中山大學(xué)有機化學(xué)課件第13章

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1、,第十三章羰基化合物的親核加成和取代反應(yīng)Nucleophilic Additions and Substit-utions of Carbonyl Compounds,本章主要內(nèi)容,一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性 二、羰基的親核加成 1. 概述 2. 含O, S親核試劑 3. 含N親核試劑 4. 含C親核試劑 5. a, b 不飽和羰基的親核加成 三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),,一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性,1. 羰基的結(jié)構(gòu)特點 羰基是一個不飽和極性共價鍵，受氧的吸電子作用影響，羰基中碳原子帶部分正電荷，容易接受親核試劑的進攻，發(fā)生親核加成反應(yīng)。,,一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性,2. 各種含

2、羰基的化合物 (1) Class I ---醛和酮 主要發(fā)生親核加成反應(yīng) (2) Class II ---羧酸及其衍生物,主要發(fā)生親核取代反應(yīng),,一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性,3. 發(fā)生在羰基上反應(yīng)的類型（親核反應(yīng)）,,一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性,4. 親核反應(yīng)活性 --- 醛和酮,烷基給電子作用,,一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性,4. 親核反應(yīng)活性 --- 醛和酮,空間位阻影響,,一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性,4. 親核反應(yīng)活性---羧酸衍生物,,酰鹵 酸酐 醛 酮 羧酸 酯 酰胺,取決于與羰基相連的基團的電子效應(yīng),,二、羰基的親核加成,1. Introduction (1) Nucleophiles 負(fù)離

3、子親核試劑（堿性條件）： OH、OR、SR、H、CN、CCR、 CR3（M-R） 中性分子親核試劑（中性或酸性條件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2,,二、羰基的親核加成,1. Introduction (2) Mechanism,,堿性條件下,酸性條件下,,+,二、羰基的親核加成,1. Introduction (3) Stereochemistry,非手性條件下，得外消旋體,,二、羰基的親核加成,1. Introduction (3) Stereochemistry,手性條件下，有立體選擇性，遵循Cram法則： 羰基上的 R 基團與大的基團 (L) 呈重疊式構(gòu)

4、象，羰基氧則處于中等基團 (M) 與較小基團 (S) 中間，親核試劑從小的基團這一方進攻為主要進攻方向。,,二、羰基的親核加成,2. 含O, S親核試劑 包括H2O, ROH, RSH和NaHSO3。可逆反應(yīng)。 (1) H2O（水合反應(yīng)）,酸堿催化, 加快反應(yīng)達(dá)到平衡, 但不會影響平衡移動。,,,(1) H2O,IR中無C=O吸收峰,羰基連有吸電子基團的容易形成水合物,二、羰基的親核加成,2. 含O, S親核試劑 (2) ROH 酸催化: 固體酸，如TsOH（對甲基苯磺酸） 無水酸，如干燥HCl氣體,半縮醛,半縮酮,縮醛,縮酮,,(2) ROH 可逆反應(yīng)，通過油水分離器不斷除去反應(yīng)過

5、程中形成的水，使反應(yīng)完全。 縮醛和縮酮在堿性條件下穩(wěn)定，酸性水溶液中加熱又回復(fù)到醛、酮。因此，可利用這一反應(yīng)保護醛酮的羰基。,(2) ROH 羰基的保護，例1,2. 含O, S親核試劑 (2) ROH 羰基的保護，例2,,,,二、羰基的親核加成,2. 含O, S親核試劑 (3) RSH,,Summary: 羰基還原成亞甲基的方法,酸性條件,堿性條件,中性條件,二、羰基的親核加成,2. 含O, S親核試劑 (4) NaHSO3 產(chǎn)物為鹽，溶于水，用于將醛酮與其他不溶于水的有機物分開 脂肪甲基酮和環(huán)酮易發(fā)生反應(yīng)(位阻影響活性),,,二、羰基的親核加成,3. 含N親核試劑 (1) RNH2 and

6、NH2Z 相當(dāng)于羰基氧被氮所取代，形成亞胺 (imine),,,,二、羰基的親核加成,3. 含N親核試劑 (1) RNH2 and NH2Z 經(jīng)歷親核加成和脫水兩個步驟。,,,二、羰基的親核加成,3. 含N親核試劑 (1) RNH2 and NH2Z 可逆，經(jīng)酸水解可得回醛酮。 含N親核試劑不同，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和名稱也各不相同，見下表。,,,(1) RNH2 and NH2Z,表13-1 氨基衍生物與醛酮加成反應(yīng),,,,,,,,,,二、羰基的親核加成,3. 含N親核試劑 (2) R2NH 經(jīng)歷親核加成和脫水兩個步驟 脫水發(fā)生在羰基的a-C上，形成烯胺(enamine),,(2) R2NH,思考題：

