碳负离子及羰基化合物的反应
13 碳负离子的反应
(
)
O
O
(1) C2H5ONa (2) H
1. OH
H5C2OC(CH2)4COC2H5
(
)
2. H
+
(
)
CH3COCH2COOC2H5
1)NaH 2)C6H5COCl
1)OH
(
)
2)H /
+
(
)
O
O
(1) NaH (2) H
CH3CCH3 + CH3(CH2)3CH2COC2H5
(
)
CH2CH2COOC2H5 H3C CH CH2CH2COOC2H5
取代甲基酮( 取代甲基酮 应用广泛)
取代乙酸
O H CH3 C C CH3 CH2CH2CH3
CH3 O H O (1) C2 H5ONa 2 C C C OC2H5 (2) CH3CH2CH2 Br (1) C2H5 ONa (2) CH3I (1) OH-/H2O (2) H3O+ TM
取代环烷基甲基酮
O
O
CH3CCH2COC2H5
OH
-
OOH
O
O CH3COOH + -CH2COC2H5
CH3C-CH2COC2H5
O CH3COO- + CH3COC2H5
OH-
H+
2 CH3COOH + C2H5OH
• 在合成上的应用
O CH3CCH2COOC2H5 C2H5ONa O CH3CH2CH2Br CH3CCHCOOC2H5
CH2(CO2C2H5)2
(1) C2H5ONa (2) CH3CH2 CH2Br
(1) C2H5ONa (2) CH3I
第六章羰基化合物的反应
此反应是制备结构复杂的醇的重要方法。
制备举例：
CH3CH2CH2CH2MgBr + (CH3)2C=O CH3
H3O+ CH3CH2CH2CH2COH CH3
2-甲基-2-己醇(92%)
CH3 干醚 CH3CH2CH2CH2COMgBr
CH3
只要选择适当原料，除 甲醇外，几乎任何醇都 可用此法合成。
空间效应 羰基相连基团越大 越不利于反应进行
H3C C O + HCN
H3CH2C
(H3C)3C C O + HCN
(H3C)3C
H3C OH
C H3CH2C CN
K>1
(H3C)3C OH
C (H3C)3C CN
K<<1
Nu
R CO
R'
sp2杂化 平面三角型
键角：120° 109°28 ′
产物中基团拥挤程度增大。
RCH2OH 增加一个C伯醇
R-MgX +
R'CHO
R'C=O R'
R'CHOMgX H2O R
R'CHOH R
R R'-C-OMgX H2O
R'
R R'-C-OH
R'
仲醇 叔醇
反应活性：
格式试剂可以同大多数醛、酮发生反应。但若酮分子中与羰基 相连的两个烃基及格式试剂中烃基体积都很大时，加成产物产 率降低或不起反应。 原因：空间阻碍效应
电性越强反C应O 越容易进Y行
有+I或+C基C团 O 反应活性Y降低
有-I或-C基团 反应活性增加
CH3CHO
HCN
6 第六章 羰基化合物的反应
CH3CH2CH2CHO + CH2CHO -OH CH2CH3
OH
I2
CH3CH2CH2CHCHCHO
CH2CH3
CH3CH2CH2CH=CCHO CH2CH3
醛的自身缩合
酮的自身缩合
~ ~
~
O Soxhlex 提取器 Ba(OH)2
2CH3CCH3 O
-H2O I2
(CH3)2C=CH C CH=C(CH3)2
C2H5 H C
C6H5
O C
CH3
LiAlH4 乙醚
C2H5
OH
H
H
CC
+
C6H5
CH3
75%
H2O
C2H5 H CC
C6H5 25%
H OH
CH3
当羰基和一个手性中心连接时，反应符合 克莱姆规则一。
6.5 碳负离子
O R C CH3 -OH
}O
RC CH2
烯醇负离子
[O RC CH2
碳负离子
O (CH3)2C=CH C CH3
O CH3CCH3
H+
H
O H
CH3
CH2-H 1,4加成 HO
CH3 CH3
插烯系规则
CH3 互变异构 O
CH3 CH3
分子内缩合
CH3 CH3
CH3
*2 交叉羟醛缩合反应 两种不同的醛、酮之间发生的羟醛缩 合反应称为交叉的羟醛缩合反应。
有两种情况 （1）一种醛或酮有-H，另一种醛或酮无-H。 （2）两种醛酮都有-H。（在定向羟醛缩 合反应中讨论。）
A 甲醛的羟甲基化反应
-OH
CH2O + H-CH2CHO
碳负离子的反应
官能团转化反应
卤代烃的水解反应
卤代烃在碱性条件下生成碳负离 子，与水发生亲核取代反应生成 醇。
酯的水解反应
酯在碱性条件下生成碳负离子， 与水发生亲核取代反应生成羧酸 和醇。
立体选择性反应
烯烃的顺反异构化反应
在光照或加热条件下，烯烃与卤素发生 加成反应生成卤代烷，卤代烷在碱性条 件下生成碳负离子，再与另一分子烯烃 发生亲核加成反应，生成具有立体选择 性的顺反异构体。
碳负离子的反应
汇报人：XX
• 碳负离子概述 • 碳负离子的反应类型 • 碳负离子在有机合成中的应用 • 碳负离子的反应机理与动力学 • 碳负离子的实验方法与检测技术 • 碳负离子的应用前景与挑战
01
碳负离子概述
定义与性质
定义
