-
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
??
C
??
O
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
< br>?
k
[
?
CO
][
CN
?
]
快
OH
+
HCN
CN
-
+
??
C
??
O
慢
-
CN
-
O
-
C
+
H
2
O
H
2
O
快
CN
OH
+
OH
-
C
CN
反应的平衡
位置受电子效应和空间效应的影响。
化合物
CH
3
CHO
PhCHO
p-NO
2
C
6
H
< br>4
CHO
p-CH
3
C
6
H
4
CHO
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。
C<
/p>
O
+
H
+
C
OH
C
+
OH
K
>10
4
2
?
10
2
1.4
?
10
3
32
原因
位阻增大，
+C
效应
（
-I,
-C
）
（
+
I
，
+C,
+C
’
）
碱催化提高亲核试剂的亲核性。
Nu
H
+
OH
-<
/p>
Nu
-
+
H
2
O
-
活性：
Nu
>
Nu
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
，
< br>+C
）则使其活性降低。
活泼顺序：
ClCHO >
HCHO > RCHO > CH
3
COR >
RCOOR' > RCONR'
2
>
RCOO
-
-I > +C
(+C)<
/p>
(+C,
空阻
)
O
C
R'
R
活
性极低
( +C > -I)
(+C)
（
1
）
?
-
?
共轭效应（
增加其稳定性）
；
（
2
）
+C
效应（降低羰基碳的正电性）
< br>；
（
3
）加成产物失去共轭
能，反应活化能高；
（
4
< br>）产物的张力大幅增加。
2
．立体效应
O
C
sp
2
张力增加
O
-
sp
3
O
O
活性：
O
H
C
O
O
H
>
CH
3
C
H
>
CH
3
C
CH
3
>
O
>
CH
3
CH
2
C
CH
2
CH
3
>
Ph
C
< br>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。
< br>
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
< br>2
O, RO
-
>ROH
。
2
．极性大的分
子比极性小的分子亲核性强。
HCN>H
2
O(
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
3
C
-
>R
2
N<
/p>
-
>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
-<
/p>
>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
①<
/p>
R
R'
C
O
②
+
Nu
-
①
R
R'
C
Nu
O
O
-
C
Nu
-
H
+
R
C
R'
Nu
50%
OH
dl
OH
C
50%
Nu
②
R
R'
H
+
R
R'
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。
S
S
< br>M
O
OZ
L
C
C
R
M
R'
非对映异构体
S
M
R'
OZ
L
C
C
R
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，
< br>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。
L
C
C
R
+
R'Z
②
M
R'Z
①
O
S
①
L
R
②
ZO
M
S
R'
M
ZO
R'
S
L
R
L
R
重叠式
交叉式
(
主要产物
)
R'
M
L
R
S
OZ
R'
M
R
L
(
次
)
S
OZ
Ph
C
H
Ph
O
NaBH
4
Ph
OH
Br
+
HO
H
CH
3
(1R,2R)
苏式
(
主
)
H
Br
H
H<
/p>
CH
3
Br
CH
3
(2R)
-
BH
4
优
O
H
Me
(1S,2R)
赤式
(
次
)
H
< br>Ph
H
Me
OH
+
H
HO
H
< br>Me
Ph
Br
Ph
(2R)
Br
(1R,2R)
(
优
)
Br
(1S,2R)
[H]
OH
O
+
H
H
OH
樟脑
（刚性桥环不能翻转）
外型冰法
内型冰法
转位阻大
NaBH
4
LiBH(CHCH
2
CH
3
)
3
CH
3
（位阻增大）
5.3
醛酮的亲核加成
5.3.1
醛酮的简单加成
一、与
NaHSO
3
的
加成
98.6%
0.4%
86% 14%
O
C
+
NaH
SO
3
OH
C
SO
3
Na
(
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。
OH
C
SO
3
-
+
CN<
/p>
-
OH
C
CN<
/p>
+
SO
2-
3<
/p>
好的离去基，避免用
HCN
二、与水加成
O
C
+
H
2
O
OH
C
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。<
/p>
三、与醇的加成
H
-
或
OH
-
OH
C
OR
C
O
+
R
OH
半缩醛（酮）不稳定
OH
C
OR
+
H
+
C
OH
2
C
OR
OR
ROH
OR
C
H
OR
-H
+
OR
C
OR
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
?
< br>-
二醇形成环状缩酮。
R
R
2
C=O
+
HOCH
2
CH
2
OH
R
C
O<
/p>
+
H
2
O
O
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
O
①
R'CR''
②
H
3
+
O
< br>THF
OH
R'
C
C
CR
R''
炔丙式醇
RC
CH
Na
RC
CNa
2.
与
Grignard
试剂
R
C
O
+
R''MgX
H(R')
O
+
R''MgX
①
干醚
< br>②
H
3
+
O
R
C
H(R')
< br>OH
R''
①
干醚
②
H
3
< br>+
O
R''CH
2
CH
2
OH
O
RCOR'
+
R''Mg
X
反应可能停留到酮阶段
O
RCR''
①
②
R''
MgX
H
3
+
O
OH
R
C
R
''
R''
(C
2
H
5
O)
2
C=O
+
3C
2
H
5
MgBr
< br>H
3
O
+
(C
2
H
5
)
3
COH 82-88%
H
3
+
O
<
/p>
MgCl
HC(OC
2
< br>H
5
)
3
+
CH
3
CH(OC
2
H
5
)
2
CHO
74%
CH
3
CH
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）
H
C
O
Mg
X
C
C
C
O
H
< br>C
C
Mg
X
C
O
H
MgX
H
3
+
O
+
C
C
C
O<
/p>
H
H
转移
?
