碳负离子反应.ppt

1,一些常见的烷基,2,3,第一章 碳负离子的反应,1.1 基本原理 1.2 碳负离子与醛酮缩合反应 1.3 碳负离子与羧酸衍生物的缩合 1.4 碳负离子的烃基化反应 1.5碳负离子对活泼烯烃的加成反应 1.6 烯胺反应 1.7 乙炔碳负离子反应 1.8氰基(CN)负离子反应 1.9 Wittig反应-羰基烯化反应,1.1 基本原理 1.1.1碳负离子的形成及其稳定性 碳负离子是以一个带有负电荷的碳为中心原子的中间体，是有机化学反应中常见的活性中间体。如甲基负离子、烯丙基负离子、苄基负离子、三苯甲基负离子等。 碳负离子可以通过金属有机化合物异裂而产生。碳氢键的碳原子上存在吸电子基时易形成碳负离子。,如：,形成碳负离子的内部条件 能形成碳负离子的化合物从结构上讲，至少含有一个氢的碳原子的邻位要有一个活化基团，一些带有双键或叁键的吸电子基团C=O、NO2、SO2、CN、CC等都是活化基团。 活化基团有两个作用： 由于其吸电子作用，使氢碳酸的酸性增加，而容易脱质子化。 使形成的C-的负电荷离域而趋于稳定。,活化基团的强弱顺序如下： -NO2-C=O-SO2-COOR-CN -CCH-C6H5-CH=CH2-R 除了要有一个活化基团外，分子中的其它基团的空间效应和电子效应对C的形成和稳定性也有影响，其中空间阻碍影响最大。,形成碳负离子的外部条件,有了一个带有活化基团的化合物后，还必须加入碱，才能把-H交换下来，形成碳负离子。 选择强度适合的碱，酸性弱的-H要用强碱，反之用较弱的碱。 在选择碱的时候，还要分清哪些碱是强亲质子性的（与质子结合的能力），哪些碱是强亲核性的（与碳正离子的结合能力），哪些是两种都有的。这是因为在形成C的过程中，碱可能进攻碳原子，也可能进攻质子氢。,一般来说，亲核试剂的亲核性能大致与其碱性的强弱次序相对应。对具有相同进攻原子的亲核试剂，碱性愈强者，亲核性愈强。,下面列出常用碱的性能： 具有强亲质子和强亲核能力的碱：HO ,CH3O,C2H5O,RS,CN等。 具有强亲质子弱亲核能力的碱： H , NH2。 具有强亲质子相当弱亲核性的碱：Et2N ,C6H5N , Me3Si-N。,例1 .醛、酯的-H烷基化时，不能用OH去脱质子。如用OH时, 则醛发生醇醛缩合：,酯会发生水解：,在形成碳负离子的外部因素中，还应指出的是溶剂的影响。假如溶剂的酸性比氢碳酸强的多的话，就不能产生很多的C，因为刚形成的碱性很强的C夺取溶剂的质子，又成为原来的化合物（内返作用）。,一般应采用极性大但酸性弱的溶剂，即非质子溶剂。有以下几种配合： （1）t-BuOH，溶剂用t-BuOH或DMSO、THF。 （2）NaNH2，溶剂用液氨或醚、苯、甲苯、1，2-二甲氧基烷苯等。 （3）NaH、LiH，溶剂为苯、醚、THF等。 （4）(C6H5)3CNa，溶剂为苯基醚、液氨等。,为了满足合成的需要，常常需要形成单一部位的烯醇盐。因此需要从形成碳负离子时的条件上加以控制： 动力学控制，形成碳负离子部位碳氢被碱提取质子的相对速度。一般在较低温度下和体积较大的碱时，易使碳负离子在位阻较小部位的碳氢键处形成； 热力学控制，两种碳负离子能相互转化并达到平衡，一般在较高温度、体积较小的碱条件下，取代基较多部位的碳氢键易于形成碳负离子,如：,1.1.2 碳负离子反应 C形成后（虽然是共振稳定的）具有很高的能量，可以发生多种亲核加成反应，重要的四类反应用通式表示如下： （1）与含羰基的化合物,（2）与羧酸及其衍生物的羰基发生亲核加成接着失去RO或Z形成-酮酯或-二酮，这是酯缩合型反应，总的结果是在C上带上一个酰基，也叫酰基化反应。