第5章碳杂键的形成
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第五章
碳杂键的形成
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
碳氧键的形成 碳硫键的形成 碳氮键的形成 碳硅键的形成 碳磷键的形成
5.1 碳氧键的形成 1. 卤代烃与醇钠、酚钠反应
Williamson醚合成法，用于合成混合醚: 甲基叔丁基醚的合成：
( CH3 )3 C O CH3
( CH3 )3 CONa + CH3Br
(79%) (79%)
硫酸二烷基酯、原甲酸乙酯、氯亚硫酸酯（ROSOCl〕是 常用的O-烃化试剂：
CH 3
CH3(CH2)3OSOCl
CH 3
CH3
COONa 70%
CH3
COO(CH 2)3CH 3
CH 3
CH 3
4. 醇、酸与环氧化合物加成 环氧化合物与醇反应生成醚：
( CH ( CH )2 C 3 )2 3C O O CH CH 2 2
6. 醇与烯烃、炔烃加成 醇与烯烃或炔烃发生加成反应，可形成C－O键：
NaOCH 3 3 NaOCH
CH + CH2 = = CHCOOCH3 3OH CH 3OH + CH 2 CHCOOCH 3
CH 3OCH 2CH 2COOCH 3 3 CH 3OCH 2CH 2COOCH
(91%) (91%)
羧酸酯也可以由卤代烷与羧酸在叔胺存在下合成：
C6 C H HCH C H H COOH (2 C H H)5 )3N 65 5 CH 2Cl 2Cl+ +C6 65 5COOH+ +( C 25 3N
二甲苯 二甲苯
o o 148 148 -167 -167
.HCl C6 C H H COOCH C H H5+ +(C (C H )3 )3.N HCl 65 5COOCH 2C 26 65 2H 25 5N
亲核加成：
CH == CHCN CH CHCN + + CH CH 22 3CH 2SH 3CH 2SH NaOH NaOH CH CH CH 3 2SCH 2CH 2CN 3CH 2SCH 2CH 2CN
自由基加成：
HH ++ ClCl SH SH ROOR ROOR
SC 6H5 SC 6H5 ClCl HH HH
H2 O
H2 O
CH2CH 2NHOCR CH CH2NH2 CH2CH2RCON NH2 H2 O 2 RCON N CH2CH OH 22 CH CH2OH CH CH OH
2 2
+
CH2CH2NHOCR HN CH2CH2NHOCR CH2CH2OH + HN CH2CH2OH
H2 O
H2 O
H +H +
( CH ( CH )2 C 3 )2 3C + + O O H H
CH CH 2 2
CHCH 3OH 3OH - H- H
+ +
( CH ( CH )2 CCH 3 )2 3 CCH 2OH 2OH OCH OCH 3 3
与羧酸反应生成酯：
( CH ( CH )2 C 3 )2 3C OO CH CH 2 2
醇醇 水溶液 -水溶液 SS
+ +2 NaBr 2 NaBr
二硫化钠与卤代烃反应生成二硫化物 ：
2 HO ( CH2 )3Cl
+
K2S2
60℃
HO ( CH2 )3 SS ( CH2 )3OH
二卤代烃与二硫醇在碱的作用下偶合环化 :
Br SH
+
Br SH
NaOH
hvÍ
S
S
( EtO )3 P
75％
H2
+
HN
CH2CH2NHOCR CH2CH2OH
N R
H2 O
H
N CH2CH2OH
ClCH2 COONa NaOH
N R
+
N CH2COO
CH2CH2OH
2-烷基-1-羟乙基-2-咪唑啉（90％）
咪唑啉乙酸盐两性表面活性剂
2. 卤代烃的氨解 例1： 吗啉衍生物的合成：
HN O
C16 H3 3 Br
水溶性四氮杂环蕃分 子中的两个苯环和亚 甲基可以形成疏水的 空腔.
Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66)
Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66) and most probable inclusion complex geometry(B),
6. 烯、炔与胺的加成 通常要在催化剂的存在下，同时在较高温度和 压力下才能进行。
参考文献：
1、有机合成，黄宪编，高等教育出版社，1992年第一版. 2、有机合成讲义，许杏祥编，中科院上海有机所，1998年. 3、现代有机合成化学，吴毓林等编，科学出版社，2001年. 4、新编有机合成化学，黄宪等编，化学工业出版社，2003年, 第一版. 5、现代杂环化学选论，史真著，陕西科技出版社，1998年.
例1：
KOH DMSO RCl
CH3CONHC6H5
CH 3CONC6H5 K
CH3CONC6H5 R
( 90 - 98%)
例2：四氮杂环蕃(Cyclophane)化合物的合成：
NH2
TsCl
NH Ts
Br(CH2)nBr DMF, K2CO3
NH2
NH Ts
Ts
N (CH2)n N
Ts
C6H5OH HBr(48%)
5.2 碳硫键的形成 1. 硫化物的烃化 硫醇（酚）盐与卤代烷反应：
RSNa + CH3CH2Br RSCH2CH3
SNa
+ CH3CH2Br
SCH2CH3
DMF SNa + Br 120℃ S
硫化钠与二卤代烷反应，生成环硫醚：
BrCH BrCH 2CH 2CH 2CH 2CH 2CH 2CH 2Br 2Br + +NaNa 2S 2S
(C) with naphthalene as representative substrate for pseudoequatorial inclusion.
5. 醇的氨解
例如: 二甲基十二烷基胺的制备
C12H25OH + HN(CH3)2 H2 / CuO-Cr2O3 220 - 240℃ C12H25N(CH3)2 ( 93 - 96%)
苯甲硫醚
苯硫甲基锂
DABCO: 1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷
苯硫甲基锂与酮的反应：
H O H O OCOP OCOP h h H 1. PhSCH Li / THF 1. PhSCH THF 2Li / 2 2. BuLi / (PhCO) 2. BuLi / (PhCO) 2O 2O CH3 CH3
H +H +
( CH ( CH )2 C 3 )2 3C + + OO HH
CH CH 2 2
CHCH 3COOH 3COOH - H- H
+ +
( CH ( CH )2 CCH 3 )2 3 CCH 2OH 2OH OCOCH OCOCH 3 3
5. 醇、酚分子间脱水
ROH
+
R
OH2
ROR
+
H3O
HH 2O 2O
CH == CHNO HSO CH CHNO Na HSO 3CH 2 2 + + Na 33 3CH
CH CH 3 CHCH 2NO 22 3 CHCH 2NO SO SO 3Na 3Na
( 70-80% )) ( 70-80%
不饱和碳原子上连有吸电子基团时，反应容易进行。
Байду номын сангаас
5.3 碳氮键的形成
RONa RONa
++
R' OTs R' OTs
ROR' ROR'
3. 卤代烃与羧酸盐反应
卤代烃与羧酸盐反应可以得到羧酸酯：
o o DMF, 90 -100 DMF, 90 -100
CHCH CH Br COOK ( CH )3Br + +CH CH 3(3 2 )32 3 3COOK
(95-98%) H3 C ( CH OCOCH H C( CH )3OCOCH 2 )32 3 3 (95-98%) 3
H Li / NH3 CH2
H
CH2SPh CH2SPh
CH3 CH3
( 64% )
CH3
亚砜作合成中间体： 亚砜负离子的烃化反应：
亚砜负离子是强的亲核试剂。
