第四章-有机反应中的活性中间体PPT课件.ppt

第四章第四章 有机反有机反应应活性中活性中间间体体 (Reactive intermediates in Organic Chemistry)1-一、碳正离子一、碳正离子(Carbocation)二、碳二、碳负负离子离子(Carbanions)三、自由基三、自由基(Free radicals)四、碳四、碳烯烯 （卡（卡宾宾）(Carbenes)五、氮五、氮烯烯 （乃春）（乃春）(Nitrenes)六、苯炔六、苯炔(Benzyne)2-引言引言 在有机反在有机反应应中，有机反中，有机反应应有些是有些是属于一步完成的，称属于一步完成的，称为协为协同反同反应应。例如例如Diels-Alder反反应应：更多的有机反更多的有机反应则应则不止一步，反不止一步，反应应中至少包括一个活性中中至少包括一个活性中间间体的生成，例如叔体的生成，例如叔卤卤代代烷烷的水解首先生成碳正离子，然后的水解首先生成碳正离子，然后与水反与水反应应而得到水解而得到水解产产物。物。3-协协同反同反应应的能峰的能峰图图分步反分步反应应的能峰的能峰图图4-一一.正碳离子正碳离子(Carbocations)含有含有带带正正电电荷的三价碳原子的原子荷的三价碳原子的原子团团。1.正碳离子的正碳离子的结结构构+C sp2-sbondCH3+的的轨轨道道结结构构sp2-sp3bond(CH3)3C+的的轨轨道道结结构构sp2杂杂化化平面三角构型平面三角构型空的空的P轨道道5-正碳离子的正碳离子的稳稳定性：定性：-p超共超共轭效效应：轨轨道交盖在道交盖在这这里里空的空的 p 轨道道6-烯烯丙型正碳离子：丙型正碳离子：p-共共轭电电子离域子离域正正电电荷分散程度大荷分散程度大共共轭轭体系的数目越多，正碳离子越体系的数目越多，正碳离子越稳稳定：定：共共轭轭效效应应7-当共当共轭轭体系上体系上连连有取代基有取代基时时，给电给电子基子基团团使正碳离子使正碳离子稳稳定性增加；定性增加；吸吸电电子基子基团团使其使其稳稳定性减弱：定性减弱：环环丙甲基正离子比丙甲基正离子比苄苄基正离子基正离子还稳还稳定：定：8-CH2CH2CH2环环丙甲基正离子的丙甲基正离子的结结构：构：空的空的 p 轨道与弯曲道与弯曲轨道的交盖道的交盖中心碳原子上的空的中心碳原子上的空的 p 轨道与道与环丙基中的弯曲丙基中的弯曲轨道道进行行侧面交盖，其面交盖，其结果是使正果是使正电荷分散。荷分散。随着随着环环丙基的数目增多，丙基的数目增多，正碳离子正碳离子稳稳定性提高。定性提高。9-直接与直接与杂杂原子相原子相连连的正碳离子的正碳离子结结构：构：氧上未共有氧上未共有电电子子对对所所 占占 p 轨道道与中心碳原子上的空的与中心碳原子上的空的 p轨道道侧面交盖，未共有面交盖，未共有电子子对离域，离域，正正电荷分散。荷分散。类类似地，似地，羰羰基正离子：基正离子：10-乙乙烯烯型正碳离子：型正碳离子：+C原子原子进行行sp2杂化，化，p轨道道用于形成用于形成键，空着的是，空着的是sp2杂化化轨道，使正道，使正电荷集中。荷集中。苯基正离子：苯基正离子：结结构同乙构同乙烯烯型正碳离子，正型正碳离子，正电电荷荷集中在集中在sp2杂化化轨道上。道上。此二此二类类正碳离子正碳离子稳稳定性极差。定性极差。11-溶溶剂剂效效应应：1)溶溶剂剂的的诱导诱导极化作用，极化作用，利于底物的解离。利于底物的解离。2)溶溶剂剂使碳正离子使碳正离子稳稳定：定：空的空的 p 轨道易于溶道易于溶剂化化溶溶剂剂3)极性溶极性溶剂剂：溶：溶剂剂化作用化作用 强强，利于底物的解离。，利于底物的解离。12-碳正离子的生成：碳正离子的生成：1)直接离子化直接离子化 通通过过化学化学键键的异裂而的异裂而产产生。生。13-2)对对不不饱饱和和键键的加成的加成 14-3)由其它正离子由其它正离子转转化而生成化而生成4)在超酸中制在超酸中制备备C正离子溶液正离子溶液比比100的的H2SO4的酸性更的酸性更强的酸超酸的酸超酸(Super acid)15-常常见见的超酸的超酸（与（与100H2SO4的酸性比的酸性比较）HSO3F（氟硫酸）氟硫酸）1000倍倍HSO3F SbF5（魔酸）魔酸）1013倍倍HFSbF5 1016倍倍叔丁醇在下列条件下完全叔丁醇在下列条件下完全转变转变成叔丁基正离子：成叔丁基正离子：很多正碳离子的很多正碳离子的结结构与构与稳稳定性的研究都是在超酸定性的研究都是在超酸介介质质中中进进行的。