碳负离子反应总结课件.ppt
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1、1l l 一些常见的烷基一些常见的烷基23第一章第一章 碳负离子的反应碳负离子的反应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 1.1 基本原理基本原理1.1.11.1.1碳负离子的形成及其稳定性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
2、、烯丙基负离活性中间体。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。子、苄基负离子、三苯甲基负离子等。碳负离子可以通过碳负离子可以通过金属有机化合物异裂金属有机化合物异裂而而产生。碳氢键的碳原子上存在产生。碳氢键的碳原子上存在吸电子基吸电子基时时易形成碳负离子。易形成碳负离子。如:如:形成碳负离子的内部条件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有双键或叁键的吸电子基团C=O、NO2、SO2、CN、CC等
3、都是活化基团。等都是活化基团。活化基团有两个作用: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,而容由于其吸电子作用,使氢碳酸的酸性增加,而容易脱质子化。易脱质子化。使形成的使形成的C-的负电荷离域而趋于稳定。的负电荷离域而趋于稳定。活化基团的强弱顺序如下:活化基团的强弱顺序如下:-NO2-C=O-SO2-COOR-CN-CCH-C6H5-CH=CH2-R除了要有一个除了要有一个活化基团活化基团外,分子中的其它基外,分子中的其它基团的团的空间效应空间效应和和电子效应电子效应对对C的形成和稳的形成和稳定性也有影响,其中定性也有影响,其中空间阻碍空间阻碍影响最大。影响最大。形成碳负离子
4、的外部条件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,还必须加入有了一个带有活化基团的化合物后,还必须加入碱碱,才能把才能把-H交换下来,形成碳负离子。交换下来,形成碳负离子。选择强度适合的碱,酸性弱的选择强度适合的碱,酸性弱的-H要用强碱,反之用要用强碱,反之用较弱的碱。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(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。这是碳正离子的结合能力),哪些是两种都有的。这是因为在形成因为在形成C的过程中,碱可能进
5、攻碳原子,也的过程中,碱可能进攻碳原子,也可能进攻质子氢。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。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:下面列出常用碱的性能:具有强亲质子和强亲核能力的碱:具有强亲质子和强亲核能力的碱:HO,CH3O,C2H5O,RS,CN等。等。具有强亲质子弱亲核能力的碱: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:具有强亲质子相当弱亲核性的碱:Et2N,C6H5N,M
6、e3Si-N。例例1.醛、酯的醛、酯的-H烷基化时,不能用烷基化时,不能用OH去脱去脱质子。如用质子。如用OH时时,则醛发生醇醛缩合:则醛发生醇醛缩合:酯会发生水解:酯会发生水解:在形成碳负离子的外部因素中,还应指出的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,就不能产生很多的强的多的话,就不能产生很多的C,因为,因为刚形成的碱性很强的刚形成的碱性很强的C夺取溶剂的质子,夺取溶剂的质子,又成为原来的化合物(内返作用)。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,即非质一般应采用极性大但酸性弱的溶剂
7、,即非质子溶剂。有以下几种配合:子溶剂。有以下几种配合:(1)t-BuOH,溶剂用,溶剂用t-BuOH或或DMSO、THF。(2)NaNH2,溶剂用液氨或醚、苯、甲苯、,溶剂用液氨或醚、苯、甲苯、1,2-二甲氧基烷苯等。二甲氧基烷苯等。(3)NaH、LiH,溶剂为苯、醚、,溶剂为苯、醚、THF等。等。(4)(C6H5)3CNa,溶剂为苯基醚、液氨等。,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醇盐。因此需要从形成碳负离子时的条件上加以控制:控制:动力学控制动力学控制,形成碳负离子部位碳
8、氢被碱提取质,形成碳负离子部位碳氢被碱提取质子的相对速度。一般在较子的相对速度。一般在较低温低温度下和度下和体积较大体积较大的的碱时,易使碱时,易使碳负离子在位阻较小碳负离子在位阻较小部位的碳氢键处部位的碳氢键处形成;形成;热力学控制,两种碳负离子能相互转化并达到平热力学控制,两种碳负离子能相互转化并达到平衡,一般在较衡,一般在较高温高温度、度、体积较小体积较小的碱条件下,的碱条件下,取取代基较多部位的碳氢键易于形成碳负离子代基较多部位的碳氢键易于形成碳负离子 如:1.1.2 1.1.2 碳负离子反应碳负离子反应C形成后(虽然是共振稳定的)具有很高的形成后(虽然是共振稳定的)具有很高的能量,可
