分子生物学--醇、酚.醚.ppt

1、第十章 醇、酚、醚(Alcohols、Phenols 、Ethers),结构：,10.1 醇的分类、命名,分类 1) 依据分子中羟基的数目，一元醇、二元醇、三元醇及多元醇；,乙醇,乙二醇,丙三醇,2) 依据烃基的类别，可分为脂肪醇、芳香醇及脂环醇等；,烯丙醇,苯甲醇,环己醇,3) 依据羟基的位置，一元醇又可分为伯、仲、叔醇。,2. 命名,1-戊醇,6-甲基-2-辛醇,5-氯-3-己醇,4-(2-氯乙基）-2-庚醇,4-甲基-环己醇,10.2 醇的物理性质、化学性质,1. 物理性质,醇为何溶于水? 其bp为何比相应烷烃化合物高? -醇可以产生分子间的氢键缔合,氢键：偶极-偶极作用，一个分子的偶极

2、正端与另一分子的偶极负端间的相互作用。 用H键将醇分子结合在一起称为缔合体。能与H原子形成H键的主要有F、O和N三种原子。 H键的键能约为共价键的1/10，即6千卡/mal。,2. 化学性质,酸碱性(似水性) (1) 与金属反应,醇钠,醇钠是有机合成中引入烷氧基的试剂，同时也常用作碱性试剂，其碱性比NaOH强：,由于醇羟基中的氢的活性较水中的氢活性小的多，故醇与金属的反应要缓和的多，此性质被利用在废活泼金属的处理上。,不同结构的醇与金属的反应的反应性不同：,H2O CH3OH 1o 2o 3o 常用的试剂还有K、Mg、Al等金属的醇化物. 如,异丙醇铝是有机合成的常用还原剂. (2) 碱性,水

3、合质子,佯盐,2). 与无机酸反应,(1) 与HX反应: 生成卤代烷.,这是实验室制备卤代烷的重要方法之一。也是卤代烷水解的逆反应，是亲核取代反应。反应的速度HX的性质和醇的结构有关： HI HBr HCl 烯丙醇 叔醇 仲醇 伯醇,利用卢卡斯试剂可以区分 C6 的不同结构的醇：低级醇溶于卢卡斯试剂，而生成的卤代烷则不溶, 故使溶液浑浊。,3o 2o 1o 立即反应 片刻后反应 室温下不反应 除烯丙醇和叔醇外，与HX的反应一般按SN2机理进行。,ZnCl + HCl(浓) ，称为卢卡斯试剂,有的醇与HX反应会生成重排产物:,当伯醇或仲醇的b-碳上由二个或三个烷基或芳基时, 在酸的作用下都发生重

4、排反应. 其中间体为碳正离子，称为瓦格涅尔-麦尔外因(W-M)碳正离子重排.,重排机理:,(2)与HNO3反应: 生成硝酸酯.,多数硝酸酯受热后因能猛烈分解而爆炸，是常用的炸药, 如硝酸甘油酯等。此外还可作为医药和其它重要的化工原料. C6H11ONO2(硝酸戊酯） 柴油十六烷值增进剂 CH3ONO2(硝酸甲酯） 火箭燃料,化学科学挑战于生物学和医学,1、一氧化氮（NO）在生命体系中的作用,NO是汽车排放的废气，15年以前，人们绝不会相信它是机体组织中的一个重要生物使者 功能是导致机体的平滑肌松弛。 硝化甘油为什么能治疗心绞痛？,因为在体内分解为NO，使得紧张、收缩的心肌松弛，血液通过心脏，达

5、到挽救生命的目的。,2、伟哥（Viagra）药物的发现,由于掌握了NO在生命体系中的作 用，1998年开发了治疗常见的男性病阳 痿的药物Viagra。,Viagra的作用是在人体内分解产生的NO，导致平滑肌（海绵体）松弛，使毛细管充血扩张。,阳痿因为肌肉收缩，不能松弛，造成毛细血管不能充血,酸性酯可以进一步与醇反应生成中性酯,硫酸二甲酯,硫酸二甲酯有剧毒, 但是重要的烷基化试剂:,(3) 与H2SO4反应: 可生成酸性酯和中性酯.,硫酸氢甲酯,酸性酯是吸湿性很强的粘稠液体，高级醇的酸性酯的盐可作为表面活性剂。,磷酸酯在生命现象中有极其重要的作用.,磷酸酯,(4) 与H3PO4反应: 生成磷酸酯