碳负离子是指带有负电荷的碳原子， 通常表示为$C^-$。它是许多有机化 学反应中的重要中间体。
自由基反应
自由基引发
在某些条件下，如高温或过氧化物存在下，碳负离子可以引发自由基链式反应。通过均裂产生自由基，进而引发 后续的自由基传递和终止步骤。
自由基加成
碳负离子可以作为自由基受体，与自由基发生加成反应。例如，在烯烃的自由基加成反应中，碳负离子与烯烃中 的双键发生加成，生成新的自由基中间体。
电化学反应
性质
碳负离子具有亲核性，可以与亲电试 剂发生反应。它的稳定性取决于其所 处的化学环境，如溶剂、温度、pH值 等。
结构与稳定性
结构
碳负离子的结构通常是一个或多个碳 原子通过共价键与其他原子或基团相 连，并带有一个负电荷。这个负电荷 可以通过共振结构进行分散，从而提 高其稳定性。
稳定性
碳负离子的稳定性与其结构密切相关 。一般来说，具有较大共轭体系或能 够通过共振稳定化的碳负离子更稳定 。例如，苯基负离子比甲基负离子更 稳定。
碳负离子的反应
含有α氢原子的酮与酯之间也可以进行缩合 反应主要产物为β-二酮。
例如：
第二节 β-二羰基化合物的烷基化、酰基 化及其在合成中的应用
两个羰基被一个碳原子隔开的化合物称 为β-二羰基化合物。
β-二羰基化合物一般泛指β-二酮、β-酮 酸酯、丙二酸酯等含活泼亚甲基化合物 。
这类化合物主要的反应类型是亚甲基碳 上的烷基化、酰基化反应。
一、乙酰乙酸乙酯
无色，具有水果香味，沸点118℃， 微溶于水，易溶于多种有机溶剂。
反应可在不同的酯之间进行，称为交叉 酯缩合。
Claisen 缩合举例
混合酯缩合
反应机理
狄克曼（Dieckmann)缩合（也叫酯分子内 缩合）
含6个或7个碳的二元酸酯，在碱性催化 剂作用下环化生成五元或六元环为主的 -酮酯称为狄克曼反应。
分子内羟醛缩合
羟醛缩合反应不仅可以在分子间进行，含有α-氢原子的 二元醛或酮也可以进行分子内缩合，生成环状化合物， 是制备5~7元环化合物的常用方法之一。
ห้องสมุดไป่ตู้
β-羟基醛在加热时即失去一分子水，生成 α,β-不饱和醛
常用的碱性催化剂除了氢氧化钠、氢氧化钾外，还有叔 丁醇铝、醇钠等。 由此可见，通过羟醛缩合反应可以制备α,β-不饱和醛，进 一步还可以转变为其它化合物。所以羟醛缩合反应是有 机合成中用于增长碳链的重要方法之一。
含有α-氢原子的酮在稀碱作用下也 可以发生类似反应，即羟酮缩合反应， 但是反应的平衡偏向反应物一侧，例如 ，丙酮在氢氧化钡催化下，发生反应。
碳负离子的结构与碳正离子或碳自由基 不同，因为带负电荷的碳原子最外层有3对 成键电子和1对未成键电子，这样的4对电子 需要采取相互远离的方式排列，因此碳负离 子采用sp3杂化轨道成键，未成键电子对与3 个共价键形成一个四面体结构。碳正离子、 碳自由基和碳负离子的结构对比如下图所示 。
有机化学II14二羰基化合物
OO CH3C C- H C OC2H5
电子的分布不同
CH3 C CH2COOC2H5 O 互变异构
CH3 C CHCOOC2H5 OH
质子的转移
共振杂化体与互变异构本质区别！
酯缩合反应 Claisen 酯缩合
-酮酸酯
2 CH3COOCH2CH3
NaOC2H5
CH3COCH2COOC2H5 + C2H5OH
C CH2
C
O
O CH3 C
H O
C CH2 O
H O
O
CH3 C CH2 C O
CH3COCH3
（乙）酸式分解
O
O
CH3C CH2COOC2H5
40%NaOH
Δ
2CH3CONa + C2H5OH
酸式分解的机理：
O
O
CH3 C CH2 C OC2H5
OH
O-
O
CH3 C CH2 C OC2H5
OH
CO2C2H5
CO2C2H5
+
CO2C2H5 +
O NaOC2H5
OO C CO2C2H5
O C CH3
NaOC2H5
O
O
C CH2 C
O CH3CH2CO2C2H5 + H3C C CH3
NaOC2H5
O
O
H3C C CH2 C CH2CH3
β-二羰基化合物碳负离子的反应
1、与卤烷反应
OO CH3CCH2COC2H5
CH3COCHCOOC2H5 (CH2)nCOOC2H5
1）稀OH -,2）H+,3）Δ
酮 式 ·分 解
碳负离子的反应
第14章 碳负离子的反应——β-二羰基化合物§ α-H 的酸性和互变异构α-H 的酸性 1、-H 的酸性在有机化学中,与官能团直接相连的碳原子均称为-C ；-C 上的氢原子均称为-H; -H 以质子形式解离下来的能力,即为-H 的活性或-H 的酸性;因此烃也可叫做氢碳酸;表14-1-1 常见化合物-H 的p K a 值羧酸衍生物中的-H 的活性一般比醛酮为弱,但酰氯中由于氯原子与羰基的共轭程度差且吸电子效应强,反而使其-H 的酸性增强;酸性大小： 酰氯＞醛、酮＞酯＞酰胺 Cl ：吸电子诱导＞给电子共轭 O ：给电子共轭＞吸电子诱导 2、影响-H 的酸性的因素1-C 所连接的官能团及其官能团的吸电子能力;总的吸电子能力越强,-H 的酸性就越大；2取决于氢解离后生成的碳负离子carbanion 