有机化学亲核加成机理

1、羰基化合物的亲核加成和取代反应羰基化合物的亲核加成和取代反应本章主要内容本章主要内容一一羰基的结构及反应特性羰基的结构及反应特性二二羰基的亲核加成羰基的亲核加成 1. 概述概述 2. 含含O, S亲核试剂亲核试剂 3. 含含N亲核试剂亲核试剂 4. 含含C亲核试剂亲核试剂 5. a a, b b 不饱和羰基的亲核加成不饱和羰基的亲核加成三三羧酸及其衍生物的亲核取代反应羧酸及其衍生物的亲核取代反应一、羰基的结构及反应特性一、羰基的结构及反应特性1. 羰基的结构特点羰基的结构特点 The carbonyl group is polar and the partial positive charge

2、 on the carbonyl carbon causes carbonyl compounds to be attacted by nucleophiles.一、羰基的结构及反应特性一、羰基的结构及反应特性2. 各种含羰基的化合物各种含羰基的化合物(1) Class I 醛和酮醛和酮ORHORRan aldehydean ketone(2) Class II 羧酸及其衍生物羧酸及其衍生物主要发生亲核加成反应主要发生亲核加成反应主要发生亲核取代反应主要发生亲核取代反应一、羰基的结构及反应特性一、羰基的结构及反应特性3. 发生在羰基上的反应的类型（亲核反应）发生在羰基上的反应的类型（亲核反应）

3、1) 亲核加成亲核加成2) 羰基氧被羰基氧被N取代取代3) 羰基氧被羰基氧被C取代取代4) 亲核取代反应亲核取代反应C OC OENuNuE C OH2NYC NYC OPh3PC CR1R2CR1R2C OYNuC ONu+Y一、羰基的结构及反应特性一、羰基的结构及反应特性4. 亲核反应活性亲核反应活性烷基给电子作用烷基给电子作用一、羰基的结构及反应特性一、羰基的结构及反应特性4. 亲核反应活性亲核反应活性空间位阻影响空间位阻影响一、羰基的结构及反应特性一、羰基的结构及反应特性一、羰基的结构及反应特性一、羰基的结构及反应特性4. 亲核反应活性亲核反应活性RCXRCOCRRCOHRCORRCN

4、OOOOOORR酰卤酸酐羧酸酯酰胺酰卤酰卤 酸酐酸酐 醛醛 酮酮 羧酸羧酸 酯酯 酰胺酰胺取决于与羰基相连的基团的电子效应取决于与羰基相连的基团的电子效应二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成1. Summary(1) Nucleophiles负离子亲核试剂（碱性条件）：负离子亲核试剂（碱性条件）： OH、 OR、 SR、 H、 CN、 CCR、 CR3、（、（MR）中性分子亲核试剂（中性或酸性条件）：中性分子亲核试剂（中性或酸性条件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成1. Summary(2) MechanismOONuOENuNuE N

5、u快慢OOHOHOHNuOHNuHHNu H慢快-H快n 碱性条件下碱性条件下n 酸性条件下酸性条件下二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成1. Summary(3) Stereochemistry非手性条件下，得外消旋体非手性条件下，得外消旋体二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成1. Summary(3) Stereochemistry手性条件下，有立体选择性，手性条件下，有立体选择性，Cram法则：法则： 羰基上的羰基上的R基团与大的基团基团与大的基团 (L) 呈重叠式构象，羰呈重叠式构象，羰基氧则处于中等基团基氧则处于中等基团 (M) 与较小基团与较小基团 (S) 中间，亲中间，亲核试剂从

6、小的基团这一方进攻为主要进攻方向。核试剂从小的基团这一方进攻为主要进攻方向。LMSORNuELMSOENuRLMSOERNu+主要产物次要产物二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成2. 含含O, S亲核试剂亲核试剂 包括包括H2O, ROH, RSH, 和和NaHSO3(1) H2O酸碱催化，加快平衡的达到，但不影响平衡移动。酸碱催化，加快平衡的达到，但不影响平衡移动。水合物水合物 Keq210-31.42.3103IR中无中无C=O吸收峰吸收峰H3CCH3O+H2OOHH3CCH3OH99.8%0.2%H3CHO+H2OOHH3CHOH42%58%HHO+H2OOHHHOH0.1%99.9%C

7、l3CHO+H2OOHCl3CHOH二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成(1) H2O羰基连有吸电子基团的容易形成水合物羰基连有吸电子基团的容易形成水合物二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成2. 含含O, S亲核试剂亲核试剂(2) ROH酸催化：固体酸，如酸催化：固体酸，如TsOH 无水酸，如干燥无水酸，如干燥HCl气体气体(2) ROH例例1l 可逆反应，通过油水分离器不断除去可逆反应，通过油水分离器不断除去反应过程中形成的水，使反应完全。反应过程中形成的水，使反应完全。l 缩醛和缩酮在碱性条件下稳定，酸缩醛和缩酮在碱性条件下稳定，酸性水溶液中加热又回复到醛、酮。性水溶液中加热又回复到醛、酮

