第三章 官能团的导入、除去、互换及保护

1、 1.官能团的导入、除去、互换及保护官能团的导入、除去、互换及保护 2.官能团的转换官能团的转换 3.官能团的保护官能团的保护一、饱和碳原子上的官能团的导入一、饱和碳原子上的官能团的导入1、饱和烃的卤代反应、饱和烃的卤代反应1）其共价键都为）其共价键都为键，键，键能大键能大C-H 390435KJ/mol C-C 345.6KJ/mol （2）分子中的）分子中的共价键不易极化共价键不易极化 （电负性差别小（电负性差别小C2.5， H2.2）卤素的相对反应活性：卤素的相对反应活性： 氟氟 氯氯 溴溴 碘。碘。氢的相对活性为：氢的相对活性为：3oH 2oH 1oH 溴代反应的选择性好，在有机合成中

2、比氯带更有用。溴代反应的选择性好，在有机合成中比氯带更有用。有良好选择性的氯代试剂：硫酰氯，亚硫酰氯，有良好选择性的氯代试剂：硫酰氯，亚硫酰氯，N-氯化物等，氯化物等，例如：例如：2、烯烃、烷基芳烃的、烯烃、烷基芳烃的-卤代反应卤代反应（1）-H（烯丙氢）的反应（烯丙氢）的反应 -H由于受由于受C=C的影响，的影响，C-H键离解能减弱，故键离解能减弱，故- H比其它比其它类型的氢易起反应，反应条件为高温或光照。类型的氢易起反应，反应条件为高温或光照。 其活性顺序为：其活性顺序为： - H（烯丙氢）（烯丙氢） 3oH 2oH 1oH 乙烯乙烯H 常用的溴代试剂常用的溴代试剂:N-溴代丁二酰亚胺（

3、溴代丁二酰亚胺（NBS），）， N-溴代乙酰溴代乙酰胺（胺（NBA），），N-溴代邻苯二甲酰亚胺（溴代邻苯二甲酰亚胺（NBP），）， N-溴代二苯酮溴代二苯酮亚胺（亚胺（Ph2C=NBr），三氯甲烷磺酰溴（），三氯甲烷磺酰溴（Cl3CSO2Br）等。）等。b.b.未端烯烃或隔离双键二烯烃可发生重排，得到混合物未端烯烃或隔离双键二烯烃可发生重排，得到混合物a. 直链或支链只在烯丙位发生溴代反应直链或支链只在烯丙位发生溴代反应环烯烃与环烯烃与1同，也可能发生加成或消除生成芳烃。同，也可能发生加成或消除生成芳烃。c. 当分子中含有两种不同的当分子中含有两种不同的-H，仲氢比伯氢易取代，仲氢比伯氢易取

4、代d. NBS同样可用于烷基芳烃的同样可用于烷基芳烃的-溴代溴代3、羰基化合物的、羰基化合物的-卤代反应卤代反应反应条件：反应条件：a. 酸催化卤代酸催化卤代 （一卤代产物）（一卤代产物）b. 碱催化卤代碱催化卤代 醛、酮的醛、酮的-H易被卤素取代生成易被卤素取代生成-卤代醛、酮，特别卤代醛、酮，特别是在碱溶液中，反应能很顺利的进行。是在碱溶液中，反应能很顺利的进行。反应机理：反应机理：反应机理：反应机理：反应机理：亲电取代机理反应机理：亲电取代机理-H反应活性：酰卤、酸酐、腈、丙二酸及其酯反应活性：酰卤、酸酐、腈、丙二酸及其酯羧酸及其酯羧酸及其酯 如何提高羧酸及其酯如何提高羧酸及其酯-H反应