结构的稳定性;负离子上电子的离域范围越大越稳定；3分子的几何形状、介质的介电常数、溶剂等都有关系; 3、β-二羰基化合物α-H 的活性分析乙酰乙酸乙酯是一个典型的1,3-二羰基化合物,由于受两个羰基的吸电子作用,亚甲基上的H 特别活泼,和碱作用形成稳定的负离子;负离子特别稳定是因为负离子可以同时和两个羰基发生共轭作用,具有比较广泛的离域范围;烯醇负离子其他1,3-二羰基化合物情况相似,其他的吸电子基团如硝基、氰基等与羰基作用相同在含有氢的碳原子上连有两个吸电子基团的化合物都含有一个活泼的亚甲基,它们统称为含活泼亚甲基氢 的化合物;β-二酮 β-羰基酸酯 丙二酸酯 氰乙酸酯 硝基乙酸酯 活泼氢化合物的双重反应性能： 碳负离子 烯醇负离子 氧负离子 一般情况下,这些物质在反应时可以看作是碳负离子对其它官能团的亲核加成反应;酮式和烯醇式的互变异构可以看作是活泼H 可以在α-C 和羰基O 之间来回移动;1、酸碱对互变平衡的影响痕量的酸、碱甚至是玻璃仪器都能促使平衡的快速建立; 1酸催化过程在酸催异构化过程中,酸首先与羰基氧原子作用形成盐,其共轭碱——水再夺取-H 形成烯醇; 2碱催化过程碳可以直接和α-H 结合,同时形成一个碳负离子;通过电子对的转移,碳上的负电荷转移到氧上,形成烯醇负离子;2、化合物的结构对互变平衡的影响通常,单羰基化合物中的烯醇式异构体含量很少;两个羰基被一个碳原子隔开的化合物；当同一碳原子上连有两个吸电子基团时,这样的化合物其酸性则明显增强;酮式中碳氧π键比烯醇式中碳碳π键更稳定-二羰基结构的化合物,在平衡状态下其烯醇式的含量较高;通常以平衡混合物的形式存在;例：乙酰乙酸乙酯三乙酮式% 烯醇式%这类化合物的烯醇式异构体具有较大稳定性的原因有二：①通过分子内氢键,形成稳定的六元环状化合物；②羟基氧上的未共用电子对,可以通过p-π共轭发生离域,使分子内能降低;4、异构化对化学性质的影响1与FeCl3的显色反应烯醇式含量多的物质；2与溴的四氯化碳溶液加成；3-H氘代快速确定-H 的个数；4构型变化;如-C是手性中心并且手性碳上有氢原子,会发生外消旋化;如-C不是手性中心则不会发生外消旋化;碳负离子形成及其基本原理1、碳负离子的形成及其稳定性碳负离子是以一个带有负电荷的碳为中心原子的中间体,是有机化学反应中常见的活性中间体;如甲基负离子、烯丙基负离子、苄基负离子、三苯甲基负离子等;碳负离子可以通过金属有机化合物异裂而产生;碳氢键的碳原子上存在吸电子基时易形成碳负离子;如：1内部条件能形成碳负离子的化合物从结构上讲,至少含有一个氢的碳原子的邻位要有一个活化基团,一⇨活化基团的作用：①由于其吸电子作用,使氢碳酸的酸性增加,而容易脱质子化；②使形成的C的负电荷离域而趋于稳定;22652除了要有一个活化基团外,分子中的其它基团的空间效应和电子效应对C—的形成和稳定性也有影响,其中空间阻碍影响最大;2外部条件有了一个带有活化基团的化合物后,还必须加入碱,才能把α-H交换下来,形成碳负离子;选择强度适合的碱,酸性弱的α-H要用强碱,反之用较弱的碱;在选择碱的时候,还要分清哪些碱是强亲质子性的与质子结合的能力,哪些碱是强亲核性的与碳正离子的结合能力,哪些是两种都有的;这是因为在形成C的过程中,碱可能进攻碳原子,也可能进攻质子氢;一般来说,亲核试剂的亲核性能大致与其碱性的强弱次序相对应;对具有相同进攻原子的亲核试剂,碱性愈强者,亲核性愈强;⇨下面列出常用碱的性能：1具有强亲质子和强亲核能力的碱：HO,CH3O,C2H5O,RS,CN等；2具有强亲质子弱亲核能力的碱：H,NH2；3具有强亲质子相当弱亲核性的碱：Et2N,C6H 5N,Me3Si-N;在形成碳负离子的外部因素中,还应指出的是溶剂的影响;假如溶剂的酸性比氢碳酸强的多的话,就不能产生很多的C,因为刚形成的碱性很强的C夺取溶剂的质子,又成为原来的化合物内返作用;一般应采用极性大但酸性弱的溶剂,即非质子溶剂;有以下几种配合：1t-BuOH,溶剂用t-BuOH或DMSO、THF；2NaNH2,溶剂用液氨或醚、苯、甲苯、1,2-二甲氧基烷苯等；3NaH、LiH,溶剂为苯、醚、THF等；4C6H53CNa,溶剂为苯基醚、液氨等;为了满足合成的需要,常常需要形成单一部位的烯醇盐;因此需要从形成碳负离子时的条件上加以控制：①动力学控制,形成碳负离子部位碳氢被碱提取质子的相对速度;一般在较低温度下和体积较大的碱时,易使碳负离子在位阻较小部位的碳氢键处形成；②热力学控制,两种碳负离子能相互转化并达到平衡,一般在较高温度、体积较小的碱条件下,取代基较多部位的碳氢键易于形成碳负离子如：2、碳负离子的反应C形成后虽然是共振稳定的具有很高的能量,可以发生多种亲核加成反应,重要的四类反应用通式表示如下：1与含羰基的化合物2酰基化反应：与羧酸及其衍生物的羰基发生亲核加成接着失去RO或Z形成β-酮酯或β-二酮,这是酯缩合型反应,总的结果是在C上带上一个酰基;3与烷基卤化物的反应4与活泼烯烃的加成反应§缩合反应Ⅰ——羟醛缩合见第11章醛与酮α-H的反应§缩合反应Ⅱ——Mannich反应Mannich反应甲醛与仲胺在弱酸性介质中亲核加成,再脱水形成正碳离子与醛酮、羧酸、酯、硝基化合物、腈的α-C,以及端炔、酚的邻、对位等具有负碳离子性质的位置偶联,称为Mannich反应,又称胺甲基化反应;1、反应通式2、Mannich反应机理3、Mannich反应举例Mannich反应在合成上的应用1、合成β－氨基酮衍生物例1写出合成路线2、制备,-不饱和酮例2甲基乙烯基酮的制备➢通过Mannich碱产生※弱酸性介质的作用：①使醛与胺亲核加成的产物脱水,形成C+；②质子化羰基使α-C 