形成碳碳双键的反应.ppt

第九章 形成碳碳双键的反应,合成烯烃的反应很多，较常用的有消除反应、还原反应、缩合反应。本章主要讨论与长链烯烃合成有关的缩合反应，此类反应主要包括醇醛缩合反应，羰基位的烯化反应、以及近年来广泛应用的羰基烯化反应。,第一节 羰基烯化反应,一、 Wittig反应 磷内翁盐Phosphorus ylide（磷叶立德）与醛或酮作用生成烯烃及氧化三苯膦的反应，通常称为羰基烯化反应或Wittig反应。通式如下：,磷内翁盐是活性很高的合成中间体，磷内翁盐是Wittig反应的重要中间体，所以又被称之为Wittig试剂。,磷内翁盐的制备一般是由季磷盐和碱在非质子溶剂中作用脱去一分子卤化氢而得。,用于季磷盐脱卤化氢的碱很多。反应用溶剂一般是非质子溶剂，有时水也可以用作溶剂。碱和溶剂的选择主要取决于磷内翁盐的稳定性，即主要由取代基R1和R2的性质决定。,当R1和R2为-Ph、-COR、-COOR、-CN等拉电子基时，因其能使磷内翁盐中-碳上的负电荷分散而形成稳定的内翁盐； 当R1和R2为H、脂肪烃基、脂环烃基时，由于R1和R2不能分散-碳上的负电荷而使磷内翁盐具有较低的稳定性和较强的亲核活性。 在制备稳定性较低的内翁盐时，一般选用较强的碱如丁基锂、氢化钠等，需要在惰性气体保护下，在干燥的不含酸的介质中进行； 当制备稳定性较高的磷内翁盐时，可选用象氨或碳酸钠那样的弱碱，甚至可以在水溶液中进行。,磷内翁盐与醛或酮的反应即Wittig反应是按下述过程进行的：,Wittig反应的难易程度取决于反应物内翁盐及醛或酮的结构。 对于稳定的磷内翁盐，由于R1和R2为拉电子基，内翁盐-碳上的负电荷因分散而降低了亲核活性，在一般情况下不利于Wittig反应的进行。 在不稳定的内翁盐中，R1和R2为推电子基，因而可以增强内翁盐-碳上的负电荷而使亲核活性增加，使之与醛酮的反应容易进行。对于羰基化合物来说，R3和R4如果是推电子基，羰基碳上的电子云密度相对增高，不利于内翁盐对羰基进行亲核反应；R3或R4为拉电子基时，可降低羰基碳上的电子云密度，因而容易接受亲核试剂的进攻，有利于反应的进行。一般情况下，醛的反应活性比酮高，有时脂也能进行Wittig反应，但活性较酮低。利用羰基不同的活性，可进行选择性的羰基烯化反应。,Wittig反应所得烯烃可能存在Z、E两种立体异构体。决定产物中两种异构体比例的因素很多，通过选择适当的磷内翁盐及改变反应条件（如温度、溶剂性质、有无盐存在等），可获得一定构型的产物。一般规律是：较稳定的活性低的磷内翁盐，生成以E型烯烃为主的产物，但在质子溶剂或含盐的非极性溶剂中进行反应，可增加产物中Z型烯烃的比例；而不稳定的活性较高的磷内翁盐立体选择性较差，一般情况下生成E、Z两种异构体的混合物。若选用非极性溶剂，可高选择性的生成Z型产物，而在含盐的非极性溶剂中，E型烯烃的比例增加。例如：,Wittig反应的高度选择性，常用于制备复杂的天然产物。另外该反应具有反应条件温和，产率较高的特点，而且，-不饱和羰基化合物进行反应时，不发生1，4-加成反应，双键位置固定。利用这些特点，可合成许多具有共轭双烯结构的化合物。,磷内翁盐与环酮作用，可制备环外双键，且不发生异构化。当反应在分子内进行时，可形成具有张力的桥头烯。,Wittig反应采用相转移催化剂，可以避免无水操作，甚至在氢氧化钠水溶液中即可由磷盐制得磷内翁盐，后者在相转移催化剂的作用下进入有机相与醛或酮进行Wittig反应，得相应的烯烃。