第三章 有机反应活性中间体
(Reactive intermediates)
一,正碳离子 (Carbocations)
（ 一）,正碳离子 的结构 ( )
（二）,正碳离子的稳定性 ( )
取代基效应的影响溶剂效应的影响 ( )
（三）,正碳离子的生成 ( )
1,直接离子化
2,正离子对不饱和分子的加成
3,由其它正离子转化二,负碳离子 (Carbanions)
（ 一）,负碳离子的生成 ( )
1,C-H的异裂 （金属有机化合物的生成）
2,负离子对不饱和键的加成
(二）,负碳离子的结构 ( )
（三）,负碳离子的稳定性剑桥影响因素
s-性质取代基效应芳香性由相邻杂原子导致的稳定性非邻位 π键的影响溶剂效应
（四）,非经典正碳离子 (Nonclassical Carbocations)
1.π键参与的非经典正碳离子 ( )
2.σ键参与的非经典正碳离子 ( )
三,自由基 (Free radicals)
1,自由基的种类及结构烷基自由基烯丙基型自由基桥头自由基
2,自由基的生成
(1) 热解自由基的引发剂
BPO
AIBN
(2) 光解
3,自由基的稳定性键的解离能四,碳烯 （卡宾） (Carbenes)
1,碳烯的结构单重态碳烯 (singlet state)
三重态 碳烯 (triplet state)
2,碳烯的生成
a,分解反应
b.α－ 消除反应
3,碳烯的反应
a,对 C = C 的加成
b,对 C － H的插入五,氮烯 （乃春） (Nitrenes)
1,氮烯的类型
2.氮烯的结构单重态氮烯三重态氮烯
3,氮烯的反应加成反应插入反应六,苯炔 (Benzyne)
1,苯炔的结构
2,苯炔的产生
3,苯炔的反应亲核加成亲电加成环加成一,正碳离子 (Carbocations)
含有带正电荷的三价碳原子的原子团。
1,正碳离子的结构
C
H 3 C
H 3 C
C H 3+C
sp2 - s
σbond
CH3+的轨道结构
sp2 - sp3
σbond
(CH3)3C + 的轨道结构
H
H
H
sp2杂环 平面三角构型 空的 P轨道正碳离子的稳定性：
C H 3 3 C C H 3 2 C H C H 3 C H 2 C H 3> > >
σ- p超共轭效应：
C C
H H
H
轨道交盖在这里空的 p 轨道烯丙型正碳离子：
C H 2 C H C H 2 C H 2
C H
C H 2
p-π共轭 电子离域 正电荷分散程度大
C H 2 C3 C H2 C H 2> >>
共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：
>>3 CC H 2 C H 2 C HC H 2 C H C H 2C H 2 C H
共轭效应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：
> O 2 N C H 2C H 3 C H 2 C H 2 >
CH2
CH2
CH2
C
环丙甲基正离子的结构：
空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖
>>>C3 C H2 C H 2 C H 2
环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：
中心碳原子上的空的 p
轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。
随着环丙基的数目增多，
正碳离子稳定性提高。
直接与杂原子相连的正碳离子结构：
C H 3 O C H 2 C H 3 O C H 2
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。
类似地，羰基正离子：
R C O C OR
CH
R
C
H
乙烯型正碳离子：
+
C原子进行 sp2杂化,p轨道用于形成 π键，空着的是 sp2
杂化轨道，使正电荷集中。
苯基正离子,结构同乙烯型正碳离子，正电荷集中在 sp2杂化轨道上。
此二类正碳离子稳定性极差。
溶剂效应：
1) 溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。
2) 溶剂使正碳离子稳定：
C C H 3
空的 p 轨道易于溶剂化溶剂
3) 极性溶剂：溶剂化作用强，利于底物的解离。
正碳离子的生成：
1) 直接离子化
R X R X
通过化学键的异裂而产生。
P h C H C l
P h
P h 2 C H C l
H 2 OR O H H R O H 2 R
2) 对不饱和键的加成
C H 3 C O F B F 3 C H 3 C O B F 4
C Z H C Z HZ,O,C,S,N
H C lC C C C C l
C O H C O H C O H
3) 由其它正离子转化而生成
N 2N H 2 N 2N a N O 3
H C l
H H
P h 3 C S b F 6 S b F 6
4) 在超酸中制备 C正离子溶液比 100％的 H2SO4的酸性更强的酸－ 超酸 (Super acid)
常见的超酸 与 100％ H2SO4的酸性比较
HSO3F （ 氟硫酸） 1000倍
HSO3F － SbF5 （ 魔酸） 103倍
