第四章羰基化合物的反应及碳负离子

带有α-氢的酮或醛在酸或碱的催化下发生缩合反应 生成β- 羟基醛或酮。 分为自身羟醛缩合和混合羟醛缩合。
(1)自身羟醛缩合反应举例：
OH
O CH3CHCH2C H OH
CH3CHO + CH3CHO
碱催化反应机理:
O
O
HOH + CH2 CH CH2
Step 1
HO + H CH2CH
O CH
形成烯醇负离子
H + N
ClCH2CH CH2 CH3CH2 O H2 O C H C CH3 CH2
Cl
CH2
CH2CH
CH3CH2CCHCH2CH
+
N H
+
HCl
CH3
三、羰基化合物的反应
1、羰基的亲核加成反应
机理1：
Nu A
O
C B
慢
O A C B Nu
快
H
O A C B Nu OH
A C B Nu
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。
NO2 O2N OR NO2 NO2
+
-
OR'
O2N
-
OR OR ' NO2 NO2
O2N
OR '
NO2
4）通过金属有机化合物异裂
RLi、RMgX、RC = CNa
2、结构
两种合理构型推测： ..
..
109°28′
C
sp3 杂化 棱锥型
C
sp2杂化 平面三角型
90°
举例：
碳负离子的空间构型取决于所连基团。 通常情形，棱锥型碳负离子的孤对电子处于sp3 杂化轨道上，斥力小，稳定。
C -
CH3
H3C
C
CH
C
CH3
OH -H2O
O H3C C CH2
Ph3P CH2
(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'
Georg Wittig
反应机理：
C O + Ph3P
C O C O
CR2
C O R2C PPh3
O C C + PPh3 R
R2C PPh3 R2C PPh3
氧膦环丁烷中间体
共轭碱
举例：
1）E1cb消除
.. B H-CH2-CH-CH2CH3 X E1cb CH2-CH-CH2CH3 X CH2=CH-CH2CH3
2）羰基化合物的烯醇负离子互变 在碱性条件下：
O B R-C-CH-R' O O -
R-C-CH2R'
R-C=CHR'
3）通过加成-消除的亲核芳香取代反应
-
> R3C
CH2
-
sp杂化
S成分： 50%
sp2
33.3%
sp3
25%
3）芳香性
符合休克尔规则的C- 稳定
B： R B： R -
反芳香性，反应速度慢
R
H
4n+2=6, 芳香性，反应速度快
H
R
4) 溶剂
非质子性的溶剂利于C- 的裸露
δδ+
R
M δ-
+ H
OH
-
O
δ+
HC
N
CH3 CH3
+ H R + H
..
C
C6H13 H
CH3
但对三苯甲基负离子，中心碳sp2杂化，碳负离 子呈平面型，有利于三个苯环共轭，稳定碳负 离子。
桥头碳负离子，能形成稳定的棱锥形构型。
1) CO2
Cl
..
2) H3O
+ COOH
碳负离子构型证明：
BuLi 1 CO 2
C6H12 CH CH3 I
C6H12CH CH3
2 H3O
R
产物稳定，反应向右进行。
Wittig 试剂是鏻盐在强碱的作用下制备的：
-
Ph3P + X CH R R'
BuLi + Ph3P C R R'
Ph3P CH R X
X
鏻盐
R'
离子型的内鎓盐
Wittig 反应的应用：
R
C O: R'(H)
=Ar R,
O
，
ZCH2
C O, R'(H)
Z: OH, OR, NR2
+ +
CH2
-
Ph3 P (CH3)2S
CH2 C H2
(CH3)2S PhLi
C H2 CH2
季铵盐：(CH ) N + Cl 反应活性：
(CH3)2S
+ (CH3)3 N
+
C H2 > Ph3P
-
+
-
CH2
+ > > (CH3)3 N
CH2
2) S电子成分效应
RC
C
-
> R2C
CH ≈ Ar
-
O
O CH2 CH O CH2 CH
O
O
Step 2
CH3CH
CH3CHCH2CH
Step 3
O
O HOH
OH
O
OH
CH 3CHCH 2CH
CH 3CH CH 2CH
生成的β- 羟基醛或酮很容易逆转。
可设法通过脱水使总反应进行到底。
举例：
O H3C C CH3 O O Ba(OH)2
+
CH3
H3C
