碳负离子的反应

第14章 碳负离子的反应

——β-二羰基化合物

§

α-H的酸性和互变异构

α-H的酸性

1、-H的酸性

在有机化学中,与官能团直接相连的碳原子均称为-C；-C上的氢原子均称为-H;

-H以质子形式解离下来的能力,即为-H的活性或-H的酸性;因此烃也可叫做氢碳酸;

表14-1-1 常见化合物-H的pKa值

羧酸衍生物中的-H的活性一般比醛酮为弱,但酰氯中由于氯原子与羰基的共轭程度差且吸电子效应强,反而使其-H的酸性增强;

酸性大小：

酰氯＞醛、酮＞酯＞酰胺

Cl：吸电子诱导＞给电子共轭

O：给电子共轭＞吸电子诱导

2、影响-H的酸性的因素

1-C所连接的官能团及其官能团的吸电子能力;总的吸电子能力越强,-H的酸性就越大；

2取决于氢解离后生成的碳负离子carbanion结构的稳定性;负离子上电子的离域范围越大越稳定；

3分子的几何形状、介质的介电常数、溶剂等都有关系;

3、β-二羰基化合物α-H的活性分析

乙酰乙酸乙酯是一个典型的1,3-二羰基化合物,由于受两个羰基的吸电子作用,亚甲基上的H特别活泼,和碱作用形成稳定的负离子;负离子特别稳定是因为负离子可以同时和两个羰基发生共轭作用,具有比较广泛的离域范围;

烯醇负离子

其他1,3-二羰基化合物情况相似,其他的吸电子基团如硝基、氰基等与羰基作用相同在含有氢的碳原子上连有两个吸电子基团的化合物都含有一个活泼的亚甲基,它们统称为含活泼亚甲基氢 的化合物;

β-二酮 β-羰基酸酯 丙二酸酯 氰乙酸酯 硝基乙酸酯

活泼氢化合物的双重反应性能：

碳负离子 烯醇负离子 氧负离子

一般情况下,这些物质在反应时可以看作是碳负离子对其它官能团的亲核加成反应;

酮式和烯醇式的互变异构

可以看作是活泼H可以在α-C和羰基O之间来回移动;

1、酸碱对互变平衡的影响

痕量的酸、碱甚至是玻璃仪器都能促使平衡的快速建立;

1酸催化过程

在酸催异构化过程中,酸首先与羰基氧原子作用形成盐,其共轭碱——水再夺取-H形成烯醇;

2碱催化过程

碳可以直接和α-H结合,同时形成一个碳负离子;通过电子对的转移,碳上的负电荷转移到氧上,形成烯醇负离子;

2、化合物的结构对互变平衡的影响

通常,单羰基化合物中的烯醇式异构体含量很少; 两个羰基被一个碳原子隔开的化合物；当同一碳原子上连有两个吸电子基团时,这样的化合物其酸性则明显增强; -二羰基结构的化合物,在平衡状态下其烯醇式的含量较高;通常以平衡混合物的形式存在;

例：乙酰乙酸乙酯三乙

酮式 % 烯醇式 %

.=41℃267Pa

.=33℃267Pa

这类化合物的烯醇式异构体具有较大稳定性的原因有二：

①通过分子内氢键,形成稳定的六元环状化合物；

②羟基氧上的未共用电子对,可以通过p-π共轭发生离域,使分子内能降低;

在一些含氮化合物中也常发生互变异构现象：

4、异构化对化学性质的影响

1与FeCl3的显色反应烯醇式含量多的物质；

2与溴的四氯化碳溶液加成；

3-H氘代快速确定-H 的个数；

4构型变化;

如-C是手性中心并且手性碳上有氢原子,会发生外消旋化;

如-C不是手性中心则不会发生外消旋化;

碳负离子形成及其基本原理

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：

1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、C≡C等都是活化基团;

 活化基团的作用：

①由于其吸电子作用,使氢碳酸的酸性增加,而容易脱质子化；

②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：-NO2＞-C=O＞-SO2＞-COOR＞-CN＞-C≡CH＞-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;

2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α-H交换下来,形成碳负离子;

