第九章 醛和酮 亲核加成反应0831.ppt

第九章醛和酮亲核加成反应 河北医科大学药学院药物化学教研室20110831 1014 2 醛 aldehyde 酮 Ketone 醛和酮 醛酮的类型 结构和命名 羰基carbonyl 醛 酮的分类 脂肪族醛 酮 芳香族醛 酮 不饱和醛 酮 3 醛酮的结构 4 普通命名 醛酮的命名 5 酮的命名与醚有些相似 按羰基相连的两个烃基的名称来命名 按顺序规则 简单的在前 复杂的在后 然后加 甲酮 酮的羰基与苯环连接时 则称为某酰基苯 6 系统命名法 选择含有羰基的最长碳链作主链 编号时给羰基以最小编号 把表示羰基位次的数字写在名称之前 并在母体醛或酮前表明支链或取代基的位次及名称 亦可用 表明支链或取代基的位次 7 8 环酮的羰基碳在环内称环某酮 羰基在环外 则将环作为取代基 9 含多官能团醛 酮的命名 母体的选择参见第八章第一节和第十二章第一节 10 多元醛 酮的命名规则与多元醇相似 3 氧代 正 戊醛 5 5 二甲基 1 3 环己二酮 5 5 dimethylcyclohexane 1 3 dione 3 oxopentanal 11 二 物理性质 醛 酮分子中酮基上的氧原子可以作为氢的受体与水形成氢键 甲醛易溶与水 乙醛溶解度16克 丙醛7克 丁醛微溶 丙酮混溶 丁酮26克 2 戊酮6 3克 醛 酮的分子间不能形成氢键 因此熔 沸点比相应的醇低得多 12 醛 酮的性质 化学反应 性质分析 羰基氧有弱碱性可与酸结合 羰基碳有亲电性可与亲核试剂结合 碳有吸电子基 氢有弱酸性 碳与氧相连氢易被氧化 烯醇负离子 氢与碱的反应 13 电性因素 烷基是给电子基 与羰基相连后 将降低羰基碳原子上的正电性 因而不利于亲核加成反应 立体因素 当烷基与羰基碳相连后 不仅降低了羰基碳原子的正电性 同时也增大了空间位阻 也不利于亲核加成反应的进行 脂肪族醛 酮亲核加成反应活性次序 一 醛酮羰基上的亲核加成反应 14 1 醛酮羰基上的亲核加成反应 1 一些常见的与羰基加成的亲核试剂 负离子型 相应试剂 亲核试剂 分子型 亲核能力 较强 强 不强 15 醛酮与负离子型亲核试剂加成的两种形式 不可逆型 强亲核试剂的加成 可逆型 一般亲核试剂的加成 亲核加成 亲核加成 不可逆 可逆 16 1 1醛酮与与NaCN HCN 的加成 机理 羟基腈 丙酮与氢氰酸反应 3 4小时内只有一半原料起作用 若滴加一滴氢氧化钾溶液 则反应在几分钟之内完成 17 某些醛 酮与HCN反应的平衡常数 醛 酮与HCN反应是可逆的 加碱只能使反应迅速达到平衡 起加速反应的作用 但不能改变反应的平衡常数 醛都能与HCN反应 酮中 只有甲基酮和八个碳以下的环酮能与HCN反应 18 合成上进一步应用 Strecker反应 氨基腈 羟基酸 不饱和酸 氨基酸 19 Strecker反应机理 亚胺正离子 20 1 2与NaHSO3加成 应用 醛 脂肪族甲基酮和八个碳以下环酮的鉴别 分析 纯化 醛 脂肪族甲基酮和八个碳以下环酮 反应可逆 NaHSO3的亲核性 白色结晶物 酸处理 21 应用 加成物与氰化钠作用可转化为 羟基氰 可避免直接使用剧毒的HCN 22 1 3醛酮与金属有机化合物RMgX的加成 1o醇 2o醇 3o醇 23 1 4醛酮与炔化物的加成 进一步应用 炔基醇 cis 烯基醇 trans 烯基醇 羟基酮 不饱和酮 24 醛酮与金属试剂加成的立体化学 Cram规则 Cram规则 羰基氧在S与M之间 试剂从S一边进攻 Small Medium Large 2 5 1 手性碳 位阻大 Cram的解释 主要产物 非对映体 25 1 5醛酮与LiAlH4或NaBH4还原反应 1o醇 2o醇 机理 理论用量 LiAlH4 NaBH4 醛酮 1 4实际用量 过量 26 LiAlH4与NaBH4的比较 例 有两个可被还原基团 只还原酮羰基 两个基团均可被还原 27 LiAlH4和NaBH4还原羰基的立体选择性 位阻较小 位阻较大 位阻较大 位阻较小 28 总结 醛酮与负离子型亲核试剂的加成 29 分子型亲核试剂的特点及与醛酮的加成 特点分析 有活泼H亲核性不强 亲核能力不强 羰基亲电性较弱 可逆 2 