高等有机化学_第5章羰基的亲核加成及相关反应
高等有机10羰基的加成反应
光化学方法在羰基加成中应用
01
直接光激发羰基化 合物
通过紫外光或可见光激发，使羰 基化合物与亲核试剂发生加成反 应。
02
光敏剂参与的光化 学反应
利用光敏剂吸收光能后，与羰基 化合物和亲核试剂发生电子转移， 从而引发加成反应。
03
光催化羰基加成反 应
利用光催化剂在光照条件下，活 化羰基化合物，使其与亲核试剂 发生加成反应。
离子液体在羰基加成中应用
离子液体作为绿色溶剂和催化剂，在羰基加成反应中具有潜在应用价 值。
超临界流体在羰基加成中应用
超临界流体具有独特的物理和化学性质，可作为绿色反应介质和催化 剂载体，在羰基加成反应中发挥重要作用。
微波辅助羰基加成反应
微波辐射具有快速、高效、环保等特点，可用于促进羰基加成反应的 进行，提高反应速率和产率。
可见光催化羰基加成反应
利用可见光作为光源，结合光催化剂的使用，实现温和条件下的羰基 加成反应，具有绿色、环保的特点。
06 总结与展望
各类羰基加成反应特点比较
醛酮加成反应
醛酮是最常见的羰基化合物，其加成反应通常通过亲核试剂进攻羰基碳原子实现。这类反应具有条件温和、 产率较高等特点，但选择性较差。
羧酸及其衍生物加成反应
有机合成
医药领域
羰基加成反应是有机合成中的重要反应之 一，可用于构建碳-碳键和碳-杂原子键。
许多药物分子中都含有羰基结构，羰基加 成反应在药物合成中具有广泛应用。
材料科学
前景展望
羰基化合物可用于制备高分子材料、液晶 材料等，羰基加成反应在这些材料的合成 中发挥重要作用。
随着绿色化学的发展，羰基加成反应将更加 注重环境友好性和原子经济性，实现高效、 绿色的有机合成。
5第五章-羰基的亲核加成及相关反应
羰基的亲核加成及 相关反应
1
羰基的结构与极化：
❖ 醛、酮、羧酸及其衍生物及二氧化碳都含有羰基 ❖ 羰基有一个σ键和一个π键；由于氧的电负性（3.5）比碳
（2.5）大，所以羰基产生极化
2
羰基的结构与极化：
❖ 羰基碳带有部分电荷为亲电中心，容纳正电荷能力差很 不稳定，易受攻击发生亲核加成反应
❖ 羰基氧为亲核中心具有容纳负电荷能力比较稳定
55
Dieckman酯缩合反应：
❖ 当可能生成两种产物时，较稳定的烯醇优先生成， 即失去酸性较大的α-氢生成较稳定的碳负离子
CH3 EtOOCCH2(CH2)2CHCOOEt
EtONa H3C 二甲苯
O
×
O COOEt
COOEt CH3
56
酯酮缩合
❖ 酮的α-碳进攻酯羰基开始，通过缩合失去一 分子醇而生成β-二酮
烃 代 亚 甲 基 三 苯 基 膦
❖ 季鏻盐酸性较弱，要强碱(C6H6Li)才能夺取其中的 质子
28
❖ 季鏻盐的α-位有强吸电子基，则酸性 增强，用普通碱可制备磷叶立德:
29
叶立德与羰基反应：引入碳-碳双键
❖ 反应历程：四元环过渡态
30
含碳亲核试剂的反应
❖ 羟醛缩合（生成β- 羟基醛酮或αβ-不饱和醛酮）
❖ 含活泼氢的化合物。
❖ CHCOR，CHCO2R， CHCO2H，CHCN，CHNO2， RC≡CH，ROH，RSH及苯酚羟基邻、对位的H
23
醛、酮羰基的烯化——Wittig（维荻 许）反应
❖ 1954年 G.Wittig发现该反应 ❖ 1979年 获 Nobel Price ❖ 醛与酮与磷叶立德（ylide）反应生成烯
高等有机化学羰基化合物的反应
R
R
Nu CCCO H
R
Nu C C C OH
R
2） 影响加成方式的因素
a.羰基活性小;b.试剂的亲核性弱时 c.两者空间位阻大时， 一般按1，4 －加成；反之按1，2 －加成：
O PhCH CHC R EtMgBr
Et PhCHCH2COR
Et
PhCH2 CH C R OH
R
H Me Et i-Pr
无a-H的芳香醛在CN-的作用下生成a-羟基酮
OδCH
