第七章 碳碳重键的加成反应

1、第七章第七章 碳碳重键的加成反应碳碳重键的加成反应 Addition to Carbon Carbon Multiple Bonds碳碳重键的加成碳碳重键的加成CC电子易于极化，电子易于极化，利于亲电试剂的进攻，利于亲电试剂的进攻，容易发生亲电加成反容易发生亲电加成反应。应。Y Y：强吸电子：强吸电子基团，如：基团，如：NO2、CF3、CN等，则等，则发生亲核加成反应。发生亲核加成反应。 叁键可以发生叁键可以发生亲电加成反应，亲电加成反应，但更易发生亲但更易发生亲核加成反应。核加成反应。一一. 亲电加成反应亲电加成反应反应机理：反应机理：1. 正碳离子机理正碳离子机理E NuNu-E+试剂试剂

2、亲电部分亲电部分E+亲核部分亲核部分Nu-第一步：第一步：CCENuCC+ NuE第二步：第二步：反应特点：反应特点：1) 生成顺反异构体：生成顺反异构体：CCENuCCNuCC+ Nu EE2) 重排产物的生成重排产物的生成H2OOHCH3CH3H+OHCH3CH3HPhHHC H3+ D C lDHC H3PhHClDHCH3Ph HCl+DHCH3HClPhCH3CH3+ H2OH+CH3CH3H顺反异构体混合物按正碳离子机理进行反应的底物结构是：按正碳离子机理进行反应的底物结构是： 环状非共轭烯烃环状非共轭烯烃 正电荷能够离域在碳骨架的体系正电荷能够离域在碳骨架的体系2. 鎓型离子的机

3、理鎓型离子的机理CCBrBr CCBr + BrCCBrBrCCBrBr反式加成反式加成按鎓型离子机理进行反应的事实：按鎓型离子机理进行反应的事实：CH3CCCH3CH3CH3Br BrSbF5SO260 C.CCCH3CH3BrH3CH3C按鎓型离子机理进行反应的体系结构特点：按鎓型离子机理进行反应的体系结构特点：1) 底物是简单的烯烃或非共轭链的烯烃，底物是简单的烯烃或非共轭链的烯烃， 即即C + 不稳定的体系；不稳定的体系；2) 亲电试剂的进攻原子是第二周期以上的元素。亲电试剂的进攻原子是第二周期以上的元素。ArSClSArClSArCl3. 三分子亲电加成机理三分子亲电加成机理亲电试剂

4、为亲电试剂为HX2ENuCCENuENuCCCC+ENuHCCCH3CH3H3CH3CCCHHClCH3CH3HClClH炔烃的亲电加成炔烃的亲电加成CH3CH3HCCClCH3CCH3CHCl反式加成反式加成CCHOOCCOOHBr2CCHOOCBrBrCOOHCCBrBrCOOHHOOC7030常见的亲电试剂：常见的亲电试剂：Cl2,Br2,ICl,IBr, HOCl, RSCl, 卡宾 , RCO, B2H6.二二. 亲电加成反应的活性亲电加成反应的活性底物底物a. 双键上的电子云密度越大，越利于亲电试剂双键上的电子云密度越大，越利于亲电试剂 的进攻。的进攻。CH32CCH32CCH32

5、CCH32CCHCH3CH2CH3CHCH2CH2CH2BrCHCH2CH2CHCOOHCHCHCH2CH2CHCH2芳基的芳基的+C效应使正碳离子稳定效应使正碳离子稳定 对称二芳基烯烃，芳基使双键稳定，对称二芳基烯烃，芳基使双键稳定，使亲电加成反应活性降低。使亲电加成反应活性降低。 当吸电子基团与双键上当吸电子基团与双键上C原子直接相连时，亲电原子直接相连时，亲电加成反应活性明显减小。加成反应活性明显减小。HCHCH2PhCHCH3试剂：试剂：与与HX的酸性顺序一致，的酸性顺序一致， 给出质子能力越大，给出质子能力越大， 亲电性越强。亲电性越强。HIHBrHClHF同理：同理：ICl IBr