行的。16-非非经经典正碳离子典正碳离子1)键参与的非参与的非经典正碳离子典正碳离子实验实验表明表明：反反7原冰片原冰片烯烯基基对对甲苯磺酸甲苯磺酸酯酯在乙酸中的在乙酸中的溶溶剂剂解的速度比相解的速度比相应应的的饱饱和化合物大和化合物大 1011倍倍。+2电电子子3中心体系中心体系12345717-2)键参与的非参与的非经典碳正碳离子典碳正碳离子外型原冰片醇的外型原冰片醇的对对溴苯磺酸溴苯磺酸酯酯溶溶剂剂解解速度速度相相应应的内型化合物的内型化合物大大350倍倍-OBs18-二二 碳碳负负离子离子(Carbanions)1.碳碳负负离子的生成离子的生成1)C-H键键的异裂的异裂（金属有机化合物的生成）（金属有机化合物的生成）碳碳负负离子离子带带有一有一对对孤孤对电对电子的子的三价碳原子的原子三价碳原子的原子团团。19-2)负负离子离子对对不不饱饱和和键键的加成的加成20-碳碳负负离子的离子的结结构构10928sp3 杂化化棱棱锥型型90sp2杂化化平面三角型平面三角型.烷烷基基负负碳离子碳离子为为棱棱锥锥型型,孤孤对电对电子子处处于于sp3杂化化轨道上。道上。轨道道夹角角为109 28时，电子子对间的排斥力小，利于的排斥力小，利于负碳离子碳离子稳定。定。21-光学活性光学活性-70 C 20%光学活性光学活性 0 C 外消旋化外消旋化22-三元三元环环中的碳中的碳负负离子离子选择选择sp3杂杂化化 109o28选择选择sp2杂杂化化120o,角角张张力增加力增加,不易不易转转化化立体定向的立体定向的顺顺式式产产物物23-2.影响影响负负碳离子碳离子稳稳定性的因素：定性的因素：1)s-性性质效效应2)诱导诱导效效应应 与吸与吸电电子基子基团团相相连时连时,使使电电荷分散荷分散,稳稳定性增大定性增大.CH3-H F3C-H (CF3)3C-H pKa 42 28 11 与推与推电电子基子基团团相相连时连时,稳稳定性降低定性降低.稳稳定性定性:CH3-CH3CH2-(CH3)2CH-(CH3)3C-24-邻邻近原子有孤近原子有孤电电子子对时对时,碳碳负负离子离子稳稳定性降低定性降低.25-3)共共轭轭效效应应与共与共轭轭体系相体系相连时连时使使负电负电荷分散荷分散,稳稳定性增加定性增加.形成芳香体系形成芳香体系4n+2,芳香性芳香性-C效效应应的影响的影响:OHC-CH2-CHO CH3COCH2COCH3 NCCH2CN CH3NO2pKa 5 9 11 1026-必必须须注意注意,如果如果p轨轨道的道的对对称称轴轴不能平行不能平行,则侧则侧面交盖将受影响面交盖将受影响,而不能充分离域而不能充分离域.例如例如:27-杂杂化作用化作用 C-H键键中的中的C的成分越多的成分越多,H越易以越易以质质子形式解离子形式解离28-4)溶溶剂剂效效应应 Solvent Effect 溶溶剂对剂对反反应应速度、化学平衡以及有机反速度、化学平衡以及有机反应应机理的影响称机理的影响称为为溶溶剂剂效效应应。溶。溶剂剂效效应应主要通主要通过过溶溶剂剂的极性、的极性、氢键氢键、酸碱性等、酸碱性等产产生作用。生作用。在所有涉及到的离子反在所有涉及到的离子反应应里里,溶溶剂对剂对参与的离子的参与的离子的稳稳定化定化作用是非常明作用是非常明显显的的.在没有溶在没有溶剂剂的情况下的情况下,离子反离子反应应在气相在气相进进行需要很高的能量行需要很高的能量,在气相更普遍的是按自由基在气相更普遍的是按自由基进进行的行的.例如例如:HCl 在气相解离在气相解离为为自由基只需自由基只需430.95KJ/mol的能量的能量 而解离而解离为为离子所需能量高达离子所需能量高达1393KJ/mol 若在极性溶若在极性溶剂剂(如如H2O)中中,HCl很容易解离很容易解离为为离子离子.29-质质子性溶子性溶剂剂,能能够够有效地溶有效地溶剂剂化正离子和化正离子和负负离子，因此能离子，因此能促促进进极性分子形成活性中极性分子形成活性中间间体，促体，促进进离子型反离子型反应应。溶溶剂对剂对反反应应速度的影响取决于溶速度的影响取决于溶剂对过剂对过渡渡态态及反及反应应物的作物的作用情况：用情况：若若过过渡渡态态极性比反极性比反应应物大，物大，则则极性溶极性溶剂对过剂对过渡渡态态的的稳稳定定化作用大于化作用大于对对反反应应物的物的稳稳定化作用，增加溶定化作用，增加溶剂剂极性，反极性，反应应速度加快；反之，溶速度加快；反之，溶剂剂极性减小，反极性减小，反应应速度减慢。