《碳杂重键的加成》PPT课件.ppt

第八章 碳杂重键的加成Addition to Carbon-HeteroMultiple Bonds,有机化学中选择性Selectivity in Organic Chemistry,有机化学,尤其是有机合成化学，几乎都涉及到一个重要的基本问题，即反应的选择性。选择性可以划分为：在同一反应中，两个或多个反应底物的竞争反应；同一反应底物中两个或多个位置、基团或反应面的竞争反应。,如何通过各种有效的手段，控制各种不同类型的反应，以使有机反应按照预期的方向进行，即实现各种不同类型的选择性反应?,1 不同底物之间的反应性差异,这里所指的底物选择性,是指同一种试剂与不同反应底物,例如:A和B,在相同的反应条件下发生化学反应,以不同的速率分别转变为产物C和D。,A和B可以是结构异构体,也可以是其它异构体.,例如：1-已烯与其构造异构体2,3-二甲基-2-丁烯的混合物所进行的选择性氢化反应(反应1.1)，叔丁醇与它的异构体正丁醇与浓盐酸的选择性反应(反应1.2)。,两个底物也可以是非对映异构体，例如：顺式和反式4-叔丁基环己醇的氧化反应(反应1.3):,对映体之间因构型差异所导致的反应动力学上的区别,2 同一底物不同部位上的反应性差异 这种现象可称之为产物选择性，即在一个反应中可以生成一种以上的产物，而这些产物之间的比率并不符合统计学的数率关系。,一个分子中不同位置间选择性的差异可能导致生成一种或多种结构异构体。这类选择性称为区域选择性。,例如在单取代苯环上的五个位置中，如果每一个位置的反应性能是完全相同的，则按统计数率分布其磺化产物的比例应为2:2:1，而实际情况并非如此。,不同基团之间或面之间的差别会导致选择性地生成一种(或多种)非对映异构体，这种现象称为:非对映异构选择性,在某些情况下，不同的基团或反应面上的差别可导致选择性地生成单一的对映异构体，这类反应称为对映异构选择性反应。,3 选择性的定义 最简单，最明了，而且可能也是最重要的选择性类型是化学选择性。所谓化学选择性是指同一试剂与反应底物分子中不同官能团的反应性能差异。例如:在多官能团化合物中，反应只优先地发生在某一个官能团上。,区域选择性是指在一个分子中多个可能的反应位置上选择性地进行反应，优先生成一个(或多个)结构异构体.,立体选择性，是指反应优先生成一个(或多个)仅仅是构型差异的不同产物，这种立体选择性反应又可进一步分为两种类型，即对映选择性和非对映选择性。,当反应生成的两种立体异构产物为对映异构体时，就会存在对映选择性,任何反应当有两个或更多的立体中心生成时，即当一个非手性底物和一个非手性试剂反应时，都属于简单的非对映异构选择性。这类反应的产物自然是非手性的或是外消旋的。,当生成的产物是非对映异构体时，则该反应是非对映选择性的。非对映选择性可进一步细分为两种类型，即简单非对映异构选择性和绝对非对映异构选择性。,绝对非对映异构选择性 存在于一个手性底物和一个非手性试剂的反应中。如果反应原料是非外消旋的，那么产物也将是非外消旋的。,显而易见，一个反应可能既有对映异构选择性，又有非对映异构选择性,4.立体中心和立体面的选择性,如果一个分子的一个面被选择性地进攻，该反应就涉及到面的选择性。在这类反应中，反应在两个看起来完全相同的原子或基团间有选择性地进行并生成新的立体中心。分子中各个基团或面之间的立体化学关系常用 等同的（Homotopic）、对映的（Enantiotopic）非对映的（Diastereotopic）来描述。,如果一个分子中的原子或基团可以通过对称轴的旋转交换位置，则它们就是等同的。类似地，如果一个双键的面内还有一个对称轴，该双键的两个面也是等同的。两个等同基团的转换反应或两个等同面的加成反应，总是生成同样的产物。,如果分子内两个基团之间有对称面或对称中心，则它们之间的立体化学关系就是对映的。同样，如果分子的对称面内没有对称轴，平分这两个面的对称面就叫对映面。,对映基团的转换反应或对映面的加成反应，通常生成对映异构体。这类有选择性地进攻某一个对映基团或对映面的反应，称之为对映异构选择性或对映面选择性反应。,不能通过任何对称操作得到互换的两个基团，它们之间的关系是非对映的。与此相似，分子中的平面既不是对称面，也不存在对称轴，这个平面就称为非对映面。非对映基团的转换或非对映面的加成反应，生成的是非对映异构体。在这类反应中，试剂有选择性地进攻某一个非对映基团或某一个非对映面的现象，称为非对映选择性或非对映面选择性,各种立体化学术语之间的关系,反应机理二.羰基活性三.