酸催化缩合与分子重排.ppt

第三章酸催化缩合与分子重排 3 1酸催化缩合反应 缩合一般是指两个或两个以上分子经由失去某一简单分子 如H2O HX ROH NH3 N2等 形成较大的单一分子的反应 酸催化缩合反应是指在无机酸或Lewis酸催化下 芳烃 烯烃 醛 酮和醇等形成正离子并与亲核试剂作用 从而生成C C或C N等键的反应 3 1 1Friedel Crafts反应 Friedel Crafts烷基化反应 芳烃的烷基化可以用卤代烃 烯烃 醇 醚 醛和酮等作烷基化试剂 常用催化剂是无机酸 如硫酸 盐酸等 和Lewis酸 如无水AlCl3 BF3 FeCl3 ZnCl2 SnCl4等 该反应即芳环上的亲电取代反应 特点 形成新的C C键 在芳环上引入烃基并失去小分子 碳正离子重排 芳环被钝化时烷基化反应难于发生 分子内F C烃基化反应可用于芳环稠合 类似于芳烃 烯烃也能发生F C烃基化反应 反应机理可能为 通过烯烃的烷基化 提供了一种制备高辛烷值汽油的一个较便宜的方法 机理 反应首先经过异丁烯二聚 最后一步是碳正离子从叔丁烷夺取负氢离子 Friedel Crafts酰基化反应 利用F C酰基化反应在芳环上引入羰基 芳香酮的合成 用腈或酰胺做酰化剂可在活泼芳环上进行酰化反应 分子内F C酰基化反应也是芳环上的亲电取代反应 一般用于芳环稠合 烯烃的F C酰基化反应是通过酰氯或酸酐在Lewis酸作用下发生的 酰基正离子作为亲电试剂 利用F C酰基化反应在芳环上引入醛基 芳香醛的合成 一氧化碳和氯化氢的等摩尔混合物可由甲酸和氯磺酸作用制得 实质是甲酰氯作为酰化试剂 酚 酚醚或活泼芳环上引入醛基的试剂 HCN HCl TiCl4体系 Zn CN 2体系等 3 1 2醛或酮及其衍生物的反应 1 醛自身缩合 无机酸催化得到羟基醛 进一步脱水得不饱和醛 机理 2 酮自身缩合 机理 3 交叉缩合 含有 H的羰基化合物与一个不含 H的羰基化合物在无机酸催化作用下得到单一且高产率的氧鎓盐 花色素 过程 分别烯醇化和极化 加成 脱水 醛与含有 H的硝基 氰基化合物缩合 得到 不饱和硝基 氰基化合物 X CF3 MeO F Cl X CN CONH2 4 酮与酰卤或酸酐的缩合 用做催化剂 避免水对酰卤或酸酐的水解 乙酰丙酮 3 1 3Mannichreaction 具有烯醇式或潜在烯醇式结构的化合物 如某些炔类化合物 与醛 通常为甲醛 在酸催化下 与第一 二胺反应 生成胺甲基化衍生物的反应 叫做Mannichreaction或曼氏反应 广泛用于有机合成 1 Mannichreaction定义 反应一般在水 乙醇等溶剂中 室温下进行 反应混合物经碱中和得到游离的酮胺 是重要的有机合成中间体 除有活泼氢 H 的醛酮可发生Mannich反应外 如 二元酸 氰基酸 酮酸 萘酚 甲基吡啶 呋喃及吡咯衍生物等也能发生Mannich反应 Mannich反应机理 烯醇 酮胺 产物酮胺的总体结果 酮 甲醛 仲胺共同脱一分子水 2 MannichReaction在合成上的应用 1 制备 不饱和羰基化合物 室温时Mannich碱 酮胺 及其盐酸盐是稳定的 加热消除氯化铵 叔胺加盐酸 得到末端含有双键的 不饱和羰基化合物 原料为酮时 产物催化氢化得到增加一个碳原子的酮 2 曼尼希碱或季铵盐的转换 类烯醇式芳香族化合物得到的Mannich碱是苄基型化合物 易于发生亲核取代反应 进而实现基团转换 吲哚乙酸 乙酰氨基丙二酸酯 色氨酸 3 合成生物碱 丁二醛与甲胺 3 酮基 1 5 二羧酸钙作用经两次Mannich反应可一步合成颠茄酮 托品酮 再经羰基还原 酯化可得到颠茄碱 麻醉药 瞳孔放大药 抗有机磷中毒药 颠茄碱90 颠茄酮 3 1 4烯胺 烯胺的生成 烯胺 enamines 是分子中氨基直接与双键碳原子相连的化合物 烯胺也叫 不饱和胺 烯胺分子中氮原子上有氢原子时容易转变为亚胺 和烯醇容易转变为羰基化合物相似 烯胺易水解迅速生成醛或酮 合成与应用烯胺必须无水 制备烯胺常用醛或酮与仲胺在脱水剂 如无水碳酸钾 存在下反应 加苯 或甲苯 二甲苯把生成的水带出 并加入对甲基苯磺酸等作催化剂加热 用共沸蒸馏法除去生成的水即可很容易的制得 近年来 在制备烯胺时 加一个强失水剂如四氯化钛 以迫使反应进行完全 在烯胺形成中 仲胺常为环状化合物 它们的反应活性降低次序为 吡咯烷 吗啉和哌啶 结构式如下 机理 烯胺在有机合成中的应用 烯胺应用于合成中在于其 碳原子 即初始羰基化合物的 碳原子 上带有部分负电荷 可作为亲核试剂与卤代烷 