现代有机合成化学第2章...ppt
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1、第二章第二章 碳碳单键的形成碳碳单键的形成有机化合物的合成分子骨架的形成碳碳单键碳碳单键碳碳双键和碳碳双键和三键、碳环三键、碳环碳杂键、杂碳杂键、杂环环官能团的转换官能团的引官能团的引入入2.12.1 通过亲核取代反应形成碳碳单键通过亲核取代反应形成碳碳单键 亲核取代亲核取代反应是形成碳反应是形成碳-碳单键最常用的方法之一碳单键最常用的方法之一一一般般底物:底物:R-X、R-OTs、R-O-SO3H亲核试剂亲核试剂:能提供碳负离子的化合物:能提供碳负离子的化合物:如:如:-CN、RCC-等等以以下下从从几几类类化化合合物物的的烃烃基基化化角角度度,讨讨论论一一些些应应用用较较多多的形成碳一碳单
2、键的亲核取代反应。的形成碳一碳单键的亲核取代反应。烃基化试剂烃基化试剂2.1.1 2.1.1 活泼亚甲基化合物的烃基化活泼亚甲基化合物的烃基化1.活泼亚甲基化合物的定义活泼亚甲基化合物的定义当一个饱和碳原子上连有硝基、羰基、氰基、酯基、苯基等吸当一个饱和碳原子上连有硝基、羰基、氰基、酯基、苯基等吸电子基团时,这个碳原子上的氢被致活了,因此这类化合物叫做活电子基团时,这个碳原子上的氢被致活了,因此这类化合物叫做活泼亚甲基化合物。泼亚甲基化合物。给电子基团给电子基团:电负性比氢小的:电负性比氢小的吸电子基团吸电子基团:电负性比氢大的:电负性比氢大的有有机机化化合合物物中中一一些些常常见原原子子及及
3、取取代代基基的的电负性性大大小小次次序序:-N+R3-NO2-COOH-COOR-CO-F -Cl Br -I -OCH3 -NHCOCH3 -C6H5 -CH=CH2 H-CH3 -C2H5 -CH(CH3)2 -C(CH3)32.活泼亚甲基化合物的性质活泼亚甲基化合物的性质活活泼泼亚亚甲甲基基化化合合物物由由于于吸吸电电子子基基的的诱诱导导效效应应,使使得得-碳碳上上的的氢氢具具有有一一定定的的酸酸性性,可可以以解解离离而而生生成成碳碳负负离离子子,通通常常称称为为烯烯醇醇负负离离子。子。常见的能使常见的能使-氢活化的基团,其活化作用的大小顺序大致如下氢活化的基团,其活化作用的大小顺序大致
4、如下:当一个碳上连有两个这样的基团时,这个碳上的氢就更加活泼,当一个碳上连有两个这样的基团时,这个碳上的氢就更加活泼,也就表现出有更大的酸性。也就表现出有更大的酸性。-NO2-COR-SO2R-COOR=CN-SOR-Ph由由于于烯烯醇醇负负离离子子的的-碳碳上上和和氧氧上上都都带带有有部部分分负负电电荷荷,所所以以作作为为亲亲核核试试剂剂,它它也也是是两两可可的的,既既可可以以用用碳碳进进攻攻R-XR-X,也也可可以以用用氧氧进攻进攻R-XR-X。由于活泼亚甲基化合物的酸性甚至比醇的酸性还强,因此它们由于活泼亚甲基化合物的酸性甚至比醇的酸性还强,因此它们与醇钠的无水醇溶液作用即可形成一定浓度
5、的烯醇负离子。与醇钠的无水醇溶液作用即可形成一定浓度的烯醇负离子。通常是碳上优先烃基化,通常是碳上优先烃基化,碳原子的亲核性大于氧原子碳原子的亲核性大于氧原子。2.2.影响活泼亚甲基化合物烃基化的因素影响活泼亚甲基化合物烃基化的因素A.A.碱的影响碱的影响叔叔丁丁醇醇钾钾特特别别适适用用于于酸酸性性适适中中活活泼泼亚亚甲甲基基的的烃烃基基化化。对对于于那那些些酸酸性性较较弱弱的的活活性性亚亚甲甲基基化化合合物物,则则需需用用更更强强的的碱碱,如如氨氨基基钠钠的的液液氨氨溶液等作催化剂溶液等作催化剂。不不对对称称的的二二酮酮在在过过量量的的碱碱存存在在下下,可可生生成成两两种种不不同同的的双双负
6、负离离子子,当当与与烷烷基基化化试试剂剂反反应应时时,往往往往以以一一种种烃烃基基化化产产物为主,即烃基首先进入取代基较少的物为主,即烃基首先进入取代基较少的-碳。碳。常常用用的的烃烃化化剂剂是是卤卤代代物物。伯伯卤卤烷烷、仲仲卤卤烷烷、烯烯丙丙基基卤卤、苄卤苄卤等反应结果较好。叔卤烷则主要发生消除反应。等反应结果较好。叔卤烷则主要发生消除反应。B.烃基化剂的影响烃基化剂的影响 选用选用伯卤烷伯卤烷为烃基化剂,可以得到较多的碳烃基化产为烃基化剂,可以得到较多的碳烃基化产物物。若若采采用用非非碱碱性性的的氟氟化化硼硼或或过过氯氯酸酸银银作作催催化化剂剂,则则叔叔卤卤代烷亦可顺利进行烷基化反应。代
