第九十章碳碳雙鍵的加成反應課件

1、第八章 碳-碳雙鍵的加成反應 -8-1 親電加成反應歷程 烯烴的親電加成反應表示如下: 一.雙分子親電加成反應 屬于這一類的加成反應，動力學上表現(xiàn)為二級反應，即反應速度=K烯烴親電試劑,稱為雙分子親電加成反應，可用AdE2表示。-此類反應分兩種歷程：反應過程中生成正碳離子中間體歷程和環(huán)狀鎓型離子中間體歷程。 反式異構順反異構-1.正碳離子歷程如烯烴與HX的加成： 烯烴與親電試劑的加成，若生成的正碳離子中間體越穩(wěn)定，則越有利于按正碳離子歷程進行。按此反應歷程的反應通常不具有立體選擇性。 -在加成中除得到正常產(chǎn)物外，還得到重排產(chǎn)物。重排產(chǎn)物與正碳離子穩(wěn)定性有關。如： 重排預期產(chǎn)物-2.鎓型離子歷程

2、簡單和非共軛烯烴與溴的加成按鎓型離子歷程反應。如: 即：-鹵素與烯烴的加成一般按鎓型離子歷程進行，其它的一些試劑，如次鹵酸（HOCl和HOBr）、異氰酸碘（INCO）、疊氮化碘（IN3）、烷和芳硫基氯（RSCl、ArSCl）以及在水或醇存在下的汞鹽（Hg(OCOCH3)）等對烯烴的加成，也按此歷程進行。如: 按鎓型離子歷程進行的反應，通常是反式加成產(chǎn)物。-二三分子親電加成反應 三分子親電加成反應速度為=烯烴親電試劑2，為三級反應，以AdE3表示。-當烯烴與鹵化氫的加成，若生成比較不穩(wěn)定的正碳離子時，則傾向于按三分子親電加成反應歷程進行。因另一HX分子的X與之結合，可生成穩(wěn)定的產(chǎn)物。烯烴與HX的

3、加成，在按AdE3歷程進行時，由于烯烴與一分子HX中的H+結合時，從另一方向又與第二個分子的HX或X-結合，故加成的立體化學特征是反式加成。 -8-2 親電加成反應的立體化學 親電試劑E-Nu與C=C雙鍵進行加成時，試劑的兩部分E+和Nu-可以從反應物的同側或異側加到雙鍵上。當試劑的兩部分加到分子的同側時，叫做順式加成。當試劑的兩部分從烯烴的異側加到雙鍵碳原子上時，叫做反式加成。 -烯烴加成的立體選擇性是可變的，它與親電試劑的性質、烯烴的結構和反應條件等因素有關。 如順-2-丁烯與四氧化鋨加成生成順式環(huán)狀鋨酸酯，后者水解生成內消旋1，2-二醇，總的結果是羥基化，具有順式立體選擇性。 許多加成反

4、應具有立體選擇性，但對于某些加成反應則只有很小的立體選擇性，如Z-1，2-二甲基環(huán)已烯的酸性水解反應，生成大約等量的順和反1，2二甲基環(huán)已醇。如： -一.親電試劑的影響烯烴與不同的親電試劑加成時，其立體選擇性不同 。如反-1-苯基丙烯分別與HBr、Cl2和Br2的加成： C6H5HHCH3C=C+HClCl2Br2反式加成產(chǎn)物12%32%88%這是因為相應的鎓型離子的穩(wěn)定性為：鹵鎓離子穩(wěn)定性次序為：I鎓離子Br鎓離子Cl鎓離子。-羥汞化反應具有立體選擇性，大多數(shù)無環(huán)和單環(huán)烯烴的羥汞化反應是反式加成過程。 反式加成產(chǎn)物-烯烴的硼氫化反應總是順式加成。如： -二反應物的影響 當同一親電試劑與不同烯

5、烴進行親電加成反應時，其立體選擇性也不相同。 C=C雙鍵與鹵化氫加成的立體選擇性主要依賴于烯烴的結構。非共軛環(huán)狀烯烴如環(huán)已烯、1，2-二甲基環(huán)戊烯、1，2-二甲基環(huán)已烯和異丁烯與HX的加成主要是反式加成。如: -反式加成反式加成-當雙鍵碳原子之一與一個能穩(wěn)定生成的正碳離子的中間體的基團如苯基共軛時，則立體選擇性將發(fā)生變化。如順和反-1-苯基丙烯，4-叔丁基-1-苯基環(huán)已烯加成時，主要生成順式加成產(chǎn)物。因為這些反應中可生成芐基型正碳離子而穩(wěn)定。 CCC6H5HHCH3HClCCC6H5HHClCH3H順式加成反-1-苯基丙烯-鄰基的參與對立體化學結果也會產(chǎn)生影響。如： -如降冰片烯與鹵素的加成，

