《碳杂重键的加1成》PPT课件
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第六章 碳杂重键的加成------羰基化合物的反应
+
-
CO
+
-
CN
+
-
CN
+
-
CS
1
一 羰基的亲核加成反应机理： 酸催化机理：
ACB O
H A -A A C B OH
AC B OH
Nu H
A C B + H Nu
AC B A
OH
决速步骤 OH
Nu A C B + HA
OH
羰基质子化，可以提高羰基的反应活性， 也可以用Lewis酸来活化羰基
R2C=OR' + H2O
R2C=OR' + R'OH
R2COR'
fast
fast
HOR'
R2(COR')2 + H+ 缩醛
由半缩醛生成缩醛只能被酸催化 19
半缩醛(酮)
20
半缩醛(酮反应历程 缩醛(酮反应历程 碱????
决速步骤
21
（3） 与其他亲核试剂的反应
22
6.4 羰基加成反应中的立体选择性
边对羰基进行加成。
H O NCH3
H2
H C6H5CH3
H NCH3
H
OH
H C6H5CH3
26
， Cornforth规则：如果在羰基的α-碳原子上结合着一个卤原子 由
于卤原子和羰基氧原子的电负性都很大，两者互相排斥，这时羰基 化合物的优势构象是卤原子与羰基处于对位交叉位。反应时，试剂
也是从空间位阻较小的一边进攻羰基。
羰基活性降低。
CH3CHO
HCN
H CH3
C
OH CN
PhCHO HCN
H OH C
Ph CN
K>104
K=210
-I或-C效应的基团使羰基碳原子的正电荷增加，反应活性增强，生成的水合 物稳定性也增加。如三氯乙醛和六氟丙酮能和水形成稳定的水合物，能以晶 8 体的形式离析。
9
10
或比较中间体的稳定性
11
(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 C O CH3CH2
HCN
CH3 CH3CH2
C
OH CN
K>1
(CH3)3 C O HCN (CH3)3
(CH3)3 C OH
(CH3)3
CN
K<<1
Nu
R 越大，妨 碍Nu:从背 后进攻C原 子。
键角：120° R
CO R'
14
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。
C>N > O>X
试剂的亲核性依次减弱 如：
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 + H2O CH3CH(OH)2 K≈ 1
CH3CHO + HCN CH3CHOH K≈ 104
CO
Cram规则一：如果醛或酮的α-碳原子上连有三个大小不同的基 团（L、M、S分别代表大、中、小三个基团）时，其优势构象
为羰基键处在两个较小基团之间的构象，试剂优先从空间阻碍 较小的一边进攻羰基。
次要产物 M
Nu-
O S
主要产物
LR
23
Ph
H
C2H5
H
O
O H
PhH
C2H5 1 RMgX 2 H2O
RCHO+ H2O
OH
OH RCH(OH)2 + OH
酸： RCH=O + HA
RCH=O HA
RCH=O HA + H2O
RCHOH + A-
18
OH2
（2） 与醇的反应
OH
R2C=O + R'OH
OH
fast
R2COR' + H+
R2COR' 半缩醛 OH2
R2COR'
OH2
slow
R2COR'
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
产生高浓度的Nu-
3
酸除了活化羰基外，还能与羰基形成氢键：
δ
δ
C O H Cl
都使羰基活化。
质子性溶剂也起到同样作用：
δ
C
δ
O
H
Sol
问题： 当用H+质子，有Nu- + H+ = NuH 反应，而降低亲核试 剂的有效浓度， ------------- 要求有最佳的pH值
[水 合 物 ] K=
[羰 基 化 合 物 ]
[H2O] 为 常 数
1. R= 烷基时，k以CH2O>RCH=O>R2C=O
2. 水对羰基加成反应的平衡常数不利于水化方向，但醛 或酮和它们的水化物之间的平衡能迅速地建立起来。
17
碱和酸都能催化水化反应
碱：B- + H2O + RCH=O
RCHO- + BH
sp2杂化 平面三角型
109°28 ′
RO C Nu
R'
sp3杂化 四面体
12
13
角张力缓解：
O HCN
OH CN K=10000
sp2杂化，键角应为120°, 实际为60°, 角张力较大； 反应中，键角由60°转化为109°28 ′, 角张力得 到缓解。
O + HCN
