6第六章羰基化合物的反应剖析
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药物合成反应-第六章-氧化反应
另外，二氧化硒毒性非常大，使用极大受限。
位 氧 化
2
选择性的氧化可将烯丙位氧化为醛、酮或醇而不破坏双键。
烯
应用特点： 二氧化硒氧化
CH CH CH2
丙 位
二氧化硒可将烯丙位氧化为醛或酮，但如果想得到醇羟基，需在醋酸溶液中以醋酸酯的形 式分离产物，再水解得羟基。
氧 化
SeO2/C2H5OH heat
高锰酸钾、四氧化鋨及碘&湿羧酸银是常用的氧化条件。反应一般经历环状过渡态。
高锰酸钾需要低浓度及碱性 pH>12低温反应，否则易进
KMnO4
OH
NaOH
OH
一步氧化。
KMnO4 H2O
CHO CHO
CH3 OsO4/Py CH3 Et2O
CH3
OH 两 个 OH在 位 阻 小 的 地 方 生 成
OH
CH3
醇 氧 化
DMSO-Ac2O，能氧化大 位阻的醇；
1
Oppenauer氧化：
三烷氧基铝（如异丙醇铝）和丙酮，氧化仲醇为酮。（伯醇不适合此氧化）
特别适合氧化烯丙位醇为α，β-不饱和酮，普通仲醇也可，但β，γ-双键常移位到α，β。
O
O
O
CH3CCH3
60%
Al(O-ipr)3
HO
HO
H3CO
CH N
N 奎宁
O
CH3
CH (OCCH3)2
CHO
CrO3 / Ac2O / H2SO4
H2SO4 H2O
(65-66%)
NO2
NO2
NO2
苄 位 氧 化
1
非选择性强氧化
使用强氧化剂KMnO4、Na2Cr2O7、Cr2O3或稀硝酸等，将苄甲基氧化为羧基。
羰基化合物的分析(新)1
乙 酰 乙 酸 乙 酯 的 红 外 光 谱 图
乙酰乙酸乙酯的红外光谱分析
乙酰乙酸乙酯具两个羰基，并且这两个羰基碳连接的基团具有不同的性质，在图中这 两 个羰基都有明显的体现，接下来就通过红外光谱图来经行分析。 首先看到1731 1746处有两个最强吸收峰，可判断为羰基的吸收峰，对于为什么两个峰具 有差别，将会通过下面的结合物质结构经行分析，在看到1650于1632处出现了酯羰基与碳碳 双键的伸缩振动吸收，同样下面将通过结合物质结构来经行仔细分析，同时在1163处有一强 吸收峰，出现了酯基的C-O伸缩振动，同时在1042处也出现了C-O-C的伸缩振动，同样为酯基 的特征峰，剩下的峰都为甲基与亚甲基的C-H键伸缩振动吸收峰。 接下里通过结合物质结构来分析具体的峰位置与原因，先看到羰基的两个吸收峰，一个在 1731，一个在1746，在看到结构中，一个羰基为酮羰基，另一个为酯羰基，酯羰基的羰基碳 与氧相连，而氧上的孤对P电子与碳氧的π键产生P-π共轭，导致酯羰基的电子增多，极性增 强，吸收频率升高，而酮羰基的羰基为正常羰基，没有明显的影响，在看到酮羰基，有共振结 构式可以知道具有酮烯互变式异构，所以在图中出现了碳碳双键的吸收峰，再看到酯基的C-O 键，同样由于共轭作用也式其电子增多，导致频率升高，再看到物质中的甲基与亚甲基，可以 看到甲基与亚甲基中的C-H键都有与碳氧的π键产生σ-π超共轭效应，同样为供电子效应，导 致了吸收峰的多重重叠。
苯甲酸的RAMAN光谱图
苯甲酸的拉曼光谱分析
