第八章 碳雜重鍵的加成.ppt

1、第八章 碳雜重鍵的加成 Addition to Carbon - Hetero Multiple Bonds,有機化學中選擇性 Selectivity in Organic Chemistry,有機化學, 尤其是有機合成化學，幾乎都涉及到一個重要的基本問題，即反應的選擇性。 選擇性可以劃分為： 在同一反應中，兩個或多個反應底物的競爭反應； 同一反應底物中兩個或多個位置、基團或反應面的競爭反應。,如何通過各種有效的手段，控制各種不同類型的反應，以使有機反應按照預期的方向進行，即實現(xiàn)各種不同類型的選擇性反應?,1 不同底物之間的反應性差異,這里所指的底物選擇性, 是指同一種試劑與不同反應底物, 例

2、如: A和B, 在相同的反應條件下發(fā)生化學反應, 以不同的速率分別轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物C和D。,A和B可以是結(jié)構(gòu)異構(gòu)體,也可以是其它異構(gòu)體.,例如：1-已烯與其構(gòu)造異構(gòu)體2,3-二甲基-2-丁烯的混合物所進行的選擇性氫化反應 (反應1.1)，叔丁醇與它的異構(gòu)體正丁醇與濃鹽酸的選擇性反應 (反應1.2 )。,兩個底物也可以是非對映異構(gòu)體，例如：順式和反式4-叔丁基環(huán)己醇的氧化反應 (反應1.3):,對映體之間因構(gòu)型差異所導致的反應動力學上的區(qū)別,2 同一底物不同部位上的反應性差異 這種現(xiàn)象可稱之為產(chǎn)物選擇性，即在一個反應中可以生成一種以上的產(chǎn)物，而這些產(chǎn)物之間的比率并不符合統(tǒng)計學的數(shù)率關(guān)系。,一個分子中不

3、同位置間選擇性的差異可能導致生成一種或多種結(jié)構(gòu)異構(gòu)體。 這類選擇性稱為區(qū)域選擇性。,例如在單取代苯環(huán)上的五個位置中，如果每一個位置的反應性能是完全相同的，則按統(tǒng)計數(shù)率分布其磺化產(chǎn)物的比例應為2:2:1，而實際情況并非如此。,不同基團之間或面之間的差別會導致選擇性地生成一種 (或多種) 非對映異構(gòu)體，這種現(xiàn)象稱為:非對映異構(gòu)選擇性,在某些情況下，不同的基團或反應面上的差別可導致選擇性地生成單一的對映異構(gòu)體 ，這類反應稱為對映異構(gòu)選擇性反應。,3 選擇性的定義 最簡單，最明了，而且可能也是最重要的選擇性類型是化學選擇性。所謂化學選擇性是指同一試劑與反應底物分子中不同官能團的反應性能差異。例如: 在

4、多官能團化合物中，反應只優(yōu)先地發(fā)生在某一個官能團上。,區(qū)域選擇性 是指在一個分子中多個可能的反應位置上選擇性地進行反應，優(yōu)先生成一個 (或多個) 結(jié)構(gòu)異構(gòu)體.,立體選擇性，是指反應優(yōu)先生成一個 (或多個) 僅僅是構(gòu)型差異的不同產(chǎn)物，這種立體選擇性反應又可進一步分為兩種類型，即對映選擇性和非對映選擇性。,當反應生成的兩種立體異構(gòu)產(chǎn)物為對映異構(gòu)體時，就會存在對映選擇性,任何反應當有兩個或更多的立體中心生成時，即當一個非手性底物和一個非手性試劑反應時，都屬于簡單的非對映異構(gòu)選擇性。這類反應的產(chǎn)物自然是非手性的或是外消旋的。,當生成的產(chǎn)物是非對映異構(gòu)體時，則該反應是非對映選擇性的。非對映選擇性可進一步

5、細分為兩種類型，即簡單非對映異構(gòu)選擇性和絕對非對映異構(gòu)選擇性。,絕對非對映異構(gòu)選擇性 存在于一個手性底物和一個非手性試劑的反應中。如果反應原料是非外消旋的，那么產(chǎn)物也將是非外消旋的。,顯而易見，一個反應可能既有對映異構(gòu)選擇性，又有非對映異構(gòu)選擇性,4. 立體中心和立體面的選擇性,如果一個分子的一個面被選擇性地進攻，該反應就涉及到面的選擇性。在這類反應中，反應在兩個看起來完全相同的原子或基團間有選擇性地進行并生成新的立體中心。 分子中各個基團或面之間的立體化學關(guān)系常用 等同的（Homotopic）、 對映的（Enantiotopic） 非對映的（Diastereotopic） 來描述。,如果一個

