn)定性更好。平面形角錐形sp2sp3★碳正離子穩(wěn)定性空的p軌道被非鍵孤對電子所穩(wěn)定和p鍵共軛被s鍵所穩(wěn)定（超共軛hyperconjugation

）成為芳香體系的一部分A.孤對電子對碳正離子的穩(wěn)定化作用當(dāng)非鍵孤對電子軌道和空的p軌道重疊后，產(chǎn)生一個新的成鍵分子軌道（bondingMO）和反鍵分子軌道(antibondingMO)，兩個電子填充到成鍵軌道，體系能量下降。下降的能量叫穩(wěn)定化能(stabilizationenergy)。成鍵軌道反鍵軌道共振論的解釋：雜原子上的孤對電子對碳正離子的穩(wěn)定化作用是最強的穩(wěn)定化作用，強于p-p共軛、超共軛等等例如：八隅率如果幾何張力使得孤對電子和空的p軌道不能有效重疊，那么孤對電子就不能有效的穩(wěn)定碳正離子，例如：孤對電子的穩(wěn)定化能力：A.隨著雜原子周期數(shù)的增加，穩(wěn)定化作用減弱B.同周期元素向右穩(wěn)定化作用減弱B.p鍵電子對碳正離子的穩(wěn)定化作用成鍵軌道反鍵軌道碳碳雙鍵也是穩(wěn)定碳正離子的重要途徑（碳氧雙鍵和碳氮雙鍵會使碳正離子去穩(wěn)定化）。芳香環(huán)能很好的穩(wěn)定碳正離子。幾何張力同樣會阻止p電子和p電子的有效重疊。較穩(wěn)定的烯丙基碳正離子和芐基正離子：C.超共軛(hyperconjugation)s鍵和空的p軌道發(fā)生部分重疊（超共軛），從而對碳正離子起到穩(wěn)定化作用。參與超共軛的s鍵越多，穩(wěn)定化作用越大。碳正離子穩(wěn)定性：參與超共軛的s鍵越多，相應(yīng)的碳正離子越穩(wěn)定9個s鍵參與超共軛6個s鍵參與超共軛3個s鍵參與超共軛3o>2o>1o碳正離子穩(wěn)定化作用的相對大小：n-p共軛p-p共軛超共軛穩(wěn)定化作用的相對強弱是：n>p>s。這是由于填充軌道和空的p軌道線性組合時，能量越接近穩(wěn)定化能越大。D.成為芳香體系的一部分troplylium碳正離子中的空p軌道，成為芳香體系的一部分，也可以明顯的穩(wěn)定碳正離子。相反的，如果碳正離子中的空p軌道是反芳香性體系的一部分，會明顯的使碳正離子去穩(wěn)定化。反芳香性antiaromatic烯基、炔基和芳基碳正離子：烯基、炔基和芳基碳正離子通常要比烷基碳正離子更不穩(wěn)定烯基、炔基和芳基碳正離子穩(wěn)定性順序：碳正離子的生成方法A.碳-雜原子鍵的異裂B.不飽和鍵和酸（質(zhì)子酸或Lewis酸）作用C.重氮鹽脫氮氣碳正離子發(fā)生的反應(yīng)A.與親核試劑的反應(yīng)B.碎裂反應(yīng)生成含有不飽和鍵的化合物C.重排反應(yīng)與親核試劑的反應(yīng)碎裂反應(yīng)（

Fragmentation）碎裂反應(yīng)中常失去的電正性碎片有：質(zhì)子、碳正離子、SiR3和SnR3等重排反應(yīng)(Rearrangement)通常來說，碳正離子通過重排生成更穩(wěn)定的碳正離子，在高溫下也可以重排成不穩(wěn)定的碳正離子。常見的碳正離子重排有：1,2-氫遷移和1,2-烷基遷移重排反應(yīng)的立體化學(xué)1,2-氫遷移和1,2-烷基遷移的立體化學(xué)要求是：反式共平面遷移★非經(jīng)典碳正離子1.鄰基參與（Neighboring-GroupParticipation）兩種順反異構(gòu)體發(fā)生溶劑解，反應(yīng)速率有明顯不同，反式異構(gòu)體的反應(yīng)速率是順式的660倍。