拉曼是通过激光的散射方法来测定化合物的结构信息的，并且可以检测到骨架结构，首 先看到图谱，在196为COOH面内摇摆振动，618 797为苯环的C-H面外弯曲振动，并且1003 为苯环的单取代特征峰，而1400~1800内的几个峰为苯环的环呼吸特征峰，剩下的3000左右 的几个峰都为C-H的伸缩振动，由此得出此物质为单取代苯，再看到1028为C-H的面内摇摆 与CO的伸缩振动，而1291可能为CO伸缩振动+C-OH面内弯曲振动，或者C-H面内摇摆，由 于羰基在拉曼散射中的强度非常弱，通常没法观察出，在结合苯甲酸的红外光谱图一起分析， 可以得出此物质为单取代的羧酸苯，由于拉曼中与红外中没有看出甲基与亚甲基的峰，所以 可以推测此物质为苯甲酸 接下来通过物质结构来分析拉曼谱图的峰位置，化合物中的共轭与诱导效应都会影响分 子偶极距的改变，导致拉曼图谱的改变，但影响都非常小，不同于在红外光谱中非常明显的 影响，所以在激光拉曼中并没有太大的结构导致的误差，而其他的误差出现则为样品的浓度 大小影响。 最后，通过苯甲酸的红外与拉曼光谱分析可得，通过拉曼与红外相结合，可以得出物质 的准确结构信息。
羰基化合物的亲核加成反应
2）肟、苯腙、缩氨脲等，大多数是固体。可用于鉴定、鉴别。 常用的试剂：2，4-二硝基苯肼
57
3）对甲苯磺酰腙
58
4）Beckmann重排 （酮肟在酸作用下重排成酰胺）
59
5）与二级胺（仲胺）反应，可得到烯胺： 烯胺在有机合成上是重要的试剂（中间体）
60
6）、Mannich反应
61
62
8.3 ，－不饱和羰基化合物的亲核加成反应
31
2、Wittig－Horner反应
32
33
34
35
O + Ph3P=CHOCH3
金刚
利用此结构可制醛
CHOCH3 H2O H+
醚水解
CHO
Ph3P
DMSO CHCH2CH2CH2COPh
88% Ph
36
3、醇醛缩合反应
在催化剂的作用下，含有-氢原子的醛或酮相互作用， 生成羟基醛或羟基酮。 这类反应被碱或酸所催化。
3） 如果在反应中加入冠醚，用以捕获Li+, 则反应不能进 行，表明Li+的存在对反应至关重要。
69
各种还原剂对不同底物的还原能力
Hydride donors
LiAlH4
Iminium ion
amine
DIBAL -（ i-
Bu2AlH ）
NaAlH(O- --
t-Bu)3
AlH3
--
Acid halide alcohol alcohol
5、半缩醛或半缩酮的形成反应－－加成机理
C O + H+
C OH
C OH
ROH
slow
C OH HOR
C OH
H+
57
3）对甲苯磺酰腙
58
4）Beckmann重排 （酮肟在酸作用下重排成酰胺）
59
5）与二级胺（仲胺）反应，可得到烯胺： 烯胺在有机合成上是重要的试剂（中间体）
60
6）、Mannich反应
61
62
8.3 ，－不饱和羰基化合物的亲核加成反应
31
2、Wittig－Horner反应
32
33
34
35
O + Ph3P=CHOCH3
金刚
利用此结构可制醛
CHOCH3 H2O H+
醚水解
CHO
Ph3P
DMSO CHCH2CH2CH2COPh
88% Ph
36
3、醇醛缩合反应
在催化剂的作用下，含有-氢原子的醛或酮相互作用， 生成羟基醛或羟基酮。 这类反应被碱或酸所催化。
3） 如果在反应中加入冠醚，用以捕获Li+, 则反应不能进 行，表明Li+的存在对反应至关重要。
69
各种还原剂对不同底物的还原能力
Hydride donors
LiAlH4
Iminium ion
amine
DIBAL -（ i-
Bu2AlH ）
NaAlH(O- --
t-Bu)3
AlH3
--
Acid halide alcohol alcohol
5、半缩醛或半缩酮的形成反应－－加成机理
C O + H+
C OH
C OH
ROH
slow
C OH HOR
C OH
H+
吴指南《基本有机化工工艺学》课件 第六章 羰化反应.
