《亲核加成反应》PPT课件

碳碳重键的加成 电子易于极化 利于亲电试剂的进攻 容易发生亲电加成反应 Y Y 强吸电子基团 如 NO2 CF3 CN等 则发生亲核加成反应 叁键可以发生亲电加成反应 但更易发生亲核加成反应 12 1碳碳双键的亲核加成反应 反应机理 Y 引入吸电子基团 降低电子云密度 苯环分散了负电荷 而且CN的吸电子诱导效应和共轭效应稳定了碳负离子 Z E 12 1 1氰乙基化反应 丙烯腈受氰基影响 发生亲核加成 亲核试剂带活泼亚甲基或甲基时 发生多氰化反应 应用 Micheal加成反应 质子转移到碳上比氧慢 不饱和羰基化合物和活性亚甲基化合物 碳负离子 在碱催化下进行共轭加成 称为Micheal加成 Micheal加成的反应体系 底物 Z 含杂原子的不饱和键且与双键共轭的基团 碳负离子接受体 不饱和醛 酮 酯 不饱和腈 不饱和硝基化合物以及易于消除的曼尼希碱 催化剂 醇钠 钾 氨基钠 吡啶 三乙胺 季铵碱 电子给体 活泼亚甲基化合物 烯胺 氰乙酸酯类 酮酸酯 硝基烷类 砜类等 Micheal反应的应用 其它碱和其它 不饱和化合物也可进行Michael加成 例如 Micheal反应的应用 不对称酮的Micheal加成 炔烃叁键的碳原子是SP杂化 烯烃双键碳原子是SP2杂化 SP杂化比SP2杂化的轨道半径短 电负性大 叁键中的电子被束缚得比双键中的牢 亲电试剂夺取叁键中的电子较困难 所以 炔烃的亲电加成反应没有烯烃活泼 12 2碳碳叁键的亲核加成反应 炔烃易于进行亲核加成反应的原因 S成分越多 与电子的结合力越强 容易亲核反应 正电荷处于p轨道上 正电荷处于sp2轨道上 炔烃较易与ROH RCOOH HCN等进行亲核加成反应 活性中间体稳定性 Sp杂化原子比sp2具有更强的电负性 较难容纳正电荷 Sp sp2 如在同一化合物中同时有碳碳双键和叁键 亲电试剂首先与碳碳双键加成 在碱性条件下 有 CH3O 带有负电荷 是一个强的亲核试剂 思考题 烯烃有无亲核加成 乙烯能否与CH3OK反应 如果使用弱的亲核试剂则需要加入催化剂 常用的催化剂是Hg2 离子 因为它能与叁键配位 从叁键吸引电子 有利于弱亲核试剂的进攻 例如炔烃的水合反应 库切洛夫反应 酸和亲电试剂进攻富有子的氧 活泼H的反应 1 烯醇化 2 卤代 卤仿反应 3 醇醛缩合反应 醛的氧化 碱和亲核试剂进攻缺电子的碳 亲核加成 氢化还原 12 3羰基的亲核加成反应 羰基中的碳氧双键由于电负性O C 因此 电子云不是对称地分布在碳和氧之间 而是靠近氧的一端 由于碳正电中心的反应性能大于氧负电中心 因此易于与亲核试剂发生加成反应 1 羰基上的加成反应 酸催化 羰基质子化 可以提高羰基的反应活性 羰基质子化后 氧上带有正电荷 很不稳定 电子发生转移 使碳原子带有正电荷 决定反应速率的一步 是Nu 进攻中心碳原子的一步 羰基的亲核加成反应机理 酸除了活化羰基外 还能与羰基形成氢键 质子性溶剂也起到同样作用 质子化增强羰基碳正离子的正电性 促进亲核试剂进攻 都使羰基活化 羰基的亲核加成反应机理 碱催化 慢 试剂进攻羰基上C原子 生成氧负离子的一步是决定反应速率的一步 为使亲核试剂的负电荷裸露出来 增加亲核性 常需碱催化 碱作用 把弱亲核试剂H CN变成强的亲核试剂Nu 1 羰基的活性 反应活性取决于羰基的中心碳原子带有正电荷的多少 12 3 1影响反应的因素 烃基 R 供电子能力越强 空阻越大 反应活性越低 烃基上有吸电子基团则增强反应活性 R 吸电子 小体积 有利于反应进行R 推电子 大体积 不利于反应进行 Cl3C是强吸电子基团 使羰基带有更多的正电荷 产物中形成分子内氢键 使产物稳定 平衡向右移动 2 空间效应 与羰基相连的基团空间效应越大 越不利于反应进行 Nu sp2杂化平面三角型 sp3杂化四面体 产物中基团拥挤程度增大 R越大 妨碍Nu 从背后进攻C原子 从羰基上方或下方进攻能量最低 增加R体积减小反应速率 对于环状化合物 角张力缓解 1 sp2杂化 键角应为120 实际为60 角张力较大 反应中 键角由60 