中国药科大学有机化学课件—羰基化合物.ppt

第九章羰基化合物,exit,主要内容,第一节结构和命名第二节物理性质第三节化学反应第四节共轭不饱和加成和还原第五节醛酮的制备,（一）结构,在醛（Aldehydes）和酮（Ketones）分子中，都含有一个共同的官能团羰基，故统称为羰基化合物,醛分子中，羰基至少要与一个氢原子直接相连，故醛基一定位于链端。,C,O,s,p,2,键角接近120,第一节结构和命名,（二）命名,1.普通命名法,醛按氧化后生成的羧酸命名，酮看作是甲酮的衍生物。,CH3CH2CHOCH2=CHCHO丙醛丙烯醛,甲基乙基甲酮（甲乙酮）,-甲基丁醛-甲氧基丁醛-苯基丙烯醛,甲基异丙基酮甲基乙烯基酮,醛,酮,乙酰苯(苯乙酮),标记取代基位置。,2.系统命名法,环己酮,2-氧代环己基甲醛,4-氧代戊醛,3-烯丙基-2,4-戊二酮,4-Oxopentanal,3-Allyl-2,4-pentanedione,Cyclohexanone,2-Oxocyclohexanecarbaldehyde,第二节物理性质,由于羰基的偶极矩，增加了分子间的吸引力，因此，醛酮的沸点比相应相对分子质量的烷烃高，但比醇低。醛酮的氧原子可以与水形成氢键，因此低级醛酮能与水混溶。脂肪族醛酮相对密度小于1，芳香族醛酮相对密度大于1。,第三节化学反应,（一）亲核加成反应（二）-活泼氢引起的反应（三）氧化和还原反应（四）其它反应,醛酮的结构与反应性,-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,亲核加成氢化还原,（1）碳碳双键的亲电加成（2）碳氧双键的亲核加成（3）,-不饱和醛酮的共轭加成（4）还原,C=CC=O,（一）亲核加成反应,(1)反应机理,碱催化的反应机理,酸催化的反应机理,（2）醛、酮的反应活性,羰基周围的空间拥挤程度对反应活性的影响极大,随R基的体积增大和给电子能力增加，中间体稳定性降低；,随Ar基增加，电子离域，降低了基态的焓值，增加了活化能。,试比较下列化合物发生亲核加成反应的活性大小,常见的亲核试剂按照亲核的中心原子不同可分为：,碳为中心原子的亲核试剂,氧为中心原子的亲核试剂,硫为中心原子的亲核试剂,氮为中心原子的亲核试剂,羰基与碳为中心原子的亲核试剂的加成,格氏试剂HCN炔化钠,与HCN的加成,(CH3)2C=O+HCN,-OH溶液,H+H2O,-H2O,CH2=C-COOH,CH3,，-不饱和酸,-羟腈（或-氰醇）,-羟基酸,反应机理,可逆,不可逆,反应条件,反应必须在弱碱性条件下进行。,反应特点：,1碱性有利于反应，但反应不能在强碱性条件下进行。碱性将引发另外的反应。,2能发生此反应的羰基化合物是：,所有的醛,甲基酮,八个碳以下的环酮,例如：,1,2,3,4,增长碳链方法之一,应用,与格氏试剂的加成,与炔化钠的加成,R-CC-Na+,NH3(液)或乙醚,H2O,(CH3)2C-CCR,H+,OH,CH2=C-CCR,CH3,H2/催,CH2=C-CH=CHR,CH3,制备共轭双烯,炔醇,羰基与氮为中心原子的亲核试剂的加成,氨及其衍生物,与氨的加成Schiffsbase的生成,CH3CH=O+NH3,CH3CH-NH,HO,H,-H2O,CH3CH=O+RNH2,CH3CH=NH,CH3CH-NR,HO,H,-H2O,CH3CH=NR,亲核加成,亲核加成,亚胺,亚胺西佛碱,西佛碱一般是不稳定的，但是当碳氮双键与苯环共轭时，产物是稳定的。,西佛碱用酸水解可以生成原来的醛和酮，所以可以利用此反应来保护醛基。,与氨的衍生物加成,Hydroxylamine,Hydrazine,Phenylhydrazine,Semicarbazide,Oxime,Hydrazone,Phenylhydrazone,Semicarbazone,酸催化,反应需在弱酸性的条件下进行。