速度减慢。30-极性非极性非质质子溶子溶剂剂如如DMSO，DMF，HMPA等等,能能够够溶溶剂剂化化正离子正离子,但不能溶但不能溶剂剂化化负负离子离子.因此因此,负负离子在极性非离子在极性非质质子溶子溶剂剂中将更中将更为为活活泼泼.选择选择不同的溶不同的溶剂剂,往往可以直接影响往往可以直接影响负负离子离子的活的活泼泼性性.例如例如,甲氧基甲氧基负负离子的碱性离子的碱性,在极性非在极性非质质子性溶子性溶剂剂中比在极中比在极性性质质子溶子溶剂剂中要中要强强的多的多:在在98.5%DMSO和和1.5%的甲醇中的甲醇中进进行行,比在比在纯纯的甲醇中要快的甲醇中要快108倍倍.又如：又如：CH3I和和N3-的的SN2反反应应，若将极性，若将极性质质子溶子溶剂换剂换成极性非成极性非质质子溶子溶剂剂DMSO，反，反应应速度增加速度增加4.5x104倍。倍。31-溶溶剂剂的介的介电电常数常数 Dielectric constant介介电电常数随分子的常数随分子的偶极矩偶极矩和和可极化性可极化性的增大而增大。在化学的增大而增大。在化学中，介中，介电电常数是溶常数是溶剂剂的一个重要性的一个重要性质质，表征溶，表征溶剂对剂对溶溶质质分子分子溶溶剂剂化以及隔开离子的能力。介化以及隔开离子的能力。介电电常数大的溶常数大的溶剂剂，隔开离子，隔开离子的能力的能力较较大，同大，同时时具有具有较较大的溶大的溶剂剂化能力。化能力。介介电电常数用常数用 表示。表示。15,15,极性溶极性溶剂剂；15,(CH (CH3 3)2 2CH CHCH CH3 3CHCH2 2 CH CH3 3 叔叔 仲仲 伯伯48-例如例如:叔碳的叔碳的烷烷氧基自由基在氧基自由基在进进一步分解一步分解时时,主要生成一个主要生成一个比比较稳较稳定的自由基和一分子定的自由基和一分子酮酮.自由基的断裂自由基的断裂 断裂断裂49-自由基中心碳原子如与自由基中心碳原子如与 键键共共轭轭,同同样样可以分散独可以分散独电电子子,而而使自由基使自由基稳稳定定.50-当苯当苯环环上有取代基上有取代基时时,不不论论取代基的本性如何取代基的本性如何(不不论论是是吸吸电电子基子基还还是是给电给电子基子基),常常增加自由基的常常增加自由基的稳稳定性定性,例例如如:51-芳基自由基芳基自由基,烯烯基自由基和炔基自由基基自由基和炔基自由基,由于未成由于未成对电对电子子不可能与不可能与 键键共共轭轭,所以不所以不稳稳定定,是很活是很活泼泼的自由基的自由基.52-3.自由基的生成自由基的生成由分子由分子产产生自由基的方法很多生自由基的方法很多,比比较较重要的有以下重要的有以下三种三种:1)热热解解 2)在加在加热热的情况下的情况下,共价共价键键可以可以发发生均裂而生均裂而产产生自由基生自由基.一些一些键键的离解能的离解能(kJ/mol)H-H 430 N-N 150 C-H 410F-F 155 C-C 325335 H-I 295Cl-Cl 240 H-S 335 H-Br 365Br-Br 190 C-Cl 325 H-Cl 430I I 150 C-Br 272 H-F 565-O-O-140 C-I 240 H-O-460 53-自由基反自由基反应应通常以通常以过过氧化物氧化物或或偶氮化合物偶氮化合物作作为为引引发剂发剂,主要是由于分子中含有主要是由于分子中含有较较弱的弱的键键,容易均裂容易均裂产产生自由基生自由基,同同时时又是相同元素的同核又是相同元素的同核键键,一般不易异裂一般不易异裂产产生正生正/负负离子离子.常用的自由基引常用的自由基引发剂发剂有有:过过氧化苯甲氧化苯甲酰酰(BPO)偶氮二异丁偶氮二异丁腈腈(AIBN)自由基引自由基引发剂发剂54-2)光照光照在可在可见见和紫外光波段和紫外光波段,对辐对辐射具有吸收能力的分子射具有吸收能力的分子,利用光利用光照射可以使之分解而照射可以使之分解而产产生自由基生自由基.55-另一个有用的光解反另一个有用的光解反应应是丙是丙酮酮气相光照分解反气相光照分解反应应其它容易其它容易发发生光解的反生光解的反应应如次如次氯氯酸酸酯酯和和亚亚硝酸硝酸酯酯,可以可以产产生生烷烷氧基自由基氧基自由基.56-与与热热解法比解法比较较,光解光解产产生自由基具有明生自由基具有明显优显优点点,主要主要为为:a)光解可以分解在通常合理温度下不容易分解或很光解可以分解在通常合理温度下不容易分解或很难难分解分解的的强强共价共价键键,如偶氮如偶氮烷类烷类化合物化合物:b)由于一定的官能由于一定的官能团团具有具有特定的吸收特定的吸收带带,是是特定能量特定能量的的转转移移,所以光解比所以光解比热热解具有更大的解具有更大的选择选择性性,副反副反应应比比较较少少.57-3)氧化氧化还还原反原反应应 一个一个电电子自旋成子自旋成对对的分子失去或得到一个的分子失去或得到一个电电子都可子都可导导致致产产生自由基生自由基,实际实际上就是上就是氧化氧化还还原原过过程程,因此通因此通过过氧化氧化还还原反原反应应也也可以可以产产生自由基生自由基.