转化为109 28 角张力得到缓解 2 产物的非键张力并不明显 这里 角张力得到缓解 但程度不大 亲核加成反应活性 a 决定于羰基碳上的正电性 b 决定于空间效应 如 水 2 试剂的亲核性 对于同一羰基化合物 试剂的亲核性越强 反应的平衡常数越大 卤素不发生亲核 带负电荷的亲核试剂比其共轭酸 中性分子 的亲核性强 OH H2O RO ROH 同周期元素的负离子的亲核性与碱性大小一致 R3C R2N RO F 试剂的可极化度越大 则利于亲核加成反应的进行 HCN的可极化度大 HCN是比水更强的亲核试剂 同一主族元素的负离子的亲核性与可极化度大小一致 I Br Cl F 空间效应 具有较小体积的亲核试剂 利于反应进行 把下列各组化合物按羰基的活性大小排列成序 12 3 2羰基加成反应的立体化学 羰基具有平面结构 Nu可从任何一面进攻羰基碳原子 但向两面进攻的几率是否相等 下面我们从反应物结构和试剂体积大小来进行讨论 1 对手性脂肪酮的加成 2 脂肪酮的加成 3 亲核试剂体积对加成的影响 1 当R R 时 加成产物为同一物 2 当R R 时 加成产物为外消旋体 Nu从羰基两面进攻的几率相等 前 潜 手性分子 一 非手性的羰基化合物的加成 3 当羰基与手性碳原子相连时 Nu从两面进攻的几率就不一定相等 加成后引入第二个手性碳原子 生成的两个非对映体的量也不一定相等 Nu的进攻方向主要取决于 手性碳原子上各原子 原子团 体积的相对大小 即其加成方向有一定的规律 1 对手性脂肪酮的加成 Cram规则 设 手性碳原子上所连的三个基团分别用L M S代表其大 中 小 则加成时Nu主要从最小基团S一侧进攻最为有利 生成的产物为主要产物 加成方向遵守克拉姆 Cram 规则 优势 Cram规则 与羰基相连的手性碳上 两个较小的基团在羰基两旁呈邻交叉型 较大的基团与R呈重叠型 反应时 试剂主要从位阻小的一边进攻羰基 与格氏试剂加成的手性诱导效应 R 3 苯基 2 丁酮 脂环酮的羰基嵌在环内 环上所连基团空间位阻的大小 明显的影响着Nu的进攻方向 2 脂环酮的加成 对于同一反应物 所用Nu体积的大小 也影响其进攻方向 3 Nu的体积对加成的影响 刚性桥环 不能翻转 位阻增大 12 3 3亲核加成反应的实例 亚胺的应用 绝大多数醛酮都可以与氨的衍生物反应生成产物肟 腙 苯腙 缩胺脲等 一般都是棕黄色固体 很容易结晶 并有一定的熔点 故可鉴别醛酮 鉴别醛酮 完成反应式 写出反应主要产物的名称 解释反应中醋酸或醋酸钠的作用 苯甲醛缩氨脲 苯乙酮苯腙 丁酮 2 4 二硝基苯腙 反应中醋酸或醋酸钠的作用是调节反应液的pH值 使成弱酸性 醇也是一种亲核试剂 可以对醛 酮进行亲核加成 但由于醇分子的亲核性较弱 反应也是可逆的 只有在催化条件下才有利于亲核加成反应的进行 羰基与一分子醇的亲核加成产物是半缩醛和半缩酮 半缩醛是不稳定的化合物 在酸性条件下它与另一分子的醇发生分子间脱水 生成稳定的醚型产物 缩醛 加醇反应 带有强吸电子基的羰基化合物可以形成稳定地半缩醛 半缩醛稳定性 分子内也能形成半缩醛 缩醛 HCl CH3OH 形成环状五员环和六员环的半缩醛是稳定的 醛 酮与醇反应生成生成半缩醛 酮 平衡常数小于1 反应通常被酸催化 半缩醛反应历程 半缩醛 酮 转化为缩醛 酮 则需要干燥的HCl催化 羟基是难离去基团 在酸作用下转化成易于离去的H2O 缩醛反应历程 酮与醇的反应很慢 生成缩酮比较困难 需要用原甲酸三乙酯或二元醇反应可以顺利制得缩酮 缩醛 酮 对碱 氧化剂 还原剂等稳定 但在稀酸溶液中 室温下可水解 生成原来的醛 酮 和醇 形成缩醛或缩酮在合成中的应用 羰基的保护 应用 保护活泼的羰基 Thisisatypeofcondensationreaction weuseitto dock twolargestructurestogether Thisisanotherexampleofaddition elimination GeorgWittig 1897 1987 1979NobelPrize 1954年维狄希 德国化学家 