13.1 氢碳酸的概念和α氢的酸性
13.1.1 氢碳酸的概念
表13-1 一些氢碳酸的pKa(在二甲亚砜中)
| 化合物 | pKa | 化合物 | pKa |
|---|---|---|---|
| CH3·CH2CH3 | ≈50 | CH3C≡CH | 25 |
| CH3CH=CH2 | 35 | 环戊二烯 | 16 |
| CH2(C6H5)2 | 34 | — | — |
| CH(C6H5)3 | 31.5 | — | — |
表中的数据表明,烷烃的酸性是很弱的。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。
13.1.2 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氢的活性或α氢的酸性。
表13-2 某些有机化合物α氢的pKa
| 化合物 | pKa | 化合物 | pKa |
|---|---|---|---|
| CH3SOCH3 | 29 | CH3COCH3 | 20 |
| CH3CN | 25 | CH2(COCH3)2 | 9 |
| CH3CC6H5=O | 16 | CH(COCH3)3 | 5.85 |
| CH3NO2 | 10.21 | — | — |
硝基甲烷的α氢酸性最强,这是因为硝基具有极强的吸电子能力。α氢的酸性强弱取决于与α碳相连的官能团及其他基团的吸电子能力。
13.1.3 羰基化合物α氢的活性分析
一种是羰基的吸电子诱导效应,它使静止的即未反应的羰基化合物中有一个很强的偶极矩(8.34×10-30~10.01×10-30 C·m),无论在酸和碱的催化作用下,对α氢的解离都有帮助。
另一种是羰基α碳上的碳氢键与羰基有超共轭作用,α氢作为质子离开后,变为烯醇负离子(enolate anion),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。
表13-4 某些羰酸衍生物和腈的α氢的酸性比较
| 化合物 | α氢的pKa | 化合物 | α氢的pKa |
|---|---|---|---|
| CH3COCl | ≈16 | CH3COOCH3 | 25 |
| CH3CHO | 17 | CH3CN | ≈25 |
| CH3COCH3 | 20 | CH3CON(CH3)2 | ≈30 |
从表可以看到,酰氯的α氢酸性比醛、酮的还大,酯较小,而酰胺更小。这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。
13.2 酮式和烯醇式的互变异构
13.2.1 酮式和烯醇式的存在
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(keto form)和烯醇式(enol form),它们共同存在于一个平衡体系中。
表13-5 一些化合物的烯醇式含量
| 化合物 | 烯醇式含量(%) |
|---|---|
| 丙酮 | 1.5×10-4 |
| 丙二酸二乙酯 | 7.7×10-3 |
| 环己酮 | 2.0×10-2 |
| 乙酰乙酸乙酯 | 7.3 |
| 2,4-戊二酮 | 76.5 |
| 1,1,1-三氟-2,4-戊二酮 | 99 |
13.2.2 烯醇化的反应机理
13.2.3 不对称酮的烯醇化反应
动力学控制(kinetic control):由于H的酸性及空间位阻的影响,较易形成的产物(i)是动力学控制的。
热力学控制(thermodynamic control):因为双键的稳定性与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,主要产物是取代基更多的烯醇负离子(ii)。
