5第五章-羰基的亲核加成及相关反应
高等有机10-羰基的加成反应
为什么？ 为什么？
因为给电子基团有助于 OR-负离子离去
羧酸苯酯比烷基酯的水解快得多 为什么？ 为什么？
因为给电子基团有助于 OR-负离子离去
酯在一些亲核性强的试剂作用下也能发 生置换反应，这些试剂包括氨、羧酸基、 生置换反应，这些试剂包括氨、羧酸基、 烷氧基等，催化剂量的水溶液， 烷氧基等，催化剂量的水溶液，碱性咪 唑把羧酸苯酯在水溶液中水解： 唑把羧酸苯酯在水溶液中水解：
OH R C OH O
R' H
R C O O H + R 'O H + H
RO - 比ROH 不易离去
当R’为： 为 碱催化： 碱催化： O
*C
R1 R3 R2
时，由于发生酰氧键断裂， 由于发生酰氧键断裂， 所以，得到构型保留产物。 所以，得到构型保留产物。
O 慢 R C OR' OH RC OR' OH 羧酸根离子的生成，使碱催化下 羧酸根离子的生成， 的酯水解反应不可逆 不可逆； 的酯水解反应不可逆；但酸催化 的酯水解反应可逆 可逆。 的酯水解反应可逆。
NO2
， 二 O2N （2，4-二硝基苯肼）
O2N （2，4-二硝基苯腙） ， 二
H2N-NH-C-NH2（氨基脲） O
>C=N-NH-C-NH2（缩氨脲） O
C O + H H2N-Y + H
+
+
C OH （活化羰基）
+
+
H3N-Y （丧 失亲核性）
H+
R C=N-Y + H2O (R')H
R C=O + H2N-Y (R')H
O
酸催化： 酸催化：
亲核加成反应
π电子易于极化， 利于亲电试剂的进攻， 容易发生亲电加成反应。
CC
Y
Y：强吸电子 基团，如：NO2、 CF3、CN等，则 发生亲核加成反应。
叁键可以发生 亲电加成反应， 但更易发生亲 核加成反应。
12.1 碳碳双键的亲核加成反应
反应机理：
CC EN u
CC E
引入吸电子基团，降低电子云密度
O + H C N
C O N HK = 1 0 0 0
这里，角张力得到缓解，但程度不大。
水
亲核加成反应活性
a）决定于羰基碳上的正电性
δ + ，则反应
b）决定于空间效应 空间位阻 ，反应
> > 如：H C=O H
R C=O
H
R δ+ δ C=O
R
R C=O
H
>
Cl
C=O H
亲核试剂
+-
A Nu H CN Na HSO3 H NH-Y H OR XMg R Li R
N u E
CC E
CC
Nu
Nu
Y:
C H O C O R C O O R C O N H 2
C NN O 2 SO 2R
H C
Ph C
CN
Ph
CN
H
HH
Ph C
Ph C
HCN
Ph C C Ph
CN CN
CN
CN CN
苯环分散了负电荷，而且CN的吸电子诱导 效应和共轭效应稳定了碳负离子
A
D
B
E
Z
A
E
在 取 代 基 多 的 一 侧 取 代
O
第五章羰基亲核加成及相关反应
羟醛缩合反应历程
碱催化历程
至少要有两个α-氢才可失水，失水后形成共轭 体系α，β-不饱和酮稳定
亲核试剂：
含氧试剂：H2O、ROH、RO 含碳试剂：RC≡C-，C≡N-，R 含氮试剂：NH3，NH2，NH2NH2及NH2OH等
醛与酮：
醛与酮是较强的亲电试剂，易进行亲核加成，醛可与弱亲核 试剂反应（如NH3，CN-）
羧酸及其衍生物：
较弱的亲电试剂（+C） 只与强亲核试剂反应（如：R-，RO-等） 不与弱亲核试剂（如氨）反应
基本上不发生亲核取代反应
CH3 120o C CH3
O
HCN
CH3 C
CN CH3OH, H2SO4
71%~80% CH3109.5oOH
90%