OH CN
K=1000
这里，角张力缓解程度不大。
1 羰基质子化后，氧上带有正电荷，很不稳定பைடு நூலகம் π电子发生转移，使碳原子带有正电荷。
2 决定反应速率的一步，是Nu -进攻中心碳原子的
一步。
2
碱催化机理：
决速步骤
O
O 四面体
Nu
A
C
慢
B
A
C
B
O
A
C
B
H 或E+
Nu
Nu OH
ACB
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。
O
CH3
H
ClCH3
1)n- C4H9MgBr 2) H2O
CH3
C4H9-n H
HO
CH3
Cl
27
28
29
30
取代基环己酮类的亲核加成反应， Dauben提出不是受立体接近控制就是受产物进展控制。
4
二. 羰基的活性
1. 底物的性质
HCOH > 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。
5
6
7
(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。
当Y: C C, C C, Ph 时，基团具有+C效应，
R
H
C2H5
+
H
OH
Ph
OH
H
C2H5
H
R
Ph
Ph
H
C2H5
HO
H
R
主要产物
Ph
H
C2H5
H
OH
R
次要产物
35oC
R
主
次
CH3
2.5 : 1
C6H5
>4 : 1
(CH3)2CH 5 : 1
(CH3)3C
49 : 1
-70oC
R (CH3)3C CH3
主
次
499 : 1
5.6 : 1
24
25
Cram规则二：当醛或酮的α-碳原子上连有羟基或氨基等可以和羰基 氧原子形成氢键的基团时，试剂将从含氢键环的空间阻碍较小的一
CN
15
③ 空间效应
具有较小体积的亲核试剂，利于反应进行。
Et C
O HCN
Et2COH
Et
CN
K=38
Et C O NaHSO3 Et
Et2COH K=4× 10-4 SO3Na
16
6.2 羰基加成反应及产物
（1） 与水的反应 水合反应和酸碱催化
R1 C O + H2O
R2
R1 OH C
R2 OH
+
-
CO
+
-
CN
+
-
CN
+
-
CS
1
一 羰基的亲核加成反应机理： 酸催化机理：
ACB O
H A -A A C B OH
AC B OH
Nu H
A C B + H Nu
AC B A
OH
决速步骤 OH
Nu A C B + HA
OH
羰基质子化，可以提高羰基的反应活性， 也可以用Lewis酸来活化羰基
R2C=OR' + H2O
R2C=OR' + R'OH
R2COR'
fast
fast
HOR'
R2(COR')2 + H+ 缩醛
由半缩醛生成缩醛只能被酸催化 19
半缩醛(酮)
20
半缩醛(酮反应历程 缩醛(酮反应历程 碱????
决速步骤
21
（3） 与其他亲核试剂的反应
22
6.4 羰基加成反应中的立体选择性
边对羰基进行加成。
H O NCH3
H2
H C6H5CH3
H NCH3
H
OH
H C6H5CH3
26
， Cornforth规则：如果在羰基的α-碳原子上结合着一个卤原子 由
于卤原子和羰基氧原子的电负性都很大，两者互相排斥，这时羰基 化合物的优势构象是卤原子与羰基处于对位交叉位。反应时，试剂
也是从空间位阻较小的一边进攻羰基。
羰基活性降低。
CH3CHO
HCN
H CH3
C
OH CN
PhCHO HCN
H OH C
Ph CN
K>104
K=210
-I或-C效应的基团使羰基碳原子的正电荷增加，反应活性增强，生成的水合 物稳定性也增加。如三氯乙醛和六氟丙酮能和水形成稳定的水合物，能以晶 8 体的形式离析。
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10
或比较中间体的稳定性
11
(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 C O CH3CH2
HCN
CH3 CH3CH2
C
OH CN
K>1
(CH3)3 C O HCN (CH3)3
(CH3)3 C OH
(CH3)3
CN
K<<1
Nu
R 越大，妨 碍Nu:从背 后进攻C原 子。
键角：120° R
CO R'
14
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。
C>N > O>X
试剂的亲核性依次减弱 如：
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 + H2O CH3CH(OH)2 K≈ 1
