親核加成完整版本

1親核加成反應(yīng)

(nucleophilicaddition)含有C=O、C=N、C≡N的碳-雜重鍵化合物是極為重要的一大類化合物，親核加成是碳-雜重鍵的主要反應(yīng)，也是重要的有機(jī)反應(yīng)，其中尤其以C=O鍵的親核加成最為重要。除了碳-雜重鍵外，C=C、C≡C也可以發(fā)生親核加成反應(yīng)。親核試劑主要有：親核中心是N、O、S、X、P雜原子的親核試劑；碳負(fù)離子親核試劑；氫負(fù)離子親核試劑。2碳-碳雙鍵的親核加成反應(yīng)親核試劑對(duì)碳-碳雙鍵加成的反應(yīng)歷程：碳-碳雙鍵包含p電子，是富電子的，容易被親電試劑進(jìn)攻，被親核試劑進(jìn)攻則是困難的，需要活化。要想達(dá)到親核加成的目的，采用的方法之一是在雙鍵碳原子上引入吸電子基團(tuán)，以降低電子云雙鍵上電子云的密度。3碳-碳雙鍵的親核加成反應(yīng)親核試劑對(duì)碳-碳雙鍵加成的反應(yīng)歷程：反應(yīng)的第一步是親核試劑帶著一對(duì)電子進(jìn)攻雙鍵上的一個(gè)碳原子，而電子則被集中到另一個(gè)雙鍵碳原子上形成碳負(fù)離子，這是慢的一步。第二步是碳負(fù)離子與質(zhì)子或帶正電荷的物質(zhì)結(jié)合形成產(chǎn)物。4一些常見(jiàn)得促進(jìn)親核加成反應(yīng)的取代基有：CHO、COR、COOR、CN、NO2、CONH2、SO2R等。它們通過(guò)降低碳-碳雙鍵碳原子上的p電子云密度來(lái)促進(jìn)親核試劑的進(jìn)攻，但更重要的是，這樣的取代基能使生成的碳負(fù)離子中間體的負(fù)電荷分散而得到穩(wěn)定。51）氰乙基化反應(yīng)(cyanoethylation)丙烯氰分子中的碳-碳雙鍵，因受氰基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)和吸電子共軛效應(yīng)的影響能發(fā)生親核加成反應(yīng)。親核試劑Nu-或Nu：進(jìn)攻雙鍵碳原子，生成的中間體再?gòu)娜芤褐蝎@得質(zhì)子，所得產(chǎn)物相當(dāng)于在親核試劑分子中引入一個(gè)氰乙基，故此反應(yīng)叫氰乙基化反應(yīng)(cyanoethylation)。為了使親核試劑的親核性更強(qiáng)，反應(yīng)通常在堿性催化劑存在下進(jìn)行。常用的催化劑有：堿金屬的氧化物、氫氧化物、氫化物或氨基化合物。62）Michael反應(yīng)碳負(fù)離子對(duì)于缺電子碳-碳雙鍵(C=C→Z)的加成反應(yīng)稱為Michael反應(yīng)，其中雙鍵碳原子與吸電子基直接相連構(gòu)成共軛體系,吸電子基(Z)通常是羧基、硝基、氰基和酯基，最常見(jiàn)的是C=C-C=O體系的化合物。反應(yīng)歷程如下：7Michael反應(yīng)被堿所催化，其作用是產(chǎn)生碳負(fù)離子。最常用的碳負(fù)離子可能來(lái)自CH2(COOC2H5)、RCH2NO2、NCCH2COOC2H5、CH3COCH2COOC2H5等。Michael反應(yīng)是形成C-C單鍵的方法之一，在有機(jī)合成上具有重要用途。如雙甲基酮的合成。8碳-碳三鍵的親核加成反應(yīng)碳-碳三鍵通常比雙鍵更容易被親核試劑進(jìn)攻，而較難被親電試劑進(jìn)攻。這是因?yàn)樘?碳三鍵之間的距離較短，三鍵中的電子被束縛的比雙鍵中的緊，所以進(jìn)攻的親電試劑奪取三鍵中的一個(gè)電子較困難。