物理有机化学第6章羰基化合物反应.ppt

第6章 羰基化合物反应,一 羰基化合物的结构与反应特征,羰基化合物的结构特征之一：羰基C=O，可以接受亲核试剂的进攻，发生亲核加成反应、亲核取代反应。,羰基化合物的结构特征之二：羰基C=O的吸电子作用使得a-H具有明显的酸性，在碱性条件下可以离解，生成烯醇负离子，从而成为亲核试剂，进攻羰基碳或卤代烃，发生亲核加成反应、亲核取代反应。烯醇负离子由于羰基的共轭作用得以稳定,烯醇中的C-C双键接受亲电试剂进攻，发生a 卤代反应；醛酮、羧酸和酰卤可以发生该反应烯醇负离子作为亲核试剂，进攻卤代烃的缺电子碳，则发生亲核取代反应；进攻羰基碳则发生亲核加成反应；,烯醇负离子作为亲核试剂，发生亲核加成的产物可以脱水缩合形成a,b-不饱和羰基化合物；烯醇负离子还可以与a,b-不饱和羰基化合物反应生成1,5-二羰基化合物。1,5-二羰基化合物进一步发生分子内缩合就形成环状结构。,羰基的亲核加成反应机理,碱性条件下,酸性条件下,羧酸及其衍生物的亲核取代（加成消去）反应机理:,Nu(亲核试剂)=H2O、ROH、NH3等 Z(离去基团)=X、OR、OCOR、NH2等,羧酸衍生物的亲核取代(加成-消去)反应一般分为两步，首先是亲核试剂进攻羰基碳原子,发生亲核加成反应，形成一个带负电荷的四面体中间体。然后,中间体消去一个负离子,恢复碳-氧双键,形成另一个羧酸衍生物。,二、醛、酮亲核加成反应的立体化学,环状化合物羰基平面两边的空间条件不同时，亲核试剂主要从空间位阻小的一边进攻。,取代基环己酮类的亲核加成反应，不是受立体接近控制就是受产物进展控制。,2.开链型醛和酮中若羰基与一个不对称碳原子相 连，当羰基发生加成反应形成第二个不对称碳原子时，所生成的两个非对映体产率不相同-Cram规则,Cram规则一：如果醛或酮的-碳原子上连有三个大小不同的基团（L、M、S分别代表大、中、小三个基团）时，其优势构象为羰基键处在两个较小基团之间的构象，试剂优先从空间阻碍较小的一边进攻羰基。,1 RMgX2 H2O,+,次要产物,35oC R 主 次CH3 2.5:1C6H5 4:1(CH3)2CH 5:1(CH3)3C 49:1-70oC R 主 次(CH3)3C 499:1 CH3 5.6:1,主要产物,Cram规则二：当醛或酮的-碳原子上连有羟基或氨基等可以和羰基氧原子形成氢键的基团时，试剂将从含氢键环的空间阻碍较小的一边对羰基进行加成。,三、a-氢酸性与烯醇、烯醇负离子形成,1、Acidity of a-Hydrogens of Carbonyl Compounds醇ROH的pKa约为1518，的pKa 为25醛酮RCH2COR羰基a-H的pKa约为1620酯RCH2COOR羰基a-H的pKa 为25可见在适当的碱作用下，醛酮羰基的a-H可以离解，而形成碳负离子常用碱有：OH-，EtONa，t-BuOK，(i-Pro)2NHLi（LDA），PhLi等（RNH2 的pKa 为35，PhH的pKa 为44，水的pKa 为15）,2、Formation of Enolate烯醇负离子由于羰基的共轭作用得以稳定弱碱如NaOH，RONa作用下，反应只能达到一定的平衡强碱如LDA作用下，可以定量地转化为烯醇负离子,LDA lithium diisopropylamide a strong base but a poor nucleophile all carbonyl compound is converted to enolate prepared by BuLi with(CH3)2CHNHCH(CH3)2,LDA,low temperature,give kinetic enolate high temperature,give thermodynamic enolate,动力学控制产物,热力学控制产物,例如,强碱有利于形成动力学控制的少取代烯醇负离子。酸性条件则有利于形成热力学控制的多取代烯醇弱碱条件下，影响因素会更多，选择性不高。,酸性条件下将形成烯醇，而不是烯醇负离子,3、KetoEnol Tautomerism(互变异构)中性条件下，羰基化合物存在酮式和烯醇式互变体现了a-H的活性,酸和碱均可催化这一互变异构平衡的达到碱性条件下，碱夺取a-H形成烯醇负离子,酸催化条件下，羰基氧首先质子化，吸电子作用进一步增强，然后脱去a H形成烯醇,例题与习题1.预测下列每组化合物，哪一个烯醇负离子是主要的（动力学控制产物）,2.预测下列每组化合物中，哪一个烯醇结构较稳定，即为热力学控制烯醇？,4、烯醇硅醚的形成LDA作用下形成的负离子与三甲基氯硅烷反应生成烯醇硅醚,烯醇或烯醇负离子具有C-C双键，可以接受亲电试剂进攻，发生亲电取代反应。酸碱催化机理有所同。,四、a 卤代反应,（1）Aldehyde and ketone酸催化下 得一卤代物。