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1、第十章 碳负离子第一页，本课件共有35页第十章第十章 碳负离子碳负离子第二页，本课件共有35页 10.1 碳负离子的定义碳负离子的定义 碳负离子碳负离子(carbanion)是带有负电荷的碳离子。是有机是带有负电荷的碳离子。是有机合成反应中一类重要的活性中间体。合成反应中一类重要的活性中间体。碳负离子极其活泼，碳负离子极其活泼，除很少数情况外，至今尚未分离成功。然而大量实验除很少数情况外，至今尚未分离成功。然而大量实验事实已证明了它的存在。事实已证明了它的存在。碳负离子具有一对孤对电子，占碳负离子具有一对孤对电子，占有有sp3杂化轨道，形成四面体结构，这种结构往往发生迅速杂化轨道，形成四面体结
2、构，这种结构往往发生迅速的构型转化，如的构型转化，如R3C-(R为烃基为烃基)：第三页，本课件共有35页 碳负离子从广义上可理解是一种强的路易斯碱，碳负离子从广义上可理解是一种强的路易斯碱，如表所示：如表所示：烃类烃类(RH R-+H+)的电离常数的电离常数pKa第四页，本课件共有35页CH4 Hf=-8.777KCAL/MOL CH3-Hf=57.7237KCAL/MOL10.2 碳负离子的轨道碳负离子的轨道第五页，本课件共有35页10.3 碳负离子的结构与稳定性碳负离子的结构与稳定性 碳负离子有两种比较合乎情理的结构：碳负离子有两种比较合乎情理的结构：(1)一个平面一个平面的的sp2杂化构
3、型杂化构型(A)，和和(2)一个角锥型的一个角锥型的sp3杂化构型杂化构型(B)。第六页，本课件共有35页1.1.（共振）平面构型的碳负离子共振）平面构型的碳负离子 从烷烃得到的最简单的碳负离子是角锥形的。其结构从烷烃得到的最简单的碳负离子是角锥形的。其结构类似于氨和胺。与胺相似，简单的负碳离子通过中心碳原类似于氨和胺。与胺相似，简单的负碳离子通过中心碳原子的再杂化其角锥形可以翻转，导致两个互变异构形式之子的再杂化其角锥形可以翻转，导致两个互变异构形式之间的平衡，如下图所示。由于这种迅速的相互转变，故不间的平衡，如下图所示。由于这种迅速的相互转变，故不能拆开成对映体。能拆开成对映体。（一）结构
4、（一）结构第七页，本课件共有35页 从由金属从由金属-卤素置换制备光学活性卤素置换制备光学活性2-辛基锂的研究得辛基锂的研究得到了证明。到了证明。这个锂化合物和这个锂化合物和CO2在在-70 C作用，给予作用，给予20光学活性光学活性(亦即亦即60%保持构型不变，保持构型不变，40%发生构型转化发生构型转化)，但是在，但是在0 C给予外消旋混合物。给予外消旋混合物。例：例：第八页，本课件共有35页 这些结果和共价锂这些结果和共价锂化合物离解形成快速平化合物离解形成快速平衡衡(通过转化通过转化)的棱锥型的棱锥型负离子对，然后袭击负离子对，然后袭击CO2是一致的；在是一致的；在-70 C 达到平衡
5、以前，达到平衡以前，袭击袭击CO2，部分保留部分保留构型不变，但是在构型不变，但是在0 C达到平衡，结果消达到平衡，结果消旋。旋。第九页，本课件共有35页 当带负电荷的碳原子上连有双键或苯环等取代基时，当带负电荷的碳原子上连有双键或苯环等取代基时，由于这些取代基能与孤电子对发生共轭，负碳离子将是由于这些取代基能与孤电子对发生共轭，负碳离子将是平面型构型平面型构型(sp2杂化杂化)，因为这样，因为这样p轨道与轨道与 轨道在侧面轨道在侧面发生最大的轨道重叠，负电荷离域更好，体系能量最发生最大的轨道重叠，负电荷离域更好，体系能量最低最稳定，例如苄基负离子，烯丙基负离子和丙腈负低最稳定，例如苄基负离子
