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第 6 章 羰基化合物的反应

第 6 章 羰基化合物的反应. 谢 斌 教授. -. Nu. 6.1 羰基化合物的反应机理. 亲电性： 底物的 中心碳原子带有 部分正电荷。. 底物 ＋ 试剂. 底物的性质. E-Nu. E ＋. 亲电性. 亲核性： 底物中心碳原子带有部分负电荷。. E-Nu. 亲核性. 1 ． 羰基上的反应. （ 1 ） 亲核加成. （ 2 ） 亲核取代. 加成 - 消除. （ 3 ） 缩合反应. 2.  - 碳负离子 作为亲核试剂. 6.2 羰基加成反应及产物 6.2.1 加水. 可以从空间效应和电子效应来解释.

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第 6 章 羰基化合物的反应

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Presentation Transcript

  1. 第6章 羰基化合物的反应 谢 斌 教授

  2. - Nu 6.1 羰基化合物的反应机理 亲电性：底物的 中心碳原子带有 部分正电荷。 底物 ＋ 试剂 底物的性质 E-Nu E＋ 亲电性 亲核性：底物中心碳原子带有部分负电荷。 E-Nu 亲核性

  3. 1．羰基上的反应 （1）亲核加成 （2）亲核取代 加成-消除

  4. （3）缩合反应 2. -碳负离子作为亲核试剂 6.2 羰基加成反应及产物 6.2.1 加水

  5. 可以从空间效应和电子效应来解释 中性条件下，酮的同位素交换慢； 微酸或微碱存在下，交换快。 水化反应既受酸催化，又受碱催化。

  6. 酸催化 （增加羰基的极性和羰基碳的正电性，提高其亲电性）

  7. 碱催化 增加水的亲核能力 ①试剂进攻羰基C原子，生成氧负离子是决定反应速率步骤。 ②为使亲核试剂H2O的负电荷裸露出来，增加亲核性，常需碱催化

  8. 6.2.2 醇解 醇与醛或酮进行可逆的加成反应 酸催化下，得缩醛或缩酮 每步反应都是可逆的。

  9. 碱性条件只能到半缩醛（酮） OH-是极难离去的离去基 第一步可以酸催化，也可以碱催化，第二步只能酸催化，缩醛（酮）在碱性中稳定

  10. 6.2.3 与金属有机试剂的加成 醛酮与格氏试剂加成时，一般为三分子机理。 配合物 六元环过渡态

  11. 一般得到醇 有机锂的活性高，得到酮。 不对称酮

  12. 大位阻酮不能与格氏试剂反应，但可以与有机锂反应得三级醇。大位阻酮不能与格氏试剂反应，但可以与有机锂反应得三级醇。 6.3 加成-消除反应 黄色或橙色沉淀，可水解为醛、酮，可用于醛、酮的分离、提纯

  13. 6.4 羰基化合物的加成反应活性和立体选择性 6.4.1 羰基化合物的加成反应活性 r = k2[RCOR’][BH4-] 二级反应 (1)R、R’的体积越大(空阻)，k2越小 k2值：醛＞酮

  14. 丙酮比苯乙酮快，苯乙酮过渡态中失去了基态时的共轭作用 (2)

  15. 的角张力差别不大 ,差别的主要原因是扭转张力 和 重叠构象, 有扭转张力 交叉构象，无扭转张力

  16. 6.4.2 羰基化合物加成的立体选择性 （1）Cram规则一 无分子内氢键的含-手性中心的羰基化合物的亲核加成和还原（LiAlH4或NaBH4）反应从M和S之间的位置进攻羰基碳得到主要产物。 手性碳上两个体积较小的基团（S与M）根据其构型分处于羰基两侧，体积最大的基团L则与羰基呈反位交叉构象，还原剂（或亲核试剂）从S与M之间位阻较小的一侧进攻羰基占优势，这就是Cram规则。

  17. 优势构象

  18. （2）Cram规则二 当羰基化合物存在分子内氢键时，加成的立体选择性服从Cram规则二，亲核试剂从含氢键环的空间位阻小的一侧进攻羰基碳。 优势构象

  19. （3）Cornforth规则 -卤代酮的优势构象为卤素与羰基呈对位交叉式构象，亲核试剂优先从位阻小的一侧进攻羰基碳。 卤原子与羰基的排斥最小 当有大体积烃基时，对-卤代酮的加成仍然服从Cram规则一