成为负离子;§缩合反应Ⅲ卤代反应——见第11章醛与酮α-H的反应3、卤仿反应酯的缩合反应1、Claisen缩合两个相同酯之间的缩合Claisen缩合举例：➢Claisen缩合机理1交叉酯缩合两个不同酯之间的缩合➢混合酯缩合举例：2、Dieckmann缩合分子内酯缩合二元酸酯若分子中的酯基被四个以上的碳原子隔开时,就发生分子内的酯缩合反应,形成五元环或六元环的酯,这种分子内的环化酯缩合反应称为狄克曼酯缩合;⇨对称二羧酸酯的Dieckmann 缩合⇨例：Dieckmann 缩合的可逆性在合成上的应用如两个酯基间只隔有三个或三个以下的碳原子时,就不能发生分子内的缩合;但这种二酸酯可以发生分子间缩合,或与不含-H的酯缩合,也均能得到环状羰基酯;如丁二酸二乙酯间的缩合：3、酮的酰基化酮酯缩合反应机理⇨不对称酮的酰基化4、β-二羰基化合物的互变异构现象5、酮或酯的酰基化反应在合成上的应用——制备β-二羰基型化合物1, 3-二羰基化合物➢1, 3-二羰基型化合物的反合成分析例 1反合成分析例 2反合成分析例 3反合成分析➢合成路线例2例3⇨1, 3 -二羰基化合物的烷基化反应例4§缩合反应Ⅳ复习1、羰基α位的反应——酰基化Claisen缩合, 交叉酯缩合,Dieckmann缩合和烷基化➢本节重点：羰基α位的酰基化和烷基化在合成上的应用2、酮式水解和酸式水解乙酰乙酸乙酯的制备及在合成中的应用合成等价物丙酮1、乙酰乙酸乙酯的合成乙酰乙酸乙酯−−−−→2、在合成中的应用1制备取代丙酮甲基酮类化合物➢扩展：制备环烷基甲基酮2制备甲基二酮类化合物➢扩展：制备2, 5-己二酮3通过酰基化制备β-二酮类化合物丙二酸二酯的制备及在合成中的应用合成等价物丙酮1、丙二酸二酯的合成丙二酸二酯−−−−→2、在合成中的应用1制备取代乙酸➢扩展：制备环烷基乙酸2制备二元羧酸羰基α位酯基的作用——活化、定位、引导断键例：比较以下两条合成路线,你认为哪种较好,为什么例 1分析并写出合成路线➢合成线路a➢合成线路b例 2分析并写出合成路线§缩合反应ⅤMichael加成碳负离子与,-不饱和羰基化合物发生的1,4-加成反应,叫做Michael反应;这是形成碳碳键的重要方法之一;1、反应通式2、反应机理Micheal加成后,再发生分子内的羟醛缩合或酯酮缩合,形成六元环状α,β不饱和酮或1,3-环己二酮;1、反应通式2、Robinson成环举例Knoevenagel反应在弱碱性催化下,醛酮与具有活泼亚甲基的化合物的缩合反应;常用的碱性催化剂有吡啶、哌啶、胺等;1、反应通式2、反应特点➢类似Aldol缩合；➢双活化基团的羰基化合物为烯醇负离子供体；➢弱碱催化一般为胺类化合物或吡啶;3、反应机理➢由于使用的是弱碱避免了醛酮自身的缩合,扩大了醛酮的使用范围;4、Knoevenagel反应举例Perkin反应类似Aldol缩合碱催化下,芳醛和酸酐反应生成-芳基-,-不饱和羧酸的反应;催化剂常用与酸酐相应的羧酸盐;1、反应通式➢最简单的Perkin 反应2、反应机理⇨当芳环上有吸电子基时加速反应进行,有推电子基时使反应难以进行;脂肪醛不能进行反应;⇨参加反应的酸酐必须具有至少两个-H;3、Perkin反应的应用香豆素一种重要香料Darzen反应强碱醇钠、氨基钠作用下,醛、酮与-卤代酸酯反应生成,-环氧酸酯的反应;1、反应通式2、反应机理3、Darzen反应的应用——合成环氧酸酯,合成比原料醛、酮多一个碳的醛、酮例1由环己酮转化成其他化合物例2由苯甲醛转化成其他化合物Reformatsky反应在惰性溶剂中,α-溴卤代酸酯、锌与醛或酮互相作用,得到β-羟基酸酯的反应称为瑞佛马斯基反应;如能进一步脱水,则生成,-不饱和酸酯;1、反应通式2、Reformatsky反应的特点及用途1该反应的历程与格氏合成类似；2有机锌试剂活性比格氏试剂小它不与酯进行加成；3有机锌试剂在空气中会自燃,因而不单独制备；4该反应可用以合成β—羟基酸酯、α,β—不饱和酸酯以及α,β—不饱和羧酸;⇨α-卤代酸酯的反应活性⇨有机锌试剂：镁、锂、铝试剂∙无水操作；∙反应在有机溶剂中进行,溶剂为惰性溶剂；∙锌粉需活化;3、Reformatsky反应的应用安息香缩合芳香醛在CN—催化下二聚为α-羟基酮的反应;安息香二苯乙醇酮1、反应通式2、反应机理⏹ 安息香的进一步反应——氧化和还原 ⏹ 二苯乙二酮重排 反应机理3、安息香缩合反应的应用§ 缩合反应ⅦWittig 反应及其合成上的应用 1、磷Ylide —Wittig 试剂➢ 