6、.,3). 与卤化磷反应,亚磷酸酯,反应的选择性取决于醇的结构、试剂及实验条件: 伯醇：室温下与PCl3反应，产物以亚磷酸酯为主; 0oC, 与PBr3反应，产物以RBr为主; 叔醇：总是卤代烷；仲醇：二者兼有之. 与PCl5反应也如此:,磷酸酯,要得到纯净的氯代烃常用SOCl2:,4). 脱水反应 (1) 分子内失水,反应机理,不同结构醇的活性：3o 2o 1o 仲、叔醇的失水反应以生成扎依切夫烯烃为主：,主产物,分子间的脱水一般是按SN2反应机理进行的：,消除反应要破坏b-位的C-H 键, 须较高的能量，故高温对消除反应有利, 低温对取代反应有利，二者是竞争反应。,(2) 分子间失水,乙醚

7、,5). 氧化与脱氢反应,氧化反应是有机化学中的重要和普遍的反应。广义的讲在有机化学中加入氧或脱去氢都属于氧化反应。,醇分子中因羟基的影响，使得a-氢较活泼，容易被氧化和脱氢。 氧化: 不同结构的醇反应性不同。 伯醇:,醛,羧酸,常用的氧化剂: Na2Cr2O7, K2Cr2O7+H2SO4, CrO3+冰CH3COOH,仲醇：,酮,叔醇: 因无a-氢, 故在上述条件下不反应。但当用强氧化剂和剧烈反应条件时, 则会分裂成小分子：,己二酸,(2) 脱氢 伯醇,仲醇,叔醇分子中没有-H不发生此反应。,6). 二元醇,(1) 分类,1,2-二醇,1,3-二醇,1,4-二醇,仅讨论1,2-二醇.,(2

8、) 反应,A. 显色反应,兰色,B. 氧化反应,这是1,2-二醇特有的反应!,氧化反应被认为是顺式反应机理, 故反式二醇不发生反应。,(3) 频呐醇（四烃基乙二醇）与酸作用时可脱水生成频呐酮：,Pinacol,Pinacolone,上述反应涉及一个R基的转移过程，使碳架发生变化，也称为 频呐醇的重排。 反应过程是在酸的作用下，首先使-OH质子化，然后脱去H2O， 生成碳正离子; 再发生CH3的转移，形成新的碳正离子; 然后OH上 的H转移，生成频呐酮。,10.3、醇的制备,由烯烃制备水合、氧化、硼氢化氧化、羟汞化脱汞、羰基合成反应 由羰基化合物制备Grignard反应、与炔化物反应、还原 卤代

9、烃水解,1.由烯烃制备,特点：1.氢加到含氢较少的双键碳原子上；2.顺式加成(指H和OH加在同一边），选择性好；3.产率高；4.反应条件温和。,举例,(2）羟汞化脱汞,4）羰基合成法,2. 由羰基化合物制备,格氏试剂与环氧乙烷作用,(2) 炔化物与醛、酮反应,(3)醛、酮的还原,4、多元醇的制备,(1）烯烃氧化氧化,3.由卤代烃水解（略）,（3）其它方法,（2）醛、酮的还原,自学： 六、重要的醇,Reading Assignment,10.4 消除反应,在一定的条件下，分子中的一个离去基团和相邻碳上的氢从分子中离去，从而形成不饱和碳-碳键,离去基团 LG,1) 1,2-消除反应（-消除反应）,

10、它是从反应物相邻碳原子上消除一个原子或基团， 形成一个p键的过程。,2) 1,1-消除(a-消除)反应:,碳烯(卡宾）,从同一碳上消除二个原子或基团，形成一个只有6个电子的 活泼中间体(碳烯或称为卡宾)。,1. 1,2-消除反应的机理,1) 单分子消除反应(E1),与SN1反应一样，反应分两步进行，中间体均为碳正离子, 故取代与消除常同时发生。 卤代烃在溶剂的作用下，首先离解成碳正离子，然后再在-C上脱去一个H+，与此同时-C与-H之间的电子云也进行重新分配，转移到-C与-C原子之间，形成一个双键。,不同类型RX的相对反应活性与碳正离子稳定性顺序相同： 3苄基型 3烯丙型 2苄基型 2烯丙型

11、3 1苄基型 1烯丙型 2 1 乙烯型 卤代烃的卤素不同，进行E1反应的活性不同： RI RBr RCl RF 醇的脱水反应往往在酸性条件下，先质子化后进行，因此醇的脱水反应以E1反应为主。,E1 reaction activity,（与SN1反应相同）,（与SN1反应相同）,2) 双分子消除反应(E2):,反应中，试剂进攻b-氢原子、离去基团带着一对电子离去。键的生成和断裂是同时发生的，是一个协同反应。决速步骤涉及试剂和底物两个分子，故称为E2消除反应。 同时，反应中试剂还可以进攻a-碳原子生成取代产物. 故SN2和E2反应常同时发生。,离去基团越容易离去，则反应活性越高。 如：RI RBr

