第九十章 碳-碳双键的加成反应.ppt

1、第八章 碳-碳双键的加成反应,8-1 亲电加成反应历程,烯烃的亲电加成反应表示如下: 一.双分子亲电加成反应 属于这一类的加成反应，动力学上表现为二级反应，即反应速度=K烯烃亲电试剂,称为双分子亲电加成反应，可用AdE2表示。,此类反应分两种历程：反应过程中生成正碳离子中间体历程和环状鎓型离子中间体历程。,反式异构,顺反异构,1.正碳离子历程 如烯烃与HX的加成：,烯烃与亲电试剂的加成，若生成的正碳离子中间体越稳定，则越有利于按正碳离子历程进行。按此反应历程的反应通常不具有立体选择性。,在加成中除得到正常产物外，还得到重排产物。重排产物与正碳离子稳定性有关。如：,重排,预期产物,2.鎓型离子历

2、程 简单和非共轭烯烃与溴的加成按鎓型离子历程反应。如:,即：,卤素与烯烃的加成一般按鎓型离子历程进行，其它的一些试剂，如次卤酸（HOCl和HOBr）、异氰酸碘（INCO）、叠氮化碘（IN3）、烷和芳硫基氯（RSCl、ArSCl）以及在水或醇存在下的汞盐（Hg(OCOCH3)）等对烯烃的加成，也按此历程进行。如:,按鎓型离子历程进行的反应，通常是反式加成产物。,二三分子亲电加成反应 三分子亲电加成反应速度为=烯烃亲电试剂2，为三级反应，以AdE3表示。,当烯烃与卤化氢的加成，若生成比较不稳定的正碳离子时，则倾向于按三分子亲电加成反应历程进行。因另一HX分子的X与之结合，可生成稳定的产物。 烯烃与

3、HX的加成，在按AdE3历程进行时，由于烯烃与一分子HX中的H+结合时，从另一方向又与第二个分子的HX或X-结合，故加成的立体化学特征是反式加成。,8-2 亲电加成反应的立体化学,亲电试剂E-Nu与C=C双键进行加成时，试剂的两部分E+和Nu-可以从反应物的同侧或异侧加到双键上。当试剂的两部分加到分子的同侧时，叫做顺式加成。当试剂的两部分从烯烃的异侧加到双键碳原子上时，叫做反式加成。,烯烃加成的立体选择性是可变的，它与亲电试剂的性质、烯烃的结构和反应条件等因素有关。,如顺-2-丁烯与四氧化锇加成生成顺式环状锇酸酯，后者水解生成内消旋1，2-二醇，总的结果是羟基化，具有顺式立体选择性。,许多加成

4、反应具有立体选择性，但对于某些加成反应则只有很小的立体选择性，如Z-1，2-二甲基环已烯的酸性水解反应，生成大约等量的顺和反1，2二甲基环已醇。如：,一.亲电试剂的影响 烯烃与不同的亲电试剂加成时，其立体选择性不同 。如反-1-苯基丙烯分别与HBr、Cl2和Br2的加成：,C6H5,H,H,CH3,C=C,+,HCl Cl2 Br2,反式加成产物,12% 32% 88%,这是因为相应的鎓型离子的稳定性为：,卤鎓离子稳定性次序为：I鎓离子Br鎓离子Cl鎓离子。,羟汞化反应具有立体选择性，大多数无环和单环烯烃的羟汞化反应是反式加成过程。,反式加成产物,烯烃的硼氢化反应总是顺式加成。如：,二反应物的

5、影响 当同一亲电试剂与不同烯烃进行亲电加成反应时，其立体选择性也不相同。 C=C双键与卤化氢加成的立体选择性主要依赖于烯烃的结构。 非共轭环状烯烃如环已烯、1，2-二甲基环戊烯、1，2-二甲基环已烯和异丁烯与HX的加成主要是反式加成。如:,反式加成,反式加成,当双键碳原子之一与一个能稳定生成的正碳离子的中间体的基团如苯基共轭时，则立体选择性将发生变化。 如顺和反-1-苯基丙烯，4-叔丁基-1-苯基环已烯加成时，主要生成顺式加成产物。因为这些反应中可生成苄基型正碳离子而稳定。,CC,C6H5,H,H,CH3,HCl,CC,C6H5,H,H,Cl,CH3,H,顺式加成,反-1-苯基丙烯,邻基的参与

