第六章羰基化合物的反应

第七章羰基化合物的反应Reactionofcarbonylcompounds

第一页，共一百四十一页。反应机理亲核加成反应加成消去反应反应活性反应立体选择性重要的缩合反应第二页，共一百四十一页。7.1羰基化合物反应机理平面结构有极性亲核加成羰tāng第三页，共一百四十一页。羰基的亲核加成反应机理亲核试剂加成产物反应底物（1）在加成反应过程中，羰基碳原子由原来sp2杂化的三角形结构变成了sp3杂化的四面体结构；（2）亲核加成的速度影响因素：a.电子效应：羰基碳亲电能力和亲核试剂亲核性；b.空间效应：羰基周围基团第四页，共一百四十一页。碱催化：慢试剂进攻羰基碳原子生成氧负离子是决速步为增加试剂亲核性，常需碱催化碱可以使较弱的亲核试剂H―Nu转化为亲核性较强的亲核试剂Nu-，从而加速反应的进行。第五页，共一百四十一页。酸催化：羰基质子化提高反应活性慢Nu-进攻碳原子是决速步使羰基质子化，质子化的羰基碳有更大的正电性、更容易接受亲核试剂的进攻。第六页，共一百四十一页。反应底物电子效应空间效应亲核反应的影响因素亲核试剂亲核性极化性空间效应第七页，共一百四十一页。醛、酮的反应活性

醛、酮与KHSO3的反应产率CH3COCH2CH2CH3羰基化合物一小时后反应产率%羰基化合物一小时后反应产率%HCHO70—90CH3COCH(CH3)23RCHO70—90CH3CH2COCH2CH32CH3COCH322C6H5COCH3112

第八页，共一百四十一页。反应底物

HCHO

RCHO

RCOCH3

RCOR

PhCOR第九页，共一百四十一页。有-I或-C基团反应活性增加有+I或+C基团反应活性降低电子效应羰基碳上的正电性越强反应越容易进行第十页，共一百四十一页。第十一页，共一百四十一页。强吸电子基团形成分子内氢键产物稳定，平衡向右移动第十二页，共一百四十一页。CH3—、R—、C6H5—等基团具有+I、+C效应，使羰基碳原子正电荷减少，降低其反应活性。醛类中甲醛的活性最大。

-I或-C效应的基团使羰基碳原子的正电荷增加，反应活性增强，生成的水合物稳定性也增加。如三氯乙醛和六氟丙酮能和水形成稳定的水合物，能以晶体的形式离析。第十三页，共一百四十一页。空间效应羰基相连基团越大越不利于反应进行第十四页，共一百四十一页。Nusp2杂化平面三角型sp3杂化四面体键角：120°109°28′产物中基团拥挤程度增大。R越大，妨碍Nu:进攻C原子。第十五页，共一百四十一页。缓解角张力角张力缓解程度不大第十六页，共一百四十一页。醛、酮羰基碳原子所连的基团空间位阻或空间张力愈大，则羰基的反应活性愈小。这一方面是由于大的位阻会阻碍亲核试剂的进攻；另一方面醛、酮羰基碳原子为sp2杂化，键角为1200，而加成产物原羰基碳原子变成了sp3杂化，键角接近109028’，基团体积大，加成后必然张力增加也大，使亲核加成难以发生。第十七页，共一百四十一页。试剂的体积越小反应越容易进行试剂极化度越大反应越容易进行试剂亲核性越强反应越容易进行反应试剂第十八页，共一百四十一页。7.2羰基加成反应与格氏试剂的加成与胺及氨的衍生物的加成与醇的加成与水的加成与金属有机物的加成与亚硫酸氢钠的加成与氢氰酸的加成第十九页，共一百四十一页。与氢氰酸的加成氰根离子加在羰基碳上，氢加在羰基氧上，生成氰醇。腈②①第二十页，共一百四十一页。应用：增长碳链的一种方法。α－羟基腈根据不同的条件，可以转化为α－羟基酸或α，β－不饱和酸。COCH3CH3+NaCNH2SO4CCH3CH3CNOHH2SO4HClCCH3CH3COOHOHCH3CH2=C-COOH氰基水解消除+氰基水解第二十一页，共一百四十一页。与亚硫酸氢钠的加成应用：a鉴别化合物（2-戊酮和3-戊酮）b分离和提纯醛、酮第二十二页，共一百四十一页。分离3-戊酮和2-戊酮的混合物CH3CH2CH2CSO3NaCH3OH过滤分离H2OHClCH3CH2CCH2CH3OCH3CH2CH2CCH3Obp：102℃bp：101℃==CH3CH2CCH2CH3O=3-戊酮CH3CH2CCH2CH3O=2-戊酮CH3CH2CH2CCH3O=NaHSO3蒸馏蒸馏滤液沉淀（粗产物）CH3CH2CH2CCH3O=第二十三页，共一百四十一页。与金属有机物的加成R-CC-Na++NH3(液)或乙醚H2O炔醇第二十四页，共一百四十一页。与水的加成第二十五页，共一百四十一页。碱和酸都能催化水化反应

