有机化学合成02第二章官能团化和官能团转换

1、第二章 官能团化和官能团转换的基本反应 在分子中引入官能团和官能团的转换是合成的 重要方面。 本章我们打算概括地汇集在分子中引入官能团和 官能团转换的各种各样的反应，这些反应都是成功 的合成化学工作者所需要的。 注意：1.反应为自由基机理 2.有过氧化物存在或加热、光照 3.卤素的活性：F2Cl2Br2I2 4.氢的活性顺序为：321 例1 + Br2 h 127 Br 一、烷烃的官能团化 例2、解释下述事实。 C CH3 CH3 CH3H Br2 300 300 Cl2 C CH3 CH3 CH3Br C CH3 CH3 CH3ClC CH2 CH3 CH3H Cl + 36%64% 超过

2、99% 氯自由基的活性比溴自由基的活性高，所以氯化反应的选择 性比溴化反应的选择性差。 二、烯烃的官能团化 CH2N2 光照 CH2 + N2 CH3CH CH2 +CH2 CH3CH CH2 C H2 1. 烯烃与卡宾的加成反应是合成环丙烷衍生物的 重要方法。 CH2CH3 SeO2 CH2CH3 OH CH3CH2CCHCH3 CH3 SeO2 CH3CHCCHCH3 CH3 OH C CHCH3 CH3 CH3 SeO2 C CHCH3 CH3 CH2OH 2. 碳碳双键相邻的碳氢键（烯丙位氢） 对氧化和卤化是敏感的。 SeO2氧化烯丙 位氢通常发生 在取代基较多 的双键碳原子 的-位，

3、其顺 序为 CHCH2CH3. 3. 用 NBS 进行溴化，反应涉及烯丙基自由基中 间体，所以得到溴代烃的混合物。 RCH2CHCH2 NBS (PhCO2)2 RCHCHCH2 NBS RCHCHCH2RCHCHCH2 BrBr RCHCHCH2 + . 4. 烯烃的羟汞化还原（脱汞）反应 RCH CH2 Hg(OAc)2 H2O, THF RCH CH2 OH HgOAc NaBH4 RCH CH3 OH 完成下列反应： CH3+ HBr CH3+ HBr ROOR C CH3 CH3 CH2+ ICl )B2H6 )H2O2/OH- 1、 2、 3、 4、 )Hg(OAc)2/CH3OH

4、 ) NaBH4/OH- CH3C CH3 CH2 稀KMnO4 冷 H3C CH3 KMnO4, H2O OH-, 6、 7、 习题：用1-甲基环己烷为原料，合成下列化合物。 CH3 Br H3COH CH3 OH OH 1) CH3 OH R 三、炔烃的官能团化 1. 炔烃的官能团化主要是碳碳叁键的反应和 炔氢的反应。 完成下列反应： C CH HBr(过量） CH3CHCHCCH + H2O Hg2+ H2SO4 CH3CCH B2H6 H2O2 OH- CHCH CuCl + HCN + O 完成下列转变： 1、 CH3CH2CH2Br CH3CH2CH2CCCH3 CH CH OHO

5、H CH3CH2CH2CH2CHO 由乙炔、丙炔合成 四、芳烃及其衍生物的官能团化 X2/ FeX3 HNO3 + H2SO4 H2SO4 (HCHO)3, HCl/ ZnCl2 Friedel-Crafts RX/ AlCl3 RCOX 或(RCO)2O AlCl3 X NO2 SO3H CH2X R COR CH2R Zn-Hg /HCl (X=Cl. Br) （一）芳烃的亲电取代反应 1.芳烃的卤代 苯在Lewis酸催化下的卤代一般只限于氯代和 溴代。近年来发现了一些反应条件温和、选择性良 好的卤化试剂。 例：在三氟过氧乙酸存在下，用四氯化钛作氯 化试剂，可以使芳烃的氯代反应在室温下顺利

