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第四章碳负离子及羰基化合物的反应(CarbanionsandReactionsofCarbonylGroups)CH+B共轭酸C+HB共轭碱一、碳负离子的产生、结构和稳定性1、产生碳负离子：有机分子通过碳上失去质子形成的带负电荷的活性中间体。1）强碱作用下；2）邻近有使电子离域之基团。举例：1）E1cb消除XXE1cb..BH-CH2-CH-CH2CH3CH2-CH-CH2CH3-CH2=CH-CH2CH32）羰基化合物的烯醇负离子互变在碱性条件下：OOOR-C-CH2R'R-C=CHR'B--R-C-CH-R'-3）通过加成-消除的亲核芳香取代反应O2NNO2NO2ORNO2O2NO2N+OR'--OROR'NO2NO2OR'NO24）通过金属有机化合物异裂RLi、RMgX、RC=CNa2、结构两种合理构型推测：..109°28′Csp3杂化棱锥型..90°Csp2杂化平面三角型C6H13CH3H举例：碳负离子的空间构型取决于所连基团。通常情形，棱锥型碳负离子的孤对电子处于sp3杂化轨道上，斥力小，稳定。..C但对三苯甲基负离子，中心碳sp2杂化，碳负离子呈平面型，有利于三个苯环共轭，稳定碳负离子。Cl桥头碳负离子，能形成稳定的棱锥形构型。1)CO22)H3O+COOH..碳负离子构型证明：1CO22H3OBuLiC6H12CHCH3IC6H12CHCH3LiC6H12CHCH3COOH0ºC，生成dl外消旋体-70ºC,生成80%外消旋体，20%构型保持。HCCHC6H13C6H13HCH3CCH3H......CCH3CO2C6H13CO2C6H13H3O+COOHCCH3H3O+C6H13CH3HCOOH思考：HHHCH3HCOOHHHHCH3HLiHHHCH3-..1)CO2H2)H3O+3、碳负离子稳定性及测定方法将烃类视为碳氢酸，测定其酸离解常数，由pK来判定碳负离子的稳定性。R-H+B-R-+HB+可由两个酸性烃类化合物与其金属盐之间建立平衡，求得pKa值。R-H+RK+R'KR'HR-HR+H-+R'-HR'H-+设法将两种烃的酸离解平衡常数或平衡酸度关联起来：已知pKa’值，可求pKa值。-[RH][R']-[R'H][R][RH][R'K]-[R'H][RK]pKa-pKa'=log=log一些烃的酸度4、影响碳负离子稳定性的因素1）诱导效应与共轭效应(1)中心碳上连有吸电子基时，C-稳定性增加F3C-H(CF3)3C-HpKa28pKa11(2)p-π键共轭，C-稳定性增加ph3CHph2CH2phCH3ClClClCl(Cl)3C-OCOOOR-C-C-R-C-NR-NR-COSCC-CCC-OSONOC-ONOC-季鏻盐：CH2Ph3P（3）p-d轨道共轭+Ph3PCH3Br-PhLi+Ph3PCH2-Ph3PCH2+Br-PhLi(CH3)2S+-CH2(CH3)2SCH2PhLi+(CH3)3N-CH2反应活性：+-CH2(CH3)2S+--CH2+(CH3)3N叔锍盐：(CH3)3S季铵盐：(CH3)4N+Cl-RCC-R2C-CH≈Ar-R3CCH2-sp杂化sp2sp32)S电子成分效应S成分：50%33.3%25%3）芳香性符合休克尔规则的C-稳定HRRHRRB：-B：-反芳香性，反应速度慢4n+2=6,芳香性，反应速度快+OH-4)溶剂非质子性的溶剂利于C-的裸露CH3CH3非质子性溶剂，正极埋在溶剂分子内部，负极与亲核试剂的正离子形成离子-偶极键，将亲核试剂正负离子隔开，使碳负离子裸露，反应速度加快。质子性溶剂使C-溶剂化，反应速度降低。δ+Nδ-OHCRMδ-δ++HMOH-+H+H-R+HOH-OH-冠醚的加入可将负离子亲核试剂裸露在外，促进反应。OOOOOO+MR-RCCH2+--HB二、烯醇和烯胺1、烯醇：羰基化合物可互变成酮式和烯醇式，派生出的1）碱催化R'R'ROCCHOCR-CH烯醇盐和碳负离子是羰基化合物反应的中间体。