理论有机化学 第十一章 碳氧重键的加成反应

第十一章碳氧重键的加成反应§1羰基的特性C=O键具有强极性碳原子是亲核反应中心，接受亲核试剂进攻。δδOCNuCOδδ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。§1羰基的特性§1羰基的特性α-C原子上的质子与C=O键发生烯醇化转换OCH3CCOH2CH§1羰基的特性α-H是活泼H原子，容易离去，产生亲核试剂。OCH3CCOH2CHBH2COCCOH2C§1羰基的特性所以，含有α活泼H的羰基化合物既是亲核反应中心，接受亲核试剂进攻，同时又亲核试剂，可以进攻亲核反应中心。既可以与别的化合物发生交差缩合反应，也可以发生自身缩合反应。产物非常复杂。OCH3COCH3CA+RBACOCH3CH2CORROCCH2CH3OCAROCCH2CH3OCAACOCH3CH2COR§2羰基亲核加成的反应机理1.基本反应历程动力学二级反应V=k[R2CO][Nu]RCORNuCORRNuNuRROCHH羰基的亲核加成反应机理：碱催化：COBANuCABONuH或E+CABONuCABOHNu慢①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：HNu+BNu+HB+HACOHBACOHBNuNuHAACOHBNu+HA酸催化：ACBOBHACOHBACOHA-A羰基质子化后，氧上带有负电荷，很不稳定，π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。羰基的亲核加成反应机理：酸除了活化羰基外，还能与羰基形成氢键：COHClδδ质子性溶剂也起到同样作用：COHSolδδ都使羰基活化。羰基质子化，可以提高羰基的反应活性。羰基的亲核加成反应机理：§2羰基亲核加成的反应机理1.羧酸衍生物反应历程——取代机理L是一个容易离去的基团。CORNuNuROCNuOCRLLL羧酸衍生物的反应活性作为酰基化试剂，其活性为：RCOClRCOSR'(RCO)2ORCOORRCONH2X:具有-I效应，C－Cl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。衍生反应历程——取代机理碱催化历程：RCOCORROCHOROROROHO-OHROH+EtOROEtOH+酸催化历程OHHOROCOCRHHHCOROHROH-CORROOHHHHHOHROROCCORROHH2OROCORCORROHH-§2羰基亲核加成的反应机理2.衍生反应历程——加成消去机理羰基旁边有α-H时可以发生消去。-HOCROCOCH3CH3CRRRRRH2C2.衍生反应历程——加成消去机理胺的衍生物（NH2Z）容易发生消去Z=OH，NHph，NHCONH2，NH2RCORROCRHHNH2ZHRCORNH2ZHROCRHNHZRCRNZH2O2.衍生反应历程——加成消去机理反应要在弱酸性条件下进行加速反应减缓反应酸在反应中起积极和消极两重作用ROCR+HHRCOR+HNH2ZNH3Z3.加成反应的定向问题Gram规则：进攻试剂优先从体积小的原子那一侧靠近羰基。ORMLSCCMORSLNuSLMRONuLSROMCCNuIIINuCCMORSLNuORMLSLSROMCCSLMROLSROMCCNuHHHNuNuHSLMRO+LMSNuIIIEtMeHLiAlH40.951EtMeHMeMgI1.51phMeHMeMgI21phMeHEtMgI31§3一些羰基亲核加成反应事例1.氧作为亲核试剂的反应与水加成，酸碱皆可催化反应。RRCOOHOH+H2OCRR与水加成OCRROHRCROHOH2OOHRCROH+OHROCHHHRCOCORRRRH2ORCCROHHHROC-HO2RRROHOHHOH1.氧作为亲核试剂的反应醛酮与醇在酸催化下发生加成反应，形成缩醛或缩酮。