高等有机化学(2)课件

第二章烷烃、烯烃和炔烃7/10/2023自本章开始涉及有机合成，其中反合成分析-即有机合成的设计十分重要，设计尽可能多的合成路线，在综合分析可行性、原料来源等因素后，选择优化的实验路线，有时几条路线都很有效，但有时也会出现几条路线需经过实验室实验才能进行比较。反合成分析可用下列示意图表示：7/10/2023§2.1烷烃的合成

-theconceptofretrosyntheticanalysis1.烯烃和炔烃的催化氢化烯烃和炔烃在金属催化剂（如Ni,Pd,Pt）、溶剂(如C2H5OH)存在的条件下，和高压氢气发生顺式加成反应生成烷烃。通式可表示为：7/10/2023具体实例如：7/10/20237/10/20232.卤代烃的还原多数卤代烃可与锌及酸性水溶液反应生成烷烃。通式为可用简式表示为其反应机理可能是：7/10/20234.用烃基铜锂与卤代烃反应(Corey-Posner,Whitesides-House合成)任意卤代烃先后与锂、碘亚铜反应制备烃基铜锂，与卤代甲基、1°烃基、2°环烃基反应，制得耦合烷烃。7/10/2023如7/10/20235.烯烃硼氢化-质子化：7/10/2023§2.2烷烃的反应烷烃的反应活性较低，在光照或加热条件下，能与卤素发生卤代反应。氯代烷烃的氯代反应是按游离基历程（机理）进行的7/10/20237/10/20237/10/20237/10/20237/10/2023

卤素的反应活性以F2>Cl2>Br2>I2的顺序递减；烷烃上H的反应活性以3°>2°>1°的顺序递减。除非控制卤素的浓度和光照/加热，卤代反应很易生成多卤代物，卤代反应得到的是多种组分的混合物。7/10/2023§2.3烯烃的合成1.炔烃还原7/10/20232.

2°和3°卤代烃在强碱性条件下、1°在位阻强碱条件下进行E2消除反应可制备烯烃，当碱性基团较小时更易生成双键上取代基多即热力学稳定的烯烃，此即为Zaitsev规则:7/10/2023但当碱性基团较大时易于生成取代基少的烯烃，此即为Hofmann规则：7/10/20233.醇脱水制备烯烃7/10/20234.带电荷底物进行Hofmann消除反应7/10/20235.叔胺氧化物的Cope消除反应7/10/20236.通过叶立德（Ylide）的Wittig反应或Horner-Wadsworth-Emmons反应

叶立德（Ylide）的Wittig反应：Horner-Wadsworth-Emmons反应实际是Wittig反应的改进：7/10/20237.1，2-二卤代烷脱卤素7/10/2023§2.4烯烃的反应π键的性质:烯烃的C=C由1个σ键和1个π键构成，后者由p轨道在侧面重叠形成，因重叠程度比σ键弱，键能较低；同时，π键电子云分布于σ键的上、下两侧，相对于σ键，可认为曝露于分子外部，受原子核的作用较小，易将其一对电子给与(H+、Lewis酸等)缺电子试剂---亲电试剂。因此C=C作为烯烃的官能团主要进行加成反应，即打开π键，与其它原子或基团形成2个σ键，最终形成饱和化合物。

烯烃的加成：催化加成、亲电加成、自由基加成，卡宾反应，亲核加成7/10/20231、加成反应1)H2催化加成Ni、Pd、Pt顺式加成7/10/20237/10/2023

一般情况下，烯烃和炔烃催化加氢所用催化剂（如Ni,Pd,Pt）与反应物及溶剂不混溶，所进行的反应是非均相反应。

为了进行均相加氢反应，GeoffreyWilkinson研制了可溶性催化剂Rh[(C6H5)3P]3Cl进行催化加氢反应，由此Wilkinson与人分享1973年的Nobel化学奖：7/10/2023

基于Wilkinson的工作，WilliamS.Knowles(MonsantoCorporation)和RyojiNoyori(野依良治)(NagoyaUniversity名古屋大学)采用手性的均相催化剂进行非对称均相氢化，获得高旋光纯的手性分子，因此而与提出非对称氧化的K.B.Sharpless一起获得2001年的Nobel化学奖。7/10/2023