Y H R L
YH Nu
S
YH= -OH, -NH2
S
举例：
HO O Ph Ph CH3 HO LiCH3 Ph Ph Li CH3 O CH3 HO HO CH3 CH3 Ph
Ph
2、Wittig 反应 （羰基与叶立德的反应） Wittig 试剂：
Ph3P C R2
Ph3P CHR (RO)3P CHR
第四章 碳负离子及羰基化合物的反应 (Carbanions and Reactions of Carbonyl Groups)
一、碳负离子的产生、结构和稳定性
1、产生
碳负离子：有机分子通过碳上失去质子形成的带负 电荷的活性中间体。 1）强碱作用下； 2）邻近有使电子离域之基团。
C H+ B
共轭酸
C + HB
去质子速度为反应速度控制步骤。
去质子活性与电子效应和空间效应有关。
O CH3CCH2CH3 O B CH3CCH2C(CH3) 3 B O CH3CCH-CH3 H3 C H3 C
O
C CH C CH3
相对速度 41.5
CH3
< 0.1
空间位阻大，去质子速度慢； 烷基取代基多，烯醇负离子稳定性好。
O R2CHC-R'
B R2 C
O C
-
O
R'
R2 C O
C
R'
O
R2 C C
R'
+
S
D
R2 C D
C
R'
（2）动力学证明
O ' R2CHC-R O
R2 C C R' 慢 反应 B O R2 C C R' R2 C O
C
R'
O
+
O
快反应 X2 R2 C X
C
R'
反应 速 度 ＝ [ R2CHC-R' ][ B - ]
对
C C C
，试剂只与羰基作用。
CHO Ph3PCHCH3
CH CHCH3 Ph3P COOCH2CH3 O
COOCH2CH3
O
H+ H2O
Ph3P CHOCH3
CHOCH3
CHO
O
O
CH2
+ Ph3P
O
CH2 H2 C
+
H2 C
3、碳负离子与羰基的反应
通式：
O
O
-
C-
+
C
C
C
1）羟醛缩合反应 (Aldol Condensation)
1、烯醇：羰基化合物可互变成酮式和烯醇式，派生出的 烯醇盐和碳负离子是羰基化合物反应的中间体。
1）碱催化
O R C B O R C CH2 -H + R' R B -
OH
C -H+ O
CH
R'
CH
R'
R
C
CH
R'
例：
O HO + H CH2CH HOH +
O
CH2 CH CH2
O CH
（1）同位素跟踪
CH
H
COOC2H5 OC2H5
CH2
COOC2H5 H5C2OOCCH2CH2
O CH2CH2COOC2H5
HCl,H2O,C2H5OH 60%
O
O CH3CH2CCHCH2CH CH3 CH2
例3：
CH3CH2CCH2CH3
O CH3CH2CCH2CH3+ N CH3CH2
+ N C
C
H
CH3
+ H O RCCHR2 + R2 'NH + H R2 'N OH C R + R2 'N C R -H+ R2 'N C R CR2 + R2 'N C R CR2 CHR2 H
CR2
O
1、
H
+
HO
N
-H2O
N
+
N H
O
N
CH3
N
CH3
2、
+
N H
+
CH3
90%
10%
H
H
H
H N
CH3
>
N
H
+ + OH H OH M OH -
非质子性溶剂，正极埋在溶剂分子内部，负极与亲核试剂的 正离子形成离子-偶极键，将亲核试剂正负离子隔开，使碳负 离子裸露，反应速度加快。 质子性溶剂使C- 溶剂化，反应速度降低。
冠醚的加入可将负离子亲核试剂裸露在外，促进反应。
O O
O + O M O O
R
-
二、烯醇和烯胺
举例：
O CH3 t-BuLi OLi CH3 OLi CH3
+
+
碱过量 酮过量
OCH3 O
28% 94%
CH3
72% 6%
O-
动力学平衡 热力学平衡
O CH3 CH3
+
+
2、烯胺
碳-碳双键上连有氨基取代基的化合物称烯胺。 氨基的存在使β-碳亲核性更强，可用于烷基化反应。
烯胺的制备： 仲胺与醛或酮在酸性催化剂作用下加热缩合，除去生成的水而得。
Li
C6H12 CH CH3 COOH
0º C ， 生成dl外消旋体 -70º C, 生成80% 外消旋体， 20%构型保持。
..
C6H13 C
..
H
C6H13 C H C6H13
CO2
CH3
CH3
CO2
CH3
C
H
..
