第7章羰基化合物的親核加成

1、第第7章章羰基化合物的親核加成和取代反應(yīng)羰基化合物的親核加成和取代反應(yīng)Nucleophilic Additions and Substitutions of Carbonyl Compounds 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性羰基的親核加成羰基的親核加成 1. 概述概述 2. 含含O, S親核試劑親核試劑 3. 含含N親核試劑親核試劑 4. 含含C親核試劑親核試劑 5. a a, b b 不飽和羰基的親核加成不飽和羰基的親核加成羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性1. 羰基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)羰基的結(jié)構(gòu)

2、特點(diǎn) The carbonyl group is polar and the partial positive charge on the carbonyl carbon causes carbonyl compounds to be attacted by nucleophiles.一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性2. 發(fā)生在羰基上的反應(yīng)的類型（親核反應(yīng)）發(fā)生在羰基上的反應(yīng)的類型（親核反應(yīng)）1) 親核加成親核加成2) 羰基氧被羰基氧被N取代取代3) 羰基氧被羰基氧被C取代取代4) 親核取代反應(yīng)親核取代反應(yīng)C OC OENuNuE C OH2NYC NYC OPh3PC CR1

3、R2CR1R2C OYNuC ONu+Y一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性3. 親核反應(yīng)活性親核反應(yīng)活性烷基給電子作用烷基給電子作用一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性3. 親核反應(yīng)活性親核反應(yīng)活性空間位阻影響空間位阻影響一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性3. 親核反應(yīng)活性親核反應(yīng)活性RCXRCOCRRCOHRCORRCNOOOOOORR酰鹵酸酐羧酸酯酰胺酰鹵酰鹵 酸酐酸酐 醛醛 酮酮 羧酸羧酸 酯酯 酰胺酰胺取決于與羰基相連的基團(tuán)的電子效應(yīng)取決于與羰基相連的基團(tuán)的電子效應(yīng)二、羰基的親核加成二、羰基的親核加

4、成 Summary(1) Nucleophiles負(fù)離子親核試劑（堿性條件）：負(fù)離子親核試劑（堿性條件）： OH、 OR、 SR、 H、 CN、 CCR、 CR3、（、（MR）中性分子親核試劑（中性或酸性條件）：中性分子親核試劑（中性或酸性條件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成 Summary(1) MechanismOONuOENuNuE Nu快慢OOHOHOHNuOHNuHHNu H慢快-H快n 堿性條件下堿性條件下n 酸性條件下酸性條件下二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成 Summary(2) Stereochemistry 非

5、手性條件下，得外消旋體非手性條件下，得外消旋體二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成 Summary(2) Stereochemistry手性條件下，有立體選擇性，手性條件下，有立體選擇性，Cram法則：法則： 羰基上的羰基上的R基團(tuán)與大的基團(tuán)基團(tuán)與大的基團(tuán) (L) 呈重疊式構(gòu)象，羰呈重疊式構(gòu)象，羰基氧則處于中等基團(tuán)基氧則處于中等基團(tuán) (M) 與較小基團(tuán)與較小基團(tuán) (S) 中間，親中間，親核試劑從小的基團(tuán)這一方進(jìn)攻為主要進(jìn)攻方向。核試劑從小的基團(tuán)這一方進(jìn)攻為主要進(jìn)攻方向。LMSORNuELMSOENuRLMSOERNu+主要產(chǎn)物次要產(chǎn)物二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成2. 含含O, S親核試

6、劑親核試劑 包括包括H2O, ROH, RSH, 和和NaHSO3(1) H2O酸堿催化，加快平衡的達(dá)到，但不影響平衡移動。酸堿催化，加快平衡的達(dá)到，但不影響平衡移動。水合物水合物H3CCH3O+H2OOHH3CCH3OH99.8%0.2%H3CHO+H2OOHH3CHOH42%58%HHO+H2OOHHHOH0.1%99.9%Cl3CHO+H2OOHCl3CHOH二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成(1) H2O羰基連有吸電子基團(tuán)的容易形成水合物羰基連有吸電子基團(tuán)的容易形成水合物二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成2. 含含O, S親核試劑親核試劑(2) ROH酸催化：固體酸，如酸催化：固體

7、酸，如TsOH 無水酸，如干燥無水酸，如干燥HCl氣體氣體(2) ROH羰基的保護(hù)，例羰基的保護(hù)，例1(2) ROH羰基的保護(hù)，例羰基的保護(hù)，例2二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成2. 含含O, S親核試劑親核試劑(3) RSH二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成2. 含含O, S親核試劑親核試劑(4) NaHSO3產(chǎn)物為鹽，溶于水產(chǎn)物為鹽，溶于水用于將醛酮同不溶于水的有機(jī)物分開用于將醛酮同不溶于水的有機(jī)物分開RH(R)O+ NaHSO3RONaH(R)SO3HROHH(R)SO3NaROHH(R)SO3NaRH(R)O+NaHSO3HClNa2CO3NaCl + SO2+ H2ONa2SO