亚砜负离子的酰化反应：
β-羰基亚砜
制备甲基酮
制备各种取代酮
2. 硫醇与不饱和烃的加成
硫醇与不饱和烃的加成可按亲电、亲核、自由基三种机理进行。
在非质子溶剂中：
CH(CH3)2 OH CH(CH3)2 + Cl NO2
KOH / DMSO 90
O
CH(CH3)2 O CH(CH3)2 NO2
( 75% )
非质子极性溶剂：N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、
六甲基磷酰胺(HMPA)等。 以二甲基亚砜(DMSO)的结构为例：
C16 H 33
N
O
( CH3 )2 SO4
C16 H 33 CH 3
N
+
O CH3 SO 4
十六烷基吗啉的硫酸酯盐
用长链伯胺和双(2-氯乙基)醚作原料：
ClCH2 CH 2 O ClCH2 CH 2
C16 H 33 NH2
+
C16 H33
N
O
3. 酰胺的N-烃化
酰胺的碱金属盐可与卤代烃或硫酸酯发生烃化反应， 生成烃基酰胺。
CH CH CH CH 22CH 2 CH nn n OCOCH OCOCH OCOCH 33 3
醋酸乙烯酯
8. 汞化反应
烯烃的羟汞化-脱汞反应：
用醇作溶剂：
选用不同的醇作溶剂，可得到不同的醚：
CH3 1) ( CH3COO )2Hg , (CH3)3COH 2) NaBH4 , OH -
CH3 OC(CH3)3
CH3
M . . . O
S CH3
B
质子溶剂中：
ROH . . . B
室温
例：
CH3I
+
Cl
H C3Cl
+
I
溶剂： 甲醇 DMF
反应速度 1 1.2×106
2. 硫酸酯或磺酸酯与醇钠、酚钠反应
RONa RONa + + ( CH ( CH )2 SO 3 )2 4 4 3 SO
ROCH ROCH 3 3
94-99%
生成反马氏规则的加成产物，反式加成。
3. 硫醇与醛酮的加成
硫代缩醛作反应中间体：极性反转
生成的碳负离子能与多种亲电试剂反应， 是个隐蔽的酰基负离子。
烃化反应：
与环氧化合物反应：
酰化反应：
酰化产物水解生成二羰基衍生物。
与羰基化合物反应：
提供了α-羟基酮的合成法。
4. 亚硫酸氢钠与烯烃或炔烃加成
7. 酸与烯烃、炔烃加成
在酸性催化剂的存在下，羧酸可以与烯炔发生加成 反应生成酯，形成C－O键。
CaCO3
CH3 COOH Hg , Hg CH CH3 COOH , ,Hg 3 COOH
CaO
C
CaC2
H2 O
HC
CH
CH =CH CH CH CH 22= 2 = CH OCOCH OCOCH OCOCH 33 3
H H N (CH2)n N
Ts
N (CH2)n N
Ts
N (CH2)n N H H ( CPn n )
采用高度稀释技术;
两步产率34.8%
大环环蕃是人类模拟酶研究过程中发现的一类新化合物.
酶催化反应具有极高的效率和高度的选择性。酶催化作用 的模拟，是一个富有挑战性的研究领域，激发着化学家尤其是 生物有机化学家浓厚的兴趣。
N －酰化反应。 CH2CH 1. 氨或胺的酰化 制备酰胺的重要方法，也叫 H2 O 2NH2 CH2CH2NH2 HO
RCOOH + 2 HN CH2CH2NH2 例1：咪唑啉衍生物的合成： RCOOH + HN CH2CH2OH CH2CH2OH CH2CH2OH RCOOH + HN CH CH CH2 CH NHOCR 22 2NH2 + RCON CH2CH2NH HN 2 CH CH OH RCON CH2CH 22OH 2 CH2CH2OH
二硫杂环蕃
[2.2](1,4)环蕃
多桥联的硫杂环蕃的合成：
HSCH2
CH 2 SH +
BrCH 2
CH 2 Br
S
Cs2 CO3 DMF
S
HSCH 2
CH 2 SH
BrCH2
CH2 Br
S
S
硫醚作反应中间体：
苯硫甲基锂的烃化反应：
PhSCH3 BuLi / DABCD THF PhSCH2Li n-C10H21Br n - C10H21CH2SPh
加入冠醚：
