《有机官能团的转换》PPT课件.ppt

第三章、有机官能团的转换 第一节、取代反应 官能团是决定有机分子主要反应性能的关键部位 ，也是进行有机反应的场所和根据。一般说来，大多 数合成总是通过官能团之间的相互作用而实现的。因 此，有机化合物的官能团之间的相互转变的规律，是 有机合成的基础和工具。本章将对有机官能团转换的 如下几方面进行讨论： (1)有机分子中原子或基团被取代的反应； (2)氧化值发生改变的氧化、还原反应； (3)生成不饱和键的消除反应； (4)不饱和链上的加成反应； (5)形成多官能团化合物的反应。 一、 饱和碳上的亲核取代反应 1反应机理及影响因素 在卤代烷或其它脂肪族化合物分子中，饱和碳上 的原子或基团，连同一对电子被亲核试剂所置换的反 应，称为饱和碳上的亲核取代反应(SN)，反应的一般 式为： 式中RX代表作用物，Nu代表亲核试剂，X为离去基团 。作用物中发生反应的原子称为中心原子。反应随作用 物、试剂和反应条件的不同，可按不同的机理进行，其 中最典型的是SN2和SNl机理。 SN2 机理包括一个由作用物与试剂分子形成的过渡 态，反应按协同方式进行。即试剂从离去基团相反的方 向上进攻中心碳原于，试剂同中心碳之间键的形成，与 离去基团与中心碳之间键的断裂是同时进行的。在过渡 态中，进攻试剂、中心碳原子和离去基团大约处于同一 直线位置。而中心碳上的其余三个原子或基团则位于同 该直线垂直的平面上。这时，进攻试剂与离去基团分别 处于平面的两边。随着新键的逐渐形成，离去基团与中 心碳之间的键逐渐削弱，最后完全脱离中心碳，而完成 反应。 反应进程的协同性，必然导致立体化学的专一性， 在SN2反应中，产物构型发生反转，这一现象称为瓦尔 登反转(Walden inversion)。例如： 在SN2反应中，决定速度的步骤(即过渡态的形成) 涉及进攻试剂和作用物，故称为双分于反应，其动力 学式符合二级速度表示式： SNl反应是分步进行的。作用物首先离解为碳正离 子，然后亲电性很强的碳正离子迅速同溶液中的亲核 试剂结合成产物。 作用物电离一步是决定反应速度的步骤。由于决定 速度步骤只涉及一种分子，故称为单分子亲核取代反应 ，其动力学式符合一级速度表示式： 由于SNl反应经碳正离子中间体而实现，后者为平面构型 ，亲核试剂可从平面的两边进入，从而使产物发生消旋 化。但在SNl反应的溶液中，生成的碳正离于中间体并不 是完全自由的，它很可能与离去基团组成离子对，使其 溶剂化，而不完全对称，从而有可能使试剂从离子对背 面进攻占优势，结果使部分产物构型发生反转。例如， (R)(一)2溴辛烷在SNl条件下水解，产物2辛醇 中，仅34是外消旋体，8366十1/2(34)是反转的 产物。 实际上，纯粹SN2与SNl反应仅仅是亲核取代的两种 极限情况。大多数情况下，两种机理并存并表现为竞 争反应。作用物结构、试剂以及反应条件将对反应产生 很大的影响。 作用物中心碳原子的空间效应对SN2反应影响很大 。中心碳上取代基增多，试剂进攻中心碳受阻，SN2反 应 的相对速度便减小。不同结构的作用物进行SN2反应的活 性顺序是： 同SN2反应相反，作用物的空间效应对SNl反应是一 种有利因素。这是由于中心碳上的取代基越多，所形成 的碳正离子越稳定，同时形成碳正离子后，基团之间的 键角由1095度增至120度，其空间拥挤程度可部分得 到改善之故。这种作用被称为“空间加速”或“空助效应” 。故对于SNl反应，作用物烷基的结构影响为： 在SN2和SN1反应中，都涉及离去基团从中心碳上的 脱离问题，故容易离去的基团，对SN2和SN1反应都是有 利的。基团脱离作用物的难易与其碱性相关。离去基团 的碱性愈弱，形成的负离于愈稳定，就愈容易脱离作用 物。具有这种性质的离去基团常见的有硫酸根、取代苯 磺酸基以及碘、溴、氯离子等。它们在SN反应中的相对 速度大小顺序如下： 在SN1反应中，决定速度步骤不含试剂，故试剂对 SN1反应影响很小。与SN1反应不同，试剂包括在SN2反 应的决定速度步骤内，故试剂的浓度、性质对SN2反应 是重要的，一般试剂的亲核性愈强，SN2反应的活性愈 高。 一些亲核试剂，如亚硝酸根负离子-ON0，其分 子中的0和N均可作为亲核中心同中心碳反应，这类试 剂称为两可性亲核试剂。在不同条件下，两可性亲核试 剂 可在不同位置发生反应，生成不同的产物。例如，N02- 同伯卤代烷作用，生成硝基烷，同仲或叔卤代烷作用则 生成亚硝酸酯： CN、SCN等也属于两可性亲核试剂，利用CN 的这一特性，可分别制得腈和异腈产物： SN反应大多是在溶液中进行的。溶剂不同，不仅可 使反应速度不同，有时甚至可以使反应机理也不相同。 溶剂在反应中的作用称为溶剂效应。