δ+
Ⅰ
O CH CN Ⅱ
H迁移 极性反转
O OH H C C
CN
OH O CC CN H
Ⅳ
H迁移
O OH
-CN
CC CN H
Ⅴ
O OH C CH
Ⅵ
六、羰基与 Wittig 试剂反应
1、Wittig 试剂制备： 膦的叶立德 (ylid)
Ph3P + X CH R Ph3P CH R
*羰基上空阻大小（空间因素）
*共轭作用存在时羰基稳定，反应活性减少
结论：脂肪醛>甲基酮>环已酮>芳香酮 芳醛>芳香酮
二、 加成-消去反应 OH
R C NHR
C=O + NH2 Y
R
C=NH
*反应机理：亲核加成-
Y
消去反应
NH2 Y 亚胺
*酸催化：控pH=6，
NH2 NH2
R 取代亚胺
（希夫碱） OH
反应需要 过量的强碱
O
O
CH3C CH COEt
无α－H的酯可和有α－H的酯或酮可交叉缩合：
O
O
1. NaH
HCOOEt
(完整版)羰基的亲核加成及相关反应
羰基的亲核加成及相关反应羰基化合物包括醛、酮、羧酸及衍生物和5.1 羰基的结构CO2。
CO亲电中心羰基碳的活性较大，易被亲核试剂进攻而发生亲核加成反应和亲核取代反应。
5.2 亲核加成反应的历程及影响因素 5.2.1 HCN 的加成 反应为碱催化。
v k [ CO ][ CN ]快OH - + HCN CN -+ H 2O- 慢OH 2OOHCN -+ C O C 快 C + OH -CN CN 反应的平衡位置受电子效应和空间效应的影响。
酮正向反应的趋势较小（空阻大）二、亲核加成反应的一般特点 1．反应可以被酸或碱催化 酸催化可提高羰基的亲电活性。
碱催化提高亲核试剂的亲核性。
活性：Nu -> Nu H2．多数醛酮的亲核加成为可逆反应，用于分离与提纯。
5.2.2 影响羰基亲核加成反应活性的因素 一、羰基化合物的结构1．电子效应 羰基碳的正电性越大，亲核加成速度越大，反应活性越大。
羰基碳所连的吸电基（ 加成反应的活性增加，而供电基（ +I ， +C ）则使其活性降低。
活泼顺序：H +C OH C + OHNu H + OHNu -+ H 2O-I ，-C ）使其亲核50%（1） - 共轭效应（增加其稳定性） ；（ 2）+C 效应（降低羰基碳的正电性） ；（3）加成产物失去共轭 能，反应活化能高； （ 4）产物的张力大幅增加。
2．立体效应、试剂的亲核性 对同一羰基化合物，试剂的亲核性越大，平衡常数越大，亲核加成越容易。
1．带负电荷的亲核试剂比起共轭酸（中性分子）的亲核性强。
OH ->H 2O, RO ->ROH 。
2．极性大的分子比极性小的分子亲核性强。
HCN>H 2O （极性与电负性 ）。
3．同周期元素的负离子的亲核性与碱性大小一致； R 3C ->R 2N ->RO ->F - 4．同一主族元素的负离子的亲核性与可极化度大小一致。
I ->Br ->Cl ->F -5.2.3 亲核加成反应的立体化学 一、非手性的羰基化合物的加成前（潜）手性分子 结果得外消旋化产物-I >+C(+C) (+C, 空阻) ( +C > -I) (+C) 活性极低OH> CH 3 C HO >CH 3 C CH 3 >OOO >CH 3CH 2 C CH 2CH 3> Ph C PhR Nu C R' O -R Nu RC Nu R' OH50% dlR R'OCNuH +R R'OHCNu张力增加OH +、手性羰基化合物的亲核加成方向遵守Cram 规则，得立体选择性的非对称异构体产物。
羰基化合物的亲核取代和加成
a n im in e
C N Y + H 2 O H C O + H 3 N Y
第21页
(1) RNH2 and YNH2 反映物YNH2
基团Y
名称
表13-1 氨基衍生物与醛酮加成反映
R
1°胺
OH
羟胺
构造式
R CN
OH CN
生成物
名称
席夫碱（shiff base）
