有机化学古练权第13章 羰基化合物的亲核加成和取代反应
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羰基化合物的亲核加成反应
2）肟、苯腙、缩氨脲等，大多数是固体。可用于鉴定、鉴别。 常用的试剂：2，4-二硝基苯肼
57
3）对甲苯磺酰腙
58
4）Beckmann重排 （酮肟在酸作用下重排成酰胺）
59
5）与二级胺（仲胺）反应，可得到烯胺： 烯胺在有机合成上是重要的试剂（中间体）
60
6）、Mannich反应
61
62
8.3 ，－不饱和羰基化合物的亲核加成反应
31
2、Wittig－Horner反应
32
33
34
35
O + Ph3P=CHOCH3
金刚
利用此结构可制醛
CHOCH3 H2O H+
醚水解
CHO
Ph3P
DMSO CHCH2CH2CH2COPh
88% Ph
36
3、醇醛缩合反应
在催化剂的作用下，含有-氢原子的醛或酮相互作用， 生成羟基醛或羟基酮。 这类反应被碱或酸所催化。
3） 如果在反应中加入冠醚，用以捕获Li+, 则反应不能进 行，表明Li+的存在对反应至关重要。
69
各种还原剂对不同底物的还原能力
Hydride donors
LiAlH4
Iminium ion
amine
DIBAL -（ i-
Bu2AlH ）
NaAlH(O- --
t-Bu)3
AlH3
--
Acid halide alcohol alcohol
5、半缩醛或半缩酮的形成反应－－加成机理
C O + H+
C OH
C OH
ROH
slow
C OH HOR
C OH
H+
57
3）对甲苯磺酰腙
58
4）Beckmann重排 （酮肟在酸作用下重排成酰胺）
59
5）与二级胺（仲胺）反应，可得到烯胺： 烯胺在有机合成上是重要的试剂（中间体）
60
6）、Mannich反应
61
62
8.3 ，－不饱和羰基化合物的亲核加成反应
31
2、Wittig－Horner反应
32
33
34
35
O + Ph3P=CHOCH3
金刚
利用此结构可制醛
CHOCH3 H2O H+
醚水解
CHO
Ph3P
DMSO CHCH2CH2CH2COPh
88% Ph
36
3、醇醛缩合反应
在催化剂的作用下，含有-氢原子的醛或酮相互作用， 生成羟基醛或羟基酮。 这类反应被碱或酸所催化。
3） 如果在反应中加入冠醚，用以捕获Li+, 则反应不能进 行，表明Li+的存在对反应至关重要。
69
各种还原剂对不同底物的还原能力
Hydride donors
LiAlH4
Iminium ion
amine
DIBAL -（ i-
Bu2AlH ）
NaAlH(O- --
t-Bu)3
AlH3
--
Acid halide alcohol alcohol
5、半缩醛或半缩酮的形成反应－－加成机理
C O + H+
C OH
C OH
ROH
slow
C OH HOR
C OH
H+
第十三章羰基化合物的亲核加成和亲核取代反应(07)
R C H OR' OR' H + H2O
+
R C H O + 2R'OH
R C H
OR' OR'
+ H2O
OH
-
no reaction
(2) 缩酮的生成
CH3 CH3 无水 HCl C O + 2CH3CH2OH CH3 CH3 C OCH2CH3 OCH2CH3 + H2O
（不断除水）
环状缩酮
(羟基磺酸钠)
O CH3CCH2CH2 + KHSO3
OH CH2CH2CSO3K
(止咳酮) CH3
13.2.2 与含氮亲核试剂的加成 P580 2.1 与伯胺、仲胺的加成 1) 与伯胺加成-脱水反应 产物: 亚胺 (西佛碱 Schiff base)
机制
OC -H2O O + H2N C R N R (亚胺) C H
+
R R C Nu OE
fast
亲核试剂：含氧、硫、氮、碳的负离子或中性分子。 13.2.1 与含氧/硫亲核试剂的加成反应 1. 与含氧亲核试剂的加成 1.1 与醇的加成 (可逆反应) P577 (1) 半缩醛、缩醛的生成 (无水酸催化)
CH3CH2CH2CHO + CH3CH2OH
(干) HCl
OH CH3CH2CH2CH
CH2 CH CHO CH2 OH CHCHO OH
CH2
CH
CHO + 2CH3CH2OH
无水 HCl
CH2
CH
CH
OC2H5 OC2H5
冷 KMnO4
CH2 OH
CH OH
CH
+
R C H O + 2R'OH
R C H
OR' OR'
