chapter15碳负离子

双位反应性能(ambident reactivty) 两位负离子(ambident anion)。
反应的选择性：
• 在亲核反应时，碳端亲核性强，主要是负的碳原子
作为亲核试剂去进攻，形成新的碳碳键。
• 与质子结合时，氧端碱性比较强，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，因 生成的产物不是原来的醛或酮而是一个烯醇，但烯 醇是不稳定的，因此如有足够的时间、最终都变为 稳定的碳基形式的醛或酮
碱催化机理
碱直接和α-H结合
电子对 的转移
极限结构
共振的杂化体 离域体系
分子轨道理论认为: 形成的负离子是一个离域的 体系，负电荷分布在整个离域体系上，该离域体 系也称为烯醇负离子。烯醇负离子再与质子结合 即得烯醇
乙酰乙酸乙酯酸碱催化烯醇化机理
15.2.3 烯醇负离子的两位反应性能
烯醇负离子特征：有两个反应位点，氧端和碳端都带有部分负电荷
781 kJ/mol
728 kJ/mol
表15-5 一些化合物的烯醇式结构及其含量
• 氢的活泼性增大，失去氢后形成的碳负离子的稳定性 增大，烯醇式可成为平衡体系中的主要存在形式
15. 2. 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 转变酸催化的反应
酸催化机理
• ຫໍສະໝຸດ Baidu的质子和拨基氧形成样盐 • 质子化的碳基具有强的吸电子效应，增强了α-H的酸性 . • 脱氢质子形成烯醇
不同羰基α氢的活性的差异
羰基化合物α-H的酸性比较
酰氯
• Cl的吸电子诱导效应大于给电子共轭效应，增强 了羰基对α-C的吸电子能力，增强了α-H的活性。 • Cl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。 • 酰氯α-H的酸性比醛、酮的强
酯和酰胺
烷氧基的氧和氨基氮的给电子共轭效应均大于吸电 子诱导效应。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，如果解离 α-H形成烯醇负离子，则需要较大的能量，因此它 们的酸性比醛、酮弱 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-H ，形成烯醇负离子需要的能量 更多，故酸性比酯更弱
α-H的酸性比较
酰氯 > 醛 ， 酮 > 酯 > 酰胺
醛和 酮的α-H的酸性 • 当醛基中的氢被烷基代替后，烷基的空阻比氢大，阻碍 了碱和氢的反应
• 烷基基对羰基基具有供电子的超共轭作用 醛的α-H氢比酮的α-H氢活泼
酰氯 > 醛 > 酮 > 酯 > 酰胺
乙酸乙酸乙醋：1,3-二碳基化合物((1,3-dicarbonyl compound)
与质子结合
15. 2. 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),那么两个不同质 子去掉的相对速率之比决定着反应产物的比例。
ka和kb是两个相应质子去掉的速率常数，所以 ka/kb=(ii)/(i)，但如(i)和(ii)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。 假若在上式中(ii)是热力学上最稳定的K= (ii)/(i)就 是一个大数，这时产物的比例是受热力学控制 thermodynamic control)
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。因为负离子可以同时和两个羰基发 生共轭作用，具有比较广的离域范围 其他活泼亚甲基上的氢
15. 2 酮式和烯醇式的互变异构
15.2.1 酮式和烯醇式
活泼的α-H可以在α-C和羰基氧之间来回移动，羰基化合 物存在一对互变异构体酮式(keto form)和烯醇式（enol form)，它们共同存在于一个平衡体系中 在绝大多数情 况下.酮式是主 要的存在形式。
有机化学
第十五章 碳负离子 缩合反应
中南大学药学院 刘苏友 2009-9
15. 1 氢碳酸的概念和α氢（ α-H ）的酸性
烃：氢碳酸 (carbon acid)
碳上的氢以正离子解离下来的能力代表了氢碳酸的酸性强弱 .