肟（oxime）
NH2
肼
NHC6H5
1) 亲核加成
CO
2) 羰基氧被N取代 C O
Nu E
H2NY
C OE Nu
Y CN
3) 羰基氧被C取代
CO
4) 亲核取代反 映
CO Y
Ph3P CR1R2R1源自CCR2NuCO + Y
Nu
第5页
一、羰基旳构造及反映特性
4. 亲核反映活性
烷基给电子作用
第6页
一、羰基旳构造及反映特性
4. 亲核反映活性
CCCO Hm ajor Nu
CC
m iner
CO H
空间位阻影响
第7页
一、羰基旳构造及反映特性
4. 亲核反映活性
O C RX
酰卤
OO CC R O R'
酸酐
O C R OH
羧酸
O C R OR
酯
O C R' RN
R"
酰胺
酰卤 > 酸酐 > 醛 > 酮 > 羧酸 ~ 酯 > 酰胺 取决于与羰基相连旳基团旳电子效应
第8页
二、羰基旳亲核加成
1. Summary (1) Nucleophiles
第五章 羰基的亲核加成和相关的反应解析
R3C->R2N->RO->F-
4．同一主族元素的负离子的亲核性与可极化度大小一 致。
I->Br->Cl->F5.2.3 亲核加成反应的立体化学
一、非手性的羰基化合物的加成
① R C O + NuR'
①
R C Nu H+ R' O-
-I > +C
(+C) (+C,空阻)
( +C > -I)
(+C)
O
C R 活性极低 R'
（1）-共轭效应（增加其稳定性）； （2）+C效应（降低羰基碳的正电性）； （3）加成产物失去共轭能，反应活化能高； （4）过渡态和产物的张力大幅增加。
2．立体效应 O 张力增加
O-
C
sp2
sp3
活性：
O
O
(1)合成醛
O + Ph3P CHOCH3
CHOCH3
H+
CHO
（2）烯烃（环内烯5-16元环，环外烯）
CHPPh3
＋ CHPPh3
CHO CHO
C9H11 ＋ Ph3P CHCH CH2
OH
天然有机物维生素A的合成
CHO ＋ Ph3P
CO2R DMF
C9H11 H
CO2R
还原
CH2OH
5.3.4 羟醛缩合（aldol condensation） 1. 羟醛缩合 在催化剂作用下，含有-H的醛或酮相互作用，生成 -羟基醛（酮）或,-不饱和醛酮的反应叫羟醛缩合
R2
羰基化合物的亲核加成和取代反应PPT学习教案
1. 概述 ---- 结构、机理、反应活性、立体化学
2. 含O, S亲核试剂
包括H2O, ROH, RSH 和NaHSO3
3. 含N亲核试剂
羰基的保护 (1) RNH2 and NH2Z
醛酮的分离纯化 (2) R2NH
亚胺及其衍生物的形成 烯胺的形成
4. 含C亲核试剂 ---- C-C键的形成
(1) ¯CN (2) ¯C≡CR (3) 有机金属试剂 (4) Ylide试剂
第22页/共82页
二、羰基的亲核加成
3. 含N亲核试剂
(1) RNH2 and NH2Z 可逆，经酸水解可得回醛酮。
C NZ + H2O H
C O + H3NZ
含N亲核试剂不同，产物的结构和名称也各不相 同，见下表。
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(1) RNH2 and NH2Z
反应物
NH Z 名称 2表13-1 氨基衍生物与醛酮加成反应
Nu
Y CN
3) 羰基氧被C取代 4) 亲核取代反应
C O Ph3P
CR1R2
R1 CC
R2
CO Y
第4页/共82页
Nu
C O+ Y
Nu
一、羰基的结构及反应特性
4. 亲核反应活性 --- 醛和酮
烷基给电子作用
第5页/共82页
一、羰基的结构及反应特性
4. 亲核反应活性 --- 醛和酮
空间位阻影响
第6页/共82页
α-羟基腈、α-羟基酸和β-氨基醇 炔醇 各级醇、醛酮
C=C
第41页/共82页
例题与习题
