第十六章元素有机化合物 学习要求 1、讨论锂、硼、硅及过渡元素的有机化合物。 2、结合前面已学过的有关镁、磷、硫等元素有机化合物的知识,使我们对元素 有机化学有一个初步的认识 元素有机化合物是指有机基团以碳原子直接于金属或非金属元素(H,O, N,Cl1,Br,I,S等非金属元素除外)相连接的化合物, 如果有机基团是通过氧原子与金属相或非金属元素相连接的,这一类化合 物就不属于元素有机化合物。例如:醇钠(RONa)、磷酸酯[(RO)3PO] 般将含有金属-碳键(MC)的化合物称为有机金属化合物或金属有机化合物。 1827年问世的 ZeisekPtc13(CH2=CH2)是第一个被发现的具有不饱和有机分子与 金属键链的有机金属化合物。此后,有机硅、有机钠、有机锌等相继问世并得到 应用。著名的格氏试剂及其催化反应极大地推动了有机化学的发展, Ziegler- Natta催化剂也给工业带来了巨大经济效益。1951年具有特殊结构和类 似芳烃的二茂铁得到了制备和结构确证,为有机过渡金属开辟了一大类新型的有 机金属配合物。现已发现,周期表中几乎所有金属元素都能和碳结合,形成不同 形式的金属有机化合物。迄今已先后有10位科学家因在有机金属化学领域做出 的巨大贡献而荣获 Nobel化学奖。 最早的金属有机化合物是1827年由丹麦药剂师 Zeise用乙醇和氯铂酸盐反应而 合成的;比俄国门捷列夫1869年提出元素周期表约早40年. Cl-Pt-CI
第十六章 元素有机化合物 学习要求 1、讨论锂、硼、硅及过渡元素的有机化合物。 2、结合前面已学过的有关镁、磷、硫等元素有机化合物的知识，使我们对元素 有机化学有一个初步的认识。 元素有机化合物是指有机基团以碳原子直接于金属或非金属元素（H，O， N，Cl，Br，I，S 等非金属元素除外）相连接的化合物。 如果有机基团是通过氧原子与金属相或非金属元素相连接的，这一类化合 物就不属于元素有机化合物。 例如 ：醇钠（RONa）、磷酸酯 [(RO)3PO] 一般将含有金属-碳键（M-C）的化合物称为有机金属化合物或金属有机化合物。 1827 年问世的 ZeiseKPtCl3(CH2=CH2)是第一个被发现的具有不饱和有机分子与 金属键链的有机金属化合物。此后，有机硅、有机钠、有机锌等相继问世并得到 应用。著名的格氏试剂及其催化反应极大地推动了有机化学的发展， Ziegler-Natta 催化剂也给工业带来了巨大经济效益。1951 年具有特殊结构和类 似芳烃的二茂铁得到了制备和结构确证，为有机过渡金属开辟了一大类新型的有 机金属配合物。现已发现，周期表中几乎所有金属元素都能和碳结合，形成不同 形式的金属有机化合物。迄今已先后有 10 位科学家因在有机金属化学领域做出 的巨大贡献而荣获 Nobel 化学奖。 最早的金属有机化合物是 1827 年由丹麦药剂师 Zeise 用乙醇和氯铂酸盐反应而 合成的；比俄国门捷列夫 1869 年提出元素周期表约早 40 年
金属与烷基以s键直接键合的化合物是1849年由 Frankland在偶然的机会中合 成的( Frankland是He的发现人)。他设计的是一个获取乙基游离基的实验 zn+C2Hs|→C2H5zn 1/2(C2H5)2zn+1/2zn2 CaH 实验中误将C4H10当成了乙基游离基;但是这却是获得二乙基锌的惊人发现。 所以,人们称这个实验为“收获最多的失败”。直到1900年 Grignard试剂发 现前,烷基锌一直作为是重要的烷基化试剂使用。 