选择强度适合的碱,酸性弱的α-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：

1具有强亲质子和强亲核能力的碱：HO,CH3O,C2H5O,RS,CN等；

2具有强亲质子弱亲核能力的碱：H,NH2； 酮式中碳氧π键比烯醇式

中碳碳π键更稳定 3具有强亲质子相当弱亲核性的碱：Et2N,C6H5N,Me3Si-N;

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：

1t-BuOH,溶剂用t-BuOH或DMSO、THF；

2NaNH2,溶剂用液氨或醚、苯、甲苯、1,2-二甲氧基烷苯等；

3NaH、LiH,溶剂为苯、醚、THF等；

4C6H53CNa,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：

①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；

②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：

2、碳负离子的反应

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酰基化反应：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β-酮酯或β-二酮,这是酯缩合型反应,总的结果是在C上带上一个酰基;

3与烷基卤化物的反应

4与活泼烯烃的加成反应

§ 缩合反应Ⅰ——羟醛缩合

见第11章醛与酮 α-H的反应

§ 缩合反应Ⅱ——Mannich反应

Mannich反应

甲醛与仲胺在弱酸性介质中亲核加成,再脱水形成正碳离子与醛酮、羧酸、酯、硝基化合物、腈的α-C,以及端炔、酚的邻、对位等具有负碳离子性质的位置偶联,称为Mannich反应,又称胺甲基化反应;

1、反应通式

2、Mannich反应机理

3、Mannich反应举例

Mannich反应在合成上的应用

1、合成β－氨基酮衍生物

例1写出合成路线

2、制备,-不饱和酮

例2甲基乙烯基酮的制备

➢ 通过Mannich碱产生 ※ 弱酸性介质的作用：

①使醛与胺亲核加成的产物脱水,形成C+；

②质子化羰基使α-C成为负离子; § 缩合反应Ⅲ

卤代反应——见第11章醛与酮 α-H的反应

3、卤仿反应

酯的缩合反应

1、Claisen缩合两个相同酯之间的缩合

具有-活泼氢的酯,在碱的作用下,两分子酯相互作用,生成-羰基酯,同时失去一分子醇的反应;

 其它常用碱：NaH,NaNH2,LDA,Ph3CNa,t-BuOK弱亲核性强碱；

 碱用量对反应的影响

催化量：反应可逆

大于化学计量：反应完全

➢ Claisen缩合举例：

➢ Claisen缩合机理

1交叉酯缩合两个不同酯之间的缩合

➢ 混合酯缩合举例：

2、Dieckmann缩合分子内酯缩合

二元酸酯若分子中的酯基被四个以上的碳原子隔开时,就发生分子内的酯缩合反应,形成五元环或六元环的酯,这种分子内的环化酯缩合反应称为狄克曼酯缩合;

 对称二羧酸酯的Dieckmann 缩合

 例：Dieckmann 缩合的可逆性在合成上的应用

如两个酯基间只隔有三个或三个以下的碳原子时,就不能发生分子内的缩合;但这种二酸酯可以发生分子间缩合,或与不含-H的酯缩合,也均能得到环状羰基酯;如丁二酸二乙酯间的缩合：

3、酮的酰基化酮酯缩合

反应机理

 不对称酮的酰基化

4、β-二羰基化合物的互变异构现象

5、酮或酯的酰基化反应在合成上的应用

——制备β-二羰基型化合物 1, 3-二羰基化合物

➢ 1, 3-二羰基型化合物的反合成分析

例 1反合成分析

例 2反合成分析

例 3反合成分析

➢ 合成路线

6、酮和酯类化合物α位的烷基化反应

 应予以考虑的问题：

1反应的活性问题一般酮和酯类化合物α氢的酸性不够强,须强碱作用,反应条件较为苛刻；

2反应的区位选择性问题不对称酮有两种反应位置；

3酮或酯的自身缩合问题醇醛缩合和Claisen缩合;

例1

例2

例3



1, 3 -二羰基化合物的烷基化反应

例4

§ 缩合反应Ⅳ

复习

1、羰基α位的反应—— 酰基化Claisen缩合, 交叉酯缩合,Dieckmann缩合和烷基化

➢ 本节重点：羰基α位的酰基化和烷基化在合成上的应用

2、酮式水解和酸式水解