6、完成。 NCH3CO CH3 TiCl4/CF3CO3H r.t. NCH3CO CH3 Cl 2. 芳烃的磺化 磺化反应不仅容易进行，而且为可逆反应，因 此磺酸基在合成中是极为有用的占位基团。 CH3 H2SO4 100 CH3 SO3H Cl2 Fe CH3 SO3H Cl H3O 150 CH3 Cl 3.芳烃的Friedel-Crafts 烷基化 芳烃的烷基化反应是制备烷基苯的重要方法之一。通常在 酸催化下进行。常用的酸催化剂可以是Lewis酸，也可以是质子 酸，其活性次序为： AlCl3 FeCl3 SbCl5 SnCl4 BF3 TiCl4 ZnCl2 HF H2SO4 P2O5

7、H3PO4 常用的烷基化试剂可以是：卤代烃、烯烃、醇、醚和酯。 但是要注意重排的发生。 + CH3CH2CH2Cl AlCl3 CH(CH3)2 CH2CH2CH3 + 6468% 3234% 4.芳烃的Friedel-Crafts酰基化 芳烃的酰基化反应是制备芳基酮的重要方法。 常用的酰化试剂：酰卤、酸酐和羧酸。 Friedel-Crafts酰基化的优点：反应可以停留在一取代 阶段，而且不发生重排反应。 AlCl3 +CH3CH2CH2C O Cl C O CH2CH2CH3 ZnHg HCl, CH2CH2CH2CH3 5.芳烃侧链上的反应 1）苄基位的卤代 2）苄基位的氧化 氧化剂为酸性

8、高锰酸钾 CH(CH3)2 Cl2 h C CH3 CH3 Cl （二）取代苯衍生物的官能团化 1.取代芳烃亦可以发生亲电取代反应，而且芳环上已有的取 代基决定着亲电试剂进入的位置，并影响取代反应的速率。 NR2，NHR，NH2， OH OR，NHCOCH3 R，C6H5 H Cl（Br，I） 强烈活化 中等活化 o-,p-定位基 弱活化 弱钝化 NR3，NO2，CN，SO3H，CHO，COR，COOH，CF3 强钝化 m-定位基 习题： 1、由苯或甲苯合成 COOH Cl NH2 COOH Cl NH2 CH3 Br Br COOH CH(CH3)2 五、羟基的官能团转换反应 1. 转变成卤

9、代烃 1）与HX作用 反应活性次序为：叔醇仲醇伯醇， HIHBrHClHF 但是反应常伴有重排等副反应，使其应用受到限制。 C CH3 CH3 OH HCl Cl CH3 CH3 2-环丁基-2-丙醇 C CH3 CH3 OH Cl CH3 CH3 HC CH3 CH3 OH2 C CH3 CH3 Cl - H2O 2）反应条件温和、选择性好、副反应少的卤代试剂： SOCl2，PX3，PX5 2. 分子内脱水生成烯烃 符合扎依采夫规则。也注意重排的发生。 CH3 OH CH3 CH3 + 84%16% (CH3)3CCH OH CH3(CH3)3CCH CH2 (CH3)2C C(CH3)2+

10、 3% 64% 3. 在碱性条件下，与卤代烃反应成醚 注意卤代烃的消除。 例：合成 CH3CH2OC(CH3)3 4. 羟基的保护 1）醇在酸性条件下可与2,3-二氢吡喃作用生成混合 型缩醛，来保护羟基。因此对碱、Grignard试剂、 烷基锂、氢化铝锂、烃化剂和酰化剂均稳定。 HCCCH2OHHOOCCCCH2OH HC CCH2OH O H O O CH2C CH C2H5MgBr THF O O CH2C CMgBr CO2 H3O HOOCC CCH2OH 2）酚羟基保护有时会用CH3I生成甲醚，脱保护时用 HI，回流。 OH NaOH ONa CH3I OCH3 选择保护基团时，需考

11、虑：该基团在温和条件 下引入；在化合物中其他基团发生转化所需要 的条件下是稳定的；在温和条件下易于除去。 5、羟基的氧化 6、多元醇的反应 1）与新制的氢氧化铜反应 2）与高碘酸（HIO4）反应 3）频哪醇重排 C OH C OH HH H3OC H CHO 习题： 一、完成下列反应： CH3 OH + HBr H3O OH C6H5 C6H5 OH OH NaOH + COCl 六 、卤素的官能团转换 1、亲核取代反应 1）机理：单分子亲核取代SN1和双分子亲核取代 SN2机理。 2）卤代烃几乎可以同所有的亲核试剂发生反应 3）可以得到醇类、胺类、醚类、酯类、腈类等多种 有机化合物，因此在合

