第一章：活性中间体及在有机合成中的应用

高等有机化学参考文献：1、汪秋安编著《高等有机化学》化学工业出版社2、梁世懿、成本诚编《高等有机化学》3、CareyF.A.,&Sundberg.R.J.《AdvancedOrganicChemistry》（A、B卷）4、凯里、森德伯格合著《高等有机化学》（A、B卷），夏知中译5、陈乐培、董玉环等编著《中级有机化学》中国环境科学出版社，2004年1版6、洪琳编《有机反应活性中间体》高等教育出版社1999.6第一版7、斯图尔特.沃伦著《有机合成――切断法探讨》丁新腾译，上海科学技术文献出版社1986年1月第一版8、黄宪、吴世晖、徐汉生《有机合成》（上、下册）第一章：有机反应活泼中间体及在合成上的应用在有机反应中，经常出现的活泼中间体是卡宾、乃春、自由基、碳正离子、碳负离子（包括苯炔、叶立德）RC+R2R1RC.R2R1RC:R2R1RC:R1RN:.._碳正离子自由基碳负离子卡宾乃春第一节：卡宾（碳烯（Carbene）卡宾是指电中性含二价碳的化合物，如：CCl2CBr2CHCOOR:::RCH:R2C:CH2:RCRC:RCRCC:CC::（1,2－二卡宾）一、卡宾的结构与形成卡宾有二种结构：单线态：碳原子为SP2杂化，一对电子在SP2杂化轨道上，能量高，能衰变为能量低的三线态的卡宾。三线态的卡宾：碳原子为SP杂化，有二个P空轨道，并相互直，每个P轨道上有一个电子，且自旋方向相同。CHHCHHSP2杂化，单线态SP杂化，线性结构，三线态1、双键化合物分解得到：N2CHCOOEtCHCOOEt:+N2（烯酮、重氮化合物的分解）CO+R2C:hvR2CCON2+R2C:hvR2CNN2、α－消除反应得到(CH3)3COK:CBr2CHCl3(CH3)3COK:CCl2CHBr3CBr2:PhHgCBr3+HgPhBr+LiCl+BuH_n+BuLi_n:CHClCH2Cl2三氯乙酸钠在非质子溶剂如1，2－二甲氧基乙烷中回流脱羧如：Cl3CCOONaNaCl+CO2+:CCl2二、卡宾的反应（强亲电试剂）1、插入反应插入反应在卡宾中较普遍存在，但在卤代卡宾中没有此类反应，因为卤代卡宾的活性比卡宾低。其反应的活性顺序为：:CH2:CHCl:CCl2:CBr2:CF2CCH2X:CH2+CX（X=H,Cl,O,N，etc.），碳碳键不能插入CH3CH2CH2CH2CH312345+CH2N2hv-75oCCH3CH2CH2CH2CH2CH3+CH3CH2CH2CHCH3CH3+CH3CH2CHCH2CH3CH3(CH3)3CClCH2:(CH3)3CCH2Cl+(CH3)2CCH2CH3ClCH2N(CH3)2CHCOOEt:CH2CHN(CH3)2COOEt+CHN(CH3)2CH2COOEtOOCHBr3,OH_OOBrBrH2OOOOOHOOHOH3O+2、加成反应2.1、对碳碳双键的加成+:CH2CC（协同反应，形成三元环）+CH3HCH3HCH2CH3HCH3H:CH2单线态卡宾对双键的加成保持立体专一性，而三线态卡宾则不能，一般在液相中得到的是单线态卡宾，如果在溶液中加入C6F6稀释，则主要得到三线态卡宾，在汽相条件下，光照，如果有惰性气体如氩气存在下，得到的卡宾以三线态为主。若加入O2等双自由基试剂，它们和三线态卡宾结合，留下的是单线态卡宾CH3CH2CCHHCH3CH2N2CH3CH2HHCH3（顺加成）例：CH2N2CH2HHC6H5CCC6H5HH:CHCOOEtC6H5C6H5HHCOOEtH+:CH2+CH3（主产物，加成）（副产物，插入）例：CH2CHCH2CH:烯丙基卡宾分子内加成双环丁烷例：+CHBr3BrBrCH3)3(COKKMnO4BrBrCH2COOHCH2COOHCH2COOHCH2COOHH2NiCH2N2+CCR2R1HH:CH2R1R2HH（单线态）（协同加成）CCR2R1HH+R1R2HHCH2..CCR2R1HHCH2..C.CR1