金屬有機反應PPT學習教案

1、會計學1金屬有機反應金屬有機反應Grignard試劑試劑常用溶劑：常用溶劑：乙醚、四氫呋喃乙醚、四氫呋喃XMgXMgOR2RRR2ORXMgORRORR單單體體( (稀稀溶溶液液) )二二聚聚體體( (濃濃溶溶液液) )一、一、Grignard試劑的性質試劑的性質 第1頁/共77頁格氏試劑在有機合成中能起三種不同的功能。作為親核試劑，這是最常見的功能；作為堿使用，普通烷基鹵化鎂能產生相當于 pKa=30 左右的堿性，常常作為一種易得的強堿使用，常作為烯胺拔氫用堿； 作為還原劑，這個功能的存在會造成副反應增多，產率下降（指在羰基加成反應里）。第2頁/共77頁RMgX R 二、二、Grignard

2、試劑的反應試劑的反應與活潑氫化物的反應與氧、二氧化碳的反應與鹵代烴的偶聯(lián)反應與環(huán)氧化合物的反應與醛酮的反應與羧酸衍生物的反應與硫（硒、碲），二氧化硫的反應與B，Si，P，Sn的反應 與過渡金屬的鹵化物的反應Boord olefin synthesisBarbier Reaction第3頁/共77頁與活潑氫化物的反應與活潑氫化物的反應化合物化合物pKa共軛堿共軛堿化合物化合物pKa共軛堿共軛堿(CH3)3C H71(CH3)3CH2N H36H2NCH3CH2 H62CH3CH2HC C H26HC CCH3 H60CH3CH3CH2O H16CH3CH2OHO H15.7HO第4頁/共77頁制

3、備制備Grignard試劑應在無水（無氧）條件下進行。試劑應在無水（無氧）條件下進行。底物中不能有活潑氫存在。底物中不能有活潑氫存在。 常用格氏試劑與水的反應定量分析體系中水的含量。例例HOBrMgHOMgBrH2NBrMgH2NMgBr無無水水醚醚無無水水醚醚RXRMgXMg無無水水乙乙醚醚D2ORDH2ORH第5頁/共77頁OCOMgXRROMgXCOROHCOH2O與氧、二氧化碳的反應因此制備格氏試劑時應避免與空氣接觸（氮氣、氬氣保護）格氏試劑與CO2 反應可制備多一個碳原子的羧酸第6頁/共77頁第7頁/共77頁如果格氏試劑與取代環(huán)氧乙烷反應，具有親核性的烴基首先進攻空阻小的環(huán)碳原子，最

4、終生成二級醇或三級醇如果格氏試劑與取代環(huán)氧乙烷反應，具有親核性的烴基首先進攻空阻小的環(huán)碳原子，最終生成二級醇或三級醇第8頁/共77頁伯伯醇醇仲仲醇醇叔醇叔醇RMgXH2COCH2OHRRCHOCHOHRRRCROCOHRRRH2OH2OH2O第9頁/共77頁第10頁/共77頁第11頁/共77頁第12頁/共77頁烴類化合物烴類化合物各類醇各類醇（多（多R+1碳）碳）羧酸羧酸（多多1碳）碳）各類醇各類醇（多（多2碳）碳）MgXRXRMg無無水水醚醚偶偶聯(lián)聯(lián)反反應應親親核核取取代代親親核核加加成成親親核核加加成成RX醛醛、酮酮、酯酯環(huán)環(huán)氧氧乙乙烷烷CO2第13頁/共77頁第14頁/共77頁第15頁/

