第 六章羰基化合物的反应

-4 CH NH > OH NaHSO 3 > 2 3 K=4× 10 Et COH CN 2
SO3Na
7.2 羰基加成反应
与氢氰酸的加成 与亚硫酸氢钠的加成 与金属有机物的加成 与水的加成 与醇的加成 与胺及氨的衍生物的加成 与格氏试剂的加成
与氢氰酸的加成 氰根离子加在羰基碳上，氢加在羰基氧上，生成 氰醇。
B
当羰基邻位 为手性碳原子
分子内无氢键
基团的大小L>M>S
O S Nu R L M S Nu O L R
M
Cram规则I：羰基与不对称原子相连时，反应试剂试 剂从羰基旁空间位阻较小的基团（S）一边接近分子, 得到主要产物。
O C2H5 NaBH3-H C6H5 1) NaBH 4 H CH3 2)H2O C2H5 H
OH C6H5 + H 75% CH3 C2H5 H3C
OH
C6H5 H 25% H
O MeO BrMg-Me Ph Ph Me 1) NaBH4 2)H2O MeO Me
OH Ph + Me 90% Ph Ph MeO
OH Ph Me H 10%
Cram规则II
羰基邻位的不对称碳原子上有羟基、氨基等 能与羰基氧形成羟基的基团时 H Y O Li-CH 亲核试剂从含氢键环的 YH OH H O O L3 OH L 空间阻碍小的一边对羰基加成 HO CH3Li Nu O O
第七章 羰基化合物的反应
Reaction of carbonyl compounds
反应机理 亲核加成反应
加成消去反应 反应活性
反应立体选择性
重要的缩合反应
7.1 羰基化合物反应机理
羰 t āng

C
平面结构 有极性

O
亲核加成
羰基的亲核加成反应机理
亲核试剂
R C O (H)R' R + Nu (H)R' C Nu O
OH OH
O H O O O H
碱和酸都能催化水化反应
碱：B + H2O + RCH=O RCHOOH
酸： RCH=O + HA RCH=O HA + H2O RCH=O
-
RCHO + BH OH
-
+ H2O
RCH(OH)2 + OH
HA RCHOH + A OH2
-
与醇的加成
醛、酮在酸催化下和醇加成形成缩醛、缩酮。缩醛和缩酮能 被酸水解为醛和酮。
R H
C O
干HCl
R'OH
OR' 干HCl C H OH R'OH R
半缩醛
R H
C
缩醛
OR' OR'
CHO + C2H5OH
HCl
OH CHOC2H5
HCl
CH(OC2H5)2
半缩醛和缩醛形成的机理：
半缩醛：亲核加成
缩醛：亲核取代
应用：有机合成中用来保护羰基。
1.直接氧化？
HOCH 2 CHO O HOOC CHO
反应底物
加成产 物
（1）在加成反应过程中，羰基碳原子由原来sp2杂化的三角形 结构变成了sp3杂化的四面体结构； （2）亲核加成的速度影响因素： a.电子效应：羰基碳亲电能 力和亲核试剂亲核性；b.空间效应：羰基周围基团
碱催化： 试剂进攻羰基碳原子 生成氧负离子是决速步
O Nu A C B
慢
为增加试剂亲核性， 常需碱催化
氰基水解
与亚硫酸氢钠的加成
O CH3 + NaHSO3 O
O CH3 SO3Na O
应用：a 鉴别化合物（2-戊酮和3-戊酮） b 分离和提纯醛、酮
分离3-戊酮和2-戊酮的混合物
O C H 3 C H2 C C H2 C H 3 O = =
bp： 102℃
O C H3 C H2 C H2 C C H3 =
活性。醛类中甲醛的活性最大。
-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，能以晶体的形式离析。
空间效应 羰基相连基团越大 越不利于反应进行
H3C H3CH2C (H3C)3C (H3C)3C
C O + HCN
C
O + H2N
R(Ar)
H2O
席夫碱
C N R(Ar) Schiff’s base
C
O + H2N
OH
H2O
C
N OH
醛(酮)肟
C
O + H2N NH2
H2O
H2O
C
N NH2
腙
C O + H2N NH
O2N C O + H2N NH NO2
C N NH
O2N C N NH NO2
苯腙
2,4-二硝基苯腙