+ H2O
OH
-
no reaction
(2) 缩酮的生成
CH3 CH3 无水 HCl C O + 2CH3CH2OH CH3 CH3 C OCH2CH3 OCH2CH3 + H2O
（不断除水）
环状缩酮
(羟基磺酸钠)
O CH3CCH2CH2 + KHSO3
OH CH2CH2CSO3K
(止咳酮) CH3
13.2.2 与含氮亲核试剂的加成 P580 2.1 与伯胺、仲胺的加成 1) 与伯胺加成-脱水反应 产物: 亚胺 (西佛碱 Schiff base)
机制
OC -H2O O + H2N C R N R (亚胺) C H
+
R R C Nu OE
fast
亲核试剂：含氧、硫、氮、碳的负离子或中性分子。 13.2.1 与含氧/硫亲核试剂的加成反应 1. 与含氧亲核试剂的加成 1.1 与醇的加成 (可逆反应) P577 (1) 半缩醛、缩醛的生成 (无水酸催化)
CH3CH2CH2CHO + CH3CH2OH
(干) HCl
OH CH3CH2CH2CH
CH2 CH CHO CH2 OH CHCHO OH
CH2
CH
CHO + 2CH3CH2OH
无水 HCl
CH2
CH
CH
OC2H5 OC2H5
冷 KMnO4
CH2 OH
CH OH
CH
大二有机化学课件羰基的亲核加成
O
O
OH
C + CC
H
O
OH
O
CC C
or
C CC
醛或酮
例：
O
O
H3C C H + H2C C H
H
羟基醛（酮） , 不饱和醛（酮）
OH
OH
O
H3C CH CH2 C H
醇(alcohol) 醛(aldehyde)
合成：
醚键，碱性 条件下稳定
O
C
H3C
(CH2)2
Br
OH OH H+
OO
C
H3C
(CH2)2 Br
Mg 无水乙醚
O
OO
C
H3C
(CH2)2 MgBr
C
(1) H3C
CH3
(2) H2O
OO
C
R
(CH2)2
H2O H+
O
OH
C
H3C
(CH2)2 C CH3 +
CH3
缩酮水解，除去保护
OH OH
OH C CH3 CH3
试剂要求
反应速度
还原能力
反应选择性
LiAlH4
无水
快
强
较差
NaBH4
可有水
较慢
较弱(温和)
较好
•例：
O
C O OMe
1. LiAlH4 2. H2O
1. NaBH4 2. H2O
H OH
CH2OH H OH
两个基团均 可被还原
C O OMe
只还原酮羰基 10
LiAlH4和NaBH4还原羰基的立体选择性
OH
OH 14% 8%
有机化学—亲核加成
H+ H2 O △
CH2-CHCHO OH OH
4. 与含硫亲核试剂的反应
与含硫亲核试剂的反应
• 与亚硫酸氢钠的加成： 与亚硫酸氢钠的加成： • 亚硫酸氢钠可以和 醛 或甲基酮及8个C以下的环酮的羰 甲基酮及 个 以下的 以下的环酮的羰 发生加成反应，产物称为：亚硫酸氢钠加成物。 基发生加成反应，产物称为：亚硫酸氢钠加成物。
H3C
O H CH3CH2MgBr H+ H2O H3C H3C
H CH2CH3
H3C ph
ph
(R)-3-苯基-2-丁酮
与金属炔化物的加成
ONa OH C C≡CR
C O + NaC≡CR
δ+
C C≡CR
H2O
炔醇
例1
O
KOH
OH H 3C C CH 3 C CH
H2 Lindlar Pd
CH3CCH3 + KC≡CH
醇钠
C=O + NaHSO3
- + C O Na SO3H
强酸
C OH SO3Na
α-羟基磺酸 钠盐 羟
强 酸盐
与含硫亲核试剂的反应
• ① 可逆 • ② 醛、脂肪族甲基酮、8个碳以下环酮。 个碳以下环酮。 脂肪族甲基酮、 个碳以下环酮
甲醛 甲基酮 Me3C C O H3C C
6%
反应变慢 Me2HC C
H H : : H +O O C O-
O
H O C
H
C
O H 胞二醇
1）与水的加成
• 甲、乙醛易生成水合物，但难以分离出来。甲醛在水中 乙醛易生成水合物，但难以分离出来。 几乎以水合物存在，长时期放置， 几乎以水合物存在，长时期放置，水合甲醛会聚合成多 聚甲醛， 聚甲醛，如：
有机化学：第十三章 羰基化合物的亲核加成和取代反应
排列）
O a. H3C C O
O c. H3C C O CH3
O b. H3C C O
O d. H3C C O
NO2 OCH3
10
例题与习题
解答: 酸性按如下顺序降低
b. HO pKa
NO2 a. HO
< 10
~ 10
d. HO
OCH3 c. HO CH3
> 10