5、共77頁還原電位的順序: Li+ Mg2+ Al3+ Si4+ Zn2+ Cd2+ H+ Sn4+ Cu2+ Hg2+ 3RMgCl + AlCl32RMgCl + CdCl2R2Cd + 2MgCl24RMgCl + SnCl4R4Sn + 4MgCl2R3Al + 3MgCl2第16頁/共77頁邦德烯烴合成是利用金屬（鋅或鎂）與-鹵代醚合成烯烴的反應。反應產率高，應用廣泛。相應的格氏試劑是反應的中間體。由于烷氧基是不好的離去集團，一般認為其采用E1cb機理。第17頁/共77頁1931年，有人用Zn代替鎂，成功的合成了1,4戊二烯第18頁/共77頁Barbier Reaction（巴比耶反應

6、）是鹵代烴在鎂、鋁、錫、銦、鋅等金屬或其鹽類作用下對羰基化合物進行親核加成生成醇的反應。第19頁/共77頁第20頁/共77頁 水相Barbier-Type反應具有很好的綠色性，減少了有機 溶劑的使用 對于反應底物中的活潑氫，不需要任何保護，因此對于含有羥基、氨基等基團的羰基化合物，它們的烷基化反應可以減少反應步驟、縮短反應時間和提高反應的產率 反應完成結束后，水解步驟也同時完成，簡化了試驗 操作。第21頁/共77頁O2N合 成O2NO2NOHO2NCHO+MgBr合成應用第22頁/共77頁(CH3)2CHMgBrCH3COCH3Cl2乙 醚KOH?OONH?MgBr?CH3COClCH22H2

7、7NO22.1.第23頁/共77頁CH3COCH3Cl2乙 醚ClOClOHO(CH3)2CHMgBr第24頁/共77頁OONHNOMgBrNOHCH3COClNOO第25頁/共77頁與電正性較低的金屬鹵化物反應第26頁/共77頁1.鹵代烷和金屬鋰反應 鹵代烷與金屬鋰在非極性溶劑（無水乙醚、石油醚、苯）中作用生成有機鋰化合物：RX + 2Li RLi + LiXC4H9X + 2 LiC4H9Li + LiX石油醚第27頁/共77頁鹵代烷與鋰反應的活性次序為：R1RBrRClRF。氟代烷的反應活性很小而碘代烷又很容易與生成的RLi發(fā)生反應生成高碳的烷烴，所以常用RBr或RCl來制取RLi。由于

8、烯丙基氯和芐氯易發(fā)生Wurtz類偶聯(lián)反應，不易用此法制備相應的烯丙基鋰和芐基氯。第28頁/共77頁2. 通過金屬鹵素交換制備（鋰鹵交換）RLi + RX RLi + RX 例：例： RX + C4H9Li C4H10 + RLi通過金屬鹵素交換是制備有機鋰試劑的另一重要方法。該法主要用于1烯基鋰或芳基鋰的制備。此類反應進行的方向是朝著生成更穩(wěn)定的有機鋰化合物，即金屬連接到電負性更大的碳上。第29頁/共77頁NBr+ BuLiNLi+ BuBrBu-CCH+ BuLiBu-CCLi+ BuH第30頁/共77頁3. 通過 Shapiro反應制備RROArSO2NHNH2RRNNHTs2 n-BuL

9、iRRLi該法是制備烯基鋰的特殊方法該法是制備烯基鋰的特殊方法。第31頁/共77頁4. 丁基鋰與烴類反應 （鋰氫交換）丁基鋰和某些烴反應，使鋰原子取代烴中的氫原子，生成新的有機鋰化合物，這里反應稱為烴的金屬化反應，又稱鋰氫交換。 C4H9Li + RH C4H10 + RLiCH3+ LiCH2CH2CH2CH3Me2NCH2CH2NMe2CH2Li+ CH3CH2CH2CH3除丁基鋰外，其它有機鋰化合物如甲基鋰、乙基鋰、苯基鋰等也可以進行鋰氫交換反應，因為丁基鋰制備方便，活性適宜，產生的丁烷易于揮發(fā)，所以最為常用。叔丁基鋰、仲丁基鋰較正丁基鋰更活潑，一般不常用。例：例：第32頁/共77頁提示