CH3 CH2=C COOCH3
试剂的亲核性越强越易反应
带负电荷的亲核试剂，比其共轭酸亲核性强： OH-＞H2O
极性大的分子比极性小的分子亲核性强： HCN＞ H2O （pH）
亲核试剂可从醛（酮）所在平面的上面或下面进攻，新形 成一个手性中心，产物为外消旋体（对映异构体各占 50%）。
亲核试剂从空阻小的一边进攻羰基
换用仲丁基硼氢化锂，内侧进攻产物99.6%， 外侧产物0.4%
醛酮的简单亲核加成
强酸强碱
仅限醛、脂肪甲基酮及＜8个碳原子的环酮
可极化性及亲核性：
Wittig试剂（磷叶立德）：
内鎓（Onium）正盐（中性分子）R3P+
CHR'
（碳的电负性大于磷），具有相反的电荷在
相邻两个原子上。
硫叶立德：
磷酸 膦酸 氨 胺(C-N) 铵 磷 膦(C-P) 鏻
硫（ ）锍
羰基的亲核加成反应 → 与魏悌希(Wittig)试剂的反应
羰基的亲核加成反应→ 与魏悌希（Wittig）试剂的反应
与魏悌希（Wittig）试剂的反应。
由卤代烷与三苯基膦作用，生成季鏻盐：
磷原子α位的氢被带正电荷的磷活化，能与强碱（如苯基锂或乙醇钠等）结合，生成魏悌希试剂：
魏悌希试剂又称磷叶里德（Phosphous Ylid），其结构式可用下式表示：
核磁共振谱分析结果表明，磷叶里德主要是左边的极性结构，而烯式的双键即使有也是微量的，它的分子内含有负碳离子，和负碳离子相邻的磷原子带正电荷。
除磷外，杂原子还可以是硫、氮、砷和锑。
对磷叶里德的研
究比较多，合成上常用的典型例子就是亚甲基三苯基膦，即Ph P CH或Ph P＝CH或取代亚甲基三苯膦Ph P＝
CR。
磷叶里德的χ射线结晶结构研究表明，碳原子为平面结构，即为sp杂化。
而磷为sp杂化，有四个σ键，已满足八电子体系，但磷是第三周期元素，外层除3s、3p轨道外，还有3d空轨道可以与负碳离子的一对p电子发生重叠，便形成p－dπ键，此π键具有很强的极性。
所以魏悌希试剂是良好的亲核试剂，可与醛、酮的羰基进行亲核加成反应。
魏悌希试剂与醛、酮作用，首先发生加成反应，加成产物形成一个四元环中间体，随后在温和的条件下分解为氧化三苯基膦和烯烃，这一反应过程称为魏悌希反应：
如用魏悌希试剂与环己酮反应可合成亚甲基环己烷：
反应结果是醛、酮分子中羰基上的氧原子被亚甲基取代。
此反应可在某些“困难的”位置引进双键。
魏悌希反应操作简便，条件温和，产率比较高，双键位置肯定。
因此广泛用于烯烃的合成，特别是在用来合成天然产物上受到重视。
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
亲核加成机理
肟
(3).
与肼、苯肼、2,4－ 与肼、苯肼、2,4－二硝基苯肼反应
NH2
H 2N R C O (R')H
R C N NH2 (R')H
R (R')H
腙
H2N NH R C O (R')H
O2N
C N NH
苯腙
NO2
R C O (R')H
H2N NH
O2N R C N NH (R')H NO2
2,4-二二二苯腙
COOH CH3 C CH3 OH
5 -H2O
CH2=C-COOH CH3
α-羟基酸 羟基酸
α，β-不饱和酸 不饱和酸
反应机理
CH3 CH3
-
C=O
CN
可逆
CHC OH O- 不可逆 CH3
反应条件 反应必须在弱碱性条件下进行
实例
醛与亚硫酸氢钠的反应
R H
(1). 与胺作用生成希夫碱（Schiff base）
(Ar)R
H2O (Ar)R H2N R'' (Ar)R OH C C O C (R')H NHR'' (R')H (R')H
NR''
只有伯胺可发生此反应
希夫碱
(2).
