碳负离子反应PPT课件

1、1.1 1.1 基本原理基本原理碳负离子的形成碳负离子的形成碳负离子：是以一个带有负电荷的三价碳为中心原子的中间体，是有机化学反应中常见的活性中间体。如甲基负离子 、烯丙基负离子 苄基负离子 、三苯甲基负离子 RLi，RMgX，RC CNa制备：金属有机化合物 异裂第1页/共57页碳负离子是有机分子中的碳氢键失去质子后所形成的共轭碱 ：CHCO强碱CCOCCOCHC强碱强碱NCCNCCNCNO2CHNO2CNOO第2页/共57页碳负离子的形成条件 从结构上讲，至少含有一个氢的碳原子的邻位要有一个活化基团，一些带有双键或三键的吸电子基团 、NO2、SO3H、CN、CCH等都是活化基团。活化基团有

2、两个作用：由于其吸电子作用，使氢碳酸的酸性增加，而容易脱质子化。使形成的C_的负电荷离域而趋于稳定。CO第3页/共57页活化基团的强弱顺序如下：-NO2R2C=O-SO3H-COOR-CN-CCH-C6H5-CH=CH2-R另外，分子中的其他基团的空间效应和电子效应对C_的形成和稳定性也有影响，其中空间阻碍影响最大。 CCH3OCHNOO-第4页/共57页形成碳负离子的外部条件 在形成C_的过程中，碱可能进攻碳原子，也可能进攻质子氢。选择强度适合的碱: 强亲质子性的碱（与质子结合的能力）; 强亲核性的碱（与碳正离子的结合能力）; 两种都有的碱。第5页/共57页一般来说，亲核试剂的亲核性能大致与

3、其碱性的强弱次序相对应。对具有相同进攻原子的亲核试剂，碱性愈强者，亲核性愈强。 羰基化合物切断：CA+BCA+BHCCOB亲核亲质子HOOHROOHR+第6页/共57页常用碱的性能：强亲质子和亲核能力的碱：HO- , CH3O-, C2H5O-, RS-, CN-等。强亲质子弱亲核能力的碱：H- , NH2-。具有强亲质子和相当弱亲核性的碱：Et2N- ,C6H5N- , Me3Si-N-。BOOHROMO烯醇负离子O第7页/共57页例 醛、酯的-H烷基化时，不能用OH-去脱质子。如用OH-时则：醛发生醇醛缩合：酯会发生水解：应选用亲质子能力更强的碱如 最好。CH3CH2CH + CH3CH2

4、CHOOHCH3CH2CHOHCHCHOCH3O_CH3COOCH2CH3+OHCH3COOH + OCH2CH3CH3COO-+HOCH2CH3第8页/共57页溶剂的影响：假如溶剂的酸性比氢碳酸强，就不能产生很多的C-，因为溶剂的质子被刚形成的碱性很强的C-夺去，成为原来的化合物（内返作用）。RH + M+B离解内返RM+BHR+ M+BH第9页/共57页采用极性大但酸性弱的溶剂，即非质子溶剂。（1）t-BuOH，用二甲亚砜、THF（四氢呋喃）。（2）NaNH2，溶剂用液氨或醚、苯、甲苯、1，2-二甲氧基烷基苯等。（3）NaH、LiH，溶剂为苯、醚、THF等。（4）(C6H5)3CNa，溶剂

5、为苯基醚、液氨等。第10页/共57页形成单一部位的烯醇盐：需要从形成碳负离子时的条件上加以控制：动力学控制形成碳负离子部位碳氢被碱提取质子的相对速度。一般在较低温度下和体积较大的碱条件下，易使碳负离子在位阻较小部位的碳-氢键处形成；热力学控制两种碳负离子能相互转化并达到平衡，一般在较高温度、体积较小的碱条件下，取代基较多部位的碳-氢键易于形成碳负离子 。第11页/共57页热力学控制 LDA:二异丙基氨基锂LNPr2HCH2HBrOLiNLDALDA/THF-72 HCH2BrOOHCH3BrOOCH(CH3)225CH3BrOCOCH3(CH3)3COH,(CH3)3COKOH3CH3COH3

6、CO动力学控制热力学控制17899（LDA/二甲氧基乙烷）22（Et3N/DMF）第12页/共57页1.2 碳负离子反应与含羰基的化合物反应C-形成后，它虽然是共振稳定的，但仍具有很高的能量，可以发生多种亲核加成反应： 与含羰基的化合物反应C+COCCO-第13页/共57页醛、酮在碱作用下，形成的烯醇负离子是双位性负离子。可以发生氧负和碳负的两位加成。反应可以使碳链增长13个碳原子。CRCHCORRCRCHOHCRRCROOC=CHRRBHBHCROHOC=CHRRCORORORB-(1)(2)OORCH2RCH2RCH2RCH2RCH2RCHCRCH=C-CR +CRCHR + BHCHRC