在质子溶剂中，负 离子，特别是一些含O、N的负离子能通过氢键发生 溶剂化，这样可使负电荷分散，负离子稳定，而有利于 离去基团的离解，从而有利于SNl反应的进行。例如，一 些在醇中按SN2机理进行的反应，在甲酸作溶剂时则可 能按SNl机理进行。 在质子溶剂中，由于亲核试剂被溶剂分子所包围， 必须破坏溶剂层才能使试剂接触中心碳而反应。因此， 质子溶剂对SN2反应不利。偶极非质子溶剂由于偶极正 端包含于分子内部，对负离子的溶剂化作用很小，故亲 核试剂一般可不受溶剂层的包围而呈所调“裸露”状态， 从而表现出很强的亲核活性，有利于SN2反应的进行。 溶剂极性对SN反应的影响还同过渡态的电荷状态有关。 中性的作用物发生SNl反应时，过渡态的电荷发生分离， 即过渡态的极性增大，这时极性较高的溶剂比较低的溶 剂更能降低过渡态的能量和增加反应速度。相反，正离 子 作用物进行SNl反应时，其过渡态的电荷比基态分散，这 时极性较小的溶剂更为有利。同样的规律也适合SN2反应 ，因为SN2反应的过渡态电荷也较基态分散，增加溶剂极 性，只会使电荷较集中的亲核试剂溶剂化，而不利于SN2 过渡态的形成。 至于非极性溶剂，由于较难溶解SN反应中极性的作 用物和试剂，其反应性能较低，故很少使用。 2亲核取代反应在合成中的应用 由于具有原料易得，操作方便，特别是在官能团的 转换中所具有的简明、直接等特点，故饱和碳上的SN反 应在合成中应用十分广泛，是重要的合成反应类型之一 。 用于制备目的的亲核取代反应，在通常情况下以SN2 反应用得最为普遍。这一方面是由于SN2反应可预见性的 立体化学特点，另一方面是SN2反应可避免碳正离子中间 体以及它所产生的消除及重排的可能性。当亲核 试剂又同时兼作溶剂时，此时进行的SN反应称为溶剂解 反应，常用的溶剂有H2O、ROHRNH2、RCOOH等， 这时的溶剂解反应分别称为水解、醇解、氨解和酸解。 反应结果，作用物分子中的CX键，可转变为C O、 CN、CS等新键，从而可制备各种不同的产物。 虽然简单的卤代烷常由相应的醇制得，但是在较复 杂的分子中，引入卤原子比引入羟基容易。因此，卤代 烷的水解仍是合成醇的一种有用方法。 卤代烷水解的难易与其结构相关。一般伯卤代烷水解 比较困难，叔卤和烯丙型卤水解比较容易，乙烯卤、芳 卤水解最为困难。例如，氯苯需在300高温03MPa的 压力下才能水解成酚，而苄氯在常温、常压下，即可定 量地水解成醇： 多卤代物的水解产物视卤原子的位置而定。同碳二 卤代烷可在酸或碱催化下水解成醛或酮，同碳三卤化物 可水解成羧酸。例如： 1、 2二卤化物利用悬浮在水中的碳酸钙水解时 ，其活性较高的卤原于被羟基取代。例如： 1，2二卤化物经与羧酸的钠或钾盐作用可得相应 的酯，后者水解生成1，2二醇。利用这种间接水解的方 法，可避免直接水解时可能产生的重排和消除产物。 卤代烷、硫酸酯以及磺酸酯等与醇或酚的碱金属盐 作用可得醚，该反应称为威廉森(wil1iamson)合成法， 该方法可用于各种单醚和混合醚的制备。为了避免消除 、重排等副反应的发生，在制备仲或叔烷基醚时，应将 仲、叔烷基含在醇钠中。 卤代烷、硫酸酯或磺酸酯等与氨或胺作用，生成取 代胺的反应称为“氨解”。在合成上，该反应的一个重要 应用是制备氨基酸， 卤代烷直接氨解常得混合产物，这是因为胺较氨更 易同卤代烷作用，从而使反应中生成的伯胺进一步转变 为仲胺、叔胺，甚至季铵盐。为了提高某种产物的比例 可通过控制原料配比及反应条件等方法，使反应停止在 某一阶段。如加人大过量的氨可使反应停止在伯胺阶段 。此外，在反应体系中适当加入一些铵盐也将有利于伯 胺的生成。 如果需制备高纯度的伯胺，可用加布里埃尔 (Gabriel)合成法，邻苯二甲酰亚胺在碱水溶液中形成的 负离子与卤代烷共热，可发生N烷基化生成N烷基邻 苯二甲酰亚胺，后者水解得 伯胺。 叔烷基的伯胺不能由相应卤代烷的氨解来制备，因 为该过程中消除产物占优势。这类产物可通过叔烷基溴 化镁与羟氨的甲醚液，或者叔醇与异腈的作用来制得。 例如： 六亚甲基四胺与卤代烷作用，也可制备很纯的伯胺 。该反应称为狄立宾(Delepine)反应，特别适合烯丙型伯 胺的制备。例如： 醛亚胺同卤代烷的作用，是一种制备纯仲胺的方法 ： 从上面的讨论可以看山，饱和碳上的亲核取代是有 机合成的一种重要方法，是进行官能团转换的基本反应 类型。但该反应与消除、重排等副反应相竞争，在实际 合成中，应注意反应物、试剂的选择和反应条件的控制 ，尽可能避免副反应的干扰，才能收到预期的效果。 二、芳环上的取代反应 1芳香族亲电取代反应 芳环上的氢原子被亲电试剂所置换的反应称为芳香 族亲电取代反应。它是富电子芳环最特征的反应之一， 常用于各种取代芳烃的合成。 芳香族亲电取代反应的机理与烯烃的亲电加成反应 类似。