《有機(jī)化學(xué)》課件-9-3

9.3醇的化學(xué)性質(zhì)

羥基是醇的官能團(tuán)，作為反應(yīng)中心羥基決定了醇的化學(xué)性質(zhì)。由于O—H極性鍵存在，使它表現(xiàn)出一定酸性，C—0極性鍵的存在使之可以發(fā)生碳氧鍵斷裂而進(jìn)行親核取代和消去反應(yīng)，羥基氧上未共用電子對的存在使之呈現(xiàn)一定堿性和親核性。一、醇的酸堿性1.醇的酸性

像水一樣，醇可與金屬鈉反應(yīng)放出氫氣，表明醇具有酸性。水與金屬鈉反應(yīng)非常激烈，往往會引起爆炸，而醇與金屬鈉反應(yīng)要溫和得多，這說明醇的酸性比水弱。除甲醇PKa為15.5外，其他醇的PKa約為16?18，比水的PKa(15.7)值要大。

不同種類的醇，與金屬鈉反應(yīng)的快慢有一定的差異，伯醇反應(yīng)最快，叔醇反應(yīng)最慢，仲醇居中。這表明它們酸性的強(qiáng)弱順序是：

由實(shí)驗(yàn)測得的乙醇、異丙醇、叔丁醇的PKa數(shù)值與這種順序是一致的。

在氣相中，叔醇有三個烷基的吸電子作用，使O—H鍵的電子較大程度地被拉向氧原子一邊，O—H鍵的極性較大，因而羥基氫表現(xiàn)出較強(qiáng)的酸性。而仲醇、伯醇只有兩個、一個烷基的吸電子作用，所以它們的酸性比叔醇弱。

接下來的問題是上述三種醇的酸性順序（伯醇>仲醇>叔醇）又是怎么回事呢？原來醇的這種酸性順序是在溶液中測定得到的，或者說是在溶液中與金屬鈉反應(yīng)所表現(xiàn)出來的。醇在溶液中，影響酸性的主要因素不是烷基的吸電子作用（當(dāng)然這種吸電子作用還是存在的），而是烷氧負(fù)離子的溶劑化。體積較小的烷氧負(fù)離子的溶劑化程度較大，穩(wěn)定性較高，堿性較弱，因而相應(yīng)的共軛酸（醇）的酸性就較強(qiáng)。不同烷氧離子的溶劑化大小及堿性強(qiáng)弱和共軛酸的酸性強(qiáng)弱順序如下:2.與堿的反應(yīng)

醇作為酸可與堿反應(yīng)。氫氧化鈉雖為強(qiáng)堿但它不易與醇反應(yīng)，因醇的酸性比氫氧化鈉相應(yīng)共軛酸—水的酸性弱，所以酸堿平衡反應(yīng)在左方。

若想用醇和氫氧化鈉制備醇鈉，必須除去反應(yīng)中的水，以使平衡向右移動。工業(yè)上一般在反應(yīng)體系中加入苯，通過苯—乙醇—水三元恒沸物（b.p64.9°C)將水帶出以完成反應(yīng)。

醇雖然與氫氧化鈉不容易反應(yīng)，但與一些更強(qiáng)的堿，即相應(yīng)共軛酸酸性比醇弱的堿，可與醇完好地反應(yīng)。例如：3.與Mg和A1反應(yīng)

