羰基的亲核加成及相关反应

1、羰基的结构与极化： v醛、酮、羧酸及其衍生物及二氧化碳都含有羰基 v羰基有一个键和一个键；由于氧的电负性（3.5）比碳 （2.5）大，所以羰基产生极化 羰基的结构与极化： v羰基碳带有部分电荷为亲电中心，容纳正电荷能力差很 不稳定，易受攻击发生亲核加成反应 v羰基氧为亲核中心具有容纳负电荷能力比较稳定 亲核试剂： v含氧试剂：H2O、ROH、RO- v含碳试剂：RCC-，CN-，R- v含氮试剂：NH3，NH2，NH2NH2及NH2OH等 醛与酮： v醛与酮是较强的亲电试剂，易进行亲核加成，醛可与弱亲核 试剂反应（如NH3，CN-） 羧酸及其衍生物： v较弱的亲电试剂（+C） v只与强亲核试剂

2、反应（如：R-，RO-等） v不与弱亲核试剂（如氨）反应 亲核加成反应的历程 v碱催化羰基的亲核加成：碱夺取亲核试剂（H-Nu）中的H+， 生成亲核性更强的Nu- v酸催化羰基的亲核加成：羰基被质子化 v许多亲核加成反应是可逆的 与氨基衍生物的亲核加成 vY：H，R，OH（羟氨），NHR（肼），NHCONH2（氨 基脲） 影响羰基亲核加成反应活性的因素 v反应物的结构影响 v取代基的电子效应：羰基碳原子上的电子云密度小 （-C，-I）利于亲核试剂进攻，亲核反应易于进行。 芳香醛： v羰基碳原子上的电子云密度大（+C）的化合物趋稳 定 v亲核加成造成共轭体系的破坏也不易加成 v芳基上的推电子基（

3、+I）及拉电子基（-I）也改变 羰基活性。 空间位阻降低羰基亲核加成活性 基本上不发生亲核取代反应 C CH3 CH3 O CN OH CH3OH,H2SO4 71%80%90% CH2=C CH3 COOCH3 120o 109.5o C CH3 CH3 HCN 试剂的亲核性越强越易反应 v带负电荷的亲核试剂，比其共轭酸亲核性强： OH-H2O v极性大的分子比极性小的分子亲核性强： HCN H2O （pH） v同一周期元素负离子碱性越强亲核性越强： R3C-R2N-RO-F- v同一主族元素负离子亲核性与其可极化度一 致：I-Br-Cl-F- 亲核加成反应中的立体化学 v透视式：任意两个基

4、团交换位置后为对映异构体 v亲核试剂可从醛（酮）所在平面的上面或下面进攻，新形 成一个手性中心，产物为外消旋体（对映异构体各占 50%）。 CO OH R R C R R Nu- Nu- Nu O- C R R Nu O- C R R Nu C R R Nu OH (a) (b) H+ H+ 亲核试剂从空阻小的一边进攻羰基 v换用仲丁基硼氢化锂，内侧进攻产物99.6%， 外侧产物0.4% 醛酮的简单亲核加成 强酸强碱 v仅限醛、脂肪甲基酮及8个碳原子的环酮 可极化性及亲核性： v硫大于氧 两可试剂 生成碳一硫键 醛酮与醇的加成： v生成半缩醛（酮）或缩醛（酮） v历程：酸催化 醛酮与醇的加成：

5、 v酮反应较为困难 空间位阻效应 v反应可逆，生成缩醛不与碱、氧化剂和碱金属反 应可保护羰基（用乙二醇） 醛酮与金属有机化合物反应： v金属有机化合物含碳-金属键 为极性共价键。 v烷基锂或格氏试剂都是强亲核试剂 (失去MgXCl生成酮） 失去Mg(OR)X生成酮 Reformasky反应 生成C-Zn键，与Grignard试剂相似 醛酮与含氮亲核试剂的加成-消去反应 v加成产物发生-消去形成新的双键醛酮与氨 衍生物的反应 v烯胺（enamine）为中间体可用于合成，酸 性条件下水解生成胺及酮 N N H O O CH2-CH=CH2 + 1)CH2=CHCH2Br 2)H3+O 66% 曼尼

6、希（Mannich）反应 具有-氢的醛酮或其它含活泼氢的化合物与 甲醛及胺（或氨）反应生成含胺甲基的化合 物 v活泼氢被胺甲基化后，加热失去氨，生成 -不饱和羰基化合物（PhCOCH=CH2） v含活泼氢的化合物。 vCHCOR，CHCO2R， CHCO2H，CHCN，CHNO2， RCCH，ROH，RSH及苯酚羟基邻、对位的H COCH3+ CH2O+ NH3 COCH2CH2NH2 酸组分 碱组分醛组分 曼尼希碱 醛、酮羰基的烯化Wittig（维荻 许）反应 v1954年 G.Wittig发现该反应 v1979年 获 Nobel Price v醛与酮与磷叶立德（ylide）反应生成烯 Wi