而且產(chǎn)物的立體化學(xué)完全不同。k=1krel=660鄰基參與的機理解釋如果在乙醇中進行該反應(yīng)，可以捕獲到中間體，是鄰基參與的重要證據(jù)?！稃u素鄰基參與其它含有孤對電子的原子也有可能作為鄰基（如O-，R3N），協(xié)助反應(yīng)★芳基或雙鍵參與苯鎓離子★s鍵參與——非經(jīng)典碳正離子（NonclassicalCarbocations）實驗現(xiàn)象：exoendo1.exo-降冰片磺酸酯反應(yīng)速率比endo快350倍2.產(chǎn)物都是exo3.光學(xué)純的exo降冰片磺酸酯得到完全外消旋產(chǎn)物，而endo化合物發(fā)生93%外消旋非經(jīng)典碳正離子：非經(jīng)典碳正離子的存在證明：通過X-衍射顯示，C1-C6鍵被明顯拉長（1.74?），而C1-C2鍵有一定程度的縮短（1.44?）。C2到C6之間的距離，從原來的2.50?縮短到2.09?。這些數(shù)據(jù)明顯說明部分形成了三中心二電子的橋狀結(jié)構(gòu)。其它非經(jīng)典碳正離子：經(jīng)由碳正離子中間體的命名反應(yīng)A:B:C:D:E:碳負(fù)離子（carbanion）碳負(fù)離子的結(jié)構(gòu)平面形角錐形sp2sp3在角錐形結(jié)構(gòu)中，孤對電子和與其它成鍵電子之間的斥力較小，因此，碳負(fù)離子在更多場合下是取角錐形構(gòu)型的。碳負(fù)離子一般存在于有機金屬化合物中，但是很多碳-金屬鍵都是共價鍵，并不存在碳負(fù)離子。碳負(fù)離子通常存在于較活潑有機金屬化合物中，而且還和烴基的結(jié)構(gòu)和溶劑有關(guān)。簡單碳負(fù)離子的穩(wěn)定性：R-基團越穩(wěn)定越趨向于和金屬鋰形成有機鋰化合物。研究發(fā)現(xiàn)碳負(fù)離子的穩(wěn)定性為：穩(wěn)定性總體順序為：穩(wěn)定碳負(fù)離子的因素：1.和不飽和鍵共軛（Conjugation）：不飽和鍵（雙鍵或叁鍵）和孤對電子所在p軌道發(fā)生重疊，從而使負(fù)電荷分散在多個原子上，可以明顯的穩(wěn)定碳負(fù)離子。共軛越多，穩(wěn)定性越強碳雜原子不飽和鍵能顯著穩(wěn)定碳負(fù)離子：由于雜原子的電負(fù)性比較大，能較好的穩(wěn)定負(fù)電荷，能在共振雜化體中生成較穩(wěn)定的共振式。這種穩(wěn)定化作用要強于多芳基甲烷碳負(fù)離子。碳原子雜化方式能穩(wěn)定碳負(fù)離子：碳原子雜化方式中s成分越大，穩(wěn)定負(fù)電荷的能力越強。sp3雜化中s成分為25%；sp2雜化中s成分為33%；sp雜化中s成分為50%。因此，sp雜化碳原子具有較高的負(fù)電荷穩(wěn)定能力。例如：硫原子和磷原子能穩(wěn)定碳負(fù)離子：硫原子或磷原子與碳負(fù)離子相連能起到顯著地穩(wěn)定化作用，其可能的原因是孤對電子所在p軌道能和硫原子或磷原子空的d軌道重疊，從而穩(wěn)定。硅原子也能穩(wěn)定碳負(fù)離子。場效應(yīng)穩(wěn)定碳負(fù)離子：成為芳香體系的一部分：非鄰近雙鍵穩(wěn)定碳負(fù)離子：穩(wěn)定碳負(fù)離子的原子和官能團：碳負(fù)離子的產(chǎn)生方法：A.堿性條件下脫質(zhì)子：B.脫二氧化碳：C.負(fù)離子對不飽和鍵加成：碳負(fù)離子的反應(yīng)：A.Lewis酸堿反應(yīng)：B.