第一章：活性中间体及在有机合成中的应用.ppt

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1、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、Carey F.A.,&Sundberg.R.J.Advanced Organic Chemistry（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

2、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）,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：,（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。,SP2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：,（烯酮、重氮化合物的分解）,2、消除反应得到,三氯乙酸钠在非质子溶剂如1

3、，2二甲氧基乙烷中回流脱羧如：,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:CF2,（X=H,Cl,O,N，etc.），碳碳键不能插入,2、加成反应 2.1、对碳碳双键的加成,（协同反应，形成三元环）,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

4、卡宾结合，留下的是单线态卡宾,（顺加成）,例：,（主产物，加成）（副产物，插入）,例：,烯丙基卡宾分子内加成 双环丁烷,例：,（单线态）（协同加成）,（构型保持，顺式）（构型翻转，反式）,2.2 对羰基的加成,3、重排反应：Wolff重排反应,机理：,4、在合成上的应用,例：拟除虫菊酯的合成：,例：,例：,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,2、由叠氮基甲酸酯（azidoformates）分解,其

5、制备过程为：采用酰氯与叠氮钠反应制得。如：,（氯甲酸乙酯）,（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：,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-R,2.插入反应：,（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，由于键的旋转，产物为顺反异构体的混合物：,4.二聚反应：,5.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。,5.1、霍夫曼（

6、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：,5.2、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：,5.3、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：,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：,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：,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。,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

7、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。,=1.45,外消旋产物,2、自由基的稳定性：,若自由基中的电子能与电子形成P-共轭体系，这样的自由基较稳定：,3、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）,(2)辐射均裂反应：,共价键的化合物，在紫外光X-射线、射线的辐射下，引起键均裂。如：,有机汞化合物光

8、分解如：,(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：,过氧化叔丁醇,二、自由基的反应,1、链反应机理 链引发：,链增长：,链终止：,2、烃的卤代反应,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、均只发生氢的取代反应不发生烯烃的加成反应。,（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

9、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。,（1,3二溴丙烷，反马氏产物）,其历程为自由基历程：,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。,表：卤化氢的链传递反应焓变：,H(KJ/mol)HF 222 151 HCl 75 17 HBr 21 50 HI 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

10、酯、氯乙酸乙酯等，也能和烯烃发生自由基加成，如：,例：杀虫剂毒死蜱的合成：,4、自氧化反应,分子氧对有机物进行的氧化反应称之为自氧化反应。自氧化反应具有重要的实际意义，如油漆的干燥、橡胶的老化、暴露空气中食物的变质等都与自氧化反应有关。为阻止有机物因自氧化反应而遭破坏。常加入阻止氧化反应的物质如对苯二酚抗氧化剂。如苯甲醛很易被空气氧化成苯甲酸，如加入0.001的对苯二酚就可阻止反应发生：,再如：,机理如下：,5、自由基重排反应,自由基重排反应没有碳正离子那样普遍，但在某些情况下自由基确实发生了重排。,例：,例：,(重排产物),例：,例：,第四节 碳正离子,一、碳正离子的结构及稳定性1、经典碳正

11、离子：结构可用经典的lewis式表示的碳正离子 碳正离子的中心原子一般为SP2杂化，P轨道为空轨道。碳正离子的稳定性顺序为：叔碳仲碳伯碳,能产生P共轭的碳正离子较稳定。几种稳定的正碳离子：,二、非经典碳正离子,非经典碳正离子不能用Lewis结构式来表示,1、烯丙基型非经典碳正离子（碳碳双键作为邻基参与）,反式7原冰片烯基对甲苯磺酸酯（反式，构型保持）,反式的速度是顺式的107倍，而顺式不仅速度慢，而且得到仍然是反式产物。,反式碳碳双键可以形成32的非经典碳正离子，所以反式速度快,顺式7原冰片烯基对甲苯磺酸酯,2、螺环形碳正离子,下列化合物水解产物很难用经典的碳正离子加以解释,85,二、碳正离子