15.5
相应的烷氧基负离子碱性则按如下顺序降低
OM
L R Smajor Nu
OE
L
M
OE
M
S
R
Nu
S
主要产物
R
Nu
L
16
二、羰基的亲核加成
1. Introduction (3) Stereochemistry
1974年，Bürgi 和Dunitz指出，亲核试剂一般沿着与羰基 107º的角度进攻羰基碳原子，这样，亲核试剂的HOMO（孤
对电子所在的p轨道）可以最有效地与羰基的LUMO（p * 轨 道）重叠，形成s -键。而且也使得亲核试剂的负电荷与氧上
b. O
NO2 a. O
d. O
OCH3 c. O CH3
basicity increasing, the reactivity decreasing
11
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、¯C≡N、¯C≡CR、 ¯CR3（M-R） 中性分子亲核试剂（中性或酸性条件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2
R CR' 2.H3O
O a. H3C C O
O c. H3C C O CH3
O b. H3C C O
O d. H3C C O
NO2 OCH3
10
例题与习题
解答: 酸性按如下顺序降低
b. HO pKa
NO2 a. HO
< 10
~ 10
d. HO
OCH3 c. HO CH3
> 10
15.5
相应的烷氧基负离子碱性则按如下顺序降低
OM
L R Smajor Nu
OE
L
M
OE
M
S
R
Nu
S
主要产物
R
Nu
L
16
二、羰基的亲核加成
1. Introduction (3) Stereochemistry
1974年，Bürgi 和Dunitz指出，亲核试剂一般沿着与羰基 107º的角度进攻羰基碳原子，这样，亲核试剂的HOMO（孤
对电子所在的p轨道）可以最有效地与羰基的LUMO（p * 轨 道）重叠，形成s -键。而且也使得亲核试剂的负电荷与氧上
b. O
NO2 a. O
d. O
OCH3 c. O CH3
basicity increasing, the reactivity decreasing
11
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、¯C≡N、¯C≡CR、 ¯CR3（M-R） 中性分子亲核试剂（中性或酸性条件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2
R CR' 2.H3O
羰基的亲核加成详解演示文稿
CH=C OEt
H3C
O
CH2 CH2 CH2
CH2 CH2 CH2
CO2Et
α-无取代酯基易 转变为烯醇
缩合反应 可逆
NaOEt
O CO2Et CH3
+
H
O H3C
CO2Et
第45页，共52页。
四、烯胺负离子的反应
O
H3C
+
TsOH,C6H6
N
H3C
N
-H2O
H
α-C上无取代
为烯胺
N
O
H3C
(1)n-C6H13COCl H3C
Me2CCH=O CH2Ph
第47页，共52页。
Ｍannich反应
1917年，罗伯特·鲁宾逊以丁二醛、甲胺和3-氧代戊二酸
为原料，在仿生条件下，利用了曼尼希反应，仅通过一步
反应便得到了托品酮，托品酮的合成是曼尼希反应的经典 例子，被认为是全合成中的经典反应之一。
第48页，共52页。
+
PhCOCH3+CH2=O+Me2NH2Cl
很快
1
1
7.6 80
第4页，共52页。
1)非对映选择性
1
H
OH
空阻大
O 空阻小
还原
OH +
H
t-Bu
2
t-Bu
t-Bu
88%
12%
取代基在e键，
产物稳定
空间位阻差别不大
空阻差别大时，主要得从空阻小的方向进攻的产物
。空阻差别不大时，主要得稳定产物。
O
NaBH4 LiAlH4
OH
+
H
86% 92%
(完整版)羰基的亲核加成及相关反应
羰基的亲核加成及相关反应羰基化合物包括醛、酮、羧酸及衍生物和5.1羰基的结构CO 2。
C O亲电中心羰基碳的活性较大，易被亲核试剂进攻而发生亲核加成反应和亲核取代反应。
5.2亲核加成反应的历程及影响因素5.2.1 HCN 的加成反应为碱催化。
v k[ CO ][CN ]快OH - + HCNCN - + H 2O、f 慢 \H 2O\ /OHCNJ / = O — /C 、b+0H -/ CN/ CN酮正向反应的趋势较小（空阻大） 二、亲核加成反应的一般特点1 .反应可以被酸或碱催化 酸催化可提高羰基的亲电活性。