7、烷亦可顺利进行烷基化反应。不同卤素的不同卤素的RXRX相比,反应活性如下:相比,反应活性如下:RIRBrRClC.C.溶剂的影响溶剂的影响在在非非质质子子极极性性溶溶剂剂中中,氧氧上上烃烃基基化化比比例例增增加加;在在质质子子溶溶剂剂或或非极性溶剂中,碳上烃基化比例增加。非极性溶剂中,碳上烃基化比例增加。溶剂溶剂碳烃基化产物碳烃基化产物氧烃基化产物氧烃基化产物HMPA(六甲基磷酰胺)(六甲基磷酰胺)1583THF(四氢呋喃)(四氢呋喃)940t-BuOH(叔丁醇)(叔丁醇)940D.D.金属离子的影响金属离子的影响与与烯烯醇醇负负离离子子配配对对的的金金属属离离子子的的种种类类,对对烃烃基基化
8、化位位置置也也有有影影响响。以以LiLi、NaNa、K K相相比比,LiLi与与烯烯醇醇负负离离子子结结合合最最牢牢,K K最最不不牢牢,NaNa居中。这就是说烯醇锂盐最有利于碳上烃基化。居中。这就是说烯醇锂盐最有利于碳上烃基化。3.1,3-3.1,3-二羰基化合物的烃基化二羰基化合物的烃基化 最常用的1,3-二羰基化合物有:A.-酮酸酯:如-丁酮酸乙酯,即乙酰乙酸乙酯 B.B.丙二酸酯:如丙二酸二乙酯(丙二酸酯:如丙二酸二乙酯(C C2 2H H5 5OOCCHOOCCH2 2COOCCOOC2 2H H5 5)C.-二酮:即RCOCH2COR。通常都是在乙醇中用C2H5ONa或C2H5OK
9、将它们转化成烯醇盐,然后与卤代烷发生烃基化反应,即在-C上引入烃基。-酮酸酯的烃基化产物经水解再受热脱羧,可转化成酮。(1)-酮酸酯的烃基化酮酸酯的烃基化 常把-酮酸酯的烃化物在稀酸中水解,或先在稀碱中水解,然后酸化,最后脱羧得产物酮的过程称为酮式分解。若将-酮酸酯的烃化物在较浓的碱液中水解,OH会进攻羰基并促使羰基与-C之间键断裂,再经酸化后得羧酸,所以常把-酮酸酯的这种分解称为酸式分解。反应历程:反应历程:+-酮酮酸酸酯酯在在发发生生酸酸式式分分解解的的同同时时,不不可可避避免免地地要要发发生生酮酮式式分分解解,以以致致羧羧酸酸的的收收率率不不如如利利用用丙丙二二酸酸酯酯的的好好。所所以以
10、若若以以-酮酮酸酸酯酯为原料时,主要应用它的酮式分解反应。为原料时,主要应用它的酮式分解反应。酸酸式式分分解解并并不不是是绝绝对对不不用用,特特别别是是在在-位位有有二二个个取取代代基基时时,酸式分解也能有较好的收率。酸式分解也能有较好的收率。(2)(2)丙二酸酯的烃基化丙二酸酯的烃基化 丙二酸酯的烃基化常在乙醇钠的乙醇溶液中进行;因其酸性不太强,氧上取代的竞争反应不严重,故除可用卤代烷作烃基化剂外,也可用磺酸酯作烃基化剂。丙二酸酯的烃基化产物经水解再受热脱羧,可转化成羧酸。丙二酸酯和-酮酸酯既可发生一烃基化,也可发生二烃基化反应。但丙二酸酯的烃基化产物只能分解成酸而不能得到酮。例如:例如:(
11、3 3)-二酮的烃基化二酮的烃基化 -二酮与-酮酸酯、丙二酸酯类似,也能发生烃基化而生成相应的烃基化产物。21(4)(4)其它活泼亚甲基化合物的烃基化其它活泼亚甲基化合物的烃基化含含有有其其它它致致活活基基团团(如如CNCN、PhPh、SOSO、SOSO2 2等等)的的活活泼泼亚亚甲甲基基化化合物的烃基化反应与合物的烃基化反应与1 1,3-3-二羰基化合物的相似二羰基化合物的相似。2.1.2 2.1.2 由烯胺的烃基化反应形成碳碳单键由烯胺的烃基化反应形成碳碳单键1.1.烯胺的制备烯胺的制备这是一个可逆反应,并且逆反应极易进行。因此制备烯胺时,必须有脱水剂(例如无水碳酸钾、对甲苯磺酸)存在,或