7、R( R=H,R )OOORCH2-B烯醇碳负离子反应第14页/共57页烯醇碳负离子的电荷在碳及氧原子上非定域分布，它是两可性亲核试剂。当进行烃化反应时，除可在碳原子上进行烃化外，当结构有利时反应也可在氧原子上进行。CH3 C CH2COOEt + Br(CH2)3BrOCOOEtCH3OEtOCH3 C CH2COOEtOCH3 C CHCOOEtCH2CH2CH2BrBrEtOH2CCH2CH2BrCCHOH3CEtOH2CCH2CH2BrCCHOH3CCOOEtOCOOEtH3CCOOEtO第15页/共57页酯碳负离子反应酯的-亚甲基不能与酮发生醇醛缩合，但在醇钠的催化下，丁二酸酯或-羟

8、基取代的丁二酸酯却能和酮羰基反应（Stobbe反应），机理：CH2CH2CO2EtCHCH2COOEtEtOCH2CO2Et +CH2CO2EtCHEtOHCHR2CCO2EtOEtO2CR2COEtO2CEtO2CCRCRCCO2EtCH2COOEtCO2EtROOStobbe缩合闭环Friedel-Crafts反应第16页/共57页卤代羧酸酯碳负离子反应羰基化合物与-卤代羧酸酯缩合反应（Darzen反应），-卤代羧酸酯和醛酮在碱催化下缩合，生成,-环氧酸酯。-ClCH2CO2EtCR2CClCO2EtOHCR2CCO2EtORONaClCHCO2EtRCO-,-环氧酸酯在碱催化下水解得到缩

9、水甘油酸。后者在酸存在下，迅速脱羧重排为醛。HCR2CCO2EtOH2OCHCOOHR2COCH2R2COR2CHCHO(1) H(2) CO2重排碱催化+第17页/共57页硝基化合物和腈的碳负离子反应在碱存在下，硝基甲烷先生成负离子，负离子再与醛缩合得到-羟基硝基化和物。如甲醛与硝基甲烷反应，硝基甲烷分子中-碳转变为碳负离子进攻羰基碳后得-羟基硝基甲烷。-CH3NO2BHCH2NO2HCHOCH2CH2NO2OBHCH2CH2OHNO2B:-+进一步缩合CH2CHONO2CH2OHCH2OH第18页/共57页腈:含-H原子腈与甲醛反应类似硝基化合物。特殊的芳香体系，由环戊二烯脱质子衍生出来的

10、负离子是一个含有六个电子的芳香体系，释放出稳定碳负离子的能量足够引起碱催化下的缩合反应。-CH2HCCHHCCHBCHHCCHHCCH(CH3)2COCHHCCHHCCHC(CH3)2OBHCHHCCHHCCHC(CH3)2HO-H2OCHCCHHCCHCH3CCH3二甲基富烯+第19页/共57页1.3 1.3 碳负离子与羧酸衍生物缩合碳负离子与羧酸衍生物缩合碳负离子和酯、酰卤、酸酐中羰基发生缩合生成酮酸酯、碳负离子和酯、酰卤、酸酐中羰基发生缩合生成酮酸酯、-二酮、甲酰基、丙二二酮、甲酰基、丙二酸酯等产物。反应通式表示：酸酯等产物。反应通式表示：-COAX +CCOAC+ XX= 、 、 等，

11、=烷基或芳基。羧酸衍生物的反应活性为：酰卤酸酐酯酰胺。ClClOROCOR第20页/共57页醛酮碳负离子与酯缩合醛酮和酯各有一个-H，碱催化缩合得四个产物，在合成上没有实际意义。一般只有醛酮和没有-H的甲酸酯和草酸酯缩合在合成上是重要的。草酸酯和酮缩合，使酮转变为-酮酯。 EtO-OCEt-COCH2R+COOEtCOCH2RCOCOOEt-COCOCH2RCOOEtEtOCOOEt-COCH2RCOCOOEtH+第21页/共57页导向或致活-酮酯中亚甲基因有两个活化氢，酸性增加可以在较温和的条件下进行其它反应，化合物中酯基可以水解为酸加热脱羧而除去。总的结果是在一个需要起反应的部位，引进的活

12、化基团，使这个部位能在温和的条件下与其它试剂起作用；以后又把引进的活化基团除去，这种办法在有机合成上常叫做。例如在合成甾族化合物马萘雌酮时就是这样做的。-O(1) (CO2Et)2/ EtO(2)OCO2EtCH3ICH3OOCO2EtCH3第22页/共57页分子间酯缩合-克莱森（Claisen）缩合 两个酯的缩合和醇醛缩合区别：在于羰基加成后，两个酯的缩合和醇醛缩合区别：在于羰基加成后，前者脱去前者脱去RO-RO-，成为酮酯，而后者获得质子，形成，成为酮酯，而后者获得质子，形成羟酮。羟酮。特点：（1）反应是可逆的. 要使反应向右进行，取决于反应物的性质，所采用的条件。（2）缩合在碱性催化剂催