12、 RCl 进攻试剂的碱性越强，则反应活性越高。 如：HO CH3COO 反应底物卤代烃的活性为： 321,（与SN2反应相同）,（与SN2反应有所不同）,（与SN2反应相反）,E2 Reaction activity, 遵循Zaitsevs rule，生成多取代烯烃为主（稳定）。,2. 消除反应的取向,1) E1消除反应,从含氢较少的-碳上消去, 得到取代基较多的烯烃 Zaitsevs Rule,2).E2消除反应取向,E2消除反应取向,影响E2反应区域选择性的因素： (1) Base Structure（碱的结构）,碱的体积增大，多取代产物减少,(2) Structure of the Su

13、bstrates (底物的结构),影响E2反应区域选择性的因素：,当可以形成稳定的共轭烯烃， 则以形成共轭烯烃为主要产物。,Summary E2 消去反应的主要产物一般为多取代烯烃 (即遵循Zaitsevs规则)，除非： 1) 碱的体积很大 2) 氟代烃（E1cB) 3) 可形成共轭烯烃,反Zaitsevs规则,3. Stereochemistry （立体化学） anti-periplanar elimination (反式共平面消去) 占优 syn -periplanar elimination (顺式共平面消去),消去,3. Stereochemistry anti elimination

14、 is favored in an E2 reaction Stereoselectivity, example 1:,3. Stereochemistry （立体化学）,Example 2:,*,That does affect the elimination rate, and the regioselectivity,3. E2 Elimination from Cyclic Compounds,3. E2 Elimination from Cyclic Compounds,Example 1,4 消除反应与取代反应的竞争,消除反应与取代反应往往同时进行。二者产物的比例与作用物的结构、试

15、剂的性质、溶剂及温度等因素有关。 (1) 反应物的结构: (i) b-碳上无支链的伯卤代烷主要发生SN2反应；,EtONa EtOH,1). SN2/E2竞争 （高浓度、好的亲核试剂/强碱条件下） 卤代烃的反应活性: SN2 10 20 30 E2 30 20 10 10卤代烃易于取代，较少消去 但是如果进攻试剂体积大或卤代烃的碳上取代基多，则消去比率大大增加,(1). SN2/E2竞争 10 卤代烃,(2). SN2/E2竞争 20 和 30卤代烃 对于20卤代烃, 两种反应都会发生。 一般进攻试剂碱性越强，体积越大，则 发生消去反应的几率越大。 反应温度高有利于E2 30卤代烃以E2为主,

16、SN2/E2竞争 20 and 30 卤代烃,2). SN1/E1竞争 （弱的亲核试剂 /弱碱条件下） 卤代烃在SN1和E1反应中的活性顺序是一致的：30 20 10 ; RI RBr RCl 对于20和30卤代烃, 两种反应都会发生。 反应温度高有利于E1（见教材p285) 亲核试剂的碱性越弱，亲核性越强，则越有利于SN1反应的发生,Summary,E2/E1, S/E竞争问题,5.-消除与卡宾的反应,-消除：,1、卡宾的生成,-消除,2）卡宾的结构：中心碳原子外层6电子，采取什么杂化呢？,两种情况：单线态卡宾接近sp2 三线态卡宾sp,能量较高,能量较低,特点 单线态卡宾与不饱和烃发生立体

17、专一性的顺式加成；而三线态卡宾则没有立体选择性，往往得到等量顺式与反式异构体。,3）卡宾的反应：,3.1. 结构与命名 1) 结构: 酚是具有ArOH通式的化合物，其与醇的差别就是它所含的羟基直接与芳环相连。如,六氯代二酚基甲烷,10.3 酚（Phenols),注意:,苯酚 羟基连在sp2碳上,醇 羟基连在sp3碳上,而通常,烯醇式,酮式,但在酚中, 这种烯醇式却是稳定的。因为酚羟基氧上的孤电子对可与苯环发生共扼, 故酚与醇中的羟基在性质上不同，它们属两类化合物。,2) 命名,一般在“酚”字前加上芳环的名称作母体，再加上其它取代基的名称。特殊情况下也可以把羟基看作取代基。,苯酚,a-萘酚,b-

18、萘酚,邻苯二酚,对苯二酚,邻甲基苯酚,邻甲氧基苯酚,对硝基苯酚,2,4-二硝基萘酚,2. 物理性质,一般为固体，少数烷基酚为液体。 因能形成分子间氢键, 沸点都很高； 酚一般微溶于水，但苯酚能无限溶于热水。 酚有腐蚀性、能杀菌，但毒性大、污染环境。,3. 化学性质,羟基的+C -I, 故使苯环活化; C-O键因共扼而加强，O-H键结合减弱，故酸性增强。,以苯酚为例.,1) 酚羟基的反应,酸性 由于羟基氧的孤电子对与苯环共轭, 使电子云向苯环移动，从而导致O-H键的极性增强而具有酸性。 但 pKa = 10, 比H2CO3 pKa = 6.4 的酸性弱.故酚只能与强碱作用成盐:,酚钠,但,苯酚,

