第四章 有机反应活性中间体
《活性中间体》课件
要点二
详细描述
自由基反应机理是指活性中间体与自由基发生反应，通常 是由于自由基的未配对电子所引起的。在反应过程中，自 由基进攻活性中间体的某个部位，形成新的键合。常见的 自由基反应包括：自由基加成、自由基取代和自由基聚合 等。
协同反应机理
总结词
协同反应是活性中间体的另一种重要反应类型，涉及多 个活性中间体的相互转化。
在材料科学中的应用
总结词
活性中间体在材料科学中有助于实现新型材料的合成和改性 。
详细描述
利用活性中间体的反应活性，可以在材料制备过程中引入所 需的官能团、晶格结构或特定的物理性质，从而实现对材料 性能的调控和优化。这为新型材料的设计和制备提供了新的 思路和方法。
PART 05
活性中间体的研究进展
活性中间体在合成中的新应用
总结词
活性中间体在有机合成中扮演着重要的角色，随着研究的深入，其在合成中的新应用也不断涌现。
详细描述
活性中间体因其独特的化学性质，在有机合成中具有很高的反应活性和选择性。近年来，科研人员利用活性中间 体成功合成了许多高性能材料、药物和功能分子。同时，通过深入研究活性中间体的反应机理和条件，可以进一 步优化合成路线和方法，提高产率和降低成本。
详细描述
在生物体内，活性中间体可以作为信号分子、代谢中间 产物或酶促反应的中间态，参与细胞代谢、能量转换、 信息传递等过程，对维持生命活动的正常进行具有至关 重要的作用。
在药物合成中的应用
总结词
药物合成中，活性中间体有助于实现高效、定向的分子转化。
详细描述
在药物研发和生产过程中，利用活性中间体可以大大提高合成效率，降低副反应，同时能够定向地修 饰药物分子，优化药效和降低副作用。活性中间体在药物合成中的运用对于新药开发和生产具有重要 意义。
有机化学常见活性中间体详解
有机化学常见活性中间体详解
高中化学常见官能团有：羟基（-oh）、羧基（-cooh）、醚键(-c-o-c-)、醛基（-coh）、羰基(c=o)等。
官能团，是决定有机化合物的化学性质的原子或原子团。
1、羟基（oxhydryl）是一种常见的极性基团，化学式为-oh。
羟基与水有某些相似的性质，羟基是典型的极性基团，与水可形成氢键，在无机化合物水溶液中以带负电荷的离子形式存在（oh-），称为氢氧根。
羟基主要分为醇羟基，酚羟基等。
2、羧基（carboxy），就是有机化学中的基本官能团，由一个碳原子、两个氧原子和一个氢原子共同组成，化学式为-cooh。
分子中具备羧基的化合物称作羧酸。
3、醚是醇或酚的羟基中的氢被烃基取代的产物，通式为r-o-r'，r和r’可以相同，也可以不同。
相同者称为简单醚或者叫对称醚；不同者称为混合醚。
如果r、r'分别是一个有机基团两端的碳原子则称为环醚，如环氧乙烷等。
多数醚在常温下为无色液体，有香味，沸点低，比水轻，性质稳定。
醚类一般具有麻醉作用，如乙醚是临床常用的吸入麻醉剂。
4、羰基中的一个共价键跟氢原子相连而共同组成的一价原子团，叫作醛基，醛基结构简式就是-cho，醛基就是亲水基团，因此存有醛基的有机物（例如乙醛等）存有一定的水溶性。
5、羰基（carbonyl group）是由碳和氧两种原子通过双键连接而成的有机官能团
（c=o），是醛、酮、羧酸、羧酸衍生物等官能团的组成部分。
在有机反应中，羰基可以发生亲核加成反应，还原反应等，醛或者酮的羰基还可以发生氧化反应。
有机化学中的反应中间体和活化能
有机化学中的反应中间体和活化能有机化学是研究碳及其化合物的科学，其中反应机理和反应中间体的研究对于理解有机化学反应的本质和发展有重要意义。
在有机化学反应中，中间体是指在化学反应中形成和消失的反应物和产物之间的中间物质。
活化能则是指化学反应发生所需的最小能量。
一、反应中间体反应中间体是在化学反应中暂时形成的物质，它具有较长的寿命，存在于反应物转化为产物的过程中。
反应中间体的形成和消失通常是化学反应的一个关键步骤，它们对于反应速率和产物选择性起着决定性的影响。
1.1 离子中间体离子中间体是指在有机化学反应中形成的带电离子物种。
常见的离子中间体包括碳正离子（碳正离子是在电子亲合力强的试剂作用下形成的，比如亲电取代反应）、碳负离子（碳负离子是在电子捐赠试剂作用下形成的，比如酸催化的亲核取代反应）和自由基离子（自由基离子是在自由基反应中形成的，比如自由基加成和自由基取代反应）。