醇與Mg作用生成醇鎂，反應(yīng)需用少量I2作催化劑：

醇鎂和醇鈉一樣，也很容易發(fā)生水解：

在實(shí)驗(yàn)室常用醇鎂來除去乙醇中的水分以制備無水乙醇。

醇與鋁（汞齊)反應(yīng)生成醇鋁：

異丙醇鋁、叔丁醇鋁在有機(jī)合成中都是重要的化學(xué)試劑。4.醇的堿性

醇羥基氧上的未共用電子對可接受質(zhì)子形成

鹽（參閱9.2節(jié)二），這體現(xiàn)了醇的堿性。正是因

鹽的生成才加大了醇在酸性水溶液中的溶解度，也正是因

鹽的生成才使醇在反應(yīng)中形成好的離去基團(tuán)，從而容易發(fā)生取代反應(yīng)和消去（脫水）反應(yīng)。因醇具有堿性，所以在反應(yīng)中還可作親核試劑。如它可在酸催化下與醛酮加成（參閱11.3節(jié)一），在酸催化下與有機(jī)酸成酯(參閱14.3節(jié)二)等。二、羥基被鹵原子取代（C—0鍵斷裂）

醇可以與多種鹵化試劑作用，羥基被鹵原子取代而生成鹵代烴。

1.與氫鹵酸作用(1)反應(yīng)機(jī)理

醇與氫鹵酸反應(yīng)涉及C—0鍵斷裂。鹵素（X-)取代羥基(OH-)，屬于親核取代（SN)，不同結(jié)構(gòu)的醇采取不同的機(jī)理(SN1或SN2)。

①SN1

烯丙型醇、芐基型醇、叔醇、仲醇一般采取SN1機(jī)理，以叔丁醇為例，其反應(yīng)過程為：

叔醇作為堿首先與質(zhì)子結(jié)合生成

鹽（質(zhì)子化醇），接著水分子從中心碳原子上離開而形成叔碳正離子（控制反應(yīng)的慢步驟），最后叔碳正離子很快與X-結(jié)合而得到取代產(chǎn)物鹵代烴。

從上列過程可見，取代反應(yīng)中真正的離去基團(tuán)不是0H-,而是H20。這也正是反應(yīng)能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵所在，因?yàn)?H-本身為強(qiáng)堿，它不是一個好的離去基團(tuán)，而H20本身為弱堿(相應(yīng)共軛酸H3+O是強(qiáng)酸），是一個較好的離去基團(tuán)，也就是說,一般醇分子中的C—0鍵很難斷裂，而質(zhì)子化醇的

鍵極性進(jìn)一步增強(qiáng)，堿性較強(qiáng)的0H-轉(zhuǎn)變?yōu)橐纂x去的水?dāng)嗔炎兊帽容^容易，所以酸（提供質(zhì)子）對反應(yīng)起了很重要的作用，這種反應(yīng)常稱為酸催化。②SN2伯醇與HX作用，按SN2機(jī)理反應(yīng)：

由于伯碳正離子的穩(wěn)定性較低，質(zhì)子化的伯醇也不容易解離，因此需要在親核試劑（x-)向中心碳原子進(jìn)攻的推動下，H20才慢慢離開，即反應(yīng)按SN2機(jī)理進(jìn)行。(2)相對活性

對氫鹵酸來說，HI>HBr>HC1。因?yàn)镠I的酸性最強(qiáng)，作為親核試劑，I-的親核性最強(qiáng)，所以HI與醇的反應(yīng)活性最高。

對醇來說，總的羥基被取代的活性順序?yàn)椋?/p>

前已指出，伯醇之所以按SN2機(jī)理反應(yīng)，是因?yàn)樗蝗菀捉怆x，按SN1反應(yīng)活性太低（以致無法按SN1機(jī)理反應(yīng)）。另外，甲醇按SN2機(jī)理反應(yīng)，由于它的空間位阻較小，SN2活性比伯醇高。所以從總的反應(yīng)活性來看（不管按什么機(jī)理），伯醇進(jìn)行取代反應(yīng)是處在相對活性的最低點(diǎn)。

叔丁醇與氫鹵酸的反應(yīng)速度很快，即使與鹽酸在室溫下振蕩也很快生成叔丁基氯。而伯醇與濃鹽酸反應(yīng)時，除加熱外，還要用ZnCl2作催化劑。與氫溴酸反應(yīng)最好有硫酸存在。