7、ttig试剂（磷叶立德）： v内鎓（Onium）正盐（中性分子） （碳的电负性大于磷），具有相反的电荷在 相邻两个原子上。 R3PCHR + - 硫叶立德： 磷酸 膦酸 氨 v胺(C-N) 铵 v磷 膦(C-P) 鏻 硫（ ）锍 v季鏻盐 与季铵盐 相似 R4PCl +- + R4NCl - 磷叶立德： v由强碱夺取季鏻盐中质子制备 v季鏻盐酸性较弱，要强碱(C6H6Li)才能夺取其中的 质子 (C6H5)3P+ CH3CH2Br C6H6 (C6H5)3PCH2CH3Br + - l季 盐 (C6H5)3PCH2CH3Br + - C6H5Li (C6H5)3P=CHCH3 +C6H6LiB

8、r+ Wittig试剂 烃代亚甲基三苯基膦 v季鏻盐的-位有强吸电子基，则酸性 增强，用普通碱可制备磷叶立德: 叶立德与羰基反应：引入碳-碳双键 v反应历程：四元环过渡态 含碳亲核试剂的反应 v羟醛缩合（生成- 羟基醛酮或-不饱和醛酮） 羟醛缩合反应 v一些含活泼亚甲基（酸性-氢）的化合物（-二 羰基化合物 醛、酮等）在强碱下可形成-碳负离子（强亲核 试剂），然后与羰基进行亲核加成反应生成-羟 基醛（酮）（也称醇醛） v-羟基醛（酮）脱水生成，-不饱和醛酮 C O CH2 ORRC O C O RO C O CH2ROORC O C O CH2R , , 羟醛缩合反应 vpKa酸式离解常数：

9、丙烯38、乙炔25、丙酮20 vCH3CH=CH2-超共轭效应及+I效应利于亲电加 成 vCH3CH=O -超共轭效应及+I效应不利于亲核 加成 v碱催化历程 v至少要有两个-氢才可失水，失水后形成共轭 体系，-不饱和酮稳定 羟醛缩合反应历程 羟醛缩合反应历程 v酸催化历程 酸:AlCl3 、HF、HCl、H3PO4 酸催化，促进烯醇式的生成也提供活化的羰基 交叉羟醛缩合 v当两个醛（或酮）分子都含有-氢时可得到四种 不同产物，无合成价值 v选择一个反应物为醛、甲基酮或环酮提供亲核试剂（含- 氢）：另一个不含-氢的反应物（醛）提供羰基（H2CO， R3CCHO，ArCHO，ArCOAr等） 交

10、叉羟醛缩合 交叉羟醛缩合 v苄基酮中-亚甲基，由于羰基及芳基双重 活化，易反应 Claisen-Schmidt反应： v含-氢的脂肪醛、酮与芳醛的交叉缩合 分子内羟醛缩合 O O 100 O CH3 + - KOH,H2O 不对称酮缩合 v酸催化发生在甲基上，碱催化发生在亚甲基 上 O CH3CH2CCH3RCHO H+ OH- CH3CH2COCH=CHR CH3C=CHR COCH3 + 柏金（Perkin）反应： v生成-苯丙烯酸（肉桂酸）（60%） v历程如下： C6H5CHO+ (CH3CO)2O K2CO3 170180 1)OH-,H2O 2)H+ CH=CHCOOH 60% O

11、 O H - + (CH 3CO )2O CH 2CO -O -CO CH3 - PhCH -CH 2CO -O PhCH O CH 3-C=O : O : - : PhCH -CH 2-CO O - CO H 3C (CH 3CO )2O PhCH -CH -C-O -CCH 3 O O CO CH 3 H 3O + PhCH =CH CO O HCH 3CO O H O H 克诺文纳格尔（Knoevenage）反应 v不含-氢的醛（酮）和含活泼氢的ZCH2Z（或 ZCHRZ）化合物的缩合。 O R-C-R + Z-CH2-Z C R R 碱 Z和Z为吸引电子的基团，如：-CN, -CHO,

12、-COR,-COOR,-SO2R等。 C Z Z Knoevenage反应历程与羟醛缩合相 同 苯偶姻缩合 （Acyloin Condensation） v也称为安息香缩合(Benzoin Condensation) v两分子芳香醛在氰根离子作用下，缩合成-羟基 酮（偶姻）的反应。 v氰根离子与芳醛首先发生羰基的亲核加成 v产物氰醇负离子脱去-氢生成- 碳负离子。- 碳负离子再与另一分子苯甲醛进行羰基碳上的亲核 加成 ArCH=O CN- Ar ArCH=O ArCCArArCCAr - CCN ArCCN OH OH CN H O-: O : - : : O : - : CN OH H Ar

