有机化学：第十三章 羰基化合物的亲核加成和取代反应 (2)

1、,第十三章羰基化合物的亲核加成和取代反应Nucleophilic Additions and Substit-utions of Carbonyl Compounds,1,本章主要内容,一、羰基的结构及反应特性 二、羰基的亲核加成 1. 概述 2. 含O, S亲核试剂 3. 含N亲核试剂 4. 含C亲核试剂 5. a, b 不饱和羰基的亲核加成 三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,2,1. 哪些化合物属于含羰基的化合物？根据其结构特点可以发生哪些反应？ 2. 为什么含羰基的化合物发生亲核反应的活性顺序为：酰卤 酸酐 醛 酮 羧酸 酯 酰胺？ 3. 羰基可以和哪些试剂发生亲核加成？ 4. 羰基的化

2、合物在手性条件和非手性条件下发生亲核加成，产物有何不同？ 5. 哪些羰基化合物容易形成水合物？,3,6. 羰基化合物与醇反应生成缩醛在药物合成和有机合成上有何用途？ 7. 羰基化合物与NaHSO3加成在可以分离纯化有机化合物吗？ 8. 羰基化合物与含N亲核试剂经历那两个主要步骤？得到什么产物？ 9. 羰基化合物与仲胺R2NH反应得到什么产物？ 10.羰基化合物与含哪些C亲核试剂发生亲核加成？,4,一、羰基的结构及反应特性,1. 羰基的结构特点 The carbonyl group is polar and the partial positive charge on the carbonyl

3、carbon causes carbonyl compounds to be attacked by nucleophiles（亲核试剂）.,5,羰基的前线轨道,电负性：O C,一、羰基的结构及反应特性,2. 各种含羰基的化合物 (1) Class I -醛和酮 主要发生亲核加成反应 (2) Class II -羧酸及其衍生物,主要发生亲核取代反应,6,含有杂原子： 诱导效应、共轭效应，影响C=O的亲核性 杂原子Y容易离去（亲核取代非加成）,一、羰基的结构及反应特性,3. 发生在羰基上反应的类型（亲核反应）,反应的本质（机理：第一步亲核加成）是一样的！,7,一、羰基的结构及反应特性,4. 亲核

4、反应活性 - 醛和酮,烷基给电子作用 以及位阻效应,8,一、羰基的结构及反应特性,4. 亲核反应活性 - 醛和酮,空间位阻影响,9,前线轨道理论解释亲核加成反应,解释： 进攻位点：C or O 活性顺序：醛、 酮、酯、酰胺,10,一、羰基的结构及反应特性,4. 亲核反应活性-羧酸衍生物,酰卤 酸酐 醛 酮 羧酸 酯 酰胺,取决于与羰基相连的杂原子的电子效应 卤素：主要体现吸电子诱导效应 氧：较强的吸电子诱导，强的给电子共轭效应 酸酐：强吸电子诱导，弱给电子共轭 氮：较弱的吸电子诱导，强的给电子共轭效应,11,二、羰基的亲核加成,1. Introduction (1) Nucleophiles

5、负离子亲核试剂（碱性条件）： OH、OR、SR、H、CN、CCR、 CR3（M-R） 中性分子亲核试剂（中性或酸性条件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2,12,（使用的是孤对电子进攻）,二、羰基的亲核加成,1. Introduction (2) Mechanism,碱性条件下,酸性条件下,+,13,二、羰基的亲核加成,1. Introduction (3) Stereochemistry,非手性条件下，得外消旋体,14,前手性分子,二、羰基的亲核加成,1. Introduction (3) Stereochemistry,手性条件下，有立体选择性，遵循Cram法则 （经验

6、规则）： 羰基上的 R 基团与大的基团 (L) 呈重叠式构象，羰基氧则处于中等基团 (M) 与较小基团 (S) 中间，亲核试剂从小的基团这一方进攻为主要进攻方向。,15,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 包括H2O, ROH, RSH和NaHSO3。为可逆反应。 (1) H2O（水合反应，生成物叫水合物, hydrate）,酸碱均可催化, 加快反应达平衡, 但不会影响平衡常数。,16,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 包括H2O, ROH, RSH和NaHSO3。为可逆反应。 (1) H2O（机理）,17,(1) H2O,IR中无C=O吸收峰,羰基连有吸电子基团的容易形