13.2.4 烯醇负离子的两位反应性能
烯醇负离子带有负电荷,既可以接受质子表现出碱性,又可以进攻带正电荷的反应位点表现出亲核性。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。这种具有两位反应性能(ambident reactivity)的负离子称为两位负离子,因为负离子是亲核的,两位负离子具有两位亲核性(ambident nucleophilicity)。
13.3 缩合反应概述
13.3.1 缩合反应的定义
13.3.2 缩合反应的关键
在缩合反应中,有新的碳碳键形成。新的碳碳键是通过一个带正电荷的碳和一个带负电荷的碳连接形成的。因此,完成缩合反应的关键是要创造一个带正电荷碳的体系(正碳体系)和一个带负电荷碳的体系(负碳体系)。
13.3.3 羟醛缩合反应的分析
从上述反应机理可知,②是形成新碳碳键的一步。在这步反应中,烯醇负离子提供了带负电荷碳的体系,乙醛提供了带正电荷碳的体系,新碳碳键是通过亲核的碳负离子对羰基进行亲核加成完成的。
13.3.4 酯缩合反应的分析
从上述反应机理可知,②是形成新碳碳键的一步。在这步反应中,烯醇负离子提供了带负电荷碳的体系,乙酸乙酯提供了带正电荷碳的体系,新碳碳键是通过亲核的碳负离子对酯羰基进行亲核加成完成的。
13.4 烯醇负离子的烃基化、酰基化反应
13.4.1 酯的烃基化、酰基化反应
酯的α氢可以被烃基取代,这是酯的烃基化反应。酯α碳的烃基化反应可以通过下面的途径完成:
由于烃基化反应一步是通过SN2反应机理完成的,因此苯型和乙烯型卤代烃不能使用。由于碳负离子既是亲核试剂,又是强碱性试剂,3°RX、2°RX遇强碱性试剂易发生消除反应,所以最适宜的卤代烃是1°RX。
酯的α氢可以被酰基取代,这是酯的酰基化反应。酯α碳的酰基化反应可以通过下面的途径完成:
13.4.2 酮的烃基化、酰基化反应
对称酮的烃基化、酰基化反应已归纳在下面的式子中:
如果要使一元酮发生烃基化或酰基化反应,并抑制羟醛缩合反应的干扰,必须用足够强的碱,将反应物酮迅速地全部变为烯醇负离子。例如,用足量的氨基钠、氢化物、三苯甲基钠等,可将简单的一元酮变为烯醇负离子,然后再加入烃基化试剂或酰基化试剂。
一个不对称酮的酮有两种不同的α碳,烃基化、酰基化反应可以发生在这种α碳上,也可以发生在另一种α碳上,这里有一个区域选择性问题。
如果要得到热力学控制的烃基化、酰基化产物,可以通过形成热力学稳定的烯醇负离子来实现。
但如果反应是在强碱催化下、于无质子溶剂中进行的,则主要得到动力学控制的产物,即取代在空阻小、α氢酸性大的那个碳上发生。
13.4.3 醛的烃基化反应
醛基特别活泼,醛在碱性条件下极易发生羟醛缩合反应。为了避免自身缩合,首先须将醛转变成亚胺,然后在强碱作用下形成亚胺碳负离子,再加入烃基化试剂,完成烃基化反应后再水解除去亚氨基,得到α-烃基醛。
13.5 烯胺的结构和反应
13.5.1 烯胺的结构
具有碳碳双键与氨基相连的结构(\C=C—N—)的化合物称为烯胺。氮上有氢的烯胺易重排为亚胺的形式。氮上没有氢的烯胺是一个稳定的化合物。
13.5.2 烯胺的制备
烯胺通常是用至少具有一个α氢的酮和一个二级胺在酸的催化作用下制备的。近来在制备烯胺时,加一个强失水剂迫使反应进行完全。例如加加四氯化钛,可以使二级胺和羰基化合物完全转变为烯胺;或用分水器共沸去水使反应完全。
反应性最强
反应性中等
反应性较弱
13.5.3 烯胺的两位反应性能
从结构上不难看出,烯胺具有亲核性,且可以有两个反应的位置,一个是在氮上,一个是在碳上。烯胺烃基化可以在氮上发生,也可在碳上发生,这是一个竞争的反应。
