羰基化合物的反应.ppt

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1、第七章 羰基化合物的反应Reaction of carbonyl compounds,反应机理,亲核加成反应,加成消去反应,反应活性,反应立体选择性,重要的缩合反应,7.1 羰基化合物反应机理,平面结构,有极性,亲核加成,羰 t ng,羰基的亲核加成反应机理,亲核试剂,加成产物,反应底物,（1）在加成反应过程中，羰基碳原子由原来sp2杂化的三角形结构变成了sp3杂化的四面体结构；（2）亲核加成的速度影响因素：a.电子效应：羰基碳亲电能力和亲核试剂亲核性；b.空间效应：羰基周围基团,碱催化：,慢,试剂进攻羰基碳原子生成氧负离子是决速步,为增加试剂亲核性，常需碱催化,碱可以使较弱的亲核试剂HNu转

2、化为亲核性较强的亲核试剂Nu-，从而加速反应的进行。,酸催化：,羰基质子化提高反应活性,慢,Nu-进攻碳原子是决速步,使羰基质子化，质子化的羰基碳有更大的正电性、更容易接受亲核试剂的进攻。,醛、酮的反应活性,醛、酮与KHSO3的反应产率,CH3COCH2CH2CH3,反应底物,HCHO,RCHO,RCOCH3,RCOR,PhCOR,有-I或-C基团反应活性增加,有+I或+C基团反应活性降低,电子效应羰基碳上的正电性越强反应越容易进行,强吸电子基团,形成分子内氢键 产物稳定，平衡向右移动,CH3、R、C6H5等基团具有+I、+C效应，使羰基碳原子正电荷减少，降低其反应活性。醛类中甲醛的活性最大。

3、-I或-C效应的基团使羰基碳原子的正电荷增加，反应活性增强，生成的水合物稳定性也增加。如三氯乙醛和六氟丙酮能和水形成稳定的水合物，能以晶体的形式离析。,空间效应羰基相连基团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:进攻C原子。,缓解角张力,角张力缓解程度不大,醛、酮羰基碳原子所连的基团空间位阻或空间张力愈大，则羰基的反应活性愈小。这一方面是由于大的位阻会阻碍亲核试剂的进攻；另一方面醛、酮羰基碳原子为sp2杂化，键角为1200，而加成产物原羰基碳原子变成了sp3杂化，键角接近109028，基团体积大，加成后必然张力增加也大，

4、使亲核加成难以发生。,试剂的体积越小反应越容易进行,试剂极化度越大反应越容易进行,试剂亲核性越强反应越容易进行,反应试剂,7.2 羰基加成反应,与格氏试剂的加成,与胺及氨的衍生物的加成,与醇的加成,与水的加成,与金属有机物的加成,与亚硫酸氢钠的加成,与氢氰酸的加成,与氢氰酸的加成,氰根离子加在羰基碳上，氢加在羰基氧上，生成氰醇。,应用：增长碳链的一种方法。羟基腈根据不同的条件，可以转化为 羟基酸或，不饱和酸。,氰基水解,消除+氰基水解,与亚硫酸氢钠的加成,应用：a 鉴别化合物（2-戊酮和3-戊酮）b 分离和提纯醛、酮,分离3-戊酮和2-戊酮的混合物,NaHSO3,滤液,沉淀,与金属有机物的加成

5、,R-CC-Na+,NH3(液)或乙醚,H2O,炔醇,与水的加成,碱和酸都能催化水化反应,与醇的加成,醛、酮在酸催化下和醇加成形成缩醛、缩酮。缩醛和缩酮能被酸水解为醛和酮。,半缩醛,缩醛,半缩醛和缩醛形成的机理：,半缩醛：亲核加成,缩醛：亲核取代,应用：有机合成中用来保护羰基。,1.直接氧化？,2.先保护，后氧化：,酮与醇的反应很慢，生成缩酮比较困难。需要用二元醇反应可以顺利制得缩酮。,80,85%,与胺及氨的衍生物的加成,加成消去反应：,席夫碱Schiffs base,醛(酮)肟,腙,苯腙,2,4-二硝基苯腙,缩氨脲,应用：鉴别醛酮,与格氏试剂的加成,加成产物水解后生成醇，用于制备各种醇。,

