邢其毅《基础有机化学》笔记和课后习题(含考研真题)详解(碳负离子 缩合反应)

第15章碳负离子缩合反应
15.1 复习笔记
一、氢碳酸的概念和α氢的酸性
氢碳酸的酸性强弱可用碳上的氢以正离子解离下来的能力表示，用pK a值来表示，值越小，酸性越强。

烷烃的酸性很弱。

烯丙位和苯甲位碳上的氢的酸性比烷烃强。

末端炔烃的酸性更强一些，环戊二烯亚甲基上的氢相对更活泼一些。

1.α氢的酸性
与官能团直接相连的碳称为α碳，α碳上的氢称为α氢。

α氢以正离子解离下来的能力即为α氢的活性（酸性）。

通过测定α氢的pK a值或其与重氢的交换速率可以确定α氢的酸性强弱。

（1）α氢的酸性强弱取决于与α碳相连的官能团及其它基团的吸电子能力。

总的吸电子能力越强，α氢的酸性就越强。

一些常见基团的吸电子能力强弱次序排列如下：
（2）α氢的酸性还取决于氢解离后的碳负离子（carbanion）结构的稳定性。

碳负离子的离域范围越大越稳定。

（3）分子的几何形状会影响α氢的酸性。

（4）与α氢的解离和介质的介电常数及溶剂化有关。

2．羰基化合物α氢的活性分析
羰基的吸电子能力很强，因此羰基化合物的α氢都很活泼。

例如在NaOD—D20中，2-甲基环己酮的α氢均可被氘取代。

（1）羰基使α碳原子上的氢具有活泼性，是因为：
①羰基的吸电子诱导效应；
②羰基α碳上的碳氢键与羰基有超共轭作用。

（2）羰基旁所连的基团的不同导致了它们的α氢的活性也有差异。

可以从这些化合物本身的结构以及它们形成烯醇式后的结构来认识：
含羰基化合物的α氢的酸性从大到小顺序：酰氯＞醛＞酮＞酯＞酰胺
①在酰氯中，氯的存在增强了羰基对α碳的吸电子能力，从而也增强了α氢的活性。

同时氯的吸电子效应也使形成的烯醇负离子因负电荷分散而趋于稳定。

②在酯和酰胺中，烷氧基氧的孤电子对和氨基氮的孤电子对均可与羰基共轭而使体系变得稳定。

③酰胺氮上的孤电子对碱性较强，使共轭体系更加稳定，要解离α氢，形成烯醇负离子需要的能量更多，故酸性比酯还弱。

④当醛基中的氢被烷基代替后，由于烷基的空阻比氢大，从某种程度上讲阻碍了碱和氢
的反应；另外，由于烷基对羰基具有给电子的超共轭作用，因此醛的α氢比酮的α氢活泼。

乙酰乙酸乙酯是一个典型的l，3-二羰基化合物（1，3—dicarbonyl compound）。

由于受两个羰基的吸电子作用，亚甲基上的氢特别活泼，和碱作用可以形成稳定的负离子。

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。

按照共振论的写法，它是下列三个极限结构的杂化体：
二、酮式和烯醇式的互变异构
1．酮式和烯醇式的存在
（1）活泼的α氢可以在α碳和羰基氧之间来回移动，因此羰基化合物存在一对互变异构体：酮式（ketoform）和烯醇式（enolform），它们共同存在于一个平衡体系中。

例如丙酮和乙酰乙酸乙酯的平衡体系表达如下：
丙酮的平衡体系：
乙酰乙酸乙酯的平衡体系
（2）酮式和烯醇式都是确实存在的。

在室温下，难以将它们分离。

在低温适当条件下，可以把两者分开。

（3）酮式是主要的存在形式。

但是随着α氢的活泼性增大，失去氢后形成的碳负离子
的稳定性增大，烯醇式也可能成为平衡体系中的主要存在形式。

（4）酮式及烯醇式的含量和溶剂的极性也很有关系，非质子溶剂对烯醇式有利，因为可以帮助分子内氢键的形成。

如乙酰酸乙酯的烯醇式含量在乙醇中为10％～l3％，而在正己烷中为49％。

2．烯醇化的反应机理
酮式和烯醇式，在酸或碱的催化作用下，很容易发生转变。

（1）酸催化的反应机理表达如下：
首先是酸的质子和羰基氧形成盐，质子化的羰基具有更强的吸电子效应，增强了α氢的酸性，从而形成了烯醇。

（2）碱催化的反应机理表达如下：
碱可以直接和α氢结合，同时形成一个碳负离子。

通过电子对的转移，碳上的负电荷可以转到氧上，新形成的负离子称为烯醇负离子。

3．烯醇负离子的两位反应性能
烯醇负离子的氧端和碳端都带有部分负电荷，因此有两个反应位点。

称这种具有双位反应性能（ambident reactivity）的负离子为两位负离子（ambident anion）。

反应在哪端发生，取决于实际情况：
（1）碳端亲核性强，在亲核反应时，主要是负的碳原子作为亲核试剂去进攻，形成新的碳碳键。

（2）氧端碱性比较强，因此碳负离子和烯醇负离子与质子结合的速率有很大的差别，氢离子和碳结合是一个较慢的反应，而和氧结合是非常迅速的，因此生成的产物不是原来的醛或酮，而是一个烯醇，如有足够的时间，最终都变为稳定的羰基形式的醛或酮。

4．不对称酮的烯醇化反应
一个不对称酮，在碱的作用下可以产生两种不同的烯醇负离子，如果反应完全受动力学控制（kinetic control ），两个不同质子去掉的相对速率之比决定着反应产物的比例。

k a 和k b
是两个相应质子去掉的速率常数，所以
()()
a b ii k k i ＝，但如（i ）和（ii ）彼此可以很快形成一个平衡体系，这时（i ）和（ii ）的比例将由平衡常数决定。

通过对一系列酮的研究，可以总结出下列的规则：
（1）受热力学控制的，主要的产物是取代更多的烯醇负离子（ii）。

（2）动力学控制的是取代最少的烯醇负离子。

根据以上所讨论的事实，在需要产生一个动力学控制的不对称的烯醇负离子时，应尽量避免质子的交换，和其它可能的烯醇负离子形成平衡体系。

为了减小质子交换的速率，在烯醇化反应时，经常选用非质子溶剂和用烯醇负离子的锂盐为碱性试剂。

三、缩合反应
1．缩合反应简述
（1）缩合反应（condensation reaction）：将分子间或分子内不相连的两个碳原子连接起来的反应。

（2）产物：有新的碳碳键形成，同时也有水或其它比较简单的有机或无机分子形成。

（3）常用的缩合剂（condensation agent）：无机酸、碱、盐或醇钠、醇钾等。

如：
完成缩合往往需要经过加成、消除、取代等过程。

因此有些反应既可以归于缩合反应，也可以归于加成、消除等反应。

如Michael加成反应：
2．羟醛缩合反应。