应用：醇的制备
同一种醇可由不同的格利雅试剂和不同的羰基化合 物生成：
其他亲核试剂
O C OH H CN H SO3Na C CN OH C SO3Na OH H OH C OH OH H OR C OR OH H NHY C NHY C NY C OR OR
醛、酮的亲核加成反应都有哪些？各有什么作用？
发生。
反应试剂
试剂的体积越小 反应越容易进行 试剂极化度越大 试剂亲核性越强 Et 反应越容易进行 HCN 反应越容易进行 K=38 Et2COH C O Et CH3CH(OH)2 K≈ 1 CH3CHO + H 2O CN 4 K ≈ 10 CH3CHOH CH3CHO + HCN
Et
Et
C O
Ph Ph
R
CH3
S
Ph Ph
R
CH3 CH3
CH3
Nu S Ph
Ph
Cornforth规则
当酮的α-手性碳原子上连卤素原子 由于卤原子与羰基的偶极作用 O O L S S 优势构象是卤原子与羰基在对位交叉位置 L 试剂优先从空间位阻小的一边进攻 Nu
RX Nu X R
O H CH3 CH Cl
• • • • •
加HCN（制腈，制羧酸等） 加NaHSO3（鉴别、分离、提纯等） 加格利雅试剂（制醇等） 加醇（保护醛基等） 加氨（鉴别、分离、提纯等）
7.3 加成反应的立体选择性
羰基化合物的加成反应 有一定的立体选择性 可用来进行手性合成
Cram规则I
A
加成反应 遵循规则 LiAlH4还原 NaBH4还原 格氏试剂加成
H2O
O C O + H2N NH C NH2
H2O
O C N NH C NH2
缩氨脲
应用：鉴别醛酮
与格氏试剂的加成 加成产物水解后生成醇，用于制备各种醇。
δR δ+ MgX + δ+ δ C O OH R C OH + Mg X
R C OMgX
H2O
CHO + C2H5MgBr
1) Et2O 2) H2O
C=O +
R
△
R C R
O O
CH2 + H2O
CH2-OH
CH2 80 ~ 85%
与胺及氨的衍生物的加成
OH C O + HNHY C NHY C NY
C O + H2-NY
C NY
CHO +NH2OH
CH NOH
加成－消去反应：
OH H C= O + H NH G C N G H 2O C= N G
7.4碳负离子
C
H
:B
C:- + BH+
共价键发生异裂 形成带有负电荷的 三价碳原子的原子团
1.碳负离子的结构
..
109º 28′
90º
C
sp3 杂化 棱锥型
C
sp2杂化 平面三角型
孤对电子处于sp3杂化轨道上 电子对间的排斥力小负碳离子稳定
简单的烷基碳负离子的 中心碳原子可能为SP3杂化的角锥形构型 未共享电子对占据正四面体的一个顶点 若孤对电子与邻近的不饱和原子团共轭 为SP2杂化平面构型
K>104
PhCHO
HCN
OH H C CN Ph
K=210
强吸电子基团
H2O Cl3C
CCl3CHO
H
C
OH OH
Cl Cl C Cl H C H O O H
形成分子内氢键 产物稳定，平衡向右移动
CH3— 、 R— 、 C6H5— 等基团具有 +I 、 +C 效 应，使羰基碳原子正电荷减少，降低其反应
②
C O + HCN α C OH
①
CN 腈 羟基睛
CH3COCH3
1) NaCN, H2O 2) H2SO4
OH CH3CCH3 CN
应用：增长碳链的一种方法。 α－羟基腈根据不同的条
件，可以转化为α－ 羟基酸或α，β－不饱和酸。
O CH3 C CH3 + NaCN
H2SO4
CH3
CH3 HCl CH3 CH3 C OH C OH COOH H2SO4 CN CH2=C-COOH CH3 消除+氰基水解
3
OH 1)C2H5MgBr 2)H2O H CH3 Cl CH3
C2H5
若α -手性碳原子上连接的烃基较大 空间效应与电子效应的作用相当 Cornforth规则不适用
O H Cl Ph 1)LiAlH4 2)H2O CH3 H H
OH Ph + Cl 40% CH3 H H3C
OH Ph H
源自文库
Cl 60%
OH CHC2H5
制备各类醇：
HCHO RCH2 OMgX
H 2O H2O