醛酮羰基上的亲核加成反应 2 水 醇 胺 结论 分子型亲核试剂难直接与羰基加成 预测 直接与羰基加成 较易离去 30 羰基氧的碱性 与H 或Lewis酸的作用 碳上正电荷少亲电性较弱 碳上正电荷增加亲电性加强 例 R OH为弱亲核试剂 缩醛 31 羰基亲电性增强 易加成 不稳定 可进一步转变 偕二醇 半缩醛 酮 羟基胺 酸性条件有助分子型亲核试剂向羰基的加成 32 2 1醛酮与H2O加成 偕二醇 例 不能分离含量与羰基亲电性有关 给电子基位阻 33 一些稳定的偕二醇 水合羰基化合物 水合三氯乙醛 水合醛的脱水 吸电子基 吸电子基 34 形成水合物后使张力下降SP2 1200SP3 1090 茚三酮不稳定 分子中三个带正电荷的碳原子之间 正电荷相互排斥 分子位能高 中间的羰基形成水合物后 电荷间斥力减小 且能形成分子内氢键 35 缩醛 酮 半缩醛 酮 2 2醛酮与醇的加成 缩醛 酮 的形成 不断除去 例1 生成缩醛 酮 环状缩醛 酮 较易生成 一般不稳定 碱性和中性中稳定 36 例2 环状半缩醛 酮 环状半缩醛酮 吡喃葡萄糖 99 银镜反应 环状半缩醛 酮 较稳定 易生成环状半缩醛仍有醛的特性 37 缩醛 酮 的形成机理 半缩醛 酮 缩醛 酮 提示 逆向为缩醛 酮 的水解机理 亲电性增强 38 缩醛 酮 在合成上的应用 i 用于保护羰基 例1 分析 分子内羰基将参与反应 应先保护 39 合成 醚键 碱性条件下稳定 缩酮水解 除去保护 40 例2 副反应 保护羰基 避免副反应发生 消除反应 Favorski重排 41 Favorski重排机理 42 ii 用于保护邻二醇 例 合成多元醇单酯 保护邻二醇 直接酯化难控制酯化位置酯化数量 去保护 43 缩硫酮的制备及应用 应用 保护羰基 缩硫酮较易制备 但较难除去 应用受到限制 还原成亚甲基 缩硫酮 44 除去方法 共沸或用干燥剂 2 3醛酮与胺类化合物的缩合 i 与伯胺的缩合 例 醛较活泼 易反应 亚胺 imine Schiff碱 45 与伯胺缩合成亚胺的机理 酸催化 使羰基亲电性增强 46 ii 与氨衍生物的缩合 羟胺 氨基脲 肟 oxime 缩氨脲 用于分析 腙类 hydrazone 2 4 二硝基苯腙 黄色固体 用于分析 2 4 二硝基苯肼 取代肼 hydrazine 47 iii 与仲胺的缩合 例 醛较活泼 可用碱催化 位有氢 烯胺 enamine 用共沸或用干燥剂除去 48 与仲胺缩合成烯胺的机理 酸催化 49 醛酮羰基 位H的弱酸性和烯醇负离子 较稳定的共振式 烯醇负离子 enolate 碳负离子 烯醇 enol 二 醛酮羰基 位活泼氢的反应 50 一些典型的C H的酸性比较 pKa 化合物 pKa 化合物 51 一些羰基 位H酸性的比较 双羰基化合物 双活化 氢酸性相对较强 pKa 化合物 52 手性醛酮的消旋化 碱性条件 消旋机理 从平面上方成键 从平面下方成键 53 酸性条件下手性醛酮的消旋化 酸性消旋机理 经烯醇式 烯醇式 54 酸催化卤代 机理 烯醇式机理 1 卤代反应 卤仿反应 甲基酮的特殊氧化 55 酸催化醛酮卤代的反应活性次序 碳上连有烷基有利于酸催化下的卤代烯醇的生成是反应速度决定步骤当引入一个卤原子后 由于卤原子的吸电子效应 使羰基氧原子上电子云密度降低 再质子化形成烯醇比未卤代前困难一些 因此 通过控制反应条件 酸催化下的卤代反应可停留在一卤代阶段 56 碱催化卤代 机理 烯醇负离子机理 碱催化醛酮卤代的活性次序 57 应用 有机分析 鉴定甲基酮 乙醛 碘仿试验 有机合成 通过甲基酮合成少一碳的羧酸 卤仿 卤仿反应 58 卤仿反应机理 碱催化卤代 H有弱酸性 烯醇负离子 亲核加成 消除 59 酸催化醛酮卤代的反应活性次序 碱催化醛酮卤代的活性次序 对比 60 2 羟醛缩合反应 Aldol缩合 醇醛缩合 例 醛或酮 羟基醛 酮 不饱和醛 酮 醇 alcohol 醛 aldehyde aldolcondensation 羟醛缩合 醇醛缩合 61 反应可逆 一些酮的反应不易脱水 需用辅助方法脱水 2 1醛酮的自身羟醛缩合 同种醛酮之间的缩合 醛或对称酮 强碱有利于脱水成不饱和醛酮 Aldol缩合所用碱浓度相对较稀 