12、的反应,1、亲核取代反应,SN1历程：正碳离子历程，构型消旋化，SN2历程，分子过渡态，构型翻转。,离子对历程：将两极端历程融合为一个历程加以解释：实际过程为SN1、SN2历程都不同程度存在。,2、重排反应,3、消除反应,在亲核取代反应的同时，常伴有消除反应，特别是叔卤代烃。如：,当XNR3时，几乎全为消除产物。霍夫曼和扎依采夫消除：,扎依采夫消除规律：一般情况下，仲、叔卤代烃的消除得到主产物为碳碳双键上 烷基最多的烯烃。,霍夫曼消除规律：,从季胺碱或锍碱加热消除得到的主产物为双键烷基最少的烯烃。,4、烯烃的亲电加成反应,HX对烯烃的加成，在一般情况下，HX分子中的质子与碳碳双键上的电子结合形

13、成最稳定的碳正离子，这就是马尔尼可夫规则。,若在自由基引发剂（有氧或少量过氧化物）情况下，溴化氢的加成是反马氏加成：,5、芳香族亲电取代反应,如：硝化、磺化反应、FC反应：R+、RCO+、卤化（Cl2、Br2）等。,第五节、碳负离子（Carbenion）（活泼亚甲基）和叶立德,1、碳负离子结构与稳定性 一般碳负离子与相邻基团易形成共轭大键时，结构稳定，取SP2杂化的平面构型，而简单的碳负离子类似于氨或胺结构，取SP3杂化的锥型结构。但能自动翻转达到平衡。,稳定性：(1)p或 共轭效应在碳负离子所连的碳原子上如有不饱和键，可使其稳定，如,（2）S成分效应 碳负离子稳定性随S成分的增加而增加如：,

14、（3）、诱导效应 当碳原子连有吸电子基团是，碳负离子的稳定性增加。如：,（4）芳香性,共平面的环状烯烃负离子的电子数符合4n2时，负离子有芳香性，稳定,2、碳负离子的反应,2.1、饱和碳原子上的亲核取代反应 丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯和类似二羰基化合物（1，3二羰基化合物）的烷基化反应，在有机合成上非常重要。,例：,巴比妥酸,例：,（杜冷丁）,2.2、羰基位的取代反应烯胺（Enamine）烯胺的结构中，由于N的孤对电子的P-共轭结果，使得原来羰基的“”碳的电负性增大，亲核性增强。同时，由于烯胺很容易水解成羰基化合物，因而在有机合成上有着非常广泛的用途。,例：,例：,例：,（吗啉）,制备：采用羰

15、基化合物在酸催化下脱水反应得到：,2.3 烯胺的反应及在有机合成中的应用（羰基的位活化）：,（1）烃化：,（席夫碱）,例：,（2）酰基化反应：,（3）迈克加成反应（提高迈克加成反应的活性）（烃基化反应）,例：,例：,2.3、法伏尔斯基（Favorskii）重排反应卤代酮在强碱条件下，重排成羧酸或酯的反应。,历程：,若用OH替代CH3O，产物为羧酸，如：,当卤代酮的，位无酸性氢时，在醇、碱作用下，也可重排，称似法沃斯基重排：,历程：,例如：,2.4、迈克尔（Michael）加成反应,碳负离子中间体对，不饱和醛酮的1,4加成反应:,例：,例：,通常用胺甲基化反应来制备，不饱和醛酮，作为迈克尔反应的

16、原料，称之为迈尼丝碱（Mannich）。如：,（制成季胺盐更容易发生消除反应）,迈尼丝碱（Mannich）,例：,例：色胺酸的合成如下,（色氨酸）,吲跺,2.5 羟醛缩合反应 在碱性催化下，具有氢的醛酮可以与另一个分子醛酮的羰基加成而得到羟基醛酮的反应称羟醛缩合反应。,（有顺反异构，但反式E为主）,（多巴胺）,扩展到含活性氢化合物,如若其中一个分子没有氢，不同的醛酮之间的缩合称之为克莱森施米特缩合反应（ClaisenSchmidt）缩合,含活泼亚甲基化合物在胺或氨（仲胺）催化下发生的与醛酮的缩合称之为克诺芬盖尔缩合（Knoevenagel）如:,例：,例：,若改为丁二酸二乙酯，在强碱催化下与醛