6、分子中的原子或基團可以通過對稱軸的旋轉(zhuǎn)交換位置，則它們就是等同的。類似地，如果一個雙鍵的面內(nèi)還有一個對稱軸，該雙鍵的兩個面也是等同的。兩個等同基團的轉(zhuǎn)換反應或兩個等同面的加成反應，總是生成同樣的產(chǎn)物。,如果分子內(nèi)兩個基團之間有對稱面或?qū)ΨQ中心，則它們之間的立體化學關(guān)系就是對映的。同樣，如果分子的對稱面內(nèi)沒有對稱軸，平分這兩個面的對稱面就叫對映面。,對映基團的轉(zhuǎn)換反應或?qū)τ趁娴募映煞磻ǔＩ蓪τ钞悩?gòu)體。這類有選擇性地進攻某一個對映基團或?qū)τ趁娴姆磻?，稱之為對映異構(gòu)選擇性或?qū)τ趁孢x擇性反應。,不能通過任何對稱操作得到互換的兩個基團，它們之間的關(guān)系是非對映的。與此相似，分子中的平面既不是對稱面，

7、也不存在對稱軸，這個平面就稱為非對映面。非對映基團的轉(zhuǎn)換或非對映面的加成反應，生成的是非對映異構(gòu)體。在這類反應中，試劑有選擇性地進攻某一個非對映基團或某一個非對映面的現(xiàn)象，稱為非對映選擇性或非對映面選擇性,各種立體化學術(shù)語之間的關(guān)系,反應機理 二. 羰基活性 三. 羰基化合物的親核加成反應實例 四. 羧酸衍生物與親核試劑的加成反應 五. 金屬氫化物與羰基的加成反應 六. ,-不飽和羰基化合物的加成反應 七. 碳氮的親核加成反應,除了,均可與親核試劑發(fā)生加成反應。,可逆反應,一. 反應機理,底物 試劑,底物的性質(zhì),E,ENu,親電性,親電性：底物的 中心碳原子帶有 部分的正電荷。,ENu,親核性

8、,親核性：底物中心 碳原子帶有部分負 電荷。,羰基的親核加成反應機理：,堿催化：,慢, 試劑進攻羰基上C原子，生成氧負離子的一步 是決定反應速率的一步。, 為使親核試劑的負電荷裸露出來，增加親核性， 常需堿催化：,酸催化：,羰基質(zhì)子化，可以提高羰基的反應活性，,羰基質(zhì)子化后，氧上帶有負電荷，很不穩(wěn)定， 電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，使碳原子帶有正電荷。,決定反應速率的一步，是Nu -進攻中心碳原子的一步。,酸除了活化羰基外，還能與羰基形成氫鍵：,質(zhì)子性溶劑也起到同樣作用：,都使羰基活化。,二. 羰基的活性,1. 底物,反應活性取決于羰基的中心碳原子帶有正電荷的多少。,(1) 電子效應,當羰基與具有+I或+C的

9、基團直接相連時， 由于增加了中心碳原子的電子云密度，故 使反應活性降低。, Cl3C 是強吸電子基團，使羰基帶有更多 的正電荷； 產(chǎn)物中形成分子內(nèi)氫鍵，使產(chǎn)物穩(wěn)定， 平衡向右移動。,(2) 空間效應,與羰基相連的基團空間效應越大，越不利于反應進行。,Nu,sp2雜化 平面三角型,sp3雜化 四面體,產(chǎn)物中基團擁擠程度增大。,R 越大，妨礙Nu:從背后進攻C原子。,角張力緩解：,sp2雜化，鍵角應為120, 實際為60, 角張力較大； 反應中，鍵角由60轉(zhuǎn)化為10928 , 角張力得 到緩解。,這里，角張力緩解程度不大。,2. 試劑的親核性,對于同一羰基化合物，試劑的親核性越強，反應的平 衡常數(shù)