酰卤或亲电性的烯烃反应 烯胺在有机合成中的应用 烯胺易与酰氯或酸酐作用 产物经水解可以得到 二酮 是得到高产率C 酰基化产物的好方法 通常加入三乙胺中和HCl 3 1 5 皮考啉反应 Picoline 甲基吡啶在Lewis酸作用下形成类似烯醇的化合物 再与醛反应 失水得到 取代乙烯吡啶 3 1 6Prinsreaction 普林斯反应 甲醛 或其它醛 经酸催化与烯烃加成得到1 3 二醇 缩醛化得到噁烷类1 3 二氧六环化合物 Prinsreaction 普林斯反应 实例 3 2酸催化分子重排 分子重排反应 molecularrearrangementreaction 是分子中的一个原子或基团从一个原子转移到另一个原子上 形成一个新分子的反应 分子重排可分为分子间重排和分子内重排 重排是一种复杂的有机化学现象 在有机合成中 一些重排经常是所需反应的竞争反应 合成中应以避免 一些重排可提供巧妙的合成途径 应尽量加以利用 3 2 1频哪醇 频哪酮重排 频哪醇 邻二叔醇 在酸催化下脱水产物是叔烷基酮 不是预期的烯烃 该反应称为频哪醇 频哪酮重排 Pinacol pinacolone 重排动力 形成更稳定的碳正离子 两个烃基不同时 亲核性更强的原子 团 发生迁移 两个烃基所连接的碳不同时 以形成更稳定的C 占优势 频哪醇 频哪酮重排 具有环状结构的频哪醇 重排后可得到扩环产物 基团迁移次序大致为 Ar R H 3 2 2呐咵重排和反呐咵重排 3 氨基 2 3 二甲基 2 丁醇与亚硝酸作用 发生类似频哪醇的转变 先形成C 再进行呐咵重排 呐咵重排形式 正离子中心从第三碳转移到另一个亲电中心 使烃基集中在一个碳上 实质还是形成更稳定C 新戊醇失水时 新戊基的正离子中心是从第一碳转移到另一个第三碳上 重排结果烃基分散到另一个碳上 因此叫反呐咵重排 分子中 凡具有下列碳架重排形式互称为反向重排 呐咵重排 反呐咵重排 3 2 3Beckmann重排 酮肟在多磷酸等酸性催化条件下重排为酰胺的反应叫Beckmann重排 中间体为缺电子的氮正离子 乃春 nitrenecation 邻近的芳基或烷基转移到氮上后形成邻碳正电中心 再经水合 质子化变成N 取代酰胺 转移的烃基是双键上羟基对立一侧的R 不是同侧的R 产物具有立体专一性 重排机理 Beckmann重排 酮肟经重排得到取代乙酰芳胺 再水解得到芳胺 3 2 4烯丙基重排 烯丙基正离子非常稳定 正电荷分散在1 3位碳上 亲核试剂进攻1 3位机会均等 因而产物的双键发生位移 双键从1 2位至2 3位的位移叫烯丙位重排 例如 氯代 2 丁烯在酸性条件下水解得到两种产物 SN1取代 烯丙基重排 对于烯丙基化合物 进行SN2反应时 有两个核中心 一个是连有氯的碳 正常的亲核取代反应SN2 一个是烯丙基德双键碳 反常的亲核取代反应SN2 二者存在竞争 空间位阻大时 不利于SN2反应 3 2 5联苯胺重排 联苯胺 Benzidine 重排是指氢化偶氮苯化合物重排成4 4 二氨基联苯的反应 反应速度 k 氢化偶氮苯 H 2 联苯胺重排 两种不同的氢化偶氮苯在同一体系中发生重排时 反应不发生交叉重排 说明联苯胺重排是分子内重排过程 当对位有取代基封闭时 重排可以发生在氨基的邻位 如果其中苯环只有一个对位被封闭 重排产物叫对半联苯胺 当两个对位都被封闭 产物叫邻半联苯胺 联苯胺重排 染料制备 3 2 6Schmidt重排 在强酸作用下 羧酸 酮 醛等于叠氮酸作用 分别生成伯胺 酰胺或腈的反应称为Schmidt重排反应 Schmidt重排 羧酸 伯胺 羧酸的Schmidt重排反应历程为 HN3 5 的CHCl3或苯溶液 可从NaN3与浓H2SO4在CHCl3中作用得到 具有旋光性的羧酸可得到构型保持不变的胺 Schmidt重排 酮 酰胺 重排反应速率为 二烷基酮 烷基芳基酮 二芳基酮 酮反应重排历程 芳基烷基酮重排 一般是芳基移位至氮原子上 Schmidt重排 醛 腈 若HN3过量 2个物质的量以上 则生成 四唑 产物 醛发生Schmidt重排反应生成腈 过程如下 3 2 7氢过氧化物重排 烃类化合物用空气或H2O2氧化得到氢过氧化物 氢过氧化物在酸或Lewis酸作用下 发生O O键断裂的同时 烃基从碳原子转移到氧原子上的重排反应 称为氢过氧化物的重排反应 R为烷基或芳基 其反应历程为 烷基之间移位的次序为 叔R 仲R Pr H Et Me 氢过氧化物重排 例如 异丙苯过氧化重排 3 2 8Fries重排 酚酯类 包括脂肪和芳香酸的酯类 在Lewis酸的催化下受热 酰基从酚