12、成中有广泛应用。 不同卤代烃在进行亲核取代反应时，其反应速度 与底物的结构、离去集团、亲核试剂的性质、反应条 件等有关。 2、消除反应 1）机理分为E1和E2消去 2）在强碱性溶液中进行，主要生成Saytzeff烯烃 3）用于制备烯烃、炔烃等 3、与金属反应 4、还原成烷烃 习题：一、完成下列反应 CH CH CHCl CHCH2Cl + NH3 CHLiCH3 CH3 CuI I 七. 氨基的官能团转换 由苯合成: Br Br Br Br BrBr 八、硝基与氰基的转换反应 腈与格氏试剂合成酮 C NR+ RMgX 醚 C N R R H3O MgX C NH R R H2O C O R R

13、 亚胺中间体 C H 3O C H2C N + MgBr 醚 H3O CH3OCH2C O 3、腈与醇反应生成酯。 机理： C NR+ ROH C N OR R H3O C NH OR R H C O ROR 九、羰基化合物 的反应 （一）亲核加成反应 1.与醇的加成 醛（酮）在HCl(气)或无水强酸催化下，与等摩尔的 醇反应形成一种加成产物，叫半缩醛（酮） C O + CH3CH2OH HCl(气) C OCH2CH3 OH 半缩醛（酮）可进一步与醇在HCl(气)或无水强酸催化 下，脱去一分子水，生成缩醛（酮）。 + CH3CH2OH HCl(气) C OCH2CH3 OH C OCH2CH

14、3 OCH2CH3 由于缩醛或缩酮都对碱、氧化剂、还原剂稳定， 因此常常用生成缩醛或缩酮的方法来保护羰基，保护 完毕再用稀酸水解脱掉保护基。例如： CH3CCH2Br O CH3CCH2CH2CH2OH O H3O CH3CCH2Br O CH3CCH2CH2CH2OH O OH OH H CH3CCH2Br O O Mg 无水醚 O 2.加NaHSO3饱和溶液 亚硫酸氢钠的饱和溶液(40%)和醛、酮作用，很快 生成白色沉淀( -羟基磺酸钠)，常用于醛酮的分离与 提纯。 反应应用范围：所有醛、脂肪甲基酮、八碳以下环酮 CH3CH2CH2CHO + NaHSO3 (饱和） C6H5CC6H5 +

15、 NaHSO3 (饱和） O 3.加氨衍生物 氨的衍生物(NH2Y)像羟氨(NH2OH)、肼 (NH2NH2)、氨基脲 (NH2NHC(O)NH2)等由于氮 上有孤对电子，都能作为亲核试剂和醛、酮的羰基 发生亲核加成反应。 与羟胺加成的产物为肟，在酸性条件下会发生 Backmann重排成酰胺 H3O O + NH2-OH N OH NH O 4. 加HCN 水解，制备 -羟基酸 反应应用范围：所有醛、脂肪甲基酮、八碳以下环酮 例：由苯及不超过3个原子的有机物合成 CH OH COOH CH OH COOH CO, HCl AlCl3 CHO HCN CH CN OH H3O 5.与格氏试剂 生

16、成醇。在合成上有重要用途。 6. Witting反应制烯烃 Wittig反应条件温和，产率高，生成的双键位置确 定，没有重排。 Ph3PCHOC6H5 C6H5OCH2Cl+ Ph3P 碱 Ph3PCHOC6H5+CH3CCH3 O 羟醛缩合 Stobbe 缩合 Darzen 缩合 Reformatsky 缩合 Knoevenagel- Doebner缩合 Mannich 反应 1.羟醛缩合反应 （a）醛的缩合 产物是-羟基醛。 形成的-羟基醛在加热时(或用稀酸处理)，很容 易脱水变成,-不饱和醛。脱水一步是不可逆的，从 而使反应进行到底。例如： （二）缩合反应 (b) 酮的缩合反应 酮在同样