10、越大。,試劑的親核性依次減弱,如：, 試劑的可極化度越大，則利于親核加成反應的進行。, 空間效應,具有較小體積的親核試劑，利于反應進行。,三. 親核加成反應的實例,對于羰基的親核加成反應， 碳負離子作為進攻 試劑，親核性最強，這里予以著重介紹。,1. Wittig 反應,Wittig 試劑：,膦的內(nèi) 鹽,膦的葉立德 (ylid),Wittig 試劑與羰基發(fā)生親核加成反應，生成烯烴：,1) 反應機理,甜菜堿,氧膦環(huán)丁烷中間體,三苯基氧膦是非常穩(wěn)定的。,反應向右進行。,Wittig 試劑是膦鹽在強堿的作用下制備的：,Wittig 反應應用范圍很廣。,對于, 試劑只與羰基作用。,2. 羥醛縮合 (A

11、ldol Reaction),氫的醛或酮,在酸或堿的催化下,縮合反應,- 羥基醛或酮,羥醛縮合,反應機理,堿催化,Step 1,烯醇負離子,Step 2,An alkoxide ion,Step 3,堿催化利于醛的縮合，而不利于酮的縮合。,酸催化：,羰基質(zhì)子化及烯醇的生成,烯醇進攻質(zhì)子化的羰基,酮的縮合反應常在酸催化下進行。,四. 羧酸衍生物與親核試劑的反應,1. 反應機理,L: 離去基團,加成消除反應,在Nu上引入酰基的反應,2. 反應活性,作為?；噭?，其活性為：,X: 具有-I效應，CCl鍵的極性大。,酯中烷氧基具有+C效應，增大了酰基與烷氧基間的電子云密度，使酰氧鍵難于斷裂。,酰胺中

12、的NH2的+C、+I效應，使羰基的反應活性降低。,酸酐中的?；俏娮踊鶊F，使酰氧鍵易于斷裂，酸酐的反應活性比酯大。,三. 反應實例,1. 酯的水解,無論是酸催化還是 堿催化，一般發(fā)生酰氧 鍵斷裂。,反應機理：,酸催化：,當R為：,時，由于發(fā)生酰氧鍵斷裂， 所以，得到構(gòu)型保留產(chǎn)物。,堿催化：,羧酸根離子的生成，使堿催化下 的酯水解反應不可逆；但酸催化 的酯水解反應可逆。,若RO 中的C原子是三級碳原子時，在酸催化時， 發(fā)生烷氧鍵斷裂：,由于含有三級碳原子基團的空間效應，使得水分子難于進攻羰基，同時也不利于質(zhì)子轉(zhuǎn)移。,2. Claisen 酯縮合反應及相關(guān)反應,兩個酯分子至少有一個酯分子是含有氫

13、,在強堿的作用下，相互縮合成羰基酯,反應機理：,第一步,第二步：,第三步：,反應需要 過量的強堿,含一個-氫原子的酯縮合反應,兩種,不同,酯,僅一個含 -氫,Diethyl malonate,含氫的醛、酮、腈都能酯發(fā)生縮合反應。,一般選用無氫的酯作為底物：,分子內(nèi)也能發(fā)生酯縮合反應Dieckmann反應：,五. 金屬氫化物與羰基的加成反應,絡合金屬氫化物：,LiAlH4,NaBH4,NaBH4的選擇性強,選擇性還原：,立體化學,遵循Cram規(guī)則,75%,92%,當3，5位上沒有取代基時，主要生成平伏鍵的醇：,當3，5位上有取代基時，主要生成直立鍵的醇：,83,六. ,-不飽和羰基化合物的加成反

14、應,1. 反應機理,1,4加成,1,2加成,2. 影響加成方式的因素,羰基活性大，試劑的親核性強時，兩者空間位阻 都小時，一般按1，2加成；反之按1，4加成：,醛1，2 - 加成為主， 酮1，4 - 加成為主。,七. 碳氮不飽和鍵的親核加成反應,1. 亞胺的親核加成,Schiff Base,Mannich 反應,Mannich 反應的適用范圍：,醛,胺：氨、伯胺、仲胺,至少含一個活潑氫的化合物：,2. 腈的親核加成,控制比較溫和地條件，反應可以停留在酰胺一步,1） 酸性條件下水解,2） 堿性條件下水解,II.羰基化合物的立體選性反應,Stereoselective reactions of C

