高等有机化学 第四章 有机反应中的活性中间体

第四章有机反应中的活性中间体在有机化学反应中有些反应是一步完成的如卤代烷的SN2反应等，但更多的有机反应则不止一步，这些多步反应过程中常常会生成活性中间体。如叔卤烷的水解首先生成叔正碳离子，然后水解得到水解产物。ICH3CBr(A)CH3CBrCH3C++Br-(B)(C)过渡态活性中间体慢CH3CH3CH3CH3CH3CH3第一步，C－Br键解离：(D)(E)快(C)活性中间体CH3C++OH-CH3COHCH3COHCH3CH3CH3CH3CH3CH3过渡态II1EE2H能量反应进程(A)(B)(C)(D)(E)第二步,生成C－O键：SN1反应的能量变化过程：活性中间体或反应中间体与过渡态不同，（1）在反应进程中的能峰图上，活性中间体处于低谷而过渡态处于峰顶。一步反应没有活性中间体生成。（2）活性中间体具有一定的寿命，虽然非常活泼，但仍有一定的相对稳定性，可以检测其存在，有些在一定条件下甚至可以分离，而过渡态则是寿命极短的极不稳定的状态，即不能分离也无法检测其存在。（3）在表示方法上，活性中间体可以用通常的价键结构表示，而过渡态则是活性络合物，只能以部分成键的络合过渡态代表。活性中间体在有机反应中虽然寿命不长，但它是由反应物生成，而最终产物又是由它衍生得到，因此对活性中间体的生成、结构和转变的研究对有机化学反应历程的阐明是十分重要的，是研究有机化学反应历程的主要课题之一。§4-1正碳离子一、正碳离子的生成1．中性化合物的异裂-直接离子化化合物在离解过程中，与碳原子连接的基团带着一对电子离去，发生共价键的异裂，产生正碳离子，这是生成正碳子的通常途径。R-XR++X-如：（CH3）3C-Br（CH3）3C++Br–化合物在离解过程中，极性溶剂的溶剂化作用是生成正碳离子的重要条件。反应生成的难溶解的沉淀也可影响平衡，使反应向右进行，而有利于碳离子的生成。如Ag+可以起到催化正碳离子生成的作用R-Br+Ag+AgBr+R+2．正离子对中性分子加成-间接离子化质子或带正电荷的基团在不饱和键上加成可生成正碳离子。-C=C-+HCl-C-C-+Cl-羰基酸催化的亲核加成，首先质子化形成正碳离子，更有利于亲核试剂的进攻。-C=O-C-OH+HH++芳环上的亲电取代反应，如硝化是由NO2+正离子进攻，形成σ络合物，这是离域的正碳离子。+NO2+NO2H+NO2-H+σ-络合物3．由其它正离子生成正碳离子也可以由其它正离子转变得到。如重氮基正离子就很容易脱氮而生成芳基正离子。二.正碳离子的结构一般正碳离子是sp2杂化状态，是平面构型，中心碳原子以三个sp2杂化转道与另外三个原子或基团成键，三个σ键构成平面，空的p轨道垂直于此平面，正电荷集中在p轨道上。只有少数情况下，如在炔基或苯基正离子中，正电荷不可能处于p轨道。R-C≡C+三.正碳离子的稳定性正碳离子的稳定性与电子效应、空间效应和溶剂效应有关。1．电子效应使正离子中心碳原子上电子云密度增加的结构因素使正电荷分散，使正碳离子稳定性增高，相反，吸电子基团使中心碳原子正电荷更集中，使正碳离子减小。烷基正离子的稳定性：（CH3）3C+（CH3）2CH+CH3CH2+CH3+F-CH2CH2+H-CH2CH2+由于共轭效应引起的离子稳定性:(CH2=CH)3C+(CH2=CH)2CH+CH2=CH-CH2+CH3-O-CH2+R-C=O：+具有芳香性的环状正碳离子稳定。2．空间效应除电子效应外，正碳离子的稳定性还受空间效应的明显制约。如叔仲伯稳定性实际上也是空间效应影响的结果。3．溶剂效应溶剂效应对正碳离子的稳定性影响极大，大多数的正碳离子是在溶液中生成和使用的，溶剂化在正碳离子形成中起着重要的作用。如叔丁基溴在水溶液中离子化只需要83.72KJ/mol的能量，而在气相中离子化则要837.2KJ/mol的能量，相差10倍。四.非经典正碳离子由于π键或σ键的邻基参与而形成的正碳离子活性中间体，称为非经典正碳离子。