62 例 醛酮的自身羟醛缩合 63 Soxhlet提取器 例 丙酮的缩合 不能直接脱水 bp 56oC bp 164oC 二丙酮醇 异丙叉丙酮 丙酮 64 羟醛缩合机理 65 羟醛缩合产物的分解机理 羟醛缩合的逆反应 66 2 2交叉羟醛缩合 两种不同醛酮之间的羟醛缩合 无选择性的交叉羟醛缩合一般意义不大 多种产物 自身缩合产物 or 67 一些有意义的交叉羟醛缩合反应 醛 无 氢 醛酮 有 氢 查尔酮 Chalcone 主要产物 动力学控制 68 2 3分子内羟醛缩合 不能消除H2O 不易生成的产物 69 2 4酸催化下的羟醛缩合反应 例 70 酸催化下的羟醛缩合机理 酸性条件下 羟醛化合物更易脱水 相对于碱性脱氢氧根 酸性条件下以碱性更弱的水脱去 容易些 生成相应的 不饱和醛 酮 71 3 Mannich反应 胺甲基化反应 有活泼氢的酮 甲醛或其它醛 仲胺或伯胺 氨基酮衍生物 Mannich碱 Mannich反应机理 酮的烯醇化 i 72 ii 醛与胺生成亚胺正离子 iii 烯醇与亚胺正离子结合 73 Mannich反应举例 1 2 74 3 伯胺 有两个反应部位 75 Mannich反应在合成上的应用 i 合成 氨基酮衍生物 氨基酮 例 写出合成路线 76 例 Tropinone的合成 托品酮或颠茄酮 1902年Willstatter Tropinone 1912年Mannich反应出现 1917年Robinson用于合成Tropinone 77 ii 通过Mannich碱制备 不饱和酮 Mannich碱 78 例 甲基乙烯基酮的制备 通过Mannich碱产生 甲基乙烯基酮 易聚合 不宜久放 较稳定 79 三 醛 酮的氧化反应 温和氧化剂 Ag NH3 2OH Tollens试剂 银镜反应 CuSO4 酒石酸钾钠NaOH Fehling试剂 应用 醛类化合物的鉴定分析制备羧酸类化合物 优点 不氧化C C 醛的氧化 银镜 红色沉淀 80 强氧化剂 KMnO4 K2CrO7 HNO3等iii O2 空气 醛的自氧化 自由基机理 加入抗氧化剂保存 如 对苯二酚 81 酮的氧化 i 强氧化剂 如 KMnO4 HNO3等 氧化成羧酸 产物复杂 合成应用意义不大 对称环酮的氧化 制备二酸 有合成意义 82 ii 过氧酸氧化 生成酯 Baeyer Villiger反应 常用过氧酸 Baeyer Villiger反应 O 插入 83 Baeyer Villiger氧化机理 O 如何插入C C健 关键 R向缺电子中心的迁移 缺电子中心 84 不对称酮的Baeyer Villiger氧化 不同基团的迁移问题 O 插入取代基多的基团一边 取代基多的基团易迁移 迁移能力 85 四 醛 酮的还原反应 氢化金属还原 第III主族 LiAlH4 NaBH4 B2H6催化氢化还原 H2 加压 Pt orPd orNi 加热Meerwein Ponndorf还原法 i PrO 3Al i PrOH金属还原法 Na Li Mg Zn 羰基的两种主要还原形式 Clemmensen还原Zn Hg HClWolff Kishner还原NH2NH2 Na 200oC黄鸣龙改良法NH2NH2 NaOH HOCH2CH2 2O 86 1 Clemmensen还原醛酮羰基至亚甲基 适用于对酸稳定的体系 合成上的应用举例 Clemmensen还原 Friedel Crafts反应 烷基苯 87 2 Wolff Kishner还原酮羰基至亚甲基 黄鸣龙改良法 Huang Minlonmodification 反应在封管中进行 适用于对碱稳定的体系 88 Wolff Kishner还原机理 了解 89 3 通过缩硫酮间接还原羰基至亚甲基 缩硫酮 90 4 催化氢化还原 加成的立体化学 立体有择反应 主要产物 位阻大 位阻小 催化剂 Ni Pt Pd分子中其他不饱和官能团 双键 三键 硝基 氰基等 都可被还原 还原活性 醛羰基 C C 酮羰基 91 5 氢化金属还原 B2H6还原机理 92 6 Meerwein Ponndorf还原反应 机理 逆反应为Oppenauer氧化反应 六员环过渡态 蒸馏除去 交换 93 7 