不同类型的磷Ylide2、Wittig 反应A 、通式B 、反应机理C 、Wittig 反应举例D 、Wittig 反应的立体化学➢ 生成 E 型和Z 型混合烯烃；➢ 反应的立体选择性尚无规律可预测; Wittig 反应在合成中的应用 1、制备烯烃 ➢ 合成路线2、通过烯基醚引入醛基例： 3、Wittig 反应的改良——Wittig-Horner 反应Wittig 反应遇到的问题：副产物Ph 3P=O 较难除尽;⏹ Wittig-Horner 反应对底物的要求 ——碳负离子上必须连有一个稳定基团； ⏹ 几种类型的Wittig-Horner 试剂⏹ Wittig-Horner 反应与传统 Wittig 反应比较 4、硫内鎓盐硫ylides硫叶立德ylides 可与羰基化合物作用,而生成环氧类,反应性与磷酸或磷类叶立德 ylides 不同产生烯类;之所以会有这样不同的反应活性,在于磷一氧的键能比硫一氧的键能强; 硫及亚砜的叶立德Ylides,其反应活性介于亚砜和砜之间：硫的叶立德 ylides 反应时受动力学控制,从轴向位置进攻,即生成的环氧化合物以氧原子在横键为主：而亚砜的叶立德 ylides 反应时受热力学控制,即生成的环氧化合理以竖立键为主：§ 缩合反应Ⅷ缩合反应中区域选择性问题 1、不对称酮的烯醇负离子化2、通过烯醇锂盐或烯醇硅醚的“定向”羟醛缩合 烯胺的性质和在合成中的应用 1、烯胺和烯胺的制备Ylide Ylene Wittig 试剂邻位两性离子,有亲核性烯醇负离子的氮类似物2、烯胺的性质3、烯胺的反应举例4、烯胺的反应机理⇨解释：烯胺反应的区域选择性5、合成上应用举例➢合成路线1可能存在的问题：•一般条件下有醛的自身醇醛缩合；•需要强碱、低温,产率可能不好;➢合成路线2：通过两次烯胺的Michael 加成⇨烯胺反应特点小结1烯胺可方便制备、分离和纯化；2通过烯胺的反应避免了羰基化合物的自身缩合等副反应；3烯胺的反应与烯醇负离子的类似反应在选择性上有所不同;。
碳负离子在有机合成中的应用
碳负离子在有机合成中的应用翟迈豪化基7班 2013301040201摘要：在某些有机化学反应中，经常遇到C-H键的断裂的情形，裂解出来的质子为反应体系中的碱或Lewis碱所接受，所留下来的+3价的碳原子像胺类化合物一样带有一对孤对电子，这就是碳负离子。
本文综述了碳负离子的各类反应，反应机理及其在有机合成中的应用，并对一些反应做出了必要的分析。
关键词：碳负离子反应有机合成应用一、碳负离子的形成1.碳氢酸脱质子作用2.亲核试剂对活性烯烃的加成作用3.活性烯烃亲核反应逆反应逆的Michael加成、逆羟醛缩合、逆的Claisen酯缩合，都是由碱引起了原来缩合反应的逆反应而重新生成反应物和碳负离子4.还原金属化作用烷基和芳基锂化物及格氏试剂都象碳负离子那样起作用,在醚溶液中它们成离子对形式而存在5.溶解金属还原(自由基反应)金属溶解时就发生电子加成作用,首先形成负离子基,然后形成双负离子。
二、碳负离子的反应1.亲核加成反应（包括加成-消除反应）（1）羟醛缩合反应在碱的催化作用下,一分子带有α-氧的酸或酮失去质子形成碳负离子,与另一分子酸或酮发生亲核加成反应生成β-经基醛或酮,然后在高温或者强酸/碱条件下脱水而生成α,β-不饱和酸酮。
（2）普尔金(Perkin)反应由不含有α-H的芳香醛（如苯甲醛）在强碱弱酸盐（如碳酸钾、醋酸钾等）的催化下，与含有α-H的酸酐（如乙酸酐、丙酸酐等）所发生的缩合反应，并生成α,β-不饱和羧酸盐，后者经酸性水解即可得到α,β-不饱和羧酸。
（3）脑文格(Knoevenagel)反应在Perkin反应的基础上进行了改进,把产生碳负离子的酸酐换成带有吸电子基的活泼亚甲基化合物,碱由羧酸盐改为有机碱(如吡啶、六氢吡啶、一级胺、二级胺等)，溶剂一般为苯和甲苯，反应得到α,β-不饱和化合物。
弱碱的使用避免了醛、酮等化合物自身羟醛缩合副反应发生,因此优化条件后底物的范围得到极大的拓展，芳香醛，酮，脂肪醛均能够发生反应。
有机化学第十四章-二羰基化合物
有机化学第十四章-二羰 基化合物
第十四章 -二羰基化合物
（4）：分子内酯缩合——成环
作业5（4）
成环
（3）酮与酯在乙醇钠作• 常用丙酮或其他甲基酮和酯缩合来合成 -二酮。
• 注意：与羟醛缩合反应不同（稀碱条件下，生成 ，-不饱和醛）。P286
（4）克诺文格尔缩合反应 *——制备，-不饱和酸
• 醛、酮还可以和-二羰基化合物（一般是丙二酸及 其衍生物），在弱碱（氨或胺）作用下缩合：
•烯醇负离子的共振式：
• 由于有烯醇式的存在，所以叫烯醇负离子；又由于亚 甲基上也带有负电荷，反应往往发生在此碳原子上， 所以这种负离子也称为碳负离子。
14.2 -二羰基化合物碳负离子的反应
主 要
• 碳负离子的反应类型： (1)与卤烷反应:即羰基碳原子的烷基化或烷基化反应 (2)与羰基化合物反应:常称为羰基化合物和-二羰基化合 物的缩合反应;当与酰卤或酸酐作用可得酰基化产物; (3)与, -不饱和羰基化合物的共轭加成反应或1,4-加成 反应.
与“三乙”可再 反应合成二酮!