某些金属离子某些金属离子,如如Fe2+/Fe3+,Cu+/Cu2+,Ti2+/Ti3+等是常用的等是常用的产产生自由基的氧化生自由基的氧化还还原原剂剂.例如例如:Cu+离子可以大大加速离子可以大大加速酰酰基基过过氧化物的分解氧化物的分解,产产生生酰酰氧基氧基 自由基自由基.58-Ti2+是一个很是一个很强强电电子子还还原原剂剂,可用于可用于还还原原过过氧化氧化氢氢生成生成羟羟基自由基基自由基生成的生成的羟羟基自由基是有效的催化基自由基是有效的催化剂剂,不但可以用于生成其它不但可以用于生成其它自由基，也可以用于有机合成自由基，也可以用于有机合成.59-4.影响自由基影响自由基稳稳定性的因素定性的因素1)诱导诱导效效应应 由于超共由于超共轭轭效效应应的影响，的影响，烷烷基自由基的基自由基的稳稳定性次序定性次序为为:叔叔 仲仲 伯伯 与共与共轭轭体系如体系如烯键烯键、苯基、硝基、苯基、硝基、氰氰基等相基等相连连都可使孤都可使孤电电子子离域而得到离域而得到稳稳定。定。取代基取代基对对自由自由稳稳定化能力的大小一般有如下次序：定化能力的大小一般有如下次序：苯基、苯基、烯烯基基羰羰基基腈腈基基酯酯基基烷烷基基60-许许多酚多酚类类化合物在冷的干化合物在冷的干醚醚中氧化，可以生成不中氧化，可以生成不稳稳定的酚氧定的酚氧自由基，自由基，2，4，6-三叔丁基苯酚自由基由于三叔丁基苯酚自由基由于单电单电子与苯子与苯环环离域，离域，又由于有又由于有较较大的大的邻邻位阻效位阻效应应而表而表现现出是一个非常出是一个非常稳稳定的自由基，定的自由基，它可以被离析出来，它可以被离析出来，IR上上显显示出示出1660cm-1的的羰羰基吸收峰。基吸收峰。这这一自由基能一自由基能够够与不与不稳稳定的自由基定的自由基结结合生成合生成稳稳定的分子，因定的分子，因此可用于自由基此可用于自由基淬淬灭剂灭剂或或阻聚阻聚剂剂。61-N，N-二苯基二苯基-N-苦味基自由基是一个紫色晶体，由于存在有苦味基自由基是一个紫色晶体，由于存在有庞庞大的空大的空间间位阻，再加上三个硝基的位阻，再加上三个硝基的诱导诱导影响，使它可以以影响，使它可以以固体状固体状态态存在并保存数年不存在并保存数年不变变。2，2，6，6-四甲基六四甲基六氢氢吡吡啶啶-4-酮酮氧化氮自由基甚至可以在氧化氮自由基甚至可以在分子中的其他部位分子中的其他部位发发生格氏反生格氏反应应而不影响自由基而不影响自由基结结构。构。62-2)空空间间因素因素 叔碳原子自由基的叔碳原子自由基的稳稳定性之所以定性之所以较较大，除了有超共大，除了有超共轭电轭电子效子效应应外，空外，空间间因素也有一定作用。自由基中心碳原子所因素也有一定作用。自由基中心碳原子所连连的基的基团较团较大大时时可以使自由基中心的可以使自由基中心的张张力得到一定消除。此外，力得到一定消除。此外，较较大的空大的空间间位位阻因素也不利于自由基阻因素也不利于自由基发发生反生反应应。双叔丁基甲基自由基在低温。双叔丁基甲基自由基在低温（-30）无氧的稀溶液中是足）无氧的稀溶液中是足够稳够稳定的，定的，这这也是空也是空间间因素的影因素的影响之故。响之故。63-3)溶溶剂剂效效应应 溶溶剂剂效效应对应对自由基的影响不似自由基的影响不似对对离子那么大，溶离子那么大，溶剂剂若能与自若能与自由基由基络络合不但会增加它合不但会增加它们们的的稳稳定性而且会改定性而且会改变变它它们们的某此反的某此反应应性性质质。下列反。下列反应应：64-5.自由基的反自由基的反应应 Free Radical Reactions 与离子型反与离子型反应应相比相比较较，自由基反，自由基反应应常常在中性和常常在中性和较较温和的反温和的反应应条件下就能条件下就能进进行行.其反其反应应一般有如下几个特点一般有如下几个特点:1）反反应应常在光或有易于常在光或有易于产产生自由基物种的催化生自由基物种的催化剂剂引引发发下下发发生。