RCH2OH
增加一个C伯醇
R-MgX +
R'CHO
R'CHOMgX R
R'CHOH R
仲醇
R'C=O R'
R R'-C-OMgX R'
H2 O
R R'-C-OH R' 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
NaHSO3
CH CH CCH CH 3 2 2 3
OH C H C H C H C SO N a 3 3 2 2 C H3 O =
bp： 101 ℃
滤液
蒸馏
CH CH CCH CH 3 2 2 3
过滤
3-戊酮 H Cl C H C H C H C C H 蒸馏 3 2 2 3 H2O （粗产物）
= O O = CH CH CH CCH 3 2 2 3
K=10000
O + HCN
OH CN
K=1000
角张力缓解程度不大
醛、酮羰基碳原子所连的基团空间位阻或空间张力
愈大，则羰基的反应活性愈小。这一方面是由于大
的位阻会阻碍亲核试剂的进攻；另一方面醛、酮羰 基碳原子为sp2杂化，键角为1200，而加成产物原羰 基碳原子变成了sp3杂化，键角接近109028’，基团体 积大，加成后必然张力增加也大，使亲核加成难以
分离
沉淀
2-戊酮
与金属有机物的加成
C C ONa CR
C C OH CR
R-CC-Na+
+
C=O
NH3(液) 或乙醚
H2O
炔醇
HC CNa O NH3, -35 C
ONa H O 3 C H
OH C H
与水的加成
OH C O + HOH C OH
HCHO + H2O
O O + H2O O
H C H
Nu
B
A C B + H Nu OH
A
A C B + HA OH
Nu -进攻碳原子 是决速步
使羰基质子化，质子化的羰基碳有更 大的正电性、更容易接受亲核试剂的 进攻。
亲核反应的 影响因素
反应底物 电子效应 空间效应
亲核试剂 亲核性 极化性 空间效应
醛、酮的反应活性
醛、酮与KHSO3的反应产率
羰基化合物 一小时后反 应产率% 70—90 70—90 羰基化合物 CH3COCH(C H3)2 CH3CH2COC H2CH3 C6H5COCH3 一小时后反 应产率% 3
2. 先保护，后氧化：
CH 3OH HCl H H2O OCH 3 HOCH 2 C H OCH 3 HOOC KMnO 4 OH
HOCH 2
CHO OCH 3
HOOC
C H OCH 3
CHO + 2 CH 3OH
酮与醇的反应很慢，生成缩酮比较困难。需要用二元醇 反应可以顺利制得缩酮。
R CH2-OH
率降低或不起反应。
原因：空间阻碍效应
此反应是制备结构复杂的醇的重要方法。
制备举例：
CH3 CH3CH2CH2CH2MgBr + (CH3)2C=O CH3
H3O+ 干醚
CH3CH2CH2CH2COMgBr CH3
CH3CH2CH2CH2COH CH3
2-甲基-2-己醇(92%)
只要选择适当原料，除 甲醇外，几乎任何醇都 可用此法合成。
OH C H3CH2C CN
H3C
K>1
C O + HCN
OH C (H3C)3C CN
(H3C)3C
K<<1
Nu
R R'
C
O
R R'
C
O Nu
sp2杂化 平面三角型
键角：120° 109°28 ′
sp3杂化 四面体
产物中基团拥挤程度增大。 R 越大，妨碍Nu:进攻C原子。
缓解角张力
O
HCN
OH CN
HCHO
RCHO CH3COCH3
CH3COCH2CH 2CH3
2
22 12
1
反应底物
HCHO
RCHO
RCOCH3 RCOR
PhCOR
电子效应 羰基碳上的正 电性越强反应 C O Y 越容易进行
有+I或+C基团 C O Y 反应活性降低 有-I或-C基团 反应活性增加
CH3CHO
HCN
OH H C CN CH3
HNu + B Nu + HB
O A C B Nu
H 或E+
O A C B Nu
OH A C B Nu
碱可以使较弱的亲核试剂H―Nu转化为亲核性较强的亲核试剂 Nu-，从而加速反应的进行。
酸催化：
A C B O
慢
羰基质子化 提高反应活性
H A
-A
A C OH
Nu H A C B OH
B
A C OH