,Wittig反应中生成的氧化三苯膦给产物的分离提纯带来很大困难。为了解决这一难题，有人将磷内翁盐接到高聚物载体上得到高分子Wittig试剂。,二、Horner-Emmons改良法,Wittig反应用于长链烯烃的合成具有许多优越性，但也有不足之处。例如，稳定的叶立德只能与醛反应，与酮反应困难或不能反应，特别稳定的叶立德甚至不能与最活泼的醛反应。 近几十年来，Wittig反应发展较块，出现了许多改良法，其中以Horner-Emmons改良法最为重要。它是以膦酸酯代替磷内翁盐，与醛或酮类化合物在碱存在下作用，生成烯烃的反应。反应历程与Wittig反应类似，也是通过形成四员环过渡态，然后进行消除，生成烯烃和磷酸二乙酯。,Horner-Emmons改良法和Wittig反应相比有如下特点：,(1)膦酸酯比较容易制备，可以用亚磷酸酯和卤代烃作用，经Arbuzow重排反应而得。磷酸酯对空气、水气及碱不敏感，不需无氧无水操作，而且膦酸酯较Wittig试剂便宜。 R1、R2可以是氢、芳烃基、烷氧羰基、氰基、烷氧基等基团。,（2）膦酸酯在碱（如NaNH2、KNH2、MeCOK、C6H5K、NaH、n-C4H9Li等）作用下形成的膦酸酯碳负离子，它具有较强的亲核性，而且比较稳定，能与一些难以发生Wittig反应的醛酮类化合物作用。,（3）与醛或酮反应，产物的立体选择性受取代基及反应介质的影响极小，几乎立体专一性地生成反式（E型）产物。,（4）产品容易分离提纯。因为反应生成的磷酸酯盐易溶于水，极易与产品烯烃分离。由于上述特点，Horner-Emmons反应被广泛用于各种取代烯烃的合成中。 和Wittig反应一样，采用相转移催化反应，许多磷酸酯在氢氧化钠水溶液作用下，即可顺利地与醛或酮反应，得到烯烃。这一方法具有操作更加简便、经济、实用的特点。,三、 砷内翁盐的羰基烯化反应,近年来，人们通过对砷内翁盐（砷叶立德Arsenic ylide）化学性质的系统研究，证明带有拉电子基的砷内翁盐具有比磷内翁盐更高的反应活性和稳定性。,上式中，为丙酮时，以苯为溶剂，在室温下进行反应；为环戊酮或环己酮时，以甲醇为溶剂，在回流温度下进行反应。 砷内翁盐和醛、酮的反应机理与Wittig反应机理相同。一般情况下，产物为顺、反异构体的混合物，但常常以反式产物为主。当酮羰基或醛羰基的-位上有较大的取代基（如叔丁基）时，主要生成反式异构体烯烃。,砷内翁盐的制备方法与磷内翁盐相似，即烷基胂与卤代烃反应生成己砷盐，然后在强碱作用下脱去卤化氢得砷内翁盐。,反应所用碱的强度略高于制备相应磷内翁盐时所用碱的强度。反应用溶剂以乙醚、苯、四氢呋喃为好。 砷内翁盐的应用价值主要在于可以比较方便地制得带有拉电子基的烯烃，产率较高，反应副产物氧化三苯胂能方便地用稀盐酸除去。,四、 Peterson反应,硅原子与磷原子相似，具有3d空轨道，因而，能分散相邻碳负离子的负电荷，形成稳定的-硅碳负离子。-硅碳负离子很容易与羰基化合物作用，生成-羟基硅烷衍生物，继而在酸或碱催化下，经过-消除得到烯烃，这一反应被称为Peterson反应。,-硅碳负离可由下列方法得到。,在上述反应中R多数为甲基。,用Peterson反应制备长链烯烃与Wittig反应相比具有如下特点：,(1)Peterson反应所用的硅试剂比磷内翁盐活泼，甚至反应活性高于Horner-Emmons反应所用的膦酸酯试剂。含酯基的硅试剂很容易与酮反应，生成、-不饱和酯类化合物。