6、制备各类醇：,反应活性：格式试剂可以同大多数醛、酮发生反应。但若酮分子中与羰基相连的两个烃基及格式试剂中烃基体积都很大时，加成产物产率降低或不起反应。原因：空间阻碍效应,此反应是制备结构复杂的醇的重要方法。,只要选择适当原料，除甲醇外，几乎任何醇都可用此法合成。,制备举例：,应用：醇的制备,同一种醇可由不同的格利雅试剂和不同的羰基化合物生成：,其他亲核试剂,醛、酮的亲核加成反应都有哪些？各有什么作用？,加HCN（制腈，制羧酸等）加NaHSO3（鉴别、分离、提纯等）加格利雅试剂（制醇等）加醇（保护醛基等）加氨（鉴别、分离、提纯等）,羰基化合物的加成反应有一定的立体选择性可用来进行手性合成,7.3

7、 加成反应的立体选择性,Cram规则I,基团的大小LMS,Cram规则I：羰基与不对称原子相连时，反应试剂试剂从羰基旁空间位阻较小的基团（S）一边接近分子,得到主要产物。,Cram规则II,羰基邻位的不对称碳原子上有羟基、氨基等能与羰基氧形成羟基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,Cornforth规则,当酮的-手性碳原子上连卤素原子由于卤原子与羰基的偶极作用优势构象是卤原子与羰基在对位交叉位置试剂优先从空间位阻小的一边进攻,若-手性碳原子上连接的烃基较大空间效应与电子效应的作用相当Cornforth规则不适用,7.4碳负离子,共价键发生异裂形成带有负电荷的三价碳原子的原子

8、团,1.碳负离子的结构,10928,90,孤对电子处于sp3杂化轨道上电子对间的排斥力小负碳离子稳定,sp3 杂化棱锥型,sp2杂化平面三角型,简单的烷基碳负离子的中心碳原子可能为SP3杂化的角锥形构型未共享电子对占据正四面体的一个顶点若孤对电子与邻近的不饱和原子团共轭为SP2杂化平面构型,SP3杂化的角锥形构型容易发生反转反转是通过中心碳原子的再杂化由SP3杂化转变为SP2杂化最后达到平衡,光学活性,-70 C,20%光学活性 0 C,外消旋化,C-H键的异裂,2.碳负离子的生成,碳原子酸,碳氢键的碳原子上存在吸电子基团时易形成碳负离子。,叔丁氧基负离子氨基负离子二甲亚砜负离子二异丙基氨基锂

9、 二（三甲硅基）氨基锂,常用的强碱,负离子对不饱和键的加成,亲核试剂，很多时候以烯醇式负离子结构存在的,为了满足合成的需要，常常需要形成单一部位的烯醇盐。需要从形成碳负离子的条件上加以控制。（1）动力学控制：形成碳负离子部位碳氢被碱提取质子的相对速度 低温，体积大的碱易使碳负离子在位阻小部位的碳氢形成（2）热力学控制:两种碳负离子能够相互转化并达到平衡 高温、体积小的碱，碳负离子易于形成在取代基较多部位,同一反应物用不同的碱和不同温度得到不同产物,动力学控制,热力学控制,-72,25,与吸电子基团相连时使电荷分散稳定性增大CH3-H F3C-H(CF3)3C-H,pKa 42 28 11,与推

10、电子基团相连时使电荷集中稳定性降低稳定性:CH3-CH3CH2-(CH3)2CH-(CH3)3C-,诱导效应,3.影响负碳离子稳定性的因素,邻近原子有孤对电子时碳负离子稳定性降低,3)应,共轭效应,与共轭体系相连时负电荷分散稳定性增加,-C效应的影响,OHC-CH2-CHO CH3COCH2COCH3 NCCH2CN CH3NO2pKa 5 9 11 10,杂化作用,C-H键中碳的成分越多H越易以质子形式解离,将分子间或分子内不相连的两个碳原子连接起来的反应称缩合反应(condengsation reaction),缩合反应的机理相似在酸或碱的作用下形成亲核试剂对羰基进行亲核加成,7.5 重要