OHOR'RCCHR'-B+-HHO+HCH2CHOHOH+CH2CHOCH2CHO例：（1）同位素跟踪R'R'DOR'OR'B-R2COC-+SDCR2COR2CHC-R'OC-R2CR2CC-R2CHC-R-B（2）动力学证明OO反应速度＝[R2CHC-R'][B-]去质子速度为反应速度控制步骤。R'R'R'OR'OXR2COC'OC-R2CC-R2C+X2CR2C慢反应-快反应-去质子活性与电子效应和空间效应有关。相对速度41.50.1CHH3CCH3CH3空间位阻大，去质子速度慢；烷基取代基多，烯醇负离子稳定性好。B-OCH3CCH2CH3OCH3CCH2C(CH3)3B-O-CH3CCH-CH3OCH3CC-例：R'R'R'2）酸催化ORCCH2R'+HRCH2OHC+RCH2OHC+ROHCCH+H+OCH3CCH3+HClOHCH3CCH2H+ClOHCH3CCH2-HCl慢+快质子化酮去除α-质子形成烯醇的速度是反应速度控制步骤。3）酸催化与碱催化比较（1）酸催化，形成多取代烯醇，碱催化，形成取代基较少烯醇负离子。（2）酸催化，形成烯醇，碱催化，形成烯醇盐。（3）烷基取代基对活性的影响在碱催化时比在酸催化时明显。（4）无论酸或碱催化，含有单独一个酮基、醛基、酯基的化合物，平衡时几乎不存在烯醇式，以酮式存在。（5）形成烯醇时的动力学与热力学控制OR2CHCCH2R'B-B-kakb-OR2C=CCH2R'A-OR2CHC=CHR'B[A][B]=kakb动力学控制：取决于去质子速度（非质子溶剂、强碱、无过量酮存在）位阻小的H易被夺去热力学控制：取决于产物的稳定性（过量酮存在、质子性溶剂稳定C-），C=C上取代基多的烯醇稳定举例：OCH3CH3OLiCH3OLi+t-BuLi+碱过量酮过量28%94%72%6%动力学平衡热力学平衡OCH3OOOCH3CH3+CH3+--RRORCCHR2+R2'NHH+R2'NOHCCHR22、烯胺碳-碳双键上连有氨基取代基的化合物称烯胺。氨基的存在使β-碳亲核性更强，可用于烷基化反应。烯胺的制备：仲胺与醛或酮在酸性催化剂作用下加热缩合，除去生成的水而得。+HRCRHCR2+R2'NCCR2R2'N-H+C+R2'N-CR2ONHHONN+H+-H2O1、OCH3NHNCH3NCH3++2、90%10%NCH3HHHNHHHHHC活性中间体烯胺在合成中应用酮的α-烷基化OOCH2PhONHHONNCH2PhNOCH2PhNH+H+-H2O+N-PhCH2ClH2O+++H+例2：NHOH5C2OOCCH2CH2CH2CH2COOC2H5+CH2CHCOOC2H5C2H5OH+NCH2CHCOOC2H5-HOC2H5CH2CHCOOC2H5HCl,H2O,C2H5OH60%OOH5C2OOCCH2CH2CH2CH2COOC2H5例3：OOCH2NCH3CH2CCH2CH3OCH3CH2ClCH2CHCH2CH3HCH3CH2CH3HCH2CH3CH2CCHCH2CHOCH3CH2NHCH3CH2CCH2CH3+CCH3CH2CCHCH2CHCH3+NC-+NCHC-ClCH2CH++H2OHCl快三、羰基化合物的反应O1、羰基的亲核加成反应机理1：NuACBOACB慢OACBHNuNuOHACBNu①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。②为使亲核试剂的负电荷裸露出来，增加亲核性，常需碱催化。机理2：ACBOBHACOHBACOH慢OHBACOHNuNuACB＋快羰基质子化，可以提高羰基的亲核性。+HH举例：半缩酮ORORORO+ROHOHORCC+CCOHOR+OH2ORCOH2+C+OR+H2OC+OR+ROHCOR+COR+ORHC+ORH+缩酮举例：与其它亲核试剂的加成反应：HCN、NaSO3H、RMgX与亲核试剂加成-消除反应：RNH2、HONH2、NH2NHR、亚胺肟腙CRR'ONusp2杂化平面三角型CRR'ONusp3杂化四面体羰基加成的立体化学：1）若R、R’不含手性碳，则加成产物为外消旋体。