亲核加成反应

1.重要的亲核加成反应(1）加氰化氰醛、脂肪族甲基酮和含8个碳以下的脂环酮都可以加氰化氢，生成氰醇（α-羟基腈）。CO+COHCHNCNα-羟基腈实验证明碱对这个反应的影响颇大。例如，丙酮和氰化氢作用，不加任何催化剂,3至4小时内只有50%的丙酮起反应;当加入一滴氢氧化钠溶液，反应在两分钟内完成。若加入酸，反应速度减慢；加入较多的酸，放置几个星期也不反应；因为氢氰酸是弱酸,酸或碱的存在将直接影响它的电离平衡。+H+--COHHHNCN+加入碱，平衡向右移动，CN-的浓度增加；加入酸，平衡向左移动，CN-的浓度降低。这些事实说明在丙酮与氰化氢的反应中起决定作用的是CN-本身的性质和浓度。醛、酮加氰化氢的反应是可逆的，亲核试剂是CN-，其历程可以表示如下：反应分两步进行，第一步是CN-进攻羰基碳，生成氧负离子中间体。这是个慢步骤，也是决定速度的步骤。第二步是氧负离子中间体和质子结合，形成氰醇，这是个快步骤。醛、酮和氰化氢直接加成反应的产率较好，但是氰化氧有剧毒，且挥发性大(沸点26.5℃)。使用起来不安全。为了避免反应中直接使用氰化氢，一般采用醛或酮与氰化钾(钠)的水溶液混合，然后加入无机酸，使氰化氢一旦生成立即和醛或酮作用。.但在加酸时应控制溶液的pH值，使之始终偏于碱性(pH≌8)，以利于反应的进行。醛、酮加氰化氢在有机合成中很有实用价值。它是增长碳链的一种方法;此外加成物含有双官能团，是一类较活泼的化合物，可进一步转化为多种其它化合物。例如：CH3CH3CH2CH3CH3CH3CH3CH3(CH3)2CCH2NH2CH3HH2SO4CH3OHCOHOHO+CHCOOOHNCNCOCCHOCH3+O浓，Δα-甲基丙烯酸甲酯（90%）α-甲基丙烯酸甲酯是合成有机玻璃——聚α-甲基丙烯酸甲酯的单体。CRRR`δδ+OH()O+--慢快CHCHNCN+R`)H(-CROCNR`)H((2)加亚硫酸氢钠大多数醛、脂肪族甲基酮和8个碳以下的脂环酮与亚硫酸氢钠饱和溶液（40%）加成，生成白色的α-羟基磺酸钠晶体。CHRHOCH3()O+CCH3R)H(NaHSO3SO3Naα-羟基磺酸钠α-羟基磺酸钠易溶于水，不溶于醚或饱和亚硫酸氢钠溶液，所以常用该反应定性地鉴别某些醛、酮，因为反应是可逆的，若向羟基磺酸钠溶液中加入酸或碱，共热后又可以得到原来的醛、酮。CHRHOCH3()O+CCH3R)H(NaHSO3SO3NaHClNaCO3NaClSO2H2ONa2SO3CO2H2O++++所以，利用该反应还可以分离或提纯某些醛、酮。醛、酮加亚硫酸氢钠与加氰化氢的反应历程类似，亲核试剂是亚硫酸氢根离子中带有孤电子对的硫，其历程可以表示如下：ONa+RCOCH3()H+∶SONaOHO--RCSO3HCH3(H)RCOCH3(HSO3H)RCOCH3(HSO3H)这种加成反应是可逆的，最初形成的中间体分子内含一个强酸性基团(—SO3H)和一个强碱基团（CO-），分子内的酸碱反应生成α-羟基磺酸钠。大多数醛都可以发生这种反应，但对酮的结构要求比较严格。因为亚硫酸氢根的体积比较大，羰基碳上所连烃基体积太大时，加成反应将受到空间阻碍，所以，除甲基酮和低分子量的脂环酮外，其他的酮较难和亚硫酸氢钠发生加成反应。α-羟基磺酸钠和等当量的氰化钠作用，磺酸基可以被氰基取代，生成α-羟基腈，这是制备α-羟基腈的好方法。它的优点是避免使用剧毒的氰化氢，而且产率也较高。例如：CCH3HONaHSO3NaCNCCH3HOHCN\4与氨的衍生物加成缩合醛、酮也能和氨的衍生物，如羟氨、肼、苯肼、2,4-二硝基苯肼以及氨基脲等反应，分别生成肟、腙、苯腙、2,4-二硝基苯腙以及缩氨脲等。