CH3CHO + HCN CH3CHOH K≈ 104
CO
Cram规则一：如果醛或酮的α-碳原子上连有三个大小不同的基 团（L、M、S分别代表大、中、小三个基团）时，其优势构象
为羰基键处在两个较小基团之间的构象，试剂优先从空间阻碍 较小的一边进攻羰基。
次要产物 M
Nu-
O S
主要产物
LR
23
Ph
H
C2H5
H
O
O H
PhH
C2H5 1 RMgX 2 H2O
RCHO+ H2O
OH
OH RCH(OH)2 + OH
酸： RCH=O + HA
RCH=O HA
RCH=O HA + H2O
RCHOH + A-
18
OH2
（2） 与醇的反应
OH
R2C=O + R'OH
OH
fast
R2COR' + H+
R2COR' 半缩醛 OH2
R2COR'
OH2
slow
R2COR'
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
产生高浓度的Nu-
3
酸除了活化羰基外，还能与羰基形成氢键：
δ
δ
C O H Cl
都使羰基活化。
质子性溶剂也起到同样作用：
δ
C
δ
O
H
Sol
问题： 当用H+质子，有Nu- + H+ = NuH 反应，而降低亲核试 剂的有效浓度， ------------- 要求有最佳的pH值
[水 合 物 ] K=
[羰 基 化 合 物 ]
[H2O] 为 常 数
1. R= 烷基时，k以CH2O>RCH=O>R2C=O
2. 水对羰基加成反应的平衡常数不利于水化方向，但醛 或酮和它们的水化物之间的平衡能迅速地建立起来。
17
碱和酸都能催化水化反应
碱：B- + H2O + RCH=O
RCHO- + BH
sp2杂化 平面三角型
109°28 ′
RO C Nu
R'
sp3杂化 四面体
12
13
角张力缓解：
O HCN
OH CN K=10000
sp2杂化，键角应为120°, 实际为60°, 角张力较大； 反应中，键角由60°转化为109°28 ′, 角张力得 到缓解。
O + HCN
OH CN
K=1000
这里，角张力缓解程度不大。
1 羰基质子化后，氧上带有正电荷，很不稳定பைடு நூலகம் π电子发生转移，使碳原子带有正电荷。
2 决定反应速率的一步，是Nu -进攻中心碳原子的
一步。
2
碱催化机理：
决速步骤
O
O 四面体
Nu
A
C
慢
B
A
C
B
O
A
C
B
H 或E+
Nu
Nu OH
ACB
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。
O
CH3
H
ClCH3
1)n- C4H9MgBr 2) H2O
CH3
C4H9-n H
HO
CH3
Cl
27
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30
取代基环己酮类的亲核加成反应， Dauben提出不是受立体接近控制就是受产物进展控制。
4
二. 羰基的活性
1. 底物的性质
HCOH > 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。
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6
7
(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。
当Y: C C, C C, Ph 时，基团具有+C效应，
R
H
C2H5
+
H
OH
Ph
OH
H
C2H5
H
R
Ph
Ph
H
C2H5
HO
H
R
主要产物
Ph
H
C2H5
H
OH
R
次要产物
35oC
R
主
次
CH3
2.5 : 1
C6H5
>4 : 1
(CH3)2CH 5 : 1
(CH3)3C
49 : 1
-70oC
R (CH3)3C CH3
主
次
499 : 1
5.6 : 1
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Cram规则二：当醛或酮的α-碳原子上连有羟基或氨基等可以和羰基 氧原子形成氢键的基团时，试剂将从含氢键环的空间阻碍较小的一
CN
15
③ 空间效应
具有较小体积的亲核试剂，利于反应进行。
Et C
O HCN
Et2COH
Et
CN
K=38
Et C O NaHSO3 Et
Et2COH K=4× 10-4 SO3Na
16
6.2 羰基加成反应及产物
（1） 与水的反应 水合反应和酸碱催化
R1 C O + H2O
R2
R1 OH C
R2 OH