,第十三章羰基化合物的亲核加成和取代反应Nucleophilic Additions and Substit-utions of Carbonyl Compounds,本章主要内容,一、羰基的结构及反应特性 二、羰基的亲核加成 1. 概述 2. 含O, S亲核试剂 3. 含N亲核试剂 4. 含C亲核试剂 5. a, b 不饱和羰基的亲核加成 三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,一、羰基的结构及反应特性,1. 羰基的结构特点 羰基是一个不饱和极性共价键，受氧的吸电子作用影响，羰基中碳原子带部分正电荷，容易接受亲核试剂的进攻，发生亲核加成反应。,一、羰基的结构及反应特性,2. 各种含羰基的化合物 (1) Class I -醛和酮 主要发生亲核加成反应 (2) Class II -羧酸及其衍生物,主要发生亲核取代反应,一、羰基的结构及反应特性,3. 发生在羰基上反应的类型（亲核反应）,一、羰基的结构及反应特性,4. 亲核反应活性 - 醛和酮,烷基给电子作用,一、羰基的结构及反应特性,4. 亲核反应活性 - 醛和酮,空间位阻影响,一、羰基的结构及反应特性,4. 亲核反应活性-羧酸衍生物,酰卤 酸酐 醛 酮 羧酸 酯 酰胺,取决于与羰基相连的基团的电子效应,二、羰基的亲核加成,1. Introduction (1) Nucleophiles 负离子亲核试剂（碱性条件）： OH、OR、SR、H、CN、CCR、 CR3（M-R） 中性分子亲核试剂（中性或酸性条件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2,二、羰基的亲核加成,1. Introduction (2) Mechanism,碱性条件下,酸性条件下,+,二、羰基的亲核加成,1. Introduction (3) Stereochemistry,非手性条件下，得外消旋体,二、羰基的亲核加成,1. Introduction (3) Stereochemistry,手性条件下，有立体选择性，遵循Cram法则： 羰基上的 R 基团与大的基团 (L) 呈重叠式构象，羰基氧则处于中等基团 (M) 与较小基团 (S) 中间，亲核试剂从小的基团这一方进攻为主要进攻方向。,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 包括H2O, ROH, RSH和NaHSO3。可逆反应。 (1) H2O（水合反应）,酸碱催化, 加快反应达到平衡, 但不会影响平衡移动。,(1) H2O,IR中无C=O吸收峰,羰基连有吸电子基团的容易形成水合物,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 (2) ROH 酸催化: 固体酸，如TsOH（对甲基苯磺酸） 无水酸，如干燥HCl气体,半缩醛,半缩酮,缩醛,缩酮,(2) ROH 可逆反应，通过油水分离器不断除去反应过程中形成的水，使反应完全。 缩醛和缩酮在碱性条件下稳定，酸性水溶液中加热又回复到醛、酮。因此，可利用这一反应保护醛酮的羰基。,(2) ROH 羰基的保护，例1,2. 含O, S亲核试剂 (2) ROH 羰基的保护，例2,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 (3) RSH,Summary: 羰基还原成亚甲基的方法,酸性条件,碱性条件,中性条件,二、羰基的亲核加成,2. 含O, S亲核试剂 (4) NaHSO3 产物为盐，溶于水，用于将醛酮与其他不溶于水的有机物分开 脂肪甲基酮和环酮易发生反应(位阻影响活性),二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (1) RNH2 and NH2Z 相当于羰基氧被氮所取代，形成亚胺 (imine),二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (1) RNH2 and NH2Z 经历亲核加成和脱水两个步骤。,二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (1) RNH2 and NH2Z 可逆，经酸水解可得回醛酮。 含N亲核试剂不同，产物的结构和名称也各不相同，见下表。,(1) RNH2 and NH2Z,表13-1 氨基衍生物与醛酮加成反应,二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (2) R2NH 经历亲核加成和脱水两个步骤 脱水发生在羰基的a-C上，形成烯胺(enamine),(2) R2NH,思考题：写出2-甲基环己酮与仲胺反应的产物,二、羰基的亲核加成,3. 含N亲核试剂 (2) R2NH 反应可逆，经酸水解可得回醛酮。,醛酮可以通过烯胺进行-烷基化和-酰基化反应，合成上应用广泛（见第十四章）,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (1) CN,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (2) CCR,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (3) 有机金属试剂 格氏试剂、有机锂试剂等 广泛用于合成各级醇及羧酸等有机物 格氏试剂的应用-由醛酮合成各级醇,格氏试剂的应用-由羧酸衍生物合成醇,格氏试剂的应用-其他,格氏试剂的应用总览,低温和空间位阻作用以及使用不活泼的金属试剂可能将反应控制在酮的阶段,格氏试剂的应用-由醛酮合成各级醇,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (4) Ylide试剂 Ylide 试剂是一类化合物，其中两个相邻原子具有完整的八隅体电子构型，而这两个原子却分别带有不同的电荷，典型的ylide 试剂有磷ylide试剂（ phosphonium ylide）：,磷Ylide试剂的形成,二、羰基的亲核加成,4. 