,（3）与烷基卤化物的反应：,（4）与活泼烯烃的加成反应：,1.2 碳负离子与醛酮缩合 醛、酮、酯、卤代羧酸酯、硝基化合物、氰基化合物等可生成碳负离子和醛、酮发生羰基缩合反应，产物为,-不饱和醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基化合物和氰基化合物，反应使碳链可以增长1-3个碳原子。 1.2.1 醇醛和醇酸缩合 醛或酮的自身缩合。有-H的醛、酮在碱的作用下发生自身缩合，得到链状或环状化合物，常用的碱有KOH、Ba(OH)2、NaOEt、(t-BuO)3Al等。,反应机理： 醛自身缩和：,酮自身缩合：,醇醛缩合用于合成时，本身有下述特点： （1）反应是可逆的。 （2）醇醛的中间产物-羟基醛一般分离不出来 例如，乙醛缩合形成环式半缩醛，加热时三聚物又变回-羟基醛，后者脱水为巴豆醛：,（3）用较浓的碱作催化剂，可直接得不饱和羰基化合物。 （4）醛酮在碱作用下，形成的烯醇负离子是双位性负离子。可以发生氧负和碳负的两位加成。,(5)烯醇负离子(碳负离子)，具有亲核性，与卤代烷反应生成烷基化产物，如：,（6）不对称酮缩合时，因含两个-碳原子（都连有氢原子），因此可形成两种负离子，生成两种缩合产物。,1.2.2交叉缩合 如果两个原料都含-氢原子，混合缩合得四个产物，除非产品容易从混合物中分离，否则在合成上意义不大。常使用一个不含-H的羰基化合物，这时可得两个产物。一般醛羰基比酮羰基活泼，将醛慢慢的滴入酮中，可减少反应的复杂性。,1.2.3 酯碳负离子与醛酮缩合 （1）克莱森（Claisen）反应 碱催化下含-H的酯和没有-H的醛反应。,（2） 酯与羰基化合物缩合（Stobbe反应） 酯的-亚甲基不能与酮发生醇醛缩合，但在醇钠的催化下，丁二酸酯或-羟基取代的丁二酸酯却能和酮羰基反应。反应机理为：,1.2.4 酸或酸酐负离子与醛酮缩合 1.2.4.1羰基化合物与酸酐的缩合（perkin反应） 芳醛和酸酐在这种酸酐相同的羧酸钠催化下，发生反应，生成, -不饱和羧酸，反应由酸酐形成碳负离子，再和醛羰基碳反应。,反应具有以下特点： （1）反应常需要较高温度和较长时间。 （2）芳醛的环上带有吸电子基，如 NO2、Cl 等对反应有利。,(3) 经perkin反应，可合成-氨基酸等 有用化合物,（4）中间体 -羟基酸酯一般不能分离出来，在空间有利于失水的情况下(即使羟基不在位置上)将失水。,1.2.4.2 丙二酸及其衍生物与羰基化合物缩合（Knoevervengel反应） 在有机碱的催化下，含活泼亚甲基的酸（如丙二酸、氰乙酸酯）与醛酮生成各种不饱和酸或酯:,本反应具有以下特点： （1）反应所用的催化剂是弱碱，所以用于产生负离子的次甲基上要有两个活化基团，才能产生足够浓度的碳负离子，发生亲核加成反应，如氰基乙酸、乙酰乙酸乙酯、苯乙氰等均能发生本反应。,（2）在合成上芳醛比脂肪醛有用，后者易发生进一步反应。,(3)丙二酸及其酯和酮发生本反应，一般比较困难，但用含有更活泼化合物如氰乙酸及其酯可以发生反应。如：,1.2.5 羰基化合物与-卤代羧酸酯缩合反应（Darzen反应） -卤代羧酸酯和醛酮在碱催化下缩合，生成,-环氧酸酯。,反应机理如下：,结果：羰基的位置增加一个醛基。,1.2.6硝基化合物和腈以及某些特殊烃类衍生的碳负离子与醛酮缩合 （1）硝基化合物 在碱存在下，硝基甲烷与醛缩合得到-羟基硝基化合物。例如甲醛与硝基甲烷反应，硝基甲烷分子中-碳转变为碳负离子进攻羰基碳最后得到三甲醇基硝基甲烷。,（2） 腈 含-H原子的腈与醛反应类似硝基化合物。,（3）特殊的芳香体系，如环戊二烯脱质子后的阴离子是一个含有六个电子的芳香体系，能发生碱催化下的缩合反应。,1.3 碳负离子与羧酸衍生物缩合 碳负离子和羧酸衍生物（酯、酰卤、酸酐）中羰基发生缩合生成酮酸酯、-二酮、甲酰基、丙二酸酯等产物。