如：§4-2负碳离子一.负碳离子的生成1．碳-氢键异裂产生负碳离子以强碱夺取C-H键中的质子，在碳上留下电子对而生成负碳离子，这是产生负碳离子最普通的方法。实际是夺取质子生成共轭碱的简单酸碱反应。R-H+B：R：-+BH+如：CH≡CH+NaNH2CH≡C-Na++NH3CH3CO-CH2-COOC2H5CH3CO-CH-COOC2H5R-X+MgR-MgX-Na+C2H5ONa有机金属化合物是负碳离子的重要来源之一2．碳-碳键异裂产生负碳离子有机化合物通过碳-碳键断裂也可产生负碳离子。如：R-C-O-R-+CO2OCOOHCH2-CH2COOHCH3COOHCOOHCO2H+3．负离子与碳-碳双键或叁键加成负离子与碳碳双键或叁键加成也是生成负碳离子的主要方法之一。如：CH≡CH+-OCH3-CH=CH-OCH3CH2=CH-OCH3H+二.负碳离子的结构不同的负碳离子由于中心碳原子连接的基团不同，其构型有所不相同。简单的烃基负离子是sp3杂化的棱锥构型，未共用电子对占一个sp3杂化轨道。HR-C-sp3杂化H当负碳离子与π键或苯环相连时,则以sp2杂化的平面构型,以达到最大的交盖,更好的离域。CH2=CH-CH2-sp2杂化三.负碳离子的稳定性影响负碳离子稳定性的主要因素是结构和溶剂等因素。1．杂化效应如：CH≡C-CH2=CH-CH3-CH2-spsp2sp3s成份：50%33%25%这种由于中心碳原子杂化状态的不同，对负碳离子的稳定性产生的不同影响称为杂化效应。因为这种不同的影响是由于杂化轨道中s轨道成分的不同所造成的，所以也叫s-性质效应。2．诱导效应负碳离子上连有强的吸电子基时，可以分散负电荷，使负碳离子稳定。FCH2-（F3C）3C-F3C-CH3-当碳原子上连有供电子基时，负电荷难于分散，稳定性减小。CH3-R-CH2-R2CH-R3C-3．共轭效应当负碳离子与π键直接相连，由于共轭，电子离域，使负碳离子更稳定。而且连接的π键越多，负碳离子越稳定。（）3C-（）2CH-（）CH2-当负碳离子与碳氧、碳氮、氮氧的π键相连时，由于氮和氧与碳比较具有更大的电负性，能更好的分散负电荷，使负碳离子更稳定。-CH2-C≡N-CH2-C=O-CH2-N=OCH3O4．芳香性如环状负离子具有芳香性，稳定。5．溶剂效应在所有涉及到的离子反应中，溶剂对参与反应的离子的稳定化作用是非常明显的。一般极性的质子溶剂如水能够有效地溶剂化正离子和负离子，其中正离子是通过与溶剂分子的未共用电子对偶极作用溶剂化，而负离子则通过氢键作用溶剂化。极性的非质子溶剂如二甲基亚砜（DMSO，CH3SOCH3），它虽然能够溶剂化正离子，但并不能有效的溶剂化负离子，因为没有活泼氢可以形成氢键，这样负离子在极性非质子溶剂中将更为活泼（即不稳定），所以如选择不同的溶剂，往往可以直接影响负离子的活泼性。如甲氧基负离子的碱性，在极性非质子溶剂中比在极性质子溶剂中要强得多。原因是在质子溶剂如甲醇中，可以形成强的氢键而溶剂化，从而稳定了甲氧基负离子，而在非质子溶剂如DMSO中，则不能形成氢键而溶剂化，所以活泼，碱性强。4．d轨道共轭与内鎓盐中心碳原子连有硫或磷原子的负碳离子，其稳定性明显增大。如：四甲基磷离子（季磷盐）和三甲基硫离子（叔硫盐）比四甲基铵离子的氢交换速度要大106-107倍，即前者的负碳离子比后者要稳定得多。CH3CH3CH3CH3CH3-P+-CH3CH3-P+-CH2-CH3-N+-CH3CH3-N+-CH2-CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3-S+-CH3CH3-S+-CH2-这主要是由于碳原子的2p轨道与磷和硫原子的空3d轨道相互交盖，使碳原子上处于p轨道的未共用电子对共轭离域的结果，从而使负碳离子稳定。