5、活性？反应活性？a卤代烃脱卤化氢卤代烃脱卤化氢 （1）消除反应引入）消除反应引入 反应活性与规律：反应活性与规律： 2o、3o RX脱卤化氢时，遵守扎依采夫脱卤化氢时，遵守扎依采夫 (Sayzeff) 规则规则-即主要产物是生成双键碳上连接烃基最多的烯烃。即主要产物是生成双键碳上连接烃基最多的烯烃。例如：例如： E2主要为反式（共平面）消除主要为反式（共平面）消除E1没有明显规律，在立体化学上没有空间定向性没有明显规律，在立体化学上没有空间定向性CCC =CLH顺式消除顺式消除顺式共平面顺式共平面CCC =CLH反式共平面反式共平面反式消除反式消除如：如：CH C6H5BrCH3CHC6H5C

6、6H5CH=C C6H5CH3NaOH25C H OH*反应物有二个手性碳原子，因此有二对对映异构体：反应物有二个手性碳原子，因此有二对对映异构体：C6H5C6H5HHCH3BrC6H5C6H5HHCH3BrC6H5C6H5HHCH3BrC6H5C6H5HHCH3Br赤式异构体赤式异构体苏式异构体苏式异构体-HBr-HBr顺式（顺式（Z构型构型）反式（反式（E构型构型）C = CCH3C6H5C6H5HC = CCH3C6H5C6H5HC6H5C6H5HHCH3BrHHC6H5C6H5BrCH3HHC6H5C6H5BrCH3C=CC6H5C6H5CH3H（赤式）（赤式）C6H5C6H5HHCH

7、3BrHHC6H5C6H5BrCH3HHC6H5C6H5BrCH3C=CC6H5C6H5CH3H（苏式）（苏式）XRHHHR/RH-R/而而不不是是RHR/ClHCH(CH3)2HH3CHHHH3CClCH(CH3)2HHHHHClCH(CH3)2H3C转环转环CH(CH3)2H3CE2-HClClHCH(CH3)2HH3CHHHHHHClCH(CH3)2H3CE2-HClCH(CH3)2H3CHHCH(CH3)2H3CH+75%25%C2H5BrCH3CH2CH2BrCH3CHCH2BrCH3 99%1%91%9%40%60%例例 外外 强碱作用下才以消除反应为主强碱作用下才以消除反应为主

8、某些含活泼某些含活泼-H化合物以消除反应为主化合物以消除反应为主 -C上连有支链时消除倾向增大上连有支链时消除倾向增大rCH2CH2B如：如：CH=CH2H2ONaOH消除消除取代取代b醇脱水醇脱水常用的脱水剂有酸（硫酸，磷酸，草酸等）、酸性氧化物常用的脱水剂有酸（硫酸，磷酸，草酸等）、酸性氧化物（P2O5等）、碱（如等）、碱（如KOH）、盐（如）、盐（如KHSO4， NaHSO4 ）。）。醇的脱水反应活性：醇的脱水反应活性： 3o R-OH 2o R-OH 1o R-OH醇脱水反应的特点：醇脱水反应的特点：1）主要生成札依采夫烯，例如：）主要生成札依采夫烯，例如：2）用硫酸催化脱水时，有重排

9、产物生成。）用硫酸催化脱水时，有重排产物生成。 CH3CCHCH3CH3CH3OHCH2=CH3CCHCH3CH3Al2O3气 相+H2O主要产物( )c季铵盐及其碱的热解季铵盐及其碱的热解 季铵碱在季铵碱在100-200 oC下分解生成烯烃，称为下分解生成烯烃，称为Hofmann消除反消除反应。消除取向是生成双键上取代基较少的烯烃。应。消除取向是生成双键上取代基较少的烯烃。消除过程中，消除过程中，通常通常-氢子的酸性起主要作用。氢子的酸性起主要作用。E2 消除消除(反式共平面消除反式共平面消除)的立体选择性的立体选择性d d羧酸酯、黄原酸酯、氧化叔胺的热解羧酸酯、黄原酸酯、氧化叔胺的热解1）

