第十一章 碳杂重键的加成

Ph3C-Na+
O H H 3C C C CH 3 CH 3 O C C O CH 2CH3 CH 3
两种
O
不同
酯
O
仅一个含 α-氢
O
(1) NaOC2H5 (2) H+
O
(60%)
COC2H5 + CH3C OC2H5
CCH2C OC2H5
O CH2COC2H5 +
(1) NaOC 2H5 C2H5OCOC2H5 (2) H+
Et Et Et Et
C O
HCN
Et2COH CN Et2COH SO3Na
K=38 K=4× 10-4
C O
NaHSO3
三. 亲核加成反应的实例
对于羰基的亲核加成反应， 碳负离子作为进攻试 剂，亲核性最强，这里予以着重介绍。
1. 羟醛缩合反应
醛或酮的a-碳原子加到另一份子醛或酮的羰基碳原子 上的反应称为羟醛缩合反应。
第十一章 碳杂重键的加成
除了
C C
+
C O
+
C
N
+
C
S
+
C
N
均可与亲核试剂发生加成反应。 当亲电试剂首先进攻时,则亲电试剂先进攻杂原子 当亲核试剂首先进攻时,则亲核试剂先进攻碳原子
一、羰基的亲核加成反应机理：
O 慢 碱催化： A C B A C B Nu Nu OH O H A C B 或E+ A C B Nu Nu
3. 反应实例
（1） 酯的水解
O R C O R'
酰氧键 的断裂
烷氧基的 断裂 无论是酸催化还是碱催化， 一般发生酰氧键断裂。
反应机理： 酸催化：
OH RCOOR' H
快
R C OR'
H2O (慢)
OH R C OR' OH2
+
OH R C OR' O H H
OH R C O OH
R' H
RCOOH + R'OH + H
Ph3P C R2 Ph3P CH2

膦的内鎓盐
Ph3P CHR (RO)3P CHR
膦的叶立德 (ylide)
(n-Bu)3P CHR
Wittig 试剂与羰基发生亲核加成反应，生成烯烃：
C O Ph3P C R R' C C R R'
1) 反应机理
C O + Ph3P
CR2
C O
C O R2C PPห้องสมุดไป่ตู้3
O
反应机理： 第一步
O CH3 COEt
NaOC2H5 C2H5OH
O CH2 COEt
O CH2 COEt
第二步：
O O O O + OC2H5 O CH3 C OEt CH2 COEt O CH3 COEt + CH2 COEt CH3 C CH2 COEt
含一个α-氢原子的酯缩合反应
H O CH3C COCH2CH3 CH3
R C R' O X R X C R' C Y
+
H2 C Y
Cat.
+
H2O
X, Y = -CHO, COR'', COOH, COOR'', CN, NO2, SO2OR'', CONHR''等
常用的催化剂有吡啶、哌啶、二乙胺及其羧酸盐，以 及强氧化钠、碳酸钠及其盐类。
C 3H 7 C H O
不 还
原
还
原 NaBH4 的选择 性强
与LiAlH4的反应机理
AlH3Li H H3C CH3 H3C CH3 O
H
OAlH3Li
LiH3Al
O
CH(CH3)2
(CH3) 2CO
LiH2Al[O
CH(CH3) 2]2
(CH3)2CO
LiHAl[O
CH(CH3)2]3
(CH3) 2CO
LiAl[O
CH(CH3)2]4
RO- 比ROH 不易离去
碱催化：
O RC OR'
OH
慢
O R C OR' OH
RCOOH R'O
RCOO + R'OH
羧酸根离子的生成，使碱催化下的酯水解反应不可逆； 但酸催化的酯水解反应可逆。
若R’O －中的C原子是三级碳原子时，在酸催化时， 发生烷氧键断裂：
OH RCOOCR3 H R C O CR3 OH R C O + CR3
1. 反应机理
H R L C O Nu H Nu C R L O
Nu C O R HL
L: 离去基团 加成－消除反应
Nu R
C O + HL
在Nu上引入酰基的反应
2. 反应活性
作为酰基化试剂，其活性为：
RCOCl>RCOSR'>(RCO)2O>RCOOR>RCONH2
X: 具有-I效应，C－Cl键的极性大。 酯中烷氧基具有+C效应，增大了酰基与烷氧基间 的电子云密度，使酰氧键难于断裂。 酰胺中的NH2的+C、+I效应，使羰基的反应活性 降低。 酸酐中的酰基是吸电子基团，使酰氧键易于断裂， 酸酐的反应活性比酯大。