一些氢碳酸的pKa值
pKa值越小，酸性越强
15. 1. 1 α-H 的酸性
概念：与官能团直接相连的碳称为α碳(α-C) α碳上的氢称为α-H α-H的酸性: α -H以正离子解离下来的能力即为 α-H的酸性或α-H的活性。
羟醛缩合反应是合成α，β不饱和醛酮的方法
15. 4. 1 羟醛缩合反应的机理
在酸催化下缩合. 然后再失水的反应机理：
烯醇式 亲核加成
质子转移
消除水
羟醛缩合碱催化下缩合失水的反应机理：
碱催化 烯醇负离子 亲核加成 缩合 夺取质子
碱作用下失水
羟醛缩合反应是一个可逆反应， 温度低有利于正向反应，加热回流有利于逆向反应
醛或酮的交叉缩合反应实例
构型
带羰基的大基团总是和另一个大基团成反式
• 醛和酮的定向缩合 (orientation aldol condensation)
问题？
不对称酮发生羟醛缩合反应时，羰基 两旁如有两个不同的（亚）甲基，哪 一个亚甲基提供碳负离子?
在碱性或酸性条件下，均形成包括缩合产物（i） 和（ii）在内的平衡体系
pKa CH3SOCH3 CH3CN CH3COPh CH3NO2 29 25 16 10.21
α氢酸性最强
酸性与化合物结构的关系
• 酸性与官能团的关系
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，氢的酸性就越强
• α -H的酸性取决于氢解离后的碳负离子(carbanion) 结构的稳定性 环戊二烯 丙
一个无α-H的芳香醛提供羰基和一个有α-H的脂肪族
醛、酮提供烯醇负离子，进行混合的缩合反应。反 应在氢氧化钠的水溶液或乙醇溶液内进行，得到产 率很高的α，β不饱和醛或酮。这一反应叫做 Claisen-Schmidt(克莱森一施密特)反应
苯甲醛和乙醛反应：
产物全部变成 肉桂醛！！
醛或酮的交叉缩合反应实例
热力学和动力学控制方式的测定
用一个不对称的酮在非质子溶剂内加人一个很强的碱，如 三苯甲基锂，由于锂的体积很小可以和烯醇式负离子的氧 紧密络合形成（1）,同时保待酮不要过量。因为如有过量 的酮，就会和生成的烯醇负离子(i)发生质子交换，使(i)生 成酮，而过量酮生成（ii),形成一个平衡体系，
因此，在有多余的酮存在下，结果是按上式生成最稳定的 〔ii)，这就成为热力学控制的反应，在形成烯醇负离子后， 用乙酸酐 处理，很快地形成乙酸烯醇酯然后再用气相色谱 分析这两个烯醇酯的比例，就可决定两种烯醇的比例。
对称酮的烯醇化反应的规则
受热力学控制 主要的产物是取代更多的烯醇负离子(ii)因为 双键的稳定性和双键碳原子上取代的基团数 目是有关系的，取代越多就越稳定 动力学控制 主要的产物是取代最少的烯醇负离子，这可 能是由于两个不同质子的空间位阻的不同， 取代基更多的碳原子上的氢比较难以去掉， 所以产生取代基最少的烯醇负离子(i)
酸性与溶剂的关系
α-H的解离和介质的介电常数及溶剂化有关 .
氢碳酸解离后在弱介电常数的溶剂中，往往形成一 个离子簇或离子对，很容易发生内返，再变为原来 的氢碳酸，而不能形成自由的碳负离子
离子对在极性溶剂内的产生不明显，水的介电常数 很高，最有利于化合物的解离，但是水不能作为溶 剂去研究氯碳酸的解离，因为水是比很多氢碳酸强 得多的一个酸. ，所以经常用具有偶极的非质子溶 剂(non-proton solvent),特别是二甲亚砜及二甲基 甲酰胺等，可以减少离子对的形成
催化剂
• 常用的碱性催化剂：氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸 钠、氢氧化钡、乙醇钠及三级丁醇铝等. • 常用的酸性催化剂：磺酸、硫酸、路易斯酸等
应用
β -羟基醛和β -羟基酮很容易失水，有的在反应时 就失水，有的在强碱或强酸的作用下失水，生成α， β不饱和醛(α，β -unsaturated aldehyde)和α，β 不饱和酮( α，β = unsaturated keton)
不对称酮进行羟醛缩合反应时，往往是两种烯醇在平衡 体系中的混合物
如何得到选择性高的单一缩合产物？
• 有机硅化合物的在羟醛缩合反应中的应用
热力学控制的产物