6、对立体化学结果也会产生影响。如：,如降冰片烯与卤素的加成，除生成反式加成产物外，还生成外型产物等。,三溶剂的影响 溶剂对亲电加成反应的立体化学也有影响。 如顺-1,2-二苯乙烯与溴在不同溶剂中进行加成时，内消旋和外消旋产物的比例不同，即顺式和反式加成产物比例不同。,溶剂 介电常数 内消旋体/外消旋体 环已烷 2.0 0 CCl4 2.2 0 t-C4H9OH 11 0.3 C2H5CN 25 0.6 CH3NO2 35 0.9,增加溶剂的极性有利于顺式加成。,8-3 亲电加成反应的活性,一.烯烃结构对加成速度的影响 通常C=C双键间的电子云密度越高，亲电加成反应越容易进行。即供电子基能对中间体

7、起稳定作用，降低活化能，加速反应的进行。,相对速度 相对速度 CH2CH2 1 CH3CHCH2 61 CH3CHCHCH31700 (CH3)2C=CH2 2600 (CH3)2C=CHCH3 130000 (CH3)2C=C(CH3)2 1800000,烯烃的加成反应活性顺序：,如双键碳原子上连有共轭结构的苯基时，反应速度也会加快。如苯乙烯：,CHCH2,CHCH3,H,二亲电试剂对加成速度的影响 卤化氢的加成速度次序是： HIHBrHClHF 混合卤素的加成速度顺序是： IClIBrI2 BrClBr2 除了烯烃结构和亲电试剂的影响外，溶剂的影响也较大，通常在极性大的溶剂中反应速度较大。

8、,8-4 亲电加成反应的定向,如果烯烃和亲电试剂都是不对称的，如CH3CH=CH2和HX，加成就出现了方向问题，即区域选择性问题。 影响区域选择性的主要因素是电子效应和立体效应。 一.电子效应 不对称试剂加到不对称烯烃上是按照Markownikoff规则(即马氏规则）进行的。,CH3-CH=CH2 + HBr CH3CHCH3 Br,如：,诱导效应的影响：,正碳离子稳定性的影响：,HOOCCHCH2HXHOOCCH2CH2X,(CH3)3N +-CH=CH2+HI (CH3)3N +-CH2-CH2I,F3C-CH=CH2 + HX F3C-CH2 -CH2X,CH=CH2 + HBr,CH-

9、CH2 Br H,苯乙烯的卤化氢加成具有很强的区域选择性：,当苯环上的取代基Z不同时，区域选择性将发生变化：,CH=CH2,Z,(BH3)2,Z,Z,CH2-CH2 BH2,CH-CH3 BH2,+,Z OCH3 H Cl CF3,(I)% 93 81 73 66,(II)% 7 19 21 24,二立体效应 在不对称烯烃与不对称试剂的加成反应的定位中，立体效应和电子效应一样也起着重要的作用。 如对于同一硼烷，因烯烃不同区域选择性不同；对于同一烯烃，硼烷不同时，区域选择性也不同。,8-5 共轭二烯烃的亲电加成,共轭二烯烃的亲电加成反应，除得到1，2加成产物外还得到1，4加成产物：,反应历程：,

10、共轭二烯烃的亲电加成产物，通常以1,2和1,4加成的混合物，但以哪一种为主，则主要取决于产物的结构和反应条件等： 产物结构越稳定越容易生成。 高温有利于1,4-加成，低温有利于1,2-加成； 1,2加成产物为动力学控制，1,4加成产物为热力学控制。 极性溶剂有利于1,4-加成，非极性溶剂有利于1,2-加成。,8-6 亲核加成反应,一.C=C双键的亲核加成反应 C=C双键包含电子，容易被亲电试剂进攻，但被亲核试剂进攻则是困难的，需要进行活化。要想达到亲核加成的目的，只有在双键碳原子上引入吸电子基以降低电子云密度。 亲核试剂对于C=C双键的加成按下列历程进行：,与亲电加成相反，双键碳原子上连有吸电