8、3+ CO2+ H2O二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成3. 含含N親核試劑親核試劑(1) RNH2 and YNH2 經(jīng)歷經(jīng)歷親核加成親核加成和和脫水脫水兩個步驟。兩個步驟。 相當(dāng)于羰基氧被氮所取代，形成相當(dāng)于羰基氧被氮所取代，形成亞胺亞胺(imine)。 可逆，經(jīng)酸水解可得回醛酮。可逆，經(jīng)酸水解可得回醛酮。C NY+H2OHC O+H3NY+C OH2N YC N+H2OYan aldehydeora ketonea primary amineor other derivativeof ammoniaan imine(1) RNH2 and YNH2C NR表表13-1 氨基衍生物與醛酮

9、加成反應(yīng)氨基衍生物與醛酮加成反應(yīng)反應(yīng)物反應(yīng)物YNH2生成物生成物基團(tuán)基團(tuán)Y名稱名稱結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu)式名稱名稱R1胺胺席夫堿（席夫堿（shiff base）OH羥胺羥胺肟（肟（oxime）NH2肼肼腙（腙（hydrazone）NHC6H5苯肼苯肼苯腙（苯腙（phenylhydrazone）NHCONH2氨基脲氨基脲縮氨脲（縮氨脲（semicarbazone）C NOHC NNH2C NNHC6H5C NNHCONH2二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成3. 含含N親核試劑親核試劑(2) R2NH 經(jīng)歷經(jīng)歷親核加成親核加成和和脫水脫水兩個步驟兩個步驟 脫水發(fā)生在羰基的脫水發(fā)生在羰基的 a a - C上而

10、非上而非N上，形成烯胺上，形成烯胺(enamine)C ONHR2CONHR2COHNHR2CCNR2COHNR2COH2NR2CCNR2an enamineneutral tetrahedral intermediateH-H-H2OH-HHH-H+二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成3. 含含N親核試劑親核試劑(2) R2NH 反應(yīng)可逆，經(jīng)酸水解可得回醛酮。反應(yīng)可逆，經(jīng)酸水解可得回醛酮。N+H2OHONHH+醛酮可以通過烯胺進(jìn)行醛酮可以通過烯胺進(jìn)行-烷基化和烷基化和-?；歹；磻?yīng)，應(yīng)，合成上應(yīng)用廣泛（見第十四章）合成上應(yīng)用廣泛（見第十四章）二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成4. 含

11、含C親核試劑親核試劑(1) CNC OCOCN+CNHCNCOHCN+CNa a-羥基腈cyanohydrinCOHCNa a-羥基腈H ,H2OH2PtCOHCOOHCOHCH2NH2a a-羥基酸b b-氨基醇 二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成4. 含含C親核試劑親核試劑(2) CCRCOHCO+HC CRKOHH2OCRCH3COCH3KC CHKOH一縮二乙二醇二甲醚(H3C)2COHC CH+H2Lindlar cat(H3C)2C CHOHAl2O3H2CC CHCH3CH2CH2二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成4. 含含C親核試劑親核試劑(3) 有機(jī)金屬試劑有機(jī)金屬試劑格

12、氏試劑格氏試劑、有機(jī)鋰有機(jī)鋰試劑等試劑等 廣泛用于合成各級醇，也可用于合成醛酮。廣泛用于合成各級醇，也可用于合成醛酮。OR MgBrOMgBrRH2OOHRYOR MgBrOMgBrYR-YMgBrROR MgBrH2OOHRR其中：Y=X or ORC NRMgBrNMgBrRH2OORR MgXR LiRCOORCOROHRCOCl1.CO22.H2O1.1.RCHO1.RCOROR COOHR CH2OHR CH2CH2OHR CR CRR CHR CRR CHROHOHROOO羧酸1醇1醇2醇3醇醛酮酮RMgXRMgXRMgXRCHOHRR CR COHRROHRR3醇3醇2醇2.H3

13、O2.H3O2.H3O2.H3O1.HCHO1. RCN2.H3O酮R CROR 格氏試劑的應(yīng)用格氏試劑的應(yīng)用低溫和空間位阻作用低溫和空間位阻作用使用不活潑的金屬試劑使用不活潑的金屬試劑可能將反應(yīng)控制在酮的階段可能將反應(yīng)控制在酮的階段二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成4. 含含C親核試劑親核試劑(4) Ylide試劑試劑 An ylide is a compound that has opposite charges on adjacent, covalently bonded atoms with complete octets of valence electrons, for exam

