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1、第六章 合成子与极性转换,6.1 合成子基本理论,6.1.1 合成子的概念,合成子（Corey E.J.）：凡是能用已知的，或合理的操作连接成分子的结构单元均称为合成子。,Synthons are defined as units which can be joined to(organic)molecules by known or conceivable synthetic operations.(E.J.Corey 1967),其它定义：1.在切断时所得到的概念性的分子碎片，通常为一个正离子或负离子。它们可以是相应反应中的一个中间体，也可以不是。2.指可用于有机反应中的合成单位。是与反应
2、物（称为试剂reagent)对等的。,一）合成子是有机合成反应的基本单元 合成反应最普通的表示方式是，一个正离子和一个负离子键接在一起成为一个分子：,A-,+,B+,AB,负极性离子（电负性）电子供应者,正极性离子（电正性）电子接受者,产物分子（中性）,A-和B+就可以称为“合成子”。,二）合成子的有效性,有机分子的拆解通常有多种拆解方法，如：,O,O,O,OCH3,OCH3,Ph,有哪些拆解方法？是否合理？,有些碎片是有效的，有些是无效的，合成子是分子拆开后在有机合成中确实有效的碎片。,O,O,O,OCH3,OCH3,Ph,1,2,3,4,5,以下拆解方法那些是合理的？,上述分子中只有下列两
3、个碎片才是有效的：,-,O,OCH3,OCH3,Ph,O,O,+,OCH3,O,+,H+,和,它们可以通过Michael加成反应合成目标物：,O,OCH3,Ph,O,+,OCH3,O,EtONa,O,O,O,OCH3,OCH3,Ph,三）合成子是否一定实际存在,“合成子”是一个人为的，概念化的名词，有别于实际存在的起反应的离子、自由基或分子。合成子可能是实际存在的，也可能是一个实际不存在的抽象化的东西。,Example 1：,其碎片是：,O,+,O,EtONa,O,O,O,-,与,O,H+,不稳定,实际存在的,此时的合成子是CH3CO-，但这是不存在的。合成时，必须用它的对等物，而等价物是实际
4、存在的。,Example 2：用环己烯酮合成-乙酰基 环己酮,O,O,CH3CO,合成等价物：一种能起合成子作用的试剂。合成子通常由于其本身的不太稳定而不能直接使用。试剂：实际使用的代表合成子的化合物。例如MeI是合成子Me+的试剂。它能在相应的的合成中起反应，给出中间体或目标分子。它是合成子的合成等价物。,相关概念：,Example:卤代烷的取代反应,6.1.2 合成子的极性转换,R-X,R+,+,X-,Nu,R-Nu,RMgX,Mg,醚,R-,+,MgX+,E,R-E,亲核反应,亲电反应,格氏试剂：一卤代烷与金属镁在绝对乙醚（无水、无醇的乙醚）中作用生成有机镁化合物，产物能溶于乙醚，不需分
5、离即可直接用于各种合成反应，也称为格利雅试剂。,知识点回顾：,当卤代烷分解成R+与X-时，烷基是正离子，当它通过格式试剂再分解时，烷基就成了负离子，这就称为极性转换；同一基团既可成为正离子，也可成为负离子。,极性转换（英文：Umpolung），也称极性翻转、极性反转、极性颠倒，指有机化学中官能团极性的改变，是有机合成重要概念之一。此概念首先由德国化学家Dieter Seebach（迪特尔泽巴赫）与美国化学家艾里亚斯詹姆斯科里提出，极性转换的英文名称Umpolung也由德语的Umpolung得来，意为极性倒转。,Example:用环己烯酮合成-乙酰基 环己酮,由于CH3CO-是实际不存在的合成子
6、，需要从带正电的结构体通过极性转换，变成带负电的结构体，但如何处理？,O,O,CH3CO,处理方法：,R-C-X,O,A与B,R-C-X,OA,B,R-C-,OA,B,+,X+,R-C-,OA,B,+,O,H+,O,C,OA,R,B,H3+O,O,C,R,O,技术关键：选用什么样的A与B？,针对本例：B用-CN，即：,O,H,+,HCN,CH3-CH,OH,CN,NaOH,为何不用酸,问题：反应机理？,A用：,-C-CH3,OC2H5,H,C2H5OCH=CH2,+,CH3-CH,OH,CN,CH3-CH,O,CN,C-CH3,OC2H5,H,问题：反应机理？,实际合成步骤：,O,H,+,HC