11、基时，促进亲核加成反应，连有供电基时不利于加成反应。 一些常见的促进亲核加成反应的取代基有： CHO，COR，COOR，CONH2，CN，NO2，SO2R。 如：,CC,H C6H5,C6H5 CN,HC6H5 C6H5CC CN CN,HH C6H5CCC6H5 CN CN,CN -,H+,CC,Cl Cl,F F,OCH3 F Cl CC Cl F,OCH3 F ClC CF Cl H,CH3O-,H+,对于C=C的加成反应，若生成简单的负碳离子中间体，则加成通常没有立体选择性。,某些亲核加成反应在有机合成上具有重要的意义，下面简单介绍几个亲核加成反应。,1.氰乙基化反应 丙烯腈分子中的碳

12、-碳双键，因受氰基的影响能发生亲核加成。 CH2=CH-CN + C6H5OH C6H5O-CH2-CH2-CN CH2=CH-CN + H2S HS-CH2-CH2-CN 所得产物相当于在亲核试剂分子中引入一个2-氰乙基，故此反应叫氰乙基化反应。 反应通常在碱性催化剂的存在下进行，常用的催化剂有：碱金属的氧化物、氢氧化物、氢化物或氨基化物。如较好的催化剂是C6H5CH2+N(CH3 )3OH-(氢氧化苄基三甲基铵),氰乙基化反应可在亲核试剂中引入三个碳原子，同时氰基经水解或还原可转变成其他的官能团，所以此反应在有机合成上具有广泛的用途。如可合成-丙氨酸，维生素B1的中间体3-甲氧基丙腈。,C

13、H2=CH-CN + NH3 H2N-CH2-CH2-CN H2N-CH2-CH2COOH CH2=CH-CN + CH3OH CH3O-CH2-CH2-CN,H2O,CH3ONa,氰乙基化反应的另一个特点是当亲核试剂具有一个活泼的亚甲基或甲基时，丙烯腈可以发生二或三氰乙基化反应。如:,CH3-C-CH3 + 3CH2=CH-CN CH3-C-C(CH2CH2CN)3 O O CH2(COOC2H5)2 + 2CH2=CH-CN (NC-CH2CH2)2C(COOC2H5)2,2.Michael反应 负碳离子对于缺电子C=C双键的加成反应称为Michael反应或Michael加成。其中双键碳原

14、子与吸电基直接相连构成共轭体系。,(CH3)2C=CH-NO2 (CH3)2C-CH2-NO2 CN,(1)KCN (2) H+,C6H5CCH=CHC6H5 + CH2(CO2C2H5)2 C6H5CCH2CHCH(CO2C2H5)2 O O C6H5,CH3OH,Micheal反应不是简单的1，2加成，由于质子转移到碳上比氧上慢，故质子化首先发生在氧上，其历程如下：,R- + R2C=C-C-R R2CCC-R R2CC=C-R R O R R O R R O- R2CCC-R R2CCHC-R R R OH R R O,H+,Micheal反应被碱所催化,其作用是产生负碳离子。,最常用的

15、负碳离子：CH2(COOC2H5)2，CH2COCH2COOC2H5，NCCH2COOC2H5，RCH2NO2等，,Micheal反应是形成C-C单键的一般方法之一，在有机合成上具有重要用途。 例：,反应机理：,喹啉,二碳-碳叁键的亲核加成反应（自学）,第九章 碳杂重键的亲核加成反应,9-1 羰基亲核加成反应的历程,羰基化合物中的羰基活性次序为： RCHORCOCH3RCORC6H5COR 醛丙酮芳醛环丁酮环已酮环戊酮,影响羰基活性的因素主要有羰基的结构和空间因素。,一. 羰基的结构,平衡常数 p-NO2C6H4CHO 1820 m-BrC6H4CHO 530 C6H5CHO 211 p-CH

16、3C6H4CHO 110 p-CH3OC6H4CHO 32 p-(CH3)2NC6H4CHO 2.6,例：下列化合物与HCN的加成反应的平衡常数为：,当C=C双键、苯环或具有未共用电子对的原子直接与羰基的碳原子相连时，亲核加成的速度比饱和的类似物小。,如：CH3CHOHCN CH3CHCN K104 OH C6H5CHOHCNC6H5CHCN K210 OH,CH3CH2-C-CH3 +HCN CH3CH2-C-CH3 K=38 O CN OH C6H5-C-CH3+HCN C6H5-C-CH3 K=0.8 O CN,OH,例：CH3COC2H5与HCN的加成反应速度K1 (CH3)3CCOC