Knowles与其在MonsantoCorporation的同事用非对称均相氢化的方法合成了一种用于治疗Pakinson的化合物—L-DOPA:7/10/2023其中：7/10/2023Noyori则用手性Ru的络合物合成了抗感染药物Naproxen:7/10/2023络合剂BINAP为手性分子，其(S)异构体可用于上述药物(S)-naproxen的合成：7/10/2023

上述烯烃的非对称氢化反应，采用铑(rhodium,Rh)、钌(ruthenium,Ru)的络合物（手性配体）作为催化剂，烯烃的C=C键都是与某一极性基团相连，后者可与金属中心进行配位结合。2006年2月Bell等人(SharonBell,BettinaWüstenberg,StefanKaiser,FrederikMenges,ThomasNetscher,AndreasPfaltz.Asymmetrichydrogenationofunfunctionalized,purelyalkyl-substitutedolefins.Science,2006(3Feb),311:642-644.)报道,采用铱(iridium,Ir)的络合物，可以实现非官能化、烃基取代烯烃的非对称氢化反应：7/10/20237/10/2023L*为手性配体：7/10/2023其中：cod:1,5-cyclooctadiene;BArF:tetrakis[bis-3,5-(trifluoromethyl)phenyl]borate;ee:enantiomericexcess;8andent-8areenantiomersoTol:o-tolyl;Bu:n-butyl;tBu:tert-butyl;iPr:isopropyl;Me:methyl;Ph:phenyl7/10/20232)X2

立体化学特征——反式加成（亲电加成）活性顺序：F2>Cl2>Br2>I2一般用Cl2和Br2Br2加成时，一般先形成溴鎓离子，再进行反式加成7/10/20237/10/20233)加HX亲电加成(马氏加成)和自由基加成（过氧化物存在下）——反马加成(1933年以后)

卤化氢一般溶于溶剂（如醋酸或二氯甲烷等），也可将卤化氢直接鼓入反应物当中：7/10/2023其反应机理可表示为：卤化氢在烯烃上的加成，第一步形成C正离子，当H加到取代基少的C原子时，由于超共轭作用，所形成的C离子更稳定，此即Markovnikov规则，此特点说明卤化氢在烯烃上的加成具有方向选择性-定向性，并有HI>HBr>HCl>HF的反应活性顺序。下述反应也能顺利进行：7/10/2023从反应物考虑烷基是排电子基团7/10/2023从中间体(碳正离子)的稳定性看因此有7/10/2023

而当有过氧化物存在时，HBr在烯烃上发生的是anti-Markovnikov反应：7/10/2023在1933年之前，人们就注意到，用HBr和烯烃进行加成反应，在一个实验室获得Markovnikov，但在另一个实验室可能得到的是anti-Markovnikov结果；甚至同一个化学家重复进行实验，也获得两种结果。这一谜团直至1933年才由M.S.Kharasch和M.R.Mayo解开。他们发现，只要存在少量过氧化物，即能使上述anti-Markovnikov很快完成。用反应机理表示：第4步生成的Br自由基可继续参与第3步的反应，如此第3和第4步两步反应不断循环，因此，只要有少量过氧化物或有机过氧化氢就能引发anti-Markovnikov加成。7/10/2023利用上述原理，已合成很多应用广泛的高聚物，如PE(polyethylene),PP(polypropylene),PSt(polystyrene),PVC[poly(vinylchloride)],Orlon(polyacrylonitrile),Teflon(polytetrafluoroethene),PMMA[poly(methylmethacrylate)]等。7/10/2023重排反应：卤化氢在烯烃上的加成，如果形成的正C离子通过邻近基团的迁移更加稳定，则会发生这种迁移-重排反应，产物也不同于正常加成反应产物。其机理可表示为7/10/20234)H2O酸催化

可制备醇（亲电加成，马氏加成、有重排产物生成）在稀硫酸和磷酸中，烯烃的水合一般具有定向选择性，并遵循Markovnikov规则：7/10/2023其反应机理：7/10/2023由于在烯烃的酸催化水合过程中经过C正离子的形成，因此也容易发生重排：7/10/20235)H2SO4（亲电加成）