首先是亲电试剂受芳环电子体系的吸引，形成一 种松驰结合的络合物。然后络合物发生异构化，试剂 同芳环上一个碳原子通过新生成的键相连致芳环的共 轭体系被破坏，形成一种4电子5中心的离域碳正离子即 结合物。最后， 络合物脱质子重新恢复芳环结构，取 代反应即告完成。反应过程可示意如下： 当取代芳烃再度发生取代时，环上巳存在的基团将 对新基进入芳坏的难易和位置产生很大的影响。这一现 象称为取代基的定位效应。一些基团使取代反应比苯更 易进行，而且将新基主要引入原有取代基的邻、对位， 这类基团称为邻对位定位基；另一类基团使芳环上的取 代比苯难于进行，新基主要进入其间位，称为间位定位 基。一般邻对位定位基对芳环的亲电取代起活化作用， 间位定位基起钝化作用。但卤原子例外，卤原子是吸电 子基因，它们的存在使苯环比较难于取代，但它们所具 有的未共用电于对与苯环组成P共轭体系，使取代基 的邻、对位电子云密度比间位大一些，因而起邻、对定 位作用。 如果苯环上含有一个以上的取代基时，新基进入的 位置往往受定位效应最强的取代基支配。取代基定位效 应的相对强度同反应类型和反应条件有关，相同的基团 在不同的反应或不同的反应条件下，其相对活性往往有 所不同。根据单取代苯溴代的相对反应速度一些常见邻 对位定位基的定位效应的相对活性顺序为： 根据单取代苯硝化时，问硝基衍生物的产率，一些间位 定位基的相对强度如下顺序： 应注意的尾上述活性顺序是在某一具体反应情况下测得 的，当反应不同时，这个顺序可能有出入。因此，常常 将定位基按定位效应的大小排列为一个大致的活性序列 ： 在合成上，通过芳香烃亲电取代反应，可直接向芳 环引入硝基、卤原子、磺酸基、烃基、酰基等不同的基 团。引入硝基的反应称为硝化反应，在合成上，由于硝 基能还原成氨基故硝化反应提供了在芳环上引入氨基的 途径。由于氨基通过重氮化或其它途径，可转变成多种 官能团，因此，烃的硝化在合成上具有重要的意义。 硝化的主要副反应是氧化反应。芳环上的OH、 NH2 、CH3O以及F等原子或基团都有可能被硝化剂氧化 。除此之外，还发现环上原有基团在硝化过程中发生消 除或移位的副反应。 芳烃在路易斯Le钾助酸催化下同卤素作用，生成 卤代衍生物的反应称为卤比反应。常用的催化剂为AlCl3 FeCl3、BF3、SnCl2等，它们在反应中可促进亲电试剂的 形成 由于氟过于活泼，难于控制，碘只和非常活化的芳 环才能发生取代反应，因此只有氯和溴对芳烃的亲电取 代才有制备意义。但在铜盐存在下，以碘化亚钢作催化 剂时，由于Cu2+可将I-转变成活性的碘，从而可在活泼 的芳环上引入碘原子： 芳烃与浓硫酸等作用生成芳磺酸的反应称为磺化反 应。利用磺化反应在芳环上引入磺酸基后，可以提高芳 香化合物的水溶性，这在染料合成方面有重要意义。磺 酸基在一定条件下可被一些亲核基因如OH、NH2等所 取代，因此磺酸可作为一些合成反应的中间体。磺化反 应为可逆反应利用水解反应，可将芳环上的磺酸基脱去 。这一结果，提供了利用磺酸基暂时封闭芳环某一位置 的根据。 在磺化时应注意使磺化剂的活性与芳烃活性相一致 。活化的芳烃用一般硫酸即可磺化，而钝化的芳烃则需 发烟硫酸和剧烈的反应条件。由于磺酸基是钝化基团， 苯环上最多只能进入三个磺酸基。 磺化的主要副反应是氧化和形成砜。当芳环上含有 易被浓硫酸氧化的基团时应先将这些基团保护后再磺化 。加人过量硫酸可抑制砜的生成。用吡啶磺酸盐磺化可 避免杂环被破坏。另一个亲电取代反应就是付克反应 ，前面我们已经讲过，在这不再重复。 2芳香族亲核取代反应 芳环上的氢原子或取代基连同一对电子被亲核基团 取代的反应，称为芳香族亲核取代反应。一般芳烃难于 进行亲核取代，只有在剧烈条件下，或芳环上存在有强 吸电子基团时，这类反应才能发生。在亲核取代反应中 ，进攻试剂是负离子或具有未共用电子对的基团。因此 要求芳环缺电，这同亲电取代反应正好相反。同时，环 上取代基的定位规律也完全不同于亲电取代反应。供电 子基团使芳环电于密度增加对亲核取代不利，若在剧烈 条件下发生反应，亲核基团进入其间位，即供电子基团 是亲核取代反应的间位定位基。同样，吸电子基团则为 邻对位定位基。 从合成的角度看，芳香重氮盐的反应是最重要的亲 核性取代反应。 在酸性水溶液中，芳伯胺与亚硝酸作用得到芳香重 氮离子，它可被氢、烃基、烷氧基、卤素、氰基、硝基 、叠氮基等一系列基团所置换，因此，芳香重氮盐是合 成其它芳香化合物最有用的中间体之一。 芳香重氮盐在合成中广泛应用的原因，在于N2是一 个很好的离去基因。在次磷酸、乙醇等试剂作用下，重 氮基可被氢置换，该过程称为去氨基反应。该反应奠定 了利用氨基作导向基团的基础。利用这一方法可将一些 按常规难以引入芳环的基团，引入芳环的指定的位置。 