当一试剂既能发生Peterson反应，又能发生Horner-Emmons反应时，通常优先生成Peterson反应产物。,(2) Peterson反应产物容易分离提纯。副产物六甲基二硅氧烷(CH3)3SiOSi(CH3)3易挥发，因而很容易从反应混合物中除去。,（3）Peterson反应产物通常为顺反异构体的混合物。产物的构型取决于硅试剂与羰基化合物缩合形成-羟基硅烷的这一步反应。在该步反应中得到的是苏型和赤型-羟基硅烷异构体的混合物，随后进行的消除反应是高立体选择性的。,赤型和苏型两种异构体在碱（如KH或NaH等）催化下，得顺式消除三甲基硅基和氧负离子的产物； 在酸（如H2SO4、BF3ET2O等）催化下，得反式消除三甲基硅基和氧负离子的产物。若用纯的（苏型或赤型）-羟基硅烷进行消除反应，则可以完全控制顺反烯烃的生成。,第二节 醇醛缩合反应,含-活泼氢的醛或酮，在碱或酸催化下，与另一分子醛或酮进行缩合，形成-羟基醛或酮，然后再失去一分子水，得、不饱和醛或酮。这类反应称为醇醛缩合反应，是合成含羰基的长链烯烃的方法之一。,醇醛缩合根据缩合物的不同，可以有含-氢的醛或酮的自身缩合；不同的醛、酮分子间的缩合；甲醛和含-氢的醛或酮的缩合（在前面章节已讨论过，故不再赘述）及芳醛与含-氢的醛或酮之间的缩合等四种主要类型。,它们的反应历程是一致的，随所用催化剂的不同而不同。通常有酸催化和碱催化两种形式，以相同的醛或酮之间的缩合为例，分别表示如下。, 碱（B-）催化反应历程： 在碱催化反应过程中，前三步为可逆反应，而决定反应速度的是第一步形成碳负离子的反应。反应中常用的碱有KOH、NaOH、Na2CO3、K2CO3、NaOEt、（Me3CO）3Al等，一般可根据反应物的活性，选择适当的碱催化剂。, 酸催化反应历程： 在酸催化反应中，决定反应速度的是亲核加成这一步。常用的酸性催化剂有硫酸、盐酸、对甲苯磺酸、阳离子交换树脂以及Lewis酸（如三氟化硼）等。,一、含-氢的醛或酮的自身缩合,R=H、脂烃基、芳烃基；R=H、甲基、脂烃基 醛类化合物具有较高的反应活性。因醛羰基的空间位阻小，容易受亲核试剂（碳负离子或烯醇负离子）的进攻，从而有利于缩合反应的进行。醛类化合物在进行自身缩合反应时，若选择适当的碱或反应温度，则可以很容易地得到缩合产物，-不饱和醛。,若用弱碱型离子交换树脂作催化剂，则可以在反应后滤去树脂，经蒸馏可得 ，-不饱和醛纯品。,含-H的酮类化合物，只有甲基酮和脂环酮具有较高的反应活性，但仍较醛类化合物的反应活性低。要使酮类化合物的自身缩合向生成物的方向进行，并得到较好产率的，-不饱和酮，必须强化反应条件 。,例如，在丙酮的缩合中，将固体催化剂氢氧化钡加入Soxhlet抽提器内，反应器中的丙酮不断回流，在提取器内与催化剂接触发生缩合反应，然后溢流到反应器内，产物二丙酮醇脱离催化剂，从而避免了可逆反应的发生。二丙酮醇经碘或磷酸催化脱水，可得71%产率的异丙叉丙酮。,在自身缩合中，若酮是对称酮或只含一种 -氢的不对称酮，则生成的产物较单一；若酮是不对称酮，则不论酸或碱催化，反应总是发生在取代基较少的-碳上，得到-羟基酮,或其脱水产物，-不饱和酮。,醛或酮的自身缩合也可以在分子内进行，生成环状化合物。如1，6-或1，7-二醛， 1，4-、1，5-或1，6-二酮，都能进行分子内缩合，生成烷酰基脂环烃或酮。,二、不同醛、酮分子间的缩合,含-H的不同醛、酮分子间的缩合反应情况比较复杂，它可能产生四种或四种以上的反应产物。但根据反应物的性质，通过对反应条件的控制可使某一产物占优势。