第二十六页，共一百四十一页。与醇的加成醛、酮在酸催化下和醇加成形成缩醛、缩酮。缩醛和缩酮能被酸水解为醛和酮。

半缩醛缩醛第二十七页，共一百四十一页。半缩醛和缩醛形成的机理：半缩醛：亲核加成缩醛：亲核取代第二十八页，共一百四十一页。应用：有机合成中用来保护羰基。1.直接氧化？2.先保护，后氧化：第二十九页，共一百四十一页。酮与醇的反应很慢，生成缩酮比较困难。需要用二元醇反应可以顺利制得缩酮。RRCH2-OHCRROOCH2CH2~△C=O+CH2-OH+H2O8085%第三十页，共一百四十一页。第三十一页，共一百四十一页。与胺及氨的衍生物的加成加成－消去反应：第三十二页，共一百四十一页。席夫碱Schiff’sbase醛(酮)肟腙苯腙2,4-二硝基苯腙缩氨脲应用：鉴别醛酮第三十三页，共一百四十一页。与格氏试剂的加成加成产物水解后生成醇，用于制备各种醇。第三十四页，共一百四十一页。制备各类醇：反应活性：格式试剂可以同大多数醛、酮发生反应。但若酮分子中与羰基相连的两个烃基及格式试剂中烃基体积都很大时，加成产物产率降低或不起反应。原因：空间阻碍效应第三十五页，共一百四十一页。

此反应是制备结构复杂的醇的重要方法。CH3CH2CH2CH2MgBr+(CH3)2C=O干醚CH3CH2CH2CH2COMgBrCH3CH3CH3CH2CH2CH2COHCH3CH3H3O+2-甲基-2-己醇(92%)只要选择适当原料，除甲醇外，几乎任何醇都可用此法合成。制备举例：第三十六页，共一百四十一页。应用：醇的制备第三十七页，共一百四十一页。同一种醇可由不同的格利雅试剂和不同的羰基化合物生成：第三十八页，共一百四十一页。其他亲核试剂第三十九页，共一百四十一页。醛、酮的亲核加成反应都有哪些？各有什么作用？加HCN（制腈，制羧酸等）加NaHSO3（鉴别、分离、提纯等）加格利雅试剂（制醇等）加醇（保护醛基等）加氨（鉴别、分离、提纯等）第四十页，共一百四十一页。羰基化合物的加成反应有一定的立体选择性可用来进行手性合成7.3加成反应的立体选择性第四十一页，共一百四十一页。Cram规则I加成反应遵循规则LiAlH4还原NaBH4还原格氏试剂加成A当羰基邻位为手性碳原子分子内无氢键B第四十二页，共一百四十一页。基团的大小L>M>SCram规则I：羰基与不对称原子相连时，反应试剂试剂从羰基旁空间位阻较小的基团（S）一边接近分子,得到主要产物。第四十三页，共一百四十一页。第四十四页，共一百四十一页。Cram规则II羰基邻位的不对称碳原子上有羟基、氨基等能与羰基氧形成羟基的基团时亲核试剂从含氢键环的空间阻碍小的一边对羰基加成第四十五页，共一百四十一页。Cornforth规则当酮的α-手性碳原子上连卤素原子由于卤原子与羰基的偶极作用优势构象是卤原子与羰基在对位交叉位置试剂优先从空间位阻小的一边进攻第四十六页，共一百四十一页。第四十七页，共一百四十一页。若α-手性碳原子上连接的烃基较大空间效应与电子效应的作用相当Cornforth规则不适用第四十八页，共一百四十一页。7.4碳负离子共价键发生异裂形成带有负电荷的三价碳原子的原子团第四十九页，共一百四十一页。1.碳负离子的结构..109º28′90º