羰基加成的立体化学：2）若羰基的邻近碳原子有手性，亲核加成遵循Cram规则HEtPhCH3HOHHO1)LiAlH4EtCH3Ph2)H2OLMSROLMSCC+-CNuRCOH+HNuCram规则-1羰基加成的立体化学：Cram规则-2ORLSYHRLSYH-ONuHOPhPhOCH3HOPhLiPhCH3OCH3HOHOCH3CH3PhPhLiCH3YH=-OH,-NH2举例：2、Wittig反应（羰基与叶立德的反应）Wittig试剂：Ph3PCR2Ph3PCHRPh3PCH2(n-Bu)3PCHR(RO)3PCHRWittig试剂与羰基发生亲核加成反应，生成烯烃：COPh3PCRR'CCRR'GeorgWittigC反应机理：CO+Ph3PCR2COR2CPPh3COR2CPPh3ROC+PPh3RCOR2CPPh3氧膦环丁烷中间体产物稳定，反应向右进行。CO,R'Ph3P+XCHRR'XPh3PCHRXWittig试剂是鏻盐在强碱的作用下制备的：-Wittig反应的应用：RCO:R'(H)R,ArZCH2R'(H)Z:OH,OR,NR2CCCO对，试剂只与羰基作用。RR'+Ph3P-CBuLi鏻盐离子型的内鎓盐，=Ph3PCHCH3COOCH2CH3CHOCOOCH2CH3Ph3POCHCHCH3CHOCH3OH+H2OPh3PCHOCH3CHOOOCH2H2COH2CCH2+Ph3P+3、碳负离子与羰基的反应1）羟醛缩合反应(AldolCondensation)带有α-氢的酮或醛在酸或碱的催化下发生缩合反应生成β-羟基醛或酮。分为自身羟醛缩合和混合羟醛缩合。通式：OOC-+CCC-CH3CHO+CH3CHOOHCH3CHCH2CHOH碱催化反应机理:HO+HCH2CHOHOH+CH2CHOCH2CHOStep1形成烯醇负离子(1)自身羟醛缩合反应举例：OCH3CHOOCH2CHCH2CHOOCH3CHCH2CHOStep2Step3OCH3CHCH2CHOHOHCH3CHCH2CHOHOOH生成的β-羟基醛或酮很容易逆转。可设法通过脱水使总反应进行到底。举例：H3CCH3H3CCH3H3CCHCH3CH3H3CCH2CH3CH3OC+OCBa(OH)2OCCOCOHCOH--H2OOCH3CCH3+HClOHCH3CCH2H+ClOHCH3CCH2-HClOHCH3CH3CCH2+COHCH3CH3CCH2OHCH3COHCH3酸催化机理：羰基质子化及烯醇的生成：烯醇进攻质子化的羰基：OHCH3CCH2CH3COHCH3OHCH3CH3CCHCOH2CH3-H2O,-HOCH3CH3CCHCCH3形成羟基酮，并进一步脱水形成α,β-不饱和酮(2)分子内的羟醛缩合实例：鲁滨逊关环(Robinson)反应：CH3OOOHOOOOCH3O-H2OCH3+OCH2CHCOCH3共轭加成CH3CH2CH2COCH3O吡咯烷例1：O例2：(3)混合羟醛缩合：克莱森-施密特(Claisen-schmidt)羟醛缩合：涉及到二个不同羰基化合物的反应，需考虑反应选择性。有应用价值的混合羟醛缩合：混合羟醛缩合反应实例：碱催化，与甲基反应；酸催化，与亚甲基反应。例1：酸催化下的反应历程：因此：碱催化得直链式缩合产物，酸催化时得支链式缩合产物。混合羟醛缩合反应实例：例2：例3：O(CH3)3CCCH3+PhCHOCHOCHCC(CH3)3OH-CHOCHOO+CH3CH2COCH2CH3NaOEtNaOH更多的Claisen-Schmidt反应的应用：CHOOCH3CCH3HHCOCH3PhHPhHOHNO2PhHCNPhPhHOC6H5CHO+CH3CC(CH3)3NaOHH2O-C2H5OHOC6H5CH=CHCC(CH3)3(88%-93%)+NaOHH