重氮盐水解生成酚，例如： 重氮盐在卤化亚铜催化下，能被卤原于、氰离子等 置换，该反应称为桑德迈尔(Sandmeyer)反应。催化剂的 作用是促进重氮盐分解。当卤素为碘时，可不加催化剂 。该方法与芳烃直接卤代相比不仅可制备直接卤代难以 生成的氟苯和碘苯，而且具有生成产物结构单一，卤原 子定向地引入原氨基所在位置等优点，因此是另一种有 价值的芳烃卤代方法。一些反应例子如下： 重氮盐与四氟硼酸盐BF4-)的作用物，经热解而成 氟代芳烃的反应称为希曼(schiemann)反应。六氟磷酸盐 (HPF6)也具有类似作用。 桑德迈尔反应产率好，应用范围广，其主要局限是 亚铜盐负离子须与取代基一致，而且反应需在较高温度 下进行。用新鲜的刚还原的钢粉代替亚铜盐，可使反应 在较低温度下发生，而且可避免制备相应亚铜盐催化剂 的麻烦；缺点是反应产率比亚铜盐催化为低。该反应亦 称加特曼反应。 在合成上，除了在芳环上引入亲电取代不能引入的 亲核取代基外，芳香重氮盐的取代还常用于合成一些具 有特殊位置关系的多取代芳烃。例如： 当芳环上有强吸电子基团时，可以直接进行亲核取 代。反应按加成消除机理进行。负离子首先同芳环加 成生成迈森海默(Meisenheime r)络合物中间体，然后从 后者上消除离去基因而完成反应： 除卤素外，被“活化“的CN 、N02、RO等基团也可被 亲核基团取代。值得注意的是，离去基团的活性与饱和 碳上的亲核取代不同，因为离去基团消除一步不是决定 速度步骤。离去基团的活性与其吸电性有关，吸电性愈 强，对负离子稳定性的贡献愈大，就愈易被除去。芳环 上卤素被取代的先后次序为：FC1BrI，这同SN2 反应恰好相反。 不难发现，芳香化合物的合成关键在于在环的指定 位置引入所需的取代基。其中最重要的是基团引入的顺 序和方式。能用亲电取代引入的基因最好不要经重氮盐 来引入，因为后者较麻烦。在反应时，除可直接利用环 上原有基团的定位效应来控制基团进入的位置外，还可 引入氨基、磺酸基、硝基作阻塞基和导向基，以实现合 成目标。如果需要进行官能团转换，则应掌握转变的时 机和条件。例如，由甲苯制取硝基苯甲酸，反应顺序不 同，产物也不一样。 多环芳烃如萘、蒽、菲等的取代反应原则上同苯系 单环衍生物一致，不过反应的位置选择性更为突出。萘 比苯活泼，位的活性比位高，在通常情况下，取代 基总是优先进人位，只是在高温条件下，在一些可逆 反应(如磺化)中，取代基才主要进入位。蒽和菲比苯更 活泼，其取代反应一般发生在9，10位。下面是一些多环 芳烃，其箭头所指位置为通常取代基优先进人的位置。 第二节、还原反应 有机分子的脱氧、加氢或获得电于的过程，称为还 原反应。该反应是有机合成中最普通的反应类型之一， 在官能团的转换方面有着极其广泛的用途。根据还原剂 种类和还原过程的不同，还原反应可分为催化氢化法和 化学还原剂法两类。而化学还原剂又可分为金属氢化物 还原剂溶解金属还原剂、醇铝还原剂以及其它类型还 原剂等。不同的还原剂具有不同的还原活性和选锌性。 一、烯和炔的还原 1、催化氢化法 在过渡金属（PtNiRh、Ru、Pd）或其化合物 催化下，不饱和化合物加氢还原成饱和化合物的反应称 为催化加氢。有机分子中的碳杂原子键发生破裂，生 成新的碳氢键，这种反应叫做氢解。 上述两种反应都 可称为催化氢化反应。催化氢化的应用范围很广，从双 键到叁键，从芳环到杂环，都可被还原成饱和结构，许 多官能团也可被还原。催化氢化法具有操作简便、反应 快速、产物纯、产率高等特点，而且在一定条件下，可 以优先选择对催化氢化活性高的基团。不同基团被催化 氢化的大致难易次序为： 叁键比双键容易被氢化。故当叁键与双键共存时以 喹啉部分毒化的钯作催化剂，可将叁键还原成双键，得 二烯类产物。叁键比双键容易氢化的原因，可能是叁键 较双键易被催化剂表面吸附之故。 碳碳双键催化氢化的活性比羰基高，因此当双键 与羰基共存时，有可能选择性地还原双键而保留羰基： 催化氢化的机理目前还不完全清楚，比较一致的看 法是，氢气和不饱和键首先被催化剂表面吸附，被吸附 的键发生松弛，然后发生氢原子从催化剂表面向不饱和 键酌转移，被还原分子脱吸附而完成反应。 从反应过程看，催化剂不仅起反应场所的作用，而 且还起活化反应物的“加工厂”或“中继站” 作用。这一过 程还告诉我们，催化加氢是发生在重键空间阻碍较小的 一面的顺式加成反应。利用氢化的立体专一性可将不饱 和化合物还原成一定构型的产物 炔烃用PdC或二异丁基氢化铝作催化剂进行氢化 可得顺式烯烃；而用NaNH3作还原剂进行还原时， 则得反式烯烃。这种立体化学差异性，提供了合成不 同立体异构体产物的根据。 除立体化学的差异外，两种还原的位置选择性也 不相同。