CH3CH ( CH )5Br + 3 (2CH 2 )5Br + CH CH 3COONa 3COONa
18-冠 18-6,冠 CH -6, CH3CN 3CN 25o, 150h 25o, 150h
(100%) H3 C(H CH C(2CH )5OCOCH 3 2 )5OCOCH 3 3(100%)
碳杂键的形成
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
碳氧键的形成 碳硫键的形成 碳氮键的形成 碳硅键的形成 碳磷键的形成
5.1 碳氧键的形成 1. 卤代烃与醇钠、酚钠反应
Williamson醚合成法，用于合成混合醚: 甲基叔丁基醚的合成：
( CH3 )3 C O CH3
( CH3 )3 CONa + CH3Br
(79%) (79%)
硫酸二烷基酯、原甲酸乙酯、氯亚硫酸酯（ROSOCl〕是 常用的O-烃化试剂：
CH 3
CH3(CH2)3OSOCl
CH 3
CH3
COONa 70%
CH3
COO(CH 2)3CH 3
CH 3
CH 3
4. 醇、酸与环氧化合物加成 环氧化合物与醇反应生成醚：
( CH ( CH )2 C 3 )2 3C O O CH CH 2 2
6. 醇与烯烃、炔烃加成 醇与烯烃或炔烃发生加成反应，可形成C－O键：
NaOCH 3 3 NaOCH
CH + CH2 = = CHCOOCH3 3OH CH 3OH + CH 2 CHCOOCH 3
CH 3OCH 2CH 2COOCH 3 3 CH 3OCH 2CH 2COOCH
(91%) (91%)
羧酸酯也可以由卤代烷与羧酸在叔胺存在下合成：
C6 C H HCH C H H COOH (2 C H H)5 )3N 65 5 CH 2Cl 2Cl+ +C6 65 5COOH+ +( C 25 3N
二甲苯 二甲苯
o o 148 148 -167 -167
.HCl C6 C H H COOCH C H H5+ +(C (C H )3 )3.N HCl 65 5COOCH 2C 26 65 2H 25 5N
亲核加成：
CH == CHCN CH CHCN + + CH CH 22 3CH 2SH 3CH 2SH NaOH NaOH CH CH CH 3 2SCH 2CH 2CN 3CH 2SCH 2CH 2CN
自由基加成：
HH ++ ClCl SH SH ROOR ROOR
SC 6H5 SC 6H5 ClCl HH HH
H2 O
H2 O
CH2CH 2NHOCR CH CH2NH2 CH2CH2RCON NH2 H2 O 2 RCON N CH2CH OH 22 CH CH2OH CH CH OH
2 2
+
CH2CH2NHOCR HN CH2CH2NHOCR CH2CH2OH + HN CH2CH2OH
H2 O
H2 O
H +H +
( CH ( CH )2 C 3 )2 3C + + O O H H
CH CH 2 2
CHCH 3OH 3OH - H- H
+ +
( CH ( CH )2 CCH 3 )2 3 CCH 2OH 2OH OCH OCH 3 3
与羧酸反应生成酯：
( CH ( CH )2 C 3 )2 3C OO CH CH 2 2
醇醇 水溶液 -水溶液 SS
+ +2 NaBr 2 NaBr
二硫化钠与卤代烃反应生成二硫化物 ：
2 HO ( CH2 )3Cl
+
K2S2
60℃
HO ( CH2 )3 SS ( CH2 )3OH
二卤代烃与二硫醇在碱的作用下偶合环化 :
Br SH
+
Br SH
NaOH
hvÍ
S
S
( EtO )3 P
75％
H2
+
HN
CH2CH2NHOCR CH2CH2OH
N R
H2 O
H
N CH2CH2OH
ClCH2 COONa NaOH
N R
+
N CH2COO
CH2CH2OH
2-烷基-1-羟乙基-2-咪唑啉（90％）
咪唑啉乙酸盐两性表面活性剂
2. 卤代烃的氨解 例1： 吗啉衍生物的合成：
HN O
C16 H3 3 Br
水溶性四氮杂环蕃分 子中的两个苯环和亚 甲基可以形成疏水的 空腔.
Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66)
Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66) and most probable inclusion complex geometry(B),
6. 烯、炔与胺的加成 通常要在催化剂的存在下，同时在较高温度和 压力下才能进行。
参考文献：
1、有机合成，黄宪编，高等教育出版社，1992年第一版. 2、有机合成讲义，许杏祥编，中科院上海有机所，1998年. 3、现代有机合成化学，吴毓林等编，科学出版社，2001年. 4、新编有机合成化学，黄宪等编，化学工业出版社，2003年, 第一版. 5、现代杂环化学选论，史真著，陕西科技出版社，1998年.
例1：
KOH DMSO RCl
CH3CONHC6H5
CH 3CONC6H5 K
CH3CONC6H5 R
( 90 - 98%)
例2：四氮杂环蕃(Cyclophane)化合物的合成：
NH2
TsCl
NH Ts
Br(CH2)nBr DMF, K2CO3
NH2
NH Ts
Ts
N (CH2)n N
Ts
C6H5OH HBr(48%)
5.2 碳硫键的形成 1. 硫化物的烃化 硫醇（酚）盐与卤代烷反应：
RSNa + CH3CH2Br RSCH2CH3
SNa
+ CH3CH2Br
SCH2CH3
DMF SNa + Br 120℃ S
硫化钠与二卤代烷反应，生成环硫醚：
BrCH BrCH 2CH 2CH 2CH 2CH 2CH 2CH 2Br 2Br + +NaNa 2S 2S
(C) with naphthalene as representative substrate for pseudoequatorial inclusion.
5. 醇的氨解
例如: 二甲基十二烷基胺的制备
C12H25OH + HN(CH3)2 H2 / CuO-Cr2O3 220 - 240℃ C12H25N(CH3)2 ( 93 - 96%)
苯甲硫醚
苯硫甲基锂
DABCO: 1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷
苯硫甲基锂与酮的反应：
H O H O OCOP OCOP h h H 1. PhSCH Li / THF 1. PhSCH THF 2Li / 2 2. BuLi / (PhCO) 2. BuLi / (PhCO) 2O 2O CH3 CH3
H +H +
( CH ( CH )2 C 3 )2 3C + + OO HH
CH CH 2 2
CHCH 3COOH 3COOH - H- H
+ +
( CH ( CH )2 CCH 3 )2 3 CCH 2OH 2OH OCOCH OCOCH 3 3
5. 醇、酚分子间脱水
ROH
+
R
OH2
ROR
+
H3O
HH 2O 2O
CH == CHNO HSO CH CHNO Na HSO 3CH 2 2 + + Na 33 3CH
CH CH 3 CHCH 2NO 22 3 CHCH 2NO SO SO 3Na 3Na
( 70-80% )) ( 70-80%
不饱和碳原子上连有吸电子基团时，反应容易进行。
Байду номын сангаас
5.3 碳氮键的形成
RONa RONa
++
R' OTs R' OTs
ROR' ROR'
3. 卤代烃与羧酸盐反应
卤代烃与羧酸盐反应可以得到羧酸酯：
o o DMF, 90 -100 DMF, 90 -100
CHCH CH Br COOK ( CH )3Br + +CH CH 3(3 2 )32 3 3COOK
(95-98%) H3 C ( CH OCOCH H C( CH )3OCOCH 2 )32 3 3 (95-98%) 3
H Li / NH3 CH2
H
CH2SPh CH2SPh
CH3 CH3
( 64% )
CH3
亚砜作合成中间体： 亚砜负离子的烃化反应：
亚砜负离子是强的亲核试剂。
亚砜负离子的酰化反应：
β-羰基亚砜
制备甲基酮
制备各种取代酮
2. 硫醇与不饱和烃的加成
硫醇与不饱和烃的加成可按亲电、亲核、自由基三种机理进行。