HCH2R2H.R1HR2H（构型保持，顺式）（构型翻转，反式）2.2对羰基的加成RRO+CH2N2RCROCH2CH3CCH2CH2CH3OCH2N2+CH3COCH2CH2CH2CH33、重排反应：Wolff重排反应RCOOHRCOClSOCl2CH2N2RCCHN2OAg2O,H2ORCH2COOH机理：RCCHN2ORCCHO:OCCHRH2ORCH2COOHCOOHSOCl2COClCH2N2COCH:CH2COOHAg2OH2O4、在合成上的应用例：拟除虫菊酯的合成：例：例：CHCl3,NaOHPEG_600ClCl(1)(2)O3Na/NH3ONaBH4MeOHOHCH3COClCH3I,NaHNaHOCOCH3OCH3CHCOOR:+CH3CCH3CHCHCCH3CH3CH3CCH3CHCHCHCOORCCH3CH3NNCOOCH3COOCH3:NNCOOCH3COOCH3hvNNN2COOCH3COOCH3第二节乃春(Nitrenes)一、乃春的结构与形成乃春与卡宾相似，是一个含氮的活性中间体，指电中性的一价氮的化合物。从结构上看，也分为单线态和双线态。乃春可由多种有机叠氮化合物经光或热分解脱氮气而产生。1、烷基和芳基乃春的产生RNHNH2+HNO2RN3+H2O2RN3hvorRN:+N2N2+orhvArN3ArN:2、由叠氮基甲酸酯（azidoformates）分解其制备过程为：采用酰氯与叠氮钠反应制得。如：RCOClNaN3NaClRCON3++RCON3++RCONHNH2HNO2H2OC2H5OCClO+NaN3C2H5OCN3O(70%)（氯甲酸乙酯）ROCON3orhvROCON:N2+（叠氮基甲酸酯）3、消除反应烷氧羰酰乃春由N－（对硝基苯磺酰氧基）胺基甲酸酯在碱存在下消除反应得到：ROCONHOSO2NO2KOHROCON:+O2NSO3K烷氧基羰酰乃春二、乃春的反应主要反应有：得氢、插入、环化、二聚、重排等。1.得氢反应：ArN:+2RH---------ArNH2+R-R2.插入反应：RN:R1CH3R1CH2NHR+C2H5OCN:ONHCOOCH3+（主产物）（伯：仲：叔＝1：10：30）3.环化反应单线态乃春为协同反应，烯烃的顺反构型保持，而三线态乃春为双自由基，反应为分步进行的，由于σ键的旋转，产物为顺反异构体的混合物：CH3HCCNRHCH3+CH3CCCH3HH)RN:()RN:(CCNRCH3HHCH3+CCNRHCH3HCH3CH3CCCH3HH+RN:R1R1R2NR1R+C2H5OCN3OhvC2H5OCN:OHHEtMeHHMeEtCOOC2H54.二聚反应：2RN:RNNR5.重排反应：乃春相关的重排反应有霍夫曼重排、洛森重排、克蒂斯重排反应。NRN:RR..5.1、霍夫曼（Hofmann）重排：酰胺在次卤酸钠的碱溶液中，重排生成第一胺的反应：反应历程：__++RN:OHBr__OHOHRNHBrOOBrRCNH2OH2O+CO2RNH2RNCO5.2、洛森（lossen）重排：异羟肟酸及其乙酰基衍生物有强碱作用下，得到第一胺的重排反应：RCOHNOH羟肟酸RCONHOH异羟肟酸+CO2RNH2RNCORCON:_OHRCONHOCOCH3H2O5.3、克蒂斯（Curtis）重排反应：酰基叠氮化物热分解得到酰基乃春，再重排得到异氰酸酯的反应：RNCORCON:RCN3OH2ORNH2CO2+曾经合成的一个具有杀虫活性的氨基甲酸酯化合物过程如下：OCNOCNHCH3OX(X:Cl,Br,OCH3,CN)CH3COOCH3NH2NH2CH3CONHNH2HNO2CH3CON3CH3NCOOC=NOHXOCHNOHOCHOOCXNOCNHCH3OCH3NCOOC=NOHX乃春在芳环邻位是不饱和支链时，极易环化成五元环，这一性质对杂环的合成具有重要意义：ABNXH:ABXNH第三节：自由基自由基是共价键发生均裂，每个碎片各保留一个电子，是带单电子的三价碳的化合物。