孤对电子处于sp3杂化轨道上电子对间的排斥力小负碳离子稳定sp3杂化棱锥型sp2杂化平面三角型第五十页，共一百四十一页。简单的烷基碳负离子的中心碳原子可能为SP3杂化的角锥形构型未共享电子对占据正四面体的一个顶点若孤对电子与邻近的不饱和原子团共轭为SP2杂化平面构型第五十一页，共一百四十一页。SP3杂化的角锥形构型容易发生反转反转是通过中心碳原子的再杂化由SP3杂化转变为SP2杂化最后达到平衡第五十二页，共一百四十一页。光学活性-70ºC,20%光学活性

0ºC,外消旋化第五十三页，共一百四十一页。C-H键的异裂

2.碳负离子的生成碳原子酸碳氢键的碳原子上存在吸电子基团时易形成碳负离子。第五十四页，共一百四十一页。第五十五页，共一百四十一页。第五十六页，共一百四十一页。叔丁氧基负离子氨基负离子二甲亚砜负离子二异丙基氨基锂

二（三甲硅基）氨基锂常用的强碱第五十七页，共一百四十一页。负离子对不饱和键的加成亲核试剂，很多时候以烯醇式负离子结构存在的第五十八页，共一百四十一页。为了满足合成的需要，常常需要形成单一部位的烯醇盐。需要从形成碳负离子的条件上加以控制。（1）动力学控制：形成碳负离子部位碳氢被碱提取质子的相对速度低温，体积大的碱易使碳负离子在位阻小部位的碳氢形成（2）热力学控制:两种碳负离子能够相互转化并达到平衡高温、体积小的碱，碳负离子易于形成在取代基较多部位第五十九页，共一百四十一页。同一反应物用不同的碱和不同温度得到不同产物动力学控制热力学控制-72℃25℃第六十页，共一百四十一页。与吸电子基团相连时使电荷分散稳定性增大CH3-HF3C-H(CF3)3C-HpKa422811与推电子基团相连时使电荷集中稳定性降低稳定性:CH3->CH3CH2->>(CH3)2CH->(CH3)3C-诱导效应3.影响负碳离子稳定性的因素第六十一页，共一百四十一页。邻近原子有孤对电子时碳负离子稳定性降低第六十二页，共一百四十一页。3)应共轭效应与共轭体系相连时负电荷分散稳定性增加第六十三页，共一百四十一页。-C效应的影响OHC-CH2-CHOCH3COCH2COCH3NCCH2CNCH3NO2pKa591110第六十四页，共一百四十一页。