10、：鋰的反應活性高于鎂，烷基鋰的化學活性也高于烷基鹵化鎂，在有機合成中有機鋰顯得特殊重要。由于有機鋰中的碳鋰鍵的離子性很強，碳負離子非常容易被氧化或與活潑氫結合，所以在制備有機鋰時應在情性氣體保護下進行，所用溶劑如乙醚、苯、環(huán)己烷等必須是特別干燥。第33頁/共77頁丁基鋰的制備： 1/3用量無水乙醚用于配制溴代正丁烷乙醚溶液，2/3用量投入反應器中。在氮氣保護下加入鋰絲，-10下攪拌滴入少量溴代正丁烷乙醚溶液，待反應液變渾濁，鋰絲出現(xiàn)金屬光澤時反應已開始，繼續(xù)滴加溴代正丁烷，反應在0-10攪拌12小時，在氮氣保護下濾去固體LiBr，得正丁基鋰乙醚溶液，滴定后封存?zhèn)溆?。產率為8090。第34頁/共

11、77頁(CH3)3CLi + (CH3)3C-C-C(CH3)3OEt2O-60H2O(CH3)3C3C-OH第35頁/共77頁OH合 成O+Li第36頁/共77頁2. 有機鋰可以與羧酸和二氧化碳反應制備酮。有機鋰與羧酸合成酮的特點是：如果原羧酸是光活性的，所得的酮也同樣是光活性的。羧酸分子中有羥基、胺基等，也同樣可以反應。格氏試劑與二氧化碳反應生成羧酸，但有機鋰與二氧化碳加成則生成酮。這主要是由于有機鋰化合物比有機鎂化合物具有更強的親核性，有機鋰能繼續(xù)與羧酸根作用：利用這個反應可以制備酮。 RCOOH + RLiRRCOLiOLiH3+ORCORRLi + CO2RCOOLiRLiR2C-O

12、LiH3+OR2CO第37頁/共77頁3.苯基鋰進行親核反應時，有一定的選擇性，而作為一個強堿，它可以用于苯炔機理的反應。例如：OCH3FH+ LiC6H5OCH3FLi+ C6H6OCH3FH-LiFOCH3C6H6LiOCH3LiC6H5H3O+OCH3HC6H5第38頁/共77頁C6H5CH=CHCOC6H5C6H5MgXC6H5Li(C6H5)2CHCH2COC6H5C6H5CH=CH-C-(C6H5)2(1,4-加成)(1,2-加成)OH4.與-不飽和羰基化合物反應優(yōu)先進行1,2-加成(格氏試劑優(yōu)先1,4加成)第39頁/共77頁5. 活潑的烷基鋰在乙醚或四氫呋喃溶液中與鹵化亞銅反應，

13、生成加合產物二烷基銅理，并溶于醚中： 二烷基銅鋰是一個良好的親核試劑，它與伯鹵代烷作用可以得到較高收率的烴：2RLi + CuXEt2OR2Cu-Li+ LiXR2CuLi + RX醚醚R-R + RCu + LiX第40頁/共77頁6. 有機鋰化合物同某些電正性較低的金屬鹵化物反應，以制備該金屬的有機化合物，例如：4RLi + SnCl4 R4Sn + 4LiCl2RLi + CuI R2CuLi + LiI2RLi + HgCl2 R2Hg + 2LiCl其中，最常用的是有機銅化合物，而且隨著有機鋰化合物的物質的量不同，所得產物也不同：RLi + CuI RCu + LiI第41頁/共77

