第13章 羰基化合物的亲核加成和取代反应

—— it is completely regioselective, unlike E2 —— it is also stereoselective
O2N Ph3P CH NO2 + H3CO 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
思考题：西佛碱类化合物有何应用？
R1 N
R2 CH N
具有抗肿瘤活性
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上而非N上，形成烯胺(enamine)
C OH NHR2
-H+
C
C OH +
NHR2
OH NR2
neutral tetrahedral intermediate
Keq 2×10-3 1.4 2.3×103
IR中无C=O吸收峰
+ H3C H 42%
H2O
H H3C OH 58%
O + H H 0.1% O
+ Cl3C H H2O
OH H2O H H OH 99.9% OH
Cl3C H OH
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
O + HC CR
KOH H2O
C
OH C CR
CH3COCH3 + KC CH
KOH 一缩二乙二醇二甲醚 Al2O3
(H3C)2C OH C CH H2C C CH CH2 CH3
OH H2 Lindlar cat (H3C)2C CH CH2
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。
+ CH CH3OH/H
OCH3 O OCH3
O OCH3
CH3MgBr
H3O+ OCH3 HO
二、羰基的亲核加成
2. 含O, S亲核试剂 (3) RSH
二、羰基的亲核加成
2. 含O, S亲核试剂
(4) NaHSO3(过量） 产物不容于乙醚，溶于水，易形成好的结晶。 用于将醛酮同不溶于水的有机物分开（适合醛、 脂肪簇甲基酮、小于8个碳以下的环酮）
M Nu
OE
S R
LR
L
L
主要产物
次要产物
二、羰基的亲核加成
2. 含O, S亲核试剂
包括H2O, ROH, RSH, 和NaHSO3
(1) H2O
水合物
酸碱催化，加快平衡的达到，但不影响平衡移动。
二、羰基的亲核加成
(1) H2O
O + H3C CH3 99.8% O H2O H3C OH CH3 OH 0.2% OH
Y C O an aldehyde or a ketone + H2N Y C N an imine + H2O
a primary amine or other derivative of ammonia
C NY +
H2O
H
C O
+
H3NY
亲核加成－消去反应机理
O
C
R
＋ H2N-Y
R1
H or OH 亲核加成
二、羰基的亲核加成
1、Summary (2) Mechanism
碱性条件下
酸性条件下
O
Nu 慢
O Nu
OH
Nu H 慢
OE
E Nu 快
Nu
O
H 快
OH
OH
-H
OH Nu
Nu H 快
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
O R
OH R H(R') SO3Na R
ONa H(R') + NaHSO3 R H(R') SO3H
HCl
OH R H(R') SO3Na
+ H2O + H2O
O + NaHSO3 H(R')
NaCl + SO2 Na2SO3+ CO2
Na C 2 O
3
二、羰基的亲核加成
3. 含N亲核试剂
(1) RNH2 and YNH2 经历亲核加成和脱水两个步骤。 相当于羰基氧被氮所取代，形成亚胺(imine)。 可逆，经酸水解可得回醛酮。
NH-Y N-Y
C
R R1
-H2O
R
C
R1
N-Y
-H+
R
C
R1
(1) RNH2 and YNH2
反应物YNH2 基团Y R 名称 1°胺(RNH2)
表13-1 氨基衍生物与醛酮加成反应
生成物 结构式
C N R
名称 席夫碱（shiff base）
OH
羟胺(NH2OH
C N
OH
肟（oxime）
NH2
肼(NH2-NH2)
C N
NH2
腙（hydrazone）
NHC6H5 苯肼(NH2C6H5)
C N
NHC6H5
苯腙（phenylhydrazone）
氨基脲 NHCONH2 NH2NHCONH2
C N
NHCONH2
缩氨脲（semicarbazone）
二、羰基的亲核加成
3. 含N亲核试剂
(1) RNH2 and YNH2
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. 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
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 M 位阻较小 S
Nu E
M R
OE
S + Nu
H2O
r.t.
NaOH, H2O
(CH3)2S+CH2CH=CH2 Cl锍盐 (CH3)2S+
-
CH-CH=CH2
硫Ylide试剂
——硫Ylide试剂与非共轭的醛酮发生加成反应形 成1，2-环氧类化合物，与共轭醛酮的加成反应得 到环丙烷类化合物。
(CH3)S
+ -
CH2
+
DMSO
CHO
CH
O C H2
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
(2) ROH 缩醛应用： 思考题：如何合成？
O HO OCH3 OCH3
二甲基色烯化试剂
O HCOOC2H5 CH3CH2ONa O
二、羰基的亲核加成
4. 含C亲核试剂
(1) ¯CN
C O + CN O C CN
H CN
C
OH + CN
CN
a-羟基腈
cyanohydrin
H ,H2O
C OH CN