与羟胺（H2N-OH）作用生成肟 OH） 与羟胺（
R R H2N OH C O C N (R')H (R')H OH 白
甲醛 > 乙醛 > 脂肪醛 > 苯甲醛 > 丙酮 > 环戊酮 > 脂肪族甲基酮 > 苯乙酮 > 芳基烷基酮 > 二苯甲酮
(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。
亲核加成
6 羰基的烯醇化及烯胺的烷基化 (1)烯醇化 (2)烯醇的碳烷基化与氧烷基化 烯醇中的氧烷基化较少,而一般是碳烷基化 (3)烯胺的烷基化 选用胺时一般以环状的仲胺较好
可以用合成增碳的酮与二酮.
二,羧酸衍生物的加成反应 羧酸衍生物的酯化与水解是可逆的,酯化与水解有酰氧断裂与
烷氧断裂历程
O 18
R C O H+
HR
如果用两种不同的具有α-H的醛缩合时为混合物，其产物复杂， 合成上意义不大。但无α-H的醛可以与有α-H 的醛发生羟醛缩合。 如：甲醛和乙醛缩合，再通过歧化反应可以生成季戊四醇。
(1)Claisen-Schmidt reaction
其过程是将酮滴加到无α-H的醛中。
_
C6H5 CHO + CH3CH2CHO OH o 10 C
EtONa EtOH
COOC2H5 CH3
O
O
EtONa
4
CH2(COOEt)2 + CH2 CH2
O
O
EtOH
COOEt
合成: 应用庚二酸二乙酯与某种原料合成时可以得到下列产物
O
COOEt
O
O
写出下列反应历程
合成
R L
M HNu
R L
M
Nu
OHSLR3 简单的亲核加成反应 (1)羰基与水形成水合物
H3C C = O + H2O
H
H3C O H C
H OH
A 对于多数醛酮平衡偏向左边，故醛的水合物多不稳定，
它们容易脱水而生成醛酮。
B 甲醛在水中可以完全变成水合物，但不易分离。
C 含吸电子基的羰基化合物其水合物比较稳定.如:三氯乙
Michael加成反应 (1)定义 活泼次甲基的阴碳离子向α,β不饱和羰基或不饱和羧 酸衍生物等共轭体系进行的共轭加成称为Michael加 成
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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
❖ 换用仲丁基硼氢化锂，内侧进攻产物99.6%， 外侧产物0.4%
13
醛酮的简单亲核加成
强酸强碱
❖ 仅限醛、脂肪甲基酮及＜8个碳原子的环酮
14
可极化性及亲核性：
❖ 硫大于氧 两可试剂 生成碳一硫键
15
醛酮与醇的加成：
❖ 生成半缩醛（酮）或缩醛（酮） ❖ 历程：酸催化
16
17
醛酮与醇的加成：
❖ 反应物的结构影响
❖ 取代基的电子效应：羰基碳原子上的电子云密度小 （-C，-I）利于亲核试剂进攻，亲核反应易于进行。
8
芳香醛：
❖ 羰基碳原子上的电子云密度大（+C）的化合物趋稳 定
❖ 亲核加成造成共轭体系的破坏也不易加成 ❖ 芳基上的推电子基（+I）及拉电子基（-I）也改变
羰基活性。
9
空间位阻降低羰基亲核加成活性
3
亲核试剂：
❖ 含氧试剂：H2O、ROH、RO❖ 含碳试剂：RC≡C-，C≡N-，R❖ 含氮试剂：NH3，NH2，NH2NH2及NH2OH等
4
醛与酮：
❖ 醛与酮是较强的亲电试剂，易进行亲核加成，醛可与弱亲核 试剂反应（如NH3，CN-）
羧酸及其衍生物：
❖ 较弱的亲电试剂（+C） ❖ 只与强亲核试剂反应（如：R-，RO-等） ❖ 不与弱亲核试剂（如氨）反应
R
R
Nu-
(a)
CO
R'
Nu H+ R
C
O-
R'
Nu C
OH
R'
Nu-
(b)
R
O- H+RC源自OH CR'
Nu
R'
Nu
❖ 透视式：任意两个基团交换位置后为对映异构体