13.5.4 不对称酮经烯胺烃基化和酰基化
不对称酮与二级胺反应时,主要生成双键上取代最少的烯胺。这是由于甲基假如连在双键碳上,和四氢吡咯环上的氢彼此排斥,使这个体系变得很不稳定,因此它以少量的副产物出现。
13.6 β-二羰基化合物的制备、性质及其在有机合成中的应用
13.6.1 乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯的合成
13.6.2 β-二羰基化合物的烃基化、酰基化反应
β-二羰基化合物亚甲基上的氢比较活泼,在碱的作用下很容易形成烯醇负离子。这是一个离域体系,负电荷可以在氧上或碳上,所以烯醇负离子是一个两位负离子,具有两位反应性能。
乙酰乙酸乙酯在二分子强碱(如KNH2、NaNH2、RLi等)作用下,先失去酸性强的α碳上的氢,继而再失去γ碳上的氢,形成双负离子。双负离子与一分子卤代烃或酰基化试剂反应时,由于α氢酸性强,形成的烯醇负离子稳定,因此试剂选择在γ位发生反应,使负电荷在α位。若用二分子试剂,则γ位与α位均可发生烃基化及酰基化反应。
13.6.3 β-二羰基化合物的酮式分解、酸式分解和酯缩合的逆反应
稀碱水解后酸化加热
得到丙酮衍生物
浓碱溶液同时加热
得到两个酸
转变为原料酯
13.6.4 β-二羰基化合物在有机合成中的应用
乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯及其他β-二羰基化合物的碳负离子或烯醇负离子,可以作为亲核试剂与卤代烃或酰氯等发生亲核取代。或与α,β-不饱和醛、酮、酸、酯等发生Michael加成等,其结果是在亚甲基碳上或γ碳上引入一个烃基、一个酰基或其他各种基团,然后经酮式、酸式分解或酯缩合的逆反应,就可以得到各种不同的化合物。
13.7 Mannich反应
这个反应可应用的原料很多,不但具有α-活泼氢的醛酮可以进行此反应,具有活泼氢的羧酸、酯、硝基化合物、腈、末端炔烃、芳环体系(如酚等)均可以发生此反应。
最常用的醛是甲醛,如甲醛的水溶液或三聚及多聚甲醛,除甲醛外,也可用其他醛。胺一般用二级胺,如二甲胺、六氢吡啶等;若用一级胺,胺甲基化反应后得二级胺,氮上还有氢,可再发生反应,因此根据需要也可以使用一级胺。
Mannich反应在有机合成中有广泛的用途。其中,在仿生条件下,用丁二醛、甲胺、3-氧代戊二酸经Mannich反应,然后脱羧生成托品酮在历史上曾是一件很轰动的事情。托品酮催化氢化可生成药物托品(tropine)。托品又称莨若醇。
完成下列反应,写出主要产物。
13.8 Robinson增环反应
Robinson增环反应实际上是分三步完成的:
① 首先是曼氏碱发生热消除生成α,β-不饱和酮
② 然后和环酮发生Michael加成
③ 紧接着再发生分子内的羟醛缩合反应,形成一个新的六元环
上述反应的特点除在一个环上再加一个环外,还可在两个环相稠合的碳原子上引入角甲基(angular methyl)。角甲基是指两个环共用碳上的甲基,这个甲基很难用其他方法引入。很多药物如激素(hormone)等有角甲基的结构,可通过此法引入角甲基。
13.9 叶立德的反应
13.9.1 叶立德的定义
元素周期表第三周期的元素,特别是硫和磷,与碳结合时,碳带负电荷,硫或磷带正电荷,碳和硫或磷彼此相邻,并同时保持着完整的电子偶(碳是8,磷、硫可以超过8),这叫做叶立德(或译为邻位两性离子)。由磷形成的叶立德称为磷叶立德(phosphorus ylide)。
13.9.2 Wittig反应
在①中,磷叶立德提供负碳体系,负碳对略带正电性的醛、酮的羰基碳进攻,通过亲核加成形成新的碳碳键。