反应活性
1. 下列化合物用氢化铝锂
（LiAlH4）还原时活性最高的是C A、丙酰胺 B、丙酸酯 C、
羰基的亲核加成详解演示文稿
CH=C OEt
H3C
O
CH2 CH2 CH2
CH2 CH2 CH2
CO2Et
α-无取代酯基易 转变为烯醇
缩合反应 可逆
NaOEt
O CO2Et CH3
+
H
O H3C
CO2Et
第45页，共52页。
四、烯胺负离子的反应
O
H3C
+
TsOH,C6H6
N
H3C
N
-H2O
H
α-C上无取代
为烯胺
N
O
H3C
(1)n-C6H13COCl H3C
Me2CCH=O CH2Ph
第47页，共52页。
Ｍannich反应
1917年，罗伯特·鲁宾逊以丁二醛、甲胺和3-氧代戊二酸
为原料，在仿生条件下，利用了曼尼希反应，仅通过一步
反应便得到了托品酮，托品酮的合成是曼尼希反应的经典 例子，被认为是全合成中的经典反应之一。
第48页，共52页。
+
PhCOCH3+CH2=O+Me2NH2Cl
很快
1
1
7.6 80
第4页，共52页。
1)非对映选择性
1
H
OH
空阻大
O 空阻小
还原
OH +
H
t-Bu
2
t-Bu
t-Bu
88%
12%
取代基在e键，
产物稳定
空间位阻差别不大
空阻差别大时，主要得从空阻小的方向进攻的产物
。空阻差别不大时，主要得稳定产物。
O
NaBH4 LiAlH4
OH
+
H
86% 92%
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第五章 羰基的亲核加成及相关反应羰基化合物包括醛、酮、羧酸及衍生物和CO 2。
5.1 羰基的结构COδ+δ-亲电中心羰基碳的活性较大，易被亲核试剂进攻而发生亲核加成反应和亲核取代反应。
5.2 亲核加成反应的历程及影响因素 5.2.1 HCN 的加成 反应为碱催化。
]CN ][CO [k v ->=OH -+HCNCN -+ H 2O快-Cδ+δ-CO -CNCOHCN+OH - 反应的平衡位置受电子效应和空间效应的影响。
二、亲核加成反应的一般特点 1．反应可以被酸或碱催化酸催化可提高羰基的亲电活性。
CO +H ++OH碱催化提高亲核试剂的亲核性。
NuH +OH --+H 2ONu H ->2．多数醛酮的亲核加成为可逆反应，用于分离与提纯。
5.2.2 影响羰基亲核加成反应活性的因素 一、羰基化合物的结构 1．电子效应羰基碳的正电性越大，亲核加成速度越大，反应活性越大。
羰基碳所连的吸电基（-I ，-C ）使其亲核加成反应的活性增加，而供电基（+I ，+C ）则使其活性降低。
活泼顺序：ClCHO > HCHO > RCHO > CH 3COR > RCOOR' > RCONR'2 > RCOO --I > +C(+C)(+C,空阻)( +C > -I)(+C)CO RR'活性极低（1）π-π共轭效应（增加其稳定性）；（2）+C 效应（降低羰基碳的正电性）；（3）加成产物失去共轭能，反应活化能高；（4）产物的张力大幅增加。
2．立体效应CO -sp 2活性：O CHH OC CH 3H OC CH 3CH 3O OC CH 3CH 2CH 2CH 3OC Ph Ph>>>>>二、试剂的亲核性对同一羰基化合物，试剂的亲核性越大，平衡常数越大，亲核加成越容易。
1．带负电荷的亲核试剂比起共轭酸（中性分子）的亲核性强。
OH ->H 2O, RO ->ROH 。
2．极性大的分子比极性小的分子亲核性强。
HCN>H 2O(极性与电负性)。
3．同周期元素的负离子的亲核性与碱性大小一致； R 3C ->R 2N ->RO ->F -4．同一主族元素的负离子的亲核性与可极化度大小一致。