13、 CCHAr O OH + -CN- CN- H+ 总结： v羟醛缩合 vKnoenenage反应 醛酮提供羰基，酯提供-氢，反应中失去水 羧酸及其衍生物的亲核加成 v此类反应与醛酮的反应相似，也是亲核试剂 进攻羰基中带部分正电荷的碳原子而发生亲 核加成 v缩合反应：两个分子通过失去小分子（如水 或醇等）而生成较大分子量的分子 Claisen及Dieckmann酯缩合： v酯与酯的缩合失去一分子醇生成-酮酸酯 酯酮缩合： v含-氢的酮和不含-氢的酯缩合失去一分子醇 生成-二酮 Claisen酯缩合反应 v在强碱（醇钠等）催化下，失去一分子醇两 分子酯自身缩合（也称为酯的酰化） Claisen酯

14、缩合反应 v其中一个酯常选为不含-氢的甲酸酯、苯甲酸 酯、草酸酯等 Claisen酯缩合反应历程 Claisen酯缩合反应历程 Dieckman酯缩合反应： vClaisen酯缩合的特例，分子内关环，合成五元或 六元环 Dieckman酯缩合反应： v当可能生成两种产物时，较稳定的烯醇优先生成， 即失去酸性较大的-氢生成较稳定的碳负离子 O COOEt H3CCOOEt CH3 O EtOOCCH2(CH2)2CHCOOEt CH3 EtONa 二甲苯 酯酮缩合 v酮的-碳进攻酯羰基开始，通过缩合失去一 分子醇而生成-二酮 v烷基的+I效应和空间位阻都可降低酮或酯的 活性 v酮：甲基酮，环已酮

15、活性较大 酯的活性顺序如下：酯的活性顺序如下： v甲基酮甲基上的氢易失去，形成亚甲基碳负离子（CH2-） v非甲基（亚甲基或次甲基）酮上的氢不易失去，因其形成的 碳负离子不如亚甲基碳负离子稳定 HCOORCH3COORCH3CH2COOR (CH3)2CHCOOR(CH3)3COOR HCOOC2H5 +CH 3CCH2CH(CH3)2 Na HC-CH2-CCH2CH(CH3)2 OOO O O EtONa CHO HCOOC2H5+ 含碳亲核试剂的反应 v一种反应物为：有活泼氢的化合物（醛、酮、酯或 Z-CH2-Z,其中：Z,Z=NO2,CO2H,CN,CO2R） v另一反应物如为酯并无活

16、泼氢则脱ROH，如为醛酮 则脱H2O。 v催化剂为RO-或OH- 迈克尔加成（Michael Addition） v碳负离子与、-不饱和羰基化合物（醛、酮、酯） 或、-不饱和腈的碳-碳双键进行共轭加成。 v可形成碳负离子的试剂（Z-CH2-Z）称为 Michael供体 Michael供体如： ROCCH2COR NCCH2COR CH3CCH2COR O O O O O 丙二酸酯 氰乙酸酯 -丁酮酸酯 Michael（接）受体：亲电的共轭体系 v、-不饱和醛、酮、酯或腈 + H Z 碱 CH2ZZC=CZCHCCY Y vMichael受体为、-不饱和酯（y=CO2R）产物 为1，5-二羰基化

17、合物 vMichael受体为、-不饱和醛酮（y=COR或CHO） vMichael受体为、-不饱和腈 Michael加成的历程： v具有-氢的Michael供体生成羰基负离子 （烯醇式氧负离子） H C=C CC B:-+ O -HB CC O : - O- v羰基负离子进攻Michael受体有两条途径：其中形成 负电荷比较分散的中间体较稳定 v所以生成1，5-二羰基化合物、质子化产物 C=C + CC O : - C=O C=C C=O O- C C C CCC O H+ （稳定） C O : - Michael加成反应的应用： v合成1，5-二羰基化合物 O NCCH COOEt CH(P

18、h)CH2CCH3 NCCH2COOEt + PhCH=CHCOCH3 EtONa NCCH COOEt CHCH2COCH3 Ph Michael供体Michael受体 Robinson关环： vMichael加成产物通过分子内羟醛缩合关环 合成六元环 Michael受体 Michael供体 羟醛缩合 Robinson关环： v用Mannich碱与含活泼氢化合反应进行Michael加 成 v因为，-不饱和羰基化合物（Michael受体） 可由Mannich碱消去制备 醛与酮： v醛与酮是较强的亲电试剂，易进行亲核加成，醛可与弱亲核 试剂反应（如NH3，CN-） 羧酸及其衍生物： v较弱的亲电试剂（+C） v只与强亲核试剂反应（如：R-，RO-等） v不与弱亲核试剂（如氨）反应 影响羰基亲核加成反应活性的因素 v反应物的结构影响 v取代基的电子效应：羰基碳原子上的电子云密度小 （-C，-I）利于亲核试剂进攻，亲核反应易于进行。 羟醛缩合反应历程 v