反应性：RCOCHR2 RCOCH2R RCOCH3 碱催化下 得多卤代物 RCOCH3 and RCH(OH)CH3发生卤仿反应 反应性：RCOCH3 RCOCH2R RCOCHR2,酸催化机理：比较I和II，由于卤素的吸电子作用，II中羰基氧上的电子云密度降低，因此质子化能力降低，反应多停留在一卤代阶段,质子化相对容易,例如:,碱催化机理：比较I和II，由于卤素的吸电子作用，II中连卤素碳上氢的酸性增强，更容易形成烯醇负离子，反应难以停留在一卤代阶段，将进一步发生多卤代反应。如果原料是甲基酮，则将发生进一步反应，并断键生成卤仿。,碘仿反应：用于鉴别甲基酮和能氧化为甲基酮的醇,思考题：举例说明能氧化为甲基酮的醇有哪些？,(2)羧酸及酰卤 Hell-Volhard-Zelinski reaction(HVZ reaction),五、Aldol加成和Aldol缩合,1.Aldol addition and aldol condensation,Aldol additionAldol condensation,b-hydroxyaldehyde b-hydroxyketone,a,b-unsaturated aldehyde a,b-unsaturated ketone,例如:,Mechanism for the aldol addtion,例题与习题请写出下列反应的产物,2.The mixed aldol additionWhen one of the aldehyde or ketone has no a-H,and with one excess starting material,one product could be mainly obtained.,如果两个反应物都具有a-H，则将得到四个产物,How to get the desired product?,采用强碱LDA与一个醛或酮反应，使之定量地转化为烯醇负离子，然后再向该体系中加入另一个醛或酮，则可以得到单一产物。,3.Intramolecular aldol addition to form cyclic b-hydroxyketone or a,b unsaturatd ketone,例题与习题完成下列反应,例题与习题试用合适的原料合成下列化合物,SOXHLET Franz Von1848-1926（德国化学家）,索氏提取器,丙酮,Ba(OH)2,二丙酮醇：5(不加索氏提取器)70(加索氏提取器),六、酮和酯的烷基化反应,1.通过enolate,2.通过enamine,两种方法比较通过enolate的方法，还会得到二烷基化和氧烷基化的产物通过enamine的方法，只得到单烷基化的产物，合成上更有用。,两种方法比较,七、a,b-不饱和羰基的亲核加成,1.Michael additionIt is the addition of a a,b-unsaturated carbonyl compound with an enolate as a nucleophile1,4 additionto form 1,5-dicarbonyl compounds,the nucleophile can be an enolate generated from compounds other than aldehydes or ketonesit can be an ester,a nitro-compound,or a nitrile e.g.,Arthur Michael(18531942)美国化学家,The best nucleophile are:b-diketones,b-diesters,b-keto esters,b-keto nitriles,Questions:Please write out the main products:,Questions:What reagents would you use to prepare the following compounds?,2.Stork enamine reactionEnamines can be used in place of enolates in Micheal reactions.,3.Robinson环合反应合成六元环,反应特点：一个环上再加一个环；两环相稠合的碳原子上引角 甲基(两个环上共用碳上甲基),1,5-diketones can undergo an intramolecular aldol addition to form cyclic b-hydroxyketones or a,b-unsaturated ketones,例如:,Applied in synthesise.g.,八、酮和酯的酰基化反应,1.Claisen condensation acylation of esters,to give b-keto ester,b-keto ester,Ludwig Claisen(18511930)德国化学家,comparison of aldol reaction with Claisen condensation,the reaction is reversible,With