12、者用共沸蒸馏法将反应生成的水不断带出。酮、醛与仲胺在酸催化下缩合得到相应的烯胺烯胺(enamine)(enamine)烯胺的结构与烯醇负离子相类似,也是一个两可亲核试剂。烯胺的这种结构,可用共振结构式表示如下:-取代亚铵盐取代亚铵盐烯基季铵盐烯基季铵盐a-a-取代醛酮取代醛酮原来的醛或酮原来的醛或酮 制备烯胺时,可以用脂肪仲胺(如二甲胺),但更常用环状仲胺(如四氢吡咯、吗琳等)。两个-C上取代基数目不同的不对称酮与仲胺作用时,主要生成取代较少的烯胺。当a-碳上连有较大基团时,空间位阻妨碍了N与轨道的共平面。烯胺烃基化主要是用活泼的卤代物烯胺烃基化主要是用活泼的卤代物 (如碘甲烷、苄基卤、烯丙如
13、碘甲烷、苄基卤、烯丙基卤、基卤、-卤代酸、卤代酸、-卤代醚等卤代醚等)为烃基化剂。为烃基化剂。当酮通过形成烯胺进行二烃基化时,第二个烃基进入取代基较少的位置。斯托克(斯托克(StorkStork)反应。)反应。以伯卤烷、仲卤烷为烃基化剂,烯胺的烃基化主要发生在亲核以伯卤烷、仲卤烷为烃基化剂,烯胺的烃基化主要发生在亲核的的氮氮上;叔卤烷则更加不宜使用,因为烯胺的碱性将使叔卤烷发生上;叔卤烷则更加不宜使用,因为烯胺的碱性将使叔卤烷发生消除消除反应。反应。ExercisesAdvantages(1)(1)不需要加碱,避免了醛酮的自身缩合反应;不需要加碱,避免了醛酮的自身缩合反应;(2)(2)一烃基化
14、产物的收率较高;一烃基化产物的收率较高;(3)(3)反应的区域选择性较高,主要是烃基进入取代基较少反应的区域选择性较高,主要是烃基进入取代基较少的碳上。的碳上。若将醛或酮先转化成烯胺的金属盐,然后再烃基化,可以提高若将醛或酮先转化成烯胺的金属盐,然后再烃基化,可以提高碳烃基化产物的收率。碳烃基化产物的收率。以烯胺镁盐进行烃基化,即使用简单的卤烷作烃基化剂,也能以烯胺镁盐进行烃基化,即使用简单的卤烷作烃基化剂,也能得到较好的收率。得到较好的收率。2.1.3 2.1.3 用有机铜试剂的取代反应形成碳碳单键用有机铜试剂的取代反应形成碳碳单键 有机铜化合物是在研究应用有机镁化合物时发现的。一价卤化铜能
15、有效的催化格氏试剂和,-烯酮的反应,1,4-加成产物。至到1966年,House等人通过实验证实有机酮化合物的存在。有机有机铜铜大致可分大致可分为烃为烃基基铜铜RCu和二和二烃烃基基铜锂铜锂R2CuLi两大两大类类。(1)二烃基铜锂的制备和用途反应的通式反应的通式 若利用混合型铜锂试剂如若利用混合型铜锂试剂如(RO)RCuLi(RO)RCuLi,(RS)RCuLi(RS)RCuLi,不,不仅可提高仅可提高R R一基团的利用率,而且反应完成后,杂基团已一基团的利用率,而且反应完成后,杂基团已转变成转变成ROHROH,RSHRSH,故极易分离,故极易分离。二烷基铜化锂与伯卤代烷能顺利反应,仲卤代烷
16、次之,二烷基铜化锂与伯卤代烷能顺利反应,仲卤代烷次之,叔卤代烷几乎不能反应。叔卤代烷几乎不能反应。制备叔烷基与伯烷基相联的产物,必须用叔烷基的铜制备叔烷基与伯烷基相联的产物,必须用叔烷基的铜化锂试剂与伯卤代烷反应。化锂试剂与伯卤代烷反应。二烃基铜化锂与具旋光活性的卤代烷反应优先获得构二烃基铜化锂与具旋光活性的卤代烷反应优先获得构型逆转产物。型逆转产物。铜铜离离子子对对卤卤代代烷烷进进行行亲亲核核取取代代,生生成成“三三烷烷基基铜铜”中中间间体体,并并使使构构型型逆逆转转,继继而而中中间间体体分分解解,保保持持构构型型地地生生成成取代产物。取代产物。2.2 2.2 通过芳香取代反应形成碳碳单键通
17、过芳香取代反应形成碳碳单键2.2.1 2.2.1 费里德一克拉夫茨费里德一克拉夫茨(Friedel-Crafts)(Friedel-Crafts)反应反应vFriedel-Crafts烷基化反应的特点:烷基化反应的特点:易发生重排反应,不适合制备长的直链烷基苯。易发生重排反应,不适合制备长的直链烷基苯。30%70%由于正氯丙烷与三氯化铝作用生成异丙基正离子由于正氯丙烷与三氯化铝作用生成异丙基正离子n要得到不重排产物,应使用较弱的催化剂要得到不重排产物,应使用较弱的催化剂FeCl3,或在较低,或在较低的温度下进行反应,但此时反应较慢。的温度下进行反应,但此时反应较慢。n不易控制在一元取代阶段,常
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