发表了一个由醛 酮合成烯烃的新方法 1979年获诺贝尔化学奖 2 碳原子亲核试剂加成 空3d轨道 2p电子对 d p共轭 使碳上的负电荷分散 膦的内盐 膦的叶立德 ylid 1 Wittig试剂 P缺电子的lewis酸 C 8电子的带负电荷的亲核中心 1 Wittig试剂 Wittig试剂与羰基发生亲核加成反应 生成烯烃 Wittig反应应用范围很广 试剂只与羰基作用 对于 1 Wittig试剂 NaOCH3NaHLiC4H9 1 活泼的wittig试剂R1 R2 H或烷基 与O2 H2O HX或醇均能反应 2 不活泼的Wittig试剂 吸电子与带负电荷的 碳相连时 因 I C负电荷分散 Wittig试剂比较稳定 与醛反应活性低 与酮作用慢或不反应 3 稳定的Wittig试剂 位连有苯基或乙烯基时 Wittig试剂一般不与醛酮反应 甜菜碱 氧膦环丁烷中间体 三苯基氧膦是非常稳定的 反应向右进行 2 Wittig反应历程 1 活泼Wittig试剂的产物以顺式烯为主 3 立体化学 major minor 中间体以动力学有利的赤式为主 2 共轭稳定的wittig试剂 产物以反式烯烃为主 中间体以热力学稳定的苏式为主 minor major 1 合成醛 2 烯烃 环内烯5 16元环 环外烯 4 Wittig试剂的应用 天然有机物维生素A的合成 用合适的原料通过威狄希反应合成 C6H5CH CHCH2CH2CH3 CH3CH CH CH CHC6H5 在催化剂作用下 含有 H的醛或酮相互作用 生成 羟基醛 酮 或 不饱和醛酮的反应叫羟醛缩合 1 反应可被酸或碱作催化 碱先夺取 H 产生碳负离子 2羟醛缩合 aldolcondensation 反应为可逆反应 醛倾向于正向 而酮逆向倾向大 因为亲核试剂碳负离子进攻醛位阻比较小 而进攻酮位阻大 可用索氏提取器促使正向进行 酸催化 提高羰基碳的正电性 羰基质子化及烯醇的生成 烯醇进攻质子化的羰基 酮的缩合反应常在酸催化下进行 Claisen Schmidtcondensation 交叉岐化 H组分 羰基组分 无 H的醛酮 自身不能发生羟醛缩合 但可以与另一分子含 H的醛酮发生交叉羟醛缩合 2 交叉羟醛缩合 羟醛缩合酮比醛反应困难 产率很低 如果能把生成物及时分离出来 使平衡向右移动 也可反应 由于酮反应较慢 可利用酮作交叉缩合 亲核活性大 羰基组分 两种酮的交叉缩合 至少有一种为甲基酮或环酮 位阻小的甲基酮或环酮在反应中作羰基组分 分子内的羟醛缩合产物一般为五元或六元 不饱和醛酮 产物不太稳定 亲核进攻的位阻大 不对称酮的反应区域选择性 major major 碱催化下有利于直链烯烃 酸有利于支链烯烃 不对称酮的反应区域选择性 酸性较强 空阻较小 major 不对称酮的反应区域选择性 major minor 更稳定 安息香缩合 acyloincondensation 芳醛在氰化钾 钠 催化下加热 双分子缩合生成 羟基酮的反应称为安息香缩合反应 安息香缩合 acyloincondensation 氰离子对羰基加成 醛酮与被两个吸电基活化的亚甲基或次甲基化合物的缩合反应称为Knovenagel反应 H活性大 NH3 RCOONH4等都可催化此反应 亚甲基组分有 5 Knovenagel反应 醛 酮在弱碱 胺 吡啶等 催化下 与具有活泼 氢的化合物进行的缩合反应 例如 trans 芳香醛和乙酐或取代乙酐在相应羧酸的钠盐或钾盐存在下发生的缩合反应 6 Perkin反应 含有a 活泼氢的醛 酮与甲醛及胺 伯胺 仲胺或氨 反应 结果一个a 活泼氢被胺甲基取代 此反应又称为胺甲基化反应 所得产物称为Mannich 曼尼奇 碱 7Mannich反应 机理 甲醛与胺的加成物N 羟甲基胺 在酸催化下脱水生成亚甲铵离子 进而向酮的烯醇式作亲电进攻得到产物 烯醇式 亚甲铵离子 影响因素 碳有位阻时 发生 氨甲基化 12 4羧酸衍生物与亲核试剂的反应 1 反应机理 L 离去基团 加成 消除反应 在Nu上引入酰基的反应 四面体中间体 在丁醚中 甲醇钠与三氟乙酸乙酯反应生成化合物已经光谱证实 