高等有机第五章-活泼中间体

CH3 Ph CH O
Ph
CHOH
三、自由基
自由基反应往往与溶剂极性无关，反应常常容易在气相进行，酸碱 催化也不起作用。自由基反应常常对含氧、氮、硫等化合物非常敏 感，因为这些化合物可与活泼自由基反应形成不活泼自由基而阻止 反应，这些特点有助于反应机理的判断。
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１、检测
电子顺磁共振 (EPR：Electron paramagnetic resonance) 自由基的特点是具有未成对电子的顺磁物质，未偶电子在磁场中 有两种可能的能态，这两种能态的能量差DE随外磁场强度而增加：
O O Cu2+ O O HOAc OAc OAc CH2OAc
第五章
有机反应中的活泼中间体
一、碳正离子
1、碳正离子的结构
R1
溶剂解
R1
R1
+
R2 R3
Cl Solvent
R2 R3
S S 外消旋体
R2 R3
碳正离子结构：sp2(平面)或sp3(快速翻转角锥型) 桥头卤素不活泼 可解释为双环体 系不能形成平面 的碳正离子。
HO
1
Ag+/H2O 100℃
X
溶剂解 (CH3)3CX
DE=hv=gbH g光谱分裂因子, b 波尔磁子，H磁场强度 当外加能量符合上述关系即发生能量吸收，产生磁能级间跃迁。 2、稳定性 叔 > 仲 > 伯 > CH3
R自由基的稳定性顺序与R-H键解离能顺序相反。 当可能存在共振离域时，自由基稳定性增加。苄基和烯丙基自由 基稳定性大于烷基自由基，但仍为瞬间存在。
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（2）诱导效应 碳负离子的邻近有吸电子基团可增加其稳定性。 碱
R3N CH3
R3N
CH2
D2O
R3N
CH2D
（3）电荷的离域 碳负离子与p体系相连可使负电荷离域:
O C N O C N
O C O N
O O
O R R R R
O R
20
R
Ylide是由于碳负离子向相邻原子的d轨道离域而稳定：
Base P CH 3 P CH2 P CH2
COOH
0℃
- 78℃
Li
CO2
C6H13
CH3
50%
60%
COOH H CH3 C6H13
H C6H13 CH3
50% 40%
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三元环碳负离子由于翻转能垒增加，实际得到构型保持的产物：
H CH3 Li H
H H
CO2
H+
CH3 COOH
与碳正离子不同，桥头碳负离子容易形成：
Li
Cl
CO2
COOH
PrO t-BuOOBu-t Et C CHO Me PrO Et C CO Me PrO C Et Me OPr C Me Et PrO Et C H Me dl
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4、自由基反应
(1) 取代
R·+ R1H
(2) 加成
R1·+ RH
C C
R·+
(3) 氧化还原
C C R
Cu2+可将 R· 氧化为R+
C
C
很不稳定，电荷无法离域
（3）空间效应
CH3 H3C C CH3 Cl
CH3 H3C C CH3
中间体张力减小， 反应速度快。
氯代叔丁烷中，由于氯原子体积大使三个甲基彼此靠近而产生 张力。
6
Cl
CH3
CH3
中间体张力增大， 反应速度慢。
3、非经典碳正离子
经典碳正离子，正电荷定域在一个碳原子或离域在共轭体系中。 例如，R3C+
Ph* H3C Ph* NH2 HO Ph Ph 88% Ph* 12% H HNO2 O H3C H3C H + O Ph H
手性碳构型翻转
手性碳构型保持
13
上述反应结果可用原料的稳定构象解释： 1,1—二苯基—2—氨基丙醇：
Ph* H2N HO H II Ph* CH3 Ph H HO CH3 III Ph* NH2 Ph
R R C + O Me R C + O
R
Me
简单酰基正离子在溶液中及固体状态下均已被制备。CH3CO+ 稳 定性与t-Bu+类似。
O CH3C+
CH3C O+
由于空间因素，2，4，6－三甲基苯甲酰和2，3，4，5，6－五 甲基苯甲酰正离子特别稳定，它们在95％硫酸中很易生成。
5
当完全失去共振的可能性，碳正离子稳定性很差，如烯基和芳基 正离子。
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三苯甲基游离基室温下能在溶液中存在。
2 Ph3C Ph3C H Ph Ph
虽然三苯甲基游离基由于电子离域而稳定，但空阻大是其二 聚困难的主要原因。
CH3O CH3O OCH3 OCH3