從雜化角度來(lái)考慮，三鍵碳原子(sp雜化)比雙鍵碳原子(sp2雜化)具有較多的s成分，因此它與電子的結(jié)合力較強(qiáng)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的親電性。9羰基親核加成反應(yīng)C=O雙鍵由于具有較大的偶極矩而有明顯的正負(fù)性，因此C=O雙鍵的加成可由親電試劑(通常是H+)進(jìn)攻氧原子引起，也可由親核試劑進(jìn)攻碳原子引起。不論是酸還是堿催化的反應(yīng)，控制反應(yīng)速率的一步都是親核試劑進(jìn)攻羰基碳原子這一步，所以都是親核加成。酸可以活化羰基碳原子，使之有利于親核試劑的進(jìn)攻，但是同時(shí)也可以降低親核試劑的有效濃度，因此羰基化合物加成有一個(gè)最佳的pH。10影響羰基進(jìn)行親核加成反應(yīng)的因素1.羰基對(duì)反應(yīng)的影響

在羰基的親核加成反應(yīng)中，控制反應(yīng)速率的一步是Nu-進(jìn)攻羰基碳原子，因此羰基化合物的結(jié)構(gòu)和親核試劑的性質(zhì)對(duì)加成反應(yīng)的難易都有影響。而影響的主要因素是羰基化合物的結(jié)構(gòu)，其影響包括電子效應(yīng)和立體效應(yīng)。2.親核試劑對(duì)反應(yīng)的影響

親核試劑對(duì)于加成速率的影響，包括親核試劑親核性的強(qiáng)弱和親核試劑體積的大小。111.羰基的活性1.1電子效應(yīng)對(duì)羰基活性的影響羰基化合物是親電性的，可以看作是一種a-氧原子穩(wěn)定化的碳正離子。羰基的極性越大，則化合物的親電性越強(qiáng)。碳原子上的取代基可以改變碳原子上的電子云密度，因此可以影響化合物的親電性。羰基碳原子上直接或間接連有吸電子基時(shí)，因?yàn)槲娮踊黾郁驶荚由系恼姾啥欣谟H核試劑的進(jìn)攻，使親核加成容易進(jìn)行。反之，連有給電子基時(shí)，給電子基使羰基碳原子增加負(fù)電荷，不利于親核試劑的進(jìn)攻，削弱親核加成。12在反應(yīng)物B和D中，羰基碳原子上的部分正電荷可離域在苯環(huán)上，使正電荷更加降低而不利于親核試劑的進(jìn)攻，因此與親核試劑的加成表現(xiàn)為平衡常數(shù)減小。A和C中的羰基碳原子上的正電荷并不發(fā)生這種離域，而有利于親核試劑的進(jìn)攻，所以平衡常數(shù)較大。1.2立體效應(yīng)對(duì)羰基活性的影響13立體效應(yīng)對(duì)于醛和酮相對(duì)活性也起著重要作用。當(dāng)羰基碳原子所連基團(tuán)的體積增大時(shí)，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，平衡常數(shù)減小。這是因?yàn)轸驶荚邮莝p2雜化，R-C-R鍵角約為120o，而加成物——中間體或過(guò)渡態(tài)中的原羰基碳原子則是sp3雜化，R-C-R鍵角約為109o。當(dāng)取代基R的體積增大時(shí)，中間體變得“擁擠”，能量升高，反應(yīng)速率小，平衡常數(shù)變小。14對(duì)于環(huán)狀化合物，因環(huán)的大小不同，它們進(jìn)行親核加成的反應(yīng)速率不同，如下表所示。環(huán)丙酮容易與HCN進(jìn)行加成的原因是：1）環(huán)丙酮轉(zhuǎn)變成氰醇后，羰基碳原子由sp2雜化轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3雜化，中心碳原子的角張力減小，分子內(nèi)的能量降低，故反應(yīng)容易進(jìn)行。