－
H
（
2
）烯醇化，不存在
?
-H
，且位阻大时。
RMgX
+
C
C
O
H
C
C
OMgX
+
RH
烷基锂活性高，高位阻的酮仍然发生加成反应。
O
t
Bu
C
Bu
t
+
t
< br>BuLi
①
THF
②
H
3
O
+
(t
Bu)
3
COH
81%
而格氏试剂却不能反应
3
．
Reformatsky
反应
< br>
O
H
3
+
O
RCHCO
2
< br>Et
+
Zn
X
< br>R'
R''
OH
CCHCO
2
Et
R
XZnC
HCO
2
Et
R
△
-H
2
O
R'CR''
R'
R''
C
CCO
2
Et
R
用此反应来合成
?
-
羟基酸酯和
?
,
?
-
不饱和酸酯，同时可使醛酮的碳键增加。
PhCHO
+
RCHCOO
Et
Br
PhCH=CCO
2
Et
R
5.3.2
醛酮
与含氮亲核试剂的加成—消除反应
一、与胺衍生物的反应
H
2
/Ni
Zn
PhH,E
t
2
O
OH
P
hCHCHCO
2
Et
R
Cr
2
O
3
吡啶
-H
2
O
△
PhCH
2
CHCH
2
OH
R
PhCH
2
CHCHO
R
C
O
+<
/p>
NH
2
Z
加成<
/p>
R
C
OH
NHZ
-H
2
O
消除
C=N
Z
存在
p-
π共轭
而稳定
Z=R, Ar, OH, PhNH,
NH
2
CONH
仲胺与醛酮加成后不
能形成亚胺，如果
?
－碳上有氢则可脱水得烯胺。
R'
R''
2
NH
+
RCH
2
COR
'
TiCl
4<
/p>
RCH
δ
-
NR
''
2
+
H
2
O
C
δ
+
烯胺的
?
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
?
碳上引入烃基或与
酰卤作用在
?
碳上引入酰基，产物经水解及到相应的醛酮。
O
+
O
①
N
H
CH
2
=CHCH
2
Br
CH
2
CH=CH
2
②
H
2
< br>O
增加醛
酮
?
－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<
/p>
Mannich
反应。
H
+
或
OH
< br>-
H
2
NCH
< br>2
CH
2
COR
HCHO
+
NH
3
+
CH
3
COR
含活泼氢的化合物有；
RCH
2
COR,RCH
2
COOR
,RCH
2
COOH,RCH
2
CN
和
RCH
2
NO
2
等。
氨和
1
?胺可进一步发生
< br>Mannich
反应
H
+
O
CH
3
CCH
2
CH
2
NHCH
3
CH<
/p>
3
COCH
3
+
HCHO
+
CH
3
NH
2
HCHO, CH
3
COCH
3
O
CH
3
O
CH
3
CCH
2
CH
2
NCH
2
CH<
/p>
2
CCH
3
区域选择性
O
O
CH
3
HCHO, Me
2
NH
H
2
O.
△
CH
2
NMe
2
+
70%
30%
CH
3
CH
3
O
CH
2
NMe
2
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
O
PhCCH
3<
/p>
+
HCHO
+Me
2
NH
H
+
PhCOCH
2
CH
2
NMe
2
△
PhCOCH=C
H
2
+
①
H<
/p>
CH
=C
CHO
2
Me
2
CHCH
2
CHO
+
HCHO
+
Me
2
NH
②
△
CH
（
CH
3
)
2
< br>O
+
HCHO
+
PhNH
2
①
CF
3
COOH
②
△
O
CH
2
托品酮的合成，
1963
年从环庚酮出发经十几步来合成。
O
H
+
H
2
NCH
3
+
H
O
COOH
O
COOH
N
CH
3
O
活泼氢
托品酮（一步合成）
3
—氧代
－
1
，
4
－戊
二醇
5.4.3
Wittig
反应
R
3
C
O
+
Ph
3
P=C
R
< br>4
二烃代亚甲基
三苯基膦
Wittig
试剂
1. Wittig
试剂
R
2
R
1
R
3
R
2
C
C
+
Ph
3
P
O
R
1
R
4
R
Ph
3
P
+
1
R
2
CHCH
2
X
R
1
Ph
3
P
R
1
-
CH
X
R
R
1
2
< br>强碱
LiBu-n
或
PhLi<
/p>
等
Ph
3
P
空
3d
轨道
C
R
2
2p
电子对<
/p>
Ph
3
P
C
R
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<
/p>
,H
2
O,HX
或醇均能反应。
(2)
不活泼的<
/p>
Wittig
试剂
O
当
O
C
N
COR
O
CH
等吸电子与带负电荷的α碳相连时，
因
-I,-C
负电荷分散，
CR
Wittig
< br>试剂比较稳定。
O
如
Ph
3
P
CH
CR
Ph
3
C
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
3
P
反应历程
PPh
3
Ph
3
P
CR
R
+
1
2
R'
R
2
C
O
R
1
C
C
R
3
R
2
PPh
O
-
R
4
3
R
3
R
R
2
1
C
C
O
R
< br>4
R
1
R
2
甜菜碱
R
3
C
C
R
4
+
Ph
3
P<
/p>
O
Ph
3
P
氧磷环丁烷
（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
3
P
CH
CH
3
+
PhCHO
CH
3
Ph<
/p>
CH
3
H
C
C
+
C
C
Ph
H
H
H
87%
13%
中间体以反应动力学有利的赤式为主。