1.2 中心化学键中间体中心化学键中间体是指在有机化学反应中两个化学键断裂和/或形成的过程中形成的共价中间体。
常见的中心化学键中间体包括碳-碳单键中间体（比如亲电加成反应，碳-碳双键断裂形成碳-碳单键中间体）、碳-碳双键中间体（比如亲电取代反应，碳-碳单键断裂形成碳-碳双键中间体）和碳-氢键中间体（比如氧化反应，氧化剂作用下碳-氢键断裂形成碳-氢键中间体）。
二、活化能活化能是指在化学反应中，反应物由其能量较低的状态转变为能量较高的过渡态所需要的最小能量。
它是影响化学反应速率的重要因素。
活化能较低的反应通常具有较快的反应速率，而活化能较高的反应则速率较慢。
在有机化学中，活化能的大小取决于反应的步骤和反应物之间的相互作用。
活化能的降低可以通过催化剂的添加或者调节反应条件来实现。
催化剂可以通过提供合适的反应路径、降低过渡态的能量或者提供其他交互作用来降低活化能，从而加速化学反应的进行。
三、应用和意义对于有机化学研究者和实践者来说，深入理解和掌握反应中间体和活化能的概念和特点具有重要的意义。
有机催化反应的活性中间体研究
有机催化反应的活性中间体研究有机催化反应是一种重要的有机合成方法，可以高效、选择性地构建有机分子的键合。
而在催化反应的过程中，活性中间体的研究是至关重要的，它们可以通过稳定的方式催化反应，加速和导向反应的进行。
本文将探讨有机催化反应中的活性中间体研究，并介绍一些典型的活性中间体。
活性中间体是指化学反应中的中间产物，其反应活性高于起始物和产物。
这些中间体可以通过稳定的方式存在于反应体系中，从而充当催化剂的角色，参与并促进反应的进行。
对活性中间体的研究可以揭示反应机理的细节，有助于理解反应的速率、选择性和底物适用范围等方面的问题。
在有机催化反应中，活性中间体的研究主要集中在两个方面：1）活性中间体的合成和表征；2）活性中间体的反应机理。
为了合成活性中间体，研究人员通常采用先进的有机合成技术，通过设计合适的前体分子和反应条件，合成出目标中间体。
在合成过程中，需要考虑合成反应的温度、溶剂选择、催化剂的选择等多个因素，以确保中间体的高产率和高纯度。
合成后，研究人员可以通过核磁共振、质谱等多种技术手段对中间体进行表征，确定其结构和性质。
在反应机理的研究中，研究人员通常通过理论计算和实验验证的方法来解析活性中间体的形成和转化。
理论计算可以通过计算化学方法（如密度泛函理论）模拟中间体的构型和能量，从而推断其形成机制。
实验验证可以通过反应体系中有机合成步骤的定位同位素标记和同位素交换等方法，确定活性中间体的反应路径和转化过程。
以活性烯烃为例，其官能团的空间构型对活性中间体的形成和反应至关重要。
研究人员可以通过合成不同官能团的烯烃前体，并进行反应选择性研究，来揭示活性中间体的种类和反应路径。
此外，环状中间体的形成机理也是一个研究热点。
通过环闭合反应的研究，研究人员可以揭示环中间体的活性和稳定性，并探索它们在催化反应中的作用。
活性中间体的研究不仅对于理解有机催化反应机理具有重要意义，也可以为合成方法的改进和新反应的开发提供指导。
生物乙烯的生物炼制技术
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Notes:
E 过渡态 过渡态 过渡态 中间体 （I）
反应物
中间体 （II）
产物
反应进程
1)反应进程能峰图上，活性中间体处于低谷,而过渡态处于峰顶。
2）活性中间体有一定的寿命,可检测，有时在适当的条件下可以 分离；而过渡态寿命极短，不稳定，既不能分离也不能检测。
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非经典正碳离子
1) π键参与的非经典正碳离子 反－7－原冰片烯基对甲苯磺酸酯,在乙酸中的溶剂解的速度， 构型保持,而且比相应的饱和化合物,速度快 1011倍。
TsO
H
AcO
AcOH -TsO
H
+
SO2
7
1 3
Ts = CH3
5 4 2
2电子3中心体系
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2)σ键参与的非经典正碳离子
HOAc
OBs
AcOK
OAc
(I)
exo-