6、除生成反式加成產(chǎn)物外，還生成外型產(chǎn)物等。 -三溶劑的影響溶劑對親電加成反應的立體化學也有影響。 如順-1,2-二苯乙烯與溴在不同溶劑中進行加成時，內消旋和外消旋產(chǎn)物的比例不同，即順式和反式加成產(chǎn)物比例不同。溶劑 介電常數(shù) 內消旋體/外消旋體環(huán)已烷 2.0 0CCl4 2.2 0t-C4H9OH 11 0.3C2H5CN 25 0.6CH3NO2 35 0.9 增加溶劑的極性有利于順式加成。 -8-3 親電加成反應的活性 一.烯烴結構對加成速度的影響 通常C=C雙鍵間的電子云密度越高，親電加成反應越容易進行。即供電子基能對中間體起穩(wěn)定作用，降低活化能，加速反應的進行。 相對速度 相對速度CH2C

7、H2 1 CH3CHCH2 61CH3CHCHCH31700 (CH3)2C=CH2 2600 (CH3)2C=CHCH3 130000 (CH3)2C=C(CH3)2 1800000-烯烴的加成反應活性順序：如雙鍵碳原子上連有共軛結構的苯基時，反應速度也會加快。如苯乙烯： CHCH2CHCH3H-二親電試劑對加成速度的影響 鹵化氫的加成速度次序是：HIHBrHClHF 混合鹵素的加成速度順序是：IClIBrI2 BrClBr2 除了烯烴結構和親電試劑的影響外，溶劑的影響也較大，通常在極性大的溶劑中反應速度較大。 -8-4 親電加成反應的定向 如果烯烴和親電試劑都是不對稱的，如CH3CH=CH

8、2和HX，加成就出現(xiàn)了方向問題，即區(qū)域選擇性問題。影響區(qū)域選擇性的主要因素是電子效應和立體效應。一.電子效應 不對稱試劑加到不對稱烯烴上是按照Markownikoff規(guī)則(即馬氏規(guī)則）進行的。 -CH3-CH=CH2 + HBr CH3CHCH3Br如：誘導效應的影響：-正碳離子穩(wěn)定性的影響：HOOCCHCH2HXHOOCCH2CH2X(CH3)3N +-CH=CH2+HI (CH3)3N +-CH2-CH2IF3C-CH=CH2 + HX F3C-CH2 -CH2X-CH=CH2 + HBrCH-CH2Br H苯乙烯的鹵化氫加成具有很強的區(qū)域選擇性：當苯環(huán)上的取代基Z不同時，區(qū)域選擇性將發(fā)生

9、變化：CH=CH2 Z(BH3)2ZZCH2-CH2 BH2CH-CH3 BH2+ZOCH3HClCF3(I)%93817366(II)%7192124-二立體效應 在不對稱烯烴與不對稱試劑的加成反應的定位中，立體效應和電子效應一樣也起著重要的作用。 如對于同一硼烷，因烯烴不同區(qū)域選擇性不同；對于同一烯烴，硼烷不同時，區(qū)域選擇性也不同。 -8-5 共軛二烯烴的親電加成 共軛二烯烴的親電加成反應，除得到1，2加成產(chǎn)物外還得到1，4加成產(chǎn)物： -反應歷程：-共軛二烯烴的親電加成產(chǎn)物，通常以1,2和1,4加成的混合物，但以哪一種為主，則主要取決于產(chǎn)物的結構和反應條件等： 產(chǎn)物結構越穩(wěn)定越容易生成。

10、高溫有利于1,4-加成，低溫有利于1,2-加成；1,2加成產(chǎn)物為動力學控制，1,4加成產(chǎn)物為熱力學控制。 極性溶劑有利于1,4-加成，非極性溶劑有利于1,2-加成。 -8-6 親核加成反應 一.C=C雙鍵的親核加成反應 C=C雙鍵包含電子，容易被親電試劑進攻，但被親核試劑進攻則是困難的，需要進行活化。要想達到親核加成的目的，只有在雙鍵碳原子上引入吸電子基以降低電子云密度。親核試劑對于C=C雙鍵的加成按下列歷程進行： -與親電加成相反，雙鍵碳原子上連有吸電基時，促進親核加成反應，連有供電基時不利于加成反應。一些常見的促進親核加成反應的取代基有： CHO，COR，COOR，CONH2，CN，NO2