1890年Mond发现了羰基镍的合成方法 1900年 Grignard发现了 Grignard试剂(获得1912年诺贝尔化学奖)。 1951年 Paulson和 Miller合成著名的“夹心饼干”一一二茂铁 1973年 Fischer合成了其他金属的二茂化合物 他们共同获得了1973年的诺贝尔化学奖 1953年末 Ziegler领导的西德 MaxPlank煤炭研究所发现的 Ziegler催化剂。随 后, Natta发现 Natta催化剂,史合称 Ziegler- Natta催化剂。获得了诺贝尔化 学奖 Ziegler- Natta催化剂也给工业带来了巨大经济效益。 Lipscomb(1976年)由于对硼烷类的缺电子键的理论研究获得了诺贝尔化学奖。 1979年研究烯烃硼氢化的且.C.Brow与有机磷 Wittig反应者 Wittig获得诺贝 尔化学奖 2000 4F Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa I Ziegler- Natta催化合成导电高分子一一聚乙炔而获得诺贝尔奖
金属与烷基以 s 键直接键合的化合物是 1849 年由 Frankland 在偶然的机会中合 成的（Frankland 是 He 的发现人）。他设计的是一个获取乙基游离基的实验： 实验中误将 C4H10 当成了乙基游离基；但是这却是获得 二乙基锌的惊人发现。 所以，人们称这个实验为“收获 最多的失败”。直到 1900 年 Grignard 试剂发 现前，烷基 锌一直作为是重要的烷基化试剂使用。 1890 年 Mond 发现了羰基镍的合成方法； 1900 年 Grignard 发现了 Grignard 试剂（获得 1912 年诺贝尔化学奖）。 1951 年 Pauson 和 Miller 合成著名的“夹心饼干”——二茂铁， 1973 年 Fischer 合成了其他金属的二茂化合物 他们共同获得了 1973 年的诺贝尔化学奖 1953 年末 Ziegler 领导的西德 MaxPlank 煤炭研究所发现的 Ziegler 催化剂。随 后，Natta 发现 Natta 催化剂，史合称 Ziegler-Natta 催化剂。获得了诺贝尔化 学奖 Ziegler-Natta 催化剂也给工业带来了巨大经济效益。 Lipscomb（1976 年）由于对硼烷类的缺电子键的理论研究获得了诺贝尔化学奖。 1979 年研究烯烃硼氢化的 H.C.Brown 与有机磷 Wittig 反应者 Wittig 获得诺贝 尔化学奖。 2000 年 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa 因 Ziegler-Natta 催化合成导电高分子——聚乙炔而获得诺贝尔奖
16-1元素化合物的分类和重要性 根据元素在周期表的地位及各元素与碳成键的类型,大体上可把元素有机化 合物分为离子型化合物,δ键化合物以及非经典键化合物等三大类。 、分类 1、离子型化合物 2、δ键化合物有机基团以δ键与金属或非金属元素相键合的化合物 3、非经典键化合物 碱金属和碱土金属(ⅠA、ⅢA元素)电负性很小,它们所形成的烃基化合 物,大多为离子化合物,其通史为NM,R2M,它们具有离子化合物的典型特征 可以把它们看作为烃R-H的盐类。 二、重要性 元素有机化合物作为有机合成试剂和有机反应的高效、高选择性催化剂,近 十年来进行了广泛而深入的研究,发展迅速 此外,在塑料添加剂、抗震剂、杀菌剂等方面也有着广泛应用。如果没有金属有 机化合物作为催化剂,精细有机化工如制药工业、香料工业的发展简直不可想象。 16-2CM键的一般合成方法 一、金属与卤代烃反应 格氏试剂合成法,有机锂化合物也主要用该发制备 nCH+2i一石→ n-CAhoLi+1ia 、金属盐与有机金属化合物反应 利用碱金属或碱土金属的有机化合物与其他金属盐类反应,来合成其他金属 的有机化合物。此反应可看作是复分解反应。 RM +MX RM+ MX
