材料化学PPT演示文稿
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
15
（2）胺类化合物 胺甲基化反应中，参加反应的甲 醛是亲电性的，而胺和含活泼α-H的化合物是亲核性的。 反应时，胺类的亲核活性应大于含活泼α-H化合物的亲 核性，这样才能形成氨甲基碳正离子；否则，反应趋于 失败。所以，一般使用碱性较强的脂肪胺，因仲胺氮原 子上仅有一个氢原子，产物单纯，故被广泛采用。当胺 的碱性很强时，可用其盐酸盐。芳胺的碱性较弱，亲核 活性小，产物收率低，通常不采用。
12
二、胺甲基化合反应 1．胺甲基化反应 含活泼氢原子的化合物与甲醛（或其它醛）和具有 氢原子的伯胺、仲胺或铵盐在酸（碱）性作用下进行脱 水缩合，生成氨甲基衍生物的反应称为胺甲基化反应， 也称曼尼希（Mannich）反应，其产物常称Mannich碱或 Mannich盐。反应如下：
13
其酸催化反应历程为：亲核性较强的胺与甲基反应， 生成N-羟甲基加成物，并在酸催化下脱水生成亚甲基铵 离子，进而向烯醇式的酮作亲电进攻而得产物。
称为克莱森-斯密特（Claisen-Schmidt）反应。通式如下：
反应先生成中间产物β-羟基芳丙醛（酮），但其极不稳定，
在强碱或强酸催化下立即脱水生成稳定的芳丙烯醛（酮）。例 如：
9
若芳醛与不对称酮缩合，不对称酮中仅有一个α-位
有活泼氢原则，则产品单一。不论酸或碱催化均得同一 产品。若两个α-位均有活泼氢原子，则可能得到两种不 同产品，如：
2．同分子醛、酮自身缩合 （1）碱催化醛、酮自身缩合反应历程 含有活泼α-H 的醛或酮自身缩合，在碱催化剂的作用下，醛或酮的α-H 被碱夺取，形成负碳离子或烯醇负离子（亚甲基组分）， 作为亲核试剂其亲核活性被提高，很快与另一分子醛或 酮中的羰基（羰基组分）发生亲核加成，经质子转移得
到加成产物（β-羟基醛或酮），脱水后可得消除产物（α、
β-不饱和醛或酮）。反应历程如下：
1
2
由反应历程可见，前三步反应均为平衡反应，而碱 催化的脱水反应是反应能够进行的关键步骤。
对含一个活泼α-H的醛自身缩合，得到单一的β-羟 基醛加成产物。含两个或三个活泼α-H的醛自身缩合时， 若在稀碱溶液、较低温度下反应，得β-羟基醛；温度较 高或用酸催化反应，均得α、β-不饱和醛。实际上，多
碱催化反应历程为：由加成物N-羟甲基胺在碱性条 件下，与酮的碳负离子进行缩合而得。
14
2．反应主要影响因素 （1）含活泼α-H的化合物 用于胺甲基化反应的含 活泼α-H的化合物包括酮、醛、羧酸及其酯类、腈、硝 基烷、炔、酚类及某些杂环化合物。其中以酮类应用最 为广泛。这些化合物分子中若仅有一个活泼α-H，则产 品比较单纯；若有两个或多个活泼α-H时，在一定条件 下，这些活泼α-H可以逐步被氨甲基所替代。如甲基酮 在甲醛和氨（胺）过量时，易发生如下反应。
香缩合。反应如下：
7
其反应历程为：氰负离子对羰基进行亲核加成，形 成氰醇负离子，然后酸性氢转移得氰醇负离子。其向另 一分子芳醛的羰基进行亲核加成，得到的加成产物经质 子转移后脱去氰基。生成α-羟基酮。
8
3．异分子醛、酮交叉缩合
（1）芳醛与含活泼α-H的醛、酮的缩合 芳醛与含活泼 α-H的醛、酮在碱催化下缩合生成β-不饱和醛、酮。该反应
11
生成的多羟基醛又会与过量的甲醛发生康尼查罗 （Cannizzaro）反应（亦称歧化反应），因此甲醛的羟甲基化 反应和Cannizzaro反应往往能同时发生，最后产物为多羟基化 合物。例如：
由此可见，当甲醛与有活泼α-H的脂肪醛在浓碱液中作用时， 首先发生羟醛缩合反应，然后进行歧化反应。这是制备多羟基 化合物的有效方法。
10
（2）甲醛与含活泼α-H的醛酮的缩合 甲醛本身不含活泼 α-H难以自身缩合，但在碱催化下，可与含活泼α-H的醛、酮 进行羟醛缩合，并在醛、酮的α-碳原子上引入羟甲基，此反 应称为羟甲基化反应（Tollens缩合），其产物是β-羟基醛 （酮）或其脱水产物（α、β-不饱和醛、酮），例如：
利用这种特点还可以用甲醛与其他醛缩合成一系列羟甲基醛， 如果采用过量甲醛，则可能在脂肪醛上引入多个羟甲基。例如：
16