含C亲核试剂 (4) Ylide试剂,Wittig反应 醛酮与磷ylide反应形成烯烃,三苯基氧磷,Wittig反应 -双键的形成位置是确定的，（与E2反应不同） 具有一定的立体选择性,顺反烯烃的生成受条件和Ylide试剂的结构、活性等影响很大,Wittig reaction mechanism,氧磷四员环中间体,The use of Wittig reaction in industry,b -胡萝卜素,羰基亲核加成小结,2. 含O, S亲核试剂,4. 含C亲核试剂 - C-C键的形成,(4) Ylide试剂,(3) 有机金属试剂,(2) CCR,(1) CN,3. 含N亲核试剂,(1) RNH2 and NH2Z,包括H2O, ROH, RSH 和NaHSO3,1. 概述 - 结构、机理、反应活性、立体化学,(2) R2NH,羰基的保护,醛酮的分离纯化,亚胺及其衍生物的形成,烯胺的形成,-羟基腈、-羟基酸和-氨基醇,炔醇,C=C,各级醇、醛酮,例题与习题 反应活性,1. 下列化合物用氢化铝锂（LiAlH4）还原时活性最高的是 A、丙酰胺 B、丙酸酯 C、丙酮 2. 下列化合物发生水解反应的速率最快的是,C,C,例题与习题 反应活性,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-氢 (红色) 酸性最弱的是,B,B,5. 下列化合物中- 氢 (红色) pKa值最小的是 6. Listing the following esters in order of decreasing reactivity towards hydrolysis (水解),A,例题与习题 反应活性,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,例题与习题 反应活性,例题与习题 试剂反应特点,1. 与化合物A主要发生1,2-亲核加成的试剂是 2. 可以将酮羰基还原成亚甲基的方法是 A、锌汞齐盐酸 B、硼氢化钠（NaBH4） C、催化氢化,C,A,例题与习题 试剂反应特点,3. 能与化合物A发生亲核加成的试剂有(多选)： 4. 下列反应可以在碱性条件下进行的是 A、用羧酸和醇合成酯 B、缩醛的水解 C、酯的水解,C,B,C,D,例题与习题 试剂反应特点,5、格氏试剂的制备和使用通常在以下哪种溶剂中进行： A. ethyl ether B. THF C. DMSO D. DMF E. acetone,A,B,二、羰基的亲核加成,5. , 不饱和羰基的亲核加成 Both 1,2-addition and 1,4-addition can happen, they are also called as direct addition (直接加成) and conjugated addition（共轭加成）,1,2,3,4,4,1,2-addition,1,4-addition,二、羰基的亲核加成,影响 1,2- 和 1,4- 加成的因素: 亲核试剂的碱性和空间位阻。 (1) 亲核试剂的碱性 Nucleophiles that are strong bases, such as RLi and LiAlH4, tend to form direct addition products. Nucleophiles that are relatively weak bases, such as CN, amines, thiols, and X, usually form conjugated addition products.,影响 1,2- 和 1,4- 加成的因素: (1) 亲核试剂的碱性 Explanation: - Direct addition is irreversible (不可逆, strong base) or reversible (可逆, weak base). - Conjugated addition is irreversible.,(1) 亲核试剂的碱性,强碱 - 1,2-加成,(1) 亲核试剂的碱性,弱碱 - 1,4-加成,影响 1,2- 和1,4- 加成的因素 (2) 空间位阻,二、羰基的亲核加成,二、羰基的亲核加成,影响 1,2-和1,4-加成的因素 (2) 空间位阻,1. Mechanism for nucleophilic substitution,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,碱性条件,酸性条件,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,2. Reaction activity The weaker the base, the better it is as a leaving group The less basic the substituent (Y), the more reactive the carboxylic acid derivative,强碱容易取代弱碱,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,2. Reaction activity 碱性强弱顺序为： X RCOO RO HO R2N 反应活性顺序为：,三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应,2. Reaction activity For a carboxylic acid derivative to undergo a nucleophilic acyl substitution 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