亲核加成反应

亲核加成反应 1. 重要的亲核加成反应 (1) 加氰化氰 醛、脂肪族甲基酮和含 8 个碳以下的脂环酮都可以加氰化氢，生成氰 醇(α -羟基腈) 。 OH C O +HCN C CN α -羟基腈 实验っ骷疃哉飧龇从Φ挠跋炱拇蟆,纾颓杌庾饔茫患尤魏未呋至 4 小时 内只有 50%的丙酮起反应;当加入一滴氢氧化钠溶液，反应在两分钟内完成。若加入酸，反 应速度减慢;加入较多的酸，放置几个星期也不反应;因为氢氰酸是弱酸,酸或碱的存在将 直接影响它的电离平衡。 HCN OH H + H + + CN - 加入碱，平衡向右移动，CN-的浓度增加;加入酸，平衡向左移动，CN-的浓度降低。这些 事实说明在丙酮与氰化氢的反应中起决定作用的是 CN-本身的性质和浓度。 醛、酮加氰化氢的反应是可逆的，亲核试剂是 CN-，其历程可以表示如下: Oδ R δ C R`(H ) O- OH R`(H) H + + +CN - 慢 R C CN 快 R C CN R`(H) 反应分两步进行，第一步是 CN-进攻羰基碳，生成氧负离子中间体。这是个慢步骤，也是决 定速度的步骤。第二步是氧负离子中间体和质子结合，形成氰醇，这是个快步骤。 醛、 酮和氰化氢直接加成反应的产率较好， 但是氰化氧有剧毒， 且挥发性大(沸点 26.5?)。 使用起来不安全。为了避免反应中直接使用氰化氢，一般采用醛或酮与氰化钾(钠)的水溶液 混合，然后加入无机酸，使氰化氢一旦生成立即和醛或酮作用。.但在加酸时应控制溶液的 pH 值，使之始终偏于碱性(pH?8)，以利于反应的进行。 醛、酮加氰化氢在有机合成中很有实用价值。它是增长碳链的一种方法;此外加成物含 有双官能团，是一类较活泼的化合物，可进一步转化为多种其它化合物。例如: OH H3+O CH3 C CH3 H CO O H O CH3 C CH3 + H CN OH CH3C CH3 浓H2SO4 CH3OH ，Δ CN (CH3)2C OH CH2 C CH2NH2 O C O CH3 CH3 α -甲基丙烯酸甲酯(90%) α -甲基丙烯酸甲酯是合成有机玻璃——聚α -甲基丙烯酸甲酯的单体。 (2)加亚硫酸氢钠 大多数醛、脂肪族甲基酮和 8 个碳以下的脂环酮与亚硫酸氢钠饱和溶液 (40%)加成，生成白色的α -羟基磺酸钠晶体。 O CH3 C OH R + NaHSO3 (H ) CH3 C R(H) SO3Na α -羟基磺酸钠 α -羟基磺酸钠易溶于水，不溶于醚或饱和亚硫酸氢钠溶液，所以常用该反应定性地鉴别某 些醛、酮，因为反应是可逆的，若向羟基磺酸钠溶液中加入酸或碱，共热后又可以得到原来 的醛、酮。 OH CH3 CH3 HCl NaCl +SO2+H2O Na2SO3+CO2+H2O C R(H) SO3Na C R (H) O + NaHSO3 NaCO3 所以，利用该反应还可以分离或提纯某些醛、酮。 醛、 酮加亚硫酸氢钠与加氰化氢的反应历程类似， 亲核试剂是亚硫酸氢根离子中带有孤电子 对的硫，其历程可以表示如下: O R C O CH 3(H )+? S OOH R O C CH 3(H) R OH C ( CH 3 H) + Na OH R C ( CH 3 H) SO 3H SO 3 SO 3Na 这种加成反应是可逆的， 最初形成的中间体分子内含一个强酸性基团(—SO3H)和一个强碱基 C O 团( ) ，分子内的酸碱反应生成α -羟基磺酸钠。 大多数醛都可以发生这种反应， 但对酮的结构要求比较严格。 因为亚硫酸氢根的体积比 较大，羰基碳上所连烃基体积太大时，加成反应将受到空间阻碍，所以，除甲基酮和低分子 量的脂环酮外，其他的酮较难和亚硫酸氢钠发生加成反应。 α -羟基磺酸钠和等当量的氰化钠作用，磺酸基可以被氰基取代，生成α -羟基腈，这是 制备α -羟基腈的好方法。它的优点是避免使用剧毒的氰化氢，而且产率也较高。例如: OH CH3CH SO 3Na NaCN OH CH3CH CN \ 4 与氨的衍生物加成缩合 醛、酮也能和氨的衍生物，如羟氨、肼、苯肼、2,4-二硝基 苯肼以及氨基脲等反应，分别生成肟、腙、苯腙、2,4-二硝基苯腙以及缩氨脲等。