(5) 与酰卤或酸酐作用——羰基亲核加成-消除反应
例：与酰氯的反应（得到酰基化产物）
NaH
•在 非 质 子 溶 液中进行
• 酮式分解得：-二酮
• 在合成上乙酰乙酸乙酯更多的用来合成 酮类。(合成羧酸时，常有酮式分解)
补充7
与酰卤作用
• 酮式分解得：-二酮
补充8
碳负离子的反应
O
Nu:
H2C
CH
C
R
例如：
CH2(CO2C2H5)2 + CH2 C CO2C2H5 C6H5
NaOC2H5 55~66%
(H5C2O2C)2CH CH2 CH CO2C2H5 Ph
酮式分解 ① 稀OH-② H+ ③
CH 3COCH 2R 甲基酮 CH 3COOH + RCH 2COOH 取代乙酸
CH3COCHCOOC2H 5 R
① 浓OH- ② H ③
酸式分解
+
(a). 酮式分解
CH3COCH2COOC2H5 5%NaOH CH3COCH2COO
-
H+
CH3COCH3
CO2
(b). 酸式分解
(1).乙酰乙酸乙酯与伯卤代烷的亲核取代反应:
CH3COCH2COOC2H5
RX
C2H5ONa
[CH3COCHCOOC2H5] - Na+
[CH3COCCOOC2H5] - Na+ R
CH3COCHCOOC2H5 R
(CH3)3COK
R' R'X CH3COCCOOC2H5 R
(2). 乙酰乙酸乙酯在有机合成中的应用
CH2(CO2C2H5)2 + CH2
CH CHO
NaOC2H5 HOC2H5
(H5C2O2C)2CHCH2CH2CHO
O
O
+ CH2 CHCO2Et
O
EtONa, EtOH
第6章 羰基化合物的反应
6.1 羰基化合物的反应机理
醛酮的亲核加成反应
R'
R
C O ＋ A : Nu
- A+
慢
Nu R'
R
Nu O
＋A+ R' 快
C
C
R
OA
6.1 羰基化合物的反应机理
R' R C O ＋ A : Nu -A+ 慢 Nu R' R C O Nu
＋A+ R' 快
C R OA
影响亲核加成反应活性的因素 电性因素 空间因素 Nu的亲核能力
希夫碱 肟 腙 苯腙
C=N-R C=N-OH C=N-NH2
H2N-NH-CONH2
6.4 羰基化合物加成的立体选择性
Nu
a a
R1 C R2 O
b
Nub
R1 R2
* C OH
R1 R2 C* Nu
OH
1. R1=R2 无手性碳，得同一化合物 2. R1R2, 且R1, R2无手性碳，产生新手性碳，外消旋体 3. R1R2, 但R1, R2有手性碳，产生新手性碳， 立体化学复杂，Nu的进攻方向遵守“Cram 规则”
高等有机化学
第6章 羰基化合物的反应
第6章 羰基化合物的反应
6.1 羰基化合物的反应机理 6.2 羰基加成反应及产物 6.3 加成-消除反应 6.4 羰基化合物的反应活性和加成的立体选择性 6.5 碳负离子 6.6 各种重要的缩合反应 6.7 羰基与叶子立德的反应 6.8 羧酸衍生物的亲核加成 6.9 亲核性碳 6.10 特殊和普遍的酸碱催化 6.11 分子内催化作用
85 %
(CH 3)2CHCHO + CH 2(COEt) 2
碳负离子及羰基化合物的反应
3）芳香性
-
符合休克尔规则的C
B：
R B： H R -
稳定
反芳香性，反应速度慢
H
R
4n+2=6, 芳香性，反应速度快
R
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4) 溶剂
-
非质子性的溶剂利于C
δδ+
的裸露
+ H
R
M
OH
-+ H OH
-
δ-
O
δ+
CH3 CH3
-+ HR
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
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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
+
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：
O O O
O + OM O
R
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二、烯醇和烯胺
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
OH R O C B CH2 R' +
O
-H
R B
C
-H O +
CH
R'
R
C
R-C=CHR'
高等有机合成化学 02.2 羰基化合物的缩合反应
12
合成上利用曼尼希反应可在活泼亚甲基上引入胺甲基。 后者能进行多种类型的转变，从而广泛用作合成的原料 或中间体。这类应用中最普遍的是,-不饱和羰基化合 物的制备。如：
C6H5COCH2CH2CH3 (HCHO)3 (CH3)2NH2 Cl-
.
C2H5OH
C6H5COCHCH2NH(CH3)2 ClC2H5
27
反应过程中，酸酐在羧酸碱金属盐催化下形成碳负离子。 后者与芳醛发生亲核加成生成一种醇盐。然后发生分 子内的酰基转移并得到-羰氧基衍生物，经与酸酐作 用并消除乙酸基，水解而得产物-芳基丙烯酸。
C 6H 5 (CH3CO)2O CH3COOK CH3COOCCH2O
-
O OC O O
C6H5CHO H
2.2.6
2.2.7
Stobbe反应
Darzens反应
2.2.8
Reformatsky反应
4
2.2.1 羟醛缩合
含有-活泼氢的醛或酮在碱或酸的催化下生成-羟 基醛或酮，或经脱水生成,-不饱和羰基化合物的 反应称为羟醛缩合。 反应通式：
RCH2CR' O OH /H
+
R' R RCH2C CHCR' OH O
同时催化剂改用有机碱如吡啶、六氢吡啶等（氨本身也 能用），由于有足够活泼的氢，因此在弱碱作用下，就可 以产生足够浓度的碳负离子进行亲核加成。 因为使用了弱碱，可以避免醛、酮的自身缩合。 反应一般在苯或甲苯中进行，同时将产生的水分离出去， 此法所用温度较低，产率好。
22
反应机理
23
在合成上， Knoevenagel反应可用于,-不饱和酸、腈、 硝基化合物的制备。
CHO CH2COO NH2CH3
碳负离子的反应
-
ClCH2CH2CCH3
O CH3C-CH-COOEt CH2CH2CCH3 O
OH H2O
-
H
+
- CO2
O
O
CH3CCH2CH2CH2CCH3 + CH3COOH
用乙酰乙酸乙酯合成二羰基化合物
O O O CH3CCH2COC2H5 NaOC2H5 O O
O XCH2CCH3 1. OH2. H ,
CH2CH2COOH CH2CH2COOH
COOC2H5 COOC2H5
CH2(COOC2H5)2
2 C2H5ONa
Br(CH2)4Br
1) OH2) H+
COOH
合成螺环化合物
CH2(COOC2H5)2 2NaOC2H5 BrCH2CH2CH2Br
CH2OH CH2OH
CO2C2H5 CO2C2H5
CH3C=CHCOC2H5
O O
CH3CCH2COC2H5
O
NaH
-H2
O
CH3COCl
O O CH3COCCH3
CH3CCHCOC2H5
O
O COCH3
Na+
OO CH3C=CHCOC2H5
CH3C-CH-COC2H5
CH3COOC2H5
O
以乙酸乙酯为原料合成4-苯基-2-丁酮
CH3CCH2CH2C6H5
Y ArCHO + CH2 Z or
N H N
Ar
Y CH C Z
O
Y、Z 为吸电子集团如：
COOH CH2 COOH
O CCH3 CH2 CCH3 O
COOEt CH2 COOEt
羰基化合物的反应
(79%)
醛、酮的混合缩合（又称交叉缩合），即克莱森-施密特缩合，要得到单一的产物，
其中一个组分应无 α-H。
C6H5CHO + CH3CHO 羰基组分 α-H组分