19、离域负离子,环己醇,定域负离子,苯酚和环己醇电离的比较,可见，酚的酸性比醇强但比碳酸弱，故,此性质可应用于酚的鉴别、分离,苯环上的不同取代基对酚的酸性有较大影响，如：,总之，环上取代基对酚的影响与取代基的电子效应密切相关。吸电子基增大酚的酸性，反之，供电子基降低酚的酸性。,(2) FeCl3显色反应,紫色,凡具有烯醇式结构的化合物都能发生这个反应，因此FeCl3常用于烯醇式结构化合物的定性鉴定.,(3) 酚醚和酚酯的生成,酚醚不能用酚直接失水制备，而须用间接方法：,苯甲醚,(CH3)2SO4,二苯醚,有些醚可用做农药,除草醚,酚一般也不能直接酯化成酯，可用酸酐、酰氯与之作用：,乙酸苯酯,or

20、CH3COCl,阿斯匹林,酚比醇易氧化,2) 氧化,苯醌,3) 芳环上的反应,卤代 苯酚在低温和非极性溶剂中与溴作用:,在苯酚的溴水溶液中加入HBr:,苯酚与溴水在中性或碱性溶液中室温下立即反应，生成白色沉淀:,2,4,6-三溴苯酚,反应极其灵敏(10 ppm)且定量完成，故常用作酚的定性检验。,白色,利用它们生成氢键性质的差异，用水汽蒸馏的方法将其分开。,苦味酸,酚与浓硝酸作用,(2) 硝化 室温下苯酚即可被稀硝酸硝化。,(3) 磺化: 苯酚很易磺化.,H2SO4,25oC,100oC,发烟 H2SO4,4 酚的制备,(1) 异丙苯氧化法,(2) 从芳卤衍生物制备,芳环上的卤素不活泼，很难水

21、解，需高温高压,但是，当卤素原子的邻位或对位有强的吸电子基时，水解反应较易进行，例如：,这是由于强吸电子硝基的存在，降低了碳-卤键的强度,(3) 磺化碱熔法,10.4 醚的结构、命名,1. 结构 醚是两个烃基通过氧原子连接起来的化合物。,与氧相连的二个烃基相同的称简单醚， 不同的则称为混合醚。,二甲醚 甲乙醚,氯甲基乙基醚,2. 命名 命名时先写出与氧相连的烃基的名称（去掉基）, 再加上“醚”字。,1-甲氧基丙烷,1-氯-1-甲氧基乙烷,2-丙氧基丁烷,3-(2-氯乙氧基）-1-丁醇,注意：,简单醚中的“二”字往往可以省略，如乙醚等; 混合醚中较小的烃基写在前面，芳基在烷基前；如,对甲基苯乙醚

22、,3) 复杂结构的醚, 可当作烃的烷氧基化合物命名；,5) 多元醚的命名,乙二醇二乙醚,乙二醇单甲醚,4) 环醚一般称为环某烷或用杂环化合物的命名法命名；,环氧乙烷,1,4-环氧丁烷 四氢呋喃,1,4-二氧六环 二恶烷,10.5 醚的性质 1. 物理性质,2. 化学性质,从化学角度讲, 醚不如醇、酚等重要。因为醚（除环醚外）是一类相当不活泼的化合物. 它对碱、氧化剂、还原剂等十分稳定, 但其稳定性不如烷烃. (1) 碱性,佯盐,络合物,(2) 醚键的断裂,加热下强酸能使醚键断裂，这是因为生成佯盐后使C-O键变弱所致.,使醚键断裂最有效的试剂是: HI, HBr; 但HCl, H2SO4不行.,

23、由于芳环与O有p-p共轭, 故总是烷氧键的断裂。因此，二芳基醚一般不会断裂。对于混合醚则一般是较小的烷基变成卤代烷。,此醚键的反应为SN2机理,大体积醚的醚键断裂，则一般按SN1机理进行。,使醚键断裂的方法在天然产物结构鉴定中十分有用。,3) 醚的自氧化反应,烷基醚在空气中放置,即会自氧化而生成过氧化物：,自氧化机理,10.6 环氧化合物,环氧化合物又称环醚, 最常见的是三环、五环和六环环醚。 三环醚与一般醚不同，是一类化学性质很活泼的化合物，而五、六环醚则比较稳定。 1. 环氧乙烷: 是最简单的环醚。,HO-H,HOCH2CH2OH,乙二醇,RO-H,ROCH2CH2OH,乙二醇单醚,NH2-H,HOCH2CH2NH2,乙醇氨,X-H,H