10、 羧酸酯的热消除羧酸酯的热消除 反应条件：常用气相法，于反应条件：常用气相法，于300-500 oC高温下进行，无需其高温下进行，无需其它反应试剂和溶剂。它反应试剂和溶剂。 反应特点：反应特点：1o 产物为取代基较少的产物为取代基较少的hofmann烯烃，顺式消除；烯烃，顺式消除；2o 一般不发生异构重排等副反应。一般不发生异构重排等副反应。PhCHCHOCCH3D PhO赤赤型型OCOHCH3PhDPhHPhHDPh(主主) )OCOHCH3PhDPhHPhHPhH(痕痕量量) )2 2）磺原酸酯的的热消除）磺原酸酯的的热消除楚加耶夫反应楚加耶夫反应优点：优点：热解温度较低热解温度较低(10

11、0-200 oC)，无异构化和重排产物生成；，无异构化和重排产物生成；缺点：多步合成黄原酸酯，热解时掺杂含硫杂质。缺点：多步合成黄原酸酯，热解时掺杂含硫杂质。 此反应与羧酸酯的热解相似，也为顺式消除，通常首先此反应与羧酸酯的热解相似，也为顺式消除，通常首先制备黄原酸酯，然后将其直接或在惰性溶剂中加热。制备黄原酸酯，然后将其直接或在惰性溶剂中加热。3）氧化叔胺的热解）氧化叔胺的热解 Cope 反应反应叔胺经叔胺经H2O2氧化生成的氧化叔胺受热分解称为氧化生成的氧化叔胺受热分解称为Cope反应。反应。反应温度较低反应温度较低(120-150 oC)，主产物为，主产物为hofmann烯烃。烯烃。 此

12、反应操作简便，无异构化产物。脂环族氧化胺热解反此反应操作简便，无异构化产物。脂环族氧化胺热解反应专一，五元环、七元环形成环内双键，而六元环形成环外应专一，五元环、七元环形成环内双键，而六元环形成环外双键。双键。 邻二卤化物在金属邻二卤化物在金属Mg或或Zn在醋酸或乙醇中作用，烃脱去在醋酸或乙醇中作用，烃脱去X2，生成烯烃。，生成烯烃。 用二价钛或二价铬亦可脱卤素。用二价钛或二价铬亦可脱卤素。 硝基甲烷的共轭碱同样是脱卤素的有效试剂。硝基甲烷的共轭碱同样是脱卤素的有效试剂。（2） 通过还原反应、偶联反应、缩合反应导入碳碳双键通过还原反应、偶联反应、缩合反应导入碳碳双键a. 还原反应还原反应 炔烃

13、、烯胺、腙、稀醚、烯醇酯等多种化合物均可借助炔烃、烯胺、腙、稀醚、烯醇酯等多种化合物均可借助还原反应生成烯烃。还原反应生成烯烃。 Lindlar催化剂：催化剂： Pd-BaSO4 / 喹啉，喹啉，Pd-CaCO3 / 醋酸铅，醋酸铅，可使炔烃部分氢化生成顺式烯烃。可使炔烃部分氢化生成顺式烯烃。 硼化镍硼化镍B-Ni（P-2型）与乙二胺一起用，可使炔烃部分氢化型）与乙二胺一起用，可使炔烃部分氢化生成顺式烯烃。生成顺式烯烃。 在钯催化剂存在下，硅烷也可将炔烃还原为顺式烯烃。在钯催化剂存在下，硅烷也可将炔烃还原为顺式烯烃。 可溶金属液氨法可将炔烃还原为反式烯烃。可溶金属液氨法可将炔烃还原为反式烯烃。

14、 用氢化锂铝可将炔烃还原为反式烯烃。用氢化锂铝可将炔烃还原为反式烯烃。 烯胺在氢化锂铝烯胺在氢化锂铝- -三氯化铝或氢化铝存在下还原脱胺生成烯烃。三氯化铝或氢化铝存在下还原脱胺生成烯烃。烯醇醚或烯醇酯也可以还原为烯烃。烯醇醚或烯醇酯也可以还原为烯烃。 卤代烷与有机金属化合物作用是合成烯烃的重要方法，卤代烷与有机金属化合物作用是合成烯烃的重要方法，为增长碳链的反应。为增长碳链的反应。 常用的有机金属化合物有：有机镁、有机锂、有机铜等。常用的有机金属化合物有：有机镁、有机锂、有机铜等。i) 四卤化碳四卤化碳机理：二卤卡宾机理：二卤卡宾产物：生成双键位于中心的具有奇数碳原子的非末端烯烃产物：生成双键