  20. 6.5 碳负离子 6.5.1 碳负离子的结构特征 碳负离子为带负电荷的三价碳原子为中心的中间体。 价电子层为八电子结构，具有一对未共用电子。 中心碳原子的构型： 或为sp2杂化的平面构型，或为sp3杂化的棱锥构型。

  21. 简单的烃基负离子一般是sp3杂化的棱锥构型，未共用电子对处于sp3杂化轨道 理由： (1)当烃基碳负离子的未共用电子对处于sp3杂化轨道时，与处于p轨道比较，未共用电子对更靠近碳原子核，体系能量较低，比较稳定。 (2)当未共用电子对处于sp3杂化轨道时，与其他三对成键电子所处的轨道之间的夹角近似109.5°，而处于p轨道时，则与三个sp2杂化轨道之间的夹角为90°。处于sp3杂化状态的棱锥构型，电子对的排斥作用较小，比较有利。

  22. 由于环张力大,不利于平面构型而很不稳定。 很少有桥头碳正离子生成 棱锥构型 三元环的桥头碳负离子稳定，因此存在三元环的桥头碳负离子。

  23. 反应很顺利进行 6.5.2 碳负离子的稳定性 (1)杂化效应 s轨道较p轨道更靠近原子核，处于较低的能级。在杂化轨道中s轨道成分越多，则轨道相应越靠近原子核，能级也越低。在C-H键中，一对成键电子处于不同杂化轨道时，s轨道成分越多，电子对靠近碳原子核越近，被碳原子核拉得越紧，氢原子去质子化的趋势也就越大。

  24. 与不同杂化状态的碳原子相连的氢原子去质子化的难易程度，即酸性的强弱是不同的，所生成的碳负离子的稳定性也不同。与不同杂化状态的碳原子相连的氢原子去质子化的难易程度，即酸性的强弱是不同的，所生成的碳负离子的稳定性也不同。 碳负离子稳定性次序为： 由于中心碳原子杂化状态的不同，对碳负离子的稳定性产生的不同影响称为杂化效应。 这种影响是由于杂化轨道中s轨道成分的不同所造成的，所以又叫s-效应。

  25. (2)电子效应 诱导效应： 当反应物分子中碳原子上连有强吸电基时，使碳原子上所连氢的酸性增强，容易去质子化形成碳负离子。同样当生成的碳负离子在中心碳原子上连有强的吸电基时，也可以分散负电荷使碳负离子稳定。 当碳原子上连有供电基时，与碳原子相连的的酸性减弱，生成的碳负离子其负电荷难于分散，稳定性减小。

  26. 共轭效应： 当碳负离子中带有负电荷的中心碳原子与键直接相连时，由于离域的结果，使碳负离子稳定性增加。 连接的键（或苯环）越多则离域越充分，碳负离子越稳定。

  27. 碳-氮、碳-氧和氮-氧键与负碳离子的中心碳原子直接相连时，能更好地分散负电荷，更能使碳负离子稳定。碳-氮、碳-氧和氮-氧键与负碳离子的中心碳原子直接相连时，能更好地分散负电荷，更能使碳负离子稳定。 氮和氧的电负性更大 -I 效应和-C效应， 分散负电荷 （3）芳香性 环状碳负离子是否有芳香性，对其稳定性有明显影响。 环戊二烯酸性（pKa=14.5）比一般烯烃酸性(pKa=37)要大得多。 原因：负离子中存在共轭效应，同时更重要的是因为负离子符合Hückel规则，具有芳香性。

  28. 环壬四烯负离子和环辛四烯双负离子也具有芳香性，因而也是较稳定的碳负离子 （4）溶剂效应 在没有溶剂的情况下，离子反应在气相进行需要很高的能量，一般气相反应按自由基反应进行。 HCl在气相解离为自由基只需要430.95kJ/mol的能量，而解离为离子则能量必须达到1393.27kJ/mol; 若在极性溶剂(如水)中，HCl很容易解离为离子，溶剂效应对离子的稳定化作用。

  29. 一般说，极性质子溶剂如水，能有效地溶剂化正离子和负离子。其中正离子是通过与溶剂分子的未共用电子对偶极作用溶剂化，而负离子则通过氢键作用溶剂化。一般说，极性质子溶剂如水，能有效地溶剂化正离子和负离子。其中正离子是通过与溶剂分子的未共用电子对偶极作用溶剂化，而负离子则通过氢键作用溶剂化。 极性非质子溶剂如DMSO,它虽然能够溶剂化正离子，但并不能有效地溶剂化负离子。 负离子在极性非质子溶剂中更活泼。所以，选择不同的溶剂，往往可以直接影响负离子的亲核性。

  30. 6.5.3 碳负离子的形成 有机化合物在强碱的作用下，分子的C-H键发生去质子化得到碳负离子。 常用的强碱有RO-、NH2-、MeSOCH2-、i-Pr2NLi(LDA)等.