7、成水合物,原因： - sp2转换为sp3杂化，空间需求增加； - 烷基给电子效应，亲核性减弱。,18,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 (2) ROH 酸催化: 固体酸，如TsOH（对甲基苯磺酸） 无水酸，如干燥HCl气体,半缩醛,半缩酮,缩醛,缩酮,19,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 (2) ROH 酸催化: 机理,20,可逆反应：生成水,(2) ROH 可逆反应，通过油水分离器不断除去反应过程中形成的水，使反应完全。 缩醛和缩酮在碱性条件下稳定，酸性水溶液中加热又回复到醛、酮。因此，可利用这一反应保护醛酮的羰基。,21,(2) ROH 羰基的保护，例1,22,2

8、. 含O, S亲核试剂 (2) ROH 羰基的保护，例2,23,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 (3) RSH,24,Summary: 羰基还原成亚甲基的方法,酸性条件,碱性条件,中性条件,25,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 (4) NaHSO3： 产物为盐，溶于水，用于将醛酮与其他不溶于水的有机物分开 脂肪甲基酮和环酮易发生反应 (对位阻敏感),26,1. 能否举出羰基化合物与含C亲核试剂发生亲核加成的几种例子？ 2. 什么是格氏试剂，它可以和那些有机化合物反应，有何用途？ 3. 磷Ylide试剂与羰基化合物反应（Wittig reaction ）得到什么产物？

9、 4. ,不饱和羰基的亲核加成那些情况发生1，2-加成，那些情况发生1，4-加成？ 5. 酸碱都能催化羧酸及其衍生物的亲核取代反应，机理有什么不同？ 6. 羧酸及其衍生物的亲核取代反应有那些类型？亲核取代的一般规律是什么（提示：酰氯容易水解）？ 7. 羧酸衍生物酰卤和酸酐如何制备？,下面内容请注意思考下列问题：,27,二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (1) RNH2 and NH2Z 相当于羰基氧被氮所取代，形成亚胺 (imine)， 可逆反应,28,二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (1) RNH2 and NH2Z 经历亲核加成和脱水两个步骤。,29,不稳定,二、羰基的亲核加

10、成,3. 含N亲核试剂 (1) RNH2 and NH2Z 可逆，经酸水解可得回醛酮。 含N亲核试剂不同，产物的结构和名称也各不相同，见下表。,30,(1) RNH2 and NH2Z,表13-1 氨基衍生物与醛酮加成反应,31,二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (2) R2NH 经历亲核加成和脱水两个步骤, 可逆 脱水发生在羰基的a-C上，形成烯胺(enamine),32,(2) R2NH,思考题：写出2-甲基环己酮与仲胺反应的产物,33,二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (2) R2NH 反应可逆，经酸水解可得回醛酮。,醛酮可以通过烯胺进行-烷基化和-酰基化反应，合成上应用广泛

11、（见第十四章）,34,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (1) CN,35,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (2) CCR,36,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (3) 有机金属试剂 格氏试剂、有机锂试剂等 广泛用于合成各级醇及羧酸等有机物 格氏试剂的应用-由醛酮合成各级醇,37,格氏试剂的应用-由羧酸衍生物合成醇,格氏试剂的应用-其他,38,格氏试剂的应用总览,低温和空间位阻作用以及使用不活泼的金属试剂可能将反应控制在酮的阶段,39,格氏试剂的应用-由醛酮合成各级醇,40,41,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (4) Ylide试剂 磷Ylide试剂的形成,42

12、,Wittig reaction - the reaction of an aldehyde or a ketone with a phosphonium ylide to form an alkene.,三苯基氧磷,43,Wittig reaction - it is completely regioselective, unlike E2 - it is also stereoselective （反式烯烃或顺式烯烃）,顺反烯烃的生成受条件和Ylide试剂的结构、活性等影响很大,44,Wittig reaction mechanism,氧磷四员环中间体,45,The use of Witt

13、ig reaction in industry,b -胡萝卜素,46,羰基亲核加成小结,2. 含O, S亲核试剂,4. 含C亲核试剂 - C-C键的形成,(4) Ylide试剂,(3) 有机金属试剂,(2) CCR,(1) CN,3. 含N亲核试剂,(1) RNH2 and NH2Z,包括H2O, ROH, RSH 和NaHSO3,1. 概述 - 结构、机理、反应活性、立体化学,(2) R2NH,羰基的保护,醛酮的分离纯化,亚胺及其衍生物的形成,烯胺的形成,-羟基腈、-羟基酸和-氨基醇,炔醇,C=C,各级醇、醛酮,47,二、羰基的亲核加成,5. , 不饱和羰基的亲核加成 Both 1,2-ad