2）從產(chǎn)物氰醇的官能團(tuán)之間的非鍵張力來(lái)看，非鍵張力并不明顯，因此，總的結(jié)果是角張力因素起著較大的所用。152.親核試劑對(duì)羰基進(jìn)行親核加成反應(yīng)的影響對(duì)于同一羰基化合物，親核試劑的增加的順序是：碳>氮>氧>鹵素碳親核試劑對(duì)羰基化合物的加成效率很高，以致于反應(yīng)實(shí)際上是不可逆的。氮親核試劑的加成速率比碳親核試劑低得多，氧親核試劑遠(yuǎn)不如碳親核試劑和氮親核試劑，鹵素親核試劑的加成效率很低，實(shí)際上它們和羰基不發(fā)生加成?？蓸O化度大的親核試劑比可極化度小的更有效。

HCN比H2O的可極化度大，所以HCN是比H2O強(qiáng)的親核試劑。親核試劑的體積增大，由于與反應(yīng)物的立體效應(yīng)的影響，導(dǎo)致反應(yīng)速率減小。16羰基加成反應(yīng)的立體化學(xué)H-Nu與RCOR′的加成，在產(chǎn)物中引入一個(gè)手性中心，但產(chǎn)物是外消旋體。因?yàn)橛H核試劑從平面型羰基化合物的上面和下面進(jìn)攻羰基碳原子的機(jī)會(huì)是均等的。17如果醛和酮的a-碳原子是手性碳原子，羰基的加成將遵循Cram規(guī)則。按照Cram規(guī)則，進(jìn)入基團(tuán)優(yōu)先從羰基位阻小的一邊進(jìn)攻，但所得產(chǎn)物的比例將依反應(yīng)物和親核試劑不同而異。它與反應(yīng)物和親核試劑中基團(tuán)的大小有關(guān)。18環(huán)己酮衍生物與絡(luò)合金屬氫化物的親電加成具有立體選擇性。當(dāng)醛或酮的a-碳原子上連有羥基或氨基等可以和羰基氧原子形成氫鍵的基團(tuán)時(shí)，試劑將從含氫鍵環(huán)的空間位阻較小的一邊對(duì)羧基進(jìn)行加成。如果在羧基的a-碳原子上結(jié)合著一個(gè)鹵原子，由于鹵原子和羧基氧原子的電負(fù)性都很大，兩者互相排斥，這時(shí)羰基化合物的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象是鹵原子與羧基處于對(duì)位交叉位。反應(yīng)時(shí)，試劑也是從空間位阻較小的一邊進(jìn)攻羰基。19羰基親核加成反應(yīng)舉例1、雜原子親核試劑的加成羰基化合物可以和某些雜原子親核試劑發(fā)生不同程度的加成反應(yīng)，導(dǎo)致不同的用途，在基礎(chǔ)化學(xué)中講過(guò)如下反應(yīng)：20羰基化合物與醇的反應(yīng)醛(酮)能與一分子醇加成生成半縮醛(酮)。半縮醛(酮)不穩(wěn)定，容易分解成醛(酮)和醇或與另一分子醇進(jìn)一步縮合，生成縮醛(酮)。由于縮醛(酮)生成后又可水解成原來(lái)的化合物，故可利用縮醛(酮)生成還保護(hù)醛(酮)基。環(huán)狀縮醛(酮)：最常見(jiàn)的是利用羰基化合物和乙二醇反應(yīng)，生成二氧戊環(huán)化合物，該化合物比烷基縮醛(酮)更加穩(wěn)定，可耐大多數(shù)堿性及中性的反應(yīng)條件。21去氧孕烯的合成中羰基保護(hù)：222、碳原子親核試劑的加成1）Wittig反應(yīng)Wittig試劑與羰基化合物首先進(jìn)行親核加成，最后生成烯烴的反應(yīng)，稱為Wittig反應(yīng)。Wittig試劑是一種磷的內(nèi)鎓鹽，也叫磷葉立德。它在相鄰的兩個(gè)原子上具有相反的電荷，其中磷是缺電子的Lewis酸結(jié)構(gòu)，而碳負(fù)離子則是8電子的帶有負(fù)電荷的親核中心，但受鄰近的磷正離子的影響而穩(wěn)定(因碳的2p軌道與磷的空的3d軌道在側(cè)面相互重疊構(gòu)成離域軌道，使碳上的負(fù)電荷得到分散)。