  31. 分子中存在不同的氢原子，其酸性不同，脱质子化有选择性。分子中存在不同的氢原子，其酸性不同，脱质子化有选择性。 -甲基氢酸性大于-亚甲基氢的酸性 -亚甲基氢酸性大于-甲基氢的酸性

  32. 动力学控制 热力学控制

  33. 6.6 重要的缩合反应 共同特征： 在酸或碱作用下形成亲核试剂，再与羰基化合物加成。 X为-CHO、-COR、-COOR、-NO2、-CN等

  34. 6.6.1 羟醛缩合（aldol condensation） 1. 羟醛缩合 在催化剂作用下，含有-H的醛或酮相互作用，生成-羟基醛（酮）或,-不饱和醛酮的反应叫羟醛缩合 (1) 反应可被酸或碱作催化 碱先夺取-H，产生碳负离子

  35. 酸催化提高羰基碳的正电性 (2)反应为可逆反应，醛倾向于正向；而酮逆向倾向大，可用索氏提取器促使正向进行。

  36. 过渡态为环状的椅式构象,大基团R处于平伏键上。过渡态为环状的椅式构象,大基团R处于平伏键上。 加成产物的构型如何？ （1）E-烯醇负离子的亲核加成 anti--羟基酮（赤式）

  37. （2）Z-烯醇负离子的亲核加成 syn--羟基酮 (苏式） 低温主要形成Z-烯醇负离子，得到顺式产物，为动力学控制。

  38. 动力学控制 取代基越大。越有利于顺式产物的形成

  39. 室温下为热力学控制，主要为E-烯醇负离子中间体，结果形成反式为主的产物。室温下为热力学控制，主要为E-烯醇负离子中间体，结果形成反式为主的产物。 环状酮只能形成E-烯醇负离子，与苯甲醛加成主要得反式产物。 R

  40. 2．交叉羟醛缩合（Mixed Aldol Condensation） 无-H的醛酮，自身不能发生羟醛缩合，但可以与另一分子含-H的醛酮发生交叉羟醛缩合。 -H组分 羰基组分 交叉岐化 Claisen-Schmidt condensation

  41. 两种酮的交叉缩合，至少有一种为甲基酮或环酮，位阻小的甲基酮或环酮在反应中作羰基组分。两种酮的交叉缩合，至少有一种为甲基酮或环酮，位阻小的甲基酮或环酮在反应中作羰基组分。 羰基组分 亲核活性大

  42. 分子内的羟醛缩合产物一般为五元环或六元环的,-不饱和醛(酮)分子内的羟醛缩合产物一般为五元环或六元环的,-不饱和醛(酮)  亲核进攻时的位阻大 产物不太稳定

  43. 不对称酮的反应区域选择性 major major 酸性较强，空阻较小 major

  44. minor major 更稳定 6.6.2 Knoevenagel-Doebner缩合 醛酮与含活泼亚甲基化合物（如丙二酸、丙二酸酯，-羰基酸酯、-氰基酸酯等）在温和的碱作用下的，-不饱和酸酯的反应。

  45. 碱一般为吡啶或胺

  46. 6.6.3 Stobbe反应 醛酮与1,4-丁二酸酯在碱性催化条件下，生成亚叉基丁二酸单酯的反应叫stobble反应。

  47. 大位阻 Y 94%

  48. 6.6.4 Mannich反应 具有-H的醛酮或其他含活泼氢的化合物与甲醛及胺或氨作用，生成氨甲基化产物的反应称氨甲基化反应或Mannich反应。 含活泼氢的化合物有：RCH2COR, RCH2COOR, RCH2COOH, RCH2CN和RCH2NO2等。 氨和1º胺可进一步发生Mannich反应

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