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1、第6章 碳负离子中间体及反应6.1 碳负离子的构型与饱和碳原子相连时，碳负离子的构型为sp3杂化，与不饱和碳原子相连时，碳负离子的构型为sp2杂化。6.2 碳负离子的产生1. RH解离2. 亲核加成反应3. 生成金属炔化物或带负电荷的芳香化合物4. 格氏试剂6.3 碳负离子的反应6.3.1 亲核置换1. 碳负离子的烷基化如常见的丙二酸二乙酯和三乙的有关反应。将丙二酸酯与丙酮缩合，可得到活性更高的衍生物2,2-二甲基-1,3-二氧六环-4,6-二酮，可以实现丙二酸酯无法实现的反应。例如：2. 卤化反应3. 跨环的反应4. Favorskii重排5. Ramberg-Backland烯烃合成6.3
2、.2 Japp-Klingemann反应这是碳负离子与重氮盐的反应，反应类似于酚与重氮盐的反应。6.3.3 加成反应碳负离子可起一系列的加成反应。下列各例中，RM是烷基或芳基格利雅试剂或是烷基或芳基锂化合物。金属盐经酸化并分解后就得到如下产物。碳负离子常常加到共轭体系的一端而生成一个新的碳负离子。加成所得的碳负离子发生质子化而使反应完成。上述类型的共轭加成称为1,4加成。也可以发生1，6加成。6.3.4 碳负离子转化成卡宾碳负离子失去一个负离子或其相当物就生成卡宾。Fritsch-Buttenberg-Wiechel重排就是一例。6.3.5 重排反应1. Favorskii Rearrange
3、ment-卤代酮（氯、溴、碘）在碱的作用下加热，重排而生成相同碳原子数的羧酸。如果碱为RO-，则重排为相应酸的酯，以胺类为碱则得到相应酸的酰胺，这样的重排反应称为Favorskii 重排。例如：Favorskii重排反应的历程包含有环丙酮中间体的生成，这是分子内由最初生成的负碳离子取代卤素的结果，然后RO-进攻羰基，开环而完成重排。如果生成的环丙酮中间体是不对称的，环丙酮开环时，从哪边打开，主要取决于生成负碳离子的稳定性。例如：下列开环，由于苯环可以分散负电荷而稳定负碳离子，因此是按下列方式开环的。根据反应历程的要求，很明显，进行Favorskii重排反应，羰基的不含卤素的一侧必须至少有一个-
4、氢原子。强碱试剂在重排反应中的作用首先在于夺取-氢原子而产生负碳离子。一般认为，夺取氢原子产生负碳离子和环丙酮中间体的生成是控制反应速度的步骤。环丙酮中间体的生成和卤负离子的离去，实验表明一般为协同反应，是同时进行的，相当于分子内SN2取代反应，反应具有立体专一性。例如：下列两个异构体在乙醚溶液中处理，分别得到立体专一性的重排产物。2. Stevens重排当与季铵（锍）盐相连的碳上有拉电子基团时，在强碱的作用下，季铵（锍）盐上的取代基重排到具有拉电子的碳上，形成叔胺（硫醚）。（带有正电荷上的基团排到带有负电荷的碳上）Z= RCO，COOR，C6H5等。如没有拉电子Z存在时，要用更强的碱，而且产
5、率很低。常见的移动基团是：烯丙基、苄基、二苯甲基、3-苯基炔丙基等。其反应过程如下：上面的反应过程已被使用NMR观察到游离基引起的质子自旋极化信号（CIDAP，负峰）所证实，且在反应产物中有RR偶联副产物生成。带有烯丙基的Stevens 类型物可发生1,2或1,4重排，得到构型保留的化合物。通过两种不同季铵盐进行重排不产生交叉重排产物，证明Stevens重排是分子内的重排。若以具有旋光活性的季铵盐，且迁移基团为手性基的季铵盐进行重排反应，结果迁移基团的构型保持不变。例如：锍盐也有类似的反应：季铵盐与叔锍盐，如果有一个基为苯甲基时，在强碱作用下夺取烷基的-氢原子生成负碳离子，生成叔胺或二烃基硫醚
6、，该反应也叫Sommelet 重排。例如：但是季铵盐或叔锍盐所连接的烷基上必须没有-氢原子时才能发生这样重排，如有-氢原子则首先发生消除反应，而得不到Sommelet产物。利用Stevens 重排，可制得一些有用的CC化合物。例如：3. Wittig重排醚在醇溶液中，与烷基锂作用，醚分子中的烷基或芳基迁移到碳原子上，重排成醇，这样的重排反应称为Wittig重排。与Stevens重排相似，但要比较强的碱如烷基锂、苯基锂或氨基锂等，所不同的是迁移基团由氧迁移到碳。式中的R可以是烷基、芳基或乙烯基，迁移基团重排能力的顺序大致为：CH2CHCH2 和C6H5CH2 CH3和CH3CH2C6H5Witt
7、ing重排的反应式如下：该反应可能是经过了自由基溶剂笼（Solvent Cage）过程。例如：上述机理的主要证据是：重排发生在分子内部；基团移动的次序是按自由基稳定性，而不是按碳负离子的稳定性；醛是该反应的副产物；有自由基偶联产物生成。当然，协同反应同样被观察到，特别是当取代基是烯丙基的时候具有4n+2芳香过渡态，同时在该反应中极高的立体专一性有力地支持了协同历程。例如：4. Meisenheimer重排第三胺的氧化物在加热时给出取代的羟胺。这里R1多为烯丙基或二苯甲基，若R2或R3 有-H时，Cope重排是该反应的竞争反应。5. Neber重排用碱处理酮肟磺酸酯可得到氨基酮，这类反应称为Ne