7、寫出2-甲基環(huán)己酮與仲胺反應(yīng)的產(chǎn)物,二、羰基的親核加成,3. 含N親核試劑 (2) R2NH 反應(yīng)可逆，經(jīng)酸水解可得回醛酮。,醛酮可以通過烯胺進行-烷基化和-?；磻?yīng)，合成上應(yīng)用廣泛（見第十四章）,,二、羰基的親核加成,4. 含C親核試劑 (1) CN,,,,二、羰基的親核加成,4. 含C親核試劑 (2) CCR,,,二、羰基的親核加成,4. 含C親核試劑 (3) 有機金屬試劑 格氏試劑、有機鋰試劑等 廣泛用于合成各級醇及羧酸等有機物 格氏試劑的應(yīng)用---由醛酮合成各級醇,,,格氏試劑的應(yīng)用---由羧酸衍生物合成醇,格氏試劑的應(yīng)用---其他,格氏試劑的應(yīng)用總覽,,低溫和空間位阻作用以及使用不

8、活潑的金屬試劑可能將反應(yīng)控制在酮的階段,,格氏試劑的應(yīng)用---由醛酮合成各級醇,二、羰基的親核加成,4. 含C親核試劑 (4) Ylide試劑 Ylide 試劑是一類化合物，其中兩個相鄰原子具有完整的八隅體電子構(gòu)型，而這兩個原子卻分別帶有不同的電荷，典型的ylide 試劑有磷ylide試劑（ phosphonium ylide）：,,磷Ylide試劑的形成,二、羰基的親核加成,4. 含C親核試劑 (4) Ylide試劑,,Wittig反應(yīng) 醛酮與磷ylide反應(yīng)形成烯烴,三苯基氧磷,Wittig反應(yīng) ---雙鍵的形成位置是確定的，（與E2反應(yīng)不同） 具有一定的立體選擇性,,順反烯烴的生成受

9、條件和Ylide試劑的結(jié)構(gòu)、活性等影響很大,Wittig reaction mechanism,,氧磷四員環(huán)中間體,The use of Wittig reaction in industry,b -胡蘿卜素,羰基親核加成小結(jié),2. 含O, S親核試劑,4. 含C親核試劑 ---- C-C鍵的形成,(4) Ylide試劑,(3) 有機金屬試劑,(2) CCR,(1) CN,3. 含N親核試劑,(1) RNH2 and NH2Z,包括H2O, ROH, RSH 和NaHSO3,1. 概述 ---- 結(jié)構(gòu)、機理、反應(yīng)活性、立體化學(xué),(2) R2NH,羰基的保護,醛酮的分離純化,亞胺及其衍生物的形成

10、,,烯胺的形成,,-羥基腈、-羥基酸和-氨基醇,,炔醇,,C=C,,,,各級醇、醛酮,,,例題與習(xí)題 反應(yīng)活性,1. 下列化合物用氫化鋁鋰（LiAlH4）還原時活性最高的是 A、丙酰胺 B、丙酸酯 C、丙酮 2. 下列化合物發(fā)生水解反應(yīng)的速率最快的是,C,C,例題與習(xí)題 反應(yīng)活性,3. 下列羰基化合物中最容易生成水合物的是 A、乙醛 B、三氟乙醛 C、丙酮 4. 下列化合物中-氫 (紅色) 酸性最弱的是,B,B,5. 下列化合物中- 氫 (紅色) pKa值最小的是 6. Listing the following esters in order of decreas

11、ing reactivity towards hydrolysis (水解),A,例題與習(xí)題 反應(yīng)活性,b a d c,Solution of problem 6 Acidity decreasing in the following order Relative basicities of the conjugated bases increasing in the following order and the reactivity decreasing,例題與習(xí)題 反應(yīng)活性,例題與習(xí)題 試劑反應(yīng)特點,1. 與化合物A主要發(fā)生1,2-親核加成的試劑是 2.

12、 可以將酮羰基還原成亞甲基的方法是 A、鋅汞齊鹽酸 B、硼氫化鈉（NaBH4） C、催化氫化,C,A,例題與習(xí)題 試劑反應(yīng)特點,3. 能與化合物A發(fā)生親核加成的試劑有(多選)： 4. 下列反應(yīng)可以在堿性條件下進行的是 A、用羧酸和醇合成酯 B、縮醛的水解 C、酯的水解,C,B,C,D,例題與習(xí)題 試劑反應(yīng)特點,,,5、格氏試劑的制備和使用通常在以下哪種溶劑中進行： A. ethyl ether B. THF C. DMSO D. DMF E. acetone,A,B,二、羰基的親核加成,5. , 不飽和羰基的親核加成 Both 1,2-addi