14、dition and 1,4-addition can happen, they are also called as direct addition (直接加成) and conjugated addition（共轭加成）,1,2,3,4,4,48,1,2-addition,1,4-addition,49,二、羰基的亲核加成,影响 1,2- 和 1,4- 加成的因素: 亲核试剂的碱性和空间位阻。 (1) 亲核试剂的碱性 Nucleophiles that are strong bases, such as RLi and LiAlH4, tend to form direct additio

15、n products. Nucleophiles that are relatively weak bases, such as CN, amines, thiols, and X, usually form conjugated addition products.,50,影响 1,2- 和 1,4- 加成的因素: (1) 亲核试剂的碱性 Explanation ：进攻羰基碳速度高于beta碳 - Direct addition is irreversible (不可逆, strong base) or reversible (可逆, weak base). - Conjugated add

16、ition is irreversible.,51,(1) 亲核试剂的碱性,强碱 - 1,2-加成,52,(1) 亲核试剂的碱性,弱碱 - 1,4-加成,53,影响 1,2- 和1,4- 加成的因素 (2) 空间位阻,二、羰基的亲核加成,54,二、羰基的亲核加成,影响 1,2-和1,4-加成的因素 (2) 空间位阻,55,1. Mechanism for nucleophilic substitution,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,碱性条件,酸性条件,56,常见错误机理画法,正确方法,错误方法：亲核试剂进攻的是羰基的反键轨道p*, 不是进攻C-Y键的反键轨道s* (SN2 反应),57

17、,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,2. Reaction activity The weaker the base, the better it is as a leaving group The less basic the substituent (Y), the more reactive the carboxylic acid derivative,强碱容易取代弱碱,58,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,2. Reaction activity 碱性强弱顺序为： X RCOO RO HO R2N 反应活性顺序为：,59,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,2. Reaction ac

18、tivity For a carboxylic acid derivative to undergo a nucleophilic acyl substitution reaction, the incoming nucleophile must not be a much weaker base than 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

19、 that is more reactive.,强碱容易取代弱碱,高活性的羧酸衍生物可以转变成低活性的,60,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,The R- and H- in aldehydes and ketones, are the strongest base（强碱）, so, they cannot take place the nucleophilic substitution reaction. Acyl halide and acid anhydrides are not found in nature because of their high reactivity,2. R

20、eaction activity,61,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,3. Interconvertion of carboxylic acid derivatives (1) hydrolysis(水解) 有时水解反应是要避免的反应,62,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,3. Interconvertion of carboxylic acid derivatives (2) Alcoholysis (醇解) and aminolysis (氨解),H+,63,4. Preparation of acyl halide,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,64,三、羧酸及其衍生物的亲核取

21、代反应,5. Preparation of acid anhydride,65,羧酸衍生物的相互转化,*,66,本章主要内容,一、羰基的结构及反应特性 二、羰基的亲核加成 1. 概述 2. 含O, S亲核试剂 3. 含N亲核试剂 4. 含C亲核试剂 5. a, b 不饱和羰基的亲核加成 三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,67,例题与习题 反应活性,1. 下列化合物用氢化铝锂（LiAlH4）还原时活性最高的是 A、丙酰胺 B、丙酸酯 C、丙酮 2. 下列化合物发生水解反应的速率最快的是,C,C,68,例题与习题 反应活性,3. 下列羰基化合物中最容易生成水合物的是 A、乙醛 B、三氟乙醛 C、丙

22、酮 4. 下列化合物中-氢 (红色) 酸性最弱的是,B,B,69,5. 下列化合物中- 氢 (红色) pKa值最小的是 6. Listing the following esters in order of decreasing reactivity towards hydrolysis (水解),A,例题与习题 反应活性,b a d c,70,Solution of problem 6 Acidity decreasing in the following order Relative basicities of the conjugatedbases?,例题与习题 反应活性,71,例题与习题 试剂反应特点,1. 与化合物A主要发生1,2-亲核加成的试剂是 2. 可以将酮羰基还原成亚甲基的方法是 A、锌汞齐盐酸 B、硼氢化钠（NaBH4） C、催化氢化,C,A,72,例题与习题 试剂反应特点,3. 能与化合物A发生亲核加成的试剂有(多选)： 4. 下列