NaOH 20oC
OH
C6H5CH CH2CHO ∆
C6H5CH=CHCHO
由于大共轭体系的形成，使乙醛的自缩合反应成为次要的
O C6H5CHO +
R1CH H
OH
C NR2 R2
-H2O
R1CH C NR2 R2
R1CH C NR2 β R2
烯胺是重要的有机合成中间体，其 β-C 有很强的亲核性，具有碳负离子的性
质。
O
+ N H
N β
RX
NX R
H3O
O R
+ N
HH
RX 可以是 α-卤代酮，α-卤代酯，卤代苄，酰氯等。
烯胺的烃基化产物水解后即脱去仲胺，恢复原来的羰基。
CN O + H2C
NH4OAc
COOH
CN
C
+ H2O
COOH
CH3NO2 NaOH
CH=CHNO2 + H2O
CHO
CH3COCH2COOEt Et3N
COCH3 CH=C
COOEt
+ H2O
CHO + CH2(COOH)2 吡啶
CH=CHCOOH + CO2 + H2O
O2N
O2N
4．柏金反应，芳香醛与酸酐在相应的羧酸盐（钾盐或钠盐）催化下缩合生成 α，
H
O H3C
H
B
(过量 )
3．克诺文诺盖尔反应，醛酮与其它含活泼氢化合物的缩合。反应历程和羟醛缩
第六章羰基化合物的反应27
31%
H
a H3C H O + b
OH H 反 3 甲基环戊醇 40% H3C OH
H H 顺 3 甲基环戊醇 60%
樟脑
CH 3 CH 3
CH3
CH3
(2)外
CH3
CH3
LiAlH4
OH +
O
H OH
(2)冰片(内型) (10%)
(1)内
空阻差别 不大时， 主要得稳 定产物。
H
(1)异冰片(外型) (90%)
6.6羰基与叶立德（ylide）的反应 1.维蒂希（Witting）反应 2. 季磷盐与维蒂希试剂 3.Wittig试剂在有机合成中应用 4.硫叶立德与羰基的反应 6.7 羧酸极其衍生物的亲核取代 1.BAc2机理 3.AAl1机理 2.AAc2机理 4.AAc1机理 6.8亲核性碳 1.烯醇负离子和硅醚 2.仲胺与醛酮缩合成烯胺 3.噁唑啉衍生物的α-碳负离子
①反应条件：稀碱， 含有α氢的醛或酮； ②产物：β-羟基醛（酮） 或αβ-不饱和醛（酮）。
醇(alcohol) 醛(aldehyde) aldol condensation 羟醛缩合、醇醛缩合
⑴反应机理：
O C + H C OH H C C O C
-H2O C C O C
O R' C CHR H B R'
O C CHR R'
O C CHR
烯醇负离子 (enolate) （较稳定的共振式）
OH R' C CHR
碳负离子
烯醇 (enol)
其它类型烯醇负离子
O R'O C CHR H B
O
O R'O C CHR
碳负离子反应
CH3COONH4
CH3C CHCOOH CH3
Dazen 反应
在强碱(醇钠、氨基钠等)作用下，醛、酮 与α-卤代酸酯反应，生成α,β-环氧酸酯
R O C CHCOOC2H5 (H)R'
R C O + ClCH2COOC2H5 (H)R'
C2H5ONa
O C2H5O + H CH COC2H5 Cl
缩合反应机理：
R CH2 CHO + HO－
O R CH2 C H
O
R
CH CHO + H2O
O
+ R
CH CHO
R CH2
C CH CHO H R
H2O
R CH2 C CH CHO H R
R CH 2
OH C CH H R CHO
+ OH－
2 羟醛缩合反应的衍生类型
（1） Peking 反应
（2）Knoevennagel 反应 （3）Dazen 反应
O
OC2H5
O O C OC2H5
交叉酯缩合反应
不同的具α －H 的酯进行酯缩合时，可能有四种 产物，在合成上无意义
CH3COOC2H5 和 CH3CH2COOC2H5
不具有α-氢的酯可以提供羰基，与具有α-氢的酯 进行酯缩合反应时，可得到较纯的产物。这种缩合 称为交叉酯缩合（crossed ester condensation）。
R－X R CH
COOC2H5 COOC2H5
H2 R C COOH
1. H2 2. H3+O,heat
O,OH-
1.EtONa EtOH 2.R’－X
O R CHC R' OH
羰基化合物的反应
O
O
O
O > RCCH3 > RCR' > ArCR
羰基具有平面结构，亲核剂可从平面的两边进攻羰基碳原子。如果羰基平面
两边的空间条件不同，进攻试剂将主要从空间阻碍较小的一边进攻。
樟脑分子中的桥环不能翻转，有碳桥的一边位阻很大。因此，负氢从位阻小
的碳桥对面进攻羰基碳。
O
1.NaBH4 2.H3O
H
OH +
OH H
(主）
若 Nu 体积很小时，3,5-位碳上直立氢的干扰趋于缓解，但加成过程中新生成的
C-O 单键与 2,6-位平伏 C-H 健之间产生的张力则转化为主要的影响因素。二者的
距离越接近，产生的张力越大。
b
HO
t-Bu
+ HBH3Na H
a
H3O a t-Bu
H3O t-Bu b
OH H
H (次) H
曼尼赫反应在合成上的重要性是由于曼尼赫碱受热立即分解生成 α、β-不饱和羰
NaOH
O CH
+ H2O
HCH=O + CH3CHO (过量 )
无 a-H 羰基活性大
OH
HCHO
(HOCH2)3C-CHO
C(CH2OH)4 + HCOOH
歧化反应
三次羟甲基化
季戊四醇
按碰撞理论，容易理解分子内的羟醛缩合进行得更快。特别重要的是鲁宾逊扩环 反应，它包括麦克尔加成和分子内的羟醛缩合两步：
C O + ROH
OH C
OR
ROH / H3O
半缩醛（酮）
缩羰在有机合成中是重要的保护基。例如（1）：
OR C
OR
碳负离子反应
NaH
pKa
20 ~ 24
最好仍用 PhCOOEt, HCOOEt 等无 －H 的酯
2013-8-9
碳负离子反应
31
• C－烃化程度： RI > RBr > RCl > ROTs • 原因：软硬酸碱理论 亲核中心中，O－ 较 C－ 硬
离去基中， I－很软，OTs－较硬
• 根据软－软、硬－硬作用原理，RI 优先与 C－反应，ROTs 优先进攻 O－。
2013-8-9
碳负离子反应
32
C C O N C N C C O
另： H Cl C Cl Cl
R S C O
2013-8-9
碳负离子反应
3
一. 碳氢键的酸度
• 酸度表示：pKa (以该物质在水中的解离度Ka求得－logKa)
2013-8-9
碳负离子反应
4
活性亚甲基化合物及其它一般试剂的酸性
化合物 CH3COOH NCCH2COOC2H5 CH2(COCH3)2 CH3NO2 CH3COCH2COOC2H5 CH2(COOC2H5)2 CH3OH C2H5OH (CH3)3COH pKa 5 9 9 10 11 13 16 18 19 化合物 C6H5COCH3 CH3COCH3 CH3SO2CH3 CH3SO2C2H5 CH3COOEt CH3CN C6H5NH2 (C6H5)3CH CH3SOCH3 pKa 19 20 ~23 ~24 ~24 ~25 ~30 ~40 ~40
O H3C S CH2 Ph3C NH2
CH3 H3C O CH3
其共轭酸 pKa ~ 40 (CH3CH2)2N
2013-8-9
碳负离子反应
9
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O R-C-C
O
C
R-C
N C O R S O O O N C C C
N
C O -
C
R S O O O N C C
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思考：
稳定性比较：
O H
-
O
>
O
O
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桥头碳负离子，能形成稳定的棱锥形构型。
1) CO2
Cl
..