6、 I2溶剂：溶剂： 溶剂极性越强，利于溶剂极性越强，利于ENu的异裂；的异裂； 利于利于C+、鎓型离子的生成。、鎓型离子的生成。三三. 亲电加成反应的定向亲电加成反应的定向RCHCH2RCHCH2ERCHCH2EE动态：动态：哪个哪个C稳定。稳定。空间效应空间效应静态：静态：哪个哪个C原子上电原子上电子云密度较大；子云密度较大；共轭二烯烃的亲电加成反应共轭二烯烃的亲电加成反应E NuCCCCECCCCENuCCCCENuNuCCXCCCCCCX2Cl2, Br2PhCHCHCHCH2PhCH2CHCHCH2PhCHCHCHCH3HPhCHCHCHCH3ClCH2CHCHCH2PhCl四、亲核加

7、成反应四、亲核加成反应CCENuCCNuEEECCNuCCNu反应机理：反应机理：Y:NO2CHOCORCOORCONH2CNSO2R碳碳叁键的亲核加成反应碳碳叁键的亲核加成反应C2H5OHCCHHKOHCH2CHOC2H5炔烃易于进行亲核加成反应的原因：炔烃易于进行亲核加成反应的原因：CCEECCECCCCE正电荷处正电荷处于于p轨道上轨道上正电荷处于正电荷处于sp2轨道上轨道上PhSHPhHCCKOHPhCHCHSPHPhHCCOPhOCH3HHCCCH3CH3OH五、烯烃的立体选择性反应五、烯烃的立体选择性反应烯烃的立体选择性反应包括烯烃的立体选择性反应包括: 周环反应、环氧化反应、周环

8、反应、环氧化反应、 双羟基化反应、环丙烷化反应。双羟基化反应、环丙烷化反应。1 Diels Alder反应反应 Diels Alder反应之所以有巨大的应用价值，是因为该反应之所以有巨大的应用价值，是因为该反应具有很高的区域选择性和立体选择性。除了形成两个反应具有很高的区域选择性和立体选择性。除了形成两个新的新的C-C键外，反应最多还能产生四个新的手性中心。反键外，反应最多还能产生四个新的手性中心。反应系经过一个高度有序的环状过渡态应系经过一个高度有序的环状过渡态, 因而能够严格控制新因而能够严格控制新生成的立体中心的构型。生成的立体中心的构型。区域选择性区域选择性 理论上讲，一个不对称二烯体

9、和一个不对称亲二烯体的理论上讲，一个不对称二烯体和一个不对称亲二烯体的反应可以生成反应可以生成一对一对异构体的加成产物，但实际上总是得到其异构体的加成产物，但实际上总是得到其中的中的一个一个异构体为主要产物。因此，当丙烯酸衍生物与异构体为主要产物。因此，当丙烯酸衍生物与1-取取代丁二烯加成时代丁二烯加成时, “邻（邻（ortho）”（1,2-）位加成产物是主要）位加成产物是主要产物产物, 而与而与- 取代丁二烯反应时则主要生成取代丁二烯反应时则主要生成“对（对（para）”（1,4-）位加成产物。）位加成产物。 +YYXX1-substituted dieneortho product+Y2-

10、substituted dienepara productXXYCO2Me+RRCO2MeRCO2Me+ R = Me, 20 oC 18 : 1 200 oC 6.8 : 1 i-Pr 200 oC 5 : 1 t-Bu 200 oC 4.1 : 1CO2Me+CO2MeCO2Me+RRRR = OMe 100% Me 5.4 : 1 Ph 4.5 : 1 Cl 100% CN 100%立体选择性立体选择性 （）外型）外型/内型（内型（exo/endo）选择性；）选择性；（）绝对立体化学控制（）绝对立体化学控制 既然反应能形成四个新手性中心，理论上就可能生成既然反应能形成四个新手性中心，理论

11、上就可能生成16种立体异构体。幸运的是两种反应物只进行同面加成，种立体异构体。幸运的是两种反应物只进行同面加成，环加成反应生成立体异构体的数目就减少了环加成反应生成立体异构体的数目就减少了。 次级轨道作用次级轨道作用有利于有利于endo产物生成产物生成Secondary orbital interactionFor the dimerizatio of 1,3-butadiene, there are two approach methods:Endo approach 内型接近Exo approach 外型接近HOMOLUMO11223344endo approachHOMOLUMO1122

12、3344exo approachThe major electronic difference between the endo transition state and the exo transition state is the possibility of an interaction in the endo situation involving on atoms 3 and 3.Transition statesOHOMOLUMOOO次级轨道作用，有利于内次级轨道作用，有利于内型接近。型接近。O+OO+exo onlyno endoOOendo approach, antibond