,在碱催化下，两种不同的醛缩合时，一般由-碳上含有较多取代基的醛形成碳负离子，向-碳上取代基较少的醛进行亲核加成，形成-取代的，-不饱和醛。 若醛的-碳上只有一个氢，一般在室温下，它与-碳上取代基较少的醛羰基进行亲核加成，得-羟基-二取代的醛；若升高反应温度，则-羟基-二取代的醛经可逆反应复得原来的醛，再以新的方式缩合得，-不饱和醛。,在含-H的醛和酮的缩合中，一般地说，醛容易进行自身缩合反应。当醛与甲基酮反应时，常常是在碱催化下由甲基酮的甲基形成碳负离子，该碳负离子与醛羰基进行亲核加成，最终得，-不饱和酮。,不论是酸或碱催化，都不能使酮羰基和醛的-位缩合成，-不饱和醛。要实现这种缩合，应先将醛羰基进行保护，然后再与酮进行反应，最后，去保护基得，-不饱和醛。这种方法对两种醛或两种酮的反应同样适用。,若将醛或酮转变成烯醇硅醚，然后再在四氯化钛催化下，与另一分子醛或酮发生缩合反应，则同样可得指定产物。 两种不同酮之间的缩合，一般至少其中有一种是甲基酮或脂环酮，反应才能进行。,三、芳醛与含有-氢的醛、酮 之间的缩合,在碱催化下，芳醛与-氢的醛或酮缩合，可得产率很高的，-不饱和醛、酮类化合物，该反应被称为Claisen-Schmidt反应。例如肉桂醛的合成：,苯甲醛与乙醛在碱的作用下，有A和B两种反应途径。但是由于3-苯基-3-羟基丙醛更容易脱水成肉桂醛。因此，反应主要按途径B进行。生成肉桂醛，并且收率很高。 该反应一般在氢氧化钠水溶液或醇溶液中进行，其反应产物具有很高的立体选择性，一般情况下，与羰基相连的大基团总是和羰基的-碳上的大基团成反式构型。,因所用催化剂的不同，芳醛与不对称酮（CH3COCHR）的缩合反应产物也不同。一般碱催化，以甲基缩合产物为主；酸催化，则得亚甲基位上的缩合产物。例如：,不含-H的芳酮可以发生类似的醇醛缩合反应。反应也可以在分子内，形成环状的，-不饱和酮。,第三节 醛、酮与羧酸衍生物 之间的缩合,一、 碱催化下活泼亚甲基化合物与醛、酮的缩合（Knoevenagel反应） 活泼亚甲基化合物在氨（或胺）及它们的羧酸盐等弱碱性催化剂催化下，与醛或酮缩合，最后形成不饱和羰基化合物的反应，称为Knoevenagel反应。 X=-NO2、-CN、-COR、-COOR等。,Knoevenagel反应的机理,主有两种： 其一，类似于醇醛缩合反应，即活泼亚甲基化合物在极性溶液中，在碱作用下形成碳负离子，随后，与醛或酮进行亲核加成反应，最终形成，-不饱和羰基化合物。 另一种说法是，羰基化合物在胺或胺盐的存在下，形成亚胺过渡态，然后与活泼亚甲基的碳负离子进行加成。,其过程如下：,反应按何种历程进行，主要取决于反应物的活性及反应条件的选择。一般认为用伯胺、仲胺，有利于形成亚胺中间体，反应按后一种历程进行；若所用活泼亚甲基化合物的活性很大，且在极性溶剂中进行，则反应倾向于按类似醇醛缩合的机理进行。无论是哪种机理，产物烯烃的构型均以E型为主。,本反应的产率与羰基化合物的反应活性、位阻、催化剂的种类及其它反应条件有关。一般醛与活泼亚甲基化合物能很容易地进行反应，得到较高产率的，-不饱和羰基化合物。而酮与活泼亚甲基化合物如CH2（COOEt）2的缩合要困难一些，即使在较强烈的条件下进行反应，收率也不高。但若用三氯化钛和吡啶作催化剂，在室温下就能反应，生成物产率也较高。另外，若用位阻较小的甲基酮或脂环酮与活性较高的氰基乙酸乙酯缩合，则同样能顺利地进行反应。,二、 碱催化下丁二酸酯与醛、酮的缩合（Stob