第六章 羰化反应
第一节 概述 第二节 烯烃氢甲酰化反应 第三节 甲醇低压羰化制醋酸
第一节 概述
随着一碳化学的发展，由一氧化碳参与的反 应类型逐渐增多，现在将在过渡金属络合物（主 要是羰基络合物）催化剂的存在下，有机化合物 分子中引入羰基（>CO）的反应，都归入羰化反 应的范畴，统称为羰化反应。其中主要有两大类：
低压氢甲酰化法生产(丁)辛醇有许多优越性， 但因为铑价格昂贵，催化剂制备和回收复杂等因 素，目前正在从开发新催化剂体系和改进工艺两 个方面加以改进。
(一) 均相固相化催化剂的研究 (二) 非铑催化剂的研究
第三节 甲醇低压羰化制醋酸
一、甲醇低压羰化反应的化学 二、甲醇低压羰化制醋酸的工艺流程 三、消耗定额 四、主要优缺点
(二) 热力学分析
氢甲酰化反应，在热力学上是学上也很有利，在热力学上都比主 反应有利，要使反应向生成正构醛的方向进行， 必须使主反应在动力学上占绝对优势，关键在于 催化剂的选择要合适，而且还要控制合适的反应 条件。
(三) 催化剂
1. 羰基钴催化剂 2. 膦羰基钴催化剂 3. 膦羰基铑催化剂
二、丙烯低压氢甲酰化法合成２-乙基己 醇和丁醇
(一) 丁辛醇性质、用途及合成途径 (二) 丙烯低压氢甲酰化法合成正丁醛 (三) 正丁醛缩合制辛烯醛 (四) 辛烯醛加氢制2-乙基己醇
(一) 丁辛醇性质、用途及合成途径
以丙烯原料，用氢甲酰化法生产辛醇，主要 包括下列三个反应过程：
1. 在金属羰基络合物催化剂存在下，丙烯氢 甲酰化法合成丁醛：
1. 反应条件的选择
(1) 温度 (2) 原料的配比 (3) 总压 (4) 催化剂中铑和三苯基膦浓度 (5) 毒物的清除
羰基化合物的亲核加成和亲核取代反应
Nu E
2) 羰基氧被N取代 C O
H2NY
C OE Nu
Y CN
3) 羰基氧被C取代
CO
4) 亲核取代反应
CO Y
Ph3P CR1R2
R1 CC
R2
Nu
CO + Y
Nu
一、羰基的结构及反应特性
4、亲核反应活性 烷基给电子作用和体积位阻效应
一、羰基的结构及反应特性
4、 亲核反应活性
空间位阻影响
一、羰基的结构及反应特性
MO 位阻较小
Nu
E
L
S
R
OE
M
S
+
R
Nu
L
主要产物
OE
M
S
Nu
R
L
次要产物
二、羰基的亲核加成
2. 含O, S亲核试剂
包括H2O, ROH, RSH, 和NaHSO3 (1) H2O
水合物
酸或碱催化，加快平衡的达到，但不影响平衡移动。
二、羰基的亲核加成
(1) H2O
O +
H3C CH3 99.8%
Et
CH3
1,4-加成 100%
O CH CH C
1.
MgBr
2.H3O
O CH CH2 C
1,4-加成 92%
O
1.