在非质子溶剂中：
CH(CH3)2 OH CH(CH3)2 + Cl NO2
KOH / DMSO 90
O
CH(CH3)2 O CH(CH3)2 NO2
( 75% )
非质子极性溶剂：N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、
六甲基磷酰胺(HMPA)等。 以二甲基亚砜(DMSO)的结构为例：
C16 H 33
N
O
( CH3 )2 SO4
C16 H 33 CH 3
N
+
O CH3 SO 4
十六烷基吗啉的硫酸酯盐
用长链伯胺和双(2-氯乙基)醚作原料：
ClCH2 CH 2 O ClCH2 CH 2
C16 H 33 NH2
+
C16 H33
N
O
3. 酰胺的N-烃化
酰胺的碱金属盐可与卤代烃或硫酸酯发生烃化反应， 生成烃基酰胺。
CH CH CH CH 22CH 2 CH nn n OCOCH OCOCH OCOCH 33 3
醋酸乙烯酯
8. 汞化反应
烯烃的羟汞化-脱汞反应：
用醇作溶剂：
选用不同的醇作溶剂，可得到不同的醚：
CH3 1) ( CH3COO )2Hg , (CH3)3COH 2) NaBH4 , OH -
CH3 OC(CH3)3
CH3
M . . . O
S CH3
B
质子溶剂中：
ROH . . . B
室温
例：
CH3I
+
Cl
H C3Cl
+
I
溶剂： 甲醇 DMF
反应速度 1 1.2×106
2. 硫酸酯或磺酸酯与醇钠、酚钠反应
RONa RONa + + ( CH ( CH )2 SO 3 )2 4 4 3 SO
ROCH ROCH 3 3
94-99%
生成反马氏规则的加成产物，反式加成。
3. 硫醇与醛酮的加成
硫代缩醛作反应中间体：极性反转
生成的碳负离子能与多种亲电试剂反应， 是个隐蔽的酰基负离子。
烃化反应：
与环氧化合物反应：
酰化反应：
酰化产物水解生成二羰基衍生物。
与羰基化合物反应：
提供了α-羟基酮的合成法。
4. 亚硫酸氢钠与烯烃或炔烃加成
7. 酸与烯烃、炔烃加成
在酸性催化剂的存在下，羧酸可以与烯炔发生加成 反应生成酯，形成C－O键。
CaCO3
CH3 COOH Hg , Hg CH CH3 COOH , ,Hg 3 COOH
CaO
C
CaC2
H2 O
HC
CH
CH =CH CH CH CH 22= 2 = CH OCOCH OCOCH OCOCH 33 3
H H N (CH2)n N
Ts
N (CH2)n N
Ts
N (CH2)n N H H ( CPn n )
采用高度稀释技术;
两步产率34.8%
大环环蕃是人类模拟酶研究过程中发现的一类新化合物.
酶催化反应具有极高的效率和高度的选择性。酶催化作用 的模拟，是一个富有挑战性的研究领域，激发着化学家尤其是 生物有机化学家浓厚的兴趣。
N －酰化反应。 CH2CH 1. 氨或胺的酰化 制备酰胺的重要方法，也叫 H2 O 2NH2 CH2CH2NH2 HO
RCOOH + 2 HN CH2CH2NH2 例1：咪唑啉衍生物的合成： RCOOH + HN CH2CH2OH CH2CH2OH CH2CH2OH RCOOH + HN CH CH CH2 CH NHOCR 22 2NH2 + RCON CH2CH2NH HN 2 CH CH OH RCON CH2CH 22OH 2 CH2CH2OH
二硫杂环蕃
[2.2](1,4)环蕃
多桥联的硫杂环蕃的合成：
HSCH2
CH 2 SH +
BrCH 2
CH 2 Br
S
Cs2 CO3 DMF
S
HSCH 2
CH 2 SH
BrCH2
CH2 Br
S
S
硫醚作反应中间体：
苯硫甲基锂的烃化反应：
PhSCH3 BuLi / DABCD THF PhSCH2Li n-C10H21Br n - C10H21CH2SPh
加入冠醚：
CH3CH ( CH )5Br + 3 (2CH 2 )5Br + CH CH 3COONa 3COONa
18-冠 18-6,冠 CH -6, CH3CN 3CN 25o, 150h 25o, 150h
(100%) H3 C(H CH C(2CH )5OCOCH 3 2 )5OCOCH 3 3(100%)