实验 把甲醇钠加入到三氟乙酸乙酯的丁醚溶液中 红外光谱的C O吸收完全消失 通干燥HCl气体 后恢复原状 2 反应活性与结构的关系 作为酰基化试剂 其活性为 1 与羰基相连的离去基团的电子效应2 离去基团离去的相对能力 具有未共用电子对的原子与酰基直接相连 共振效应增强羰基碳原子和离去基团键强度 离去基团不易离去 2 反应活性 作为酰基化试剂 其活性为 X 具有 I效应 C Cl键的极性大 酯中烷氧基具有 C效应 增大了酰基与烷氧基间的电子云密度 使酰氧键难于断裂 酰胺中的NH2的 C I效应 使羰基的反应活性降低 酸酐中的酰基是吸电子基团 使酰氧键易于断裂 酸酐的反应活性比酯大 水解 醇解 氨解 还原 金属有机化合物 羰基的活性 羧酸衍生物的化学性质 羧酸衍生物的结构和反应性能 H的活性 羰基的活性 离去基团 A酯水解 碱水解 不可逆 酸水解 与酯化为可逆平衡 键的断裂发生在酰氧键还是烷氧键 大多数2o和1o醇的羧酸酯的水解发生酰氧键断裂 3o醇的羧酸酯的酸水解发生烷氧键断裂 三 反应实例 酯水解是可逆过程 但在OH 条件下水解生成盐 平衡破坏 水解可进行到底 V K RCOOR OH 碱性水解 动力学证明是SN2反应历程 同位素示踪实验证明 不管是H 催化剂还是OH 催化剂 大多数羧酸酯水解是酰氧键断裂 这个历程可看成加成 消除反应 碱性水解历程 羧酸根离子的生成 使碱催化下的酯水解反应不可逆 但酸催化的酯水解反应可逆 酸性水解历程 一般酯在H 催化剂下的水解为可逆反应 当R 为 时 由于发生酰氧键断裂 所以 得到构型保留产物 酯的水解 无论是酸催化还是碱催化 一般发生酰氧键断裂 若R O 中的C原子是三级碳原子时 在酸催化时 发生烷氧键断裂 由于含有三级碳原子基团的空间效应 使得水分子难于进攻羰基 同时也不利于质子转移 3o醇的羧酸酯水解 SN1机制 2 Claisen酯缩合反应及相关反应 两个酯分子至少有一个酯分子是含有 氢 在强碱的作用下 相互缩合成 羰基酯 反应机理 第一步 含 H的羧酸酯在强碱作用下得 羰基酸酯的反应 酸性强于醇 12 4 4Claisen缩合 第二步 第三步 由于是可逆反应 至少需要2分子的酯分子作为亲核试剂 使平衡向右移动 反应需要过量的强碱 克莱森缩合 过程 C2H5OH H OC2H5 反应物 酯 产物 羰基化合物 碱性催化剂 乙醇钠 NaNH2等 反应历程 如果两个不同的酯都有 H也可以发生酯缩合反应 理论上可以得到四种产物 在制备上没有很大价值 如果两个酯中只是一个有 H 另一个酯无 H 通过控制反应条件也可得一个主要的产物 有合成意义 C2H5ONa 自身缩合 交叉缩合 主 79 次 交错的酯缩合反应 位引入 醛基 位引入 酯基 加热 3 与苯甲酸酯缩合 位引入 苯甲酰基 分子内的酯缩合反应被称为Dieckmann反应 制备5员环和6员环状 酮酸酯 反应受热力学控制 主要形成较稳定的烯醇盐 酸性 H H空阻 H H 不对称的二元羧酸酯进行缩合 主要是位阻少的 H被去掉 酸性 H H H 酸性 H H H 如果酯羰基活性过低 酮则主要发生羟醛缩合 反之若酯的 H活性大于酮 如丙二酸酯 则发生酯自身缩合或Knovenagel反应 酯 酮缩合酮的 H酸性大于酯的 H 酮形成 C负离子 酸性较强 空阻较小 活性较强 12 5金属氢化物与羰基的加成反应 络合金属氢化物 LiAlH4 NaBH4 NaBH4的选择性强 选择性还原 立体化学 遵循Cram规则 75 92 当3 5位上没有取代基时 主要生成平伏键的醇 当3 5位上有取代基时 主要生成直立键的醇 83 六 不饱和羰基化合物的加成反应 1 反应机理 1 4 加成 12 6 不饱和羰基化合物的加成反应 1 4 加成 1 2 加成 不饱和醛酮在化学性质上的主要特征是当发生加成反应时能够发生1 2或1 4加成 共轭加成 且既可和亲核试剂加成又可和亲电试剂加成 1 2 加成还是1 4 加成占优势与作用物的结构 试剂的结构 反应条件都有关 12 6 2 影响加成方式的因素 羰基活性大 试剂的