（3）酸度 胺甲基化反应通常需在酸性催化剂的弱 酸性（pH=3～7）条件下进行。通常采用盐酸。酸的主要 作用有三：一是催化作用。提供质子，加速反应，但反 应液的pH值一般应控制在3～7，否则对反应有抑制作用； 二是解聚作用。当采用三聚或多聚甲醛时，在酸性条件 下加热可使其发生解聚生成甲醛，保证反应正常进行； 三是稳定作用。在酸性条件下，使生成的曼尼希碱成盐， 稳定性增加。
除了利用Soxhlet抽提器外，尚可利用碱性Al2O3进行酮分子自 身缩合反应。
4
（2）酸催化醛、酮自身缩合反应历程 酸催化作用首 先是使醛、酮分子中羰基质子化并转成烯醇式，其与质 子化羰基发生亲核加成，然后经质子转移，脱水得到产 物。历程如下：
5
在酸催化中，决定反应速度的是亲核加成一步。除 脱水反应外，其余各步反应都是可逆反应。在丙酮自身 缩合中，若采用弱酸性阳离子交换树酯dowex-50为催化 剂，可以直接得到脱水产物（2），收率90%，且操作ห้องสมุดไป่ตู้ 便，不需抽提器装置。
酮的自身缩合，若是对称酮，产品较单纯。若为不
对称酮，不论酸或碱催化，反应主要发生在羟基α-位上 取代基较少的碳原子上，得β-羟基酮或其脱水产物。
6
（3）芳醛的自身缩合 由于芳醛不含活泼α-H，故 不能象含活泼α-H的醛、酮那样在酸或碱催化下缩合。
但芳醛在含水乙醇中，以氰化钠（钾）为催化剂，加热
后可以发生自身缩合，生成α-羟基酮。该反应称为安息
数情况下加成和脱水反应同时进行，由于加成产物不稳
定而难以分离，最终得到的是其脱水产物α、β-不饱和
醛。如：
3
对具有活泼α-H的酮分子间的自身缩合，因其反应活性较
醛低，自身缩合的速度较慢，其加成产物结构更加拥挤，稳定 性差，反应的平衡偏向左边。要设法打破平衡或用碱性较强的 催化剂（如醇钠），才可以提高β-羟基或其脱水产物的收率。 例如，当丙酮的自身缩合反应达到平衡时，加成缩合物（1） 的浓度仅为丙酮的0.01%，为打破这种平衡，可利用索氏 (Soxhlet)抽提器，将氢氧化钡放在上面抽提器内，丙酮反复 回流并与催化剂接触发生自身缩合。而脱水产物（2）留在下 面烧瓶中，避免了可逆反应，从而提高了收率。
（2）胺类化合物 胺甲基化反应中，参加反应的甲 醛是亲电性的，而胺和含活泼α-H的化合物是亲核性的。 反应时，胺类的亲核活性应大于含活泼α-H化合物的亲 核性，这样才能形成氨甲基碳正离子；否则，反应趋于 失败。所以，一般使用碱性较强的脂肪胺，因仲胺氮原 子上仅有一个氢原子，产物单纯，故被广泛采用。当胺 的碱性很强时，可用其盐酸盐。芳胺的碱性较弱，亲核 活性小，产物收率低，通常不采用。
12
二、胺甲基化合反应 1．胺甲基化反应 含活泼氢原子的化合物与甲醛（或其它醛）和具有 氢原子的伯胺、仲胺或铵盐在酸（碱）性作用下进行脱 水缩合，生成氨甲基衍生物的反应称为胺甲基化反应， 也称曼尼希（Mannich）反应，其产物常称Mannich碱或 Mannich盐。反应如下：
13
其酸催化反应历程为：亲核性较强的胺与甲基反应， 生成N-羟甲基加成物，并在酸催化下脱水生成亚甲基铵 离子，进而向烯醇式的酮作亲电进攻而得产物。
称为克莱森-斯密特（Claisen-Schmidt）反应。通式如下：
反应先生成中间产物β-羟基芳丙醛（酮），但其极不稳定，
在强碱或强酸催化下立即脱水生成稳定的芳丙烯醛（酮）。例 如：
9
若芳醛与不对称酮缩合，不对称酮中仅有一个α-位
有活泼氢原则，则产品单一。不论酸或碱催化均得同一 产品。若两个α-位均有活泼氢原子，则可能得到两种不 同产品，如：
2．同分子醛、酮自身缩合 （1）碱催化醛、酮自身缩合反应历程 含有活泼α-H 的醛或酮自身缩合，在碱催化剂的作用下，醛或酮的α-H 被碱夺取，形成负碳离子或烯醇负离子（亚甲基组分）， 作为亲核试剂其亲核活性被提高，很快与另一分子醛或 酮中的羰基（羰基组分）发生亲核加成，经质子转移得
到加成产物（β-羟基醛或酮），脱水后可得消除产物（α、
β-不饱和醛或酮）。反应历程如下：
1
2
由反应历程可见，前三步反应均为平衡反应，而碱 催化的脱水反应是反应能够进行的关键步骤。