17、的条件下，也可发生缩合反应形成- 羟基酮，但反应的平衡大大偏向于反应物一方： 如果设法使平衡不断向右移动，也能得到较高产率的缩合产物。 (c) 分子内缩合 二羰基化合物发生分子内缩合形成环状化合物。 例如： 如果有多种成环选择，则一般都形成五、六员环。 (d) 交叉的醇醛缩合 如果有一个反应物含-氢，而另一个反应物不含 -氢，这时可得到产率较高的单一产物。例如： 不含-氢的芳醛与含-氢的醛或酮在碱存在下的缩合又叫 Claisen-Schmidt反应 (CH3)2C O + CH2COOEt CH2COOEt NaOC2H5 (CH3)2CC CH2COOEt COOEt H (CH3)2CC

18、CH2COOH COOEt + CH2COOEt CH2COOEt NaOC2H5 Ph2C C CH2COOEt COOEt H Ph2CC CH2COOH COOEt Ph2C O 2. Stobbe反应 在碱存在下，酮与丁二酸酯的反应。 常用的催化剂为叔丁醇钾、醇钠、NaH等。 CH2 COOEt CH2 COOEt RO CH2 COOEt CH COOEt RCORC R R O CH COOEt CH2C OEt O C R R O CH COOEt CH2 C OEt O C R R O C COOEt CH2 CO H RO C C R R CH2COOH COOEt 反应机理

19、： Stobbe缩合反应在有机合成上的应用， 它的产物 在强酸中加热水解可发生脱羧反应，得到较原来酮、 酸增加三个碳原子的不饱和羧酸。 H3O C C R R CH2COOH COOEt-CO2 C C R R CH2COOH H CHO (CH2COOEt)2 NaOC2H5 CH C CH2COOH COOEt H3O -CO2 CH CH CH2COOH 3、Darzen 反应 C=O + BrCH2CO2Et C O CH CO2Et NaNH2 or RO- * CHCHO OH-H+ ,-环氧酸酯 * CH2 生成醛 CHR 生成酮 醛、酮与-卤代酸酯在强碱(RONa, NaNH2

20、, (CH3)3COK)催化作用下互相作用，生成,-环氧酸酯的反应 称为 Darzen 反应. O R CO2Et O CO2Et OH-H+ C O R CHO OH-H+ O RCHCO2Et t-BuOK, 0-15 ClCH2CO2Et t-BuOK, 0-15, 3h Cl 3）应用 合成环氧酸酯，合成比原料醛、酮多一个碳 的醛、酮。 O H COOEt -OH H+ CH2CHO O COOEt -OH H+ CH2C O C6H5CHCO2Et ClCH2CO2Et Cl CHO t-BuOK t-BuOK -卤代酸酯在锌粉作用下，先生成有机锌化合物（注意： 格试剂活性比它高），

21、再与醛或酮的羰基发生亲核加成，水 解生成 -羟基酸酯，再水解得 -羟基酸。如： CH2COOC2H5 + Zn X Et2O CH2COOC2H5 ZnX R2C=O R2C CH2COOC2H5 OZnX R2C CH2COOC2H5 OZnX H2O / H R2C CH2COOC2H5 OH H2O / H R2C CH2COOH OH 4、Reformatsky反应 补充： -溴代酸酯的制备 说明： 反应需在惰性溶剂(如苯)中进行； 不能用BrMgCH2CO2Et代替BrZnCH2CO2Et； -溴代酸酯的 -碳上的取代基空阻太大时， 反应不能进行。 该反应定向性好。 -羟基酸酯, -

22、羟基酸 , , -不饱和酸酯 ,-不饱和酸以及由它们衍生的化合物。 主要用来制备以下化合物： 在弱碱的催化作用下，醛、酮与含有活泼亚甲基的化 合物发生的失水缩合反应为Knoevenagel 反应。 C=O R R H2 C Z Z +C=C R R Z Z 弱碱 苯, 分水 Z: CHO, CR, COOR, CN, NO2 等 O 弱碱: , RCH2NH2, R2 NH 等 NN H , 5、Knoevenagel反应 Knoevenagel 反应的实例 CHO + CH 2(CO2H)2 O2N 吡啶 CH=C(CO2H)2 O2N CH=CHCO2H O2N -CO2 74-80 %