HOAc endoOBs
AcOK
Carbocation Carbanion Free Radical Carbene Nitrene (乃春) Benzyne
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高等有机化学第四章有机反应中间体解析
正电荷分散程度大
共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：
CH2 CH 3C > CH2 CH 2CH > CH2 CHCH2
当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子 稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：
CH3
CH2 >
CH2 > O2N
CH2
环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：
3C >
2CH > CH2 >
含有带负电荷的三价碳原子的原子团。 是最早被确认的活性中间体
1、碳负离子的结构
两种构型： 未共用电子对占据p轨道
未共用电子对占据sp3杂化轨道
有利构型！
桥头碳负离子 角锥结构可以快速翻转，不具有手性
三元环碳负离子难于翻转 得到构型保持的氘代产物
当碳负离子与相邻的不饱和体系共轭时，平面结 构变为有利结构
CH2
环丙甲基正离子的结构：
C
其结果是使正电荷分散
CH2
空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖
随着环丙基的数目增多，
CH2
CH2
正碳离子稳定性提高。
直接与杂原子相连的碳正离子结构：
氧上未共有电子对所 占 p 轨道 与中心碳原子上的空的 p轨道 侧面交盖，未共有电子对离域， 正电荷分散。
CH3 O CH2
CH3O CH2
HC CH
NaNH3 液 NH3
HC CNa
NH3
Ph3C H
NaNH3 液 NH3
Ph3CNa
NH3
CH3COCH2COOEt NaOEt CH3COCHCOOEt
常用的碱 ■ 有机锂试剂：n-BuLi, PhLi, MeLi ■ KOBut ■ LDA
有机活性中间体-苯炔
实验结果表明： (1)重排产品中引入的基团在脱掉的原子的邻位； (2)重排产品是从邻位脱掉原子(重氢)形成的。因而这些 反应是通过一个对称的中间体苯炔进行的。
环加成反应（Diels-Alder反应）
苯炔是具有高度反应活性的中间体，它的反应不受生成方法的影响， 即不论苯炔的来源如何，和同一作用物反应形成的产品是相同的。 苯炔的反应总是涉及到对“三键”的加成，从而在产品中恢复其芳香性。 苯块的反应可以是极性的。也可以是协同的环加成。
关于苯炔的结构，倾向性的意见为：
除了脱掉两个相邻的氢原子以外，苯环上基本没被扰乱。 在相邻的sp2杂化轨道之间必然有重叠，这样形成一个很弱 的键，这种情况和观察到的活泼性是一致的，红外光谱也 表明苯炔应具有这样的结构。
苯炔的反应
苯炔(或去氢苯)是从苯消除两个邻位取代基得到的具有高度反应活性的中间体。 芳香亲核取代反应过去存在着许多难以解释的现象。如用强碱处理芳香卤代物， 在某些情况下不仅形成正常的取代产品。而且同时也得到异构的化合物，其中 新的取代基在原来连接卤素的碳原子的体主要有： 碳正离子、碳负离子、自由基、 碳正离子、碳负离子、自由基、卡宾 碳烯）、乃春（氮烯)和苯炔等。 ）、乃春 （碳烯）、乃春（氮烯)和苯炔等。
影响活性中间体稳定性的因素
诱导效应 共轭效应 空间效应 芳香性及其结构
苯炔的结构
苯炔的结构式可表示为：
有机反应活性中间体—苯炔
简介及意义
– 简介：所谓“活性中间体”就是指具有一定的反应活性 简介：所谓“活性中间体” 或不稳定性的中间体。 或不稳定性的中间体。有机反应的活性中间体不同于中 间过渡状态，它是真实存在的，且不少的活性中间体目 间过渡状态，它是真实存在的， 前已经被人们通过物理或化学的方法检测到或分离出 例如1900年Gowmberg首次发现的三苯甲基自由基 来．例如1900年Gowmberg首次发现的三苯甲基自由基 ((C6H5 )3一C·)就是一种中间体。 就是一种中间体。 就是一种中间体 – 意义：有机化学反应类型很多，反应过程也复杂。根据 意义：有机化学反应类型很多，反应过程也复杂。 过渡状态理论， 过渡状态理论，有机反应中反应物分子一般是通过一个 或几个能量最高的过渡状态形成产物，或者是经过某些 或几个能量最高的过渡状态形成产物， 中间体形成产物的。因此， 中间体形成产物的。因此，讨论反应活性中间体的稳定 性对研究有机化学反应的活性具有十分重要意义。 性对研究有机化学反应的活性具有十分重要意义。