13、tion and 1,4-addition can happen, they are also called as direct addition (直接加成) and conjugated addition（共軛加成）,1,2,3,4,4,,1,2-addition,1,4-addition,二、羰基的親核加成,影響 1,2- 和 1,4- 加成的因素: 親核試劑的堿性和空間位阻。 (1) 親核試劑的堿性 Nucleophiles that are strong bases, such as RLi and LiAlH4, tend to form direct addition produ

14、cts. Nucleophiles that are relatively weak bases, such as CN, amines, thiols, and X, usually form conjugated addition products.,,影響 1,2- 和 1,4- 加成的因素: (1) 親核試劑的堿性 Explanation: --- Direct addition is irreversible (不可逆, strong base) or reversible (可逆, weak base). --- Conjugated addition is irreversibl

15、e.,(1) 親核試劑的堿性,,,強堿 --- 1,2-加成,(1) 親核試劑的堿性,,,弱堿 --- 1,4-加成,影響 1,2- 和1,4- 加成的因素 (2) 空間位阻,,,二、羰基的親核加成,,,二、羰基的親核加成,影響 1,2-和1,4-加成的因素 (2) 空間位阻,,,,,,1. Mechanism for nucleophilic substitution,,三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),堿性條件,酸性條件,三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),2. Reaction activity The weaker the base, the better it is as a lea

16、ving group The less basic the substituent (Y), the more reactive the carboxylic acid derivative,,強堿容易取代弱堿,三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),2. Reaction activity 堿性強弱順序為： X < RCOO < RO HO < R2N 反應(yīng)活性順序為：,,三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),2. Reaction activity For a carboxylic acid derivative to undergo a nucleophilic acyl substitutio

17、n reaction, the incoming nucleophile must not be a much weaker base than the group that is to be replaced. A carboxylic acid derivative can be converted into a less reactive carboxylic acid derivative, but not into one that is more reactive.,,強堿容易取代弱堿,高活性的羧酸衍生物可以轉(zhuǎn)變成低活性的,三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),The R- and H

18、- in aldehydes and ketones, are the strongest base, so, they cannot take place the nucleophilic substitution reaction. Acyl halide and acid anhydrides are not found in nature because of their high reactivity,2. Reaction activity,,三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),3. Interconvertion of carboxylic acid derivatives (1

19、) hydrolysis(水解) 有時水解反應(yīng)是要避免的反應(yīng),,三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),3. Interconvertion of carboxylic acid derivatives (2) Alcoholysis (醇解) and aminolysis (氨解),,,H+,4. Preparation of acyl halide,,,,三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),5. Preparation of acid anhydride,,,羧酸衍生物的相互轉(zhuǎn)化,***,本章主要內(nèi)容,一、羰基的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性 二、羰基的親核加成 1. 概述

20、 2. 含O, S親核試劑 3. 含N親核試劑 4. 含C親核試劑 5. a, b 不飽和羰基的親核加成 三、羧酸及其衍生物的親核取代反應(yīng),,例題與習(xí)題 完成反應(yīng),請在括號中填上必要的試劑或反應(yīng)條件，或?qū)懗龇磻?yīng)的主要產(chǎn)物，必要時，請表示出產(chǎn)物的立體構(gòu)型。,例題與習(xí)題 完成反應(yīng),請在括號中填上必要的試劑或反應(yīng)條件，或?qū)懗龇磻?yīng)的主要產(chǎn)物，必要時，請表示出產(chǎn)物的立體構(gòu)型。,例題與習(xí)題 完成反應(yīng),例題與習(xí)題 合成,1.,,,,需要進行羰基保護,除特別指出的原料外，可以使用苯、甲苯、四個或四個以下碳原子的原料及必要的無機試劑,例題與習(xí)題

21、 合成,2.,,,,,,例題與習(xí)題 合成,3. 布魯芬（Brufen）可以抗風(fēng)濕病。請從乙苯出發(fā)合成它。,,,,,,例題與習(xí)題 合成,4. 從茶兒酚（鄰苯二酚）出發(fā)合成化合物A，這是生物堿合成中的一個重要中間體,,具體合成路線請同學(xué)們自己完成,,,,,例題與習(xí)題 合成,5. 環(huán)狀化合物的合成方法總匯 ---- 內(nèi)酯,親核取代,例題與習(xí)題 合成,5. 環(huán)狀化合物的合成方法總匯 ---- 含氮雜環(huán),親核取代,例題與習(xí)題 合成,5. 環(huán)狀化合物的合成方法總匯 ---- 含氮雜環(huán),還原氨化,例題與習(xí)題 合成,5. 環(huán)狀化合物的合成方法總匯 ---- 苯并環(huán)酮,F-C?；?例題與習(xí)題 合成,5. 環(huán)狀化合物的合成方法總匯 ---- 環(huán)醚,Williamson醚合成法,親核加成取代,例題與習(xí)題 機理分析,同位素示蹤在反應(yīng)機理的研究中起到十分重要的作用，請給出以下反應(yīng)的機理,例題與習(xí)題 機理分析,