2) H3O
+ COOH
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碳负离子构型证明：
C6H12 CH CH3
BuLi 1 CO 2
C6H12CH CH3 Li
2 H 3O
C6H12 CH CH3 COOH
I
三、羰基化合物的反应 1、羰基的亲核加成反应
3）芳香性
-
符合休克尔规则的C
B：
R B： H R -
稳定
反芳香性，反应速度慢
H
R
4n+2=6, 芳香性，反应速度快
R
中国药科大学
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4) 溶剂
-
非质子性的溶剂利于C
δδ+
的裸露
+ H
R
M
OH
-+ H OH
-
δ-
O
δ+
CH3 CH3
-+ HR
CH2
-
CH
COOC2H5 OC2H5
H CH2
COOC2H5 H5C2OOCCH2CH2 HCl,H2O, C2H5OH O
CH2CH2COOC2H5
60%
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O
O
例3：
CH3CH2CCH2CH3
CH3CH2CCHCH2CH
CH3
第四章 碳负离子及羰基化合物的反应 (Carbanions and Reactions of Carbonyl Groups)
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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。
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（5）形成烯醇时的动力学与热力学控制
O R2CHCCH2R' B ka O kb O B -
[A] [B]
ka = kb
R2C=CCH2R' A
R2CHC=CHR' B
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CH
R'
R
C
CH
R'
例：
O HO + H CH 2CH HOH + O CH 2 CH
O
CH 2 CH
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证明烯醇负离子方式： （1）同位素跟踪
O
B
O
R' R2 C O
O
' R2CHC-R
O R2 C C
R2 C R'
C
C
R'
+
R-H R -
+
-
H
+
[RH][R' ] pKa-pKa'= log [RH][R' K ] = log [R'H][R K ]
R'-H
R'
+
H
+
[R'H][R ]
已知pKa’值，可求pKa值。
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一些烃的酸度
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R-C=CHR'
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3）通过加成-消除的亲核芳香取代反应
NO2 O 2N OR NO2 NO2
+
OR'
O 2N
-
OR OR ' NO2 NO2
O 2N
OR '
NO2
4）通过金属有机化合物异裂
RLi、RMgX、RC = CNa
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（3）p-d轨道共轭
Ph
3
+
3
-
PhLi PhLi
季鏻盐： P CH Br
+(CH
33
+ Ph3P (CH3)2S +
CH2
-
Ph3 P (CH3)2S
CH2 C H2
C H2
叔锍盐： ) S Br
34
PhLi
+ (CH3)3 N
-
CH2
+-
季铵盐： ) N Cl 反应活性：
(CH
(CH3)2S
+
O O O
O + OM O
R
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二、烯醇和烯胺
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
OH R O C B CH2 R' +
O
-H
R B
C
-H O +
CH
R'
R
C
< 0.1
空间位阻大，去质子速度慢； 烷基取代基多，烯醇负离子稳定性降低。
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2）酸催化
O R C + R OH C CH2 CH2 R' + H +
+
0ºC ， 生成dl外消旋体
-70ºC, 生成80% 外消旋体， 20%构型保持。
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..
C6H13
..
CH3
C
H
C6H13
C
H CH3
C6H13 C
CO2
H
CH3
CO2
..
CH3
H3 +O
COOH C6H13 C H
H3O+
C6H13
去质子速度为反应速度控制步骤。 中国药科大学
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去质子活性与电子效应和空间效应有关。
O B CH3CCH2CH3 O B CH3CCH2C(CH3) 3 H3C O CH3CCH-CH3 O
相对速度 41.5
CH C CH3 CH3
C H3C
CH2
O CH3CH2CCH2CH3+ N H + N CH3CH2 O H2O CH3CH2CCHCH2CH CH3 CH2 C H C CH3 Cl CH3CH2
+ N C
C H
CH3
CH2
ClCH2CH
CH2
CH2CH
+
N H
+
HCl
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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 28pKa 11 -稳定性增加(2) p-π 键共轭，C ph3CH> ph2CH2> phCH3
Cl Cl ) Cl Cl 3 C
( Cl
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H
O + R2 'N + OH C R + R2 'N H C R -H+ R2 'N C R CR2 + R2 'N CR2 CR2 CHR2
H
RCCHR2 + R2 'NH
C R
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O
1、
H
+
HO
N
-H2O
N
+
N H
O
N
CH3 CH3
O H +
HO
N
-H2O
N
+
N H
+
N
PhCH2Cl
N + CH2Ph
H2O
O CH2Ph
+
N H
+
H
+
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O H5C2OOCCH2CH2
O CH2CH2COOC2H5
例2：
N
H C2H5OH
+
N
+