CH3CH3CH3CH3-P+-CH3CH3-P+-CH2-CH3-P=CH2CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3-S+-CH3CH3-S+-CH2-CH3-S=CH2磷叶立德硫叶立德这类中间体称为内鎓盐，也叫叶立德（ylid），它们分别称为磷叶立德和硫叶立德，或叫三甲基磷甲基叶立德和二甲基硫甲基叶立德。叶立德是一类稳定的活性中间体，可以分离。季铵盐负碳离子，氮处于第二周期，没有空的3d轨道，不能发生这样的离域，因而季铵盐负碳离子是不稳定的。第三周期的其它杂原子与负碳离子相连时也有类似的离域效应，如三氯甲基负离子比三氟甲基负离子稳定是由于氯有3d空轨道（处于第三周期）而氟没有3d轨道（处于第二周期）。ClFClClCl-C-F-C-Cl-C-C=ClClFClCl§4-3自由基一.自由基的生成1．热解在加热的情况下，共价键发生均裂而产生自由基。R-RR·+R·∆与产生正碳离子和负碳离子的异裂不同，异裂常常要借助于极性溶剂和极性的环境，而共价键的均裂一般在气相或非极性溶剂（或弱极性溶剂）中进行，因此均裂的难易主要取决于共价键的强度，即键的离解能。通常离解能较小的分子，不需要很高的温度即可产生均裂生成自由基。如:-C-O-O-C--COO··+CO2OOCH3CH3CH3CH3-C-N=N-C-CH3CH3-C·+N2CNCNCN80-100℃80-100℃2．光解在可见光或紫外光的照射下，某些分子能分解产生自由基。Cl:Cl2Cl·CH3C=OCH3·+CH3CO·CH3·+COCH3与热解法比较，光解产生的自由基具有明显的优点:（1）光解可以分解那些在通常温度下不容易分解或很难分解的强共价键，如偶氮烷类化合物（热分解困难）；（2）由于一定的官能团具有特定的吸收带，是特定能量的转移，所以光解比热解具有更大的专一性，副反应少hvhv3．氧化还原反应一个分子失去或得到一个电子都可产生自由基，这实际就是氧化或还原的过程，因此通过氧化还原反应可以生成自由基。某些金属离子如Fe2+/Fe3+、Cu+/Cu2+、Ti2+/Ti3+是常用的产生自由基的氧化还原剂。通过氧化还原产生的自由基常常发生在反应过程中。Ti2++H2O2Ti3++-OH+·OH·OH+H-CH2-C(CH3)2OHH2O+·CH2-C(CH3)2OH叔丁醇2·CH2-C(CH3)2OHOH-C(CH3)2-CH2-CH2-C(CH3)2-OH二.自由基的结构自由基的碳原子可能是sp2杂化构型或sp3四面体构型。CH3·CF3·CH2=CH-CH2·sp2sp3sp2(独电子处于p轨道)CH2·CH2=CH·sp2sp2(独电子处于p轨道)（独电子处于sp2轨道）三.自由基的稳定性自由基的稳定性主要取决于共价键均裂的相对难易程度和所生成自由基的结构因素，一般说共价键均裂所需的离解能越高，生成的自由基能量越高，则自由基越不稳定。如:烷烃的C-H键均裂时的离解能为:(CH3)3C-H(CH3)2CH-HCH3CH2-HCH3-H△H/KJ/mol327385402423相应的自由基稳定性次序为：（CH3）3C·（CH3）2CH·CH3CH2·CH3·同时由于超共轭效应和诱导效应作用的结果，从而分散了自由基的独电子性，使之稳定性增高。自由基与π键共轭同样可以分散独电子性，使自由基稳定，如烯丙基自由基和苄基自由基。CH2＝CH－CH2·CH2·空间效应也可影响自由基的稳定性，如2，4，6-三叔丁基苯氧基自由基很稳定主要由于空间效应的影响。C(CH3)3(CH3)3C--O·C(CH3)3§4-4碳烯碳烯又叫卡宾，其中心碳原子为中性两价碳原子，包含六个价电子，四个价电子参与形成两个σ键，其余两个价电子是游离的。最简单的碳烯为:CH2，也称亚甲基，碳烯实际上是亚甲基及其衍生物的总称。已知的碳烯有以下几种类型：(1):CH2，:CHR，:CRR’（R为烷基、芳基、烯基或炔基）(2):CHX，:CRX，:CXX’（X为F，Cl，Br，I）(3):CHY，:CRY，:CYY’（Y为-OR，-S