例如多炔烃用PdC进行催化加氢时，位阻小 的末端叁键优先反应，而用NaNH3法还原；则位阻 大的链中叁键优先被还原。 虽然烯键催化加氢比羰基容易，但若采用亚铬酸铜 作催化剂时，则可选择性地将羰基还原成醇羟基，而烯 键不受影晚这同PdC催化时的结果恰好相反，从而提 供了一种双键存在时选择还原羰基的方法。 2、二亚胺还原法 二亚胺是一种有效的氢化剂，它能与 CC、C C、一NN一等不饱和键起氢化反应，对于CO、 CN一、一CN、NO2、一NO、 SO、S S 等基团，则不起作用。 二亚胺氢化反应的机理可能是二亚胺对双键的顺 式加成，并经六元环状过渡态而实现： 实验结果表明，反式烯烃比顺式烯烃容易氢化，位 阻小的烯烃比位阻大的烯烃容易氢化。 二亚胺很不稳定，一经生成需立即进行氢化否则 即分解成氮和氢，因此，二亚胺总是在被还原物存在下 进行制备。水合肼用铜盐氧化，偶氮二羧酸钾分解或磺 酰肼在碱性条件下热分解等方法可制备二亚胺。 3硼氢化 乙硼烷及其类似物与碳碳重链加成所得的有机硼 化合物，同有机酸发生溶剂解反应生成饱和烃，该反应 称为硼氢化。炔烃硼氢化的产物为顺式烯烃。 当分子中同时存在叁键和双键时，双键优先反应。 若同时存在多个双键时，位阻小的双键，使用位阻大的 硼烷如(CH 3)2CHCH(CH3) -2BH等，可以选择性地 还原较少取代的双键： 二、 卤代院和醇的还原 醇很难直接还原成烃。需要将醇还原为烃时，一般 采用将醇脱水成烯后，再催化氢化或将醇转变成卤代烃 后再还原的间接方法。 卤代烷或其它碳杂化合物在催化氢化条件下，可 发生碳杂键断裂，杂原子被氢原子取代。苄卤、烯丙 卤等分干中比较活泼的卤原于很容易进行脱卤氢解。酰 氯氢解还原成醛，而不继续还原为醇，这一反应称为罗 森曼德(Rosenmund)还原，常用控制剂为喹啉硫。 除脱卤氢解外，常见的氢解反应还有脱苄氢解、脱 硫氢解以及开环氢解等。脱苄和脱硫氢解多用于脱去相 应的苄基、含硫基等合成保护基团。开环氢解一般指脂 族三、四、五元环系化合物的开环加氢。 将卤代烃还原成烃还可采用化学还原剂法，三烷基 氢化锡是近年发现的一种较好的试剂。当分子中同时存 在氯和溴时，该试剂可选择性地还原溴而保留氯。 酚在ZnCl2催化下与氨作用，羟基可被氨基取代。 后者可经去氨基反应而脱去，从而提供了一种还原酚成 芳烃的间接方法。 三、醛和酮的还原 醛或酮的羰基在不同条件下，可被还原成亚甲基和 羟基。 1还原成亚甲基 在酸性条件下，锌和盐酸能完成羰基至亚甲基的还 原。该反应称为克莱门森(C1emmensen) 还原法。反应 中羰基氧以水的形式从中间体上脱去，一种可能的机理 为： 一般将锌作成汞齐后使用。分子中同时有羰基、 酯基存在时可不受影响。本方法还原非共轭羰基效果较 差，而对芳羰基特别有效，故常用于芳酮还原以制备难 于用傅克反应制得的直链烃基苯。例如： 克莱门森法需在浓盐酸中进行，当分子中有对酸敏 感的基团时，该方法难以适用。沃尔夫凯希涅(wolff Kishner)发展了一种碱性条件下还原羰基为亚甲基的 方法，将醛、扇与肼作用，然后在高温和强碱条件下分 解 所得的腙，可得还原产物，据认为反应经烃基二亚胺中 间体而实现： 沃尔夫凯希涅方法需要在高压下进行。我国化学 家黄呜龙发展了一种常压还原法。将反应改在高沸点溶 剂(如二甘醇)中进行，并在Na0H存在下回流(190 200)1h，同时分出水，继续加热至氮气全部逸出，羰 基即被还原为亚甲基。以后又发现用叔丁醇钾作碱，还 原不仅可在常压下，还可在室温下完成： 当分子中同时存在对酸和碱都敏感的基团时，可将 醛、酮转变为l，3二噻烷后进行氢解还原。该方法称 为莫律戈(Mozingo)反应。 除上述方法外，还可将碳基转变成对甲苯碳酸肪民 用LiAlH4或NaBH4还原为亚甲基 2还原成醇 羰基化合物能用多种方法还原成醇。利用碱金属的 乙醇或丙醇溶液为还原剂的溶解金属法，在合成工作中 曾一度占过很重要的地位，现在已很少应用。反应机理 涉及金属电子向羰基的转移，可分为两步： 在上述反应中，当形成的单电了中间体相互偶联的 速度大于同电子结合成醇钠的速度时，酮被还原成邻二 醇。该反应称为频哪醇偶联(pinacol coupling)： 将羰基还原为醇最常用的方法是利用负氢离子还原 剂。 常用的有LiAlH4 、NaBH4及其取代衍生物，它们 可由碱金属氢化物与氢化铝或硼烷复合而成。反应中， 包括负氢离子从金属原子向羰基碳的转移： 负氢离子还原剂在羰基与碳碳双键共存时，可选 择性地还原羰基，双键不受影响，例如： 氢化铝锂的活性很高，醛、酮、羧酸、酯甚至酰胺 均可被还原，而活性低的NaBH4则只能选择性地还原羰 基活性较高的醛、酮。负氢离子还原剂选择性的另一个 重要方面是其立体选择性。以环己酮为例，有位阻的负 氢离子试剂主要得羟基在直立键上的产物。