反应可用下面通式表示。,1.3.1克莱森（Claisen）酯缩合 含-H的酯在强碱(如：乙醇钠)催化下缩合，生成-酮酸酯的反应称为Claisen酯缩合。 该反应和醇醛缩合的区别在于羰基加成后，前者脱去RO-，成为酮酯，而后者获得质子，形成羟酮。,相同酯的自身缩合,反应机理：,特点：（1）反应是可逆的 （2）缩合于碱性催化剂催化下进行。 （3）对于各含有-H不同酯Claisen缩 合，得到混合物。,芳香酸酯的羰基碳正电性下降，须强碱，以增大烯醇负离子浓度。,（4）酯缩合反应常用过量的酯本身做溶剂，有时也在乙醚，苯或甲苯等惰性溶剂中进行,1.3.2狄克曼（Dieckmann）缩合 是二元酯的分子内Claisen缩合，得到五元或六元环状-酮酸酯，脱羧后即可制得环酮。,Dieckmann 缩合反应只适合于五、六元环的合成 ,较大、较小的环都不易生成。这时分子间和分子内的缩合反应发生竞争，如丁二酸二乙酯先发生分子间的缩合，然后环化。,应用Dieckmann-Komppa改良法，草酸酯与戊二酸酯缩合，得-环二酮。,用,-二腈碱催化缩合得到环状- 酮腈,1.3.3 醛酮碳负离子与酯缩合 醛酮和酯各有一个-H，碱催化缩合得四个产物，在合成上没有实际意义，因而一般只有醛酮和没有-H的甲酸酯和草酸酯缩合在合成上是有意义的。 草酸酯和酮缩合，使酮转变为-酮酯。,在两个活化基的作用下，-酮酯中次甲基，酸性增加，可以在较温和的条件下进行其它反应，化合物中酯基可以水解为酸加热脱羧而除去。下列反应在邻位引入一个甲基,甲酸酯和酮在碱性条件下反应得-酮醛。,1.3.4 醛、酮、酯碳负离子和酰氯、酸酐缩合 由丙二酸酯，乙酰乙酸乙酯，-二酮及其它一些醛酮产生的碳负离子可以和酰氯、酸酐发生反应，反应往往是向同一个方向进行得到C-酰化或O-酰化产物。同时反应一般在无质子溶剂如苯及乙醚中进行，并用醇镁代替醇钠，因醇镁和活泼亚甲基化合物形成的盐可溶于这些溶剂中。,当醛酮用酰氯、酸酐酰化时，反应往往在烯醇负氧上发生。,1.4 碳负离子的烃基化反应,碳负离子是一种亲核试剂，可以置换卤代烷中卤素，形成碳-碳键，相对于O、S、N等的烃化，研究较多的是C-烃化。,在碱作用下，醛酮形成的烯醇负离子是两可性离子，发生烷化反应时（和酰化反应一样），也会得到C-烃化和O-烃化产物，通常溶剂对烃化产物影响很大，在质子性溶剂中进行烃化，主要得C-烃化产物。如：,烃化反应是SN2历程，有如下几条规则： （1）卤代烷的活性次序：IBrClF。 （2）产率次序：伯卤代烷仲卤代烷叔卤代烷。 叔卤代烷一般不宜作烃化剂，但近年来研究发现，在特定的酸性条件下，某些叔卤代烷取得了较好结果,（3）乙烯基和芳基卤代烷不活泼，不能作烃化剂， 但若芳环p、o位上有强的吸电子基团（硝基）的 芳卤可以反应,（4）烯丙基卤和苄基卤是很好的烃化剂,易发生反应,试写出以上3种物质与碳负离子发生烃基化反应的方程式,1.4.1 单功能团化合物的烃化 是由一个活化基团活化的化合物的烃化，主要指醛酮、酯及氰的烃化。这类化合物-氢的酸性较小，反应要有足够强的碱作催化剂。如果用乙醇钠作催化剂，则容易发生醇醛型缩合反应而不发生烃化反应。常用NaNH2 、LiH、Ph3CNa这样的强碱，促使生成更多的碳负离子，反应才能进行。,已有很多方法用于改进不对称酮烃基化的选择性。 应用最广泛的一种方法是在一个-位置引入临时的活化基团来稳定相应的烯醇负离子，同时活化后-碳上的氢原子酸性增大，待烃化反应完成后，再除去这个活化基团。常用的活化基团有乙氧羰基、乙氧草酰基、甲酰基等。