14、ple, a phosphonium ylide:二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成4. 含含C親核試劑親核試劑(4) Ylide試劑試劑Ylide試劑的形成試劑的形成 Wittig reaction the reaction of an aldehyde or a ketone with a phosphonium ylide to form an alkene. Wittig reaction it is completely regioselective, unlike E2 it is also stereoselectivePh3P CH+ H3CO2589%HH唯一產(chǎn)物NO2CH

15、OOCH3O2N順反烯烴的生成受條件和順反烯烴的生成受條件和Ylide試劑的結(jié)構(gòu)、活性等影響很大試劑的結(jié)構(gòu)、活性等影響很大The use of Wittig reaction in industry5. a a, b b 不飽和羰基的親核加成不飽和羰基的親核加成1，2和和1，4加成加成關(guān)于親核加成的小結(jié)關(guān)于親核加成的小結(jié)2. 含含O, S親核試劑親核試劑4. 含含C親核試劑親核試劑影響因素：影響因素：(1) 親核試劑的堿性；親核試劑的堿性；(2) (2) 空間位阻空間位阻(4) Ylide試劑試劑(3) 有機(jī)金屬試劑有機(jī)金屬試劑(2) CCR(1) CN3. 含含N親核試劑親核試劑(1) RN

16、H2 and YNH2包括包括H2O, ROH, RSH, 和和NaHSO31. 概述概述 結(jié)構(gòu)、機(jī)理、反應(yīng)活性、立體化學(xué)結(jié)構(gòu)、機(jī)理、反應(yīng)活性、立體化學(xué)(2) R2NH C-C鍵的形成鍵的形成羰基的保護(hù)羰基的保護(hù)醛酮的分離純化醛酮的分離純化亞胺及其衍生物的形成亞胺及其衍生物的形成烯胺的形成烯胺的形成 -羥基羥基腈腈、- -羥基酸和羥基酸和- -氨基醇氨基醇炔醇的合成炔醇的合成C=C的形成的形成各級醇的合成、醛酮的合成各級醇的合成、醛酮的合成二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成5. a a, b b 不飽和羰基的親核加成不飽和羰基的親核加成 Both 1,2-addition and 1,4-a

17、ddition can happen, they are also called as direct addition and conjugated addition二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成影響影響 1,2-和和1,4-加成的因素加成的因素(1) 親核試劑的堿性親核試劑的堿性 Nucleophiles that are strong bases, such as RLi and LiAlH4, tend to form direct addition products，for the reaction is irrersible. Nucleophiles that are rel

18、atively weak bases, such as CN, amines, thiols, and X, usually form conjugated addition products. 二、羰基的親核加成二、羰基的親核加成影響影響 1,2-和和1,4-加成的因素加成的因素(1) 親核試劑的堿性親核試劑的堿性C CNuCHOirreversible1,4-additionC CC O+ NuHreversible1,2-additionC CC OHNuwhen Nu is a weak baseirreversible1,2-additionwhen Nu is a strong b

19、aseC CC OHNumajorminermajor(1) 親核試劑的堿性親核試劑的堿性O(shè)CN+HClCNOCH3SHCH CHCHOCHSCH3CH2CHO影響影響 1,2-和和1,4-加成的因素加成的因素(2) (2) 空間位阻空間位阻CH CH C COCH CH2C CO1.EtMgBr1,4-加成100%CH3CH3CH3EtCH3CH3CH32.H3OCH CH COCH CH2CO1,4-加成 92%1.MgBr2.H3OCH CH C CH3OCH CH C H2.H3O1.MgBrCH CH2CO1,4-加成12%1,2-加成 80%+CH3OH三、羧酸及其衍生物的親核取代

20、反應(yīng)三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)1. Mechanism for nucleophilic substitutionRYOORYNuRNuO+YNuRYORYOHOHRYNuHHNuHOHRYNuOHRYHNu-YHRNuOHRNuO-H-H+H三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)2. Reaction activityThe weaker the base, the better it is as a leaving groupThe less basic the substituent (Y), the more reactive the carboxyli

21、c acid derivative三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng) 堿性強(qiáng)弱順序?yàn)椋簤A性強(qiáng)弱順序?yàn)椋?X RCOO RO HO R2N 反應(yīng)活性順序?yàn)椋悍磻?yīng)活性順序?yàn)椋?. Reaction activity三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)For a carboxylic acid derivative to undergo a nucleophilic acyl substitution reaction, the incoming nucleophile must not be a much weaker base than

22、the group that is to be replaced.A carboxylic acid derivative can be converted into a less reactive carboxylic acid derivative, but not into one that is more reactive.2. Reaction activity三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)2. Reaction activity三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng)3. Interconvertion of carboxylic acid derivatives(1) hydrolysis(水解水解)R COOHH2OH2O(RCO)2ORCOClRCONHRR CNRCOORH or OH H or OHHo