17、(CH3)2与HCN的加成反应速度K1,二. 空间因素 由于从反应物到过渡态及产物，羰基碳由SP2杂化变为SP3杂化，反应中存在明显的空间特性。当R基体积增大时，中间体过渡态变得拥挤，所以能量升高，反应速度减小。,例：环酮与HCN的加成平衡常数： 环丙酮10000 环庚酮7.8 环已酮1000环戊酮48 环丁酮100 环辛酮1.17,通常羰基化合物的活性由羰基结构（电子效应）和空间因素两者决定：,如下列化合物与HCN的加成速度(可用超共轭和空间效应解释）： 丙酮 33 丁酮38 3甲基丁酮 65 3,3二甲基丁酮 32,亲核试剂的性质对于羰基亲核加成反应速度也产生一定的影响。 对于同一羰基化合

18、物，亲核试剂的亲核性增加，平衡常数增大。 亲核试剂的亲核性次序是： 碳氮氧卤素 亲核试剂的体积大小也对平衡常数产生影响，亲核试剂的体积增大，导致反应速度减小。,9-2 羰基加成反应中的立体选择性,羰基的亲核加成，在羰基上引入了一个手性中心，但加成产物是外消旋体。 如果醛和酮的碳原子是手性碳原子，亲核试剂与羰基的加成在空间有一定的选择性，加成满足Cram规则一。 Cram规则一：羰基与不对称碳原子相连时，反应试剂从M和S基团之间进攻羰基得到主要产物。基团的大小：LMS，无分子内氢键。,按照Cram规则，虽然进入基团优先从羰基阻碍最小的一边进攻，但所得产物的比例将按反应物和亲核试剂的不同而异。,通

19、常反应物和亲核试剂的基团越大，立体选择性一般越高。,当羰基化合物存在分子内氢键时，加成的产物选择性满足Cram规则二。 Cram规则二：羰基邻位的不对称碳原子上有OH，NH2等能与羰基氧形成氢键的基团时，亲核试剂从含氢键环的空间阻碍小的一边对羰基加成。如：,9-3 羰基化合物的亲核加成反应举例,一.杂原子亲核试剂的加成 如羰基化合物与醇反应生成半缩醛或半缩酮。醛加醇容易，酮较困难。,反应机理：,缩醛具有双醚结构，对碱和氧化剂稳定，但遇酸迅速水解为原来的醛和醇 。,所以，制备缩醛时必须用干燥的HCl气体，体系中不能含水。,酮只能与二元醇生成环状缩醛（因为五元、六元环有特殊稳定性）：,用途： 保护

20、羰基：,例:,解:,二.碳原子亲核试剂的加成 1.醇醛缩合反应 在催化剂的作用下，含有氢原子的醛或酮相互作用，生成羟基醛或羟基酮，称为醇醛缩合反应，这类反应被碱或酸所催化。 碱催化反应历程：,高级醛得到羟基醛后，更容易失水：,酮的醇醛缩合反应比醛困难：,但用酸作催化剂，酮比较容易发生缩合反应。 酸催化反应历程：,交错醇醛缩合（交叉醇醛缩合）：,但若两种不同的醛或酮进行醇醛缩合时，其中一个反应物无氢，则产物有意义。如下列Claison-Schmidt缩合反应：,2CH3CHOCH3CHCH2CHO,反应速度K1,反应速度K2,K1K2,醇醛缩合既可以被酸催化也可以被碱催化，但由于催化剂不同产物各

21、异。 如2丁酮与苯甲醛的反应，碱催化主要得到直链缩合物，而酸催化则主要得到支链缩合物。,溴化甲基三苯磷,2. Wittig（维蒂希）反应 Wittig试剂与羰基化合物进行亲核加成，生成烯烃的反应称Wittig反应。 Wittig试剂是一种磷的内鎓盐，也叫磷叶立德。如下式：,Ph3P+C-R2 Ph3P=CR2,制法：,亚甲基磷烷（磷叶立德）,反应机理：,Wittig试剂中带负电荷的碳对醛、酮作亲核进攻，形成内鎓盐或氧磷杂环丁烷中间体，进而进行顺式消除分解成烯烃及氧化三苯膦。,氧磷环丁烷,例：,Wittig试剂的活性： 取代基R1、R2为H、脂肪烃基、脂环烃基等时，试剂的稳定性小，反应活性高；若