A:BA.+B.一、自由基的结构和形成1、自由基的结构：甲基自由基、含共轭结构的自由基是SP2杂化。平面型结构，自由电子在空的P轨道上，叔丁基自由基是角锥型，为SP3构型，其反转的能量很低，一般约2.5cal/mol，其反转经平面型的SP2构型。当这种反转速度没有反应速度快时，产物有旋光性；反之，得到外消旋产物。CHC2H5CH2ClCH3Br2hvCH3CBrC2H5CH2Clα=－1.45ºCH3CHC2H5CH2ClCClC2H5CH2ClCH3hvCl2外消旋产物2、自由基的稳定性：R3CR2CHRCH2CH3....若自由基中的电子能与π电子形成P-π共轭体系，这样的自由基较稳定：.CH2.CH2=CHCH.C3、自由基的形成：(1)热均裂反应有机的过氧化物或有机偶氮化合物在加热时均裂形成自由基，常作为自由基反应的引发剂，如：（过氧化苯甲酰）、PBO（偶氮二异丁氰）CO2+.COOCOOCOO.N2+.CH3CCNCH3CH3CH3CNCNCH3CNNCCH3(2)辐射均裂反应：共价键的化合物，在紫外光X-射线、γ－射线的辐射下，引起键均裂。如：Br2hvBr.2.Cl+(CH3)3COhv(CH3)3COCl.N2+.CH3CCNCH3CH3CH3CNCNCH3CNNCCH3hv有机汞化合物光分解如：CH3HgIhvCH3.+HgI.(3)单电子转移的氧化还原反应可变价的无机离子如：Cu、Fe、Co等由于他们得到或失去一个电子而生成自由基如：H2O2FeFeHOHO+++2+3+_.+2+3+++HCo.(CH3)3COOCo(CH3)3COOH+过氧化叔丁醇二、自由基的反应1、链反应机理链引发：Cl2hv2Cl.链增长：+RHR.+HCl.R+Cl2RClCl.+Cl.链终止：R.R.RRClCl..Cl2Cl.R.+++RCl2、烃的卤代反应RHX2RX++HX卤代反应通常指烃的氯化和溴化。而氟代反应太激烈，碘代反应速度慢且不能进行到底。常用的原料是氯气、溴素。但有时使用其替代物反应更温和，而且副反应少，收率高。烯丙基或苄基卤化物常采用NBS、NCS、Me3COCl（次氯酸叔丁酯）作卤化试剂，它们是一种温和的卤化试剂、均只发生α－氢的取代反应不发生烯烃的加成反应。(CH3)3COHNaOHCl2(CH3)3COClNaClH2O++++CH3XNBSXCH2Br(NOOBr,Cl)（N-溴代（氯代）丁二酰亚胺）3、自由基加成反应在四种卤化氢中，只有溴化氢与烯烃的加成能按自由基历程进行，即加成产物不符合马科尼科夫规律。经研究发现，在黑暗、无过氧化物存在下，与溴化氢加成符合马氏规则。若在空气中暴露或光照下与溴化氢所起的加成反应是不符合马氏规则产物。CH2=CHCH2BrHBrhvCH3CHBrCH2BrCH2BrCH2CH2Br+（1,3－二溴丙烷，反马氏产物）其历程为自由基历程：HBrhvHBr+...BrCH2CHCH2BrHBrBrCH2CH2CH2BrBr++..为什么仅仅HBr具有过氧化物效应？这是因为在链式反应中，链传递的两步反应必须是放热反应，否则，链的传递将发生困难。.+BrCH2CHCH2BrCH2=CHCH2BrBr.表：卤化氢的链传递反应焓变：X.+RCH=CH2XCH2CHR..XCH2CHR+HXX.+XCH2CH2R;ΔH(KJ/mol)HF－222＋151HCl－75＋17HBr－21－50HI＋50－117除HBr能和烯烃发生自由基加成外，羧酸衍生物，特别是含活泼氢的羧酸衍生物如：丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯、氯乙酸乙酯等，也能和烯烃发生自由基加成，如：CH2(COOEt)2+RCH=CH2150C0AIBNRCH2CH2CH(COOEt)2例：杀虫剂毒死蜱的合成：CH2CHCN+CCl3COClNCCHClCH2CCl2COClCuCl加热干HClNOClClClClHNaOH