a sodium alkoxide as a base,a successful Claisen condensation requires an ester with two a-hydrogens and an equivalent amount of base rather than a catalytic amount of base.,irreversible,the hydrogen is necessary,an equivalent amount of base is necessary,for an ester with only one a-H,stronger base like LDA,or sodium trityl（三苯甲基钠）should be used as base，the pKa value of tritane（三苯甲烷）is about 31.5,NaH and KH are common bases used in Claisen condensation.ethane formed in the reaction may react with NaH,enforcing the equilibrium to move to the product side.,Claisen condensation is reversible.With a catalytic amount of base,a b-diketone can decompose to the starting ester.,例题与习题完成下列反应，写出主要产物,a mixed Claisen condensation 两个都具有a-H的酯将得到四个产物,A,B,C,D,a mixed Claisen condensation 如果其中一个酯没有a-H，则可以得到单一产物 例如：使用苯甲酸酯、草酸酯、甲酸酯：,例题与习题完成下列反应，写出主要产物,2.Dieckmann condensation intramolecular condensation to form a cyclic b-keto ester a 1,7-diester may form a six-member ring b-keto ester,例题与习题 完成下列反应，写出主要产物：,3个不同的a-H,3.用酰氯或酸酐进行酯的酰基化 一元酸酯在强碱作用下，可用酰氯或酸酐进行酰基化，反应需要在非质子型溶剂中进行，,4.Acylation of ketones and aldehydes condensation of a ketone and an ester,or acid anhydride to form a b-keto aldehyde or a b-diketone,more acidity,no a-H,a good method,via enamines,九、b-二羰基化合物的反应与应用,1.b-二羰基化合物的结构特征与反应特性 由于两个羰基的吸电子作用，b-二羰基化合物中连接两个羰基的亚甲基十分活泼，表现为酸性增强，形成的烯醇负离子也十分稳定。如：,b-二羰基化合物由于具有活泼的亚甲基，常被称为活泼亚甲基化合物。它们在碱的作用下，容易形成烯醇负离子，作为亲核试剂与卤代烃、酰卤、和羰基发生亲核反应，在合成上是重要的增长碳链的试剂 比如：Michael加成 乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯是其中的典型代表,2.Ethyl acetoacetate and malonic esterDecarboxylation of Ethyl acetoacetate and malonic ester（1）乙酰乙酸乙酯的成酮分解,环 状 过 渡 态 机 理,当-碳与不饱和键相连时，一般都通过环状过渡态机理失羧。,-CO2,互变异构,（2）乙酰乙酸乙酯的成酸分解,（3）-羰基酯均能发生与乙酸乙酰乙酯类似的成酮或成酸分解反应。例如：,（4）丙二酸二乙酯的分解,alkylation of ethyl acetoacetate and malonic ester,取代甲基酮,取代甲基酮,取代乙酸,取代乙酸,酰化反应中一般选用NaH代替醇钠作为碱，以避免反应中的醇与酰卤反应。,取代甲基酮,b-二酮,b-二羰基化合物的反应与应用,Example 1,b-二羰基化合物的反应与应用,3.Designing a synthesis,Example 2,4、1,3-二羰基化合物的g-烷基化和g-酰基化 1,3-二羰基化合物在二分子强碱（如KNH2，NaNH2，RLi等）作用下，可以形成双负离子，再与一分子卤代烃或酯反应，可在g-位进行烷基化或酰基化反应，反应具有区域选择性。,不对称1,3-二羰基化合物有两个g-位，则反应在酸性较强的g-位进行。,例题与习题1.从环己醇出发合成下列化合物,2.