杂化作用C-H键中碳的ｓ成分越多H越易以质子形式解离第六十五页，共一百四十一页。将分子间或分子内不相连的两个碳原子连接起来的反应称缩合反应(condengsationreaction)缩合反应的机理相似在酸或碱的作用下形成亲核试剂对羰基进行亲核加成7.5重要的缩合反应X、Y为强的吸电子基团，如-CHO、-COR、-COOR、-NO2、-CN等，X、Y其中一个可以是H或烷基。B-第六十六页，共一百四十一页。一.羟醛(Aldol)缩合反应有-H的醛、酮化合物在酸或碱催化时，可自身反应形成两个分子的加成物羟醛（酮）。有时进一步脱水形成α，β-不饱和羰基化合物的反应。第六十七页，共一百四十一页。第六十八页，共一百四十一页。-H+-H2O酸催化下的反应机理烯醇化亲核加成酸碱反应H+-H+第六十九页，共一百四十一页。碱催化下的反应机理CH3CH=O-CH2CH=O-B：CH3CH=O-H2OCH3CH=CHCHO（巴豆醛）常用的碱性催化剂有：KOH，C2H5ONa，(t-BuO)3Al.催化剂用量应在0.5mol以上。H2O烯醇化亲核加成酸碱反应第七十页，共一百四十一页。羟醛缩合反应中碳碳键形成的立体化学与加成反应中椅式环己烷过渡态构象有关过渡态的构象取决于碳负离子共振结构中烯醇离子的Z、E型结构及反应属动力学控制还是热力学控制有关第七十一页，共一百四十一页。E型烯醇盐anti(threo-)β-羟基酮z型烯醇盐syn(erythro-)β-羟基酮第七十二页，共一百四十一页。羰基化合物中的取代基越大这种立体选择性越强第七十三页，共一百四十一页。环状结构的酮只能形成E型烯醇盐产物以anti-产物为主第七十四页，共一百四十一页。为了改善Aldol缩合反应的立体选择性，从以下两个方面入手：1、加强碳负离子形成时的立体选择性2、改善加成反应过程中的立体选择性选用硼化物代替其他金属离子：硼化合物的烯醇盐（酯）中氧硼键结合比烯醇盐更具共价键特征，过渡态结构比较紧密，使得反应立体选择性增加。乙基同类化合物与二烃基硼的三氟甲磺酸酯在叔胺存在下主要形成Z型烯醇硼酸酯，与醛进一步加成，得syn-加成物第七十五页，共一百四十一页。利用硼化合物形成的碳负离子进行醇醛缩合，反应的立体选择性分别于硼化合物上的取代基和反应溶剂有关。当-重氮酮与三烃基硼烷反应可得到E型的烯醇硼酸酯，进一步与醛加成主要得到anti-加成物。催化量的弱碱如酚盐可将中间体由E型转为Z型。多量少量第七十六页，共一百四十一页。羟醛缩合也可在酸的催化下进行第七十七页，共一百四十一页。Mukaiyama-CarreiraReaction第七十八页，共一百四十一页。二.Knoevenagel-Doebner缩合在弱碱作用下醛和酮与含有活泼亚甲基的化合物失水缩合的反应第七十九页，共一百四十一页。Stobbe缩合：丁二酸酯类与醛或酮的缩合反应中其中一个-COOR总是转变为-COO-而且得到α，β-不饱和羰基化合物的反应。第八十页，共一百四十一页。三.Mannich反应具有活泼氢的化合物和甲醛及胺同时缩合活泼氢被胺甲基或取代胺甲基代替的反应也称胺甲基化反应第八十一页，共一百四十一页。第八十二页，共一百四十一页。托品酮第八十三页，共一百四十一页。Mannich反应的适用范围：醛胺：氨、伯胺、仲胺至少含一个活泼氢的化合物：第八十四页，共一百四十一页。第八十五页，共一百四十一页。第八十六页，共一百四十一页。四.Claisen缩合含α-氢的酯在碱作用下缩合生成β-酮酸酯第八十七页，共一百四十一页。第八十八页，共一百四十一页。五.Dieckmann酯缩合二元酸酯若分子中的酯基被四个以上的碳原子隔开时，就发生分子中的酯缩合反应，形成五圆环或更大环的酯第八十九页，共一百四十一页。六.Darzen反应醛酮在碱作用下与α-卤代酸酯反应生成α,β-环氧酯的反应第九十页，共一百四十一页。第九十一页，共一百四十一页。第九十二页，共一百四十一页。七.Michael加成负碳离子与α,β-不饱和醛酮的1,4-加成反应常用碱性催化剂：第九十三页，共一百四十一页。反应机制第九十四页，共一百四十一页。七.Reformatsky反应醛酮与α-卤代酸酯的有机锌试剂反应生成β-羟基酯的反应第九十五页，共一百四十一页。八.Perkin反应在碱性条件下芳香醛与羧酸酐反应生成β-芳基-α,β-不饱和酸的反应第九十六页，共一百四十一页。九.Benzoin缩合芳香醛在CN－的作用下发生双分子缩合生成芳香族α-羟基酮类化合物的反应第九十七页，共一百四十一页。CN-的作用作为亲核试剂进攻羰基作为吸电子基使质子离去作为离去基团离去亲电性亲核性极性翻转第九十八页，共一百四十一页。十.羰基与叶立德的反应叶立德(ylide)具有R3Y＋－C－R2结构的化合物Y：P、As、S等鎓内盐(ylid)是指一种化合物，再其分子内含有碳负离子，和碳负离子相邻的杂原子带正电荷，这些杂原子为P、N、S、As、Sb、Se等第九十九页，共一百四十一页。1.Wittig反应