13、ingexo approach, lower energy次级轨道作用，次级轨道作用，不利于内型接近。不利于内型接近。 使用使用Lewis酸酸作催化剂时，能增加反应的立体作催化剂时，能增加反应的立体选择性。选择性。*亲双烯体通过与亲双烯体通过与Lewis酸的酸的配位作用配位作用降低了其最降低了其最低空轨道低空轨道(LUMO)的能量，从而使二烯体的最高占的能量，从而使二烯体的最高占有轨道有轨道(HOMO)和亲双烯体的最低空轨道和亲双烯体的最低空轨道(LUMO)之间的之间的能垒减小能垒减小。*羰基碳原子轨道系数的增大羰基碳原子轨道系数的增大也能增强也能增强次级轨道次级轨道的的相互作用，增加相互作用

14、，增加endo exo 比例。比例。 反应规律：反应规律： 1) 对对Diels-Alder反应，一般是由二烯（反应，一般是由二烯（Diene）提供）提供 HOMO，由亲二烯体提供，由亲二烯体提供LUMO。 2) 二烯上带有给电子基，亲二烯体上带有吸电子基时反应二烯上带有给电子基，亲二烯体上带有吸电子基时反应 最快。最快。 3) 不同取代基引入后前线轨道能量变化规律：不同取代基引入后前线轨道能量变化规律： Electron-withdrawing group (z)： 降低降低HOMO的能量，的能量， 降低降低LUMO的能量的能量 Electron-donating group (X): 升高

15、升高HOMO的能量，的能量， 升高升高UMO的能量的能量a) 烯烃CCZZXXevLUMOHOMO1.5-10.51.0-9.10-10.93.0-9.0b) 1取代二烯烃evLUMOHOMO1.0-9.1-0.5-9.52.5-8.5CC0.5-8.2ZZXX Diels-Alder加成反应的加成反应的绝对立体选择性绝对立体选择性既可以通既可以通过使用过使用手性手性二烯体或手性亲二烯体控制，也可以通二烯体或手性亲二烯体控制，也可以通过使用过使用手性手性Lewis酸酸控制。控制。1） 使用手性亲二烯体（使用手性亲二烯体（Chiral Dienophile） 在两个反应中，在两个反应中，Lewi

16、s 酸酸通过与分子中二个羰基的通过与分子中二个羰基的配位作配位作用用把亲二烯体固定成一个相对把亲二烯体固定成一个相对刚性刚性的构象的构象，从而提高了反，从而提高了反应的立体选择性。应的立体选择性。2）使用手性二烯体（）使用手性二烯体（Chiral Dienes） 许多制备的手性二烯体在进行许多制备的手性二烯体在进行Diels-Alder 反应时表现出很反应时表现出很高的立体选择性。反应高的立体选择性。反应3.6所示就是一个具有代表性的例子。所示就是一个具有代表性的例子。另一个例子是用马来酸酐不对称合成丁内酯另一个例子是用马来酸酐不对称合成丁内酯 3） 使用手性使用手性Lewis 酸（酸（Chi

17、ral Lewis Acids） 一些带有手性配体的一些带有手性配体的硼硼或或铝铝基催化剂能够赋予基催化剂能够赋予Diels-Alder反反应很高的对映选择性。应很高的对映选择性。 例如例如Corey 等曾报道，等曾报道，二氮杂环铝啶二氮杂环铝啶 (Diazaaluminolidine）是）是环戊二烯衍生物与活泼亲二烯体的环加成反应的有效催化剂。环戊二烯衍生物与活泼亲二烯体的环加成反应的有效催化剂。该配体是一个该配体是一个C 对称性的对称性的1,2-二氨基二氨基1,2-二苯基乙烷的双磺二苯基乙烷的双磺酰胺衍生物，它与酰胺衍生物，它与AlMe3反应生成相应的二氮杂环铝烷催化剂。反应生成相应的二氮

18、杂环铝烷催化剂。NAlNPhPhCF3SO2SO2CF3MeDiazaaluminolidine前列腺素前列腺素手性手性Lewis酸型硼试剂催化的不对称环加成反应酸型硼试剂催化的不对称环加成反应 Corey还发现，由色氨酸制备的还发现，由色氨酸制备的氧氮杂硼啶氧氮杂硼啶催化剂催化剂（Oxazaborolidine）对）对-溴丙烯醛与环戊二烯的环加成反应溴丙烯醛与环戊二烯的环加成反应具有非常高的对映选择性。这种高选择性得益于亲双烯体与吲具有非常高的对映选择性。这种高选择性得益于亲双烯体与吲哚基间的相互作用有利于亲双烯体从一个面和双烯发生反应。哚基间的相互作用有利于亲双烯体从一个面和双烯发生反应。