醛酮被金属还原至醇或二醇 单分子还原 双分子还原 醛或酮 醇 邻二醇 频哪醇 Pinacol 酮 94 单分子还原机理 双分子还原机理 95 8 Cannizzaro反应 歧化反应 例 R 无 H的基团 3oR或芳基 96 Cannizzaro反应机理 关键步骤 负H迁移 与Aldol反应区别 Aldol缩合所用碱浓度相对较稀 而Cannizzaro反应则在浓碱下进行 97 交叉Cannizzaro反应 有合成意义的交叉Cannizzaro反应 甲醛总是被氧化 产物复杂 一般无合成意义 98 甲醛的空间位阻较小 电性因素也有利 优先与碱反应 应用举例 季戊四醇的合成 位阻小 有利 位阻大 不利 季戊四醇 羟醛缩合 Cannizzaro反应 99 思考题 写出下列反应的机理 分子内Cannizzaro反应 负氢迁移 100 五 其他反应 Benzoin缩合反应 安息香缩合反应 机理 羟基酮 101 Wittig反应 邻位两性离子 有亲核性 Wittig试剂 102 Wittig反应 烯烃 三苯氧膦 固体 机理 形成稳定的P O键 Wittig试剂 103 Wittig反应举例 1 2 3 反应有选择性 酯基不受影响 104 Wittig反应在合成中的应用 例 i 制备烯烃 醇脱水 脱水时 可能有异构体生成 Wittig反应 105 合成路线 或 106 ii 通过烯基醚引入醛基 例 易水解 107 醛的聚合反应 108 醇的氧化 R可为不饱和基团 Sarrett试剂 Sarrett试剂 Jones试剂 Oppenauer氧化 一 官能团转化法 四 醛 酮的制备 109 从烯烃制备 例 有合成价值 110 炔烃的水解 末端炔 甲基酮 111 芳烃侧链的控制氧化合成芳香醛 酮 芳香醛 芳香酮 二芳基酮 保护 使不氧化 二乙酸酯 112 通过二卤代物水解合成芳香醛 酮 间接氧化 113 通过酰氯的还原制备醛 Rosenmund反应 114 反应活性比较 还原能力 羰基的亲电性 很快 较快 快 慢 选择性好 选择性差 LiAlH4 LiAlH OBu t 3 115 通过酰氯合成酮 酰基上的亲核取代 比较 R2CuLi和R2Cd活性较低 但选择性好 116 Friedel Crafts酰化反应 Gattermann Koch反应 芳香酮 芳香醛 二 向分子中直接引入羰基 117 酚醛和酚酮的合成 Reimer Tiemann反应 Fries重排反应 118 五 不饱和醛 酮 有羰基 类似醛酮 亲核加成 有双键 类似烯烃 亲电加成 1位O显亲核性2位和4位C显亲电性 结构和性质分析 1 2 加成 1 4 加成 共振式分析 119 一 不饱和醛酮与亲核试剂的亲核加成反应 1 2 加成为主 Nu 强亲核试剂 如RLi 炔基钠 LiAlH4等 例 机理 120 1 4 加成 共轭加成 为主 Nu 较弱的亲核试剂 例 产物为 位取代的饱和酮形式上为3 4 加成 亲核部分总是加在4位 规律 121 与亲核试剂的1 4 加成机理 1 4 加成 1 4 加成 122 其它 1 4 和1 2 加成兼有 如RMgX 底物的结构对加成方式有明显的影响 HMeEti Prt Bu 1 2 加成 1 4 加成 100402900 06071100100 123 试剂的结构对加成方式也有明显的影响 124 二 不饱和醛酮与亲电试剂的亲电加成反应 产物为 位取代的饱和酮形式上为3 4 加成 H总是加在3位 亲电试剂 卤代醛酮 规律 羟基醛酮 烷氧基醛酮 125 不饱和醛酮的亲电加成机理 1 4 加成 共轭加成 机理 产物表现为3 4 加成 实际为1 4 加成 共轭加成 卤素 次卤酸不发生共轭加成 只在双键碳上发生亲电加成 以与HX加成为例 126 三 不饱和醛酮的羟醛缩合 插烯规则 插烯效应 插烯规则 烯醇负离子 共轭烯醇负离子 比较 有弱酸性 127 例 羟醛缩合 共轭二烯醛 128 四 Michael加成 Michael加成 烯醇负离子与 不饱和羰基化合物的共轭加成 Michaelacceptor Michaeldonor 注意产物的结构 机理 Michael加成 1 5 二羰基化合物 129 Michael加成