其反应可用通式表示如下：NO2NO2H+HCH2OH+++HOOCOHHCC+H2N-Y．．CNYH2-OHCNYH+Y-HOHCNYH2H+OOHCC+NHNYH+-CNYYH2NYNH2NH2HNHNN羟氢肼苯2，4-二硝基基脲缩肟腙苯肼肼氨腙腙苯2，4-二硝基苯脲氨CYNO+反应分两步完成，首先氮原子上的孤电子对作为亲核试剂与羰基进行亲核加成，生成加成中间产物。而后，加成产物失去一分子水，形成含有CN结构的化合物。在这些反应中所用的氨的衍生物又叫羰基化试剂，它们的亲核能力比CN-弱，反应常常需要酸催化。酸的作用是使羰基质子化，增加了羰基碳的亲电能力，使其有利于亲核试剂的攻击。+OOH+C+HC但是，反应不能用强酸催化，因为在强酸性介质中氨的衍生物也要质子化，生成铵离子。++HYNH2YNH3+铵离子因缺乏未共用电子对而丧失了亲核能力，因此，常常需要把反应介质调节到一个适当的pH值，即在这个pH值时，既能保证羰基达到足够的质子化，又能保证游离碱(未质子化的氨衍生物)的足够浓度。许多醛、酮与氨的衍生物的加成缩合产物，如肟、腙、苯腙、缩氨脲等，都是很好的结晶，收率高，易于提纯，具有固定的熔点，由熔点的测定可以与已知物的熔点核对比较，推断它们是由何种醛或酮所生成，用来鉴定醛和酮。肟、腙、苯腙、缩氨脲与稀酸共热可水解生成原来的醛和酮，因此这一反应也常用来从混合物中分离和精制醛或酮。通常分子量高的醛和酮采用生成肟的方法；一般醛和酮采用生成苯腙的方法；低分子水溶性的醛和酮采用生成2,4一二硝基苯腙的方法。这主要是根据它们的溶解度和熔点来抉择。醛、酮与氨的反应一般比较困难，只有甲醛容易，但生成的亚胺类似物(H2C==NH)不稳定，能很快聚合生成六亚甲基四胺，俗称乌洛托品，可被用作有机合成中的氨化试剂，也可用作酚醛树脂的固化剂及消毒剂等。O+H2HOHHNNCNNH3CNH2CNNNN3NH3聚合六亚甲基四胺伯胺和醛、酮反应，生成的取代亚胺叫薛夫(Schiff)碱。+ROR+H2OH2NCNC食品和发酵制品在加工贮存过程中发生的非酶褐变，它的初始阶段就是醛糖或酮糖的羰基和氨基酸中的氨基反应，生成薛夫碱。脂肪族取代亚胺一般不太稳定，而芳香族取代亚胺则是比较稳定的化合物，可以分离出来，例如：++H2OH2HOHCNCN苯亚甲基苯胺（84-87%）取代亚胺是有用的合成反应中间体，经过催化氢化可以还原为仲胺。RRHCHNH2CN（）Ar,Pt）Ar（取代亚胺仲胺仲胺和醛、酮反应，加成物采取另一种脱水方式，即脱去β一碳原子上的氢，生成烯胺(enamines)。R'R`OH+CHCONHCNCR2HCCR2NR2XNCCR2+H2O烯胺烯胺的结构和烯醇很相似，两者在性质上也有类似之处。可以在烯胺双键碳上引入各种基团。3羰基加成反应的立体化学羰基官能团中与碳直接相连的两个原子在一个平面内，如甲醛所在的平面就是分子的对称面，面内还有一个C2对称轴。通过C2对称轴操作可以使上下两面互换位置，这种面称为全同面（homotopicface）。用氘代锂铝（LiAlD4）还原甲醛，无论负氘从羰基平面的上边还是下边进攻，得到的是相同的化合物。DDH-+OHCHOHCDHOHCD-乙醛分子中的碳基平面也是分子的对称面，但对称面内没有C2对称轴，上下两面不能互换。这种面称为对映面(enantiotopicface)。H+OCDDHOCDHOCDH3CresiLiAlD4H3CH3CR-S-从上面看下去，根据次序规则，原子(团)从大到小是顺时针的，称其构型为re-型。