这可能是位 阻大的试剂从位阻小的侧面攻击较为有利的缘故。所谓 “空间靠近控制” 就是指这一行为： 位阻小的负氢离子还原剂如NaBH4、LiBH4等还原 环己酮的主要产物为羟基在平伏键的醇。人们对这一结 果的认识还不统一，这可能与过渡态的生成有关。 负氢离于还原反应的立体化学过程，如同羰基的其 它亲核加成反应一样，受分子中不对称因素的影响。具 有手性中心的酮被还原时，产物不发生消旋化。这 可能是试剂从碳的体积最大的取代基L的背面进攻最 为有利之故。在所形成的过渡态中，羰基氧原子靠近体 积居中的取代基M，羰基另一端的R基则靠近体积最小 的取代基S。 如果分子中同时存在醛基和酮基，利用位阻的四丁 氨基氰基甲硼烷作还原剂，可选择性地还原醛基而保留 酮基： 环氧乙烷可视为一种特殊的羰基，它可被LiAiH4等 还原成醇。反应发生在位阻小的碳上： 利用异丙醇铝还原醛、酮为醇的反应称为梅尔魏因 庞多夫维尔莱(Mee rweinPonndorfverley)还原 ，反应经六元环状过渡态而实现，异丙基上的氢以负离 子 形式转移到羰基碳上而完成反应： 四、 羧酸及其衍生物的还原 氢化铝锂是将羧酸及其衍生物还原成醇(酰胺例外， 还原产物为胺)的最有效的试剂。不同基团被氢化铝锂还 原的活性次序大致为： 尽管活性有些差异，但LiAiH4的选择性很低。选择 性还原中最难的是把羧酸衍生物还原成醛。一般采取增 大试剂的位阻以减小其活性酌方法。例如三叔丁氧铝试 剂可将酰氯、酯还原为醛： 其它还原羧酸及其衍生物为醛的反应如下： 用氯化氢饱和的无水SnCl2醚溶液作还原剂，将腈 还原成醛的方法，称为期蒂芬（Stephen) 还原。 羧酸及其衍生物用LiAlH4还原为醇的反应涉及负氢 离子的转移和消除步骤。例如： 第三节、氧化反应 有机分子的加氧或脱氢过程称为氧化反应。在官能 团的转换中，通过氧化反应可得较高氧化态的有机化合 物。因此氧化反应同还原反应一样是有机合成研究和工 业生产中最常用、最重要的反应类型之一。 氧化反应是通过氧化剂来实现的。最常用的是6价 铬和7价锰的含氧衍生物。它们氧化能力强但选择性较 差，是通用氧化剂，有些氧化剂如SeO2、Pb(OAc)等 只能有选择地氧化某些基团，是专用氧化剂。 氧化反应的机理复杂多样，许多迄今仍不很清楚， 因此，氧化反应难以按机理进行分类讨论，这一节仍按 官能团的类型进行介绍。 一般氧化剂可分成三类：过渡金属衍生物、氧、臭 氧及过氧化物以及其它氧化剂。它们通常为亲电试剂。 反应中氧化剂从被氧化物中夺取电子而还原。氧化反应 的选择性同氧化剂种类、反应条件有关。 一、非官能团碳原子的氧化 烷烃很难氧化。在剧烈条件下，铬酸、高锰酸钾等 强氧化剂能将烷烃氧化成酮和羧酸的混合产物，其中伯 、仲、叙碳被氧化的相对速率大致是1：100：1000。虽 然烷烃的氧化不是一个好的合成转化，但在工业制备上 仍有一定意义，例如，来源丰富的石蜡等高级烷烃，在 KMnO4、MnO2等催化下，用空气或氧气氧化可制得高 级脂肪酸。 其中C12C18的脂肪酸可代替动植物油作肥皂，这样可 节省大量食用油。低级烷烃，如C4、C5的烷烃在催化剂 存在下控制氧化可制乙酸、丙酮等基本化工原料。 烷烃的叔碳氢键能被铬酸或KMnO4氧化成醇： 烯丙位的CH键也能加氧生成醇或酮。常用的选 择性氧化剂为二氧化硒(SeO2)。 利用六价Cr化合物作氧化剂亦得烯丙醇产物。应注 意，当分子中有多个烯丙位存在时总是位阻小的优先反 应。 羰基的-CH键在一定条件下，可被氧化成羟基 或羰基。例如： 二、碳碳重键的氧化 烯烃双键可被过酸氧化为环氧化物。由于环氧化物 是许多反应的合成中间体，故烯烃的环氧化应用十分广 泛。反应被认为是按协同方式进行的，双键上连有供电 子基团时，可促进反应的进行。 该反应具有较高的立体选择性，氧优先从分子位阻 较小的一面进攻： 环氧乙烷衍生物经酸水解生成二醇，由环己烯生成 的环氧化物开环得直立式反二醇： 用负氢离子还原剂还原得醇： 无论环内、环外双键利用KMnO4或OsO4为氧化剂 ，仔细控制条件，可在温和的条件下高产率地转化为顺 式二醇： 三、 醇的氧化 伯醇在适当的氧化剂作用下，可选择性地氧化为醛 ，而不是氧化态更高的羧酸CrO3Py是常用的试剂。反应 成功的部分原因，可能同反应在无水条件下进行有关， 因为醛转化为酸需要水的协助。 CrO3Py络合物是一种温和的氧化剂，特别适用于 分子中含有对酸敏感或对强氧化剂敏感的基团的情况。 仲醇氧化生成酮，常用Na2Cr2O7-H2S04溶液或MnO 2 、CrO3Py、H2CrO4-HOAc等为氧化剂。 叔醇难于氧化，在剧烈条件下发生氧化裂解。