17、酮或酮的羟醛缩合称之为斯托布（Stobbe）反应：,在强碱存在下，卤代酸酯与醛酮缩合得到，环氧化酯称之为达森反应（Darzen,s）,机理如下：,例:,例:,（香料）（甲基壬基乙醛）,例：,在强碱存在下，含活泼氢的酯与酯缩合称之为克莱森酯缩合反应：,例：,若克莱酯缩合发生在分子内称之为迪克曼酯缩合（Dieckmann）如:,例：,例：,例：,例：,酸酐在同一种酸的钠或钾盐存在下，产生碳负离子，再与芳醛反应，产生的羟醛型缩合反应称之为柏金反应（Perkin）：,（碘番酸，胆道造影药物）,二、叶立德（Yliedes）,叶立德是指一个带正电荷的杂原子（一般是五、六族元素）和一个碳负离子相连的化合物，

18、通式为:,磷叶立德；砷叶立德；碲叶立德；硫叶立德；氮叶立德,也可以用双键表示为：,叶立德不是真正意义上的碳负离子，但它们发生的反应都类似于碳负离子，是强亲核试剂，如著名的维狄希试剂（Wittig）反应就是磷叶立德与醛酮的反应。到目前为止，叶立德的重要反应仍在不断涌现，特别是硫、氮叶立德在有机合成中所起的重要作用更引人注目。,1、翁内盐的形成,1.1、由翁盐除去质子,形成的难易程度，取决于碳负离子的稳定性，或决定于被除去的质子的酸性。酸性越强，越易除去。例如：,1.2、卡宾直接和膦反应,1.3、碳负离子和乙烯基磷离子的加成,2、翁内盐的结构,X衍射研究表明：与杂原子相邻的碳是平面型结构。CP键长

19、为1.7，比正常CP单键1.87短。这表明，CP之间有双键的成分。主要是填满的2P轨道与d的空轨道有重叠的缘故。,3、翁内盐的反应,3.1、磷叶立德,3.1.1与醛酮的反应（Wittig反应）,碳负离子进攻醛酮的羰基碳，得到两性离子中间体，此时，氧再和磷配位形成膦化氧和烯烃：,例：,例：,维狄希反应对许多采用别的方法难以合成的天然产物如：萜类、多烯类化合物的合成上非常有用。,例如，合成棉铃虫性信息素：,（7Z,11E）-7,11十六碳二烯基乙酸酯,合成：,采用膦酸酯来制备叶立德是对维狄希试剂的改进和发展，成为霍纳艾蒙斯（Horner Emmons）反应，其特点是制备方便，副产物溶于水，分离方便

20、,3.1.2、氧化作用,氧（过氧酸）将翁内盐裂解为磷化氢和羰基化合物；如果翁内盐过量，则生成的醛再与翁内盐反应，得到对称的烯烃:：,3.1.3、重排反应：Stevens重排,季胺盐重排涉及翁内盐重排：,一般氮的翁内盐很不稳定，这是由于N没有空的d轨道形成共轭的缘故。,3.2、硫叶立德,常用的硫叶立德是二甲基亚甲基叶立德，二甲基亚甲基氧锍叶立德：,这两个叶立德是1962年被人介绍的。,3.2.1、硫叶立德制备：,和磷叶立德一样，主要是采用锍盐来制备：,3.2.2、反应,a、环氧化：,硫叶立德与羰基化合物反应与磷叶立德不同，它不能夺取羰基上的氧，而是加成在碳氧之间，形成环氧化物。例：,（酯羰基不干扰醛酮）,二甲基亚甲基锍叶立德比二甲基亚甲基氧锍叶立德更活泼，前者不能储存，后者可储存数天。,b、环丙烷化,二甲基亚甲基氧锍叶立德（不是二甲基亚甲基锍叶立德）对，不饱和羰基化合物的迈克加成反应，得到环丙烷衍生物。这是一种很好的环丙烷化试剂：（产物相当于烯烃和碳烯反应的产物）,例：,例：,例：,例：,(空间位阻大),例：,例：,例：,而二甲基亚甲基锍叶立德对，不饱和羰基化合物的迈克加成反应主要是环氧化物。这是它们两的主要区别，也是它们的活性不同所致：,C、重排反应：,稳定的酯叶立德，加热时也能发生类似的史蒂文斯重排，如：,叶立德的反应也相当复杂，还有其它许多反应，在此不多叙述。,