16-1 元素化合物的分类和重要性 根据元素在周期表的地位及各元素与碳成键的类型，大体上可把元素有机化 合物分为离子型化合物，δ键化合物以及非经典键化合物等三大类。 一、分类 1、离子型化合物 2、δ键化合物有机基团以δ键与金属或非金属元素相键合的化合物。 3、非经典键化合物 碱金属和碱土金属（ⅠA、ⅡA 元素）电负性很小，它们所形成的烃基化合 物，大多为离子化合物，其通史为 RM，R2M，它们具有离子化合物的典型特征， 可以把它们看作为烃 R-H 的盐类。 二、重要性 元素有机化合物作为有机合成试剂和有机反应的高效、高选择性催化剂，近 二十年来进行了广泛而深入的研究，发展迅速。 此外，在塑料添加剂、抗震剂、杀菌剂等方面也有着广泛应用。如果没有金属有 机化合物作为催化剂，精细有机化工如制药工业、香料工业的发展简直不可想象。 16-2 C-M 键的一般合成方法 一、金属与卤代烃反应 格氏试剂合成法，有机锂化合物也主要用该发制备。 二、金属盐与有机金属化合物反应 利用碱金属或碱土金属的有机化合物与其他金属盐类反应，来合成其他金属 的有机化合物。此反应可看作是复分解反应
利用活泼的金属有机化合物合成活性较低的金属有机化合物或非金属有机 化合物 大多数金属有机化合物均可用此法制备 2C2HSLi Zn-(C2H5)Zn+ 2LiCI C,H MgCl +CdcI (C2H.)Cd+2NgC2有机锂化合 物活性大,会与某些金属有机化合物形成络合物。 例如,当RLi与CuX反应时,生成的有机铜化合物RCu即与RLi形成络合物一 烷基酮锂。 rbc KI1一c 班nCm 、烃类的金属化反应( metallation) 烃分子中的酸性被金属置换下来生成相应的金属烃基化物,这类反应被称为 金属化反应。 CsHe+ Na -CsHs Na 1/2H, 环戊二烯 n-CaHoLi +n-C,H 四、金属和非金属氢化物与不饱和氢加成 Ⅲ~ⅥA元素的氢化物很活泼,M一H键与碳一碳双键或叁键进行加成相应 的烃化物。此类反应称为氢金属化物( hydrometallation) 例如 RCHECH (RCH,)B RCH=CH,+ H-SiCl RCHAO
利用活泼的金属有机化合物合成活性较低的金属有机化合物或非金属有机 化合物。 大多数金属有机化合物均可用此法制备。 有机锂化合 物活性大，会与某些金属有机化合物形成络合物。 例如，当 RLi 与 CuX 反应时，生成的有机铜化合物 RCu 即与 RLi 形成络合物—— 二烷基酮锂。 三、烃类的金属化反应（metallation） 烃分子中的酸性被金属置换下来生成相应的金属烃基化物，这类反应被称为 金属化反应。 四、金属和非金属氢化物与不饱和氢加成 Ⅲ～ⅥＡ元素的氢化物很活泼，Ｍ－Ｈ键与碳－碳双键或叁键进行加成相应 的烃化物。此类反应称为氢金属化物（hydrometallation）。 例如：