(65%)
O
O COC2H5 CH COC2H5 O
含α－氢的醛、酮、腈都能与酯发生缩合反应。 一般选用无α－氢的酯作为底物：
O HCOOEt
NaH H3O
O CHO
分子内也能发生酯缩合反应－Dieckmann反应：
H2 C H2 C O COOC2 H 5 COOC2 H 5 H COOC2H5
C > N > O > X
如：
试剂的亲核性依次减弱
CH3 > NH2 > OH
② 试剂的可极化度越大，则利于亲核加成反应的进 行。
CH3CHO + H 2O CH3CHO + HCN CH3CH(OH)2 CH3CHOH CN K≈ 1 K≈ 104
③ 空间效应 具有较小体积的亲核试剂，利于反应进行。
CH3CHO + CH3CHO
OH
O CH3CHCH2C H OH
羟醛缩合反应为可逆反应，该反应可以被碱催化，常用 OH-和RO-。 反应机理
O HOH + O CH2 CH O CH2 CH
Step 1
Step 2
HO + H CH2CH
烯醇负离子
O CH3CH O CH2 CH CH2
O
O
O
CH3CHCH2CH
+
H 2C COOC2 H5
(CH3)3COK/(CH3)3COH
C 6H 5
H 2C
COOC2 H 5
HC
COOC2 H5
+
H 2C COOC2 H 5
(CH3) 3CO- K+ H 2C C 6H 5 C C 6H 5 O COOC2 H5
+
(CH 3)3COH
C 2 H5 O C 6H 5 C C 6H 5 H C CH 2 C 6 H5 O C 6 H5 C O C
当Y:
C C, C C, Ph
时，基团具有+C效应，
羰基活性降低。
CH3CHO
PhCHO
HCN
OH H C CN CH3
OH H C CN Ph
K>10
4
HCN
K=210
当连有含有-I或-C基团时，有利于反应的进行。
Cl
OH H2O Cl3C C CCl3CHO OH H
Cl C Cl H C H O O H
+
RNH2
base
R C R' C
X
R C
NR
Y
R'
H C
X
反应机理： （2）类羟醛缩合机理：一般认为反应在极性溶剂中， 按此机理。
X H2C Y R C R' O R
BHC
X
+ BH
Y R
+
H+
R'
C
OH R'
C
OH
R C R' C
X
R C R' Y
OH
R
OH C
BC X R'
H C Y
X
Y
四. 羧酸衍生物与亲核试剂的反应
R
C O: R'(H)
R, Ar
ZCH2
C O, R'(H)
Z: OH, OR, NR2
对于
O C C C
, 试剂只与羰基作用。
CHO Ph3PCHCH3 COOCH2CH3
CH
CHCH3 Ph3P O
COOCH2CH3
O
Ph3P COHCH3
COHCH3
3. Knoevenagel 反应
活泼亚甲基化合物在胺类或其羧酸盐的催化下，与醛、 酮作用发生缩合，生成a,b-不饱和化合物的反应。
H2O
HO CR3
-H
H2O CR3
由于含有三级碳原子基团的空间效应，使得水分子难 于进攻羰基，同时也不利于质子转移。
（2） Claisen 酯缩合反应及相关反应
两个酯分子至少有一个酯分子是含有α－氢，在强碱 的作用下，相互缩合成β－羰基酯。
－OC2H5 CH3COC2H5
O
2
O CH3CCH2COC2H5
烯醇进攻质子化的羰基
OH CH3C CH2 CH3 C OH CH3 O H CH3 -H2O, -H CH3C CH C OH2 CH3 O CH3 CH3CCH CCH3
酮的缩合反应常在酸催化下进行。
2. Wittig 反应
醛或酮用磷叶立德处理得到烯烃的反应称为Wittig反 应。 Wittig 试剂：
Step 3
O CH
OH HOH
△
O
O
OH
OH-
CH 3CHCH 2CH
CH 3CHCH 2CH
碱催化利于醛的缩合，而 不利于酮的缩合。
O
CH 3CH = CHCH
酸催化：
O CH3CCH3 + H Cl OH CH3C CH2 H + Cl
-HCl