15、位于中心的具有奇数碳原子的非末端烯烃卤代物：二氟二溴甲烷或三氟溴甲烷卤代物：二氟二溴甲烷或三氟溴甲烷有机镁与烯丙型卤代烃顺利反应，生成末端烯烃。有机镁与烯丙型卤代烃顺利反应，生成末端烯烃。有机镁化合物与乙烯基卤化物也可发生偶联反应，但产率有机镁化合物与乙烯基卤化物也可发生偶联反应，但产率不高，然而在三氯化铁存在下可顺利反应。不高，然而在三氯化铁存在下可顺利反应。乙烯基卤化镁与卤代烃作用，也可用来合成烯烃。乙烯基卤化镁与卤代烃作用，也可用来合成烯烃。特点：乙烯基型卤代烃可以顺利反应特点：乙烯基型卤代烃可以顺利反应立体选择性：构型保持立体选择性：构型保持二甲基铜锂也可以与烯醇三氟甲磺酸酯偶联。二甲

16、基铜锂也可以与烯醇三氟甲磺酸酯偶联。 有机锂化合物也可以与卤代烃发生偶联，得到双键构型保有机锂化合物也可以与卤代烃发生偶联，得到双键构型保持不变的产物。持不变的产物。但烯丙基锂化合物不能用烯丙基卤化物与金属锂直接作用。但烯丙基锂化合物不能用烯丙基卤化物与金属锂直接作用。 在四甲基乙二胺（在四甲基乙二胺（TMEDA）中，用相应的烯烃与丁基锂作）中，用相应的烯烃与丁基锂作用可得相应的烯丙基锂络合物，再和卤代烷、苄基卤、烯丙型用可得相应的烯丙基锂络合物，再和卤代烷、苄基卤、烯丙型卤代物偶联，合成末端烯烃。卤代物偶联，合成末端烯烃。c 缩合反应缩合反应wittig（维狄希）反应（维狄希）反应炔烃在用碱

17、处理时，会发生碳碳三键的位置异构。炔烃在用碱处理时，会发生碳碳三键的位置异构。a. 二卤代烷脱卤化氢二卤代烷脱卤化氢二卤代烷包括：邻二卤代烷二卤代烷包括：邻二卤代烷(RCHXCHXR)，同碳二卤代烷，同碳二卤代烷(RCX2CH2R)，乙烯基卤代物。，乙烯基卤代物。常用的碱：常用的碱：NaOH(KOH)/EtOH, RONa(ROK)/EtOH, NaNH2/NH3等等。1、炔键的导入、炔键的导入（1）通过消除反应导入碳碳叁键）通过消除反应导入碳碳叁键 邻二卤代烷脱卤化氢时，不受邻二卤代烷脱卤化氢时，不受 分子中分子中-OR、-NO2、NR2等等官能团的影响。官能团的影响。 乙烯式卤代烃脱卤化氢

18、需要在强碱存在下方可生成炔烃。乙烯式卤代烃脱卤化氢需要在强碱存在下方可生成炔烃。b. -二酮的脱氧二酮的脱氧c. -氯代醚的消除氯代醚的消除-氯代醚用强碱处理可生成炔醇，且具有良好的产率。氯代醚用强碱处理可生成炔醇，且具有良好的产率。d. 酰基叶立德的热分解酰基叶立德的热分解反应是由酰卤或酸酐合成增加碳原子炔类化合物的好方法。反应是由酰卤或酸酐合成增加碳原子炔类化合物的好方法。（2）通过烃化反应引入碳碳三键）通过烃化反应引入碳碳三键 利用炔化物（炔钠、炔锂、缺铜、炔铝）与卤代烃反应，利用炔化物（炔钠、炔锂、缺铜、炔铝）与卤代烃反应，是合成增长碳链炔烃的重要方法。是合成增长碳链炔烃的重要方法。a