I ->Br ->Cl ->F -一、非手性的羰基化合物的加成CNu O -H+C NuOH50%CO -Nu+COH Nu 50%dl前（潜）手性分子 结果得外消旋化产物二、手性羰基化合物的亲核加成方向遵守Cram 规则，得立体选择性的非对称异构体产物。
C S L C MRO+R'ZC SL M C R'R OZC S L MC R'R非对映异构体还原含 -手性碳的醛酮时，手性碳上两个体积较小的基团（S 与M ）分处于羰基两侧，体积最大的基团L 则与羰基呈反位交叉构象，还原剂从体积的较小S 与M 之间进攻羰基占优势，这就是Cram 规则。
(次)R'ZRR'重叠式交叉式(主要产物)HBr C CH 3PhONaBH 4H OH HBrPhCH 3+HO H HBrPhCH 3(2R)(1S,2R)(1R,2R)苏式(主)赤式(次)MeMe Ph+(优)BH -(1R,2R)(1S,2R)(2R)H+樟脑（刚性桥环不能翻转） 外型冰法 内型冰法转位阻大98.6% 0.4% 86% 14%NaBH 4LiBH(CHCH 2CH 3)3CH 3（位阻增大） 5.3醛酮的亲核加成一、与NaHSO 3的加成O +NaHSO 3COH SO 3Na(白色晶体）亲核中心为硫原子HSO 3-体积大，空间效应明显，只有醛、脂肪族甲基酮和碳原子少于8的环酮才能反应。
C OH SO 3-+CN-C OH CN+SO 32-好的离去基，避免用HCN二、与水加成CO +H 2OC OH OH水的亲核性较小，反应后空阻增大，故不利于水化。
若带吸电基时，有利于水化反应。
三、与醇的加成O +ROHH -或OH -COH OR半缩醛（酮）不稳定C OR C OH OR+H+COH 2CORC OR ORH只被酸催化 缩醛酮 醛与一元醇易形成缩醛，而酮则不易，常用 -二醇形成环状缩酮。
R 2C=O +HOCH 2CH 2OHCOORR +H 2O缩醛（酮）对碱、氧化剂、还原剂、碱金属等稳定，可用来保护醛基和酮基。
四、与金属有机化合物的反应 1、与炔钠加成RC CHRC CNa①O H 3OTHFC OH R'C R''CR 炔丙式醇2.与Grignard 试剂C O RH(R')+R''MgX①②干醚H 3OCROH H(R')R''O+R''MgXR''CH 2CH 2OH①干醚3RCOR'O+R''MgXRCR''O ①R''MgX C OH R''R R''H 3+O反应可能停留到酮阶段(C 2H 5O)2C=O +3C 2H 5MgBrH O +(C 2H 5)3COH 82-88%CH(OC 2H 5)2CH 3H +OCHOCH 374%HC(OC 2H 5)3+MgClCH 3原甲酸酯 副反应：（1）还原反应，格利亚试剂作为还原剂，经过环状过渡态影响（当二试剂的空阻都很大时）C CMg Mg C OH CC C OH MgXH 3+OC OHH+C C转移β－H（2）烯醇化，不存在β-H ，且位阻大时。
CC HC OMgX +RH烷基锂活性高，高位阻的酮仍然发生加成反应。
t BuC Bu Ot +t BuLi①THF H 3O(t Bu)3COH81%而格氏试剂却不能反应 3．Reformatsky 反应+RCHCO 2Et X Zn XZnCHCO 2EtRR'CR''OH +OCCHCO 2Et R'R''OH R-H 2OC R'R''CCO 2EtR用此反应来合成β-羟基酸酯和α,β-不饱和酸酯，同时可使醛酮的碳键增加。
PhCHO +RCHCOOEtBrZn 2PhCHCHCO 2EtOH2△PhCH=CCO 2EtRH /NiPhCH 2CHCH 2OHRCr O 吡啶PhCH 2CHCHOR一、与胺衍生物的反应C2ZCR OH NHZ-H O 加成消除C=NZ存在p-π共轭而稳定Z=R, Ar, OH, PhNH, NH 2CONH仲胺与醛酮加成后不能形成亚胺，如果α－碳上有氢则可脱水得烯胺。