MgBr
CH CH C CH3
2.H3O
O CH CH2 C CH3 +
OH CH CH C H
1,4-加成 12%
1,2-加成 80%
三、羧酸及其衍生物的亲核取代反应
1.亲核取代反应的机理
4、亲核反应活性
O C RX
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反应式
R H
C=O
R
+
NaHSO3
H
C
OH SO3Na
反应机理
O-Na+ SO2OH
R H
HO C=O + S O
O Na
-
+
亲核加成
R H
C
分子内的 酸碱反应 R
H
C
OH SO3Na
硫比氧有更强的亲核性
生成的加成产物在饱和的亚硫酸氢 钠溶液中不溶，析出白色结晶。
特点
只有醛、脂肪族的甲基酮、环酮能发生此反应。 乙醛（89%） 己酮（~35%）
H
CH-N
CH=N
西佛碱用酸水解可以生成原来的醛和 酮，所以可以利用此反应来保护醛基。
与氨的衍生物加成
Hydroxylamine
H2N OH
C N OH
Oxime
H2N NH2
Hydrazine
C N NH2 C O
Hydrazone
Phenylhydrazine
H2N NHPh O
Phenylhydrazone
醛的正向平衡常数大， 酮的正向平衡常数小。
五元和六元环状缩酮的产率较好。
O
+
2ROH
H+
OR OR
用二元醇与羰基反应直接生成缩醛（酮）产率较好。
CH3 CH3 HO C=O + HO H+ CH3 CH3 O O
反应机理
H
+
酸 催 化
C=O OH C OR
+ C=OH H+ C H OR C + OR
OH HOCH2CH2CHCHO
HO OH O
R H
C=O
R
+
NaHSO3
H
C
OH SO3Na
反应机理
O-Na+ SO2OH
R H
HO C=O + S O
O Na
-
+
亲核加成
R H
C
分子内的 酸碱反应 R
H
C
OH SO3Na
硫比氧有更强的亲核性
生成的加成产物在饱和的亚硫酸氢 钠溶液中不溶，析出白色结晶。
特点
只有醛、脂肪族的甲基酮、环酮能发生此反应。 乙醛（89%） 己酮（~35%）
H
CH-N
CH=N
西佛碱用酸水解可以生成原来的醛和 酮，所以可以利用此反应来保护醛基。
与氨的衍生物加成
Hydroxylamine
H2N OH
C N OH
Oxime
H2N NH2
Hydrazine
C N NH2 C O
Hydrazone
Phenylhydrazine
H2N NHPh O
Phenylhydrazone
醛的正向平衡常数大， 酮的正向平衡常数小。
五元和六元环状缩酮的产率较好。
O
+
2ROH
H+
OR OR
用二元醇与羰基反应直接生成缩醛（酮）产率较好。
CH3 CH3 HO C=O + HO H+ CH3 CH3 O O
反应机理
H
+
酸 催 化
C=O OH C OR
+ C=OH H+ C H OR C + OR
OH HOCH2CH2CHCHO
HO OH O
高等有机化学第6章羰基化合物的反应精品PPT课件
R
H
C2H 5
+
H
OH
Ph
OH
H
C2H 5
H
R
Ph
Ph
H
C 2H 5
HO
H
R
主要产物
Ph
H
C 2H 5
H
OH
R
次要产物35oC源自R主次CH3
2.5 : 1
C6H5
>4 : 1
(CH3)2CH 5 : 1
(CH3)3C
49 : 1
-70oC
R (CH3)3C CH3
主
次
499 : 1
5.6 : 1
Cram规则二：当醛或酮的α-碳原子上连有羟基或氨基 等可以和羰基氧原子形成氢键的基团时，试剂将从含氢 键环的空间阻碍较小的一边对羰基进行加成。
Cram规则一：如果醛或酮的α-碳原子上连有三个大
小不同的基团（L、M、S分别代表大、中、小三个
基团）时，其优势构象为羰基键处在两个较小基团
之间的构象，试剂优先从空间阻碍较小的一边进攻
羰基。
O
次要产物
Nu-
M
S
M O S 主要产物
LR LR
Ph
O
H
H
C 2 H 5
H
O
P hH
C 2H 5 1 RMgX 2 H2O
——羰基C=O的吸电子作用使得a-H具有明显的酸性，在碱
性条件下可以离解，生成烯醇负离子，从而成为亲核试剂， 进攻羰基碳或卤代烃，发生亲核加成反应、亲核取代反应。
O CC H
BH2
O CC
O CC
烯 醇 负 离 子
烯醇负离子由于羰基的共轭作用得以稳定
羰基化合物的α-烷基化和催化烷基化反应_图文
从一些易得的环氧基硅烷基醚开始，合成α，α—二取代α—氨基酸衍 生物：
具有张力的氨基醇衍生的酮酯或酰胺与格氏试剂反应，制备对映体 纯叔-α -羟基酸 ：