CH3O OCH3
I • • • •
II 共平面性 I > II > III 空间位阻I < II < III 共振稳定性 I > II >III 二聚容易程度 I > II > III
一些具有芳香性的负离子可在溶液中或以固体盐的形成稳定存在。
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p轨道有时在不相邻的两个碳之间也可发生重叠： 双环[3,2,1]- 2,6－辛二烯在碱作用下形成双同环戊二烯负离子. （双同表示芳香体系插入两个饱和碳〕
H H 6 7 1 5H 4 H 3 2 Base H3.7ppm H H 0.4ppm H H 5.4ppm H 2.9ppm
与不饱和键通过p-p共轭而稳定的碳负离子基本是平面结构，这是由 于轨道重叠的要求。
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2、碳负离子稳定性
碳负离子的相对稳定性可用它们的共轭酸酸度来表示。共轭酸 酸性越强，形成的碳负离子越稳定。 （1）杂化状态的影响
a-H酸性:
O
O
O
H
<
H
<
H
三种环均为sp3 杂化，但小环由于角张力，碳为不等性杂化， C-C键P成份多，C—H键的S成份更多。（P成分越多，键越易 弯曲。） C—H键的S成份越多，酸性越强。 C-H酸性：sp>sp2>sp3 ，如： Pka 乙烷 乙烯 乙炔 42 36.5 25
III
说明自由基二聚难易主要由空间位阻决定。
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一些氮自由基很稳定，如二苯基三硝基苯基偶氮游离基 是固体，可保存几年。
Ph N Ph N NO2 NO2 NO2
一些亚硝基游离基可发生反应而不影响自由基的孤对电子。
O
Et OH
① EtMgX
N O
② H2O
N O
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3、自由基结构： SP2，SP3 均有可能 例如，光活性醛经自由基反应得外消旋产物，表明自由基可能为 SP2或迅速翻转的SP3杂化。
CH3
CH3
Ph H3C + Ph H OH H
C
C
CH3 OH H3C
H O
Ph
15 42%
二、碳负离子
碳负离子由于碳的电子云密度高，与之相连的质子在NMR 谱中移向高场。
H H H H
H H
6 ppm NaNH / NH (l) 2 3
H
δδ+
H
3.15 ppm 5.82 ppm
H H H
H
H
+ H 2.44 7.07 H H 4.24 H 1.87 9 H 3.24
外－原冰片酯的溶剂解反应是s参与的实例，首例C-C s键的邻助效 应是Winstein在1949年发现的。 例：
HOAc OSO2R V相＝350 AcO ＋ OAc
HOAc V相＝1 OSO2R OAc
外型异构体溶剂解速度比内型快350倍，无论外型、内型异构体 均得到>99.9%的外型产物，且光活性外型异构体反应后得到完 全消旋化的产物，而光活性内型异构体反应产物仍然有部分旋 光。
3
很多苄基正离子可在溶液中制成六氟化锑（SbF6-)盐：
Ph3C—Cl SbF6Ph3C+SbF6 -
环丙基甲基碳正离子甚至比苄基型更稳定：
C
OH
H2SO4
C
CH3 C CH3 OH
CH3
FSO3H—SO2—SbF5 超酸
C CH3
4
环丙基甲基碳正离子的稳定性是由碳正离子p空轨道与环丙基弯曲 的C-C键共轭而产生。研究表明p空轨道与环丙基C2-C3键平行，这 种稳定性是环丙烷独有的。 杂原子的孤对电子对碳正离子起共振稳定作用。
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98.5%DMSO, 1.5%CH3OH K相对 108
3、 碳负离子的反应
以碳负离子为中间体的有机反应极其普遍，如b-二羰基化合物的烷 基化，羰基a-位取代，Micheal加成，羟醛缩合，消除反应等。
碳负离子重排现象不常见，苄基醚在强碱作用下发生Wittig重排。
Ph CH2 OCH3
Ph CH O CH3 CH3
(CH3)3C+ + Br -
（2）电子效应
由于R的+I、+C超共轭效应，所以稳定性： R3C+ > R2CH+ > RCH2+ >CH3+
与双键共轭的碳正离子由于共轭离域而稳定性增加。 H2SO4
H3C H CH3
H3C H
CH3
H3C H
CH3
H3C
CH3
NMR显示只有三种氢，六个甲基质子， 四个亚甲基质子，一个次甲基质子， 证明正电荷是离域的。
+ H H D D H OTs D H D
电荷离域在共轭体系
7
另一类具有二电子三中心的碳正离子称非经典碳正离子.