R''2NH +RCH 2COR 'TiCl C R'2δδ++H 2O烯胺的β碳原子具有较强的亲核性能与卤代烃,卤代酮，卤代酸酯等作用，在烯胺β碳上引入烃基或与酰卤作用在β碳上引入酰基，产物经水解及到相应的醛酮。
O+N H②CH 2=CHCH 2Br2OCH 2CH=CH 2增加醛酮α－碳活性 二、Mannich 反应具有α－H 的醛酮或其他含活泼氢的化合物与甲醛及胺或氨作用，生成胺甲基化产物的反应称胺甲基化反应或Mannich 反应。
HCHO +NH 3+CH 3CORH +或OH -H 2NCH 2CH 2COR含活泼氢的化合物有；RCH 2COR,RCH 2COOR,RCH 2COOH,RCH 2CN 和RCH 2NO 2等。
氨和1º胺可进一步发生Mannich 反应CH 3COCH 3+HCHO +CH 3NH 2+CH 3CCH 2CH 2NHCH 3OHCHO, CH COCH CH 3CCH 2CH 2NCH 2CH 2CCH 3OO3区域选择性OCH 32H 2O.△CH 3CH 2NMe 2O+OCH 2NMe 2CH 370%30%氨甲基化产物对热不稳定，易分解为α,β－不饱和羰基化合物PhCCH 3O+HCHO +Me 2NH+PhCOCH 2CH 2NMe PhCOCH=CH 2Me 2CHCH 2CHO +HCHO +Me 2NH①H +CH 2=C CHOCH （CH 3)2OCH 2O+HCHO +PhNH 2①CF 3COOH托品酮的合成，1963年从环庚酮出发经十几步来合成。
HH O+H 2NCH 3+O COOHCOOHON CH 3活泼氢 托品酮（一步合成） 3—氧代－1，4－戊二醇 5.4.3 Wittig 反应C R 3R 4O +Ph 3P=C R 2R 1C CR3R 4R 2R 1+Ph 3P O二烃代亚甲基 三苯基膦 Wittig 试剂1. Wittig 试剂Ph 3P +CHCH 2XR1R 2Ph 3PCH R 1R 2X-强碱或PhLi 等Ph 3P CR 12空3d 轨道电子对Ph 3PCR 1R 2内鎓盐（主要贡献） d －p 共轭 ylide （盐，磷叶立德） ylene （烯，叶立因）(1) 活泼的wittig 试剂，此时R 1,R 2=H 或烷基。
与O 2,H 2O,HX 或醇均能反应。
(2) 不活泼的Wittig 试剂当OC NOO等吸电子与带负电荷的α碳相连时，因-I,-C 负电荷分散，Wittig 试剂比较稳定。
Ph 3PCH CRO如Ph 3C CH CN与醛反应活性低，与酮作用慢或不反应。
（3）稳定的Wittig 试剂位连有苯基或乙烯基时，Wittig 试剂不与醛酮反应。
如:Ph 3PPPh 32.Wittig 反应历程Ph 3P CR 1R 2+C R'R 2OC R 1R 2C R 3R 4PPh 3O -C C R 1R 2R3R 4Ph 3POC CR 1R 2R 3R 4+Ph 3P O氧磷环丁烷甜菜碱（非常稳定） 3. 立体化学活泼Wittig 试剂的反应产物以顺式烯为主。
Ph 3P CH CH 3+PhCHOC C CH 3H Ph H+C CCH 3H HPh 87%13%中间体以反应动力学有利的赤式为主。
C C Ph 3P O -H PhPh 3PCH CH 3+PhCHOPh 3PC HC PhO -苏式（次）赤式（主）C PhHHMeC C MeHPhH共轭稳定的wittig 试剂反应产物以反式烯烃为主。
Ph 3PCH Ph +C CPhHPhH25%+C C PhHHPh75%PhCHO中间体以热力学稳定的苏式为主Ph 3P C H CHO-苏式（主）赤式（次）C C PhHHPh C PhHPhHPh 3PCH Ph+PhCHOPh 3CH C PhO-另外醛酮的结构和溶剂的极性将影响其立体选择性。