8、ber重排。上式中，R=烷基或芳基，也可以是H，R= 烷基或芳基，但不能有-H，副反应是Backmann重排产物。反应中间体氮杂环已被分离和鉴定。6.3.6 消除反应1. E1cb历程这是形成烯烃的E1cb历程，其中R=OAr，OR，OAc，Cl，Br，I，SR，OTs等。只要负离子与离去基团相邻，就容易发生消除反应。例如：缩醛在碱性介质中是稳定的，但-酮体系就容易发生断裂。羟醛缩合反应的产物在碱性介质中发生脱水是这一反应的实例。2. 逆Michael反应下面的反应脱去基也可以是碳负离子，是一个逆Michael型加成反应。3. 关于反式消除Ingold早期研究表明，氯代富马酸转化成丁炔二酸比氯
9、代马来酸快50倍；顺-二氯乙烯被碱转化成氯乙炔比反-二氯乙烯快20倍。Cristol发现，在乙醇的乙醇钠溶液中，顺式对硝基苯乙烯溴化物可发生消除反应，而反式对硝基苯乙烯溴化物不能发生消除反应。4. 关于1,4消除反应Grob等对下列结构化合物进行研究，发现异头效应使C3N4键缩短，使C2C3键加长，此结果可以看成是一个远程的电子超共轭效应。实验表明，化合物1反应比2快。同理，化合物3可发生1,4-消除反应，而化合物4反应较慢。这类化合物的结构特点是：1,4-位有电负性强的原子，且一个电负性原子的孤对电子与另一个电负性原子的CY键反平行。我们总结的反应规律为：2,3断裂，3,4和1,2间生成双键
10、。下列化合物分别发生1，4-消除反应。其他氧负离子的孤对电子也可发生类似反应。下举几例说明：(1) 在碱性条件下，三环羟基甲苯磺酸酯 5 转化成具有所希望的E 型双键的双环酮6。5 6(2) 双环羰基对甲苯磺酸酯7 的还原经过中间体8，得到9。7 8 9(3) 在保幼激素合成中，用NaOH将10转化11。10 11(4) 在苍术醇合成中，将12转化13。12 13(5) 在碱性条件下处理顺和反-羟基对甲苯磺酸酯14产生反式烯烃15。14 15(6) 用叔丁醇钾处理氯代苯甲酸酯16，给出环戊烯醛17。16 17(7) 当两个氧原子可以参与反应时，碎裂过程应该容易发生。(8) 平伏键双环酮甲苯磺酸
11、酯18通过乙醇钠处理，即转化成单环烯酯19。Eschenmoser等进行了一系列脱羧双消除反应，这是巧妙利用异头效应的反应。该合成方法为制备不饱和大环内酯提供了新途径。在它们的熔点（180和220）加热羧酸盐20，即高产率地得到大环内酯21。20 21-酮醛、-二酮的逆-酰基化反应和-酮酯的逆-Claisen反应也可看成是1,4-消除反应。甲醇钠处理三酮乙酸酯22，得到23。22 23双环酮肟甲苯磺酸酯24到氰基羧酸26的定量转化反应是通过中间体25发生的，也是一个1,6-消除反应。24 25 266.3.7 Baylis-Hillman反应CC键的形成和生成具有多个官能团分子的反应一直是有机
12、化学中最具挑战性的工作。Baylis-Hillman反应是一类形成CC键，生成多个官能团分子的有效合成反应。该反应具有高效合成方法所具备的基本特征，如反应选择性（化学的、区域的、非对映的和对映的）、原子经济性、反应条件温和以及产物具有多个能进一步转换的官能团，因而得到了广大化学家的关注。其基本反应为，-不饱和羰基化合物与醛酮的加成反应，在，-不饱和羰基化合物的-位引入官能团。目前国内外有关Baylis-Hillman 反应的实验研究如火如荼，在反应底物的设计、催化剂的筛选、复合催化剂的使用、溶剂效应的研究以及反应条件的优化等方面均有成就。有关Baylis-Hillman 反应的机理主要有三种，
13、多数认为是羰基的亲核机理，因此放在此处论述。1. 反应机理(1) 单分子醛参与反应的机理。Hill等认为该反应可看作在催化剂作用下活化烯和亲电试剂共同参与的加成消除反应历程。催化剂叔胺首先与活化烯发生亲核1,4-加成，生成两性离子烯醇盐，接着与亲电试剂醛发生类似于Aldol反应的醛醇缩合生成中间体，随后发生分子内质子转移，形成两性离子烯醇盐，再经消除反应得到产物，同时再生催化剂。整个反应过程如下所示：(2) 双分子醛参与反应的机理。Bode 等认为反应速度与醛分子浓度的二次方成正比，并且认为分子内质子转移为反应的决速步骤。与单分子醛参与反应的机理不同之处在于形成中间体后，不是直接发生分子内质子
14、转移，而是继续加成第二个醛分子而形成半缩醛中间体,然后经过具有六元环结构的过渡态发生分子内质子转移，脱去催化剂形成产物，如下所示：(3)TiCl4催化机理。Li研究小组报道了在CH2Cl2溶剂中单独使用TiCl4也能催化环烯酮和多种醛的Baylis-Hillman 反应,产率可达到47%68%，整个反应不需要加入任何Lewis碱，打破了Baylis-Hillman反应的传统概念，说明单独的Lewis 酸也能催化此类反应的进行。他们提出了如下所示的反应机理；该反应首先是醛上的氧原子与TiCl4 作用从而释放出氯离子，该氯离子充当了Lewis 碱参与加成反应形成了氯化钛烯醇盐，再与醛反应形成产物。