HF－ SbF5 1016倍叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：
C
C H 3
H 3 C
C H 3
O H
H S O 3 F - S b F 5 - S O 2
- 6 0 ℃
C
C H 3
H 3 C
C H 3
+ H 3 + O + S O 3 F -
+ S b F 5 + S O 2
很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质中进行的。
非经典正碳离子
1) π键参与的非经典正碳离子实验表明,反－ 7－原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度相应的饱和化合物 大 1011倍
T s O
- T s O
H A c O H
A c O H
T s = C H 3 S O 2
+
2电子 3中心体系
1
2
3
4
5
7
2)σ键参与的非正碳离子外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯 溶剂解速度 相应的内型化合物 大 350倍
O B s O A c
H O A c H O A c
O B s
-OBs
负碳离子 (Carbanions)
1,C-H的异裂 （金属有机化合物的生成）
C H + B C + H B
共 轭 酸 共 轭 碱负碳离子：
带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。
N H 3P h 3 C H P h 3 C N aN a N H 3液 N H 3
N H 3C CH H C CH N aN a N H 3液 N H 3
C H 3 C O C H 2 C O O E t C H 3 C O C H C O O E tN a O E t
C
2,负离子对双键的加成
O C H 3C CH H C H O C H 3C H C H 2 C H O C H 3H O C H 3
负碳离子的结构
109° 28′
sp3 杂化棱锥型
C
90°
sp2杂化平面三角型
.,
烷基负碳离子为棱锥型孤对电子处于
sp3杂化轨道上,C -稳定。
轨道夹角为 109° 28′时，电子对间的排斥力小，
利于负碳离子稳定。
C O 2
H O3
1
2
B u L iC
6 H 1 2 C H C H 3
I
C 6 H 1 2 C H C H 3
L i
C 6 H 1 2 C H C H 3
C O O H
影响负碳离子稳定性的因素：
1) s-性质效应
> >C CH C H 2 C H C H 3 C H 2
2) 诱导效应
3) 共轭效应
(Reactive intermediates)
一,正碳离子 (Carbocations)
（ 一）,正碳离子 的结构 ( )
（二）,正碳离子的稳定性 ( )
取代基效应的影响溶剂效应的影响 ( )
（三）,正碳离子的生成 ( )
1,直接离子化
2,正离子对不饱和分子的加成
3,由其它正离子转化二,负碳离子 (Carbanions)
（ 一）,负碳离子的生成 ( )
1,C-H的异裂 （金属有机化合物的生成）
2,负离子对不饱和键的加成
(二）,负碳离子的结构 ( )
（三）,负碳离子的稳定性剑桥影响因素
s-性质取代基效应芳香性由相邻杂原子导致的稳定性非邻位 π键的影响溶剂效应
（四）,非经典正碳离子 (Nonclassical Carbocations)
1.π键参与的非经典正碳离子 ( )
2.σ键参与的非经典正碳离子 ( )
三,自由基 (Free radicals)
1,自由基的种类及结构烷基自由基烯丙基型自由基桥头自由基
2,自由基的生成
(1) 热解自由基的引发剂
BPO
AIBN
(2) 光解
3,自由基的稳定性键的解离能四,碳烯 （卡宾） (Carbenes)
1,碳烯的结构单重态碳烯 (singlet state)
三重态 碳烯 (triplet state)
2,碳烯的生成
a,分解反应
b.α－ 消除反应
3,碳烯的反应
a,对 C = C 的加成
b,对 C － H的插入五,氮烯 （乃春） (Nitrenes)
1,氮烯的类型
2.氮烯的结构单重态氮烯三重态氮烯
3,氮烯的反应加成反应插入反应六,苯炔 (Benzyne)
1,苯炔的结构
2,苯炔的产生
3,苯炔的反应亲核加成亲电加成环加成一,正碳离子 (Carbocations)
含有带正电荷的三价碳原子的原子团。
1,正碳离子的结构
C
H 3 C
H 3 C
C H 3+C
sp2 - s
σbond
CH3+的轨道结构
sp2 - sp3
σbond
(CH3)3C + 的轨道结构
H
H
H
sp2杂环 平面三角构型 空的 P轨道正碳离子的稳定性：
C H 3 3 C C H 3 2 C H C H 3 C H 2 C H 3> > >
σ- p超共轭效应：
C C
H H
H
轨道交盖在这里空的 p 轨道烯丙型正碳离子：
C H 2 C H C H 2 C H 2
C H
C H 2
p-π共轭 电子离域 正电荷分散程度大
C H 2 C3 C H2 C H 2> >>
共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：
>>3 CC H 2 C H 2 C HC H 2 C H C H 2C H 2 C H