完成反应：,十 醛酮与Witting试剂反应,Wittig试剂的合成方法：,G.F.K.Wittig(18971987)德国 1979年获奖,磷叶立德,【注意】R和R,=烷基和芳基,Ph3+-CH2-,3PhH+PCl3,Ph3P,Ph3P+CH3X,Ph3P+-CH3X-,C6H5Li,Ph3P+XCH2COOC2H5,Ph3P+-CH2COOC2H5 X-,K2CO3,Na2CO3,NaOH,NaOR,NaNH2,NaH,RLi,魏悌息试剂制备,鎓内盐,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等磷鎓内盐的X光结晶结构研究表明，碳为平面结构，即为SP2杂化。,鎓内盐较为稳定，与碳负离子相邻的带正电荷的杂原子基团，使碳负离子稳定性明显增大，这主要是由于碳原子的2P轨道与磷和硫杂原子的3d（或砷、锑的4d、5d）空轨道相互重叠，碳原子2P轨道的未共用电子对向3d空轨道共轭离域，从而使碳负离子稳定。因此许多内鎓盐可以结晶离析，并广泛用于有机合成中。而普通的碳负离子对水和氧都极其敏感，只能存在于干燥绝氧的有机溶剂中，不能离析出来。鎓内盐在有机合成中应用最广的是磷、硫叶立德，磷叶立德与羰基化合物反应合成烯就是著名的Wittig反应,反应机理,醛最快，酮次之。酯最慢。所以可进行选择性反应。,亲核性好的叶利德比较活泼.活泼叶利德反应时，常得Z,E-烯烃的混合物.稳定叶利德反应时，E型产物为主.,反应规律,+,+,-,魏悌息-霍纳尔试剂和魏悌息-霍纳尔反应,魏悌息-霍纳尔试剂：,(C2H5O)3P+RCH2Br,魏悌息 霍纳尔试剂,-EtBr,NaH,魏悌息-霍纳尔反应,魏悌息-霍纳尔试剂与醛、酮反应，制备烯烃，这一反应称为魏悌息(Wittig,G.)-霍纳尔(Horner,L.)反应。(比魏悌息反应容易进行),反式烯烃,二乙磷酸钠(溶于水，后处理较易),反应规律：生成的烯烃以反式为主.,反应机理,魏悌息反应和魏悌息-霍纳尔反应的应用实例,1 用来制备环外烯烃,2 制备,-不饱和羰基化合物,4 合成多烯类天然产物,3 制备丙二烯衍生物,1 硫叶利德的结构,2 硫叶利德的制备,-HI,NaH,(CH3)2SO,3d-p共轭,CH3SCH3+CH3I,(CH3)3S+I-,NaNH2,-HCl,硫叶利德的反应,硫叶利德与醛、酮反应可制备环氧化合物或环丙烷衍生物。,与非共轭醛、酮反应可制备环氧化合物,R2C=O+,+(CH3)2S=O,3 硫叶利德的反应,与、不饱和醛、酮发生共轭加成反应时，可制备环丙烷衍生物,分子内亲核取代,共轭加成,分子内亲核取代,十一、其他缩合反应,1、Mannich reaction（胺甲基化反应）,思考题：反应机理如何？以下反应机理又如何？,颠茄酮,反应机理:,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、Reformastsky reaction（a-卤代酸酯的缩合）在锌粉的还原作用下，-卤代酸酯可以优先形成烯醇盐，并进攻醛或酮羰基而得到-羟基酯,3、Darzen reaction（a-卤代酸酯的缩合）在碱作用下，-卤代酸酯优先形成烯醇盐，并进攻醛或酮羰基，伴随着X-的消去，得到 a,-环氧酯,实例：由环己酮转化成其他化合物,合成环氧酸酯，合成比原料醛、酮多一个碳的醛、酮。,4、Benzoin Condensation（安息香缩合）无a-H的芳香醛在CN-的作用下生成a-羟基酮,受体(给体),给体(受体),实 例,5 Knoevenagel反应制备,不饱和化合物,H.E.A.Knoevenagel(1865-1921)德国化学家,反应范围：1)醛或酮和活泼亚甲基的缩合反应 2)活泼亚甲基必须带有两个-H,反应机理,脑文格反应的实例,eg 1.,eg 2.,eg 3.,制备各种类型的,-不饱和化合物.,习题1.写出以下反应的历程。,习题2:给出化合物A、B、C、D的结构。,3.根据给出数据，用弯箭头符号画出下列转变的机理，反应机理可能不止一步。,由Hammett方程知=0.22时，反应速率控制步骤的过渡态中有正电荷的出现或是负电荷的消失，=1.73时反应速度控制步骤的过渡态中有正电荷的消失或是负电荷的出现。由此可得出下面的反应机理：,4.苯甲醛与氨基脲反应时可观察到动力学同位素效应。判断kH/kD是一级同位素效应还是二级同位素效应？kH/kD是恒定的还是随pH变化的？,氨基脲与苯甲醛缩合，其过渡态涉及苯甲醛羰基碳由sp2sp3杂化，同时与羰基C相连的氢原子在CH键弯曲受到的阻力将增加，对于CH键来说弯曲状态的自由程度比CD键大，因为CH键的振幅比较大（CH键比CD键长0.009），结果产生反的二级同位素效应，即kH/kD1。随着pH的变化，氨基脲与苯甲醛缩合的机理中，决速步骤可能会变化，但kH/kD总是常数，不随pH而变。,5.手性诱导剂可诱导立体选择合成，下列反应是利用手性试剂完成酮立体选择性烷基化。反应中考虑空间效应的影响，得到立体选择的主要产物。写出A、B、C的构型式。,