7、N,CH3-CH,OH,CN,NaOH,C2H5OCH=CH2,CH3-CH,O,CN,C-CH3,OC2H5,H,LiNR2,CH3-C-,O,CN,C-CH3,OC2H5,H,H+,O,CH3CO,目标分子,先看下列分子的拆开：,6.1.3 合成子与稳定性,C,R,R,OH,X,C,R,R,O,X-,+,+,H+,这种拆开方法是否可行，要看X-的稳定性。,例如：,C,R,R,OH,CN,C,R,R,O,CN-,+,+,H+,氰基（CN-）是很稳定的负离子，易与羰基发生亲核加成反应：,C,R,R,O,CN-,+,H+,C,R,R,OH,CN,小常识：氰化氢有剧毒，且挥发性较大（沸点26.5）
8、，故在羰基化合物与氰化氢加成时，为了避免直接使用氰化氢，通常是把无机酸加入醛（酮）和氰化钠水溶液的混合物中，以便HCN一生成就立即与醛（酮）作用，但在加酸时应注意控制溶液的pH值，使之始终偏于碱性（pH约为8），以利于反应的进行。,又如：,C,R,R,OH,C2H5,C,R,R,O,C2H5-,+,+,H+,一般说来，Et-是一个不稳定的负离子，不能直接用于和羰基的反应，但通过格氏试剂能将它稳定下来。,因此，一个稳定的合成子，可以直接起反应，而一个不稳定的合成子，就需要用它的稳定的等价物。,C,R,R,O,C2H5MgBr,+,H3+O,C,R,R,OH,C2H5,安息香缩合是羰基极性转换的代
9、表，也是人们最早知道的极性转换的例子。反应物苯甲醛中的羰基碳原子是亲电性的。首先发生氰离子对羰基碳的亲核加成，然后质子由碳转移到氧上，形成一个碳负离子，其中的碳发生了极性转换，是亲核性的。然后该碳原子亲核进攻另一分子的苯甲醛的亲电性羰基碳，质子转移，氰离子离去，得到产物安息香。,6.2 合成子极性转换的具体应用,Example 1:安息香缩合反应,反应机理：,因此：,C-,CN,HO,是,O,的等价物,醛（如乙醛）可以和1,3-丙二硫醇形成二噻烷。由于硫对碳负离子具有特殊的稳定性，故邻位的碳有酸性，用正丁基锂在低温四氢呋喃中处理，得到相应的亲核性碳负离子。该锂化的碳负离子作为亲核试剂，可以和卤
10、代烃（溴化苄）、其他羰基化合物（环己酮）以及环氧乙烷衍生物（苯基环氧乙烷）等合成子发生亲核取代，生成的产物水解，又得回羰基，因此产物是另一个羰基化合物。,Example 2:二噻烷碳负离子的形成,这里：,S,S,相当于,O,也是酰基负离子的等价物。,6.3.1 合成子的分类,6.3 合成子的分类和加合,极性转换中的合成子可分为：1.供电子合成子（以d代表）；2.受电子合成子（以a代表）两大类。,见下列有机分子的基本结构：,FG,X0,1,2,3,4,FG：官能团；X0表示促使分子发生极性转换的金属原子或杂原子（Li,Mg等，或-O,-N,-S等）。,5,碳原子顺序编号C1,C2,C3,；如由于
11、极性转换而使C1具有供电子能力而形成活性中心，就是d1合成子；C2有活性，就是d2合成子，依次类推，给各类合成子编号；,也可能在C之前，官能团（FG）或杂原子X0有活性，就是d0合成子；供电子合成子就有d0,d1,d2,d3等；相似地，也有因极性转换使碳原子有受电子能力而形成活性中心的，受电子合成子就有a0,a1,a2,a3之分。,d合成子,a合成子,除了以上涉及的合成子外，还有烷基合成子，也有供电子与受电子之分：（1）烷基d合成子：如甲基锂分解成CH3-和Li+，前者就是烷基d合成子，反应中起甲基化作用；格氏试剂中得到的R-当然是烷基d合成子；注意：它们不是d1合成子，反应中只起烷基化作用，
12、产物无官能团！,（2）烷基a合成子如二甲硫醚与溴甲烷的加成物能起下列离子化反应：,(CH3)3SBr,(CH3)3S+,+,Br-,此正离子在反应中，由于甲基被活化成Me+而起了甲基化的作用；不是a1合成子，而是烷基a合成子，产物无官能团。,烷基a+烷基d：,6.3.2 合成子的加合a合成子与d合成子的反应,CH3Li,+,(CH3)3SBr,CH3CH3,+,(CH3)2S,+,LiBr,产物为无官能团化合物。,(d),(a),a1+d1：,O,H,+,HCN,R,OH,H,R,CN,H,OH,R,NH2,(a1),(d1),产物为1,2-双官能团化合物。,产物是单官能团化合物。,a+d2：