16-3有机锂化合物 结构和性质 1、有机锂化合物分子中的C-Lⅰ键为极性很强的共价键。 2、烷基锂实际上是以分子或多分子的聚集体存在的。如: (CH3Lⅰ)4是以四聚体存在,依靠烷基桥键连接 3、烷基锂的反应活性与分子的缔合度很有关系。缔合作用降低了烷基锂的 反应活性,聚集态活性远低于单体烷基锂的活性。 有机锂化合物在有机合成中的应用 1、与CO2作用: RLi RCOOLi、H2O RCOOH 2、与活泼氢化合物的反应 Br+ V H+「! 3、与羰基化合物的加成反应 烷基锂与醛、酮反应分别得到第二醇和第三醇。 4、与羧酸反应 特别适合于合成空间位阻较大的醇 H∧cooH COoLi ChLl CH3Li HO H3C CH Ph OLi
16-3 有机锂化合物 一、结构和性质 1、有机锂化合物分子中的 C-Li 键为极性很强的共价键。 2、烷基锂实际上是以分子或多分子的聚集体存在的。如： （CH3 Li ）4 是以四聚体存在，依靠烷基桥键连接 3、烷基锂的反应活性与分子的缔合度很有关系。缔合作用降低了烷基锂的 反应活性，聚集态活性远低于单体烷基锂的活性。 二、有机锂化合物在有机合成中的应用 1、与 CO2 作用： 2、与活泼氢化合物的反应 3、与羰基化合物的加成反应 烷基锂与醛、酮反应分别得到第二醇和第三醇。 4、与羧酸反应 特别适合于合成空间位阻较大的醇
5、与α,B-不饱和羰基化合物的共轭加成 格氏试剂和有机锂试剂与α,β一不饱和酮的加成反应1,2-加成和1,4加 成方式都可能发生,而有机铜锂试剂对α,β-不饱和酮的加成选择性极好,基 本上生成1,4加成产物。 1)乙酷送0C10min +(CH3)CLi 2)H,O CHa 1)苯 CHa (CH3)2=CHC-CH3 +(CH2=CHhCuLi CH=CH-C-CH-C-CH3 2)HO CHa 16-4有机硼化合物 、二硼烷 最简单的硼烷是B3,它不能游离存在,倾向于二聚为比较稳定的二硼烷 B2H6 二硼烷为气体,在空气中自然,遇水立即水解为H2和B(OH)3 B2H6+ 6H2O 2B(OH)3+6H24 实验室里常用四氢硼钠或氟化硼-乙醚络合物在四氢呋喃中进行反应来制备 BAbe ABF, O(C,H),THE-+2B 4(CHshO 二、烷基硼 最简单的烷基硼是三甲基硼,从电子衍射研究表明,三甲基硼分子为sp2 杂化,具有平面三角形构型。它与三甲基铝不同,不存在络合现象 三价硼化合物均为缺电子分子,具有空p轨道,可以接受路易斯碱提供的电 子对形成四配位的硼化物,又平面构型转变为四面体构型。 例如
5、与α，β-不饱和羰基化合物的共轭加成 格氏试剂和有机锂试剂与α，β-不饱和酮的加成反应 1，2-加成和 1，4 加 成方式都可能发生，而有机铜锂试剂对α，β-不饱和酮的加成选择性极好，基 本上生成 1，4-加成产物。 16-4 有机硼化合物 一、二硼烷 最简单的硼烷是 BH3，它不能游离存在，倾向于二聚为比较稳定的二硼烷 B2H6 二硼烷为气体，在空气中自然，遇水立即水解为 H2 和 B(OH)3 实验室里常用四氢硼钠或氟化硼-乙醚络合物在四氢呋喃中进行反应来制备 二、烷基硼 最简单的烷基硼是三甲基硼，从电子衍射研究表明，三甲基硼分子为 sp2 杂化，具有平面三角形构型。它与三甲基铝不同，不存在络合现象。 三价硼化合物均为缺电子分子，具有空 p 轨道，可以接受路易斯碱提供的电 子对形成四配位的硼化物，又平面构型转变为四面体构型。 例如：