13、化下进行：如醇钠、氢化钠、三苯甲钠或格氏试剂等。 CH3COOEt+ CH3COEtCH3COCH2OEtCOOEtCH3CCH2CO2EtO+ EtOHEtOH+O-第23页/共57页（3）酯中只有一个有-H，另一个羰基又活泼，则缩合只有一种产物。NCOOEtNPhCOCH2CH2CO2EtCH=CH2NCHOCH2H3COCOOEtNCOPhCH2CH=CH2+H3CO草酸酯和甲酸酯活性较强，分子中无活泼氢，是制备烷基和芳香取代丙二酸酯的一个重要方法 C6H5CH2COOEt +COOEtCOOEtNaOEtC6H5CHCO2EtCOCOOEt水 解C6H5CHCOOHCOCOOEt-CO

14、2C6H5CH2COCOOHa-酮 酸C6H5CHCO2EtCOCOOEt175-COC6H5CH(COOEt)280-83%第24页/共57页分子内酯缩合-狄克曼（Dieckmann）缩合 是一种含有二元酯分子内的是一种含有二元酯分子内的ClaisenClaisen缩合，得到缩合，得到五元或六元环状五元或六元环状-酮酸酯，脱羧后即可制得酮酸酯，脱羧后即可制得环酮。环酮。OEt-COOEtCH2CH2COOEtCH2CH2Na1/2H2COOEtH2CCH2CHCO2EtCH2COOEtH2CCH2CHCO2EtCH2OCO2Et-CO2O75-80%第25页/共57页例如:从两分子的丁二酸二

15、乙酯在碱性条件下首先发生Claisen缩合进而发生Dieckmann缩合反应，得到六元环二酮。CNCH2CH2CNCH2CH2B:NHCNH2OOCN,-二腈在碱催化下，缩合得到环状- 酮腈 -CH2HCEtO2CH2CCH2COOOEt2OCO2EtOO81-89%NaOEaEtOCO2EtCO2EtCO2Et-EtOCO2Et264%68%-H2O180第26页/共57页1.4 1.4 碳负离子的烃基化反应碳负离子的烃基化反应碳负离子置换卤代烷中卤素，形成碳-碳键，相对于O、S、N等烃化，接触较多的是C-烃化。CC+XC+CX-羰基活化的碳负离子的烃化反应:作为烃化剂，除了卤代烷外，还有对

16、甲苯磺酸酯、硫酸二甲酯和重氮甲烷等 ;各种活化基团的-碳的烃化 第27页/共57页COPhCHPhPhCH3I二甲氧基乙烷或DMSOCCPhPhH3COPh+COPhCCH3PhPhCH3I(CH3)3COHCCPhPhH3COPh50%50%+COPhCCH3PhPh96%4%烃化反应是SN2历程，卤化物活性规则：（1）卤代烷的活性次序：IBrClF。（2）产率次序：第一卤代烷第二卤代烷叔卤代烷。第28页/共57页叔卤代烷，一般不宜作烃化剂，但在酸性条件下反应结果较好：CH2(COOC2H5)2+(CH3)3CIBF3(CH3)3CCH(COOC2H5)250%CH3COCH2COOC2H5

17、+(CH3)3CBrAgClO4CH3COCHCOOC2H5C(CH3)368%（3）乙烯基和芳基卤代烷不能作烃化剂，但若芳环P、O位上有强的吸电子基团（硝基）可以反应 第29页/共57页 单功能团化合物的烃化单功能团化合物的烃化不对称酮烃化，由于两种可能结构烯醇离子的形成，得到两种不同结构产物。 -RCH2CCH2RRCHCOCH2R +CHRORXRCHCCH2RR+ RCH2CCHRROOORCH2CB-CCH3O+ C6H5CH2CCH2OCH3I(C6H5)3CK二甲氧基乙烷C6H5CH2COCH3C6H5CH-C6H5CHCH3CCH3O+ C6H5CH2CCH3O93%溴化物氯化

18、物。反应可增长碳链，合成某些重要物质，如油酸等。 -HCCHNa / NH3CH3CH2CH2CH2BrHCCCH2CHCH2CH2CH2CH3第41页/共57页乙炔碳负离子与羰基化合物缩合与醛酮反应形成-乙炔醇，即在羰基上引入一个基团，在有机合成上有很大的意义，例如：异戊二烯的合成。 -(CH3)2C=O+NH2Pd / H2Al2O3-H2OCH CH(CH3)2COCCHH(CH3)2COHCCH(CH3)2COHCHCH2CH2CCH3CHCH2+第42页/共57页1.7 氰基(CN-)负离子反应 氰基负离子与卤代烃反应第二卤代烃与CN-发生亲核置换而得到相应的腈化物。第三卤代烷则发生