其反应可 用通式表示如下: H + C O + + C OH 2 C NHY OH + C OH H2N - Y ( ( OH C + - H+ NH 2 Y - H+ NHY NO2 OH C NHY H+ - H2O + C NHY C + C NY O NO2 NHCN H 2 氨 基脲 缩氨脲 Y H 2NY C N Y OH 羟氢 肟 NH 2 肼 腙 NH 苯肼 苯腙 NH 2， 二硝 基苯肼 42， 二硝 基苯 腙 4- 反应分两步完成， 首先氮原子上的孤电子对作为亲核试剂与羰基进行亲核加成， 生成加成中 间产物。而后，加成产物失去一分子水，形成含有 结构的化合物。 在这些反应中所用的氨的衍生物又叫羰基化试剂，它们的亲核能力比 CN-弱，反应常常 需要酸催化。酸的作用是使羰基质子化，增加了羰基碳的亲电能力，使其有利于亲核试剂的 攻击。 C O+ H + C N C + OH 但是，反应不能用强酸催化，因为在强酸性介质中氨的衍生物也要质子化，生成铵离子。 NH2 Y + H + + NH3 Y 铵离子因缺乏未共用电子对而丧失了亲核能力， 因此， 常常需要把反应介质调节到一个适当 的 pH 值，即在这个 pH 值时，既能保证羰基达到足够的质子化，又能保证游离碱(未质子化 的氨衍生物)的足够浓度。 许多醛、酮与氨的衍生物的加成缩合产物，如肟、腙、苯腙、缩氨脲等，都是很好的结 晶，收率高，易于提纯，具有固定的熔点，由熔点的测定可以与已知物的熔点核对比较，推 断它们是由何种醛或酮所生成，用来鉴定醛和酮。肟、腙、苯腙、缩氨脲与稀酸共热可水解 生成原来的醛和酮， 因此这一反应也常用来从混合物中分离和精制醛或酮。 通常分子量高的 醛和酮采用生成肟的方法; 一般醛和酮采用生成苯腙的方法; 低分子水溶性的醛和酮采用生 成 2,4 一二硝基苯腙的方法。这主要是根据它们的溶解度和熔点来抉择。 醛、酮与氨的反应一般比较困难，只有甲醛容易，但生成的亚胺类似物(H2C==NH)不稳 定，能很快聚合生成六亚甲基四胺，俗称乌洛托品，可被用作有机合成中的氨化试剂，也可 用作酚醛树脂的固化剂及消毒剂等。 N H2 C O + NH3 H2 C N H 聚合 N N N 3HCHO NH3 N N N 六 亚 甲 基四 胺 伯胺和醛、酮反应，生成的取代亚胺叫薛夫(Schiff)碱。 C O + H2NR C N R +H2O 食品和发酵制品在加工贮存过程中发生的非酶褐变， 它的初始阶段就是醛糖或酮糖的羰 基和氨基酸中的氨基反应，生成薛夫碱。 脂肪族取代亚胺一般不太稳定，而芳香族取代亚胺则是比较稳定的化合物，可以分离 出来，例如: CHO + H2N CH N +H2O 苯亚甲基苯胺(84-87%) 取代亚胺是有用的合成反应中间体，经过催化氢化可以还原为仲胺。 C N R Ar) ( H2 ,Pt C H N H R Ar) ( 取代亚胺 仲胺 仲胺和醛、酮反应，加成物采取另一种脱水方式，即脱去β 一碳原子上的氢，生成烯胺 (enamines)。 H2O R` X CH C O + HNR2 C H C OH NR2 C C 烯胺 NR2 R2N C C R' + 烯胺的结构和烯醇很相似，两者在性质上也有类似之处。可以在烯胺双键碳上引入各种 基团。 3 羰基加成反应的立体化学 羰基官能团中与碳直接相连的两个原子在一个平面内， 如甲醛所在的平面就是分子的对 称面，面内还有一个 C2 对称轴。通过 C2 对称轴操作可以使上下两面互换位置，这种面称为 全同面(homotopic face) 。用氘代锂铝(LiAlD4)还原甲醛，无论负氘从羰基平面的上边还 是下边进攻，得到的是相同的化合物。 D H H D C O H H D C O - H + H C O D - 乙醛分子中的碳基平面也是分子的对称面，但对称面内没有 C2 对称轴，上下两面不能 互换。这种面称为对映面( enantiotopic face)。 