生。2）反反应应常有一个常有一个诱导诱导期，而溶期，而溶剂对剂对反反应应的影响的影响较较小，且无小，且无论论在在 气相气相还还是液相，自由基均能反是液相，自由基均能反应应。3）芳芳环环的自由基反的自由基反应应并不服从一般定位并不服从一般定位规规律。律。4）自由基反自由基反应应在相当一段在相当一段时间时间内被内被认为认为缺乏缺乏选择选择性，因而性，因而难难有有 理想的理想的产产率，自率，自20世世纪纪80年代以来，情况有了年代以来，情况有了显显著的改著的改变变，应应用于有机合成的自由基反用于有机合成的自由基反应应越来越多。越来越多。65-1）重排和碎裂反）重排和碎裂反应应 Rearangement and Fragementation 自由基的自由基的稳稳定性比碳正离子小，其重排不如碳正离子容易定性比碳正离子小，其重排不如碳正离子容易发发生，但比碳生，但比碳负负离子重排容易。离子重排容易。从分子从分子轨轨道分析，道分析，发发生生1，2重排重排时时通通过过三中心三中心过过渡渡态态，类类似于似于环环丙基的丙基的情况，两个碳的情况，两个碳的P轨轨道和道和迁移基迁移基团团的的P轨轨道重叠形道重叠形成三个分子成三个分子轨轨道，其中一道，其中一个是成个是成键轨键轨道，两个是反道，两个是反键轨键轨道。道。66-在有利条件下，如空在有利条件下，如空间间因素或重排后有利于因素或重排后有利于单电单电子的离域子的离域时时重排重排还还是可以是可以发发生的。例如下面化合物生的。例如下面化合物发发生自由基反生自由基反应时应时不同不同取代基取代基R和和R引起重排反引起重排反应应的比例也不同。的比例也不同。67-易于易于发发生生1，2重排反重排反应应的常的常见见取代基有：取代基有：X,Ph,C=C,OAc等基等基团团。68-自由基的碎裂反自由基的碎裂反应应结结构影响：构影响：69-Driving force:环张环张力的解除。力的解除。70-2）卤卤素取代反素取代反应应 Halogen Substitution 对对于一些不活于一些不活泼泼的分子，要引入官能的分子，要引入官能团团，通常用自由基，通常用自由基卤卤代代 反反应应。例如：。例如：在所有在所有卤卤素中，只有素中，只有Cl.和和Br.具有适中的活性。具有适中的活性。71-例如，例如，H Kcal/mol Reaction F Cl Br I X.+CH4 HX +CH3.-32 -1 +15 +33 CH3.+X2 CH3X +X.-70 -23 -21 -18 X 2 +CH4 CH3X +HX -102 -24 -6 +15可可见见，F 的反的反应应是是强强放放热热反反应应，与有机物的反，与有机物的反应应太太剧剧烈。烈。I 在常温下不能与在常温下不能与烷烃烷烃反反应应，只有在，只有在较较高温度下才能高温度下才能 进进行反行反应应。72-比比较较Cl和和Br的的夺氢夺氢反反应应，Br的的选择选择性比性比Cl高：高：又如：又如：73-其它其它卤卤化反化反应应：除除卤卤素素进进行自由基反行自由基反应应外，外，还还有几种常有几种常见见的的卤卤化化试剂试剂，在有机合成中很有用。在有机合成中很有用。（1）NBS N-溴代丁二溴代丁二酰亚酰亚胺（胺（N-Bromo-succinimide)74-（2）次次卤卤酸酸酯酯 (CH3)3COCl）（Walling 试剂试剂）75-（3）溴三溴三氯氯甲甲烷烷 BrCCl3溴三溴三氯氯甲甲烷烷常用作不常用作不饱饱和化合物的取代。和化合物的取代。76-3）自由基加成反）自由基加成反应应（1）加）加卤卤化化氢氢加加HBr,得到反得到反马马氏氏规则产规则产物。物。加加HCl,烯烃烯烃与与HCl的自由基加成比的自由基加成比HBr复复杂杂。77-加加HI,HI键键能小，易于能小，易于产产生自由基，但生自由基，但I.与与烯烃烯烃的的C结结合合 较较困困难难，需吸收，需吸收7Kcal/mol以上的能量，故反以上的能量，故反应难进应难进行。行。加加HF,HF的均裂能很大，第一步的均裂能很大，第一步难难以以进进行，至今未行，至今未发现发现 HF的自由基加成。的自由基加成。78-（2）加多加多卤卤代代烷烷 HCXYZ(CBr4,CCl4,BrCCl3,BrCHCl2,CHCl3,CHBr3,CHI3,CHF3)少于少于3个个卤卤原子的原子的卤卤代甲代甲烷烷不易加成。不易加成。