19、 2. -重排反应重排反应 其产物的结构严格受反应环状过渡态几何构型的要求所控制。其产物的结构严格受反应环状过渡态几何构型的要求所控制。例如例如 3,3 - 迁移重排迁移重排, 反应表现出高度立体选择性，可通过假定反应表现出高度立体选择性，可通过假定反应经过反应经过“类椅式类椅式”（chair-like ）过渡态得到合理解释：）过渡态得到合理解释：在这种在这种“椅椅式式”过渡态过渡态中，处于中，处于1,3- 位直位直立键上取代立键上取代基的相互排基的相互排斥作用被降斥作用被降至最低至最低同样的原理亦适用于各种类型的同样的原理亦适用于各种类型的Claisen 重排反应。重排反应。烯烃的其它立体选

20、择性反应烯烃的其它立体选择性反应 硼氢化反应硼氢化反应 (Hydroboration）氢化反应氢化反应（Hydrogenation）环氧化反应环氧化反应（Epoxidation）氮杂环丙烷化反应氮杂环丙烷化反应（Aziridination）环丙化反应环丙化反应 Cyclopropanation双羟化反应双羟化反应 (Hydroxylation)3. 立体选择性硼氢化反应立体选择性硼氢化反应能进行硼氢化反应的各类硼试剂包括：能进行硼氢化反应的各类硼试剂包括： 二硼烷二硼烷（B2H6）、）、硼烷硼烷-THF配合物配合物、硼烷二甲硫醚配合硼烷二甲硫醚配合物物 （BMS），），-硼杂双环硼杂双环 3.

21、3.1 壬烷壬烷（BBN）和）和儿查酚硼儿查酚硼烷烷(CB)。 在没有催化剂存在的条件下，不对称取代烯烃的硼氢化反应在没有催化剂存在的条件下，不对称取代烯烃的硼氢化反应具有具有区域选择性区域选择性（反（反Markownikov规则）和规则）和立体选择性立体选择性（顺式加（顺式加成）。很大程度上区域选择性由立体因素决定。成）。很大程度上区域选择性由立体因素决定。 二或三取代烯烃的硼氢化反应后可生成一或两个新的手性碳。二或三取代烯烃的硼氢化反应后可生成一或两个新的手性碳。这些性质为硼氢化反应在不对称合成上的应用提供了大量的机会这些性质为硼氢化反应在不对称合成上的应用提供了大量的机会 1） 底物控制

22、底物控制手性底物硼氢化反应的立体化学是非对映选择性的手性底物硼氢化反应的立体化学是非对映选择性的. 2） 试剂控制试剂控制 两种应用最广的手性硼氢化试剂是单和双异松蒎基硼烷。两种应用最广的手性硼氢化试剂是单和双异松蒎基硼烷。BH2)2BHBH3THF(+)- -Pinene(-)-IpcBH2(-)-Ipc2BH23） 催化剂控制催化剂控制 用用儿茶酚硼烷（儿茶酚硼烷（CB）进行硼氢化的反应可以被铑和二膦化物进行硼氢化的反应可以被铑和二膦化物形成的配合物所催化，在某些情况下，甚至会神奇地改变硼氢化形成的配合物所催化，在某些情况下，甚至会神奇地改变硼氢化反应的区域选择性。反应的区域选择性。4.

23、立体选择性氢化反应立体选择性氢化反应 氢化反应既可使用研细的金属催化剂在多相条件下进行，也氢化反应既可使用研细的金属催化剂在多相条件下进行，也可使用可溶性的铑或钌催化剂在均相条件下进行。在这些条件可使用可溶性的铑或钌催化剂在均相条件下进行。在这些条件下，和硼氢化反应相似，加氢反应也是下，和硼氢化反应相似，加氢反应也是顺式顺式加成。而且不管是加成。而且不管是采用底物控制的方法采用底物控制的方法, 还是采用含手性膦配体的催化剂，都可以还是采用含手性膦配体的催化剂，都可以实现实现绝对非对映选择性绝对非对映选择性和和对映选择性对映选择性合成。合成。 反应反应5.11在手性铑催化剂作用下经过不对称加氢反应还原在手性铑催化剂作用下经过不对称加氢反应还原,-不饱和氨基酸的可能机理。不饱和氨基酸的可能机理。5. 立体选择性环氧化反应立体选择性环氧化反应 将烯烃转化成环氧化