羰基化合物的亲核加成反应实例 四.羧酸衍生物与亲核试剂的加成反应五.金属氢化物与羰基的加成反应 六.,-不饱和羰基化合物的加成反应 七.碳氮的亲核加成反应,除了,均可与亲核试剂发生加成反应。,可逆反应,一.反应机理,底物 试剂,底物的性质,E,ENu,亲电性,亲电性：底物的中心碳原子带有部分的正电荷。,ENu,亲核性,亲核性：底物中心碳原子带有部分负电荷。,羰基的亲核加成反应机理：,碱催化：,慢,试剂进攻羰基上C原子，生成氧负离子的一步 是决定反应速率的一步。,为使亲核试剂的负电荷裸露出来，增加亲核性，常需碱催化：,酸催化：,羰基质子化，可以提高羰基的反应活性，,羰基质子化后，氧上带有负电荷，很不稳定，电子发生转移，使碳原子带有正电荷。,决定反应速率的一步，是Nu-进攻中心碳原子的一步。,酸除了活化羰基外，还能与羰基形成氢键：,质子性溶剂也起到同样作用：,都使羰基活化。,二.羰基的活性,1.底物,反应活性取决于羰基的中心碳原子带有正电荷的多少。,(1)电子效应,当羰基与具有+I或+C的基团直接相连时，由于增加了中心碳原子的电子云密度，故使反应活性降低。,Cl3C 是强吸电子基团，使羰基带有更多 的正电荷；产物中形成分子内氢键，使产物稳定，平衡向右移动。,(2)空间效应,与羰基相连的基团空间效应越大，越不利于反应进行。,Nu,sp2杂化平面三角型,sp3杂化四面体,产物中基团拥挤程度增大。,R 越大，妨碍Nu:从背后进攻C原子。,角张力缓解：,sp2杂化，键角应为120,实际为60,角张力较大；反应中，键角由60转化为10928,角张力得到缓解。,这里，角张力缓解程度不大。,2.试剂的亲核性,对于同一羰基化合物，试剂的亲核性越强，反应的平 衡常数越大。,试剂的亲核性依次减弱,如：,试剂的可极化度越大，则利于亲核加成反应的进行。,空间效应,具有较小体积的亲核试剂，利于反应进行。,三.亲核加成反应的实例,对于羰基的亲核加成反应，碳负离子作为进攻试剂，亲核性最强，这里予以着重介绍。,1.Wittig 反应,Wittig 试剂：,膦的内 盐,膦的叶立德(ylid),Wittig 试剂与羰基发生亲核加成反应，生成烯烃：,1)反应机理,甜菜碱,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。,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。,2.羟醛缩合(Aldol Reaction),氢的醛或酮,在酸或碱的催化下,缩合反应,-羟基醛或酮,羟醛缩合,反应机理,碱催化,Step 1,烯醇负离子,Step 2,An alkoxide ion,Step 3,碱催化利于醛的缩合，而不利于酮的缩合。,酸催化：,羰基质子化及烯醇的生成,烯醇进攻质子化的羰基,酮的缩合反应常在酸催化下进行。,四.羧酸衍生物与亲核试剂的反应,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,2.反应活性,作为酰基化试剂，其活性为：,X:具有-I效应，CCl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。,三.反应实例,1.酯的水解,无论是酸催化还是碱催化，一般发生酰氧键断裂。,反应机理：,酸催化：,当R为：,时，由于发生酰氧键断裂，所以，得到构型保留产物。,碱催化：,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。,若RO 中的C原子是三级碳原子时，在酸催化时，发生烷氧键断裂：,由于含有三级碳原子基团的空间效应，使得水分子难于进攻羰基，同时也不利于质子转移。,2.Claisen 酯缩合反应及相关反应,两个酯分子至少有一个酯分子是含有氢,在强碱的作用下，相互缩合成羰基酯,反应机理：,第一步,第二步：,第三步：,反应需要过量的强碱,含一个-氢原子的酯缩合反应,两种,不同,酯,仅一个含-氢,Diethyl malonate,含氢的醛、酮、腈都能酯发生缩合反应。,一般选用无氢的酯作为底物：,分子内也能发生酯缩合反应Dieckmann反应：,五.金属氢化物与羰基的加成反应,络合金属氢化物：,LiAlH4,NaBH4,NaBH4的选择性强,选择性还原：,立体化学,遵循Cram规则,75%,92%,当3，5位上没有取代基时，主要生成平伏键的醇：,当3，5位上有取代基时，主要生成直立键的醇：,83,六.,-不饱和羰基化合物的加成反应,1.