2.6 双内酰亚胺体系
甘氨酸和其它氨基酸经过二酮哌嗪，进行O—甲基化得到六元杂环产 物，水解以后以高对映体过量获得了α－甲基氨基酸。
2.7 用于羰基化合物的α-烷基化的手性辅剂一览表
图2．10所示的反应是anti －1,3—不对称诱导的一个实例。
2.3.4 降冰片体系
许多烷基化反应的例子涉及降冰片环系，在此环系中烯醇可以是环 内的或是环外的。由于是刚性的环系，无论是环内的或环外的烯醇 都显现出高度的不对称诱导(图2．11)。
2.4 配位型的环内手性传递
配位型的手性烯醇体系，金属离子在固定原有的手性和烯醇部分之 间的立体化学关系至关重要。
二取代羧酸的制备：
2.4.7 酰基磺内酰胺体系 Oppolzer发展的酰基磺内酰胺50。合成α，α-二取代羧酸衍生物：
制备对映选择性纯的氨基酸：50用N-[二（甲硫基）次甲基]甘氨酸甲 酯酰化。
磺内酰胺50是优良的手性辅剂。例，氯化亚铜(I)催化的氯化烷基镁 对α,β—二取代E—烯磺内酰胺57的1,4—加成的不对称诱导。
双环脯氨酸类似物衍生的光学活性β-氨基128，催化二乙基锌对醛的 对映选择性加成，光学产率高达100％。比(S)-脯氨酸衍生物(S)-129 效果好。
在同环桥键羟基氨基二茂铁(—)—130存在下，11种芳族和脂族醛与 Et2Zn进行烷基化反应。生成的醇具有67％一97％的e．e．值。这种 二茂铁催化剂成功地用于使芳族醛和直链或支链脂族醛的烷基化，
2.2 手性传递 手性烯醇：环内烯醇、环外烯醇和配位型环内烯醇
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6.1 羰基化合物的反应机理
（1）碱催化：
O 慢 A C B A C B Nu Nu OH O H A C B 或E+ A C B Nu Nu
O
① 试剂进攻羰基上C原子，生成氧负离子的一步
是决定反应速率的一步。
② 为使亲核试剂的负电荷裸露出来，增加亲核性， 常需碱催化： HNu + B Nu + HB
无水醚
H2O
O CCH3
制备不对称酮
6.3 加成-消除反应
C O
H2N-OH （羟胺） H2N-NH2 （肼） C O + H2N-NH
NO2
C N
>C=N-OH （肟） >C=N-NH2 （腙） >C=N-NH
NO2
O2N （2，4-二硝基苯肼）
O2N （2，4-二硝基苯腙）
H2N-NH-C-NH2（氨基脲） O
H O O
L
R
S
Nu-
C2H5 H C6H5
第六章 羰基化合物的反应
6.1 羰基化合物的反应机理 6.2 羰基加成反应及产物 6.3 加成-消除反应 6.4 羰基化合物的反应活性和加成的立体选择性 6.5 碳负离子 6.6 各种重要的缩合反应 6.7 羰基与叶立德的反应 6.8羰基衍生物的亲核反应 6.9亲核性炭 6.10特殊和普通的酸碱催化 6.11分子内催化作用
(2) 空间效应
与羰基相连的基团空间效应越大，越不利于反应进行。 CH3 OH CH3 C O HCN K>1 C CH3CH2 CH3CH2 CN
(CH3)3 (CH3)3 C O HCN (CH3)3 (CH3)3 C OH CN 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 ′
加成反应的活性与试剂亲核性强弱、羰基碳原子亲电性强弱、 羰基所连R基大小，即电子效应、立体效应等因素有关。
H C R Nu O
-
R'
Nu O
-
O R C H(R) > Ar
O C H(R)
R
随R基的体积增大和给电子能力增加，中间体稳定性降低。
羰基化合物发生亲核加成反应的活性顺序：
HCHO > RCHO > R2CO > ArCOR > Ar2CO
H
O
C2H5
PhH
Ph H H C2H5 O
R H H Ph C2H5 OH
+
H
O
C2H5
1 RMgX 2 H2O
PhH
OH H H Ph C2H5 R
35oC R CH3 C6H5 (CH3)2CH (CH3)3C -70oC R (CH3)3C CH3
主 2.5 > 4 5 49
: : : :
(6) R-L重叠
R与L、M、S 之间的相互作 用大于羰基氧 与L、M、S 之间的相互作 用。所以，三 个交叉式中 （3）最稳定。 三个重叠式中 （6）最不稳 定。
克莱姆规则一
如果醛和酮的不对称-碳原子上结合的三个基团以L （大）、M（中）、S（小）表示，那么这些非对称的醛和 酮与某些试剂（如格氏试剂）发生加成反应时，总是取R-L 重叠构象，反应时，试剂从羰基旁空间位阻较小的基团（S） 一边接近分子。这称为克莱姆规则一.