22、取代基R1、R2为吸电子基时，它可以通过共轭效应或诱导效应而使碳上的负电荷减弱或分散，从而使其亲核性降低，但其稳定性却增大。共轭效应愈强，则其稳定性增加而反应活性降低。,维蒂希反应，最后结果为醛酮羰基上的氧原子被亚甲基取代.一般式为：,如：,维生素A,在药物合成中应用十分广泛，如维生素A和维生素D、抗生素等的全合成。,Wittig反应烯烃的立体结构与反应物和试剂的结构及反应条件等因素有关。 Wittig反应生成的烯烃通常为顺式和反式异构体的混合物。 如使用活泼的Wittig试剂，可得到较多顺式烯烃。,Ph3P+-C-HCH3 + C6H5CHO,CH3 C6H5 CH3 H C=C C=C H

23、 H H C6H5,+,顺式，87%,反式，13%,如使用具有共轭结构的Wittig试剂和羰基化合物时，主要得到反式烯烃。 溶剂的性质对烯烃顺反异构体的比例也有影响。通常质子溶剂或极性非质子溶剂有利于顺式烯烃，非极性非质子溶剂有利于反式烯烃。,Ph3P+-C-H-C6H5 + C6H5CHO,C6H5 C6H5 C6H5 H C=C C=C H H H C6H5,+,顺式，25%,反式，75%,9-4 羧酸衍生物的亲核加成反应,一. 酰基上的亲核取代反应机理(加成消除反应机理）,反应是分步完成的：先亲核加成，后消除，最终生成取代产物。,二.结构与活性的关系 羧酸衍生物与亲核试剂的加成的相对活性

24、主要取决于：一是与羰基直接相连的离去基团的电子效应，二是离去基团的离去的相对能力。,即酰氯的羰基碳正电性最强。 活性：酰氯酸酐酯酰胺,（1）羰基碳的正电性,(2) L-愈易离去，越有利于第二步反应（消 除反应）,酸性：HCl RCOOH ROH NH3 pKa：强酸 45 1619 34 离去能力：ClOCOROR NH2,活性：酰氯酸酐酯酰胺,三.反应举例 1.酯的水解 酯在酸或碱的存在下均可发生水解反应。酸的催化是可逆反应，其逆反应是酯化反应。碱催化是不可逆反应，叫皂化反应。 酯的水解反应其键的断裂方式有两种可能：酰氧键断裂和烷氧键断裂。,RCOR O,RCOR O,RCOR O,烷氧断裂

25、,酰氧断裂,常见的是酰氧断裂。,酸催化反应历程：,HOOCCH2CH2COCH3H2O18HOOCCH2CH2CO18HCH3OH O O,例：,此反应称酸催化双分子酰氧断裂历程，用AAC2表示。,上述历程对于空间位阻很大的酯或酸不适用。例如2,4,6-三甲基苯甲酸（I）在酸催化条件下不能酯化，其酯（III）也不能水解，但把酸或酯溶于浓H2SO4中，然后将此溶液倒入醇或水中，则发生定量的酯化或水解反应，反应经酰基正离子（II）生成酯或酸。,此反应历程称酸催化单分子酰氧断裂历程，用AAC1表示,在酸催化酯的水解反应中，当RCOOR分子中的R能够生成高度稳定的正碳离子，同时使用强极性介质时，发生烷

26、氧断裂。 如光学活性物质（I）在酸存在下水解，生成的醇是外消旋混合物。,（I）,此反应为酸催化下酯水解的烷氧断裂历程称为酸催化单分子烷氧断裂历程，用AAL1表示。,2.Claisen酯缩合反应 含有氢的酯，在强碱性条件下两分子酯缩合生成羰基酯的反应称Claisen酯缩合反应。,反应机理：,(1),(2),(3),反应需要过量的碱使酮酸酯转变成其负离子，使平衡不断向右移动，因为RCH2COCH(R)CO2C2H5的酸性比C2H5OH强，使第一步反应生成的负碳离子的平衡偏向左方，因此第三步反应是必须的。,两种不同的酯缩合，如其中一个不含-H在有机合成上有重要意义。例：,例：,当两个酯基在同一分子内时，可以发生分子内的缩合反应生成环状酮酯，此反应称为Dieckmann缩合反应，可用于合成五、六和七环化合物。例：,环化方向 含两种不同-H时,