,提纯醛酮鉴别醛酮,保护羰基,+H2N-Z,H2N-OHH2N-NH2H2N-NH-C6H5H2N-NH-C6H3(NO2)2羟胺肼苯肼2,4-二硝基苯肼氨基脲（产物：肟）（产物：腙）（产物：苯腙）（产物：缩氨脲）,重结晶,稀酸,+H2NR,稀酸,参与反应,应用,生成的含碳氮双键的化合物有顺反异构：,E型,Z型,生成的产物，尤其是腙和苯腙一般都是黄色晶体，可用于定性鉴别。故又称氨的衍生物为羰基试剂,几乎所有的醛和酮都可以与氨的衍生物加成,合成,羰基与氧为中心原子的亲核试剂的加成,与H2O的加成与ROH的加成,与H2O的加成,HCH=O+HOH,H2C(OH)2,CH3CH=O+HOH,(CH3)2C=O+HOH,CCl3-CH=O+HOH,CH3CH(OH)2,(CH3)2C(OH)2,CCl3-CH(OH)2,(100%),(58%),(0%),三氯乙醛水合物（安眠药）,有吸电子基团可以形成稳定水合物。水合物在酸性介质中不稳定。,与ROH的加成,CH3CH=O+CH3CH2OH,H+,CH3CH2OH,H+,半缩醛,缩醛,hemiacetal,acetal,半缩醛（酮）、缩醛（酮）的生成,反应要在无水条件下进行，一般采用无水条件下通入HCl气体来催化反应。,HOCH2CH2CHCHO,OH,HCl,CH3OH,半缩醛,缩醛,分子内也能形成半缩醛、缩醛。,半缩酮,缩酮,醛的正向平衡常数大，酮的正向平衡常数小。,分子内也能形成半缩酮、缩酮。,与酮反应,五元和六元环状缩酮的产率较好。,用二元醇与羰基反应直接生成缩醛（酮）产率较好。,反应机理,酸催化,HOCH2CH2CH2CH2CH=O,H+,-H+,分子内形成半缩醛的反应机理,缩醛对碱、氧化剂稳定。在稀酸溶液中易水解成醛和醇。,缩酮在稀酸中水解，生成原来的醇和酮。,形成缩醛或缩酮在合成中的应用,A保护羟基,BrCH2CH2CH2CH2OH,+,BrCH2CH2CH2CH2O,H,H+,BrCH2CH2CH2CH2O,-H+,Mg,无水乙醚,BrMgCH2CH2CH2CH2O,丙酮,H3O,+,(CH3)2CCH2CH2CH2CH2OH,OH,B保护羰基,BrCH2CH2CHO+HOCH2CH2OH,H+,BrCH2CH2,CH3CH2CCLi,CH3CH2CCCH2CH2,H3O,+,CH3CH2CCCH2CH2CHO+HOCH2CH2OH,羰基与硫为中心原子的亲核试剂的加成,与NaHSO3的加成与硫醇(RSH)的加成,反应式,与亚硫酸氢钠的反应,反应机理,亲核加成,分子内的酸碱反应,硫比氧有更强的亲核性,生成的加成产物在饱和的亚硫酸氢钠溶液中不溶，析出白色结晶。,特点,只有醛、脂肪族的甲基酮、环酮能发生此反应。,乙醛（89%）丙酮（56.2%）丁酮（36.4%）己酮（35%）3-戊酮（2%）苯乙酮（1%）,反应体系须维持弱酸性,NaHSO3+HCl,NaCl+H2SO3,H2O+SO2,2NaHSO3+Na2CO3,2Na2SO3+H2CO3,H2O+CO2,提纯醛、甲基酮、环酮。,制备-羟腈,NaHSO3+,HCN,NaCN,+,+,应用,与硫醇的反应,*1硫醇的制备,RX+NaSHRSH+NaX,*2硫醇的一个重要性质-形成缩硫醛、缩硫酮,HgCl2,HgO,CH3OH,H2O,醛与酮都能反应。缩硫醛、缩硫酮在酸、碱条件下都很稳定。平衡利于正反应。,Ni-H2,应用二：保护羰基。,应用一：还原。,缩硫酮,R-CH2-Y,R-CH-Y+H+,-H以正离子离解下来的能力称为-H的活性或-H的酸性。,影响-H活性的因素：Y的吸电子能力。-H周围的空间环境。负碳离子的稳定性。,判断-H活性的方法：pKa值同位素交换的速率,-H的酸性（烯醇化，烯醇负离子）,（二）-活泼氢引起的反应,*1CH3CH=CH2pka=35,pka=16,*2,的酸性比,强。,的酸性与一元酮差不多。,*3羰基的-H是十分活泼的。