19、. 炔钠与卤代烃的反应炔钠与卤代烃的反应若用硫酸二甲酯或二乙酯，则可导入甲基或乙基。若用硫酸二甲酯或二乙酯，则可导入甲基或乙基。b. 炔锂与卤代烃的反应炔锂与卤代烃的反应 末端炔的合成常用乙炔锂先与乙二胺反应生成稳定的络合物，末端炔的合成常用乙炔锂先与乙二胺反应生成稳定的络合物， 再与溴代烷在再与溴代烷在DMSO或或DMF反应得到高产率末端炔烃。反应得到高产率末端炔烃。 当分子中有当分子中有-OH、-SH、-NHR等基团时，该反应仍可顺利进行。等基团时，该反应仍可顺利进行。炔锂与有机硼烷的反应，继而用碘处理，用来合成高支链炔烃。炔锂与有机硼烷的反应，继而用碘处理，用来合成高支链炔烃。c. 炔铜

20、与卤代烃的反应炔铜与卤代烃的反应 炔铜可与芳卤、乙烯基卤发生反应，广泛用于芳基炔和共炔铜可与芳卤、乙烯基卤发生反应，广泛用于芳基炔和共轭炔烃的合成。轭炔烃的合成。d. 其他金属烃化物的烃化其他金属烃化物的烃化e. 炔烃在过渡金属催化下的烃化炔烃在过渡金属催化下的烃化（3）偶联反应）偶联反应a. 炔烃的氧化偶联反应炔烃的氧化偶联反应Glaser Reaction 乙炔亚铜在空气中发生氧化偶联生成乙炔亚铜在空气中发生氧化偶联生成1，3-丁二炔类化丁二炔类化合物，合成对称二炔的重要方法。合物，合成对称二炔的重要方法。反应是通过游离基进行的：反应是通过游离基进行的：在亚铜盐催化下，炔基三甲基硅烷能发生

21、脱硅基偶联。在亚铜盐催化下，炔基三甲基硅烷能发生脱硅基偶联。b. 炔烃与卤代烃的偶联炔烃与卤代烃的偶联 在碱及亚铜盐的存在下，末端炔烃可与在碱及亚铜盐的存在下，末端炔烃可与1-卤卤-1-炔烃发炔烃发生交叉偶联，以较好产率生成不对称二炔烃。生交叉偶联，以较好产率生成不对称二炔烃。机理：经过炔铜，偶联后放出亚铜机理：经过炔铜，偶联后放出亚铜2、炔烃的官能团化、炔烃的官能团化强活化强活化中等活中等活化化弱活化弱活化弱钝化弱钝化强钝化强钝化中等钝中等钝化化钝化苯环钝化苯环活化苯环活化苯环间定位基间定位基（钝化苯环）（钝化苯环） 邻对位定位基邻对位定位基O-NR2NH2OHORNHCORCH3CH(CH

22、3)2C(CH3)3ArCH=CH2(H)（H）CH2ClFClBrINO2CNSO3HCHOCOCH3COOHCOORCONH2CH2NO2CX3NH3N(CH3)3常见取代基的定位作用常见取代基的定位作用5、简单杂环化合物的官能团化（自学）、简单杂环化合物的官能团化（自学）一、羟基一、羟基二、二、 氨基氨基三、卤素三、卤素四、硝基与氰基四、硝基与氰基五、羰基五、羰基H2OOH六、羧基六、羧基保护基应满足下列三点要求：保护基应满足下列三点要求： a. 它容易引入所要保护的分子它容易引入所要保护的分子(温和条件温和条件)，且能定量反应；，且能定量反应； b. 它与被保护基形成的结构能够经受住所

