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1、第十五章 碳负离子缩合反应,中南大学药学院 刘苏友 2009-9,有机化学,碳上的氢以正离子解离下来的能力代表了氢碳酸的酸性强弱 .,15. 1 氢碳酸的概念和氢（ -H ）的酸性,烃：氢碳酸 (carbon acid),一些氢碳酸的pKa值,pKa值越小，酸性越强,-H的酸性: -H以正离子解离下来的能力即为 -H的酸性或-H的活性。,15. 1. 1 -H 的酸性,CH3SOCH3 29 CH3CN 25 CH3COPh 16 CH3NO2 10.21 氢酸性最强,pKa,概念：与官能团直接相连的碳称为碳(-C) 碳上的氢称为-H,氢的酸性强弱取决于与碳相连的官能团及其它基团的吸电子能力,

2、酸性与官能团的关系,酸性与化合物结构的关系,总的吸电子能力越强，氢的酸性就越强,一般地讲，碳负离子的离域范围越大越稳定，,丙烯失去一个质子后，形成的烯丙基负离子是一个普通的共轭体系。 环戊二烯失去一个质子后，形成的是一个具有4n+2电子的单环平面封闭共轭休系，即环戊二烯负离子具有芳香性，结构特别稳定,环戊二烯 pKa=16 丙 烯 pKa=35,原因：, -H的酸性取决于氢解离后的碳负离子(carbanion) 结构的稳定性,在同一个碳原子上连接几个同样的活化基团，对氢离子的解离度的增加并不等于几个基团作用的加和，并且愈是最强的活化基团 ，其加和的结果偏差也就越大, -H的酸性活化基团的数目相

3、关,原因： 由于基团的堆积.使这些原子不能在同一平面上从而减弱了离域作用，因此就不能发挥其全部稳定碳负离子的作用, pK也就不能按倍数地降低,因为氢解离后，不能和它旁边的羰基基发生共轭作用，如果发生作用的话，“桥头”上就要形成一个具有双键性质的键，张力非常大, -H的酸性与分子的几何形状,碳负离子的结构所决定,酸性与溶剂的关系,-H的解离和介质的介电常数及溶剂化有关 .,氢碳酸解离后在弱介电常数的溶剂中，往往形成一个离子簇或离子对，很容易发生内返，再变为原来的氢碳酸，而不能形成自由的碳负离子,离子对在极性溶剂内的产生不明显，水的介电常数很高，最有利于化合物的解离，但是水不能作为溶剂去研究氯碳酸

4、的解离，因为水是比很多氢碳酸强得多的一个酸. ，所以经常用具有偶极的非质子溶剂(non-proton solvent),特别是二甲亚砜及二甲基甲酰胺等，可以减少离子对的形成,羰基的吸电子诱导效应，它使羰基化合物有一个很强的偶极矩, 在酸和碱的催化作用下，对-H的解离都有利. 碳上的碳氢键与羰基有超共轭作用，-H作为质子离开后，变为烯醇负离子enolat ion)，由于发生电子离域的作用增加了碳负离子的稳定性，所以容易形成,15.1.2 羰基化合物-H的活性,羰基化合物的-H都很活泼：,原因： 是由于两种不同的电子作用,羰基的吸电子能力很强,不同羰基氢的活性的差异,Cl的吸电子诱导效应大于给电子

5、共轭效应，增强了羰基对-C的吸电子能力，增强了-H的活性。 Cl的吸电子效应也使形成的烯醇负离子因负电荷分散而趋于稳定。 酰氯-H的酸性比醛、酮的强,酰氯,羰基化合物-H的酸性比较,烷氧基的氧和氨基氮的给电子共轭效应均大于吸电子诱导效应。烷氧基氧的孤电子对和氨基氮的孤电子对均可与羰基共轭而使体系变得稳定，如果解离-H形成烯醇负离子，则需要较大的能量，因此它们的酸性比醛、酮弱,酰胺氮上的孤电子对碱性较强，使共轭体系更加稳定，要解离-H ，形成烯醇负离子需要的能量更多，故酸性比酯更弱,酯和酰胺,酰氯 醛 ， 酮 酯 酰胺,-H的酸性比较,当醛基中的氢被烷基代替后，烷基的空阻比氢大，阻碍了碱和氢的反