Wittig试剂：

膦的内盐膦的叶立德(ylid)第一百页，共一百四十一页。Wittig试剂与羰基发生亲核加成反应生成烯烃：

第一百零一页，共一百四十一页。反应机理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。第一百零二页，共一百四十一页。Wittig试剂是膦盐在强碱的作用下制备的：Wittig反应应用范围很广。对于,试剂只与羰基作用。第一百零三页，共一百四十一页。第一百零四页，共一百四十一页。活泼的叶立德稳定的叶立德第一百零五页，共一百四十一页。Wittig-Horner反应膦酸酯Wittig-Horner试剂亚磷酸酯第一百零六页，共一百四十一页。第一百零七页，共一百四十一页。2.硫叶立德与羰基的反应第一百零八页，共一百四十一页。第一百零九页，共一百四十一页。Wittig反应与Wittig-Horner反应应用实例：第一百一十页，共一百四十一页。第一百一十一页，共一百四十一页。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7.6羧酸衍生物与亲核试剂的反应

第一百一十二页，共一百四十一页。2.反应活性作为酰基化试剂活性为：酰氯>酸酐>酯>酰胺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。第一百一十三页，共一百四十一页。3.酯的水解酰氧键的断裂烷氧键的断裂无论是酸催化还是碱催化一般发生酰氧键断裂第一百一十四页，共一百四十一页。碱催化：双分子酰氧键断裂（BAc2）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。第一百一十五页，共一百四十一页。影响反应的主要因素是取代基的电子效应和空间效应分子中有吸电子基有利于反应进行取代基的体积小有利于反应进行第一百一十六页，共一百四十一页。例：33℃RkCH31CH2ClCHCl2CH2CO26061307200RkCH31ClOCH3NO20.54110H0.2吸电子基团：提高羰基缺电子程度、有利于分散中间体上的负电荷第一百一十七页，共一百四十一页。例：25℃RkCH31CH3CH2CH(CH3)20.790.370.03C(CH3)30RkCH31CH3CH2CH(CH3)20.60.150.0084C(CH3)3加成过程中，取代基体积越大，基团的空间拥挤程度增大，加成速度越慢。第一百一十八页，共一百四十一页。值得注意的是，虽然羧酸的酯化反应与酯的水解反应是一对可逆反应，但在BAc2催化条件下，实际过程中逆反应基本上不可能发生。在碱性条件下，只能由酯的水解得到酸和醇，不会发生逆反应。原因是在碱性条件下，羧酸立即与碱发生酸碱中和反应转变为羧酸根负离子，羧酸根负离子中羰基活性极低，不能接受亲核试剂进攻。第一百一十九页，共一百四十一页。酸催化：双分子酰氧键断裂（AAc2）

ROH比

RO-易离去时，由于发生酰氧键断裂，所以，得到构型保留产物。当R’为：第一百二十页，共一百四十一页。主要影响因素为四面体的空间张力取代基的电子效应对反应速度影响不大吸电子基有利于羰基的反应，不利于羰基的质子化斥电子基有利于羰基的质子化，不利于羰基的反应第一百二十一页，共一百四十一页。例：25℃RkCH31CH3CH2CH(CH3)20.970.53RkCH31CH3CH2CH(CH3)20.830.270.025C(CH3)3RkCH31CH2PhCHPh20.560.150CPh3主要影响因素羰基碳上的空间位阻第一百二十二页，共一百四十一页。若R’O－中的C原子是三级碳原子酸性单分子烷氧键断裂机理（AAl1)利用18O标记的水进行反应，发现18O分子出现在三苯甲醇分子中，说明发生的是烷氧见的断裂。第一百二十三页，共一百四十一页。主要影响因素为碳正离子的稳定性生成稳定的碳正离子的化合物按此机理反应叔碳正离子、苄基碳正离子