半缩醛
CH3CH2OH, H+
CH3CH
OCH2CH3 OCH2CH3
缩醛
OH
HOCH2CH2CHCHO
HCl
HO
OH O
半缩醛
CH3OH
HO
OCH3 O
缩醛
分子内形成半缩醛、缩醛。
（3）与其它亲核试剂的加成
（1）
C O + HCN C OH CN
H2O H+orOH-
C
OH COOH
（2）
CH3
CH3
C O + NaHSO3
CH3 CH3
NH3(液) 或乙醚
C
OH
NaCN
CH3 CH3
C C
SO3Na
C CR
C
OH CN
（3）
R-CC-Na+ +
C=O
C
ONa
H2O
CR
OH
炔醇
（4） RMgX +
C=O
无水乙醚
R-C-OMgX
H+ H2O
OH R-C-OH + Mg X
（5）
COOH + 2CH3Li
次 1 1 1 1
Ph H HO R C2H5 H H H
Ph C2H5 OH R
主 499 : 5.6 :
次 1 1
主要产物
次要产物
醛、酮与HCN的加成也符合克莱姆规则一。
O O L M R
较 稳 定
M
S
L R S
-CN
较 不 稳 定
当醛、酮的-C上有-OH、-NH时，由于这些基团能与羰基 形成氢键，所以形成如下构象（见图），若发生加成，亲 核试剂主要从S基团一侧进攻，这称为克莱姆规则二。
试比较下列化合物发生亲核加成反应的活性大小：
O2N A CHO CH3 B CHO C CHO
(1) 电子效应
Y
当羰基与具有+I或+C的基团直接相连时， C O 由于增加了中心碳原子的电子云密度，故 使反应活性降低。 当Y:
C C, C C, Ph
HCN
时，基团具有+C效应，
羰基活性降低。
CH3CHO
>C=N-NH-C-NH2（缩氨脲） O
黄色或橙色晶体
6.4 羰基化合物的反应活性和加成的 立体选择性
羰基化合物反应活性：醛>丙酮>芳酮>环丁酮>环已酮
O S R L
M
M
O
L
M
O
L
SR
R
S
(1)交叉式
L O S
(2) R-S重叠
O L S S
(3)交叉式
O M
MR
R
M
LR
(4) R-M重叠
(5)交叉式
（2）酸催化：
A C B O
A C B + H Nu OH
H A
-A
A C OH
B
A C OH
Nu
A
B
Nu H A C B OH
A C B + HA OH
羰基质子化，可以提高羰基的反应活性 羰基质子化后，氧上带有负电荷，很不稳定， π电子发生转移，使碳原子带有正电荷。
决定反应速率的一步，是Nu -进攻中心碳原子的 一步。
PhCHO
OH H C CN CH3
OH H C CN Ph
K>104
K=210
HCN
CCl3CHO
H2O Cl3C
H
C
OH
三氯乙醛水合物 OH （安眠药）
Cl Cl C Cl H C H O O H
① Cl3C 是强吸电子基团，使 羰基带有更多的正电荷； ② 产物中形成分子内氢键，使 产物稳定，平衡向右移动。
sp3杂化 四面体
产物中基团拥挤程度增大。
R 越大，妨碍Nu:从背后进攻C原子。
6.2 羰基加成反应及产物
（1）与水加成
O
H+或OH-
OH R' + H2O R C OH R'
R
C
除甲醛、多卤代醛外，其它醛的水合反应平衡偏向 左边。
（2）与ROH的加成
H+
OCH2CH3 CH3CH OH
CH3CH=O + CH3CH2OH