利用Wittig反应合成的烯烃类化合物,产物中碳碳双键的位置总是相当于原来碳氧双键的位置,没有双键位置不同的其他异构体,但是产物立体化学不能准确地预先判定。
13.9.3 Wittig-Horner反应
用亚磷酸酯代替三苯膦制备的磷叶立德称为Wittig-Horner(霍纳尔)试剂。Wittig-Horner试剂很容易与醛、酮反应生成烯烃。此反应称为Wittig-Horner反应。
Wittig-Horner试剂的立体选择性很强,产物主要是E构型的。
13.9.4 硫叶立德的反应
最常用的硫叶立德,可由二甲亚砜或二甲硫醚与碘甲烷制备。硫叶立德同样可以作为亲核试剂和羰基化合物发生反应。反应首先是亲核加成,然后再发生分子中的取代反应,得到环氧化合物。
其他重要缩合反应
在安息香缩合反应中,有一个很有趣的事实:在上述过程中,醛(i)中的羰基是极性基团,羰基碳呈正电性,具有亲电性;但是在(iii)中,该碳原子已转变为负电性,具有亲核性。同一个碳原子,前后的反应性完全翻转,所以称之为极性翻转(polarity reverse)。
若用苯甲醛和乙酸酐在乙酸钠催化下反应,得到肉桂酸(cinnamic acid)。Perkin反应存在反应温度较高,使用催化剂碱性较强,产率有时不好等一些缺点,但由于原料便宜,在生产上还是经常使用。
Knoevenagel反应是对Perkin反应的改进,它将酸酐改为活泼亚甲基化合物后,由于有足够活泼的氢,因此在弱碱的作用下,就可以产生足够浓度的碳负离子进行亲核加成。因为使用了弱碱,可以避免醛、酮的自身缩合,因此除芳香醛外,酮及脂肪醛均能进行反应,扩大了使用范围。
首先是α-溴代酸酯与锌反应得中间体有机锌试剂(organozine reagent),然后有机锌试剂与羰基进行加成,再水解得产物。这个反应不能用镁代替锌,这是本反应的特点。原因是镁太活泼,生成的有机镁化合物会立即和未反应的α-卤代酸酯中的羰基发生反应,不与酯反应而只与醛、酮反应。
α,β-环氧羧酸酯的用途是可以制备醛和酮。因为它在很温和的条件下水解,得到游离的酸,游离的酸很不稳定,受热后即失去二氧化碳,变成烯醇,再互变异构为醛或酮。
章末习题精选
完成下列反应。
由乙酰乙酸乙酯、指定化合物及必要试剂合成。
由丙二酸二乙酯、指定化合物及必要试剂合成。
英汉对照词汇
复习本章的指导提纲
基本概念和基本知识点
氢碳酸的概念及其酸性强弱的表示;α氢的酸性,酸性强弱的测定以及影响酸性强弱的各种因素;羰基化合物活性强弱的分析和排序;酮式和烯醇式的概念、互变异构及它们稳定性的分析;烯醇负离子的形成、共振式和离域式、烯醇的两位反应性能;烯胺的结构,烯胺的两位反应性能;酮式分解和酸式分解的概念;极性翻转的概念;缩合反应的定义和关键,叶立德的结构特征,Wittig试剂、Wittig-Horner试剂,硫叶立德。
基本反应和重要反应机理
羰基化合物烯醇化的反应机理,不对称酮动力学控制的烯醇化反应和热力学控制的烯醇化反应;醛、酮、β-二羰基化合物烃基化、酰基化的特点及对反应条件的要求,不对称酮和β-二羰基化合物在烃基化、酰基化反应中的区域选择性;β-二羰基化合物的酮式分解、酸式分解和酯缩合的逆反应;Mannich反应的定义、反应式、反应机理和反应的区域选择性;Robinson增环反应的定义和反应式;Wittig反应、Wittig-Horner反应和硫叶立德反应的定义、反应式和反应机理;安息香缩合反应的定义、反应式和反应机理;Perkin反应的定义、反应式和反应机理;Knoevenagel反应的定义、反应式和反应机理;Reformatsky反应的定义、反应式和反应机理;Darzen反应的定义、反应式和反应机理。
重要合成方法
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