,酮式、烯醇式的互变异构,酸或碱,在一般情况下，烯醇式在平衡体系中的含量是比较少的，但随着-H活性的增强，烯醇式也可能成为平衡体系中的主要存在形式。,烯醇式含量1.510-47.710-32.010-2,7.376.5最多,烯醇化的反应机理,烯醇负离子是一个两位负离子，氧碱性强，碳亲核性强。,+,烯醇负离子碳负离子烯醇负离子,H+,Br2,热力学产物动力学产物,不对称酮烯醇化反应,动力学控制的产物热力学控制的产物,醛酮的-H的卤代,在酸或碱的催化作用下，醛酮的-H被卤素取代的反应。,酸或碱,反应式,定义,Br2,+HBr,（分两步：1烯醇化2卤素与C=C的加成或称C=C对卤素的亲核取代）,酸催化的反应机理,+H+,快,-H，慢,-HBr,反应机理,碱催化的反应机理,+-OH,-H,慢,酸催化的反应机理,碱催化的反应机理,1只要加极少量的酸，因为反应一开始就会产生酸，此酸就能自动起催化作用。因此反应有一个诱导期，一旦酸产生，反应就会很快发生。2对于不对称的酮，卤化反应的优先次序是：（关键是形成烯醇式）COCHR2COCH2RCOCH33V一元卤化V二元卤化V三元卤化通过控制卤素的用量，可将卤化反应控制在一元、二元、三元阶段。,1碱催化时。碱用量必须超过1mol,因为除了催化作用外，还必须不断中和反应中产生的酸。2对于不对称的酮，卤化反应的优先次序是：（关键是夺取-H）COCHR2COCH2RCOCH33V一元卤化RCH2-CH3-,+,溶剂,还原反应,还原成醇,还原成亚甲基,1催化氢化,（1）有些反应需要在加温、加压或有特殊催化剂才能进行。（2）最常用的溶剂是醇。（3）如羰基两侧的立体环境不同，催化剂通常从空阻小的一侧被吸附，顺型加氢。,还原成醇,2用氢化金属化合物的还原,（1）用LiAlH4还原,反应式,4CH3CH=CHCH2CH2CH=O+LiAlH4,无水乙醚,(CH3CH=CHCH2CH2CH2O)4AlLi,4CH3CH=CHCH2CH2CH2OH+Al(OH)3+LiOH,4H2O,反应机理：负氢转移,反应条件,环酮的还原,空阻差别大时，主要得从空阻小的方向进攻的产物。空阻差别不大时，主要得稳定产物。,还原,+,2,1,1空阻大，产物稳定。2空阻小，产物不稳定。,LiAlH486-90%10-12%LiAl(s-BuO)3H7%93%,空阻大,空阻小,LiAlH4,+,从外侧进攻得内型产物。产物不稳定。,(1)内,(2)外,樟脑,(1)异冰片(外型)(2)冰片(内型)(90%)(10%),从内侧进攻得外型产物。产物稳定。,空阻差别不大时，主要得稳定产物。,(2)用NaBH4还原,反应机理：负氢转移适用范围：主要还原醛、酮、酰氯的羰基、2oRX、3oRX。反应条件：必须在质子溶剂中反应。立体化学：规则与LiAlH4原则上一致。,NaBH4CH3OH,H2O,NaBH4,(CH3)2CHOH,H2O,+,69%31%,空阻差别大时，主要得从空阻小的方向进攻的产物。空阻差别不大时，主要得稳定产物。,+(CH3)2CHOH,Al(OCHMe2)3,+(CH3)2C=O,苯或甲苯,特殊,异丙醇铝250oC,氧化剂,还原剂,3麦尔外因-彭杜尔夫还原欧芬脑尔氧化的逆反应,4用活泼金属还原,醛、酮的单分子还原醛、酮的双分子还原,醛用活泼金属如：钠、铝、镁在酸、碱、水、醇等介质中作用，可以顺利地发生单分子还原生成一级醇。,在钠、铝、镁、铝汞齐或低价鈦试剂的催化下，醛酮在非质子溶剂中发生双分子还原偶联，生成频哪醇的反应。最有效的试剂是低价鈦试剂。