6、应 烷基基对羰基基具有供电子的超共轭作用 醛的-H氢比酮的-H氢活泼,醛和 酮的-H的酸性,酰氯 醛 酮 酯 酰胺,两个羰基的吸电子作用，亚甲基上的氢特别活泼，和碱作用可以形成稳定的负离子。因为负离子可以同时和两个羰基发生共轭作用，具有比较广的离域范围,乙酸乙酸乙醋：1,3-二碳基化合物(1,3-dicarbonyl compound),其他活泼亚甲基上的氢,活泼的-H可以在-C和羰基氧之间来回移动，羰基化合物存在一对互变异构体酮式(keto form)和烯醇式（enol form)，它们共同存在于一个平衡体系中,15. 2 酮式和烯醇式的互变异构,15.2.1 酮式和烯醇式,781 kJ/m

7、ol,728 kJ/mol,在绝大多数情况下.酮式是主要的存在形式。,氢的活泼性增大，失去氢后形成的碳负离子的稳定性增大，烯醇式可成为平衡体系中的主要存在形式,表15-5 一些化合物的烯醇式结构及其含量,酮式和烯醇式，在酸或碱的催化作用下，很容易发生转变酸催化的反应,15. 2. 2 烯醇化的反应机理,酸的质子和拨基氧形成样盐 质子化的碳基具有强的吸电子效应，增强了-H的酸性 .,酸催化机理,脱氢质子形成烯醇,分子轨道理论认为: 形成的负离子是一个离域的体系，负电荷分布在整个离域体系上，该离域体系也称为烯醇负离子。烯醇负离子再与质子结合即得烯醇,碱催化机理,共振的杂化体,极限结构,电子对的转移

8、,碱直接和-H结合,离域体系,乙酰乙酸乙酯酸碱催化烯醇化机理,在亲核反应时，碳端亲核性强，主要是负的碳原子作为亲核试剂去进攻，形成新的碳碳键。 与质子结合时，氧端碱性比较强，氢离子和碳结合是一个较慢的反应，而和氧结合是非常迅速，因生成的产物不是原来的醛或酮而是一个烯醇，但烯醇是不稳定的，因此如有足够的时间、最终都变为稳定的碳基形式的醛或酮,15.2.3 烯醇负离子的两位反应性能,烯醇负离子特征：有两个反应位点，氧端和碳端都带有部分负电荷,双位反应性能(ambident reactivty) 两位负离子(ambident anion)。,反应的选择性：,与质子结合,一个不对称酮，在碱的作用下可以

9、产生两种不同的烯醇负离子，如果反应完全受动力学控制(kinetic control),那么两个不同质子去掉的相对速率之比决定着反应产物的比例。,15. 2. 4 不对称酮的烯醇化反应,ka和kb是两个相应质子去掉的速率常数，所以ka/kb=(ii)/(i)，但如(i)和(ii)可以很快形成一个平衡体系，这时(i)和(ii)的比例将由平衡常数决定。假若在上式中(ii)是热力学上最稳定的K= (ii)/(i)就是一个大数，这时产物的比例是受热力学控制thermodynamic control),因此，在有多余的酮存在下，结果是按上式生成最稳定的ii)，这就成为热力学控制的反应，在形成烯醇负离子后，

10、用乙酸酐 处理，很快地形成乙酸烯醇酯然后再用气相色谱分析这两个烯醇酯的比例，就可决定两种烯醇的比例。,用一个不对称的酮在非质子溶剂内加人一个很强的碱，如三苯甲基锂，由于锂的体积很小可以和烯醇式负离子的氧紧密络合形成（1）,同时保待酮不要过量。因为如有过量的酮，就会和生成的烯醇负离子(i)发生质子交换，使(i)生成酮，而过量酮生成（ii),形成一个平衡体系，,热力学和动力学控制方式的测定,主要的产物是取代更多的烯醇负离子(ii)因为双键的稳定性和双键碳原子上取代的基团数目是有关系的，取代越多就越稳定,对称酮的烯醇化反应的规则,受热力学控制,主要的产物是取代最少的烯醇负离子，这可能是由于两个不同质