冷的浓硫酸可在烯烃上进行Markovnikov加成，加入水并加热可生成醇：7/10/20236)HOX（亲电加成，不必先合成XOH）7/10/20237）与烯烃加成7/10/20238)硼氢化-氧化反应（亲电加成）反马加成、顺式加成、无重排产物生成

HerbertC.Brown(PurdueUniversity)由于对硼氢化反应的发现而与人分享1979年的Nobel化学奖7/10/20237/10/2023烯烃如果进行硼氢化-质子化，得到的是顺式加成烷烃：7/10/2023Amechanismfortheoxidationandhydrolysisofalkylboranes:

Oxidationoftrialkylboranes7/10/2023Hydrolysisoftheborateester7/10/20239）羟汞化-脱汞反应（亲电加成）马氏加成、反式加成、无重排产物生成7/10/2023其反应机理：7/10/2023羟汞化-脱汞反应可扩大应用范围，如可进行溶剂汞化-脱汞反应：7/10/202310）与卡宾(carbene)或卡宾体(carbenoid)的加成反应——环丙烷及其衍生物的形成重氮甲烷受热或遇光发生分解，产生卡宾，与烯烃可形成环丙烷或环丙烷衍生物：氯仿用叔丁醇钾处理得二氯卡宾：DuPontCompany的H.E.Simmons和R.D.Smith用CH2I2和Zn反应可制备卡宾体，能进行Simmons-Smith环丙烷合成：CH2I2+Zn(Cu)→ICH2ZnI7/10/2023卡宾有单线态和三线态之分单线态卡宾三线态卡宾7/10/20232.氧化反应1)KMnO4

在冷、中性或碱性条件下，烯烃被氧化为邻二醇，且为顺式产物7/10/2023-KMnO4在较强烈的反应条件如酸性、或加热时的碱性、中性条件下，会发生烯烃的氧化断裂，双键C原子为双取代时被氧化成酮、单取代时被氧化成羧酸、无取代时被氧化成二氧化碳，反应时，高锰酸钾的紫红色渐变成棕红色，加之裂解产物，可用于分析烯烃的结构(某些醇、醛也可被高锰酸钾氧化)。7/10/2023采用相转移催化剂可使反应在较温和的条件下进行：7/10/20232)OsO47/10/2023

虽然上述2种方法都能实现顺式二羟基化，但高锰酸钾容易继续氧化生成的二醇，因此四氧化锇在有机合成中更为常用。但四氧化锇毒性大、易挥发、价格昂贵，为此，Upjohn公司的V.VanRheenan等人于1976年合成前列腺素时，用催化剂量的四氧化锇和化学计量的共氧化剂N-甲基吗啉N-氧化物(NMO)可以实现顺式二羟基化：7/10/2023NMO即为：7/10/2023上述的顺式二羟基化都是对称的，即二羟基化既可在双键平面的上部也可在双键平面的下部进行。K.B.Sharpless(TheScrippsResearchInstitute)和他的同事发现在氧化反应混合物中加入一种手性胺能实现非对称顺式二羟基化：K.B.Sharpless由于其团队发现了非对称氧化而与发现非对称还原的W.Knowles和R.Noyori一起获得2001年的Nobel化学奖。7/10/20233）臭氧化-还原ozone(O3)

烯烃用臭氧处理，并用Zn/HOAc[或(CH3)2S]还原，双键C原子为双取代时被氧化成酮、单取代时被氧化成醛、无取代时被氧化成甲醛，反应要比热的碱性高锰酸钾缓和：7/10/20234)烯烃经环氧化和酸催化水解则得到反式的邻二醇7/10/20235)聚合PE,PP,PSt7/10/20236）α-氢的卤代反应在低温和较高的卤素浓度反应条件下，卤素在C=C双键上进行加成反应，属于离子历程的亲电加成反应,但在有光照或高温条件下，则会按照自由基历程进行α位的卤代反应(反应机理类似于烷烃的卤代反应)7/10/2023