NH H2C、CH3 B +:N CH H3C 烷基硼在有机合成中的应用 1、硼氢化-氧化反应 将烯烃的硼氢化反应同烷基的氧化反应相缩合,正好提供了一个烯烃间接水 合制备醇的方法硼氢化反应按反马尔科夫规则进行,并且是顺式加成,这就规定 了随后的烷基硼氧化水解产物的构型。 2、烷基化反应 ∧-卤化羰基化合物在碱存在下可与烷基硼进行烷基化反应。 RB +X-CH-C R-C-C-+RBX H 这一反应提供了丙二酸酯和乙酰乙酸酯合成法的又一种合成路线。 16-5有机硅化合物 、硅的电子构型及成键特征 硅是元素周期表中ⅣA元素,紧接在碳下面。在通常情况下,硅的化合物价为4, 采取$p3杂化,具有四面体结构。硅的原子极化度要比碳大得多,硅的电负性较 小,与C,H相比显正电性,所以不论SiC键或SiH键,Si总是偶极的正极。 因此硅易遭受亲核试剂的进攻,这对硅化合物的化学性质有深刻影响。 有机硅化合物的类型 1、有机硅烷及卤硅烷 硅可以形成分子式与烷烃相似的的氢化物,称为硅烷,已知最长的硅烷是 SigH 热稳定性差,SiH4、Si2H6在空气中自燃。如果硅烷分子中的氢被烃基取 代,则热稳定性较好。 2、硅酸酯类
三、烷基硼在有机合成中的应用 1、硼氢化-氧化反应 将烯烃的硼氢化反应同烷基的氧化反应相缩合，正好提供了一个烯烃间接水 合制备醇的方法硼氢化反应按反马尔科夫规则进行，并且是顺式加成，这就规定 了随后的烷基硼氧化水解产物的构型。 2、烷基化反应 Α-卤化羰基化合物在碱存在下可与烷基硼进行烷基化反应。 这一反应提供了丙二酸酯和乙酰乙酸酯合成法的又一种合成路线。 16-5 有机硅化合物 一、 硅的电子构型及成键特征 硅是元素周期表中ⅣA 元素，紧接在碳下面。在通常情况下，硅的化合物价为 4， 采取 sp3 杂化，具有四面体结构。硅的原子极化度要比碳大得多，硅的电负性较 小，与 C，H 相比显正电性，所以不论 Si-C 键或 Si-H 键，Si 总是偶极的正极。 因此硅易遭受亲核试剂的进攻，这对硅化合物的化学性质有深刻影响。 二、 有机硅化合物的类型 1、有机硅烷及卤硅烷 硅可以形成分子式与烷烃相似的的氢化物，称为硅烷，已知最长的硅烷是 Si6H14。 热稳定性差，SiH4 、Si2H6 在空气中自燃。如果硅烷分子中的氢被烃基取 代，则热稳定性较好。 2、硅酸酯类
硅酸酯Si(R)4可看作正硅酸Si(O)4的酯,烃基硅酸RnSI(OR’)4ˉn又叫烃基烷氧基硅烷 (CH3)2Si(0C2H5) CH3)2Si(0C2H5)2 甲基甲氧基硅烷 二甲基二乙氧基硅烷 C6HsSi(OC2Hs) 苯基三乙基硅烷 3、硅氧烷类 自然界广泛分布的硅酸盐类是以 键为骨架构成的。从键能来看,Si-0间要比Si-Si键、Si-CJ键强的多,甚至比 C-0键还要强固,Si-0-Si键相当于碳化合物中的醚键,硅氧烷就是这样骨架的 氢基衍生物。 三、有机硅化合物的制备 方法主要有两种 l、是由格氏试剂或锂试剂与卤硅烷或硅酸酯反应来制备 2、是由E.G. Rochow于1944年研制成功的直接合成法 所谓直接合成法就是指由硅粉与卤代烃在髙温及催化剂存在下进行暗影,直接合 成烃基卤硅烷,产物为混合物,其中以R2SiCl2和 SIcL3为主 另一种方法是将甲基氯硅烷混合物先醇解,再转变为甲基硅酸酯。 四、有机硅化合物的重要反应 l、Si-X键的水解 CCl4为非极性溶剂,对水解稳定,但是SiCl4却极为活泼,遇水发生剧烈水解, 在潮湿空气中冒白烟。 SiCl 2H2O SiO+ hCL