碱催化提高亲核试剂的亲核性。
活性.Nu - > Nu — H2•多数醛酮的亲核加成为可逆反应，用于分离与提纯。
5.2.2影响羰基亲核加成反应活性的因素一、羰基化合物的结构1 .电子效应羰基碳的正电性越大，亲核加成速度越大，反应活性越大。
羰基碳所连的吸电基（ 加成反应的活性增加，而供电基（ +I , +C ）则使其活性降低。
活泼顺序：Nu —H + OHNu - + H 2OC=O +C = O H — C +—OH-I , -C ）使其亲核50%ClCHO > HCHO > RCHO > CH 3COR > RCOOR' > RCONR' 2 > RCOO（1）-共轭效应（增加其稳定性）;（2） +C 效应（降低羰基碳的正电性）;（3）加成产物失去共轭 能，反应活化能高；（4 ）产物的张力大幅增加。
2.立体效应、试剂的亲核性 对同一羰基化合物，试剂的亲核性越大，平衡常数越大，亲核加成越容易。
1 .带负电荷的亲核试剂比起共轭酸（中性分子）的亲核性强。
OH ->H 2O, RO ->ROH 。
2•极性大的分子比极性小的分子亲核性强。
HCN>H 2O （极性与电负性）。
3•同周期元素的负离子的亲核性与碱性大小一致；R 3C ->R 2N ->RO ->F - 4•同一主族元素的负离子的亲核性与可极化度大小一致。
羰基化合物的亲核加成和取代反应
OH
2.H3O
酮
R
R C R'
O
低温和空间位阻作用 3°醇
R''
R CR' 使用不活泼的金属试剂
3°醇
酮 可能将反应控制在酮的阶段
二、羰基的亲核加成
4. 含C亲核试剂
(4) Ylide试剂 An ylide is a compound that has opposite charges on adjacent, covalently bonded atoms with complete octets of valence electrons, for example, a phosphonium ylide:
O CH CH C
1.
MgBr
2.H3O
O CH CH2 C
1,4-加成 92%
O
1.
MgBr
CH CH C CH3
2.H3O
O CH CH2 C CH3 +
OH CH CH C H
1,4-加成 12%
1,2-加成 80%
三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应
1. Mechanism for nucleophilic substitution
关于亲核加成的小结 1. 概述 —— 结构、机理、反应活性、立体化学 2. 含O, S亲核试剂 包括H2O, ROH, RSH, 和NaHSO3
羰基的保护 醛酮的分离纯化
3. 含N亲核试剂 (1) RNH2 and YNH2 (2) R2NH
亚胺及其衍生物的形成 烯胺的形成
4. 含C亲核试剂 —— C-C键的形成
第十三章
羰基化合物的亲核加成和取代反应
Nucleophilic Additions and Substitutions of Carbonyl Compounds
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4. 亲核反应活性
O C RX
酰卤
OO CC R O R'
酸酐
O C R OH
羧酸
O C R OR
酯
O C R' RN
R"
酰胺
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. Summary (1) Nucleophiles
负离子亲核试剂（碱性条件）： ¯OH、 ¯OR、 ¯SR、 ¯ H、 ¯C≡N、 ¯C≡CR、 ¯ CR3、（M－R） 中性分子亲核试剂（中性或酸性条件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2
1. Summary
(3) Stereochemistry
手性条件下，有立体选择性，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。
O
OE
OE
M
S Nu
E
M
S
M
S
+
RL
R
Nu
L
Nu
R
O CH CH C
1.
MgBr
2.H3O
O CH CH2 C
1,4-加成 92%
O
1.