11、的缩合反应,X、Y为强的吸电子基团，如-CHO、-COR、-COOR、-NO2、-CN等，X、Y其中一个可以是H或烷基。,B-,一.羟醛(Aldol)缩合反应,有-H的醛、酮化合物在酸或碱催化时，可自身反应形成两个分子的加成物羟醛（酮）。有时进一步脱水形成，-不饱和羰基化合物的反应。,-H+,-H2O,酸催化下的反应机理,烯醇化,亲核加成,酸碱反应,H+,-H+,碱催化下的反应机理,CH3CH=O,-CH2CH=O,-B：,CH3CH=O,-H2O,CH3CH=CHCHO（巴豆醛）,常用的碱性催化剂有：KOH，C2H5ONa，(t-BuO)3Al.催化剂用量应在0.5mol 以上。,H2O,烯

12、醇化,亲核加成,酸碱反应,羟醛缩合反应中碳碳键形成的立体化学与加成反应中椅式环己烷过渡态构象有关,过渡态的构象取决于碳负离子共振结构中烯醇离子的Z、E型结构及反应属动力学控制还是热力学控制有关,E型烯醇盐 anti(threo-)-羟基酮,z型烯醇盐 syn(erythro-)-羟基酮,羰基化合物中的取代基越大这种立体选择性越强,环状结构的酮只能形成E型烯醇盐产物以anti-产物为主,为了改善Aldol缩合反应的立体选择性，从以下两个方面入手：,1、加强碳负离子形成时的立体选择性2、改善加成反应过程中的立体选择性,选用硼化物代替其他金属离子：,硼化合物的烯醇盐（酯）中氧硼键结合比烯醇盐更具共价

13、键特征，过渡态结构比较紧密，使得反应立体选择性增加。,乙基同类化合物与二烃基硼的三氟甲磺酸酯在叔胺存在下主要形成Z型烯醇硼酸酯，与醛进一步加成，得syn-加成物,利用硼化合物形成的碳负离子进行醇醛缩合，反应的立体选择性分别于硼化合物上的取代基和反应溶剂有关。,当-重氮酮与三烃基硼烷反应可得到E型的烯醇硼酸酯，进一步与醛加成主要得到anti-加成物。,催化量的弱碱如酚盐可将中间体由E型转为Z型。,多量,少量,羟醛缩合也可在酸的催化下进行,Mukaiyama-Carreira Reaction,二.Knoevenagel-Doebner 缩合,Stobbe缩合：丁二酸酯类与醛或酮的缩合反应中其中一

14、个-COOR总是转变为-COO-而且得到，-不饱和羰基化合物的反应。,三.Mannich反应,托品酮,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：,四.Claisen缩合,五.Dieckmann酯 缩 合,二元酸酯若分子中的酯基被四个以上的碳原子隔开时，就发生分子中的酯缩合反应，形成五圆环或更大环的酯,六.Darzen反应,七.Michael加成,常用碱性催化剂：,反应机制,七.Reformatsky反应,八.Perkin反应,九.Benzoin缩合,CN-的作用作为亲核试剂进攻羰基作为吸电子基使质子离去作为离去基团离去,亲电性,亲核性,极性翻转,十.羰

15、基与叶立德的反应,叶立德(ylide)具有R3YCR2结构的化合物Y：P、As、S等,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,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：,反应机理,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。,活泼的叶立德,稳定的叶立德,Wittig-Horner反应,膦酸酯

16、Wittig-Horner试剂,亚磷酸酯,2.硫叶立德与羰基的反应,Wittig反应与Wittig-Horner反应应用实例：,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,7.6羧酸衍生物与亲核试剂的反应,2.反应活性,作为酰基化试剂活性为：酰氯酸酐酯酰胺,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。,3.酯的水解,无论是酸催化还是碱催化一般发生酰氧键断裂,碱催化：双分子酰氧键断裂