第四章-有机反应中活性中间体
CH3
H3C C Br
CH3
OHH2O
CH3
H3C C
Br
CH3
Transition state
CH3
-Br- H3C C +
H2O
CH3
Intermediate
CH3
H3C C
OH2
CH3
Transition state
CH3
H3C
C
+
OH2
CH3
-H+
CH3
H3C C +OH
CH3
分步反应的能峰图
C H 2> 3 C> 2 C H > C H 2
当共轭体系上连有取代基时， 给电子基团使正碳离子稳定性增加； 吸电子基团使其稳定性减弱：
C H 3 C H 2> C H 2> O 2 N C H 2
环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：
3C > 2 C H > C H 2> C H 2
环丙甲基正离子的结构：
C H 33 C >C H 32 C H >C H 3C H 2>C H 3
轨道交盖在这里
H
空的 p 轨道
σ- p超共轭效应：
CC
HH
共轭效应
烯丙型正碳离子：
CH2 CH CH2
CH
CH2
CH2
p-π共轭
电子离域
正电荷分散程度大
共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：
C H 2C H 3 C > C H 2C H 2 C H > C H 2C H C H 2
C
CH2
空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖
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吸电子基使其稳定性↓
C H 3 C H 2 > O N C H 2 > 2 C H 2
③ 环丙甲基碳正离子 稳定性： 环丙甲基正离子﹥苄基正离子
C 3
>
C H 2
>
C H > 2
C H 2
结构：
C
CH
CH2 CH2
使正电荷分散
空 p 轨道与弯曲轨道交盖
随环丙基的数目↑ ，
碳正离子稳定性↑。
④ 直接与杂原子相连的碳正离子
H R
C
C
H
+
⑦ 苯基正离子
结构同⑥ ，正电荷在sp2轨道上。 此二类碳正离子稳定性极差。
溶剂效应
1) 溶剂使碳正离子稳定； 2) 溶剂的诱导极化作用， 有利于底物解离。 3) 极性溶剂： 溶剂化作用强， 更有利于底物解离。 2. 碳正离子生成 溶剂
空的 p 轨道 易于溶剂化
C
CH3
1) 直接离子化： 通过化学键的异裂而产生。
HOAc OB s 外 型
O B s
+ AcO OAc
5 0 %
OAc
5 0 %
HOAc
-OBs
-
+
+
HOAc OBs 内 型 HOAc
+ AcO OAc
5 4 % 4 6 %
4. 碳正离子的反应 1) 生成稳定化合物 ⑴ 与亲核试剂结合
N uR R + N u
+ -
Nu-： H-、OH-、CN-、X-、…H2O、NH3… ⑵ 脱质子 β-位： γ-位：
高等有机化学
第三章 有机反应活性中间体
(Reactive intermediates)
主要内容：
1、碳正离子结构、稳定性、生成和反应；
2、碳负离子结构、稳定性、生成和反应；
3、自由基结构、稳定性、检出方法、生成和反应；
4、卡宾的结构、稳定性、生成和反应；
5、乃春的结构、稳定性、生成和反应； 6、 苯炔的结构、稳定性、生成和反应。
例：
C H 3
C H 3
H S O F S b F S O 3 5 2 6 0 ℃ + H CC + 3 H O + S O F 3 3 C H 3+ S b F + S O 5 2
H H CCO 3 C H 3
超强酸：可夺取负氢离子→碳正离子