N-溴琥珀酰亚胺(N-bromosuccinimide,NBS)能提供很低浓度的溴，因此也能够进行烯丙基取代反应：7/10/2023其反应机理可能是NBS解离生成少量溴自由基，并引发下述反应：7/10/20233.共轭烯烃的反应(1)共轭烯烃的1,2-和1,4-亲电加成可以看出，1，2-加成是动力学控制（速度控制），而1，4-加成是热力学控制（平衡控制）。7/10/2023(2)Diels-Alder反应1928年德国化学家OttoDiels和KurtAlder发现了二烯的环加成反应，并因这一意义深远的发现获得1950年Nobel化学奖。二烯上给电子基团和烯烃上的吸电子基团有利于反应进行：

7/10/2023环戊二烯在室温下可与马来酸酐定量反应：环戊二烯在室温下会发生二聚反应，但受热后恢复环戊二烯：7/10/2023在有的情况下，Diels-Alder反应也能进行非对称反应。比如，在起始的二烯或烯烃及最终产物中有立体选择中心；或者在二烯或烯烃上引入对映异构基团，待反应终了再除去对映异构基团；另外，采用手性Lewis酸催化剂也是非常有效的方法：也可进行分子内的Diels-Alder反应。7/10/20237/10/2023在有手性催化剂存在下，上述的跨环Diels-Alder反应已实现立体选择性的非对称反应(EmilyP.Balskus,EricN.Jacobsen.AsymmetriccatalysisofthetransannularDiels-Alderreaction.Science,2007,317:1736-1740.):7/10/20234.共振理论对共轭烯烃1，2-和1,4-加成的解释共振式的书写书写极限式的原则：(1)各极限式都必须符合路易斯结构式的要求。(2)极限式中原子核的排列要相同，不同的仅是电子排布。(3)各极限式中配对的电子或未配对的电子数应是相等的。(4)主要共振必须有合理的键长和键角。7/10/2023Theelectronscanbemovedinoneofthefollowingways(1)Moveπelectronstowardapositivecharge7/10/2023(2)Moveπelectronstowardaπbond7/10/2023(3)Moveanonbondingpairofelectronstowardaπbond7/10/2023（4）Moveasinglenonbondingelectrontowardaπbond7/10/2023极限式的稳定性：(1)满足八隅的极限式比未满足的稳定。(2)没有正负电荷分离的极限式比电荷分离的稳定。(3)如几个极限式都满足八隅体电子结构，且有电荷分离时，电负性大的原子带负电荷，电负性小的原子带正电荷的极限式较稳定。(4)参与共振的极限式越多，共振杂化体越稳定。或解释为：(1)共振杂化体比它的任何一个共振式都要稳定（2）共价键数目越多的共振式越稳定（3）共振式中的电荷越分散就越稳定（4）越稳定的共振式对共振杂化体的贡献越大（5）相对稳定的共振式的数目越多，共振杂化体越稳定（6）共振式越接近等价，共振杂化体越稳定7/10/20234.分子轨道理论对周环反应的解释Letuslookattheporbitalof1,3-butadiene

HOMO——thehighestocuppiedmolecularorbitalLUMO——thelowestunocuppiedmolecularorbital7/10/2023周环反应包括环加成反应、电环化和σ-迁移反应三种类型(1)Diels-AlderReactionofConjugatedDienes(cycloadditionreactions环加成反应，获得环状化合物的好方法)7/10/2023(i)

亲双烯体结构与活性含吸电子基团，活性增大。7/10/2023(ii)双烯体结构与活性——具有给电子基活性较高——只有σ-cis共轭双烯才能反应7/10/2023(ⅲ)区域选择性邻位或对位产物为主要产物7/10/20237/10/2023(ⅳ)立体选择性7/10/2023(ⅴ)环状二烯的反应endo—内型,exo—外型7/10/20237/10/20237/10/2023(2)electrocyclicreactions(电环化)——共轭多烯的π-电子重排，发生分子内成环，生成减少一个π-键的产物7/10/20237/10/2023

上述反应是可逆的，因此对应的环在相同的条件下也会发生可逆的开环反应7/10/2023(3)sigmatropicrearrangements（σ迁移重排反应）(ⅰ)—库伯（Cope）重排：1，5-二烯烃经过六元环过渡态的骨架重排反应产物与反应物中的σ键与π键发生了迁移，称为σ-迁移7/10/2023