9、以发生多种亲核加成反应,重要能量,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:的四类反应用通式表示如下:(1)与含羰基的化合物)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)与羧酸及其衍生物的羰基发生亲核加成接着失去接着失去RO或或Z形成形成-酮酯或酮酯或-二酮,二酮,这是酯缩合型反应,总的结果是在这是酯缩合型反应,总的结果是在C上带上带上一个酰基,也叫上一个酰基,也叫酰基化反应酰基化反应。(3)与烷基卤化物的反应:)与烷基卤化物的反应:(4)与活泼烯烃的加成反应:)与活泼烯烃的加成反应:1.2 1.2 碳负离子与醛酮缩合碳负离子与醛酮缩合醛、酮、酯、卤代羧酸酯、硝基化
10、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:反应机理:醛自身缩和:醛自身缩和:酮自身缩合:酮自身缩合:醇醛缩合用于合成时,本身有下述特点:醇醛缩合用于合成时,本身有下述特点:(1)反应是可逆的。)反应是可逆的。(2)醇醛的中间产物)醇醛的中间产物-羟基醛一般分离不出来羟基醛一般分离不出来例
11、如,乙醛缩合形成环式半缩醛,加热时三聚物又变例如,乙醛缩合形成环式半缩醛,加热时三聚物又变回回-羟基醛,后者脱水为巴豆醛: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)用较浓的碱作催化剂,可直接得不饱和羰基化合物。合物。(4)醛酮在碱作用下,形成的烯醇负离子是双位性)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。负离子。可以发生氧负和碳负的两位加成。(5)烯醇负离子烯醇负离子(碳负离子碳负离子),具有亲核性,与,具有亲核性,与卤代烷反应生成烷基化产物,如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)不对称酮缩合时,因含
12、两个-碳原子碳原子(都连有氢原子),因此可形成两种负离(都连有氢原子),因此可形成两种负离子,生成两种缩合产物。子,生成两种缩合产物。1.2.21.2.2交叉缩合交叉缩合如果两个原料都含如果两个原料都含-氢原子,混合缩合得四氢原子,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,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。可减少反应的复杂性。1.2.3 1.
13、2.3 酯碳负离子与醛酮缩合酯碳负离子与醛酮缩合(1)克莱森()克莱森(Claisen)反应)反应碱催化下含碱催化下含-H的酯和没有的酯和没有-H的醛反应。的醛反应。(2)酯与羰基化合物缩合(酯与羰基化合物缩合(Stobbe反应)反应)酯的酯的-亚甲基不能与酮发生醇醛缩合,但在亚甲基不能与酮发生醇醛缩合,但在醇钠的催化下,丁二酸酯或醇钠的催化下,丁二酸酯或-羟基取代的丁羟基取代的丁二酸酯却能和酮羰基反应。反应机理为:二酸酯却能和酮羰基反应。反应机理为:1.2.4 1.2.4 酸或酸酐负离子与醛酮缩合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(羰基化合物与酸酐的缩合(perki
14、n反应)反应)芳醛和酸酐在这种酸酐相同的羧酸钠催化下,发生芳醛和酸酐在这种酸酐相同的羧酸钠催化下,发生反应,生成反应,生成,-不饱和羧酸,反应由酸酐形成碳不饱和羧酸,反应由酸酐形成碳负离子,再和醛羰基碳反应。负离子,再和醛羰基碳反应。反应具有以下特点:反应具有以下特点:(1)反应常需要较高温度和较长时间。)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)芳醛的环上带有吸电子基,如 NO2、Cl 等对反应有利。等对反应有利。(3)经经perkin反应,可合成反应,可合成-氨基酸等氨基酸等有用化合物有用化合物(4)中间体)中间体-羟基酸酯一般不能分离出来,羟基酸酯一般不能分离出来,
15、在空间有利于失水的情况下在空间有利于失水的情况下(即使羟基不在即使羟基不在位置上位置上)将失水。将失水。1.2.4.2 1.2.4.2 丙二酸及其衍生物与羰基化合物缩丙二酸及其衍生物与羰基化合物缩合(合(KnoevervengelKnoevervengel反应)反应)在有机碱的催化下,含活泼亚甲基的酸(如在有机碱的催化下,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丙二酸、氰乙酸酯)与醛酮生成各种不饱和酸或酯和酸或酯:本反应具有以下特点: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)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,生负离子的次甲