79-（3）醛对烯烃醛对烯烃的加成的加成 醛羰醛羰基上的基上的C-H键键的均裂能近似于的均裂能近似于C-Br键键，用紫外光照射，用紫外光照射或用或用过过氧化物催化，能加到氧化物催化，能加到烯烃烯烃上，得到良好收率的上，得到良好收率的酮酮。但是由但是由，不不饱饱和和醛醛生成的自由基并不与生成的自由基并不与烯烃烯烃加成，加成，而是而是发发生二聚反生二聚反应应。80-（4）酯对烯烃酯对烯烃的加成的加成含有活含有活泼泼氢氢的的酯酯，能与，能与烯烃发烯烃发生自由基加成。生自由基加成。这类这类反反应应可用作有机合成上的增可用作有机合成上的增长长碳碳链链。81-（5）分子内的加成）分子内的加成 Intramolecular Addition82-4）自由基反）自由基反应应的立体化学和区域的立体化学和区域选择选择性性 Stereochemistry and Regioselectivity立体化学立体化学 自由基加成反自由基加成反应应的有利方式的有利方式为为反式加成反式加成。83-区域区域选择选择性性 对对于二取代于二取代烯烃烯烃，自由基，自由基进进攻的位置取决于取代基攻的位置取决于取代基对对新新生自由基的生自由基的稳稳定化能力。定化能力。84-由以上由以上结结果可以得到如下取代基果可以得到如下取代基稳稳定化能力次序：定化能力次序：85-86-四四.卡卡宾宾（碳（碳烯烯）(Carbenes)卡卡宾宾中心碳原子中心碳原子为为中性两价碳原子中性两价碳原子,包含包含6个价个价电电子子,4个个价价电电子参与形成两个子参与形成两个 键键,其余两个价其余两个价电电子是游离的子是游离的.卡卡宾宾是是一一类类非常活非常活泼泼的活性中的活性中间间体体,已知的卡已知的卡宾宾有如下几有如下几类类:(a):CH2,:CHR,:CRR(R为烷为烷基基,芳基芳基,烯烯基或炔基基或炔基)(b):CHX,:CRX,:CXX(X为为F,Cl,Br,I)(c):CHY,:CRY,CYY(Y为为其它原子其它原子团团如如:-OR,-SR,-CN,(d)-COOR,COR)(e):CR2=C:,CR2=C=C:卡卡宾宾的命名的命名 一般以一般以CH2为为母体母体,CH2:卡卡宾宾,Cl2C:二二氯氯卡卡宾宾,CH3COCH:乙乙酰酰基卡基卡宾宾87-1.卡卡宾宾的的结结构构2.卡卡宾宾碳原子只用两个分子碳原子只用两个分子轨轨道成道成键键,还还剩下两个分子剩下两个分子轨轨道容道容纳纳两个未成两个未成键电键电子子.电电子在两个子在两个轨轨道中的填充有道中的填充有两种可能两种可能:88-三重三重态碳碳烯(triplet state)单单重重态态卡卡宾宾(singlet state)89-2.卡卡宾宾的生成的生成 a.光或光或热热分解反分解反应 Photodessociation or Thermodessociation b.消除反消除反应90-3.卡卡宾的反的反应 卡卡宾宾是非常活是非常活泼泼的中的中间间体体,容易容易发发生反生反应应,由于是缺由于是缺电电子子的活的活泼泼中中间间体体,一般是以一般是以亲电亲电性性为为特征的特征的.反反应应活性的次序大致活性的次序大致为为:CH2 :CR2 :CAr2 :CX2卡卡宾宾的典型反的典型反应应主要有两主要有两类类:a.对 C=C 键键的加成的加成 b.对 C H 键键的插入的插入91-a)加成反加成反应应 卡卡宾宾与碳与碳-碳双碳双键键加成加成则则生成生成环环丙丙烷烷衍生物衍生物,这这是卡是卡宾宾最最典型的反典型的反应应之一之一.单线态单线态卡卡宾宾,与与烯烃烯烃的加成属的加成属协协同加成机理同加成机理,烯烃烯烃的立体的立体化学特征保持不化学特征保持不变变:92-三三线态线态卡卡宾宾,具有双自由基性具有双自由基性质质,与与烯烃烯烃的加成的加成,无无论论是是顺顺式式还还是反式是反式烯烃烯烃,都生成都生成顺顺,反反产产物的混合物物的混合物.93-选择选择性性:卡卡宾宾与共与共轭轭二二烯烃进烯烃进行加成反行加成反应时应时,由于卡由于卡宾电宾电子自旋状子自旋状态态不同不同,所得所得产产物也不完全相同物也不完全相同.