14、頁 有機鋅化合物是人們最早得到的有機金屬化合物。弗拉克拉德用碘乙烷和鋅合成了碘化乙基鋅，此事震動了化學界。西蒙史密斯用二碘甲烷和鋅銅合金反應生成碳烯，后者和烯烴加成而得到環(huán)丙烷衍生物。自從發(fā)現(xiàn)碳烯的中間體是碘化（碘甲基）鋅I(CHI(CH2 2I)ZnI)Zn以后，有機鋅化合物再次受到注意。從某種意義上講，有機鋅是金屬有機化學的起點。 第42頁/共77頁 在元素周期表中，鋅和鎘都屬于B元素，其外層電子為ns2，與碳成鍵時有一個s電子激發(fā)道p軌道，以sp雜化形式與碳形成較穩(wěn)定的鍵化合物R2M，呈線性結構。有機鎘試劑的反應活性遠低于格氏試劑和有機鋰試劑，特別是不與酮和酯反應，因而可以用于需要選擇性

15、的反應，如制備不對稱酮等。第43頁/共77頁有機鋅和有機鎘化合物通常利用有機金屬和金屬鹽的交換反應制備，反應朝著生成正電性較強的金屬無機鹽的方向進行，因此，一般選取格氏試劑和有機鋰試劑與鋅鹽、鎘鹽反應： 2RMgX + ZnX2 R2Zn + 2MgX2 2RMgX + CdX2 R2Cd + 2MgX 或者： 2RLi + CdX2 R2Cd + 2LiX有機鋅試劑還可以用下列方法制備： RI + Zn-Cu R2Zn第44頁/共77頁二、有機鋅和有機鎘化合物在有機合成中的應用有機鋅在有機合成中中應用較為廣泛。鋅溴代乙酸酯和羰基化合物反應可以制得羥基羧酸酯，這一反應稱為瑞福馬茨基反應（Ref

16、ormatsky Reaction）。反應中生成的有機金屬化合物C2H5O2CCH2ZnBr似乎與格氏試劑相似，然而，其附近的羰基可以使碳上的負電荷離域，所以作為親核試劑則認為是烯醇鋅： 1. 瑞福馬茨基反應（Reformatsky Reaction）第45頁/共77頁C2H5O2CCH3Br + ZnC2H5O2CH2ZnBrC2H5O-C-CH2-ZnBrOC2H5O-C=CH2 + Br-O-Zn2+C2H5O-C=CH2O-Zn2+Br-+OCH2CO2C2H5ZnBrOH3+OCH2CO2C2H5HO第46頁/共77頁在鋅存在下，取代的溴代酸酯和溴代酮都能和羰基發(fā)生加成反應： CH3

17、(CH2)3CHCHO + BrCHCO2C2H5C2H5CH3ZnH3+O(87%)CH3(CH2)3CHCHCHCO2C2H5CH3OHC2H5ZnH3+OPhCHO + BrCH2CO2C2H5PhCHCH2CO2C2H5OH(64%)第47頁/共77頁O + BrCH2CO2C2H5Zn, 苯H3+OOHCH2CO2C2H5CH3CHO + (CH3)2CCO2C2H5BrZnCH3CHC(CH3)2CO2C2H5OH(70%)第48頁/共77頁有機鋅試劑在銅存在下與二碘甲烷作用可生成不穩(wěn)定的ICH2ZnI，后者能立體專一地銅烯烴加成生成環(huán)丙烷類化合物，反應中的ICH2ZnI類似于卡賓

18、:CH2的作用，故稱為類卡賓，又稱為西蒙斯史密斯（SimmonsSmith）試劑。2. 西蒙斯史密斯反應（SimmonsSmith Reaction）OHH+ CH2I2OHHHH+ CH2I2Zn-Cu第49頁/共77頁有機鎘化合物最常用的例子是與酰氯反應制備不對稱酮。因為有機鎘試劑活性低，不能再與產物酮其加成反應，于是反應可停止在酮的階段。例如： 3. 吉爾曼納爾遜反應（吉爾曼納爾遜反應（GilmanNelson Reaction）2RCOCl + R2Cd2RCOR + CdCl2(CH3)2CHCH2CH32Cd + Cl-CCH2CO2CH3O(CH3)2CHCH2CH2CCH2CH