親核取代反應(yīng)：C.加成反應(yīng)：D.重排或氧化成自由基：自由基（FreeRadical）自由基的結(jié)構(gòu)平面形角錐形sp2sp3▲自由基的這兩種結(jié)構(gòu)形式之間的能量水平相差不大，一般認(rèn)為平面形的更穩(wěn)定一點；▲與高電負(fù)性原子相連的碳自由基傾向于角錐形，CF3·；▲具有共振的自由基必定為平面型；▲自由基?？稍跇蝾^形成，但比形成相應(yīng)的開鏈自由基慢自由基中存在一個或多個未成對電子，通常是缺電子中間體。但是，由于自由基中不帶有電荷，因此，自由基的反應(yīng)特性明顯不同于碳正離子和碳負(fù)離子。一些常見的無機自由基：自由基的穩(wěn)定性：和碳正離子類似，鄰近的雜原子、不飽和鍵等均能穩(wěn)定自由基中間體。烷基自由基的穩(wěn)定性順序為：通常自由基中間體的穩(wěn)定性要強于相應(yīng)的碳正離子。例如，苯基正離子和甲基正離子通常不存在，但是苯基自由基和甲基自由基卻很常見。穩(wěn)定自由基的因素：A.共軛效應(yīng)：孤對電子、p電子和s電子都對自由基有較大的穩(wěn)定作用，但是，穩(wěn)定化能都要小于相應(yīng)的碳正離子。累積共軛效應(yīng)（cumulativestabilizingeffect

）：累積共軛效應(yīng)可以大大穩(wěn)定自由基中間體1900年，GombergStabletooxygen;stabletoextendedstorageasasolidStabletohightemperatureintheabsenceofO2B.推拉效應(yīng)（captodativeeffect）：和碳正離子不同，自由基既可以被富電子雙鍵所穩(wěn)定，也可以被缺電子雙鍵所穩(wěn)定。如果自由基同時連有吸電子基團和供電子基團，其穩(wěn)定化作用要大于分別穩(wěn)定化作用的總和。這個現(xiàn)象叫：推拉效應(yīng)。氮氧自由基是特別穩(wěn)定的自由基，在有機合成中用非常多的應(yīng)用氮氧自由基（Nitroxyls）：氮氧自由基是特別穩(wěn)定的自由基，在有機合成中用非常多的應(yīng)用。TEMPO、NHPI等是代表性的氮氧自由基。位阻也是決定其穩(wěn)定性的重要因素。自由基的生成：A.s鍵均裂B.光解反應(yīng)C.單電子氧化或還原自由基的生成——均裂通常利用N-O或X-X鍵均裂產(chǎn)生自由基。張力環(huán)中的C-C鍵均裂也可以產(chǎn)生自由基常用的自由基反應(yīng)引發(fā)體系：引用最廣自由基引發(fā)體系：Bu3SnH光化學(xué)激發(fā)產(chǎn)生自由基：例如：單電子還原產(chǎn)生自由基：某些化合物從還原性金屬或金屬鹽得到一個電子，生成帶有一個單位負(fù)電荷的自由基片段，這樣的自由基中間體叫做：自由基負(fù)離子（radicalanion）通常是分子的反鍵軌道接收一個電子單電子氧化產(chǎn)生自由基：中性的有機分子失去一個電子，生成相應(yīng)的自由基正離子（radicalcation）。常用的單電子氧化劑有：Pb(OAc)4，Mn(OAc)3，(NH4)2Ce(NO3)6(cericammoniumnitrate,CAN)