,引入一种可随时除去的基团，封闭一个-位置，以防止相应烯醇负离子的形成，例如10-甲基十氢萘酮的合成：,1.4.2 双功能团化合物的烃化 分子中有两个活化基团的化合物的烃化，最熟悉的如乙酰乙酸乙酯和丙二酸酯。这类化合物酸性较强，在乙醇钠的催化下即可烃基化。合成上往往利用这两个化合物的活泼性烃化之后，除去一个活化基，比单功能团化合物的烃化要合适，且可以制备一系列有用化合物。,1.4.2.1 利用丙二酸酯烃化产物进行溴化和氨化，可制得-氨基酸，如亮氨酸的制备。,1.4.2.2 丙二酸酯的烃化,常用的烃化试剂为卤代烃、硫酸酯等， 烃化剂中存在 -OR、C=O、-CN、-NR2、-NO2均对反应无影响。 例1 -烃基取代的丙二酸酯在氰化钠存在下， 于二甲亚砜中加热脱羧，可直接生成羧酸酯。,2.4.3 1,3-二羰基化合物的-烃基化 一般条件下，1,3-二羰基化物，在侧甲基或亚甲基上，而不是双活化亚甲基上烃化，并不明显的发生。 但采用双负离子法即二羰基化合物和两摩尔的氨基钠或钾，在液氨中形成的双负离子和一摩尔的烃基化试剂反应，1,3-二羰基化合物的-烃基化可以选择性地、高产率进行。,一般烃基化遵循下列次序： C6H5CH2-CH3-CH2-,例：乙酰丙酮转变成2,4-二酮产率82,1.5 碳负离子对活泼烯烃的加成反应,碳负离子对活泼烯烃的加成反应叫Michael反应。,碳负离子不能和一般的C=C加成。如果双键和一个 吸电子的Z基团共轭（Z = -CHO、-COR、-COOR、 -CN、-CONH2、-NO2）,则能发生加成反应。,Michael反应在合成中应用很广。例如脂肪醛在EtO,的催化下，可自发地发生缩合和加成，制备戊 二酸或取代戊二酸。,这类加成可以扩大到CH3-CH=CHn- Z型烯烃（n=0,1,2,3）,得到1，4、1，6其至1,8-加成产物。,Michael反应的产物分子中常常既有-H又有羰基，在催化剂作用下可进一步发生分子内羟醛缩合，形成环状化合物，叫做Robinson缩合环化反应。 几个重要的例子见p48。,Michael反应中，如果活泼烯烃是丙烯腈时，所得产物都带有氰乙基。这个反应叫氰乙基化反应。例如：,对酮而言，氰乙基化反应进行得比醛类更容易，在碱性催化剂的存在下，反应最容易在离羰基最近的含氢较少的碳原子进行。,从这类反应制得的多氰类化合物可作为杀虫剂、麻醉剂、增塑剂的原料。,1.6 烯胺反应 1.6.1烯胺的烃化酰化反应,烯胺是指,-不饱和胺。是含有一个-H的醛酮与胺作用，再失去一个水分子得到的产物。,烯胺作为一种活性中间体进行烃基化、酰基化反应，由于不需要碱性试剂，可避免许多副反应，反应后烯胺水解，使羰基再生，故可以看作醛和酮烃基化和酰基化的一个间接方法。烯胺具有类似烯醇的结构。,（1）烃基化反应 烯胺与卤代烷发生C-烃基化和N-烃基化反应，随后水解，N-烃基化产物溶于水而不发生水解反应，而C-烃基化则水解得到烃基化酮。,不对称酮发生烃基化反应后，在较少取代基上形成的产物占优势。,烯胺与卤化物烷基化反应,（2）酰基化反应 烯胺很容易和酰氯反应，生成取代酰胺。经水解后得到-二酮，这里N-酰化反应是可逆的，因此可得到高产率的C-酰化产物。利用这一反应可增长碳链。,例如：脂肪族酰氯、二元酸的单酰氯和环已酮或环戊酮与烯胺反应。首先生成-二酮或-酮酯，水解成酮酸。此酮酸用kischner-wolff-黄鸣龙法还原成长链脂肪酸,1.6.2 烯胺与亲电烯1,2-加成,由酮形成的烯胺与亲电烯的1,2-加成，已成为酮烃化，特别是立体选择性酮烃化的重要方法。由于反应时不需要碱性催化剂，因此，避免了由于碱性试剂所引起的羰基化合物的羟醛缩合及亲电烯的聚合等副反应。,2-甲基-6-(-氰乙基)环己酮的合成。,不对称酮发生该反应后，在较少取代基上形成的产物占优势； 而碱催化法优先发生在多取代一边。