23、要发生的反应的条件它与被保护基形成的结构能够经受住所要发生的反应的条件; c. 它可以在不损及分子其余部分的条件下定量除去（温和条件）它可以在不损及分子其余部分的条件下定量除去（温和条件）; d. 保护基解除后应与原化合物容易分离。保护基解除后应与原化合物容易分离。 在一些例子中，第三条可以放宽，允许保护基被直接转变为另在一些例子中，第三条可以放宽，允许保护基被直接转变为另一种官能团。一种官能团。（1）醚类衍生物）醚类衍生物a. 形成甲醚类形成甲醚类 ROCH3保护基保护基保护基容易引入，常用硫酸二甲酯，碘甲烷等；保护基容易引入，常用硫酸二甲酯，碘甲烷等；对酸碱氧化剂或还原剂均稳定；对酸碱氧化

24、剂或还原剂均稳定；常用脱去剂常用脱去剂BCl3，BBr3、Me3SiI等。等。b. 三甲基硅醚三甲基硅醚 ROSi(CH3)3及其他硅醚的保护基及其他硅醚的保护基c. 形成苄醚形成苄醚 ROCH2Ph 优点：脱去条件较为温和（中性条下室温催化氢解，或优点：脱去条件较为温和（中性条下室温催化氢解，或用金属钠或锂在液氨中还原断开）。用金属钠或锂在液氨中还原断开）。适用条件：碱性条件下稳定，对氧化剂、适用条件：碱性条件下稳定，对氧化剂、LiAlH4与弱酸稳定。与弱酸稳定。三苯基甲醚三苯基甲醚 (ROCPh3) 优点：可以选择性的与多元醇的伯羟基反应。优点：可以选择性的与多元醇的伯羟基反应。(2) 羧

25、酸酯衍生物羧酸酯衍生物a. 醋酸酯醋酸酯ROCOCH3保护基保护基保护范围：对保护范围：对CrO3/Py氧化剂稳定；氧化剂稳定；酰化选择性：位阻小的反应，选择伯仲醇；酰化选择性：位阻小的反应，选择伯仲醇；脱去乙酸酯保护基：皂化反应水解；脱去乙酸酯保护基：皂化反应水解；缺点：与大多数的还原剂作用，在强碱中也不稳定，因此缺点：与大多数的还原剂作用，在强碱中也不稳定，因此很少用作有效的保护基团。很少用作有效的保护基团。b. 卤代酸酯保护基卤代酸酯保护基保护基的解除：在碱性条件下或胺类化合物中进行。保护基的解除：在碱性条件下或胺类化合物中进行。 卤代酸酯衍生物指卤代酸酯衍生物指ClCH2COOR, C

26、l2CHCOOR, Cl3CCOOR, F3CCOOR等，可由酰卤、酸酐和具有羟基的等，可由酰卤、酸酐和具有羟基的化合物制备。化合物制备。（3）缩醛或缩酮类衍生物）缩醛或缩酮类衍生物a. 形成四氢吡喃醚形成四氢吡喃醚 ROTHP 四氢吡喃醚从结构上看相当于一个混合的缩醛，由醇与四氢吡喃醚从结构上看相当于一个混合的缩醛，由醇与2,3-二氢二氢-4H-吡喃在酸催化下加成制得。吡喃在酸催化下加成制得。b. 缩醛或缩酮保护基缩醛或缩酮保护基 如丙酮在酸催化下与顺式如丙酮在酸催化下与顺式1,2二醇反应，苯甲醛往往在氯二醇反应，苯甲醛往往在氯化锌存在下与化锌存在下与1,3二醇反应。二醇反应。 缩醛和缩酮在中性和碱性条件下稳定，因此，假如反应可以碱性条缩醛和缩酮在中性和碱性条件下稳定，因此，假如反应可以碱性条件下进行，则它们在烷基化，酰基化，氧化和还原时用于保护二醇。件下进行，则它们在烷基化，酰基化，氧化和还原时用于保护二醇。二醇可用稀酸处理