,RCHORCH2OH,MHA,1.M，苯2.H2O,双分子还原反应机理,实例,Mg-Hg,苯,H2O,1,Mg苯,二聚,2,2H2O,43-50%,1克莱门森（Clemmensen）还原,Zn-Hg,HCl,Zn-Hg,HCl,回流,回流,80%,65%,（酸性条件下将C=O还原成CH2）,还原成亚甲基,乌尔夫-凯惜纳-黄鸣龙（Wolff-Kishner-Huangminglong）还原,NH2-NH2,NaOH(HOCH2CH2)2Obp245oC,NaOH代替Na,K一缩乙二醇代替封管,82%,（碱性条件下将C=O还原成CH2）,Wolff-Kishner还原法需在高温、高压下进行，我国化学家黄鸣龙对此法进行了改进，不仅使反应在常压下进行，而且避免了使用昂贵的无水肼。,但该还原法是在碱性条件下进行的，所以当分子中含有对碱敏感的基团时，不能使用这种还原法。,3.Cannizzaro反应歧化反应,不含-H的醛在浓碱作用下，一分子醛被氧化成羧酸，一分子醛被还原成醇，该反应称为Cannizzaro反应。,又因该反应是分子间同时进行着的两种性质的反应，故又称歧化反应。,Cannizzaro反应是两次连续的亲核加成反应。,交叉歧化反应,甲醛是氢的给予体(授体)，另一醛是氢的接受体(受体)。,1NaOH,2H+,-H2O,内酯,羟基酸,+CH2O,NaOH,+HCOONa,为什么不能用含H的醛进行Cannizzaro反应？,分子内也能发生康尼查罗反应,（四）其它反应,(1)Perkin反应,芳醛与含-H的脂肪族酸酐，在相应的羧酸盐存在下共热，发生缩合生成,-不饱和酸，该反应称为珀金(Perkin)反应。,思考：试写出上述反应的反应历程。,显然，该缩合反应除乙酸酐外，其它含有-H的脂肪族酸酐与芳醛缩合，其缩合产物都是在-C上带有支链的,-不饱和酸。,除个别者外，脂肪族醛通常不易发生Perkin反应。,(2)Mannich反应,含有-H的醛(酮)，与甲醛和氨(或1胺、2胺)的盐酸盐之间发生的缩合反应，称为曼尼希(Mannich)反应。,该反应的净结果是二甲氨甲基取代了-H，故又称为氨甲基化反应，产物为-氨基酮。,Mannich反应通常是在酸性溶液中进行，除醛、酮外，其它含-H的化合物如酯、腈等也可发生该反应。,-氨基酮是重要的有机合成中间体。如：,（3）Wittig(魏悌希)反应（由醛酮合成烯烃）,Ylides试剂制备,反应机制,给出制备下列烯烃所需ylides试剂和羰基化合物的结构。,合成与应用,-胡萝卜素,（4）安息香缩合,CN-催化,两分子苯甲醛缩合生成安息香(苯偶姻),机制,1共轭不饱和醛酮的加成2共轭不饱和醛酮的还原,第四节共轭不饱和醛酮的加成和还原,-不饱和醛酮加成反应的分类,1共轭不饱和醛酮的加成,C=C亲电加成,C=O亲核加成,1,4-共轭加成,在碱性条件下加成反应的机制,H+,互变异构,H,在酸性条件下加成反应的机制,Z-,互变异构,H,-不饱和醛酮发生加成反应时的选择规律,*1卤素、HOX不发生共轭加成，只在碳碳双键上发生1,2-亲电加成。*2HX,H2SO4等质子酸以及H2O、ROH在酸催化下与,-不饱和醛酮的加成为1，4-共轭加成。*3HCN、NH3及NH3的衍生物等与,-不饱和醛酮的加成也以发生1,4-共轭加成为主。*4醛与RLi,RMgX反应时以1,2-亲核加成为主。与R2CuLi反应，以1,4加成为主。*5酮与金属有机物加成时，使用RLi,主要得C=O的1,2-加成产物，使用R2CuLi,主要得1,4-加成产物，使用RMgX,如有亚铜盐如CuX做催化剂，主要得1,4-加成产物，如无亚铜盐做催化剂，发生1，2加成还是1,4-加成，与反应物的空间结构有关，空阻小的地方易发生反应。,共轭加成的立体化学反型加成,H2O,互变异构,原料应该有一对构象异构体，例如：（1）和（2）。所以产物应为一对光活异构体，例如：（3）和（4）。,(4),(1),(2),(3),2共轭不饱和醛酮的还原,情况一：只与C=O发生反应，不与C=C发生反应。,麦尔外因-彭杜尔夫还原克莱门森还原乌尔夫-凯惜纳-黄鸣龙还原缩硫醇氢解,情况二：C=C、C=O均被还原。,催化氢化孤立时:反应活性为RCHOC=CRCOR共轭时:先C=C，再C=O,用硼烷还原先与C=O加成，再与C=C加成。,