在没有溶在没有溶剂时剂时,单线态单线态卡卡宾宾与与1,3-丁二丁二烯烯加成加成,产产物几乎全部物几乎全部是乙是乙烯烯基基环环丙丙烷烷;而在惰性气体存在下而在惰性气体存在下,单线态单线态卡卡宾经宾经碰撞使碰撞使激激发态发态去活化而形成基去活化而形成基态态的三的三线态线态,这时这时再与二再与二烯进烯进行加成行加成,则则按双自由基的分步加成按双自由基的分步加成,产产物主要是物主要是环环戊戊烯烯.94-卡卡宾宾也可以与炔也可以与炔烃烃,环烯烃环烯烃,甚至与苯甚至与苯环环上的上的 键进键进行加成反行加成反应应.95-卡卡宾对宾对不不饱饱和和键键的加成的加成为为合成合成带带有功能基有功能基团团的的环环丙丙烷烷提供提供了了简单简单有效的方法有效的方法;其立体化学表其立体化学表现为现为透透视视卡卡宾宾的的结结构和了解反构和了解反应历应历程程提供了提供了条件条件.*若加成若加成产产物物为顺为顺反混合物反混合物,则则可可认为认为卡卡宾为宾为三三线态线态(基基态态).*若反若反应为应为立体立体专专一性的一性的,一般一般认为认为是是单线态单线态卡卡宾宾(激激发态发态)对对 不不饱饱和和键键的的协协同反同反应应.*若用若用环环状状烯烃烯烃,只能得到只能得到顺顺式双式双环环n,1,0.*若卡若卡宾宾的两个取代基不同的两个取代基不同,可得到至少两种可能的可得到至少两种可能的产产物物.96-b)插入反插入反应应 卡卡宾宾可以在可以在C-H 键键上上进进行插入反行插入反应应,卡卡宾宾插到插到C-H键键之之间间,不不论单线态论单线态卡卡宾还宾还是三是三线态线态卡卡宾宾,其插入反其插入反应应得到的得到的产产物是相同的物是相同的.这这也是卡也是卡宾宾的主要反的主要反应应之一之一,但因其在不同的但因其在不同的C-H键键上都可以插上都可以插入入,因而在合成上意因而在合成上意义义不大不大.单线态单线态卡卡宾宾的插入是按一步完成的的插入是按一步完成的协协同同历历程程进进行行.三三线态线态卡卡宾宾作作为为双自由基双自由基,反反应应是分步是分步进进行的行的.首先首先夺夺取取H原子原子,而后通而后通过过自由基偶自由基偶联联两步完成两步完成.97-单线态单线态卡卡宾宾比比较较活活泼泼.对对不同的不同的C-H键键只有很小的只有很小的选择选择性性.叔叔:仲仲:伯伯 =1.5:1.2:1.0三三线态线态卡卡宾宾比比较稳较稳定定,有有较较大的大的选择选择性性.叔叔:仲仲:伯伯 =7:2:1不同的卡不同的卡宾进宾进行插入反行插入反应应的活性也是不同的的活性也是不同的,活性次序活性次序为为:除了除了C-H 键键可以可以进进行插入反行插入反应应外外,卡卡宾还宾还可以在可以在C-Br,C-Cl,C-O 键键上上进进行插入反行插入反应应,但但C-C键键不能不能.98-c)重排反重排反应应 卡卡宾宾可以可以发发生分子内的重排生分子内的重排,通通过氢过氢,芳基芳基,和和烷烷基的基的迁移迁移,得到更得到更稳稳定的化合物定的化合物,这这也是卡也是卡宾宾常常见见的反的反应应.99-4)过过渡金属卡渡金属卡宾络宾络合物在有机合成中的合物在有机合成中的应应用用 过过渡金属卡渡金属卡宾络宾络合物化学是金属有机化学的前沿研究合物化学是金属有机化学的前沿研究领领域之一。卡域之一。卡宾宾作作为为活活泼泼的二价碳衍生物已广泛用于有机合成。的二价碳衍生物已广泛用于有机合成。过过渡金属的一个渡金属的一个显显著特点是可以和作著特点是可以和作为为配体的寿命短的分子配体的寿命短的分子结结合并使其合并使其稳稳定，因而被迅速用于有机合成中并成定，因而被迅速用于有机合成中并成为为一一类类重重要要试剂试剂和反和反应应中中间间体。体。(1)过过渡金属卡渡金属卡宾络宾络合物的合物的类类型、型、结结构特征及反构特征及反应应性能性能 到目前到目前为为止，几乎所有的止，几乎所有的过过渡金属均已被合成出相渡金属均已被合成出相应应的金的金属卡属卡宾络宾络合物。常合物。常见见的卡的卡宾络宾络合物合物为为Fischer型。型。100-Fischer型卡型卡宾络宾络合物合物结结构特征：构特征：a）含有从）含有从VI族到族到VIII族的金属，中心族的金属，中心金属以低价氧化金属以低价氧化态态存在，同存在，同时时被其他配体被其他配体分子（如分子（如CO）所）所稳稳定。定。b）络络合物中卡合物中卡宾宾碳原子的碳原子的邻邻位含有位含有杂杂原子，卡原子，卡宾宾碳富碳富亲电亲电性。性。c）X射射线线衍射研究表明，卡衍射研究表明，卡宾宾碳原子碳原子为为sp2杂杂化，有一个空化，有一个空P轨轨道，是缺道，是缺电电子子的，它与金属及的，它与金属及邻邻位位杂杂原子之原子之间间均有明均有明显显的双的双键键性性质质。101-a）强强正正电电性的卡性的卡宾宾碳表碳表现为亲电现为亲电中心，中心，为亲为亲核核试剂试剂。b）亲电试剂络亲电试剂络合到卡合到卡宾宾碳碳邻邻位位杂杂原子上。