当1,5-己二烯的3,3’位上有取代基时，重排反应将导致从单取代双键转化为多取代双键7/10/2023—反应具有高度的立体选择性7/10/2023(ⅱ)—克莱森（Claisen）重排：烯丙基芳基醚或烯丙基乙烯基醚发生[3,3]-σ迁移生成醛或酮

7/10/2023如果烯丙氧基的两个邻位都有取代基时，则烯丙基迁移到对位7/10/2023(ⅲ)同面/异面迁移同面迁移：迁移基团在迁移前后保持在共轭体系的同一面异面迁移:迁移基团在迁移后移向共轭体系反面7/10/20237/10/20237/10/2023例如7/10/2023碳的[1,3]或[1,5]异面迁移很难发生碳在进行同面迁移时，如果是碳[1,3]同面迁移，将伴有构型转变；而碳[1,5]同面迁移时构型保持7/10/2023§2.5炔烃的合成1.端炔烃的烷基化炔烃的烷基化，卤代烃的烃基必须是甲基或者C2无支链的1°烃基，否则更容易发生消除反应：7/10/20232.邻二卤代烃的E2消除反应如果合成的是端炔，则需消耗3mole氨基钠7/10/20233.双卤代烃的E2消除反应7/10/2023§2.6炔烃的反应1.加成反应

1)炔烃顺式加氢还原成烷烃的反应用Pt作催化剂，炔一般与2mole的H2反应成烷烃7/10/20232)炔烃的加氢成烯

采用特殊的催化剂或试剂，能够实现炔烃加氢成烯。炔烃的顺式加氢

用Ni2B(又称P-2催化剂)或者Pt/BaSO4或者Pb(OAc)2/喹啉处理过的Pd/CaCO3(称为Lindlar’scatalyst)，均可使炔烃进行顺式加成，成为cis-或(Z)式烯烃，并可停留在烯烃这一步：7/10/2023炔烃反式加氢成烯-炔烃的溶解金属还原

Li(Na)在NH3(C2H5NH2)中可还原炔烃成E式烯烃：7/10/20237/10/20233)Br2和Cl2在炔烃上的加成Br2和Cl2与炔烃的反应类似烯烃，只是根据卤素的用量和炔烃的反应活性，有可能生成二卤烯烃或四卤烷烃：7/10/20234)卤化氢在炔烃上的反式加成，遵循Markovnikov规则：根据卤化氢的摩尔比，可生成卤代烯烃或双卤代烃HBr(aq.)可用CH3COBr/氧化铝/H2O来代替：7/10/2023类似烯烃，当有过氧化物存在时，HBr在炔烃上进行的是anti-Markovnikov加成：7/10/20235)炔烃的水合在HgSO4/H2SO4催化下，水可在炔烃上进行反式加成，并遵守Markovnikov规则：除了乙炔水合生成乙醛外，炔烃水合形成酮。端炔烃水合可生成甲基酮，而内炔由于水合后形成的是酮的混合物而实际意义不大：7/10/20236)HCN(亲核加成)CuCl/NH4Cl作为催化剂，所进行的反应难以在一般的C=C双键上进行7)B2H6与炔烃的反应7/10/20232.炔烃的氧化裂解弱碱性高锰酸钾在不加热时，可将炔烃氧化成二酮，而O3或碱性高锰酸钾都能将炔烃氧化裂解成羧酸：7/10/20233.聚合7/10/20234.端炔的酸性上述反应可用于端炔的鉴定，需要注意的是干燥的金属炔化物受热或撞击，会发生爆炸性还原反应成为金属和C，必须在鉴定反应后及时用硝酸对炔化物进行分解。7/10/2023习题1

1.工业上合成乙醇是将乙烯溶于95%的硫酸，加入水并将混合物加热即可获得乙醇。用方程式表示这一过程。2.当用稀硫酸处理3，3-二甲基-1-丁烯时，得到的主要产物却是2，3-二甲基-2-丁醇，写出反应方程式，并给出合理的反应机理。3.当把2