❖ 亲核试剂可从醛（酮）所在平面的上面或下面进攻，新形 成一个手性中心，产物为外消旋体（对映异构体各占 50%）。
12
亲核试剂从空阻小的一边进攻羰基
5
亲核加成反应的历程
❖ 碱催化羰基的亲核加成：碱夺取亲核试剂（H-Nu）中的H+， 生成亲核性更强的Nu-
❖ 酸催化羰基的亲核加成：羰基被质子化
❖ 许多亲核加成反应是可逆的
6
与氨基衍生物的亲核加成
❖ Y：H，R′，OH（羟氨），NHR（肼），NHCONH2（氨 基脲）
7
影响羰基亲核加成反应活性的因素
24
Wittig试剂（磷叶立德）：
❖ 内鎓（Onium）正盐（中性分子）R3P+
CHR'
（碳的电负性大于磷），具有相反的电荷在
相邻两个原子上。
25
硫叶立德：
26
磷酸 膦酸 氨
❖ 胺(C-N) 铵
❖ 磷 膦(C-P) 鏻
硫（ ）锍
❖
季鏻盐R
4
+
P
C
l与季铵盐R
4
+
N
C
l相似
27
磷叶立德：
❖ 由强碱夺取季鏻盐中质子制备
( C 6 H 5 ) 3 P + C H 3 C H 2 B rC 6 H 6 ( C 6 H 5 ) 3 P + C H 2 C H 3 B r 季 鏻 盐
(C 6 H 5 )3 P + C H 2 C H 3 B r-+C 6 H 5 L i
(C 6 H 5 )3 P = C H C H 3+ C 6 H 6 + L iB r W ittig 试 剂
❖ 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
31
羟醛缩合反应
❖ 一些含活泼亚甲基（酸性α-氢）的化合物（β-二 羰基化合物 OO OO OO
R O C C H 2 C R ',R O C C H 2 C O R ',R C C H 2 C O R '
生 成 C - Z n 键 ， 与 G r i g n a r d 试 剂 相 似
21
醛酮与含氮亲核试剂的加成-消去反应
❖ 加成产物发生β-消去形成新的双键醛酮与氨 衍生物的反应
❖ 烯胺（enamine）为中间体可用于合成，酸 性条件下水解生成胺及酮
O
+
N
H
N
1)CH2=CHCH2Br 2)H3+O
基本上不发生亲核取代反应
C 1 C H 2 H 0 3 3 oCO7 1 H % C ~ 8 N 0 % C C H H 3 3 1 0 C 9 .5 o O C H N C H 3 O 9 H 0 ,% H 2 S O 4 C H 2 = C C H 3C O O C H 3
10
试剂的亲核性越强越易反应
O CH2-CH=CH2
66%
22
曼尼希（Mannich）反应
具有α-氢的醛酮或其它含活泼氢的化合物与 甲醛及胺（或氨）反应生成含胺甲基的化合 物
C O C H 3 + C H 2 O + N H 3
C O C H 2 C H 2 N H 2
酸 组 分 醛 组 分 碱 组 分 曼 尼 希 碱
❖ 活泼氢被胺甲基化后，加热失去氨，生成 αβ-不饱和羰基化合物（PhCOCH=CH2）
❖ 带负电荷的亲核试剂，比其共轭酸亲核性强： OH-＞H2O
❖ 极性大的分子比极性小的分子亲核性强： HCN＞ H2O （pH）
❖ 同一周期元素负离子碱性越强亲核性越强： R3C-＞R2N-＞RO-＞F-
❖ 同一主族元素负离子亲核性与其可极化度一 致：I-＞Br-＞Cl-＞F-
11
亲核加成反应中的立体化学
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）
❖ 酮反应较为困难 空间位阻效应 ❖ ·反应可逆，生成缩醛不与碱、氧化剂和碱金属
反应可保护羰基（用乙二醇）
18
醛酮与金属有机化合物反应：
❖ 金属有机化合物含碳-金属键 为极性共价键。 ❖ 烷基锂或格氏试剂都是强亲核试剂
(失去MgXCl生成酮）
19
失 去 M g (O R ')X 生 成 酮
20
Reformasky反应