用无 水CrO3时可较温和地将环叔醇裂解为酮酸： 四、 醛和酮的氧化重排反应 醛极易氧化成酸，酮在般氧化条件下则比较稳定 ，在特殊反应条件下，醛和酮能发生氧化重排反应。例 如，环丁酮在Ti(NO3)3作用下，可氧化重排成环丙甲酸 ： 再如贝耶尔韦林格(BaeyerVillger）反应 第四节、消除反应 从有机分子中脱去两个原子或基团的反应称为消除 反应。根据脱除基团的相对位置，消除反应可分为如下 类型： (1)消除(1，1消除) ： (2)消除(1，2消除) ： (3)消除(1，3消除)： (4)消除(1，4消除)： (5)其它消除： 合成上最重要的是消除反应。它是形成碳碳不 饱和键的经典方法。其主要副反应是SN和重排反应。增 大碳上的位阻，提高试剂的碱性和H的酸性，均 有可能提高消除的产率。 当作用物含有不同H时消除的定向取决于反应按 热力学因素或动力学因素控制。在热力学控制条件下， 按查依采夫(Saytzeff)规则取向，生成双键上取代较多的 烯烃；而在动力学控制下，则按霍夫曼(Hofmana)规则 取向，生成取代较少的烯烃。 一、 脱氢反应 在消除中，如果脱下的原子同为氢时，叫做脱氢 反应。脱氢是加氢的逆过程，大部分加氢催化剂亦能有 效地促进脱氢反应。这类反应在实验室中很少用，但在 石油化工生产中，是制备烯、炔的重要方法。乙烯丙 烯、乙炔、丁二烯等基本化工原料都是石油的裂解脱氢 产物。 脱氢可在溴硫、硒等脱氢试剂作用下进行。脱氢 试剂不同于催化脱氢的是，它将直接参与反应。一些反 应实例如下： 二、 离子型 消除反应 形成碳碳不饱和键最般的方法是卤代烃脱卤化氢 和醇脱水等离子型消除反应。醇脱水需加酸催化， H+先同OH络合成OH2+再脱水为碳正离子，经El机理脱 质子成烯。由于碳正离于重排经常发生，在很多情况下 ，产物结构同预期的不合。 醇在A1203催化下的高温脱水反应，由于不经过碳 正离子步骤，可避免生成重排产物，例如： 卤化物脱卤化氢一般在碱催化下进行。KOH NaNH2 、 PhLi是常用的碱。叔卤代烷通常按E1机理进 行，常发生骨架重排或双键移位，用位阻大的强碱作试 剂，可使反应主要按E2机理进行。位阻大，难于进攻中 心碳，相应就容易进攻H，碱性强，则有助于脱 H，这些因素均有利于E2反应。 E2消除的优势构象是H与离去基居于反位的构象 ，这时基团之间非键作用力最小，过渡态较易形成。 一个典型的例子是氯代反丁烯二酸脱HCl成炔酸的 速度大约为顺式的5倍。 三、 热消除反应 羧酸酯、黄原酸酯以及氧化胺等化合物在高温下分 解成烯的反应称为热消除反应。这类反应的一个重要特 点是，反应通过环状过渡态而实现。反应中不需要任何 酸碱催化。反应的环状过渡态要求消除符合同面顺式的 立体化学待征，这是决定产物结构的重要因素。 黄原酸酯的热解反应又叫楚加耶夫(chugaev)反应。 黄原酸酯可由醇的碱金属盐同CS2作用而制得，该 反应所需温度不太高，在合成上常用于那些直接脱水伴 有重排发生的醇的烯化。当分子中有对酸敏感部位时， 可不受影响。 羧酸酯热解需要在500左右的高温下进行，高温 易导致碳化，但这个方法副产物少，产率较高，因此仍 为重要的合成方法。在合成中一般都用乙酸的酯作原料 。 氧化胺的热解又称科普(Cope)反应。这个反应所需 温度比前两种方法都低，而且产物不发生重排，产率也 高，是多种烯的重要制备方法。 第五节、加成反应 具有不饱和键的化合物，可以同一分子试剂加合， 形成饱和的或不饱和度降低的新化合物，这类反应称为 加成反应。烯键、炔键、羰基、氰基是典型的不饱和键 ，在一定条件下都可进行加成反应。利用这些反应，可 以制备多种有机化合物。因此，加成反应也是一种重要 的合成反应。本节将重点讨论烯烃的亲电加成和羰基的 亲核加成反应。 一 碳碳重键的加成反应 碳碳重键是由键和键组成的。 电子富于流动 性碳碳重键被电子云所遮蔽，表现出亲核倾向，容 易接受亲电试剂进攻，即发生亲电加成反应。 亲电加成按分步机理进行.首先是亲电试剂被重键的 电于所吸引，形成一种不稳定的络合物，后者迅速异 构为络合物并同负离子结合而完成反应。 如果亲电试剂为质子，反应则经碳正离子中间体 而实现： 亲电加成大多是在溶液中进行的。当溶液中还有其 它负离子时，发现有混杂加成产物出现这一结果令人信 服地证明了上述机理的正确性。 加成的立体化学与反应机理、烯烃结构、溶剂以及加成的立体化学与反应机理、烯烃结构、溶剂以及 温度等因素有关。当碳温度等因素有关。当碳碳双键上不含芳基时，烯烃与碳双键上不含芳基时，烯烃与 卤素，卤化氢加成主要生成反式产物，若双键碳上连有卤素，卤化氢加成主要生成反式产物，若双键碳上连有 芳基时，顺式产物的比例增加。例如反丁烯二酸与氯芳基时，顺式产物的比例增加。