6、，烯丙基负离子和丙腈负离子等。离子等。第十页，本课件共有35页2.2.角锥构型的碳负离子角锥构型的碳负离子 在环丙烷环中，负碳离子虽是在环丙烷环中，负碳离子虽是sp3杂化，但由于杂化，但由于环存在张力，负碳离子的构型不能翻转。环存在张力，负碳离子的构型不能翻转。顺式顺式-2-甲基环丙基锂的碳负离子立体有选择地形甲基环丙基锂的碳负离子立体有选择地形成顺式酸。成顺式酸。例例1：第十一页，本课件共有35页 在桥环化合物中，桥头碳原于上发生负碳离子的反在桥环化合物中，桥头碳原于上发生负碳离子的反应比发生正碳离子的反应要容易得多，也说明了桥头碳负应比发生正碳离子的反应要容易得多，也说明了桥头碳负离于是离
7、于是sp3杂化。桥头有机锂化合物容易形成，和它们正常杂化。桥头有机锂化合物容易形成，和它们正常地与亲电试剂发生反应的事实，为碳负离子的角锥型电子构地与亲电试剂发生反应的事实，为碳负离子的角锥型电子构型提供了进一步的证明型提供了进一步的证明。例例2：第十二页，本课件共有35页3.3.非经典的碳负离子非经典的碳负离子 1-H-十一氟双环十一氟双环2.2.1庚烷，在庚烷，在CH3OT-CH3O-K+中，以其唯一的氢原子与重氢交换，甚至比中，以其唯一的氢原子与重氢交换，甚至比2-H-七氟丙七氟丙烷还要容易；因而，这种情况再一次表明碳负离子在烷还要容易；因而，这种情况再一次表明碳负离子在桥头上是适应的。
8、桥头上是适应的。例例1：第十三页，本课件共有35页例例2：在碳负离子的化学中，同烯醇负离子占一个特殊的在碳负离子的化学中，同烯醇负离子占一个特殊的地位。光学活性莰尼酮地位。光学活性莰尼酮(Camphenilone)在高温和叔丁基在高温和叔丁基负离子存在的情况下，发生消旋作用；如果使用负离子存在的情况下，发生消旋作用；如果使用d-标记的标记的叔丁醇，这个化介物可以结合三个重氢原子。这些现象和叔丁醇，这个化介物可以结合三个重氢原子。这些现象和下列所示是一致的。下列所示是一致的。第十四页，本课件共有35页 由于同烯醇化物容易回转为酮式化合物，因而考虑由于同烯醇化物容易回转为酮式化合物，因而考虑可能它
9、不只是环丙醇的负离子，而且具有真正的烯醇的可能它不只是环丙醇的负离子，而且具有真正的烯醇的性质。性质。H第十五页，本课件共有35页例例3：桥头酮醇如桥头酮醇如(A)，在碱性介质中的交换性能。，在碱性介质中的交换性能。长长时间在温热的时间在温热的D2O-OD-中，结果在分子中导人四个重氢中，结果在分子中导人四个重氢原子原子(与与OH交换的以外交换的以外)，这里，平衡必然也建立在，这里，平衡必然也建立在(B)和和(C)之间，之间，(D)为中间体或过渡状态。为中间体或过渡状态。第十六页，本课件共有35页（二）影响碳负离子稳定性的因素（二）影响碳负离子稳定性的因素 测定碳氢化合物的酸性就很容易知道碳负
10、离子的相对测定碳氢化合物的酸性就很容易知道碳负离子的相对稳定性。在碱存在的情况下：稳定性。在碱存在的情况下：Ka值越大，稳定性越好。值越大，稳定性越好。第十七页，本课件共有35页1.1.诱导效应和共轭效应诱导效应和共轭效应 CH4 40 C2H6 42 (CH3)2CH2 44 (Pka)伯碳负离子伯碳负离子仲碳负离子仲碳负离子叔碳负离子叔碳负离子CF3H 1 CF3(CF2)5CFH 6 (CF3)2CFH 105(CF3)3CH 109 (重氢交换相对速度重氢交换相对速度)乙烷乙烷PKa 44 硝基甲烷硝基甲烷PKa 15烯丙基烯丙基PKa 35.5 苄基苄基PKa 35第十八页，本课件共
11、有35页2.s2.s性质效应性质效应 轨道的轨道的s性质越大性质越大(sp3轨道与轨道与p轨道比较轨道比较)，则独电，则独电子对的稳定性也越大；因而，简单的碳负离子采取棱子对的稳定性也越大；因而，简单的碳负离子采取棱锥型构型。与此一致，锥型构型。与此一致，C-H键的键的s性质百分数和这个键性质百分数和这个键的酸性也是密切相关的。例如，从乙烷至乙烯至乙炔的的酸性也是密切相关的。例如，从乙烷至乙烯至乙炔的酸性，随着酸性，随着C-H键的键的s性质的百分数，而平稳的提高。性质的百分数，而平稳的提高。乙烷乙烷Pka：42 乙烯乙烯Pka：36.5 乙炔乙炔Pka：25 第十九页，本课件共有35页3.3.