Wittig試劑的反應(yīng)活性受相連取代基(R)的影響。如R=H或烷基時(shí)，很活潑，可與氧、水、氫鹵酸、醇等起反應(yīng)，因次該反應(yīng)需要控制在沒(méi)有這些物質(zhì)存在的情況下進(jìn)行。當(dāng)COR,CN,COOR,CHO等吸電子基與碳負(fù)離子相連時(shí)，由于吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)的存在，使碳原子上的負(fù)電荷得到分散，Wittig試劑比較穩(wěn)定，反應(yīng)活性降低。23Wittig反應(yīng)的反應(yīng)歷程：Wittig試劑首先與羰基化合物發(fā)生親核加成，生成極性的甜菜堿，然后關(guān)環(huán)生成氧磷環(huán)丁烷，再分解生成產(chǎn)物。穩(wěn)定的三苯基氧磷的生成是Wittig反應(yīng)完成的重要推動(dòng)因素。24Wittig反應(yīng)的立體化學(xué)經(jīng)Wittig反應(yīng)生成的烯烴，通常是順式和反式的混合物。如果使用活潑的Wittig試劑，則混合物中通常是順式烯烴較多。當(dāng)使用因共軛而得到穩(wěn)定的Wittig試劑和羰基化合物時(shí)，則反式烯烴是主要產(chǎn)物。25Wittig反應(yīng)的應(yīng)用Wittig反應(yīng)在有機(jī)合成中具有廣泛的用途，可用來(lái)合成烯烴、醛、不飽和酸等等2）羥醛縮合反應(yīng)在酸或堿催化作用下，含有a-氫原子的醛或酮相互作用，生成羥基醛或羥基酮，稱為羥醛縮合反應(yīng)。羥醛縮合反應(yīng)實(shí)例：羥醛縮合反應(yīng)的局限性：當(dāng)兩種不同的醛或酮進(jìn)行羥醛縮合反應(yīng)時(shí)，其中的一個(gè)醛或酮必須沒(méi)有a-氫原子，只能提供羰基作為碳負(fù)離子接受體，這種交叉羥醛縮合反應(yīng)才具有合成意義。Claisen-Schmidt縮合反應(yīng)在NaOH水溶液存在下，芳醛與簡(jiǎn)單的脂肪醛或甲基酮的縮合，稱為Claisen-Schmidt縮合反應(yīng)。在此條件下，簡(jiǎn)單醛(酮)的自身縮合反應(yīng)可能與交叉縮合反應(yīng)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，但由于交叉縮合與脫水后形成的產(chǎn)物的雙鍵不僅與羰基而且與苯環(huán)形成共軛體系，故其穩(wěn)定性比簡(jiǎn)單醛(酮)的自身縮合脫水后形成的產(chǎn)物更穩(wěn)定，因此交叉縮合優(yōu)先進(jìn)行。芳醛和甲基酮的堿性縮合，所得到不飽和酮傾向于反式立體異構(gòu)。其主要原因是脫水過(guò)渡態(tài)空間位阻的影響。安息香縮合反應(yīng)兩分子芳醛在KCN作用下，生成a-羥基酮稱為安息香縮合反應(yīng)。從歷程可以看出，CN-起到三種作用。CN-首先最為親核試劑，進(jìn)攻一分子醛；由于CN-的吸電子作用，質(zhì)子發(fā)生交換，生成碳負(fù)離子，使醛基成為親核基團(tuán)，即羰基發(fā)生極性反轉(zhuǎn)；CN-同時(shí)也是一個(gè)較好的離去基團(tuán)，因而最后可以離去。