13、,(CH3)3SBr,+,O,H,H3C,O,H,+,(CH3)2S,+,HBr,(a),(d2),产物为，-不饱和醛，是1，3-双官能团化合物,a1+d2：,O,H,H3C,O,+,O,OH,O,(a1),(d2),分析正误！,H,H,正确解：,O,H,H3C,O,+,OH-,O,C-,O,H,H3C,O,H2O,OH,H,H3C,O,O,(a1),(d2),产物为1，4-双官能团化合物，a1+d3，a3+d1的产物也都是1，4-双官能团化合物。,a2+d2：,O,COOCH3,+,Br,O,CO2CH3,(1)NaOH(2)H3+O,O,O,CO2H,(d2),(a2),产物是1，5-双官
14、能团化合物。,a3+d2：,O,+,O,H,O,O,O,(a3),(d2),一）烷基（烃基）d合成子 碳负离子的烃基可以是烷基、烯基、炔基。它们活性大，稳定性小，形成碳负离子的容易程度是：,6.3.3 供电子合成子,CHC-CH2=CH-CH3CH2-,C-H中s成分增加,试分析之！,烃基d合成子大多通过有机金属卤化物制得，由C-Na，C-Li通过金属交换而得C-M，反应如下：,Br,+,2Li,THF,Li,+,LiBr,Cl,+,2Li,THF,Li,+,LiCl,请思考如何控制,二）d1合成子（1）在C1-X0（杂原子）中，碳的电子对可离域到杂原子上去，就形成较稳定的碳负离子，即d1合成
15、子。HCN（及钾盐、钠盐）以及CH3NO2都能在水溶液中生成d1合成子。,H-CN,+,OH-,CN,C=N,CH3-NO2,+,OH-,N,O,O,H2C,N,O,O,H2C=,+,H2O,（2）利用Si，S，P及过渡金属也可生成d1合成子。,R3Si-CH2Cl,+,2Li,-LiCl,R3Si,CH2,Li+,烷基硅叶立德：,相关知识点,叶立德（Ylide）：指的是一类在相邻原子上有相反电荷的中性分子。叶立德在有机化学，尤其是有机合成中有很多应用。通常地，叶立德可以写成以下共振式，其中一个共振杂化体具有双键：,实际的电子分布取决分子的具体性质。,早在1919年 H.施陶丁格等就发现这类特
16、殊结构的化合物，1954年E.G.维蒂希等提出维蒂希反应，参与此反应的磷叶立德通常称为维蒂希试剂。叶立德结构具有一个半极性键,碳原子上带有负电荷,是一个很强的亲核试剂。它与一般碳负离子不同,能稳定地存在。磷叶立德中的磷原子具有低能量的3d空轨道，碳上有孤对电子的p轨道,通过d-p共轭分散了碳上的负电荷，使分子趋于稳定。,磷叶立德具有很强的亲核性，可与羰基化合物反应，生成烯烃；与环氧化合物反应,生成还氧丙烷衍生物;与亚硝基苯反应,生成N苯基亚胺,后者易水解,生成羰基化合物。磷叶立德还可进行烷基化反应、酰化反应、重排反应、消除反应和分解反应。,1，3-二硫环烷：,R-HC,+,n-BuLi,-Bu
17、H,R,S,S,Li+,P叶立德：,Ph3P-CH2-OCH3,+,n-BuLi,Ph3P,H,OCH3,Li+,C,Ph3P=C,H,OCH3,S,S,注意！,三）d2合成子（1）如-碳原子旁有不饱和吸电子基团，-碳上的碳氢键就会被活化，使-碳成为d2合成子,不饱和吸电子基团影响-碳上碳氢键的活化能力，其大小有如下顺序：,R,C=NR2,+,C,O,R,-CN,R,C=NR,Ph,R,C=CR2,一）烷基a合成子：,6.3.4 受电子合成子,R-X,X=Cl,Br,OTs,OMes,RSO3,二）a1合成子,OH,R,R,+,R,O,+,或,R,O,R,R,O,X,(X=Cl,OAc,SR,
18、OR),三）a2合成子,O,+,OH,+,O,Cl,四）a3合成子,O,+,O,R,OH,H,O,OR,CN,一）杂原子的交换（a1d1）,6.4 合成子极性转换的方法,Br交换P：,CH,Br,Ph3P,-HBr,C,PPh3,+,磷叶立德,(a1),(d1),X交换Mg：,格氏试剂,C,X,Mg,C,MgX,或,C,Mg,C,(a1),(d1),O交换S：,C,O,(a1),H,SH,SH,C,S,S,(d1),X交换金属Fe：,C,O,(a1),X,(d1),Fe(CO)42-,C,O,Fe(CO)4,二）引入杂原子,引入O：d1,2a1,2,RCO3H,O,(d),(d),(a),(a),环氧化,引入Br：d2a2,(d2),O,Br2,(a2),O,Br,-溴代,引入S：a3d3,(d3),(a3),Z,H,(Z=H,烷基，芳基，卤素，氰基等,RSH,O,H+,Z,S,R,O,O,H,磺酰化,三）碳，碳的加成,a1d2,C,O,(a1),H,Ar,CN-,OH,CN,Ar,(d2),羟基腈,a1d3,C,O,(a1),H,R,HCCNa,(d3),(1)氧化(2)NaNH2,C,O,R,C,C,端炔基,