硅酸酯 Si(OR)4 可看作正硅酸 Si(OH)4 的酯，烃基硅酸 RnSI(OR’)4-n 又叫烃基烷氧基硅烷。 (CH3)2Si(OC2H5)2 (CH3)2Si(OC2H5)2 三甲基甲氧基硅烷 二甲基二乙氧基硅烷 C6H5Si(OC2H5); 苯基三乙基硅烷 3、硅氧烷类 自然界广泛分布的硅酸盐类是以 键为骨架构成的。从键能来看，Si-O 间要比 Si-Si 键、Si-CJ 键强的多，甚至比 C-O 键还要强固，Si-O-Si 键相当于碳化合物中的醚键，硅氧烷就是这样骨架的 氢基衍生物。 三、 有机硅化合物的制备 方法主要有两种： 1、是由格氏试剂或锂试剂与卤硅烷或硅酸酯反应来制备 2、是由 E.G.Rochow 于 1944 年研制成功的直接合成法 所谓直接合成法就是指由硅粉与卤代烃在高温及催化剂存在下进行暗影，直接合 成烃基卤硅烷，产物为混合物，其中以 R2SiCl2 和 RSiCl3 为主 另一种方法是将甲基氯硅烷混合物先醇解，再转变为甲基硅酸酯。 四、 有机硅化合物的重要反应 1、Si-X 键的水解 CCl4 为非极性溶剂，对水解稳定，但是 SiCl4 却极为活泼，遇水发生剧烈水解， 在潮湿空气中冒白烟
硅醇的缩合反应 在酸或碱的存在下,大多数硅酸不稳定,易进一步缩合形成相应的硅氧烷。值得 注意的是硅醇的脱水方式与醇类不尽一致 三甲基硅醇只能进行分子间脱水缩合生成硅氧烷。同样,二甲基硅易发生分子间 脱水生成线型的或环状的聚硅氧烷。 H2C hoo CH2 H3C-Si--iOH H H3C-SICH3 C CH3 3 H3c-si-o H Ho-Si-CH3hH3c-Si-0-Si-CH CH3 CH H CH3 五、硅油、硅橡胶和硅树脂 1、硅油 以(CH3)2SiCl2为主要原料,配合少量的(CH3)3siCl,进行水解缩聚反应,生成末 端为三甲基的线型聚硅氧烷,结构如下 硅油(n^10) CH3 CH3 CH3 H2 C-Si-O-1-Si-d-Si-o CH CH CH 3 2、硅橡胶 当采用高纯度的(CH3)Si进行水解缩聚或用八基环四硅氧烷开环聚合,可制 得相对分子质量高达几十万甚至一百万以上的线型聚二甲基硅氧烷. CH3 CH3 CH 0.01%KOH (CH3)sIo] Si-O- Si-O -Si-O 140°C,2h CH3CH3. CH
2、硅醇的缩合反应 在酸或碱的存在下，大多数硅酸不稳定，易进一步缩合形成相应的硅氧烷。值得 注意的是硅醇的脱水方式与醇类不尽一致。 三甲基硅醇只能进行分子间脱水缩合生成硅氧烷。同样，二甲基硅易发生分子间 脱水生成线型的或环状的聚硅氧烷。 五、 硅油、硅橡胶和硅树脂 1、硅油 以(CH3)2SiCl2 为主要原料,配合少量的(CH3)3SiCl,进行水解缩聚反应,生成末 端为三甲基的线型聚硅氧烷,结构如下: 硅油(n~10) 2、硅橡胶 当采用高纯度的(CH3)2SiCl2 进行水解缩聚或用八基环四硅氧烷开环聚合,可制 得相对分子质量高达几十万甚至一百万以上的线型聚二甲基硅氧烷
3、硅树脂 硅树脂在结构上与硅油、橡胶有明显不同,硅树脂是由(CH3)2SiCL与一定量的 CH3SiC3一起进行水解缩聚来合成的,CH3SCl3是一个三官能团单体,提供 分子链间进行Si-O-Si交联,所以缩聚产物具有网状或体型结构
3、硅树脂 硅树脂在结构上与硅油、橡胶有明显不同，硅树脂是由(CH3)2SiCl2 与一定量的 CH3SiCl3 一起进行水解缩聚来合成的， CH3SiCl3 是一个三官能团单体，提供 分子链间进行 Si-O-Si 交联，所以缩聚产物具有网状或体型结构