对含一个活泼α-H的醛自身缩合，得到单一的β-羟 基醛加成产物。含两个或三个活泼α-H的醛自身缩合时， 若在稀碱溶液、较低温度下反应，得β-羟基醛；温度较 高或用酸催化反应，均得α、β-不饱和醛。实际上，多
碱催化反应历程为：由加成物N-羟甲基胺在碱性条 件下，与酮的碳负离子进行缩合而得。
14
2．反应主要影响因素 （1）含活泼α-H的化合物 用于胺甲基化反应的含 活泼α-H的化合物包括酮、醛、羧酸及其酯类、腈、硝 基烷、炔、酚类及某些杂环化合物。其中以酮类应用最 为广泛。这些化合物分子中若仅有一个活泼α-H，则产 品比较单纯；若有两个或多个活泼α-H时，在一定条件 下，这些活泼α-H可以逐步被氨甲基所替代。如甲基酮 在甲醛和氨（胺）过量时，易发生如下反应。
香缩合。反应如下：
7
其反应历程为：氰负离子对羰基进行亲核加成，形 成氰醇负离子，然后酸性氢转移得氰醇负离子。其向另 一分子芳醛的羰基进行亲核加成，得到的加成产物经质 子转移后脱去氰基。生成α-羟基酮。
8
3．异分子醛、酮交叉缩合
（1）芳醛与含活泼α-H的醛、酮的缩合 芳醛与含活泼 α-H的醛、酮在碱催化下缩合生成β-不饱和醛、酮。该反应
11
生成的多羟基醛又会与过量的甲醛发生康尼查罗 （Cannizzaro）反应（亦称歧化反应），因此甲醛的羟甲基化 反应和Cannizzaro反应往往能同时发生，最后产物为多羟基化 合物。例如：
由此可见，当甲醛与有活泼α-H的脂肪醛在浓碱液中作用时， 首先发生羟醛缩合反应，然后进行歧化反应。这是制备多羟基 化合物的有效方法。
10
（2）甲醛与含活泼α-H的醛酮的缩合 甲醛本身不含活泼 α-H难以自身缩合，但在碱催化下，可与含活泼α-H的醛、酮 进行羟醛缩合，并在醛、酮的α-碳原子上引入羟甲基，此反 应称为羟甲基化反应（Tollens缩合），其产物是β-羟基醛 （酮）或其脱水产物（α、β-不饱和醛、酮），例如：
利用这种特点还可以用甲醛与其他醛缩合成一系列羟甲基醛， 如果采用过量甲醛，则可能在脂肪醛上引入多个羟甲基。例如：
16
（3）酸度 胺甲基化反应通常需在酸性催化剂的弱 酸性（pH=3～7）条件下进行。通常采用盐酸。酸的主要 作用有三：一是催化作用。提供质子，加速反应，但反 应液的pH值一般应控制在3～7，否则对反应有抑制作用； 二是解聚作用。当采用三聚或多聚甲醛时，在酸性条件 下加热可使其发生解聚生成甲醛，保证反应正常进行； 三是稳定作用。在酸性条件下，使生成的曼尼希碱成盐， 稳定性增加。
除了利用Soxhlet抽提器外，尚可利用碱性Al2O3进行酮分子自 身缩合反应。
4
（2）酸催化醛、酮自身缩合反应历程 酸催化作用首 先是使醛、酮分子中羰基质子化并转成烯醇式，其与质 子化羰基发生亲核加成，然后经质子转移，脱水得到产 物。历程如下：
5
在酸催化中，决定反应速度的是亲核加成一步。除 脱水反应外，其余各步反应都是可逆反应。在丙酮自身 缩合中，若采用弱酸性阳离子交换树酯dowex-50为催化 剂，可以直接得到脱水产物（2），收率90%，且操作ห้องสมุดไป่ตู้ 便，不需抽提器装置。
酮的自身缩合，若是对称酮，产品较单纯。若为不
对称酮，不论酸或碱催化，反应主要发生在羟基α-位上 取代基较少的碳原子上，得β-羟基酮或其脱水产物。
6
（3）芳醛的自身缩合 由于芳醛不含活泼α-H，故 不能象含活泼α-H的醛、酮那样在酸或碱催化下缩合。
但芳醛在含水乙醇中，以氰化钠（钾）为催化剂，加热
后可以发生自身缩合，生成α-羟基酮。该反应称为安息
数情况下加成和脱水反应同时进行，由于加成产物不稳
定而难以分离，最终得到的是其脱水产物α、β-不饱和
醛。如：
3
对具有活泼α-H的酮分子间的自身缩合，因其反应活性较
醛低，自身缩合的速度较慢，其加成产物结构更加拥挤，稳定 性差，反应的平衡偏向左边。要设法打破平衡或用碱性较强的 催化剂（如醇钠），才可以提高β-羟基或其脱水产物的收率。 例如，当丙酮的自身缩合反应达到平衡时，加成缩合物（1） 的浓度仅为丙酮的0.01%，为打破这种平衡，可利用索氏 (Soxhlet)抽提器，将氢氧化钡放在上面抽提器内，丙酮反复 回流并与催化剂接触发生自身缩合。而脱水产物（2）留在下 面烧瓶中，避免了可逆反应，从而提高了收率。