11、，SO2R。如：CCHC6H5C6H5CN HC6H5C6H5CCCN CN HHC6H5CCC6H5 CN CNCN -H+-CCCl ClFF OCH3 F Cl CCCl F OCH3 F ClC CF Cl HCH3O-H+對于C=C的加成反應，若生成簡單的負碳離子中間體，則加成通常沒有立體選擇性。 某些親核加成反應在有機合成上具有重要的意義，下面簡單介紹幾個親核加成反應。 -1.氰乙基化反應 丙烯腈分子中的碳-碳雙鍵，因受氰基的影響能發(fā)生親核加成。 CH2=CH-CN + C6H5OH C6H5O-CH2-CH2-CN CH2=CH-CN + H2S HS-CH2-CH2-CN 所得

12、產(chǎn)物相當于在親核試劑分子中引入一個2-氰乙基，故此反應叫氰乙基化反應。反應通常在堿性催化劑的存在下進行，常用的催化劑有：堿金屬的氧化物、氫氧化物、氫化物或氨基化物。如較好的催化劑是C6H5CH2+N(CH3 )3OH-(氫氧化芐基三甲基銨) -氰乙基化反應可在親核試劑中引入三個碳原子，同時氰基經(jīng)水解或還原可轉變成其他的官能團，所以此反應在有機合成上具有廣泛的用途。如可合成-丙氨酸，維生素B1的中間體3-甲氧基丙腈。 CH2=CH-CN + NH3 H2N-CH2-CH2-CN H2N-CH2-CH2COOHCH2=CH-CN + CH3OH CH3O-CH2-CH2-CN H2OCH3ONa-

13、氰乙基化反應的另一個特點是當親核試劑具有一個活潑的亞甲基或甲基時，丙烯腈可以發(fā)生二或三氰乙基化反應。如: CH3-C-CH3 + 3CH2=CH-CN CH3-C-C(CH2CH2CN)3 O OCH2(COOC2H5)2 + 2CH2=CH-CN (NC-CH2CH2)2C(COOC2H5)2 -2.Michael反應負碳離子對于缺電子C=C雙鍵的加成反應稱為Michael反應或Michael加成。其中雙鍵碳原子與吸電基直接相連構成共軛體系。 (CH3)2C=CH-NO2 (CH3)2C-CH2-NO2 CN(1)KCN (2) H+C6H5CCH=CHC6H5 + CH2(CO2C2H5)

14、2 C6H5CCH2CHCH(CO2C2H5)2 O O C6H5CH3OH-Micheal反應不是簡單的1，2加成，由于質子轉移到碳上比氧上慢，故質子化首先發(fā)生在氧上，其歷程如下： R- + R2C=C-C-R R2CCC-R R2CC=C-R R O R R O R R O- R2CCC-R R2CCHC-R R R OH R R OH+Micheal反應被堿所催化,其作用是產(chǎn)生負碳離子。 最常用的負碳離子：CH2(COOC2H5)2，CH2COCH2COOC2H5，NCCH2COOC2H5，RCH2NO2等，-Micheal反應是形成C-C單鍵的一般方法之一，在有機合成上具有重要用途。例

15、：反應機理：-喹啉-二碳-碳叁鍵的親核加成反應（自學） -第九章 碳雜重鍵的親核加成反應 -9-1 羰基親核加成反應的歷程 羰基化合物中的羰基活性次序為：RCHORCOCH3RCORC6H5COR 醛丙酮芳醛環(huán)丁酮環(huán)已酮環(huán)戊酮影響羰基活性的因素主要有羰基的結構和空間因素。 -一. 羰基的結構 平衡常數(shù)p-NO2C6H4CHO 1820m-BrC6H4CHO 530C6H5CHO 211p-CH3C6H4CHO 110p-CH3OC6H4CHO 32p-(CH3)2NC6H4CHO 2.6例：下列化合物與HCN的加成反應的平衡常數(shù)為：-當C=C雙鍵、苯環(huán)或具有未共用電子對的原子直接與羰基的碳原子

16、相連時，親核加成的速度比飽和的類似物小。 如：CH3CHOHCN CH3CHCN K104 OHC6H5CHOHCNC6H5CHCN K210 OHCH3CH2-C-CH3 +HCN CH3CH2-C-CH3 K=38 O CN OHC6H5-C-CH3+HCN C6H5-C-CH3 K=0.8 O CN OH-例：CH3COC2H5與HCN的加成反應速度K1(CH3)3CCOC(CH3)2與HCN的加成反應速度K1二. 空間因素由于從反應物到過渡態(tài)及產(chǎn)物，羰基碳由SP2雜化變?yōu)镾P3雜化，反應中存在明顯的空間特性。當R基體積增大時，中間體過渡態(tài)變得擁擠，所以能量升高，反應速度減小。 例：環(huán)酮

