羟醛缩合反应在有机化学中的应用

羟醛缩合反应在有机化学中的应用摘要：羟醛缩合反应是一个重要的有机化学反应，它在有机合成中有着广泛的应用。羟醛缩合反应是指含有活性α氢原子的化合物如醛、酮、羧酸和酯等，在催化剂的作用下与羰基化合物发生亲核加成，得到α-羟基醛酮或酸，或进一步脱水得到α，β-不饱和醛酮或酸酯的反应。①分子间的羟醛缩合经常被用来合成一些β-羟基化合物，如1，3-丙二醇、l，3-丁二醇和新戊二醇等。其可作为进一步生产香料、药物等多聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)等高聚物的单体；缩合脱水产物α，β-不饱和醛氧化得到相应的可广泛用作精细化工生产原料的羧酸，如2，2-二羟甲基丙酸可用作水性氨脂扩链剂以及制备聚酯、光敏树脂和液晶，2-甲基-2-戊烯酸是具有水果香味的食用香料，可广泛用于食品加工业和其它日化香精产业；此外，α，β-不饱和醛完全氢化时得到饱和伯醛，可用作溶剂或制造洗涤剂、增塑剂。②关键词：羟醛缩合有机反应应用羟醛缩合反应的机理：羟醛缩合反应是指含有活性α氢原子的化合物如醛、酮、羧酸和酯等，在催化剂的作用下与羰基化合物发生亲核加成，得到α-羟基醛或酸。有α氢原子的化合物如醛、酮、羧酸和酯分子中，由于羰基的吸电子诱导作用以及碳氧双键和α碳上碳氢σ键之间的σ-π超共轭效应，使得α碳上氢上的电子云密度较低，具有较强的酸性和活性。羟醛缩合反应既可以在酸催化下反应，也可以在碱催化下反应。在酸催化下，羰基转变成烯醇式，然后烯醇对质子化的羰基进行亲核加成，得到质子化的β-羟基化合物。由于α氢同时受两个官能团的影响，其化学性质活泼，在经质子转移、消除可得α，β-不饱和醛酮或酸酯。在碱性催化剂下，首先生成烯醇负离子，然后烯醇负离子再对羰基发生亲核加成，加成产物再从溶剂中夺取一个质子生成β-羟基化合物。得到的β-羟基化合物在碱作用下可失水生成α，β-不饱和醛酮或酸酯。③故羟醛缩合从机理上讲，是碳负离子对羰基碳的亲核加成。烯醇负离子具有两位反应性能，一种是碳负离子进行亲核加成，另一种是氧负离子进行亲核加成。一般来说，碳负离子的亲核性能强，氧负离子的碱性强，故在亲核反应是，主要是碳负离子作为亲核试剂去进攻。羟醛缩合反应的分类及应用：羟醛缩合反应可分为自身缩合和交叉缩合。自身缩合可以是分子间的，也可以是分子内的。醛分子间的自身缩合平衡常数较大，故反应可顺利进行，反应条件也较温和，故可用于合成特定的醛。酮分子间的自身缩合平衡常数很小，故需要采用特殊的方法是反应向右推动，如加入催化剂、强碱环境，或是用索氏提取器分离产物。一般来说，此类反应的产率较低，应用不多。当分子内既有羰基又有烯醇负离子时，可发生分子内的羟醛缩合反应，得到关环产物。特别是合成五、六元环时，反应顺利，产率较高。该反应被广泛用于制备α，β-不饱和环酮。如：有机合成中应用最多的是交叉羟醛缩合，即利用两个不同的醛或酮进行混合羟醛缩合反应，可得到α，β-不饱和醛酮。如果两反应物都有活泼的α氢，将得到四种混合产物，若产物难以分离，这就没有多大的利用价值。为了解决这个问题，一般是使其中一种不含有活泼的α氢。如：④这样在特定的条件下只产生一种主产物，而且产率较高。另外当发生的是不对称的羟醛缩合反应时，一般有两种反应进行定向缩合。一种是将底物酮转变成烯醇的形式进行反烯醇负离子应，如Mukaiyama反应，即三甲基氯硅烷与烯醇形成硅醚，把烯醇的双键固定，分离后再与醛或酮反应。或者用LDA将不对称酮大部分转变成动力学控制的烯醇负离子，再用三甲基氯硅烷分离。另一种是有机小分子的不对称催化反应，催化剂的选择至关重要，选择合适的催化剂可以大大提高反应的选择性。对于反应所使用的催化剂,根据其所具有的酸碱活性中心,可分为酸性催化剂、碱性催化剂、酸碱催化剂。常用的酸性催化剂有(VO)2P2O7、α-VOPO4、铌酸和MFI沸石等。在酸性催化剂的阳离子活性中心醛羰基活化形成烯醇正碳离子从而发生缩合反应。羟醛缩合反应中经常采用的碱性催化剂,其包括碱性化合物(碱金属或碱土金属的氧化物、氢氧化物、碳酸氢盐、碳酸盐和羧酸盐)、有机胺类化合物以及阴离子交换树脂等。羟醛缩合反应所选用的碱性催化剂,可以是弱碱(如碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠),也可以是强碱(如氢氧化钠、氢氧化钙、氢化钠、醇钠等)。前者一般用于活性较大的醛之间的缩合,产物多为β羟基化合物;后者则用于活性较小、空间位阻大的醛或酮之间的缩合,且反应多在非质子极性溶剂中进行。酸碱催化剂同时具有酸性碱性活性中心,如一些二元氧化物或者水滑石等,适用于气相羟醛缩合反应,也可用于液相羟醛缩合反应,近年来随着其相关研究的发展,酸碱催化剂在羟醛缩合反应中的应用越来越受到重视。Ai在用各种氧化物催化气相羟醛缩合反应的研究过程中,发现催化剂的活性和选择性是由催化剂的酸碱平衡所决定的,认为羟醛缩合反应主要是由碱性活性中心催化的,同时需要有酸性活性中心促进缩合反应的进行。但是如果催化剂中所含酸性氧化物比例过高,会降低催化剂的碱性,导致催化剂失活,如何合理选择酸碱活性中心的数目比例是应用两性催化剂的关键。除了醛酮外，其他含有活泼α氢的化合物也能形成碳负离子，从而与醛酮的羰基发生亲核加成。如：Perkin反应，即在碱性催化剂的作用下，芳香醛与酸酐在相应的羧酸钠(钾)盐存在下生成α，β-不饱和芳香酸。Knoevenagel反应：在弱碱催化下，醛酮和含有活泼亚甲基的化合物发生的失水缩合反应。Darzen反应：醛或酮在强碱的作用下和一个α-卤代羧酸酯反应，生成α，β-环氧酸酯。总结：羟醛缩合反应是一个重要的增长碳链的反应，它的机理是碳负离子与羰基的亲核加成，而在不同的反应条件下生成的主产物不同。我们可以通过控制反应条件如选择不同的反应物、催化剂、碱性强度、温度等来合成不同的产物。参考文献：①刑其毅，裴伟伟，徐瑞秋，基础有机化学(第三版)，北京：高等教育出版社，2005.12.②谭露璐，钱君律，伍艳辉，羟醛缩合催化剂研究进展，化学工业与工程，2006，23(1).③宗水珍，α-碳负离子在羟醛缩合反应中的作用，常熟高专学报，1999，13(2)④杨炳君，关于羟醛缩合反应问题的几点体会，安徽科技，1999，2