19、2CO2CH3O第50頁/共77頁OOOAlCl3OOHOBrCH2COOMeZnOHOHOCH2COOMeH+OOMeOOCH2COOMeOOCH2C例題分析：第51頁/共77頁OHOBrNH3+2CH3INH(CH3)HOCH2CH2N(CH3)2H3+OOOON(CH3)2OHOOHOOH+1. Zn2. H3+O(1)(2)(1)+(2)OON(CH3)2OH第52頁/共77頁一、 結構和反應性 有機銅化合物是在研究應用有機鎂化合物時發(fā)現(xiàn)的。格氏試劑與，烯酮反應時，在一價鹵化銅的催化下，進行1，4加成，而不是1，2加成。所得飽和酮的產率較高。因此銅鹽催化的格氏試劑逐漸廣泛應用，普遍認為

20、格氏試劑與銅鹽生成的中間體可能是有機銅化合物。直到1966年郝士（House）等人通過實驗證實有機銅化合物的存在。從此，對有機銅化合物的研究迅速開展起來。目前，有機銅化合物已經(jīng)成為十分有效地用于精細有機合成中。 第53頁/共77頁在元素周期表中，銅是B元素，為過渡金屬，其外層電子構型為3d104s1。故銅與碳一般形成鍵，也可與乙烯等烯烴形成絡合物，而銅的乙炔化物則具較強離子性，有機銅化合物大致可分為烴基銅和二烴基銅鋰兩類。他們都很容易與一些配合物絡合，而絡合物又常常顯示出不同的反應性能。不僅配合物的存在影響有機銅化合物的反應性能，溶劑不同也對反應產生很大的影響。由于有機銅化合物和各類反應物的反

21、應機理尚不十分清楚，因此很難預料如何影響結果。第54頁/共77頁有機銅大致可分為烴基銅和二烴基銅鋰兩大類。他們都很容易與一些配合物絡合。烴基銅可能以多聚體形式存在，一般不溶于溶劑；烴基銅鹵化物、二烴基銅鋰及其絡合物都有不同程度的溶解性，其中，二烴基銅鋰的溶解性較好，活潑性較高，選擇性也強，因此二烴基銅鋰是在有機合成上使用最方便的有機銅試劑。各種有機銅化合物，除了炔基銅外，一般對熱均不穩(wěn)定有的甚至在0時也會分解；對水、氧也不穩(wěn)定，易發(fā)生水解或氧化反應。第55頁/共77頁 反應性：l易于取代鹵素，特別能取代不活潑的鹵素l易于取代酰鹵的鹵素生成酮l與，-不飽和羰基化合物發(fā)生共軛加成l偶聯(lián)反應第56頁

22、/共77頁二、 有機銅化合物的制備 1. 烴基銅的制備 烴基銅的制備主要是利用一些金屬有機化合物與鹵代銅的交換反應。金屬有機化合物如鉛、鋅、汞等化合物均能應用，而最常用的還是有機鎂和有機鋰化合物。RMgX + CuX R-Cu + MgX2RLi + CuX R-Cu + LiX芳基銅比較穩(wěn)定，這些反應可以在0進行，甲基銅要在15制備，其它伯烷基銅更不穩(wěn)定，反應要在干冰丙酮中冷卻至78時進行，仲烷基銅、叔烷基銅的制備，若無配合物存在，制備時就會分解。第57頁/共77頁烷基銅能夠與有機鎂或有機鋰化合物繼續(xù)反應，形成二烴基銅或鋰：RCu + RLi R2CuLi3RCu + RMgX (R2Cu)