17、（BAc2）,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。,影响反应的主要因素是取代基的电子效应和空间效应分子中有吸电子基有利于反应进行取代基的体积小有利于反应进行,例：,33,R,k,CH3,1,CH2Cl,CHCl2,CH2CO,260,6130,7200,R,k,CH3,1,Cl,OCH3,NO2,0.5,4,110,H,0.2,吸电子基团：提高羰基缺电子程度、有利于分散中间体上的负电荷,例：,25,R,k,CH3,1,CH3CH2,CH(CH3)2,0.79,0.37,0.03,C(CH3)3,0,R,k,CH3,1,CH3CH2,CH(CH3)2,0.6

18、,0.15,0.0084,C(CH3)3,加成过程中，取代基体积越大，基团的空间拥挤程度增大，加成速度越慢。,值得注意的是，虽然羧酸的酯化反应与酯的水解反应是一对可逆反应，但在BAc2催化条件下，实际过程中逆反应基本上不可能发生。在碱性条件下，只能由酯的水解得到酸和醇，不会发生逆反应。原因是在碱性条件下，羧酸立即与碱发生酸碱中和反应转变为羧酸根负离子，羧酸根负离子中羰基活性极低，不能接受亲核试剂进攻。,酸催化：双分子酰氧键断裂（AAc2）,时，由于发生酰氧键断裂，所以，得到构型保留产物。,当R 为：,主要影响因素为四面体的空间张力取代基的电子效应对反应速度影响不大吸电子基有利于羰基的反应，不利

19、于羰基的质子化斥电子基有利于羰基的质子化，不利于羰基的反应,例：,25,R,k,CH3,1,CH3CH2,CH(CH3)2,0.97,0.53,R,k,CH3,1,CH3CH2,CH(CH3)2,0.83,0.27,0.025,C(CH3)3,R,k,CH3,1,CH2Ph,CHPh2,0.56,0.15,0,CPh3,主要影响因素羰基碳上的空间位阻,若RO 中的C原子是三级碳原子,酸性单分子烷氧键断裂机理（AAl1),利用18O标记的水进行反应，发现18O分子出现在三苯甲醇分子中，说明发生的是烷氧见的断裂。,主要影响因素为碳正离子的稳定性生成稳定的碳正离子的化合物按此机理反应叔碳正离子、苄基

20、碳正离子、烯丙基碳正离子,例：,25,R,k,CH3,1,1.15,C(CH3)3,决定因素：碳正离子稳定性,酸性单分子酰键断裂机理（AAc1),位阻很大的酯进行的反应,酸性单分子烷氧键断裂（AAl1）,酸性单分子酰氧键断裂（AAc1）,1.烯醇负离子:羰基化合物中移去一个质子得到的碳负离子是烯醇物,具有亲核,与卤代烷反应生成烷基化产物。,亲核性碳,烯醇硅醚,2.烯胺,（1）不对称酮形成烯胺时，双键总是在取代基较少的地方形成。,（2）能形成共轭体系时，双键在共轭处形成。,五原子重叠，空阻大。,稳定的烯胺是含-H的酮与二级胺在酸催化下反应来制备的。,烯胺制备,噁唑啉衍生物的碳负离子,2-氨基-1

21、-丙醇,2-烷基-4,4-二甲基噁唑啉,碳负离子,噁唑啉衍生物,特殊的酸催化由质子催化的反应，H3O+,酸碱催化,反应的特征在控速步骤的前一步有反应快、可逆的质子化反应,反应特征反应物的质子化是控速步骤,普遍的酸催化反应可被质子的给予体催化的反应,特殊的碱催化由氢氧根催化的反应,反应的特征在控速步骤的前一步有反应快、可逆的去质子化反应,反应特征反应物的去质子化是控速步骤,普遍的碱催化反应可被碱催化的反应,反应物分子中的基团催化其反应的作用,分子内催化反应,在反应物的分子中，某官能团的几何形状有利于催化该基团且和反应基团相接近时，则该官能团作为催化剂就能更有效地起作用。,苯甲醛的混合缩醛水解反应速率能被分子内一般算催化加快。,乙酰水杨酸及其衍生物对酯的水解反应中分子内催化的研究表明，负离子水解笔中性化合物快，同时也说明羧酸根离子参与了反应。,具有良好离去基团的取代苯酯类，其水解反应是通过亲核催化作用的机理进行的。,