C
OH COOH OH CH2NH2
a-羟基酸 b-氨基醇
a-羟基腈
H2 Pt
C
二、羰基的亲核加成
4. 含C亲核试剂
(2) ¯C≡CR
一、羰基的结构及反应特性
3、 发生在羰基上的反应的类型（亲核反应）
1) 亲核加成 2) 羰基氧被N取代 3) 羰基氧被C取代

C O

Nu E
C OE Nu
C O
H2NY
Y C N
C O
Ph3P CR1R2
C C
R1 R2
4) 亲核取代反应
Y
C O
Nu
C O Nu
+ Y
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
O
R MgBr
OMgBr R
H2O
OH R
O Y
R MgBr
OMgBr
-YMgBr
O R
R MgBr
H2O
OH R R
Y R
其中：Y=X or OR
C N
R MgBr
NMgBr R
H2O
O R
格氏试剂的应用
R COOH 羧酸 OH O 1.CO2 1.HCHO RMgX R CH R R CH2OH 2.H2O R CH 2.H3O 2°醇 1°醇 醛 OH 1. O R MgX O R CH2CH2OH RMgX R C R' R'COOR'' 2.H3O R Li R CR' 1°醇 R 酮 醇 3° OH 1.R'COR'' O 1.R'CHO OH RMgX R'COCl 2.H3O R CHR' R CR' 2.H3O R C R' 1. R'CN 2°醇 R 酮 OH 2.H3O 3°醇 R C R' O 低温和空间位阻作用 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 O H COR'
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 completHale Waihona Puke Baidu octets of valence electrons, for example, a phosphonium ylide:
(2) ROH 酸催化：固体酸，如TsOH 无水酸，如干燥HCl气体
醛酮与ROH反应生成缩酮的机理
H+
C O C OH
+
ROH
OH C
H +
OR
+
-H+
C
OH OR
半缩醛
+H
+
OH C OR
-H2O
C
OR
+
ROH
C
OR OR
+
H
-H+
OR C OR
缩醛
二、羰基的亲核加成
(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。
Wittig-Horner reaction
——用亚磷酸酯代替三苯基膦制备磷叶立德
(EtO)3P + R1 R2 CHX (EtO)2 O R P CH 1 R2 O R1 R2 R1 R2
CH3 CH CH2 CHO +
B
(EtO)2
O P C
亚磷酸三乙酯
R1 R2
R3
+
O (EtO)2P O
如：
R
OH
R
OR
酰卤
酸酐
羧酸
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、 ¯ CR 、（M－R） 3 中性分子亲核试剂（中性或酸性条件）： HOH、HOR、HSR、NH3、H2NR、HNR2
(CH3)S
+
-
CH2
+
O
DMSO
O
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
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.
(H3C)2C CH (CH2)2 (EtO)2
R4
O COOEt P CH Et
(H3C)2C CH (CH2)2
CH3 COOEt CH CH2 CH C (Z:E = 60:40) Et
硫Ylide试剂及其反应
——硫Ylide试剂的形成
CH3SCH3 + 硫醚 (CH3)2S+CH2CH=CH2 ClClCH2CH=CH2
+
-
OH
C
R
NH-Y R1
-H2O 消去
R
N-Y
C
R1
碱性条件的反应机理
O O-
OH NH2-Y R1 R
N-Y NH-Y R1
C ＋ H2N-Y
R R1 R
C
C
-H2O
R
C
R1
酸性条件的反应机理:
O
H+
R1 R
+ OH
OH
C
R
C
R1
+ H2N-Y
R
C
R1
NH2-Y
-H+
R
OH
C
R1
NH-Y
H
+
OH2
二、羰基的亲核加成
4. 含C亲核试剂
(4) Ylide试剂 Ylide试剂的形成
Wittig reaction
—— the reaction of an aldehyde or a ketone with a phosphonium ylide to form an alkene.
Wittig reaction
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
4、 亲核反应活性
思考题：下列酮的亲核加成活性大小比较如何？
O O (1)
O (2)
O
O
O
一、羰基的结构及反应特性
4、亲核反应活性
O C O C O C O C O C 酯 R O C R' N R" 酰胺
R
X
R
O
R'
H
OH2 C NR2
-H2O
C NR2 -H C H
C NR2 C
an enamine
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。
O N + H2O
H
+ H
N H
醛酮可以通过烯胺进行α-烷基化和α-酰基化反 应，合成上应用广泛（见第十四章） 思考题：写出2-甲基环己酮与仲胺反应的产物