而从下面望上去，根据次序规则，原子(团)从大到小是逆时针的，这种构型称为si-型。氘代锂铝还原乙醛时，负氘从re-面进攻时得到的产物构型是R，从si-面进攻得到的产物构型是S(要注意从re-面进攻或从si-面进攻和产物的R-或S-构型无直接必然的联系，仍需根据手性碳原子上的原子排布来定)。试剂进攻羰基平面时并无选择，机会相等，因此得到等量的R-和S-构型的产物的混合物，即外消旋体。HOOCH3CH2CH3HCHCHH3CCH3CH3CH2HOOCH3CH2HCHCHH3CCH3CH2R-(-)-2-丁醇R-(+)-2-丁醇有对映面的羰基化合物在非手性环境中加成反应得到的是外消旋体，与手性试剂发生加成反应则得到两个含量并不等同的非对映异构体，如：+OOHCH3CR*MgXHCH3CMgXOHCH3CMgXR*S-R-S-R-∶≠：11R*这是由于手性试剂从re-面和si-面进攻时形成的两种过渡态之间并不是对映的关系，所需活化能不一样，因此会有所选择。这种选择又称为对映选择。对映选择的两个反应速度不一样，所得产物的数量也不一样。12.2.2α—氢的反应醛、酮分子中的α—氢原子由于极性羰基的影响而活泼。CH2H(R)OCHCHHHCHCHH这主要是由两种不同的电子效应所引起的。一种是羰基的吸电子诱导效应，使α—碳原子上的电子云密度降低；另一种是α—碳氢键与羰基的π键存在σ—π超共扼效应。二者都有利于α—氢原子的离解，和碳碳双键相比，羰基的极性更大，导致的超共扼效应更强，α—氢原子有更大的离解倾向。同时，醛、酮失去质子后形成的负碳离子，由于电子的离域作用，使负电荷更加分散，从而增加了负碳离子的稳定性。CC-+OH-HCCCCOO-所以醛、酮的α—氢原子具有一定的酸性。例如，乙烷、丙酮和乙醛的碳氢键的pKa分别为50、20和17。12.2.3氧化与还原反应1.氧化反应醛和酮在结构上的差异主要表现在醛有一个氢原子连在羰基碳上，而酮羰基则没有，因此在氧化时它们表现出明显的差别。醛很容易被氧化成羧酸，酮则不易被氧化。例如，较温和的氧化剂托伦试剂（硝酸银的氨溶液）或费林试剂（硫酸铜溶液和酒石酸钾钠的碱性溶液）都可以使醛氧化。托伦试剂起氧化作用的是银氨络离子中的银离子。醛和托伦试剂作用，醛被氧化羧酸，银离子被还原成金属银。RCHOAg(NH3)2OH+2RCOONH4AgH2O3NH3+++2若反应器皿很洁净，析出的细微银粒可以附在光滑的器壁上，形成漂亮的银镜，所以这种反应又叫银镜反应。费林试剂起氧化作用的是二价铜离子，醛和费林试剂作用，醛被氧化成羧酸，二价铜离子被还原成砖红色的氧化亚铜沉淀。RCHO+2RCOONaH2O+++Cu(OH)2NaOHCu2O3甲醛还原能力较强，氧化亚铜可继续被甲醛还原，生成“铜镜”。费林试剂的氧化作用比托伦试剂更弱，它不能氧化芳香醛(Ar一CHO)。托伦试剂和费林试剂常用于鉴别醛、酮。费林试剂还常用于糖的定量测定。托伦试剂和费林试剂不与CC和—C≡C—反应，因此可由不饱和醛合成相应的不饱和酸，例如：RCH=CHCHOAg(NH3)2OHRCH=CHCOOH反应物可以通过羟醛缩合制备。酮不能被弱氧化剂氧化。若用强氧化剂，如高锰酸钾、浓硝酸等，酮也可以被氧化，通常在α碳与羰基之间发生碳链断裂，生成较小分子的羧酸混合物，合成上没什么意义。然而对称环状酮如环己酮氧化只生成一种羧酸。+OHNO3V2O5COOH(CH2)4COOH己二酸这是工业上制备己二酸的方法。己二酸是合成纤维尼龙-66的单体之一。