12、角张力效应角张力效应 三环三环3.1.0.02,6己烷的叔氢原子容易发生交换。己烷的叔氢原子容易发生交换。第二十页，本课件共有35页4.4.芳构化效应芳构化效应 环戊二烯的强酸性环戊二烯的强酸性(Pka=15)。在这里，环戊二烯。在这里，环戊二烯负离子的独电子对，结合到芳香体系里负离子的独电子对，结合到芳香体系里(六个六个 电子电子)，在，在整个环里离域化。整个环里离域化。此外溶剂效应也有影响。此外溶剂效应也有影响。第二十一页，本课件共有35页 碳负离子一般通过烃类碳负离子一般通过烃类(RH)与强碱与强碱(BM)的反应，的反应，或卤代烃或卤代烃(R-X)与活泼金属与活泼金属(MI或或M)的反应
13、来制备，的反应来制备，如下列反应所示：如下列反应所示：10.4 碳负离子的生成碳负离子的生成式中式中MI为锂，钠等碱金属，为锂，钠等碱金属，MII为镁等碱土金属。为镁等碱土金属。第二十二页，本课件共有35页1.在在E1cB机理中生成机理中生成 E1cB是在强碱的作用下，发生的是在强碱的作用下，发生的-消去反应。消去反应。第二十三页，本课件共有35页 在反应过程中，强碱袭击在反应过程中，强碱袭击 碳原子上的氢原子，相继碳原子上的氢原子，相继地，形成碳负离子，然后脱掉地，形成碳负离子，然后脱掉X，形成烯烃。形成烯烃。第二十四页，本课件共有35页 通过通过E1cB历程形成碳负离子的有利条件是：历程形
14、成碳负离子的有利条件是：(1)强碱的存在和作用。强碱的存在和作用。(2)在在-位置具有稳定碳负离子的基团。位置具有稳定碳负离子的基团。(3)即将离开的基团不容易从作用物上脱掉。即将离开的基团不容易从作用物上脱掉。(4)作用物难以形成碳正离子。作用物难以形成碳正离子。例如，下列反应中形成的碳负离子就是例如，下列反应中形成的碳负离子就是E1cB历程中的历程中的中间体。中间体。第二十五页，本课件共有35页第二十六页，本课件共有35页2.在亲核芳香取代反应生成在亲核芳香取代反应生成 芳香体系上的亲核取代反应，时常是按两种历程进芳香体系上的亲核取代反应，时常是按两种历程进行的：行的：(1)加成加成消去历
15、程，和消去历程，和(2)消去消去加成历程。而加成历程。而这两种历程，又是分别通过两种不同类型的碳负离子完这两种历程，又是分别通过两种不同类型的碳负离子完成的。成的。(一一)加成加成消去历程中的碳负离子消去历程中的碳负离子 在加成在加成消去历程中的第一个步骤就是形成环消去历程中的第一个步骤就是形成环己二烯负离子：己二烯负离子：第二十七页，本课件共有35页 这种碳负离子，必将有效地被吸电子取代基所稳定化，这种碳负离子，必将有效地被吸电子取代基所稳定化，特别是在邻位和对位的吸电子取代基的稳定化效果特别是在邻位和对位的吸电子取代基的稳定化效果(比在间比在间位的相应的取代基的位的相应的取代基的)要更好。
16、要更好。例如，氯苯与碱可能不是按加成例如，氯苯与碱可能不是按加成消去历程进行的，消去历程进行的，置换反应很难发生。置换反应很难发生。第二十八页，本课件共有35页 而而2,4,6-三硝基氯苯，在常压下，三硝基氯苯，在常压下，25 C，就能与碱就能与碱作用，形成作用，形成2,4,6-三硝基苯酚。三硝基苯酚。第二十九页，本课件共有35页碳负离子中间体碳负离子中间体第三十页，本课件共有35页曾经离析到环己二烯负离子曾经离析到环己二烯负离子第三十一页，本课件共有35页(二二)消去消去加成历程中的碳负离子加成历程中的碳负离子 消去消去-加成反应足在强碱的作用下进行的。这种加成反应足在强碱的作用下进行的。这
17、种反应有两个特点：反应有两个特点：(1)邻位必须有氢原子邻位必须有氢原子,(2)取代的取代的位置和脱掉的基团的位置可以不同。例如：位置和脱掉的基团的位置可以不同。例如：第三十二页，本课件共有35页消去消去-加成反应机理加成反应机理第三十三页，本课件共有35页10.5 碳负离子的检定碳负离子的检定同碳正离子类似，但极其活泼。同碳正离子类似，但极其活泼。第三十四页，本课件共有35页10.6 碳负离子的反应碳负离子的反应 碳负离子的反应特征是与正性分子结合或本身碳负离子的反应特征是与正性分子结合或本身被氧化成自由基。与正性分子或基团的结合，也就被氧化成自由基。与正性分子或基团的结合，也就是广义的路易斯酸是广义的路易斯酸-碱反应，或者与具有空轨道的基碱反应，或者与具有空轨道的基团结合。有时负碳离子参与加成反应，重排反应，团结合。有时负碳离子参与加成反应，重排反应，或者本身被氧化成自由基。或者本身被氧化成自由基。典型的反应有，亲核加成反应，亲核取代反应、芳香典型的反应有，亲核加成反应，亲核取代反应、芳香族亲核取代反应、重排反应和消除反应等。其中近克尔加族亲核取代反应、重排反应和消除反应等。其中近克尔加成反应应用范围最广泛。成反应应用范围最广泛。第三十五页，本课件共有35页