共轭效应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：
> O 2 N C H 2C H 3 C H 2 C H 2 >
CH2
CH2
CH2
C
环丙甲基正离子的结构：
空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖
>>>C3 C H2 C H 2 C H 2
环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：
中心碳原子上的空的 p
轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。
随着环丙基的数目增多，
正碳离子稳定性提高。
直接与杂原子相连的正碳离子结构：
C H 3 O C H 2 C H 3 O C H 2
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。
类似地，羰基正离子：
R C O C OR
CH
R
C
H
乙烯型正碳离子：
+
C原子进行 sp2杂化,p轨道用于形成 π键，空着的是 sp2
杂化轨道，使正电荷集中。
苯基正离子,结构同乙烯型正碳离子，正电荷集中在 sp2杂化轨道上。
此二类正碳离子稳定性极差。
溶剂效应：
1) 溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。
2) 溶剂使正碳离子稳定：
C C H 3
空的 p 轨道易于溶剂化溶剂
3) 极性溶剂：溶剂化作用强，利于底物的解离。
正碳离子的生成：
1) 直接离子化
R X R X
通过化学键的异裂而产生。
P h C H C l
P h
P h 2 C H C l
H 2 OR O H H R O H 2 R
2) 对不饱和键的加成
C H 3 C O F B F 3 C H 3 C O B F 4
C Z H C Z HZ,O,C,S,N
H C lC C C C C l
C O H C O H C O H
3) 由其它正离子转化而生成
N 2N H 2 N 2N a N O 3
H C l
H H
P h 3 C S b F 6 S b F 6
4) 在超酸中制备 C正离子溶液比 100％的 H2SO4的酸性更强的酸－ 超酸 (Super acid)
常见的超酸 与 100％ H2SO4的酸性比较
HSO3F （ 氟硫酸） 1000倍
HSO3F － SbF5 （ 魔酸） 103倍
HF－ SbF5 1016倍叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：
C
C H 3
H 3 C
C H 3
O H
H S O 3 F - S b F 5 - S O 2
- 6 0 ℃
C
C H 3
H 3 C
C H 3
+ H 3 + O + S O 3 F -
+ S b F 5 + S O 2
很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质中进行的。
非经典正碳离子
1) π键参与的非经典正碳离子实验表明,反－ 7－原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度相应的饱和化合物 大 1011倍
T s O
- T s O
H A c O H
A c O H
T s = C H 3 S O 2
+
2电子 3中心体系
1
2
3
4
5
7
2)σ键参与的非正碳离子外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯 溶剂解速度 相应的内型化合物 大 350倍
O B s O A c
H O A c H O A c
O B s
-OBs
负碳离子 (Carbanions)
1,C-H的异裂 （金属有机化合物的生成）
C H + B C + H B
共 轭 酸 共 轭 碱负碳离子：
带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。
N H 3P h 3 C H P h 3 C N aN a N H 3液 N H 3
N H 3C CH H C CH N aN a N H 3液 N H 3
C H 3 C O C H 2 C O O E t C H 3 C O C H C O O E tN a O E t
C
2,负离子对双键的加成
O C H 3C CH H C H O C H 3C H C H 2 C H O C H 3H O C H 3
负碳离子的结构
109° 28′
sp3 杂化棱锥型
C
90°
sp2杂化平面三角型
.,
烷基负碳离子为棱锥型孤对电子处于
sp3杂化轨道上,C -稳定。
轨道夹角为 109° 28′时，电子对间的排斥力小，
利于负碳离子稳定。
C O 2
H O3
1
2
B u L iC
6 H 1 2 C H C H 3
I
C 6 H 1 2 C H C H 3
L i
C 6 H 1 2 C H C H 3
C O O H
影响负碳离子稳定性的因素：
1) s-性质效应
> >C CH C H 2 C H C H 3 C H 2
2) 诱导效应
3) 共轭效应