17、與HCN的加成平衡常數(shù)：環(huán)丙酮10000 環(huán)庚酮7.8環(huán)已酮1000環(huán)戊酮48環(huán)丁酮100 環(huán)辛酮1.17-通常羰基化合物的活性由羰基結構（電子效應）和空間因素兩者決定：如下列化合物與HCN的加成速度(可用超共軛和空間效應解釋）： 丙酮 33 丁酮38 3甲基丁酮 653,3二甲基丁酮 32-親核試劑的性質對于羰基親核加成反應速度也產(chǎn)生一定的影響。對于同一羰基化合物，親核試劑的親核性增加，平衡常數(shù)增大。親核試劑的親核性次序是：碳氮氧鹵素 親核試劑的體積大小也對平衡常數(shù)產(chǎn)生影響，親核試劑的體積增大，導致反應速度減小。 -9-2 羰基加成反應中的立體選擇性 羰基的親核加成，在羰基上引入了一個手性中

18、心，但加成產(chǎn)物是外消旋體。如果醛和酮的碳原子是手性碳原子，親核試劑與羰基的加成在空間有一定的選擇性，加成滿足Cram規(guī)則一。Cram規(guī)則一：羰基與不對稱碳原子相連時，反應試劑從M和S基團之間進攻羰基得到主要產(chǎn)物?；鶊F的大小：LMS，無分子內氫鍵。-按照Cram規(guī)則，雖然進入基團優(yōu)先從羰基阻礙最小的一邊進攻，但所得產(chǎn)物的比例將按反應物和親核試劑的不同而異。-通常反應物和親核試劑的基團越大，立體選擇性一般越高。-當羰基化合物存在分子內氫鍵時，加成的產(chǎn)物選擇性滿足Cram規(guī)則二。Cram規(guī)則二：羰基鄰位的不對稱碳原子上有OH，NH2等能與羰基氧形成氫鍵的基團時，親核試劑從含氫鍵環(huán)的空間阻礙小的一邊對

19、羰基加成。如：-9-3 羰基化合物的親核加成反應舉例一.雜原子親核試劑的加成如羰基化合物與醇反應生成半縮醛或半縮酮。醛加醇容易，酮較困難。-反應機理：-縮醛具有雙醚結構，對堿和氧化劑穩(wěn)定，但遇酸迅速水解為原來的醛和醇 。所以，制備縮醛時必須用干燥的HCl氣體，體系中不能含水。 -酮只能與二元醇生成環(huán)狀縮醛（因為五元、六元環(huán)有特殊穩(wěn)定性）： 用途： 保護羰基： 例:解:-二.碳原子親核試劑的加成1.醇醛縮合反應在催化劑的作用下，含有氫原子的醛或酮相互作用，生成羥基醛或羥基酮，稱為醇醛縮合反應，這類反應被堿或酸所催化。堿催化反應歷程：-高級醛得到羥基醛后，更容易失水：酮的醇醛縮合反應比醛困難：-但

20、用酸作催化劑，酮比較容易發(fā)生縮合反應。酸催化反應歷程：-交錯醇醛縮合（交叉醇醛縮合）：但若兩種不同的醛或酮進行醇醛縮合時，其中一個反應物無氫，則產(chǎn)物有意義。如下列Claison-Schmidt縮合反應：2CH3CHOCH3CHCH2CHO反應速度K1反應速度K2K1K2-醇醛縮合既可以被酸催化也可以被堿催化，但由于催化劑不同產(chǎn)物各異。如2丁酮與苯甲醛的反應，堿催化主要得到直鏈縮合物，而酸催化則主要得到支鏈縮合物。-溴化甲基三苯磷2. Wittig（維蒂希）反應Wittig試劑與羰基化合物進行親核加成，生成烯烴的反應稱Wittig反應。Wittig試劑是一種磷的內鎓鹽，也叫磷葉立德。如下式：Ph