D H H 3C re C O si LiAlD4 H H C OD + R- C OD H 3C H 3C D S- 从上面看下去，根据次序规则，原子(团)从大到小是顺时针的，称其构型为 re-型。而从 下面望上去，根据次序规则，原子(团)从大到小是逆时针的，这种构型称为 si-型。氘代锂铝 还原乙醛时，负氘从 re-面进攻时得到的产物构型是 R，从 si-面进攻得到的产物构型是 S(要 注意从 re-面进攻或从 si-面进攻和产物的 R-或 S-构型无直接必然的联系， 仍需根据手性碳原 子上的原子排布来定)。试剂进攻羰基平面时并无选择，机会相等，因此得到等量的 R-和 S构型的产物的混合物，即外消旋体。 O C CH 2CH 3 CH 3 CH 3CH 2 C H 3C H H CH 3CH 2 C H 3C O H H HO H C CH 2CH 3 CH 3 OH H R-(-)-2-丁醇 R-(+)-2-丁醇 有对映面的羰基化合物在非手性环境中加成反应得到的是外消旋体， 与手性试剂发生加 成反应则得到两个含量并不等同的非对映异构体，如: R* H H3C H C O R*MgX H C OMgX + H3C S- C R* R- OMgX 1 S- R- ? 1 : ? H3C 这是由于手性试剂从 re-面和 si-面进攻时形成的两种过渡态之间并不是对映的关系，所 需活化能不一样，因此会有所选择。这种选择又称为对映选择。对映选择的两个反应速度不 一样，所得产物的数量也不一样。 12.2.2α —氢的反应 醛、酮分子中的α —氢原子由于极性羰基的影响而活泼。 H H C H CH CH2 H H C H C H(R) O 这主要是由两种不同的电子效应所引起的。 一种是羰基的吸电子诱导效应， 使α —碳原子上 的电子云密度降低; 另一种是α —碳氢键与羰基的π 键存在σ —π 超共扼效应。 二者都有利 于α —氢原子的离解，和碳碳双键相比，羰基的极性更大，导致的超共扼效应更强，α —氢 原子有更大的离解倾向。同时，醛、酮失去质子后形成的负碳离子，由于电子的离域作用， 使负电荷更加分散，从而增加了负碳离子的稳定性。 H C C O -H + C - C O C C O 所以醛、酮的α —氢原子具有一定的酸性。例如，乙烷、丙酮和乙醛的碳氢键的 pKa 分别 为 50、20 和 17。 12.2.3 氧化与还原反应 1.氧化反应 醛和酮在结构上的差异主要表现在醛有一个氢原子连在羰基碳上，而酮羰基则没有， 因此在氧化时它们表现出明显的差别。醛很容易被氧化成羧酸，酮则不易被氧化。例如，较 温和的氧化剂托伦试剂(硝酸银的氨溶液)或费林试剂(硫酸铜溶液和酒石酸钾钠的碱性溶 液)都可以使醛氧化。 托伦试剂起氧化作用的是银氨络离子中的银离子。醛和托伦试剂作用，醛被氧化羧酸， 银离子被还原成金属银。 RCHO + 2Ag(NH 3)2OH RCOONH 4 + 2Ag + H2O + 3NH3 若反应器皿很洁净，析出的细微银粒可以附在光滑的器壁上，形成漂亮的银镜，所以这种反 应又叫银镜反应。 费林试剂起氧化作用的是二价铜离子，醛和费林试剂作用，醛被氧化成羧酸，二价铜离 子被还原成砖红色的氧化亚铜沉淀。 RCHO+ 2Cu(OH)2+NaOH RCOONa+Cu2O + 3H2O 甲醛还原能力较强，氧化亚铜可继续被甲醛还原，生成“铜镜” 。 费林试剂的氧化作用比托伦试剂更弱，它不能氧化芳香醛(Ar 一 CHO)。托伦试剂和费 林试剂常用于鉴别醛、酮。费林试剂还常用于糖的定量测定。 托伦试剂和费林试剂不与 不饱和酸，例如: RCH=CHCHO Ag(NH3)2 OH C C 和—C?C—反应，因此可由不饱和醛合成相应的 RCH=CHCOOH 反应物可以通过羟醛缩合制备。 酮不能被弱氧化剂氧化。若用强氧化剂，如高锰酸钾、浓硝酸等，酮也可以被氧化，通 常在α 碳与羰基之间发生碳链断裂，生成较小分子的羧酸混合物，合成上没什么意义。然而 对称环状酮如环己酮氧化只生成一种羧酸。 O + HNO3 V2 O5 COOH(CH 2)4COOH 己二酸 这是工业上制备己二酸的方法。己二酸是合成纤维尼龙-66 的单体之一。