碳正离子综述

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1、碳正离子综述碳正离子是一种带正电的极不稳定的碳氢化合物。分析这种物质对发 现能廉价制造几十种当代必需的化工产品是至关重要的。欧拉教授发现了利用超强酸使碳正离子保持稳定的方法,能够配制高浓度的碳正离子和仔细 研究它。他的发现已用于提高炼油的效率、生产无铅汽油和研制新药物。碳正离子与自由基一样,是一个活波的中间体。碳正离子有一个正电荷, 最外层有6个电子。带正电荷的碳原子以SP2杂化轨道与3个原子(或原 子团)结合,形成3个a键,与碳原子处于同一个平面。碳原子剩余的P轨道与这个平面垂直。碳正离子是平面结构。1963年有报道,直接观察到简单的碳正离子,证明了它的平面结构,为 它的存在及其结构提供了实

2、验依据。根据带正电荷的碳原子的位置,可分为一级碳正离子,二级碳正离子和 三级碳正离子。碳正离子的结构与稳定性直接受到与之相连接的基团的影响。它们稳定 性的一般规律如下:(1) 苄基型或烯丙型一般较稳定;(2) 其它碳正离子是:321;碳正离子越稳定,能量越低,形成越容易,加成速度也越快,可见碳正离子的稳定性决定烯烃加成的取向。碳正离子根据结构特点不同可分为:经典碳正离子和非经典碳正离子 下面着重讨论经典碳正离子:碳正离子化学是有机化学非常重要的组成部分,Olah由于发现在超强酸中稳定 存在的碳正离子,获得了 1994年的诺贝尔化学奖。 碳正离子是带有正电荷的 含碳离子,是一类重要的活性中间体,

3、可用R3C+表示(R为烷基)碳正离子 及其反应于20世纪20年代由C.K.英戈尔德等提出的。碳正离子可以认为是通 过共价C-C单键中一对电子的异裂反应而产生,式中X为卤素。R3C:X r3c+x-所形成的碳正离子R3C+,一个正电荷,配位数为3,中心原子以三个sp2杂化 轨道和三个原子成键,三个键轴构成平面,空着的p轨道垂直于平面,正电荷集中在p轨道上。取代基R的共轭效应,诱导效应和立体效应,以及烷基的超共轭效应都能对碳正离子其稳定作用。C平面碳正离子相对要稳定一些。特别是共轭越多,正电荷越分散,碳正离子越 稳定。平面碳正离子相对要稳定一些。特别是共轭越多,正电荷越分散,碳正离子越 稳定。Ar

4、CH2戶(CH3)3C+C=C-CH2(CH3)2CH+CH3CH2+CH3+2 碳正离子的形成2.1 反应物直接解离卤化烃在Ag+或Lewis酸中离解,卤原子带着一对电子离去,产生碳正离子; 醇,醚,酰卤在酸或Lewis酸作用下也可生成碳正离子;用超酸甚至可以从非 极性化合物如烷烃中夺取H而生成碳正离子。CH3h3cc_AlCl3H3Cch3oC+ haici3-CH3CH32.2 质子或其他阳离子与不饱和体系的加成对于不饱和体系,可通过质子或其它带正电荷的原子团或Lewis酸的加成来产 生碳正离子。H+H3O+RC+HCH3RC+HCH2OHRHC=CH2RCO+R+RC+HCH2CR O

5、RC+HCH2RH+2.3由其他正离子生成如偶氮正离子脱去N2生成碳正离子nh2NaNO2/HCI05oC3碳正离子稳定性影响因素3.1电子效应F3c给电子基团使碳正离子稳定性增加,吸电子集团使碳正离子稳定性降低。、HhH7H3CH3CC%CIh芳烽的亲皑取代J反应历程2長示汝口下兀绍台物b络合物产物在路易斯酸FeX3作用下,Br-Br键发生极化,一个卤原子带部分正电荷,另一 个卤原子带部分负电荷。卤正离子向苯环进攻生成a络合物,同时生成FeX4-与 和 SN1 反应历程相似,单分子消除反应历程也是分两步进行,第一步是卤烷分 子在溶剂中先离解碳正离子,第二步是在P -碳上脱去一个质子,同时在a

6、与解离出来的质子结合生成HX,使FeX3催化剂再生。3.单分子消去反应E1P -碳原子之间形成一个双键,其过程是-C-C-C-C- + L- 歩轅古的歩霖占+生成正確离子41 ife I二W + h+生成产物歩骤:占+消除Jfi子在起 E1 反应的同时,生成的碳正离子可以发生重排,形成更稳定的碳正离子再消去P -氢(E1)或与亲核试剂作用(SN1)4.与烯烃加成生成更大的碳正离子卤素,氢卤酸,水、硫酸、有机酸、醇、酚,次卤酸与烯烃加成5.重排反应,如 Wagner-Meerwein 重排, Demyanov 重排,频哪醇重排生成更稳定的碳离子(1)瓦格涅尔-米尔外因重排反应(Wagner-Me

7、erwein重排)是醇失水反应中, 中间体碳正离子发生1,2-重排反应,并伴随有氢、烷基或芳基迁移的一类反应 当醇羟基的b-碳原子是个仲碳原子(二级碳原子)或叔碳原子(三级碳原子)时,在 酸催化脱水反应中,常常会发生重排反应,得到重排产物:耳逗0反H H9怖爪和耘B可U斛为迁移菽排为更稳定的3 c 3 H - H CICICch3gh3c-ch2ohHCI-h2oCH3-6-CH?竺Jch3c-ch3高h3po 或H2SO42) Demyanov 重排反应捷姆扬诺夫重排。脂肪族或脂环族伯胺与亚硝酸作用而导致的重排,也可视为一种瓦格涅尔-米尔外因重排。5 碳正离子的应用利用取代反应可以制备很多物质,而消去脱氢也是制备某些烯烃等的一种重要 方法。阳离子聚合可以制备很多有用的高分子材料,但起反应机理有待进一步 研究。

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