11、子的空间位阻的不同，取代基更多的碳原子上的氢比较难以去掉，所以产生取代基最少的烯醇负离子(i),动力学控制,需要产生一个动力学控制的不对称的烯醇负离子时，应尽量避免质子的交换，和其它可能的烯醇负离子形成平衡体系.为了减低质子交换的速率，在烯醇化反应时，经常选用非质子溶剂和用烯醇负离子的锂盐为碱性试剂,反应条件的选择,将分子间或分子内不相连的两个碳原子连接起来的反应统称为缩合反应(condensation reaction)。,加成、消除,15.3 缩合反应简述,在缩合反应中，有新的碳碳键形成，同时也往往有水或其它比较简单的有机或无机分子形成。,常用的缩合剂(condensation agent

12、)： 无机酸、碱、盐或醇钠、醇钾等,取代,取代,Michel加成反应：共轭加成反应，缩合反应,有-H的醛或酮在酸或碱的催化作用下，缩合形成 -羟基醛( -hydroxyl aldehyde)或-羟基酮(-hydroxy ketone)的反应称为羟醛缩合反应(aIdol condensation),15. 4 羟醛缩合反应,常用的碱性催化剂：氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钡、乙醇钠及三级丁醇铝等. 常用的酸性催化剂：磺酸、硫酸、路易斯酸等,羟醛缩合反应是合成，不饱和醛酮的方法,应用, -羟基醛和 -羟基酮很容易失水，有的在反应时就失水，有的在强碱或强酸的作用下失水，生成，不饱和醛(， -un

13、saturated aldehyde)和，不饱和酮( ， = unsaturated keton),催化剂,在酸催化下缩合. 然后再失水的反应机理：,亲核加成,消除水,质子转移,15. 4. 1 羟醛缩合反应的机理,烯醇式,羟醛缩合碱催化下缩合失水的反应机理：,碱催化,缩合,碱作用下失水,亲核加成,羟醛缩合反应是一个可逆反应， 温度低有利于正向反应，加热回流有利于逆向反应,烯醇负离子,夺取质子,醛和酮的自身缩合,15.4.2 .缩合反应的类型,脂肪族的酮的羟缩合反应的平衡大大偏向于反应物方面，往往需要用特殊的方法，才能使反应朝右进行,抑制脂肪族的酮的羟醛缩合可逆反应,分子内缩合,环酮,分子内缩

14、合,插烯系规则,一个无-H的芳香醛提供羰基和一个有-H的脂肪族醛、酮提供烯醇负离子，进行混合的缩合反应。反应在氢氧化钠的水溶液或乙醇溶液内进行，得到产率很高的，不饱和醛或酮。这一反应叫做Claisen-Schmidt(克莱森一施密特)反应,醛或酮的交叉缩合(cross aIdol condensation),Claisen-Schmidt(克莱森一施密特)反应,苯甲醛和乙醛反应：,产物全部变成肉桂醛！,醛或酮的交叉缩合反应实例,带羰基的大基团总是和另一个大基团成反式,构型,醛或酮的交叉缩合反应实例,醛和酮的定向缩合 (orientation aldol condensation),不对称酮发生羟醛缩合反应时，羰基两旁如有两个不同的（亚）甲基，哪一个亚甲基提供碳负离子?,问题？,在碱性或酸性条件下，均形成包括缩合产物（i）和（ii）在内的平衡体系,在碱性无质子溶剂中进行反应时，主要产物是(iii)，因丁酮中C-1甲基的质子酸性大，位阻小，易与碱结合，使C-1形成碳负离子, 这步是动力学控制,在酸性条件下，主要产物是（iv）,因丁酮中C-3上氢与羰基形成较稳定的烯醇，为热力学控制