8、。因此，可利用这一反应保护醛酮的羰基。因此，可利用这一反应保护醛酮的羰基。二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成(2) ROH羰基的保护，例羰基的保护，例1(2) ROH羰基的保护，例羰基的保护，例2二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成2. 含含O, S亲核试剂亲核试剂(3) RSH二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成2. 含含O, S亲核试剂亲核试剂(4) NaHSO3产物为盐，溶于水产物为盐，溶于水用于将醛酮同不溶于水的有机物分开用于将醛酮同不溶于水的有机物分开RH(R)O+ NaHSO3RONaH(R)SO3HROHH(R)SO3NaROHH(R)SO3NaRH(R)O+NaHSO3HCl

9、Na2CO3NaCl + SO2+ H2ONa2SO3+ CO2+ H2O二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成3. 含含N亲核试剂亲核试剂(1) RNH2 and YNH2经历经历亲核加成亲核加成和和脱水脱水两个步骤。两个步骤。相当于羰基氧被氮所取代，形成相当于羰基氧被氮所取代，形成亚胺亚胺(imine)。可逆，经酸水解可得回醛酮。可逆，经酸水解可得回醛酮。C NY+H2OHC O+H3NY+C OH2N YC N+H2OYan aldehydeora ketonea primary amineor other derivativeof ammoniaan imine(1) RNH2 and

10、YNH2表表13-1 氨基衍生物与醛酮加成反应氨基衍生物与醛酮加成反应反应物反应物YNH2生成物生成物基团基团Y名称名称结构式结构式名称名称R1胺胺席夫碱（席夫碱（shiff base）OH羟胺羟胺肟（肟（oxime）NH2肼肼腙（腙（hydrazone）NHC6H5苯肼苯肼苯腙（苯腙（phenylhydrazone）NHCONH2氨基脲氨基脲缩氨脲（缩氨脲（semicarbazone）C NRC NOHC NNH2C NNHC6H5C NNHCONH2二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成3. 含含N亲核试剂亲核试剂(2) R2NH经历经历亲核加成亲核加成和和脱水脱水两个步骤两个步骤脱水发生在

11、羰基的脱水发生在羰基的 a a - C上而非上而非N上，形成烯胺上，形成烯胺(enamine)C ONHR2CONHR2COHNHR2CCNR2COHNR2COH2NR2CCNR2an enamineneutral tetrahedral intermediateH-H-H2OH-HHH-H+二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成3. 含含N亲核试剂亲核试剂(2) R2NH反应可逆，经酸水解可得回醛酮。反应可逆，经酸水解可得回醛酮。N+H2OHONHH+醛酮可以通过烯胺进行醛酮可以通过烯胺进行-烷基化和烷基化和-酰基化反酰基化反应，应，合成上应用广泛（见第十四章）合成上应用广泛（见第十四章）二、

12、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成4. 含含C亲核试剂亲核试剂(1) CNC OCOCN+CNHCNCOHCN+CNa a-羟基腈cyanohydrinCOHCNa a-羟基腈H ,H2OH2PtCOHCOOHCOHCH2NH2a a-羟基酸b b-氨基醇 二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成4. 含含C亲核试剂亲核试剂(2) CCRCOHCO+HC CRKOHH2OCRCH3COCH3KC CHKOH一缩二乙二醇二甲醚(H3C)2COHC CH+H2Lindlar cat(H3C)2C CHOHAl2O3H2CC CHCH3CH2CH2二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成4. 含含C亲核试剂亲

13、核试剂(3) 有机金属试剂有机金属试剂格氏试剂格氏试剂、有机锂有机锂试剂等试剂等广泛用于合成各级醇广泛用于合成各级醇，也可用于合成醛酮。，也可用于合成醛酮。OR MgBrOMgBrRH2OOHRYOR MgBrOMgBrYR-YMgBrROR MgBrH2OOHRR其中：Y=X or ORC NRMgBrNMgBrRH2OORR MgXR LiRCOORCOROHRCOCl1.CO22.H2O1.1.RCHO1.RCOROR COOHR CH2OHR CH2CH2OHR CR CRR CHR CRR CHROHOHROOO羧酸1醇1醇2醇3醇醛酮酮RMgXRMgXRMgXRCHOHRR CR

14、COHRROHRR3醇3醇2醇2.H3O2.H3O2.H3O2.H3O1.HCHO1. RCN2.H3O酮R CROR格氏试剂的应用格氏试剂的应用低温和空间位阻作用低温和空间位阻作用使用不活泼的金属试剂使用不活泼的金属试剂可能将反应控制在酮的阶段可能将反应控制在酮的阶段二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成4. 含含C亲核试剂亲核试剂(4) Ylide试剂试剂 An ylide is a compound that has opposite charges on adjacent, covalently bonded atoms with complete octets of valence e