等常見的自由基反應(yīng)：A.對不飽和鍵加成（Additiontoapbond）B.碎裂反應(yīng)（Fragmentation）C.原子提取反應(yīng)（Atomabstraction）D.自由基偶聯(lián)反應(yīng)（Combination）E.歧化反應(yīng)（Disproportionation）F.電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)G.親核試劑的加成自由基對不飽和鍵的加成：自由基對p鍵加成，產(chǎn)生一個新的自由基。加成過程類似于碳正離子對p鍵的加成。自由基環(huán)合：5-exovs6-endo量子化學(xué)計算表明，自由基對雙鍵加成環(huán)合以70o的角度是最佳角度，因此，即使新生成的自由基穩(wěn)定性較低也會優(yōu)先進行反應(yīng)。自由基對極性不飽和鍵的加成：自由基對極化的不飽和鍵的加成有時和親核試劑不同。例如，Bu3Sn·自由基對C=S雙鍵的加成是加在S原子上而不是C原子。自由基碎裂反應(yīng)：碎裂反應(yīng)是加成反應(yīng)的逆反應(yīng)。與自由基中心鄰近的s鍵發(fā)生均裂，其中一個電子和鄰近的自由基形成一個新的p鍵，同時，產(chǎn)生一個新的自由基。自由基原子提取反應(yīng)(Abstraction)：自由基X·進攻Y-Zs鍵，生成一個新的s鍵X-Y，和一個新的自由基Z·。被提取的原子通常為H或鹵素。三丁基錫基自由基（Bu3Sn·）常常用來從C-X中提取重原子X。常見的被提取原子X有Br或I，有時Se或S也可以被提取。例如：利用自由基原子提取反應(yīng)合成吲哚環(huán)：JohnA.Murphy,RegisTripoli,TanweerA.Khan,andUmeshW.MailOrg.Lett.,2005,7,3287自由基偶聯(lián)和歧化反應(yīng)：偶聯(lián)歧化歧化經(jīng)歷自由基的命名反應(yīng)：反應(yīng)機理：※偶姻（Acyloins）縮合反應(yīng)※酮的雙分子還原：※BirchReduction卡賓（Carbenes）單線態(tài)亞甲基卡賓三線態(tài)亞甲基卡賓卡賓分為單線態(tài)卡賓和三線態(tài)卡賓。如果卡賓的兩個非鍵電子是自旋配對的，稱為單線態(tài)卡賓（singlet）。如果非鍵電子是未成對的，稱為三線態(tài)卡賓（triplet）。單線態(tài)卡賓與三線態(tài)卡賓的區(qū)分：卡賓與雙鍵的加成反應(yīng)中，單線態(tài)卡賓立體專一性的生成環(huán)丙烷衍生物，而三線態(tài)卡賓則會生成順反異構(gòu)體的混合物。通常方法制備的亞甲基卡賓都是單線態(tài)卡賓。卡賓的生成方法往往決定著它的狀態(tài)?？ㄙe的生成：A.重氮化合物的光解B.通過a-消除生成卡賓卡賓的生成：卡賓的反應(yīng)：A.卡賓對不飽和鍵的加成Simmons-Smith反應(yīng)：反應(yīng)機理：例如：卡賓的反應(yīng)：B.卡賓對飽和鍵的插入反應(yīng)只有高活性的卡賓才能發(fā)生插入反應(yīng)，二鹵卡賓不能發(fā)生插入反應(yīng)。氮賓（Nitrenes）氮賓（又叫乃春），R-N，是卡賓的含氮類似物。氮賓的反應(yīng)特點和卡賓十分相近。氮賓的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于卡賓，在通常情況下無法分離得到穩(wěn)定的氮賓。但是，量子化學(xué)計算表明氮賓的穩(wěn)定性要大于卡賓。雖然單線態(tài)氮賓和三線態(tài)氮賓都