21、3P+C-R2 Ph3P=CR2制法：亞甲基磷烷（磷葉立德）-反應機理： Wittig試劑中帶負電荷的碳對醛、酮作親核進攻，形成內鎓鹽或氧磷雜環(huán)丁烷中間體，進而進行順式消除分解成烯烴及氧化三苯膦。-氧磷環(huán)丁烷例：-Wittig試劑的活性： 取代基R1、R2為H、脂肪烴基、脂環(huán)烴基等時，試劑的穩(wěn)定性小，反應活性高；若取代基R1、R2為吸電子基時，它可以通過共軛效應或誘導效應而使碳上的負電荷減弱或分散，從而使其親核性降低，但其穩(wěn)定性卻增大。共軛效應愈強，則其穩(wěn)定性增加而反應活性降低。 - 維蒂希反應，最后結果為醛酮羰基上的氧原子被亞甲基取代.一般式為：如：-維生素A在藥物合成中應用十分廣泛，如維生

22、素A和維生素D、抗生素等的全合成。 -Wittig反應烯烴的立體結構與反應物和試劑的結構及反應條件等因素有關。Wittig反應生成的烯烴通常為順式和反式異構體的混合物。如使用活潑的Wittig試劑，可得到較多順式烯烴。Ph3P+-C-HCH3 + C6H5CHOCH3 C6H5 CH3 H C=C C=CH H H C6H5+順式，87%反式，13%-如使用具有共軛結構的Wittig試劑和羰基化合物時，主要得到反式烯烴。溶劑的性質對烯烴順反異構體的比例也有影響。通常質子溶劑或極性非質子溶劑有利于順式烯烴，非極性非質子溶劑有利于反式烯烴。Ph3P+-C-H-C6H5 + C6H5CHOC6H5

23、C6H5 C6H5 H C=C C=CH H H C6H5+順式，25%反式，75%-9-4 羧酸衍生物的親核加成反應一. ?；系挠H核取代反應機理(加成消除反應機理）反應是分步完成的：先親核加成，后消除，最終生成取代產(chǎn)物。-二.結構與活性的關系羧酸衍生物與親核試劑的加成的相對活性主要取決于：一是與羰基直接相連的離去基團的電子效應，二是離去基團的離去的相對能力。即酰氯的羰基碳正電性最強。 活性：酰氯酸酐酯酰胺 （1）羰基碳的正電性-(2) L-愈易離去，越有利于第二步反應（消 除反應）酸性：HCl RCOOH ROH NH3pKa：強酸 45 1619 34離去能力：ClOCOROR NH2活

24、性：酰氯酸酐酯酰胺-三.反應舉例1.酯的水解酯在酸或堿的存在下均可發(fā)生水解反應。酸的催化是可逆反應，其逆反應是酯化反應。堿催化是不可逆反應，叫皂化反應。酯的水解反應其鍵的斷裂方式有兩種可能：酰氧鍵斷裂和烷氧鍵斷裂。RCOR ORCOR ORCOR O烷氧斷裂酰氧斷裂常見的是酰氧斷裂。-酸催化反應歷程：HOOCCH2CH2COCH3H2O18HOOCCH2CH2CO18HCH3OH O O例：此反應稱酸催化雙分子酰氧斷裂歷程，用AAC2表示。-上述歷程對于空間位阻很大的酯或酸不適用。例如2,4,6-三甲基苯甲酸（I）在酸催化條件下不能酯化，其酯（III）也不能水解，但把酸或酯溶于濃H2SO4中，

25、然后將此溶液倒入醇或水中，則發(fā)生定量的酯化或水解反應，反應經(jīng)?；x子（II）生成酯或酸。此反應歷程稱酸催化單分子酰氧斷裂歷程，用AAC1表示-在酸催化酯的水解反應中，當RCOOR分子中的R能夠生成高度穩(wěn)定的正碳離子，同時使用強極性介質時，發(fā)生烷氧斷裂。如光學活性物質（I）在酸存在下水解，生成的醇是外消旋混合物。（I）此反應為酸催化下酯水解的烷氧斷裂歷程稱為酸催化單分子烷氧斷裂歷程，用AAL1表示。-2.Claisen酯縮合反應含有氫的酯，在強堿性條件下兩分子酯縮合生成羰基酯的反應稱Claisen酯縮合反應。反應機理：(1)(2)-(3)反應需要過量的堿使酮酸酯轉變成其負離子，使平衡不斷向右移動，因為RCH2COCH(R)CO2C2H5的酸性比C2H5OH強，使第一步反應生成的負碳離子的平衡偏向左方，因此第三步反應是必須的。-兩種不同的酯縮合，如其中一個不含-H在有機合成上有重要意義。例：例：-當兩個酯基在同一分子內時，可以發(fā)生分子內的縮合反應生成環(huán)狀酮酯，此反應稱為Dieckmann縮合反應，可用于合成五、六和七環(huán)化合物。例： 環(huán)化方向 含兩