醇的光学活性不变；同位素标记证实；HRRCH2O+OCRRROHOROR+***HOHRRR2HO-COHOHRCCRRORORRRRRROCOCRHHHCORROHOROHHORRCRORCROHRR-HRRRCOR-H2O2.氮作为亲核试剂的反应与氨衍生物的加成，在弱酸条件下反应。ROCRHHHRCORROCRH2N-NH2H2N-NH2H2ORCRHRCORHHNNH2NNH2Mannich反应活泼氢化合物与甲醛、胺之间的缩合反应反应涉及三个分子，根据酸碱都可以催化反应的事实及一般反应规律，提出如下机理：R2N+HCH+CH2CORHOHR2NCH2CORCH2碱催化Mannich反应历程OHCH+HR2NOHHCNR2OHR2NHHONR2CHHHHCNR2OH+HCH2COROHHONR2CHHCH2CORSN2OH-HNR2CHCH2COR酸催化Mannich反应历程HNR2CHCH2CORHCNR2HHONR2CHR2NH+HCHOHHHHOHNR2CH+CH2=C-RHCNR2HOHCH2CRH-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：CH3COCH3,CH3HOCH3NO2,CH3COCH2COOR,OHHHOHHH2HCHOOHR'OHR'2ONH3.碳作为亲核试剂的反应Grignard试剂有机锂试剂炔钠加成水解醇COR'CH2OHHHCORHCORR''COHRR'R''R'MCHOHRR'RMgX+CORCOMgXH3O+RCOHRLi+CORCOLiH3O+RCOH+COCONaH3O+RCCOHRCCNaRCCCMgBr+COHH乙醚CH2OMgBrH3O+CH2OH(CH3)3CCC(CH3)3O+(CH3)3CLi①醚/-70℃②H3O+[(CH3)3C]3COH二叔丁基酮三叔丁基甲醇OHCCNa①,液NH3,-33℃②H3O+,70%OHCCHReformasky反应α–溴代羧酸酯Zn烃氧基卤化锌水解β–羟基酯COBrCCO2R+ZnCBrZnOCCO2RH3O+COHCCO2R反应机理：H3O+COHCCO2RBrCCO2RZnBrZn:CCO2RCOCBrZnOCCO2R反应特点：•RZnBrRMgBr，不与酯基反应•β–羟基酯易脱水和水解，生成α,β–不饱和酸COHCCO2RH2O,H+△CCCO2H羟醛缩合(aldolcondensation)3.碳作为亲核试剂的反应两分子醛或酮、稀碱或稀酸、缩合、生成β–羟基醛2CH3CHO10%NaOH5℃CH3CHCH2CHOOH3–羟基丁醛反应机理:第一步：碱夺取α–氢，生成烯醇负离子。HO+HCH2CHOHOH+CH2CHOCH2CHO第二步：烯醇负离子对羰基的亲核加成。CH2CHOCH3CHO+CH3CHOCH2CHOCH3CHOCHOCH2第三步：烷氧负离子从水中夺取质子，生成β–羟基醛。CH3CHOCH2CHOHOHCH3CHCH2CHOHOOH3.碳作为亲核试剂的反应Claisen–Schmidt缩合反应交错羟醛缩合芳醛含α–氢醛或酮碱性条件脱水生成α,β–不饱和醛或酮CHO+CH3CHONaOHCOHHCHHCHOH2OCHCHOCH克莱森缩合按照加成消除历程进行反应+H3CCOOROHCH2COOR+H2ORRCOH-H2OCRRCHCOORCRROCH2COORCHCOORH3.碳作为亲核试剂的反应伯金反应：芳香醛与酸酐在同种羧酸盐存在下发生加成反应，生成不饱和羧酸盐。ArCHO+(RCH2CO)2ORCH2COONaAr-CH=CR-COONaCHOCH3CH2COOOCH3CH2C+CH3CH2COONa135℃,30hCHCCOOH+CH3CH2COOHCH370%伯金反应历程单用芳香醛与羧酸盐作用，反应并不发生。