例如反丁烯二酸与氯 加成后得内消旋2，3二氯丁二酸，就是反式加成的结果 当不对称烯烃同不对称的试剂加成时，亲电试剂加 到含氢多的双键碳上，这一规则称为马尔科夫尼科夫 (Markovnikov)规则。这可能是双键极化方向以及络合 物稳定性等因素共同作用的结果。 在有机合成中，利用碳碳重键的亲电加成反应， 可在不饱和碳上直接引入卤素、羟基以及一些含S、N的 官能团，其应用十分广泛。有关反应，基础有机化学已 进行过比较详细的讨论。这不再重复。 二、 羰基化合物的亲核加成反应 醛、酮、羧酸及其衍生物以及二氧化碳等均属典型 的羰基化合物。它们结构上的共同特征是含有活性的官 能团羰基。在合成上，利用羰基的活性，可以进行多种 目的的合成。因此，羰基化合物是合成中经常应用的起 始原料或中间体。 碳基化合物最特征的反应是亲核加成反应，这是羰 基极化的必然结果。在羰基中，由于极化，羰基碳带部 分正电荷，羰基氧带部分负电荷。由于氧具有较大的容 纳负电荷的能力，羰基氧较羰基碳稳定，故羰基碳是决 定羰基反应性能的中心，亲核试剂进攻羰基碳的反应是 羰基化合物的特征反应。反应过程可表示为： 式中Nu- 表示亲核试剂，它同羰基碳的加成一步是决定 速度步骤。试剂的亲核性愈强，羰基碳缺电程度愈高 ，位阻愈小，亲核加成愈易进行。不同羰基化合物的 活性按以下顺序降低： 羰基化合物的亲核加成反应可被酸或碱所催化。酸 催化在于羰基氧原子的质子化，因为质子化的羰基碳缺 电程度增加，从而更有利于亲核试剂的进攻。 碱作催化剂主要是将中性试剂转变为负离了，从而 提高亲核试剂的浓度和活性。例如，酮直接同HCN加成 的速度很小，34h内仅有12原料起反应，若加入催 化量的碱，使HCN转变成CN-，则反应可在数分钟内迅 速完成。若加酸，数天也不反应 1与含氧或含硫亲核试剂的加成 水、醇是最普通的含氧亲核试剂。醛酮与水作用 生成偕二醇。由于水的亲核性很弱，因比除极少数高活 性的羰基化合物可形成较稳定的水合物外，其余的水合 物很不稳定一经生成立即分解成原来的羰基化合物和水 。羰基活性愈高，水合物比例愈大。例如，甲醛几乎能 定量地形成水合物，乙醛水溶液中水合物占58%，丙酮 水合物的比例接近于零。 羰基化合物与醇加成得半缩醛或半缩酮，后者能进 一步同醇发生脱水反应，生成缩醛或缩酮。它们对碱、 氧化剂、还原剂以及有机金属试剂十分稳定，合成上常 利用这一特性保护碳基。 H2S、RSH是水和醇的硫类似物。由于S的亲核性大 于O，故硫亲核试剂同羰基的加成比氧亲核试剂容易。 醛与1，3丙二硫醇生成的环状缩醛叫I，3二噻烷。 在二噻烷分子中，原醛基质子同时受两个S原子吸电效 应的影响，具有一定酸性，能被强碱如RLi转变成碳负 离了。通过这一过程，亲电的羰基碳转变成亲核中心， 从而能在原醛羰基碳上进行烃化或其它亲电反应，在负 碳上引入亲电基团E+，然后经氢解脱硫，生成新的碳基 化合物 合成上称这种极为有用的策略为“极性反转” 。这将在第 五章作进一步讨论。 亚硫酸氢钠是一种较弱的亲核试剂，它可同醛和位 阻小的甲基酮生成一种不溶于饱和NaHSO3溶液的晶体 。合成上利用这一性质，可以分离纯化醛和位阻小的酮 。 2与氮亲核试剂加成 醛和酮能与氨、胺、羟氨、肼及氨基脲加成，加成 物在反应条件下容易失去一分子水，形成亚胺型产物。这 一过程可用一般式表示为： 在合成上，利用N亲核试剂同羰基的加成，不仅可 以进行醛、酮的分离纯化和分析，而且广泛用于含氮 化合物，特别是含N杂环的合成。例如，利用甲醛与氨 作用，可得一种具有多种用途的六亚甲基四胺的杂环化 合物。 二羰基化合物与肼作用，得吡唑衍生物： 其它含氮杂环大多能由羰基化合物与氨的作用进行 制备，有关反应在上一章已讨论过。 3与碳亲核试剂加成 HCN是最普通的碳亲核试剂，它与醛、酮加成， 可得一种双官能团化合物氰醇 在合成上，利用该反应可使分子的碳原子数增加一 个单元，而且可得双官能团产物。后者水解生成羟 基酸、再脱水生成、不饱和酸，将羟基取代可得 取代的羧酸。因此氰醇是许多合成反应的有用中间体 。 氰化氢容易挥发，而且具有剧毒，使用时要特别加 强防护。一般采用醛或酮与NaCN或KCN的水溶液混合 再加无机酸的方法进行反应，以制备氰醇。 醛、酮与NaCNNH 4Cl一起反应，可得氨基腈产 物，后者水解，生成氨甚酸。 不具有氢的醛可与腈直接加成，产物为酰胺缩醛。 甲醛、芳醛是常用于这一反应的醛，反应过程类似缩醛 的形成。 烯烃的双键是亲核的，在一定条件下，可与羰基加成。 例如，在无机酸催化下，甲醛和烯烃可发生加成，加成 产物能进一步和甲醛反应生成环状缩醛，该反应称为普 林斯反应。此外，加成产物还可脱质子成为、不 饱和醇，或同水发生SN反应生成1，3二醇。反应过程 为： 其它活泼的醛或酮类在加热或用Na、SnCl2等催化 ，亦能发生此反应。