H羧酸衍生物與親核試劑的反應(yīng)1）反應(yīng)歷程羰基衍生物中有一個(gè)羰基，易發(fā)生親和加成反應(yīng)，但加成物多不穩(wěn)定，接著發(fā)生消除。反應(yīng)最初是親核試劑進(jìn)攻羰基碳原子，隨后另外一個(gè)基團(tuán)被取代。此過(guò)程是分步進(jìn)行的，第一步親核試劑加到羰基碳原子上，生成一個(gè)四面體中間體。第二步離去基團(tuán)離去，同時(shí)羰基再生。從反應(yīng)歷程可以看出，此反應(yīng)首先發(fā)生親核加成，然后進(jìn)行消除，最后結(jié)果顯示取代反應(yīng)，而并非直接取代，故此反應(yīng)屬于加成-消除歷程。2）反應(yīng)活性羧酸衍生物與親核試劑進(jìn)行加成-消除反應(yīng)的難易程度，與烴基的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)以及親核試劑的特性有關(guān)。在特定親核試劑的作用下，羧酸衍生物的相對(duì)活性主要取決于：a)與羰基直接相連的離去基團(tuán)的電子效應(yīng)；b)離去基團(tuán)離去的相對(duì)能力。已知羧酸衍生物與親核試劑反應(yīng)的相對(duì)活性是：這些化合物有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即有未共用電子對(duì)的原子直接與酰基相連，因此共振對(duì)雜化體的貢獻(xiàn)是十分重要的。共振效應(yīng)增強(qiáng)了羰基碳原子和離去基團(tuán)之間鍵的強(qiáng)度，使離去基團(tuán)不易離去。所以當(dāng)共振對(duì)雜化體的貢獻(xiàn)較小的，離去基團(tuán)相對(duì)容易離去，相對(duì)活性大。羧酸衍生物與親核試劑的反應(yīng)，由于親核性的強(qiáng)弱和離去基團(tuán)的不同，所得產(chǎn)物的類型不同。對(duì)于弱的和中等強(qiáng)度的親核試劑，反應(yīng)進(jìn)行到生成取代產(chǎn)物為止，但用強(qiáng)親核試劑反應(yīng)還可進(jìn)行一步。例如有機(jī)金屬試劑由于很活潑，可與羧酸衍生物發(fā)生兩次加成反應(yīng)生成叔醇。羧酸衍生物與親核試劑反應(yīng)舉例酯的水解反應(yīng)酯在酸或堿的存在下均可發(fā)生水解反應(yīng)。酸催化是可逆反應(yīng)，其逆反應(yīng)是酯化反應(yīng)。堿催化通常是不可逆反應(yīng)，也叫皂化反應(yīng)。Claisen酯縮合含有a-氫原子的酯，在強(qiáng)堿性催化劑如NaOEt的作用下，兩分子酯縮合生成b-羰基酯的反應(yīng)稱為Claisen酯縮合(Claisencondensation)。金屬氫化物與羰基的親核加成反應(yīng)某些可以提供氫負(fù)離子的試劑如NaBH4,LiAlH4等對(duì)羰基化合物進(jìn)行親核加成，使羰基化合物轉(zhuǎn)變成還原產(chǎn)物。在LiAlH4中，有效地還原劑是AlH4-，它充當(dāng)強(qiáng)還原劑H-的提供者，所以反應(yīng)不能在質(zhì)子性溶劑(H2O,ROH等)中進(jìn)行，因?yàn)镠+和H-結(jié)合生成H2。由于LiAlH4可溶于醚中，故通常用醚或THF作溶劑。a,b-不飽和碳基化合物的親核加成反應(yīng)歷程：a,b-不飽和碳基化合物是一個(gè)p-p共軛體系，由于羰基的吸電子效應(yīng)，使共軛中的電子云移向羰