如將干燥的鹵化氫氣體通到醇中，則可順利地生成相應(yīng)的鹵代烴。(3)盧卡斯(Lucas)試劑鑒別伯、仲、叔醇

無水氯化鋅與濃鹽酸配成的溶液稱為盧卡斯（K.Lucas,1879—1916)試劑。該試劑在室溫下與叔醇作用很快，與仲醇在10分鐘內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，而與伯醇反應(yīng)很慢。

六個碳以下的低級醇在強(qiáng)酸中的溶解度較大（因?yàn)榭尚纬?/p>

鹽），它們可以溶于盧卡斯試劑，而氯代烴不溶于盧卡斯試劑。當(dāng)醇與盧卡斯試劑沒有反應(yīng)時應(yīng)為一相，發(fā)生反應(yīng)生成氯代烴后，則分成兩相（或出現(xiàn)混濁），所以有無分層（或混濁）出現(xiàn)為醇和盧卡斯試劑是否發(fā)生反應(yīng)的標(biāo)志，這也是我們能夠觀察到的現(xiàn)象。借此可以鑒別六個碳以下的伯、仲、叔醇。

要注意的是，用盧卡斯試劑不能鑒別六個碳以上（不包括六個碳）的伯、仲、叔醇，因?yàn)檫@些高級醇本身就不溶于盧卡斯試劑，所以將它們加到盧卡斯試劑中，不管是否發(fā)生反應(yīng)，都會出現(xiàn)混濁，即無法鑒別。（4）涉及鄰基參與的反應(yīng)

某些具有一定構(gòu)型的鹵代醇與氫鹵酸作用，常常涉及鄰基參與（neighboring-groupparticipation)，生成構(gòu)型保持或重排產(chǎn)物，例如：

羥基首先質(zhì)子化，產(chǎn)生較好的離去基團(tuán)（H2O)，在H20離開中心碳原子的過程中，鄰近的碘原子用自己的孤對電子與中心碳原子結(jié)合形成帶電荷的三元環(huán)，然后親核試劑（Br-)分別進(jìn)攻三元環(huán)的兩個碳原子而得到構(gòu)型保持產(chǎn)物和重排產(chǎn)物。至于這兩種產(chǎn)物的比例主要決定于三元環(huán)中兩個碳原子承受正電荷的能力，親核試劑總是優(yōu)先進(jìn)攻承受正電荷能力較強(qiáng)的碳原子，例如：

在上述反應(yīng)中，連有苯基的三元環(huán)碳原子承受了較多的正電荷，親核試劑CI-優(yōu)先進(jìn)攻該碳原子，所以構(gòu)型保持產(chǎn)物是主要的。

如果參與基團(tuán)與親核試劑都是同一種鹵原子，則其產(chǎn)物往往是一對對映體，例如：2.醇與鹵化磷（PX3，PX5)作用

醇與PBr3、PI3作用，生成鹵代烴和亞磷酸:

這是由醇制備溴代烴、碘代烴的好方法，產(chǎn)率較高。

該反應(yīng)的機(jī)理還不十分清楚，一般認(rèn)為，伯醇、仲醇與PX3反應(yīng)是通過亞磷酸酯中間體，按SN2機(jī)理反應(yīng)：3.醇與亞硫酰氯（sulphonylchloride)

在該反應(yīng)中，除氯代烴外，其他兩個產(chǎn)物都是氣體（S02，HC1)。由于它們不斷離開體系，有利于使反應(yīng)向著生成產(chǎn)物的方向進(jìn)行，而且最終沒有其他副產(chǎn)物，氯代烴的分離提純特別方便。

醇與S0C12反應(yīng)具有一定的立體化學(xué)特征。當(dāng)與羥基相連的碳原子有手性時，在所得氯代物中，氯原子處在羥基原來所占據(jù)的位置，即產(chǎn)物是構(gòu)型保持的?？赡艿姆磻?yīng)機(jī)理如下:

三、脫水反應(yīng)（C—O鍵斷裂）

醇有兩種脫水方式:分子內(nèi)脫水和分子間脫水。分子內(nèi)脫水生成烯烴，分子間脫水生成醚。二者是同時存在的競爭反應(yīng)。以哪種脫水為主，決定于醇的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件。1.分子內(nèi)脫水成烯

醇在較高溫度(400°C?800°C)直接加熱脫水生成烯烴。若有催化劑如H2S04或A1203存在，則脫水可在較低溫度下進(jìn)行：(1)反應(yīng)機(jī)理

醇分子內(nèi)脫水，和鹵代烴脫鹵化氫一樣，是一種消除(β-消除）反應(yīng)。在酸催化下，按E1機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)的過程如下:

前邊已經(jīng)指出，OH-不是一個好的離去基團(tuán)，一般情況下C—0鍵不易斷裂，OH-不易離開中心碳原子。酸的存在可使羥基質(zhì)子化，從而產(chǎn)生一個較好的離去基團(tuán)H20。當(dāng)H20離開中心碳原子后，碳正離子去掉一個β-質(zhì)子而完成消除反應(yīng)，得到烯烴。

已知鹵代烴的消除反應(yīng)有兩種機(jī)理。叔鹵一般按E1機(jī)理反應(yīng)，伯鹵一般按E2機(jī)理反應(yīng)，仲鹵居中。而醇的情況不同，無論是叔醇、仲醇還是伯醇，都按E1機(jī)理反應(yīng)。醇的消除沒有E2機(jī)理。

叔醇按E1機(jī)理消除是理所當(dāng)然的，仲醇按E1機(jī)理消除也可以理解。讀者容易產(chǎn)生的問題是，為什么伯醇脫水也按E1機(jī)理，而不按E2機(jī)理呢？對于這個問題，可以用所謂的“反證法”來回答。就是說，如果設(shè)想伯醇按E2機(jī)理脫水，那么情況會怎么樣？是否行得通？我們知道在E2消除中，是一個堿主動進(jìn)攻反應(yīng)底物的β-H(反應(yīng)的動力），在這種進(jìn)攻的推動下，離去基團(tuán)逐漸離開中心碳原子，所以進(jìn)攻試劑的堿性越強(qiáng)，越有利于E2反應(yīng)。伯醇脫水是在酸催化下進(jìn)行的，強(qiáng)酸溶液中不可能同時存在強(qiáng)堿（強(qiáng)酸的共軛堿必定是弱堿），所以不具備進(jìn)行E2反應(yīng)的條件。而當(dāng)它按E1機(jī)理反應(yīng)時，H20離開中心碳原子后，碳正離子甩掉β-H是一個隨從過程，容易進(jìn)行，無須很強(qiáng)的堿去拉它，所以醇脫水生成烯烴都是E1機(jī)理。(2)相對反應(yīng)活性

按E1機(jī)理脫水的各種醇的相對活性主要決定于碳正離子的穩(wěn)定性，顯然其活性順序?yàn)椋?/p>

烯丙型、芐基型醇>叔醇>仲醇>伯醇

下列幾種醇脫水所要求的條件正說明了它們的這種相對活性：

烯丙型、芐基型醇脫水往往生成共軛烯烴，所以它們的反應(yīng)活性很高，例如:

在醇的級別或種類等同的情況下，能生成共軛烯烴的醇，其脫水活性都會比較高。(3)脫水取向

醇脫水成烯的取向和鹵代烴一樣，遵循薩伊切夫規(guī)律，例如:

某些不飽和醇、二元醇脫水，總是按優(yōu)先生成穩(wěn)定的共軛烯烴方向進(jìn)行，例如：2.分子間脫水成醚

兩分子醇之間脫水生成醚，例如：

兩分子醇之間脫水是一種親核取代反應(yīng)（SN2)，其過程可簡單表示如下：

醇分子間脫水和分子內(nèi)脫水是兩種互相競爭的反應(yīng)，一般來說，較低溫度有利于生成醚；較高溫度有利于生成烯?？刂坪梅磻?yīng)條件，可以使其中一種產(chǎn)物為主。但要注意，對叔醇來說，其主要產(chǎn)物總是烯烴，而不會生成醚，因?yàn)槭宕枷齼A向大。醇的分子間脫水和分子內(nèi)脫水實(shí)際上是親核取代和消除反應(yīng)之間的競爭。四、取代和消去反應(yīng)中的重排

醇進(jìn)行SN1取代和E1消去（分子內(nèi)脫水）反應(yīng)時，產(chǎn)生碳正離子中間體，這就提供了碳正離子重排（carboniumionreammgment)的可能性。若反應(yīng)生成的碳正離子相鄰碳上有擁擠基團(tuán)時則易發(fā)生重排，這可降低中間體的能量，同時重排后的碳正離子更穩(wěn)定，以上兩個因素就是重排的動力。1.取代中的重排

醇與氫鹵酸以SNI歷程進(jìn)行反應(yīng)容易發(fā)生重排。如新戊醇與氫溴酸作用其產(chǎn)物為重排產(chǎn)物2-甲基-2-溴丁烷:

這個醇雖為伯醇但由于叔丁基的屏蔽作用使之不易進(jìn)行SN2反應(yīng)。按SNl歷程反應(yīng)脫水后的伯碳正離子相鄰碳上有=個甲基，為改善擁擠程度甲基帶著一對電子重排，生成更穩(wěn)定的叔碳正離子，隨即與溴負(fù)離子結(jié)合生成重排產(chǎn)物。下面是另兩個重排實(shí)例，前者為氫的重排產(chǎn)物，后者是環(huán)中烴基的重排。2.消去（分子內(nèi)脫水）中的重排

伯、仲、叔醇脫水一般均為El消去歷程，由于碳正離子中間體的生成也易發(fā)生重排反應(yīng)。例如：

前一個反應(yīng)醇脫水后發(fā)生甲基重排，而后者發(fā)生氫的重排，重排后生成相同碳正離子中間體，脫去質(zhì)子得到相同烯烴。

苯基的優(yōu)先重排主要由于生成正電荷分散于含苯環(huán)的穩(wěn)定中間體的緣故。從苯基重排的中間體很容易理解為什么帶給電子基團(tuán)的苯基較易重排，而帶拉電子基團(tuán)的苯基重排傾向較差。

利用重排反應(yīng)可以巧妙地合成所需要的碳骨架和特定位置的官能團(tuán)，但另一方面在某些有機(jī)反應(yīng)中重排會造成復(fù)雜產(chǎn)物。所以在選擇合成路線時要考慮重排，或以重排為目的或以避免重排為目的。若以后者為目的則應(yīng)盡可能采用Sn2和E2反應(yīng)。如由2-甲基4-丁醇制備2-甲基-1-丁烯，一般不采用硫酸存在下直接脫水的方法（可能發(fā)生重排），而采用先與PBr3作用（SN2)生成溴代烷，然后用強(qiáng)堿處理消去（E2)成烯的路線。五、生成酯的反應(yīng)

醇和無機(jī)酸、有機(jī)酸作用，生成相應(yīng)的酯，有機(jī)酸酯將在第十五章詳細(xì)討論，在此主要簡述一些無機(jī)酸酯及有關(guān)特點(diǎn)。1.硫酸酯

醇與硫酸作用相當(dāng)快，產(chǎn)物為硫酸氫酯：2.硝酸酯

硝酸和硫酸一樣，能很好地與伯醇成酯，而與叔醇作用時，也生成烯烴。

多元硝酸酯是強(qiáng)烈的炸藥。3.磷酸酯

由于磷酸的酸性比硫酸、硝酸弱，所以它不易與醇直接成酯。磷酸酯一般是由醇和磷酰三氯作用制得的：

磷酸酯是一類很重要的化合物，常用作萃取劑、增塑劑和殺蟲劑。4.磺酸酯

醇與磺酰氯反應(yīng)生成磺酸醋（sulfonate)，例如：

磺酸根負(fù)離子為弱堿（因相應(yīng)共軛酸是強(qiáng)酸），它是好的離去基團(tuán)，所以磺酸酯和鹵代烴一樣，可發(fā)生親核取代和消去反應(yīng)。