反应机理,1,4加成,1,2加成,2.影响加成方式的因素,羰基活性大，试剂的亲核性强时，两者空间位阻都小时，一般按1，2加成；反之按1，4加成：,醛1，2-加成为主，酮1，4-加成为主。,七.碳氮不饱和键的亲核加成反应,1.亚胺的亲核加成,Schiff Base,Mannich 反应,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：,2.腈的亲核加成,控制比较温和地条件，反应可以停留在酰胺一步,1）酸性条件下水解,2）碱性条件下水解,II.羰基化合物的立体选性反应,Stereoselective reactions of Carbonyl Compounds,2.1 羰基化合物的亲核加成反应,羰基化合物加成的立体选择性可以通过三种方法加以控制：(i)使用手性底物(Chiral substrate)；(ii)使用手性试剂(Chiral reagent)；(iii)使用手性催化剂(Chiral catalyst)。,2.1.1 使用手性底物 如果使用的反应底物是手性的，那么亲核加成反应就会形成两种非对映的过渡状态，并且生成两种不等量的非对映异构产物,人们提出了几种规则来解释这类反应的立体选择性，其中最有名的当属众所周知的Cram规则。,当过渡态是螯合环状构型时，一般可以获得较高的选择性，例如在分子中如果羰基邻位的碳原子上连有一个含杂原子的基团，并且与羰基处于顺式共平面的位置即属于这种情况。,这种反应模型有时又称作Cram螯合（环状）模型。,在上述例子中使用的是已具有一个手性中心的底物，以便于构建一个新的手性中心。另一种常采用的方法是在反应底物中引入一个手性辅助基团，反应后再除去该基团。Whitesell的研究小组巧妙地用8-苯基孟醇作为手性辅助基成功地用于前列腺素（frontalin）的合成。,用BINAL-H还原 潜手性羰基化合物的对映选择性还原的一个途径，是使用手性配体修饰的金属氢化物试剂。在这些化合物中，将活泼氢的数目减至最少以获得高度的化学选择性，引入的手性配体则为对映面选择性作出贡献。1979年，Noyori,椅型的过渡态A和B被用来说明反应的立体化学。,2.2 羰基化合物的立体选择性反应 II,羰基化合物化学中三类相互关联的反应：(a)烯醇化反应（生成盐）；(b)烯醇盐与亲电试剂的反应；(c)羟醛缩合反应(aldol reaction)。,对于不对称取代的酮类，反应(b)及(c)的区域选择性取决于步骤(a)中生成烯醇盐时的区域选择性。这一步反应的区域选择性可以通过用氯化三甲基硅烷来捕获反应中间体烯醇盐，即形成烯醇硅醚 进行研究。两种烯醇硅醚的相对比例取决于生成烯醇盐时的反应条件。,烯醇盐的区域选择性决定了后续反应的区域选择性。,1 立体选择性烯醇化物的形成 羰基化合物烯醇化反应的立体化学如Scheme 4.3所示。反应(b)和(c)的立体选择性取决于步骤(a)的立体选择性，以及其它反应因素的影响。,形成Z型和E型烯醇盐的相对比例取决于R-基的性质。,不难看出对于简单的酮而言，当R基较小时形成E-型烯醇盐，当R基较大时形成Z-型烯醇盐,考虑到母体酮脱质子后的两种可能构型，我们可以对烯醇化反应提出一个合理解释。当R基较小时，由于1,3-位直立键上的甲基和异丙基的相互排斥作用，致使过渡状态形成的Z型烯醇盐是不稳定的；当R基较大时，因为甲基与R基间的相互作用而导致E型烯醇盐是不稳定构型；,当R基为烷氧基时这种相互作用有所减弱，倾向于生成E型烯醇盐(实际上，根据取代基排序规则，由于OMe优先于OLi，在这种情况下形成的烯醇盐又可以称为Z型。,烯醇化物的烷基化 当没有手性因素的影响时，无论何种形式的烯醇盐经过烷基化反应后都只能得到外消旋产物。非对映选择性的烷基化反应可以籍助手性辅助剂而实现。Evans 实验室曾用由缬氨酸衍生出的手性辅助剂，合成了-烷基化的两种异构体产物。,用由降麻黄碱（Norephedrine）衍生出的手性辅助剂，合成了-烷基化的异构体产物(反应4.7)。,4.3 羟醛缩合反应,在羟醛缩合反应中，将同时形成两个新的手性中心，因此生成的产物是两个非对映异构体的混合物,羟醛缩合反应是可逆的反应，因而该反应既可能受动力学控制，也可能受热力学控制。在大多数情况下，受动力学控制的反应都经过一个环状过渡态，此环状过渡态系由金属原子与另一个羰基底物的氧原子配位而形成的。生成的非对映异构体中的主要成分取决于烯醇盐中间体的构型，生成物的具体构型可用Zimmerman-Traxler模型预测,