原子上。c）卡）卡宾宾配体的配体的碳原子上的碳原子上的H具有明具有明显显的酸性，故可被的酸性，故可被 碱脱去碱脱去H原子形成金属卡原子形成金属卡宾负宾负离子然后与一系列离子然后与一系列亲电试亲电试 剂剂反反应应生成生成C-C键键。d）络络合物中的合物中的杂杂原子原子还还可被可被亲亲核性更核性更强强的的试剂试剂取代。取代。e）金属与卡）金属与卡宾宾之之间间的碳的碳键键也可也可发发生断裂。生断裂。f）络络合物中配体（合物中配体（CO)也可以被其它配体取代。也可以被其它配体取代。102-（2）金属卡）金属卡宾络宾络合物的制合物的制备备a)从金属从金属羰羰基化合物的制基化合物的制备备 常用的常用的亲亲核核试剂为试剂为有机鋰，它比格氏有机鋰，它比格氏试剂试剂更更为为有效。加有效。加成速度取决于成速度取决于羰羰基的基的亲电亲电性、空性、空间间因素和配体的种因素和配体的种类类。优优点：原料易得，大多数点：原料易得，大多数产产物物为为固体，且在空气中固体，且在空气中较稳较稳定，定，产产率高，易于操作。率高，易于操作。103-b)b)从金属从金属羰羰基阴离子制基阴离子制备备 从金属的五从金属的五羰羰基二价离子与基二价离子与酰酰胺或胺或酰氯酰氯反反应应而得而得此法此法经济实经济实用，用，产产率亦好，可直接制率亦好，可直接制备备胺基卡胺基卡宾络宾络合物合物c)由金属由金属羰羰基化合物和炔基化合物和炔烃烃制制备备 此法此法对对制制备备某些特殊卡某些特殊卡宾络宾络合物有用，其合物有用，其优优点是不需要高点是不需要高反反应应活性的活性的亲电试剂亲电试剂。此法是利用金属炔。此法是利用金属炔烃络烃络合物的重排，合物的重排，然后用醇然后用醇类类化合物捕化合物捕获获制制备备。104-(3)金属卡金属卡宾络宾络合物的反合物的反应应 卡卡宾络宾络合物所合物所经历经历的反的反应应可分可分为为两两类类A.A.卡卡宾宾配体的反配体的反应应亲亲核取代反核取代反应应 105-金属卡金属卡宾宾阴离子的反阴离子的反应应 这类这类阴离子可与阴离子可与亲电试剂亲电试剂作用，常用于作用，常用于C CC C键键的形成的形成.例如：例如：106-【2+22+2】环环加成加成 107-【3 32 2】环环加成反加成反应应108-【4 42 2】环环加成反加成反应应 ，不不饱饱和卡和卡宾络宾络合物的乙合物的乙烯烯基所表基所表现现的缺的缺电电子性子性使其易于与双使其易于与双烯烯体体发发生生Diels-AlderDiels-Alder反反应应109-1 1，4 4共共轭轭加成反加成反应应 B.B.天然天然产产物合成上的物合成上的应应用用 Fischer Fischer卡卡宾络宾络合物由于其制合物由于其制备简单备简单，易于操作和其，易于操作和其强强的的官能化能力，使得它官能化能力，使得它们们在天然在天然产产物合成中得到广泛物合成中得到广泛应应用。用。110-(1)(1)多多肽肽的合成的合成111-(2)抗生素的合成抗生素的合成112-西他沙星西他沙星Sitafloxacin广广谱谱型抗菌型抗菌剂剂Cis-2-氟氟环环丙胺丙胺113-114-115-Cis-2-氟氟环环丙胺丙胺116-117-IV 乃春乃春 (氮氮烯烯 Nitrene）乃春又称乃春又称亚亚氮氮.是卡是卡宾宾的的 N N 类类似物，非常活似物，非常活泼泼，在普通条件下，在普通条件下难难以离析。以离析。1.乃春的生成乃春的生成1）热热解或光解解或光解（thermolysis or photolysis）叠氮化合物的分解叠氮化合物的分解118-异氰酸酯的光解 NH3 or H2NNH2 的光解的光解2)乃春的反乃春的反应应 典型的反典型的反应应也是与也是与-键键的加成和与的加成和与C-H键键的插入反的插入反应应.119-乃春的重排反乃春的重排反应应：烷烷基乃春的重排基乃春的重排发发生的很快，往往生的很快，往往发发生在插入和加成反生在插入和加成反应应之前。生成后很快之前。生成后很快发发生重排而生成生重排而生成亚亚胺（胺（Schiff Base imine）120-V 苯炔（苯炔（Benzyne）苯炔是苯苯炔是苯环环上上发发生生亲亲核取代的活性中核取代的活性中间间体，体，苯炔的苯炔的发现发现，使芳，使芳类亲类亲核取代反核取代反应应中的中的许许多多过过去去难难以解以解释释的的现现象得到了解决象得到了解决.1.苯炔的确苯炔的确证证 芳基芳基卤卤化物在氨基化物在氨基钠钠存在下加存在下加热热，氨解成芳胺，存在，氨