OH CH3C CH2
羰基质子化及烯醇的生成
CH3 CH3C CH2 + C OH CH3 OH OH CH3C CH2 CH3 C OH CH3
C O
甜菜碱
C O R2C PPh3
R2C PPh3
C + PPh3 R R
氧膦环丁烷中间体
三苯基氧膦是非常稳定的，反应向右进行。
Wittig 试剂是膦盐在强碱的作用下制备的：
Ph3P + X CH R R'
X
Ph3P CH R R'
Bu-Li
Ph3P C R R'
Wittig 反应应用范围很广。
K>1
C O
HCN
C
K<<1
Nu
R R'
C
O
R R'
C
O Nu
sp2杂化 平面三角型
键角：120° 109°28 ′ 产物中基团拥挤程度增大。
sp3杂化 四面体
R 越大，妨碍Nu:从背后进攻C原子。且R越大，产物 的拥挤程度越大，越不稳定。
2. 试剂的亲核性
① 对于同一羰基化合物，试剂的亲核性越强，反应 的平衡常数越大。
C2 H5 O O C CH 2 O
H C
COOC2 H5
COOC2 H 5
- C2H5OC 6H 5 C C 6H 5 H C CH 2 C 6H 5 O C 6H 5 C O (CH3) 3CO-K + C CH 2 C COOC2 H5 O
C
O
COOC2 H5
C6 H5 C C6 H5 C
C 6H 5 CH 2COOH
δ
δ
是亲核试剂进攻碳原子这一步,故它们都是亲核加成反 应。
二. 羰基加成反应的活性
1. 底物 (1) 电子效应
Y
C O
当羰基与具有+I或+C的基团直接相连时，由于增加了 中心碳原子的电子云密度，故使反应活性降低。
HCHO > RCHO > RCOCH3 > RCOR > C6H5COR
反应活性取决于羰基的中心碳原子带有正电荷的多少。
H 2C H 2C
(1) C2H5ONa, C6H6, (2) H+
80oC
（3）Stobbe反应 丁二酸酯或a-羟基丁二酸酯在碱的催化下，与羰基 化合物缩合，生成亚甲基丁二酸单酯的反应。
C 6H 5 C C 6H 5 O
H 2C
COOC2 H5
C 6H 5
COOC 2H 5 C C CH 2COOH
① 试剂进攻羰基上C原子，生成氧负离子的一步 是决定反应速率的一步。 ② 为使亲核试剂的负电荷裸露出来，增加亲核性， 常需碱催化： HNu + B Nu + HB
O
酸催化：
A C B O
A C B + H Nu OH
H A
-A
A C OH
+
B
A C OH
Nu
A
B
Nu H A C B OH
A C B + HA OH
羰基质子化，可以提高羰基的反应活性， 羰基质子化后，氧上带有正电荷，很不稳定， π电子发生转移，使碳原子带有正电荷。 决定反应速率的一步，是Nu -进攻中心碳原子的 一步。
酸除了活化羰基外，还能与羰基形成氢键：
C O H Cl
δ
δ
都使羰基活化。
质子性溶剂也起到同样作用：
C O H Sol
不论是酸还是碱催化的反应,控制反应速度的一步都
① Cl3C 是强吸电子基团，使羰基带有更多的正电荷； ② 产物中形成分子内氢键，使产物稳定，平衡向右移 动。
(2) 空间效应
与羰基相连的基团空间效应越大，越不利于反应进行。
CH3 CH3CH2
(CH3)3 (CH3)3
C
O
HCN
OH CH3 C CH3CH2 CN
(CH3)3 (CH3)3 OH CN
COCH3
NH
C3H 7 C C
COCH 3
+
H2C COOC 2H 5 H
COOC2H5
CN O
+
NCCH2COOC2H5
C COOC2 H 5
反应机理： （1）亚胺中间体机理：一般认为在伯胺、仲胺催化下 按此机理进行。
R C R' O R NH 2R C O R' R' X H 2C Y R C OH R' X HC Y NHR R C NR
O C
H+
C 6H 5
C CH 2
O
COOC2 H5
C COOC2 H5
五. 金属氢化物与羰基的加成反应
络合金属氢化物： 负氢的给予体
LiAlH4 NaBH4
O C H O C R O C Cl O C OR' O C OH C C C C
还原 NaBH4 不
LiAlH4 还原
LiAlH4的 还原反应 通常在醚 中进行