第四章 有机反应活性中间体
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反应中间体——碳负离子有些有机化学反应是属于一步完成的,例如:D-A反应;碳烯的插入反应等。
但更多的是多步反应,反应过程中至少包含有一个活性中间体的生成,例如叔丁基溴的SN1取代反应生成的活性中间体碳正离子;乙炔与氨基钠液氨溶液反应生成的乙炔碳负离子;亚硝酸酯光解产生的烷氧基自由基等都是活性中问体。
活性中间体在有机化学反应过程中虽然寿命不长且较难分离,但它非常活泼,在适当的条件和方法下是可以检测其存在,有些甚至可以分离。
碳正离子是有机化学反应中常见的活性中间体,对它的生成、结构和转变的研究对某些有机反应历程的阐明是十分重要的,同时对碳止离子稳定性的研究,有助于判断反应是按何种反应历程进行,有助于推断反应所生成的主要产物。
碳正离子是有机化学反应中常见的重要活性中间体,它的生成、结构、稳定性等对某些有机化学反应历程的阐明及反应产物的预测是十分重要的。
今天我们就说一说三种活性中间体之一碳负离子,碳负离子相对碳正离子来说在有机反应中出现的较少,但涉及到醛酮等羰基化合物的许多重要反应,在合成上的应用是非常重要的。
碳负离子是带负电荷的具有偶数价电子的粒子,其负电荷(未共用电子对)定域在一个碳原子上。
甲基负离子CH3- 可看作是一切碳负离子的母体,各碳负离子可以烷基负离子来命名。
由吸电子基共轭稳定化(-R 效应)的碳负离子,由于实际的共振结构中负电荷主要分布在氧原子上,这类离子叫做碳负离子的性质。
碳负离子的产生:含碳酸的脱质子作用:有机化合物中C-H 键的电离也应当看作是酸性电离:为了同含氧酸,氢卤酸等相区别,把这种酸称为含碳酸,含碳酸的共轭碱即为碳负离子。
比如炔烃失去一个质子所得的碳负离子为sp 杂化,s 成分很大,吸引电子的能力越强,相对的碱性越弱,而共轭酸的酸性越强,容易电离出质子而成碳负离子。
醛酮α氢的电离:醛酮在羰基的影响下(诱导效应与共轭作用),α氢有一定的酸性,可以电离出稳定的碳负离子。
例如丙酮电解生成共轭碱。
2 有机反应活性中间体有4种含碳原子的有机活性物种,它们一般只成2或3键,非常活泼,寿命很短,仅以中间体的形式存在并迅速转化为稳定的分子(其中也有些稳定的中间体可以分离出来)。
这4种活性中间体是碳正离子、碳负离子、自由基和碳烯(卡宾),其中只有碳负离子具8电子结构。
除上述4种含碳的活性中间体之外,还有一些其它原子也因为带有电荷或孤对电子而成为有机反应的活性中间体,其中最重要的是氮烯(乃春)。
2.1碳正离子提示:命名自1902年以来,这些物种一直被称为碳鎓离子(carbonium ions)。
由于“鎓”(-nium)通常指成键数高于中性原子的离子,所以,这一叫法并不合理。
1971年,Olah提出将碳鎓离子(carbonium ions)保留给成5键带正电荷的碳,而用碳正离子(carbocations)命名3配位的带正电荷的碳。
1987年,IUPAC接受了上述定义。
2.1.1形成与反应(1)形成碳正离子,不论其稳定与否,一般通过两种途径形成:①直接离子化,与碳原子相连的基团带着原来共用的一对电子离去:②质子或其它正电荷物种加到不饱和体系的一个原子上,从而在其相邻的碳原子上形成正电荷:由于碳正离子是短寿命的过渡物种,所以,不论它以何种方式产生,一般都不经分离直接继续反应。
(2)反应碳正离子反应形成稳定产物的两种主要方式恰恰是其两种主要形成方式的逆反应。
①碳正离子可以和拥有孤对电子的物种反应(路易斯酸碱的反应)这些拥有孤对电子的物种可以是羟基负离子、卤素离子或其它负离子,也可以是带有可共享的孤对电子的中性物种(此时产生的中间产物也会带有正电荷)。
②碳正离子可以从相邻的原子上脱去氢或其它正离子(消除反应)除生成稳定产物外,碳正离子还可以通过反应得到新的碳正离子。
③重排重排后的碳正离子较原碳正离子稳定,之后,新碳正离子可能按①或②生成稳定的产物。
④加成碳正离子可以加到双键上,在新位置上再形成一个正离子,而这个新的碳正离子还可以继续往双键上加成,这也是烯烃聚合的机理之一。
有机反应机理1.有机反应类型(1)加成反应亲电加成 C=C,C≡C;亲核加成 C=O, C≡C,C≡N;带有吸电子基团的加成C=C,如C=C-C=O,C=C-C≡N;自由基加成C=C。
(2)取代反应取代反应有三种:亲电取代,重要的是芳环上H 被取代;亲核取代,经常是非H原子被取代;自由基取代,重要的是α取代。
(3)消除反应主要是1,2-消除生成烯,也有1,1-消除生成碳烯。
(4)重排反应常见的是碳正离子重排或其它缺电子的中间体重排。
(5)周环反应包括电环化反应、环加成反应及σ迁移反应。
2.反应活性中间体主要活性中间体有苯炔(Benzyne)。
(1)自由基自由基的相对稳定性可以从C—H键离解能大小判别,键离解能越大,自由基稳定性越小。
如按稳定性次序排列R3C·>R2CH·>RCH2·>CH3·C—H键离解能:380.7 395.4 410.0 435.1(kJ/mol)C6H5CH2·≈CH2=CH-CH2·>R3C·C—H键离解能:355.6 355.5(kJ/mol)Ph3C·>Ph2CH·>PhCH2·【例1】下列游离基哪一个最稳定?B.CH2=CHCH2·D.CH3·解:B。
(2)碳正离子含有带正电荷的三价碳原子的化合物叫碳正离子,它具有6个价电子,一般情况下是sp2杂化,平面构型,其稳定性次序为:任何使正电荷离域的条件都能稳定碳正离子。
孤电子对能分散正电荷故MeOCH2Cl溶剂解反应比CH3Cl快1014倍。
芳香化稳定碳正离子,例如(3)碳负离子碳负离子是碳原子上带有负电荷的体系,其结构大多是角锥形sp3杂化构型,此构型使孤电子对和三对成键电子之间相斥作用最小。
碳负离子的稳定性常常用碳氢化合物的酸性来衡量,化合物的酸性越大,碳负离子越稳定。
对碳负离子起稳定作用的因素有:①增加碳负离子上s轨道成分。