16、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、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。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)在合成上芳醛比脂肪醛有用,后者易发生进一步反应。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:其酯可以发生反应。如:1.2.5 1.2.5 羰基化合物与羰基化合物与-卤代羧酸酯缩合反应卤代羧酸酯缩合反应(
17、DarzenDarzen反应)反应)-卤代羧酸酯和醛酮在碱催化下缩合,生成卤代羧酸酯和醛酮在碱催化下缩合,生成,-环氧环氧酸酯。酸酯。反应机理如下:反应机理如下:结结果:果:羰羰基的位置增加一个基的位置增加一个醛醛基。基。1.2.61.2.6硝基化合物和腈以及某些特殊烃类衍生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的碳负离子与醛酮缩合(1 1)硝基化合物)硝基化合物在碱存在下,硝基甲烷与醛缩合得到在碱存在下,硝基甲烷与醛缩合得到-羟基羟基硝基化合物。例如甲醛与硝基甲烷反应,硝基化合物。例如甲醛与硝基甲烷反应,硝基甲烷分子中硝基甲烷分子中-碳转变为碳负离子进攻碳转变为碳负离子进攻羰
18、基碳最后得到三甲醇基硝基甲烷。羰基碳最后得到三甲醇基硝基甲烷。(2 2)腈腈含含-H-H原子的腈与醛反应类似硝基化合物。原子的腈与醛反应类似硝基化合物。(3 3)特殊的芳香体系,如环戊二烯脱)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的芳香体系,能发生碱催化下的缩合反应。反应。1.3 1.3 碳负离子与羧酸衍生物缩合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)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、中羰基发生缩合生成酮酸酯、-二酮、甲二酮、甲酰基、丙二酸酯等产物。反应可用
19、下面通酰基、丙二酸酯等产物。反应可用下面通式表示。式表示。1.3.11.3.1克莱森(克莱森(ClaisenClaisen)酯缩合)酯缩合含含-H-H的酯的酯在在强碱强碱(如:乙醇钠如:乙醇钠)催化下缩合,生成催化下缩合,生成-酮酸酯酮酸酯的反应称为的反应称为ClaisenClaisen酯酯缩合。缩合。该反应和醇醛缩合的区别在于羰基加成后,前者脱该反应和醇醛缩合的区别在于羰基加成后,前者脱去去RO-RO-,成为酮酯,而后者获得质子,形成羟酮。,成为酮酯,而后者获得质子,形成羟酮。相同酯的自身缩合相同酯的自身缩合反应机理:反应机理:pKa 24pKa 16不可逆不可逆pKa 11特点:(特点:(
20、1)反应是可逆的)反应是可逆的 (2)缩合于碱性催化剂催化下进行。)缩合于碱性催化剂催化下进行。(3)对于各含有)对于各含有-H不同酯不同酯Claisen缩缩 合,得到混合物。合,得到混合物。芳香酸酯芳香酸酯的羰基碳的羰基碳正电性正电性下降下降,须,须强碱强碱,以增大,以增大烯醇负离子烯醇负离子浓度。浓度。(4 4)酯缩合反应常用过量的酯本身做溶剂,)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有时也在乙醚,苯或甲苯等惰性溶剂中进行1.3.21.3.2狄克曼(狄克曼(DieckmannDieckmann)缩合)缩合是二元酯的分子内Claisen缩合,得到五元或六元环
21、状-酮酸酯,脱羧后即可制得环酮。Dieckmann 缩合反应只适合于五、六元环的合成缩合反应只适合于五、六元环的合成,较较大、较小的环都不易生成。这时分子间和分子内的缩大、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。合,然后环化。应用应用Dieckmann-Komppa改良法,草酸酯与戊二改良法,草酸酯与戊二酸酯缩合,得酸酯缩合,得-环二酮。环二酮。用用,-二腈碱催化缩合得到环状二腈碱催化缩合得到环状-酮腈酮腈 1.3.3 1.3.3 醛酮碳负离子与酯缩合醛酮碳负离子与酯缩合醛酮和酯各有一个
22、醛酮和酯各有一个-H-H,碱催化缩合得四个,碱催化缩合得四个产物,在合成上没有实际意义,因而一般产物,在合成上没有实际意义,因而一般只有醛酮和没有只有醛酮和没有-H-H的甲酸酯和草酸酯缩的甲酸酯和草酸酯缩合在合成上是有意义的。合在合成上是有意义的。草酸酯和酮缩合,使酮转变为草酸酯和酮缩合,使酮转变为-酮酯。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 1.3.4 醛、酮、酯碳负离子和酰氯、酸酐缩合醛、酮、酯碳负离子和酰氯、酸酐缩合由丙二酸
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