• LDA和三甲基氯硅烷的应用
动力学控制
• 利用亚胺保护醛羰基，LDA夺取亚 胺α-H
醛提供C负离子（α-H醛）和酮羰基的羟醛 缩合
有机化学
Chapter 15 碳负离子 缩合反应 （2）
刘苏友 中南大学药学院
氢碳酸 (carbon acid)
•氢以正离子解离下来的能力
α-H 的酸性 • 酸性与官能团的关系 • 碳负离子 结构的稳定性
碳负离子的离域范围越大越稳定
• 活化基团的数目相关 • 分子的几何形状
• 溶剂
羰基化合物α-H的活性 •羰基的吸电子诱导效应 •超共轭作用，烯醇负离子，碳负离子稳定↑ 酰氯 > 醛 ， 酮 > 酯 > 酰胺 酮式和烯醇式的互变异构 烯醇化的反应机理 • 酸催化机理
加成、消除
取代
取代
Michel加成反应：共轭加成反应，缩合反应
15. 4 羟醛缩合反应
有α-H的醛或酮在酸或碱的催化作用下，缩 合形成β -羟基醛(β -hydroxyl aldehyde)或 β-羟基酮(β-hydroxy ketone)的反应称为羟 醛缩合反应(aIdol condensation),
15.1.2 羰基化合物α-H的活性
羰基化合物的α-H都很活泼：
羰基的吸电子能力很强
原因： 是由于两种不同的电子作用
• 羰基的吸电子诱导效应，它使羰基化合物有一个很强的 偶极矩, 在酸和碱的催化作用下，对α-H的解离都有利. • 碳上的碳氢键与羰基有超共轭作用，α-H作为质子离开 后，变为烯醇负离子〔enolat ion)，由于发生电子离域的 作用增加了碳负离子的稳定性，所以容易形成
原因：
pKa=16 pKa=35
烯
丙烯失去一个质子后，形成的烯丙基负离子是一个普通的 共轭体系。
环戊二烯失去一个质子后，形成的是一个具有4n+2π电 子的单环平面封闭共轭休系，即环戊二烯负离子具有芳香 性，结构特别稳定
一般地讲，碳负离子的离域范围越大越稳定，
• α -H的酸性活化基团的数目相关
在同一个碳原子上连接几个同样的活化基团， 对氢离子的解离度的增加并不等于几个基团作 用的加和，并且愈是最强的活化基团 ，其加 和的结果偏差也就越大
在碱性无质子溶剂中进行反应时， 主要产物是(iii)，因丁酮中C-1甲基 的质子酸性大，位阻小，易与碱结 合，使C-1形成碳负离子, 这步是动 力学控制
在酸性条件下，主要产物是（iv）,因丁酮中C-3上氢与羰 基形成较稳定的烯醇，为热力学控制
因此由C-3提供碳负离子与苯甲醛缩合，平衡 体系中主要是(ii），酸可以把（ii）中的羟基 质子化，以水的形式离去，与羟基相邻的α-C 的质子也离去， α-C提供电子，形成(iv).
反应条件的选择
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.为了减低质子交换的速率，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
15.3 缩合反应简述
将分子间或分子内不相连的两个碳原子连接起来的反应 统称为缩合反应(condensation reaction)。 在缩合反应中，有新的碳碳键形成，同时也往往有水或 其它比较简单的有机或无机分子形成。 常用的缩合剂(condensation agent)： 无机酸、碱、盐 或醇钠、醇钾等
原因： 由于基团的堆积.使这些原子不能在同一平 面上从而减弱了离域作用，因此就不能发挥其全部 稳定碳负离子的作用, pK也就不能按倍数地降低
• α -H的酸性与分子的几何形状
O O > H H H O = O O O O
H
碳负离子的结构所决定 因为氢解离后，不能和它旁边的羰基基发生 共轭作用，如果发生作用的话，“桥头”上 就要形成一个具有双键性质的键，张力非常 大
15.4.2 .缩合反应的类型
• 醛和酮的自身缩合
抑制脂肪族的酮的羟醛缩合可逆反应
脂肪族的酮的羟缩合反应的平衡 大大偏向于反应物方面，往往需 要用特殊的方法，才能使反应朝 右进行
环酮
分子内缩合
分子内缩合
插烯系规则
• 醛或酮的交叉缩合(cross aIdol condensation)
Claisen-Schmidt(克莱森一施密特)反应