CH3
H3 O +
COOH C6H13 C H
H3O+
C6H13 H
C
CH3
COOH
C
H H H
活性中间体烯胺在合成中应用
酮的α-烷基化
O O
CH2Ph
O H +
HO
N
-H2O
N
+
N H
+
N
PhCH2Cl
N +
CH2Ph
H2O
O CH2Ph
+
N H
+
H
+
O H5C2OOCCH2CH2
O CH2CH2COOC2H5
例2：
N
H
+
N
+
CH
C2H5OH
CH2
CH
COOC2H5
CH2
-
+
R'K
RK
+
R'H
设法将两种烃的酸离解平衡常数或平衡酸度关联起来：
R-H
R
-
+
-
H
+
[RH][R' ] pKa-pKa'= log [RH][R' K ]
R'-H
R'
+
H
+
[R'H][R ]
= log
[R'H][R K ]
已知pKa’值，可求pKa值。
一些烃的酸度
4、影响碳负离子稳定性的因素
1）诱导效应与共轭效应 (1) 中心碳上连有吸电子基时，C-稳定性增加 F3C-H (CF3)3C-H pKa 28 pKa 11 (2) p-π 键共轭，C-稳定性增加
+
OR
C
+
C
OR
OR H
+
OR H + H
缩酮
举例：
与其它亲核试剂的加成反应：
HCN、NaSO3H、RMgX
与亲核试剂加成-消除反应：
RNH2、HONH2、NH2NHR、 亚胺 肟 腙
羰基加成的立体化学：
1）若R、R’不含手性碳，则加成产物为外消旋体。
R
Nu
R'
C
O
R
R'
C
O
Nu
sp2杂化 平面三角型
2）酸催化
O R + R C OH C CH2 R'+ H + 快 R OH R C
+
OH
C
CH2
R'
慢
CH2
R'
CH R'
+
H
+
例：
O
OH CH3C CH2 H + Cl
-HCl
OH CH3C CH2
CH3CCH3 + H Cl
质子化酮去除α-质子形成烯醇的速度是反应速度控制步骤。
3）酸催化与碱催化比较 （1） 酸催化，形成多取代烯醇， 碱催化，形成取代基较少烯醇负离子。 （2） 酸催化，形成烯醇， 碱催化，形成烯醇盐。 （3） 烷基取代基对活性的影响在碱催化时比在 酸催化时明显。 （4） 无论酸或碱催化，含有单独一个酮基、醛 基、酯基的化合物，平衡时几乎不存在烯 醇式，以酮式存在。
ph3CH> ph2CH2> phCH3
Cl ( Cl Cl Cl Cl -
)
3
C
R-C-C
O
O
R-C -
C
N
C
C
N
C
O -
C
O
R S C
R
S O
C
O O
O N C
O
O N
C
（3）p-d轨道共轭
季鏻盐： + 叔锍盐：(CH ) S Br
3 3 3 4
+ Ph3P CH3Br
PhLi Ph3P PhLi
sp3杂化 四面体
羰基加成的立体化学：
2）若羰基的邻近碳原子有手性，亲核加成遵循Cram规则
Nu
C M C OH
Cram规则-1
S
L
C M C
R
+
O
+ H Nu
L S
R
Et Ph
O
H
1) LiAlH4 2) H2O
Et HO
H
H CH3
CH3
Ph
羰基加成的立体化学：
Cram规则-2
L O R O
机理2：
A C B H
慢
A C OH Nu A C B OH
B
A C OH
B
O
A C
OH B ＋ Nu 快
羰基质子化，可以提高羰基的亲核性。
举例：
OH C O + ROH OH C OR
+
C OR
+
半缩酮
+
H
+
OH 2 C OR
+
OH 2
C OR
+
C
OR + H2O
C
OR + ROH
OR C OR
思考：
H
CH3 Li
H
CH3
. . 1)
H 2)
H
CO2 H3O +
CH3 COOH
H H
H -
H H
H
H
H
3、碳负离子稳定Biblioteka Baidu及测定方法
将烃类视为碳氢酸，测定其酸离解常数， 由pK来判定碳负离子的稳定性。
R-H
+
B
-
R
-
+
HB
可由两个酸性烃类化合物与其金属盐之间建立平 衡，求得pKa值。
R-H
（5）形成烯醇时的动力学与热力学控制
O R2CHCCH2R' B ka O kb O B -
R2C=CCH2R'
R2CHC=CHR' B
[A] = [B]
ka
kb
A
动力学控制：取决于去质子速度（非质子溶剂、强碱、 无过量酮存在） 位阻小的H易被夺去 热力学控制：取决于产物的稳定性（过量酮存在、质子 性溶剂稳定C- ），C=C上取代基多的烯 醇稳定