MgBr
CH CH C CH3
2.H3O
O CH CH2 C CH3 +
OH CH CH C H
1,4-加成 12%
1,2-加成 80%
R
O R
格氏试剂的应用
R COOH 羧酸
R CH2OH
1° 醇
1.HCHO 2.H3O
1.CO2 2.H2O
O O
OH
HCOR'
R CH 醛
RMgX
R CH R
2° 醇
1. O
R
CH2CH2OH
1° 醇
2.H3O
OH 1.R'CHO R CHR' 2.H3O
2° 醇
R MgX
O
OH
R Li
R'COOR'' R CR' RMgX R C R'
H2O H2O
H2O H2O
OH
H3C
CH3 OH
0.2%
OH
Keq 2×10-3
H3C58%OHH OH
H
H OH
99.9%
OH
Cl3C
H OH
1.4 2.3×103
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 无水酸，如干燥HCl气体
α-羟基酸 β-氨基醇
二、羰基的亲核加成
4. 含C亲核试剂
(2) ¯C≡CR
O + HC CR KOH H2O
C
OH C CR
CH3COCH3 + KC CH
KOH 一缩二乙二醇二甲醚
(H3C)2C
OH C CH
H2 Lindlar cat
OH (H3C)2C CH CH2
Al2O3
H2C C CH CH2 CH3
(1) 亲核试剂的碱性
CC CO
Nu H
irreversible 1,4-addition
major
when Nu is a strong base
C
C C
O + NuH
irr1e,v2e-arsdidbilteion
1,2re-avdedrsitiibolne
CC C OH Nu
CC C OH
when Nu is a weak base Nu
—— it is completely regioselective, unlike E2 —— it is also stereoselective
Ph3P CH
NO2 + H3CO
O2N
CHO 25℃
H H
89%
唯一产物
OCH3
顺反烯烃的生成受条件和Ylide试剂的结构、活性等影响很大
The use of Wittig reaction in industry
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 用于将醛酮同不溶于水的有机物分开
O + NaHSO3
R H(R')
ONa
R
H(R') SO3H
OH
R
H(R') SO3Na
OH
R
H(R') SO3Na
O +
R H(R')
HCl
NaHSO3
Na
2
CO
3
NaCl + SO2 + H2O Na2SO3+ CO2 + H2O
二、羰基的亲核加成
1. Summary (2) Mechanism
碱性条件下
O
酸性条件下
O
Nu
OE
E Nu
慢
Nu
快
Nu
OH
OH
快
OH
OH
Nu H
-H
慢
Nu H 快
OH Nu
二、羰基的亲核加成
1. Summary (3) Stereochemistry
非手性条件下，得外消旋体
二、羰基的亲核加成
第十三章
羰基化合物的亲核加成和取代反应
Nucleophilic Additions and Substitutions 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. α, β – 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
二、羰基的亲核加成
(2) ROH z 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。 z 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。
例1
(2) ROH 羰基的保护，例1
(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
关于亲核加成的小结 1. 概述 —— 结构、机理、反应活性、立体化学 2. 含O, S亲核试剂 包括H2O, ROH, RSH, 和NaHSO3
羰基的保护 醛酮的分离纯化
3. 含N亲核试剂 (1) RNH2 and YNH2 (2) R2NH
亚胺及其衍生物的形成 烯胺的形成
4. 含C亲核试剂 —— C-C键的形成
一、羰基的结构及反应特性
1. 羰基的结构特点
The carbonyl group is polar and the partial positive charge on the carbonyl carbon causes carbonyl compounds to be attacted by nucleophiles.
major miner
(1) 亲核试剂的碱性
O
CN+HCl
O CH CHCH
CH3SH
O
CN
O CH CH2CH SCH3
影响 1,2-和1,4-加成的因素
(2) 空间位阻
O CH3
1.EtMgBr
CH CH C C CH3
CH3
2.H3O
O CH3
CH CH2 C C CH3
Et
CH3
1,4-加成100%
δδ
CO
2) 羰基氧被N取代 C O
Nu E
H2NY
C OE Nu
Y CN
3) 羰基氧被C取代
CO
4) 亲核取代反应
CO Y
Ph3P CR1R2
R1 CC
R2
Nu
CO + Y
Nu
一、羰基的结构及反应特性
4. 亲核反应活性
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
空间位阻影响
一、羰基的结构及反应特性
C
O NHR2
H -H
C
OH NHR2
-H H
C NR2 -H C
an enamine
C NR2 C
H
-H2O
C
OH2 NR2
H
C
OH NR2
neutral tetrahedral intermediat2) R2NH 反应可逆，经酸水解可得回醛酮。
N
+ H2O
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，也可用于合成醛酮。
O
R MgBr
OMgBr
H2O
OH
R
R
O R MgBr Y
其中：Y=X or OR
OMgBr Y
R
-YMgBr
O
R MgBr H2O
R
OH R
R
CN
R MgBr
NMgBr
H2O
Nucleophiles that are relatively weak bases, such as ¯CN, amines, thiols, and X¯, usually form conjugated addition products.