由實(shí)驗(yàn)得知，磺酸酯的取代一般是Sn2機(jī)理，消除一般是E2機(jī)理。在由醇制備烯烴時，常常將醇先轉(zhuǎn)化成磺酸酯，然后再進(jìn)行消除，可以有效地防止重排，在這一點(diǎn)上，磺酸酯與鹵代烴的作用是相當(dāng)?shù)摹?/p>

在涉及立體化學(xué)的某些反應(yīng)中，磺酸酯比鹵代烴有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。一般來說，磺酸酯和鹵代烴都是由醇制備。從一定構(gòu)型的醇制備鹵代烴要涉及碳氧鍵斷裂，所得鹵代烴或是構(gòu)型轉(zhuǎn)化(SN2)，或者是發(fā)生外消旋(SN1)。而由醇制備磺酸酯時，不涉及碳氧鍵斷裂，所得到的酯可以100%地保持原料醇的構(gòu)型。六、醇的氧化和脫氫

氧化在有機(jī)化學(xué)中是一種重要而普遍的反應(yīng)，從廣義上講，凡是向有機(jī)分子中引入氧或脫去氫的反應(yīng)都叫做氧化反應(yīng)。在醇分子中由于羥基的影響，使α碳上的氫比較活潑，可以被多種試劑氧化。根據(jù)醇的不同結(jié)構(gòu)，不同氧化劑所得產(chǎn)物各不相同。

1.伯醇氧化生成醛和羧酸

伯醇在K2Cr207-H2S04溶液中，先被氧化成醛，后者繼續(xù)被氧化，最后生成羧酸。

如果想制備醛，則必須把生成的醛立即從反應(yīng)混合物中蒸出去，以免醛繼續(xù)被氧化。反應(yīng)需要在低于原料醇的沸點(diǎn)，而高于產(chǎn)物醛的沸點(diǎn)溫度下進(jìn)行，所以這種方法只適用于制備沸點(diǎn)較低（100°以下）的醛。對于沸點(diǎn)較高的醛，它們的沸點(diǎn)和原料醇的沸點(diǎn)很接近，在反應(yīng)中無法將它們及時蒸出。

近年來開發(fā)了多種高選擇性的氧化劑，其中以沙瑞特（Sarret)試劑和氯鉻酸吡啶（P.C.C)應(yīng)用較為廣泛。這兩種試劑可以把伯醇氧化控制在醛的階段，產(chǎn)率較高，且對分子中碳碳雙鍵無影響。

2.仲醇氧化成酮

仲醇在前述各種氧化劑作用下，生成酮。

酮比較穩(wěn)定，一般不再繼續(xù)被氧化，但當(dāng)使用氧化性很強(qiáng)的KMn04時，酮還可繼續(xù)被氧化成羧酸，例如：

由于這種氧化產(chǎn)物（己二酸）比較單一，故可以用于制備。但在多數(shù)情況下酮被氧化成羧酸時，得到的是混合氧化產(chǎn)物，無制備意義。

不飽和仲醇除用沙瑞特試劑外，也可用瓊斯（Jones)試劑，該試劑是把Cr03溶于稀H2S04,然后滴加到醇的丙酮溶液中，在15°C?20°C溫度下反應(yīng)，可得到高產(chǎn)率的酮，例如：3.叔醇不易被氧化

叔醇沒有α-H，所以很難被氧化，但在劇烈酸性氧化條件下，叔醇先脫水生成烯烴，然