15、lectrons, for example, a phosphonium ylide:二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成4. 含含C亲核试剂亲核试剂(4) Ylide试剂试剂Ylide试剂的形成试剂的形成Wittig reaction the reaction of an aldehyde or a ketone with a phosphonium ylide to form an alkene. Wittig reaction it is completely regioselective, unlike E2 it is also stereoselectivePh3P CH+ H3C

16、O2589%HH唯一产物NO2CHOOCH3O2N顺反烯烃的生成受条件和顺反烯烃的生成受条件和Ylide试剂的结构、活性等影响很大试剂的结构、活性等影响很大The use of Wittig reaction in industry5. a a, b b 不饱和羰基的亲核加成不饱和羰基的亲核加成1，2和和1，4加成加成关于亲核加成的小结关于亲核加成的小结2. 含含O, S亲核试剂亲核试剂4. 含含C亲核试剂亲核试剂影响因素：影响因素：(1) 亲核试剂的碱性；亲核试剂的碱性；(2) (2) 空间位阻空间位阻(4) Ylide试剂试剂(3) 有机金属试剂有机金属试剂(2) CCR(1) CN3.

17、含含N亲核试剂亲核试剂(1) RNH2 and YNH2包括包括H2O, ROH, RSH, 和和NaHSO31. 概述概述 结构、机理、反应活性、立体化学结构、机理、反应活性、立体化学(2) R2NH C-C键的形成键的形成羰基的保护羰基的保护醛酮的分离纯化醛酮的分离纯化亚胺及其衍生物的形成亚胺及其衍生物的形成烯胺的形成烯胺的形成 -羟基羟基腈腈、- -羟基酸和羟基酸和- -氨基醇氨基醇炔醇的合成炔醇的合成C=C的形成的形成各级醇的合成、醛酮的合成各级醇的合成、醛酮的合成二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成5. a a, b b 不饱和羰基的亲核加成不饱和羰基的亲核加成Both 1,2-ad

18、dition and 1,4-addition can happen, they are also called as direct addition and conjugated addition二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成影响影响 1,2-和和1,4-加成的因素加成的因素(1) 亲核试剂的碱性亲核试剂的碱性Nucleophiles that are strong bases, such as RLi and LiAlH4, tend to form direct addition products，for the reaction is irrersible.Nucleophile

19、s that are relatively weak bases, such as CN, amines, thiols, and X, usually form conjugated addition products. 二、羰基的亲核加成二、羰基的亲核加成影响影响 1,2-和和1,4-加成的因素加成的因素(1) 亲核试剂的碱性亲核试剂的碱性C CNuCHOirreversible1,4-additionC CC O+ NuHreversible1,2-additionC CC OHNuwhen Nu is a weak baseirreversible1,2-additionwhen Nu

20、 is a strong baseC CC OHNumajorminermajor(1) 亲核试剂的碱性亲核试剂的碱性OCN+HClCNOCH3SHCH CHCHOCHSCH3CH2CHO影响影响 1,2-和和1,4-加成的因素加成的因素( (2) 2) 空间位阻空间位阻CH CH C COCH CH2C CO1.EtMgBr1,4-加成100%CH3CH3CH3EtCH3CH3CH32.H3OCH CH COCH CH2CO1,4-加成 92%1.MgBr2.H3OCH CH C CH3OCH CH C H2.H3O1.MgBrCH CH2CO1,4-加成12%1,2-加成 80%+CH3O

21、H三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应1. Mechanism for nucleophilic substitutionRYOORYNuRNuO+YNuRYORYOHOHRYNuHHNuHOHRYNuOHRYHNu-YHRNuOHRNuO-H-H+H三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应2. Reaction activityThe weaker the base, the better it is as a leaving groupThe less basic the substituent (Y), the more reactiv

22、e the carboxylic acid derivative三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应碱性强弱顺序为：碱性强弱顺序为： X RCOO RO HO R2N 反应活性顺序为：反应活性顺序为：2. Reaction activity三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应For a carboxylic acid derivative to undergo a nucleophilic acyl substitution reaction, the incoming nucleophile must not be a much wea

23、ker base than the group that is to be replaced.A carboxylic acid derivative can be converted into a less reactive carboxylic acid derivative, but not into one that is more reactive.2. Reaction activity三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应2. Reaction activity三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应3. Interconvert

24、ion of carboxylic acid derivatives(1) hydrolysis(水解水解)R COOHH2OH2O(RCO)2ORCOClRCONHRR CNRCOORH or OH H or OHHor OHH2O, H2O, H2O,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应3. Interconvertion of carboxylic acid derivatives(2) Alcoholysis (醇解醇解) and aminolysis (氨解氨解)RCOOR orRCONRR(RCO)2ORCONH2NRCRCOORRCOOHRCOCl三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应4. Preparation of acyl halideRCOOHRCOCl+HCl+SO2RCOCl+1/3H3PO3RCOCl+POCl3+HClbp107SOCl2(bp79)1/3PCl3(bp75)PCl5(bp166)三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应三、羧酸及其衍生物的亲核取