+ M e C H + S b F · FSO H = M e C + S b F S O + H 3 5 3 3 5 3 2
重点：
1．碳正、负离子结构、稳定性、生成和反应；
2．自由基结构、稳定性、检出方法、生成和反应。
难点：
各类活性中间体的结构、稳定性、生成和反应
有机反应多数是多步反应，在反应中首先
生成活性中间体，接着再转化成产物。 常见的活性中间体有：碳正离子、碳
离子、自由基、卡宾、乃春、苯炔等六种。
一. 碳正离子 (Carbocations) （亲电反应中间体）
(Ph)2CHCl
R O H
H
+ (Ph)2CH + ClR O H 2 O RH 2
BF + 3 CH COF BF CH CO 3 4 3 +
⑷ RH：碳正离子、超强酸(Super acid)等 超酸：比100％的H2SO4酸性更强的酸。 常见的超酸（与100％H2SO4的酸性比较）： HSO3F （氟硫酸） HSO3F － SbF5 （魔酸） HF－SbF5 1000倍 103倍 1016倍
+ R X R X +
① 重要条件：溶剂化；
② 稳定的碳正离子越易生成；例：叔>仲>伯>CH3+ ③ 离去基团亲核性越弱越易离去；
例如: PhSO3- > X- > RCOO④ 催化离子化作用
常用：催化剂→酸或Lewis酸,
⑴ RX和RCOX: Ag+、AlX3、FeX3、BF3等 ⑵ ROH、ROR’等：H+、 AlX3、FeX3、BF3等 ⑶ RNH2：HNO2
CH3 O
CH2
H C H O C 2 3
氧上未共用电子对所 占 p 轨道与C原子空的 p轨 道侧面交盖，未共用电子对离域，正电荷分散。
+ 类似的质子化羰基： H O — C H — R
+ H O = C H — R
⑤ 酰基碳正离子 ⑥ 乙烯型碳正离子
R C O
R C
＋
O
RCH＝CH
C原子：sp2杂化； p轨道：形成π键； 带正电荷sp2轨道与p轨道⊥; 使正电荷集中。
H
C
+ C
+
CC
（最常见）
H
C C
C
C C C
2) 生成新碳正离子
⑴ 重排反应
R C C R
+
+ C C
迁移动力：生成更稳定的碳正离子 迁移活性：芳基>烷基>H
⑵ 加成反应
C R+ C
+
+ RC C
二、碳负离子 (Carbanions) （亲核反应中间体）
含义：带负电荷的三价碳原子的原子团。
特点：富电子，∵带负电荷的C上有八个价电子。
含义：带正电荷的三价碳原子的原子团。
最常见
特点：缺电子，∵带正电荷的碳有六个价电子。
1. 碳正离子结构和稳定性
1) 碳正离子结构 （可能有两种）
sp2杂化
平面三角形
sp3杂化
C
空的p 能量上合理 稳定
角锥型
C
空的sp3 不稳定
2) 碳正离子稳定性 ① σ- p 超共轭效应
2 > C H C H > C H C H C H C > 3 C H 3 3 2 3 C
②共轭效应
CH 2 CH CH 2 CH 2 CH CH 2
p-π共轭
共轭体系的数目越多，碳正离子越稳定 (CH2=CH)3C+ > (CH2=CH)2CH+ > CH2=CHCH2+ Ph3C+ > Ph2CH+ > PhCH2+ 取代基 供电子基使碳正离子稳定性↑；
3. 非经典碳正离子 1) π键参与的非经典碳正离子
实验表明：
反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的 溶剂解速度比相应的饱和化合物快1011倍
T s O H A c O H
A c O H T s O
+
2电子3中心体系
T s=C H 3
S O 2
2)σ-键参与的非经典碳正离子
外型原冰片醇对溴苯磺酸酯 溶剂解速度比相应的内型化合物快350倍
1.碳负离子结构 ① sp2杂化：平面三角形
∵sp2轨道s成分高，成键电子离核近，
C
孤电子对离核远且与键合电子斥力大 ∴ 稳定性较差 一般在共轭体系中取这种构型
∴很多C+：结构与稳定性的研究在超酸介质中进行。 2) 对不饱和键加成
CZ H
H C l
CZ H
Z :O ,C ,S ,N
C l
例如：
C C
C C
· ·+ + O H
+ H O
+ OH
3) 由其它正离子转化而生成
NaNO + 2 N + N NH 2 + 2 2 HCl
H H P h C S b F 3 6 S b F 6