23、2Mg + CuX因此在制備烴基銅時，必須保持鹵化銅過量，而后再用溶劑（如乙醚或四氫呋喃）洗去剩余的鹵化銅。第58頁/共77頁二烴基銅鋰一般采用有機鋰化合物與鹵化銅進行交換反應制備：2RLi + CuX R2CuLi + LiX 二烷基銅鋰對于某些不宜有鹽存在的反應，或是制備不同烴基的銅鋰時，可采用下列方法：2. 二烷基銅鋰的制備第59頁/共77頁RCu + RLi R2CuLiRCu + RLiRRCuLi提示：與格氏試劑不同，有機銅化合物由于對熱，氧，水不穩(wěn)定，因此制備后須立即使用。第60頁/共77頁1. 自偶聯(lián)反應 有機銅試劑可以熱解發(fā)生自偶聯(lián)，如有氧的存在，自偶聯(lián)更易進行。利用有機銅化

24、合物的偶聯(lián)反應，可以合成具有不同基團的新型化合物。如：SO3-CH2Cu20SO3-CH2CH2-O3S(20%-25%)第61頁/共77頁烯基銅的自偶聯(lián)，能保持原有烯基的構型，如： C CHCuHH3C902 2C CHCHH3CCHHCH3(84%)E-型型E-E型型第62頁/共77頁2. 烴基取代反應 有機銅試劑中的烴基可以取代各種有機鹵化物中的鹵原子，使試劑中的烴基與鹵化物的烴基連接起來，這也是重要的有機合成方法。如，二甲基銅鋰能以甲基取代各種乙烯式鹵化物中的碘和溴：PhI + (CH3)2CuLiPhCH3Cu(90%)PhCH=CHBr + (CH3)2CuLiPhCH=CHCH3

25、(81%)第63頁/共77頁這種用烷基取代鹵素的方法比格氏試劑或有機鋰試劑更有利。其優(yōu)越之處在于有機銅試劑同許多功能基團不起作用，因此在銅試劑或鹵化物中都可以含有這些功能基，從而比較方便地合成含功能基的化合物。另一優(yōu)點在于有機銅試劑能在低溫下反應，同時能夠保持銅試劑或鹵化物中原有的構型不變，在合成具有指定構型的化合物時較為有利。如： C CHHHH3C2CuLi + CH3(CH2)6CH2IHC CHCH2(CH2)6CH3HC CHBrHC6H5+ (C4H9)2CuLiC CHC4H9HC6H5第64頁/共77頁炔基銅化合物與鹵代烷不易起反應，但易與鹵代烯、鹵代炔或芳香族鹵化物反應。如：

26、上述反應同時表現(xiàn)出有機銅試劑的優(yōu)點，即碘苯環(huán)上的羥基、氨基等活潑氫的基團無需保護，可以直接進行反應（但這些基團若處于鄰位時，將與三鍵加合成環(huán)）。Ph-CC-Cu +NH2INH2Ph-CC(76%)Ph-CC-Cu +OHIOHPh-CC(85%)第65頁/共77頁有機銅試劑進行烴基取代，以二烴基銅鋰為好，產率也高，可以保持空間構型。其中二甲基銅鋰進行甲基化，產率最高；其次為伯烷基銅試劑，仲烷基或叔烷基銅試劑結果最差。親核性較弱親核性較弱R2CuLi+XRRR+RCu+LiX第66頁/共77頁(n-C4H9)2CuLi+n-C7H15ClCH3(CH2)9CH3(n-C4H9)2CuLiBrP

27、h+Ph雙雙鍵鍵構構型型不不變變H2C CCH32CuLi+CH3BrCH3H2C CCH3第67頁/共77頁R2CuLi + R XR R + RCu + LiXR可以是10、20、30 RX最好是10，也可以是不活潑的鹵代烴，如 RCH=CHX第68頁/共77頁(CH3)2CuLi +ClCH3+ CH3Cu + LiCl75%(CH3)2CuLi + CH3(CH2)3CH2ICH3(CH2)4CH3 + CH3Cu + LiI98%(CH3CH2CH-)2CuLiCH3CH3(CH2)3CH2BrCH3CH2CHCH2CH2CH2CH2CH3CH384%甲基辛烷3-第69頁/共77頁3. 與酰氯反應