(RCH2CO)2O+RCH2COONaRCHCOONa+RCH2COOHOHArCOHRCHCOONaHOCArCCOONaRHOH-RCCOONaArCH3.碳作为亲核试剂的反应安息香缩合：芳香醛在氰化物作用下发生双分子缩合反应，生成羟基酮。Ar-CH-C-+ArCHOKCNArOHO安息香缩合反应机理KCN是专用试剂，其他碱不可替代ArCOHHOCArCNCNCNHOCArArCHOCNHOCArHOCArArCOHArCOHCNCN-HOCHOCArAr3.碳作为亲核试剂的反应Wittig反应：醛酮与磷翁内盐作用得到高纯烯烃ylideR2CO+ph3PCR'2R2C=CR'2+ph3POPph3+R2CHXCHR2XPph3ph3PCR2-HXWittig反应历程RCOPph3R'R'+CRRCR'R'ph3POCRRCOPph3R'R'CRRCR'R'ph3POCR§4羧酸衍生物与亲核试剂的反应1.反应机理NuCRLOHCNuRLOHCNuRLOHCNuRO+HLL: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：RCOClRCOSR'(RCO)2ORCOORRCONH2X:具有-I效应，C－Cl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。§4羧酸衍生物与亲核试剂的反应-反应实例酯化与水解反应酯化与水解是可逆反应，——酰氧键断裂和烷氧键断裂——单分子反应和双分子反应——酸催化反应和碱催化反应酰氧键断裂和烷氧键断裂RCOOHHOR'+OHOCROR'++R'RCO+R'OCROOH单分子反应和双分子反应单分子反应V=k[RCOOH]双分子反应V=k[RCOOH][R’OH]OHOHOCR-RCOOR'OR'RCOOR'RCOOHOR'OHOCROCROR'-OH酸催化反应和碱催化反应碱催化酸催化OR'RCOOHOR'OHOCROCROR'-OHOHR'RCORCOOHR'OHOHHOCRHOHHHOHOCROR'2OCROR'OR'RCOH酯化反应：酸催化下酰氧键断裂的双分子反应同位素标记，手性保持，二级反应V=[RCOOH][ROH]OHR'RCORCOOHR'OHOHHOCRHOHHOHHRCO**OCROR'HOHOCROR'2OR'RCOH-H-H2O***皂化反应：碱催化下酰氧键断裂的双分子反应同位素标记，手性保持，二级反应V=[RCOOH][ROH]RCOOROHOROCROH**OROCROH*若R’O－中的C原子是三级碳原子时，在酸催化时，发生烷氧键断裂：RCOOCR3HCOHORCR3ROCOH+CR3H2OH2OCR3-HHOCR3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。CCCOδδδπ,π–共轭1、亲电加成CH2CHCOH+HClClCH2CH2CHO§5α,β–不饱和醛、酮的特性α,β–不饱和醛和酮的结构：CCCOCCCOCCCO(I)(II)(III)1234反应机理：CH2CHCOHH+CH2CHCOHHCH2CHCOHHCH2CHCOHHCH2CHCOHH+ClClCH2CHCOHHClCH2CH2CHO1,4–加成亲电加成O+HBrOBrCH2CHCCH3OCN(a)(b)(a)(b)CH2CHCCH3OHCNCH2CH2CCH3OCN1,2–加成1,4–加成2、亲核加成1,4–加成反应机理CH2CHCCH3OCNCH2CHCCH3OCNCH2CHCCH3OCNHCN,-CNCH2CHCCH3OHCNCH2CH2CCH3OCN影响加成方式的因素:•底物中取代基的空间位阻醛利于1,2–加成；酮利于1,4–加成。•亲核试剂的碱性强碱性试剂1,2–加成，进攻羰基如：RMgX、LiAlH4弱碱性试剂及R2CuLi1,4–加成，进攻碳碳双键弱碱：CN-、