19、消除反应。CN-是一个亲核试剂，由于碳的sp构型和氮的电负性使氰基趋于稳定，可作为独立离子存在于水溶液中。CN-是双活性负离子，但通常多是亲核性强的碳一端发生反应。 +NCCZNCC-第43页/共57页260-280+ NaO2C(CH2)8CO2Na+ H2蓖麻油脂肪酸辛醇-2癸二酸钠CH3(CH2)5CHOHCH2CHCH(CH2)7COOHCHOHCH3NaOHH2OCH3(CH2)5NaO2C(CH2)8COONaH2SO4HO2C-(CH2)10-COOHNH3340H2 / Ni100 , 250atmH2N-(CH2)10-NH2NC(CH2)8CNCH2OCROCHOCROCH

20、2OCRO+ 3 NaOHH2OCH2CHOHOHCH2OH+3 RCOONa蓖麻油脂肪酸钠（1 1）催化还原为胺催化还原为胺第44页/共57页（2） 还原成醛(1) HCl-SnCl2(2) H2ORCHO(1) LiAlH(OEt)3(2) H2OCH3CH2CH2CHORCNCH3CH2CH2CN一般芳卤都要求强烈的条件卤素才能被氰基置换。 PhBrCuCN / 喹啉200PhCN第45页/共57页氰基负离子与羰基化合物反应羰基化合物与氰化氢加成，生成-羟基腈。是一个平衡反应，依赖于羰基化合物的结构和温度。大多数脂肪醛、脂肪甲基酮以及芳香醛，平衡有利于生成-腈基；芳基烷基酮生成相应的-羟

21、基腈的产率低，二芳基酮甚至不发生反应 RCROHCNRRCOHCN/第46页/共57页活性较低的酮不易生成相应的羟基腈，若将它们首先转化成烯醇的三甲基硅醚，然后再与氰化氢反应，则可以得到-腈基的三甲基硅醚。(CH3)3SiCNRCORROSi(CH3)3RCN环氧乙烷易与氰化氢加成，生成-羟基腈，当环氧乙烷含有卤原子时，也不受影响。 CH2CH CH2ClOHCN , NaCNClCH2CHCH2CNOH第47页/共57页1.8 Wittig1.8 Wittig反应反应- -羰基烯化羰基烯化WittigWittig等人在等人在19531953年报告了下列反应：年报告了下列反应：季鏻盐中的-位碳

22、原子上的氢原子被代正电荷的磷活化，具有一定的酸性，可与强碱（如有机锂化物、氰化钠等）反应，生成的中性化合物即为Wittig试剂，如 -Ph3P= CH2BrPh3PHCH3BrC6H6-Ph3P CH2BrPh3P- CH2+ PhH + LiBrPhLi如果季鏻盐-位碳上连有吸电子基团（-CN，-COPh等），则使用相对较弱的碱（NaOH）就可生成Wittig试剂。如： -Ph3P CH2CNXPh3P- CHCNNaOHPh3PCHCN第48页/共57页 Wittig试剂具有很强的亲核性，可以发生一系列反应，其中与醛、酮加成使羰基直接变为烯键的反应是非常有价值的合成烯烃的方法。 -Ph3P

23、 CH2+ Ph3POPh3COPh3C=CH2反应历程由两个阶段完成，首先是内鏻盐对羰基进行亲核加成反应，其次是中间产物受热消除PhPO,生成烯烃。 -Ph3P CHOROHCPh3PRCH2Ph3PROCHR+ Ph3PO消除在实践中知，多种亚甲化三苯磷都同多种醛酮反应得到烯烃。 R3P=CR1R2+CR3R4OOR1R2R3PC=CR3R4+第49页/共57页磷叶立德（ylide） 磷叶立德是碳负离子内鎓盐,结构为： 特征:含有一个半极性键。由于磷原子具有低能量的3d空轨道，而-碳上又具有孤电子对的p轨道，因此可以产生d-p共轭，分散-碳上负电荷，使分子趋于稳定-R3PCR1R2-R3PCR1R2R3P CR1R2第50页/共57页1) Wittig试剂的制备。多用碱作用于相应的磷盐而制得。三芳基(或烷基)膦与卤化物(-碳上至少要有一个氢原子)作用则得季磷盐。季磷盐在有机溶剂中和碱存在下，分解成Wittig 试剂。ylen (共价型) ylid (离子型) -Ph3P+ R1R2CHXPh3PCR1R2X碱Ph3PCR1R2CR1R2Ph3P第51页/共57页 磷叶立德，可将其分为三类： 稳定的磷叶