15、arbonyl Compounds,2.1 羰基化合物的親核加成反應,羰基化合物加成的立體選擇性可以通過三種方法加以控制： (i) 使用手性底物(Chiral substrate)； (ii) 使用手性試劑(Chiral reagent)； (iii) 使用手性催化劑(Chiral catalyst)。,2.1.1 使用手性底物 如果使用的反應底物是手性的，那么親核加成反應就會形成兩種非對映的過渡狀態(tài)，并且生成兩種不等量的非對映異構(gòu)產(chǎn)物,人們提出了幾種規(guī)則來解釋這類反應的立體選擇性，其中最有名的當屬眾所周知的Cram規(guī)則。,當過渡態(tài)是螯合環(huán)狀構(gòu)型時，一般可以獲得較高的選擇性，例如在分子中如果羰

16、基鄰位的碳原子上連有一個含雜原子的基團，并且與羰基處于順式共平面的位置即屬于這種情況。,這種反應模型有時又稱作Cram螯合（環(huán)狀）模型 。,在上述例子中使用的是已具有一個手性中心的底物，以便于構(gòu)建一個新的手性中心。另一種常采用的方法是在反應底物中引入一個手性輔助基團，反應后再除去該基團。Whitesell的研究小組巧妙地用8-苯基孟醇作為手性輔助基成功地用于前列腺素（frontalin）的合成。,用BINAL-H還原 潛手性羰基化合物的對映選擇性還原的一個途徑，是使用手性配體修飾的金屬氫化物試劑。在這些化合物中，將活潑氫的數(shù)目減至最少以獲得高度的化學選擇性，引入的手性配體則為對映面選擇性作出貢

17、獻。 1979年，Noyori,椅型的過渡態(tài)A和B被用來說明反應的立體化學。,2.2 羰基化合物的立體選擇性反應 II,羰基化合物化學中三類相互關(guān)聯(lián)的反應： (a) 烯醇化反應（生成鹽）； (b) 烯醇鹽與親電試劑的反應； (c) 羥醛縮合反應 (aldol reaction)。,對于不對稱取代的酮類，反應 (b) 及 (c) 的區(qū)域選擇性取決于步驟 (a) 中生成烯醇鹽時的區(qū)域選擇性。這一步反應的區(qū)域選擇性可以通過用氯化三甲基硅烷來捕獲反應中間體烯醇鹽，即形成烯醇硅醚 進行研究。兩種烯醇硅醚的相對比例取決于生成烯醇鹽時的反應條件。,烯醇鹽的區(qū)域選擇性決定了后續(xù)反應的區(qū)域選擇性。,1 立體選擇

18、性烯醇化物的形成 羰基化合物烯醇化反應的立體化學如Scheme 4.3所示。反應(b)和(c)的立體選擇性取決于步驟(a)的立體選擇性，以及其它反應因素的影響。,形成Z型和E型烯醇鹽的相對比例取決于R-基的性質(zhì)。,不難看出對于簡單的酮而言，當R基較小時形成E-型烯醇鹽， 當R基較大時形成Z-型烯醇鹽,考慮到母體酮脫質(zhì)子后的兩種可能構(gòu)型，我們可以對烯醇化反應提出一個合理解釋。當R基較小時，由于1,3-位直立鍵上的甲基和異丙基的相互排斥作用，致使過渡狀態(tài)形成的Z型烯醇鹽是不穩(wěn)定的；當R基較大時，因為甲基與R基間的相互作用而導致E型烯醇鹽是不穩(wěn)定構(gòu)型；,當R基為烷氧基時這種相互作用有所減弱，傾向于生成E型烯醇鹽(實際上，根據(jù)取代基排序規(guī)則，由于OMe優(yōu)先于OLi，在這種情況下形成的烯醇鹽又可以稱為Z型。,烯醇化物的烷基化 當沒有手性因素的影響時，無論何種形式的烯醇鹽經(jīng)過烷基化反應后都只能得到外消旋產(chǎn)物。非對映選擇性的烷基化反應可以籍助手性輔助劑而實現(xiàn)。Evans 實驗室曾用由纈氨酸