23、CH3CCH2CH3 + NCCH 2CO2Et O 丙氨酸 - HOAc 苯, 分水 CH3CH2C = CCO2Et CH3 CN 85 % 制备各种类型的,-不饱和化合物. CH3-C-CH2-H + CH2O + HN O R R H+ CH3-C-CH2-CH2N O R R 取代的氨甲基 CH3CCHCH2NMe2 HCl O CH3 O CH3CCH2CH3 + CH2O + Me2NH HCl O CH3 CH2O + (CH3)2NH+ HCl, H2O O CH3 CH2N(CH3)2 O CH3 (CH3)2NCH2 67 % + 33 % R-C-CH2CH2NMe2

24、R-C-CH2CH2NMe3 CH3I OH - OO O O ，蒸馏 R-C-CH=CH2 R-C-CH=CH2 其它反应 1)Perkin反应 芳醛和酸酐在相应的羧酸盐存在下的反应，产物是 ,-不饱和芳香酸： PhCHO + O CH3C O CH3C O CH3COONa OH PhCHCH2COOH _ H2O PhCH CHCOOH 2) 安息香缩合 芳香醛或少数不含-H的脂肪醛在CN的催化作用 下，发生双分子缩合，生成-羟基酮。 2 PhCHO + CN_ OOH PhCHCPh H2O ROH 3)醛酮的氧化和还原 (1) 氧化 KMnO4, K2Cr2O7, H2CrO4, R

25、COOOH, Ag2O, H2O2, Br2(水) (i) 醛极易氧化，许多氧化剂都能将醛氧化成酸。 (ii) 许多醛能发生自动氧化。 (iii) 用Tollen试剂Ag(NH3)2+氧化发生银镜反应(只氧化醛， 不氧化酮)。 酮不被通常的氧化剂氧化。 O RCR+CH3COOOH CH3COOC2H5 40oC O RCOR + CH3COOH Baeyer-Villiger 反应 O HNO3 HOOC(CH2)4COOH R重排的优先次序 R3C- R2CH- ,RCH2- CH3- CH 2 CH3C O C(CH3)3 + CF3CO3H CH2Cl2 C O CH2CH3 + CF

26、3CO3H CH2Cl2 O C O CH2CH3 CH3C O OC(CH3)3 O2 Mg-Hg , 苯 H2O OHOH (2)还原 还原到亚甲基 (i) Clemmensen还原 RCOR Zn-Hg 浓HCl RCH2R C6H5COCH2CH2CH3 Zn-Hg 浓HCl C6H5CH2CH2CH2CH3 77% (ii) Wolff-Kishner还原 (黄鸣龙改进) *两种方法分别在酸和碱介质中反应，可以互相补充； *不适于,-不饱和羰基化合物的还原，或者连C=C一起 还原，或者生成物复杂。 RCOR + NH2NH2 NaOH O(CH2CH2OH)2 RCH2R C6H5C

27、OCH2CH2CH3 C6H5CH2CH2CH2CH3 82% NaOH O(CH2CH2OH)2 NH2NH2, CHOCH2OH+ CH2O NaOH +HCOONa 甲醛与其它无 -H的醛作用，甲醛总是还原剂 没有 -活泼氢的醛在强碱作用下，发生分子间 的氧化还原而生成相应醇和相应酸的反应。 4) Cannizzaro反应 (歧化反应) 羧酸及其衍生物的反应 一、羧酸的反应 1、还原反应 用氢化铝锂，可以将羧酸直接还原为醇。 COOH LiAlH4 CH2OH 2、-H卤代反应 羧基和羰基一样，能使-H活化。一般是在磷催化 下，与卤素反应。 CH2COOHBr2 P CH Br COOH 3、与重氮甲烷反应生成甲酯。 COOH CH2N2 COOCH3 4、二元酸脱酸反应 二元酸在加热时容易脱酸。规律如下： 当n=0,1时，CO2生成一元酸。 当n=2,3时，H2O生成五元环、六元环酸酐。 当n=4,5时，CO2，H2O生成五元环、六元环的 环酮。 (CH2)n COOH COOH H2C COOH COOH COOH CH2COOH COOH COOH COOH CH2COOH CH2COOH 练习： 1、 2、