例如,手性的1-甲基- 1-苯基丙胺与-甲基环己酮生成的烯胺与丁-3-烯-2-酮进行1，2-加成反应，高立体选择性地生成了2-甲基-2-(3-氧-1-丁基)环己酮，ee值达91。,酮与手性胺反应生成的手性亚胺与,-不饱和酮进行1,2-加成反应时与上述情况相反，往往优先发生在较多取代的一边，而且有较高的立体选择性。,-不饱和酮与烯胺反应，生成的烃化产物可发生分子内的缩合。这也是合成并环化合物的重要方法。,o,1.7 乙炔碳负离子反应 产生乙炔负离子是在液态氨中进行。交替地通入乙炔和加入金属钠，催化量的Fe(III)存在可加快反应：,1.7.1 乙炔碳负离子与卤代烃反应,(1)乙炔碳负离子和卤代烷发生SN2反应生成新的C-C键。这样可使炔烃分子的碳链加长，或者说把炔基导入其它分子中。 (2)乙炔碳负离子只有和,-碳上没有支链的卤代烷RCH2CH2X才能反应。 (3) 卤代烷活性顺序：RI RBr RCl,1.7.2 乙炔碳负离子与羰基化合物反应,乙炔碳负离子和羰基化合物反应生成-乙炔醇。 在有机合成上有很重要的意义，如,由乙炔铜和两分子甲醛反应，可制得许多重要的有机化合物。,1.8 氰基(CN )负离子反应,1.8.1 氰基负离子与卤代烃反应,氰基的引入可以增加一个碳原子，氰基转换可以得到很多衍生物。,CN是一个亲核试剂，由于碳的sp构型和氮的 电负性使氰基趋于稳定，可作为独立离子存 在于水溶液中。CN是双活性负离子，但通常 多是亲核性强的碳一端发生反应。,（1）水解为羧酸,（2）催化还原为胺（由蓖麻油制尼龙1010）,1.8.2 氰基负离子与羰基化合物反应,例 在三乙胺存在下，化合物()与液体氰 化氢于0反应，生成相应的羟基腈。,1.9 Wittig反应-羰基烯化反应 Wittig等人在1953年报告了下列反应：,其产率差不多是定量的。在不断实践中知道， 多种亚甲化三苯磷都同多种醛酮反应得到烯烃。 这类 反应可用通式表示如下：,1.9.1 磷叶立德,(1) Wittig试剂的制备,ylen(共价型) ylid(离子型),式中：X=I、r、Cl，以碘代烃反应最快， 溴代烃较慢，氯代烃较难。一般用溴代烃。,磷叶立德，可分为三类： 稳定的磷叶立德 R为吸电子基，如羧基、酰基、酯基、氰基等。 活泼的磷叶立德R为推电子基，如烷基、环烷基。 半稳定的磷叶立德R为烯基、炔基、芳基。,(2) 结构与活性,1.9.2 磷叶立德与醛酮反应 磷叶立德与醛酮发生亲核加成反应，使羰基所在位置烯基化，这便是著名的Wittig反应。,羰基化合物可以是脂肪烃或芳香烃的醛或酮。 其他官能团不受影响，羰基组分可以含双键、 叁键、羟基、烷氧基、卤素、酯基等。 叶立德组分也可以带双键、叁键及其他官能团。,稳定的磷叶立德的wittig反应，如：,wittig与醛酮的反应，还可以合成如下物质。,磷叶立德用于合成多一个碳原子的醛 三苯基磷与-卤代醚作用生成的磷叶立德与醛酮反应得到乙烯醚，后者酸性水解得到多一个碳原子的醛。,l,3-1,4-双磷叶立德极有用途，是合成环烯和轮烯的重要方法。,1.9.3 磷叶立德与其它羰基化合物反应 (1)酰化反应 磷叶立德与酰卤在苯溶液中进行C-酰化反应，首先生成羰基取代的鏻盐，此鏻盐的-H受酰基的影响，酸性较强，因此能与原来的磷叶立德发生转移反应，生成更稳定的羰基磷叶立德。水解或用Zn/HOAc还原裂解得到酮。,（2）羧酸酯与磷叶立德在苯中反应，先发生羰基缩合，生成乙烯醚，进一步水解可合成醛、酮。羧酸酯与过量的叶立德在DMSO中反应，则生成2-取代丙烯。,(3)与酸酐的反应 叶立德与环状酸酐反应的产物是热力学稳定的E式烯烃。,作业：,1、提出实现下列转化的方法,2、写出下列反应的机理,完成反应,