基础有机化学-课件

2020/4/15第二章烷烃、烯烃和炔烃2020/4/15自本章开始涉及有机合成，其中反合成分析-即有机合成的设计十分重要，设计尽可能多的合成路线，在综合分析可行性、原料来源等因素后，选择优化的实验路线，有时几条路线都很有效，但有时也会出现几条路线需经过实验室实验才能进行比较。反合成分析可用下列示意图表示：1级前驱物2级前驱物目标分子起始物目标分子1级前驱物A1级前驱物B1级前驱物C2级前驱物a2级前驱物b2级前驱物c2级前驱物d2级前驱物e2级前驱物f2020/4/15§2.1烷烃的合成-theconceptofretrosyntheticanalysis1.烯烃和炔烃的催化氢化烯烃和炔烃在金属催化剂（如Ni,Pd,Pt）、溶剂(如C2H5OH)存在的条件下，和高压氢气发生顺式加成反应生成烷烃。通式可表示为：CCHHPt,Pd,orNisolventpressureCCHHCC2H2PtsolventpressureCCHH2020/4/15具体实例如：CH3CHCH2NiC2H5OH(298K,50atm)NiC2H5OH(298K,50atm)H2CH3CHCH2HHCH3CCH3CH2H2CH3CCH3CH2HHH2C2H5OH(298K,1atm)PdO2H2PdethylacetateO环壬炔-6-酮2020/4/15CH3CHCCHCH3CH3CHCCH3C-Na+NaNH2(-NH3)CH3Br(-NaBr)CH3CHCCCH3CH3excessH2Pt,pressureCH3CHCH2CH2CH3CH32020/4/152.卤代烃的还原多数卤代烃可与锌及酸性水溶液反应生成烷烃。通式为可用简式表示为其反应机理可能是：RXZnHXRHZnX2RXRHZn,HX(-ZnX2)ZnRX+-X....-X....-R-Zn2+RZn2+2H卤化烷基锌HX2020/4/15具体实例如2CH3CH2CHCH3BrHBrZn2CH3CH2CHCH3HZnBr22CH3CHCH2CH2CH3BrHBrZn2CH3CHCH2CH2HCH3ZnBr22020/4/153.Grignardreagents与活性质子反应（在制备Grignardreagents时需要避免）C2H5MgBr+C6H5CCHC2H6+C6H5CCMgBr2020/4/154.用烃基铜锂与卤代烃反应(Corey-Posner,Whitesides-House合成)任意卤代烃先后与锂、碘亚铜反应制备烃基铜锂，与卤代甲基、1°烃基、2°环烃基反应，制得耦合烷烃。RX+2Li乙醚RLi+LiX2RLi+CuIR2CuLi+LiIR2CuLiCH3X或R'CH2XRCH3或RCH2R'XXXRRR2020/4/15如(CH3)2CuLiCH3CH2CH2CH2CH2ICH3CH2CH2CH2CH2CH3己烷（98%）(CH3CH2CH2CH2)2CuLiCH3CH2CH2CH2CH2BrCH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3壬烷（98%）(CH3)2CuLi+I乙醚CH3+CH3Cu+LiI甲基环己烷（75%）(CH3)2CuLi+Br乙醚CH3+CH3Cu+LiBr3-甲基环己烯(75%)(CH3CH2CH2CH2)2CuLi+I乙醚CH3CH2CH2CH2丁基苯(75%)2020/4/155.烯烃硼氢化-质子化：(1)BH3:THF(2)CH3COOH,heatCH3CH2CH2C=CH2CH3CH3CH2CH2CHCH3CH32020/4/15§2.2烷烃的反应烷烃的反应活性较低，在光照或加热条件下，能与卤素发生卤代反应。氯代烷烃的氯代反应是按游离基历程（机理）进行的CH4+Cl2CH3Cl+HCl日光日光Cl2CH2Cl2+HClCCl42020/4/15光ClCl2ClCl+CH4CH3+HClCH3+ClClCH3Cl+ClCH3Cl+ClCH2Cl+HClClCl+Cl2CH3+CH3CH3CH3链引发链增长链终止Cl+CH4CH3+HCl过渡态ClHCH32020/4/15Cl+CH4ClHCH3H3CClClCH3+HClCH3Cl+Cl势能反应进程甲烷氯代生成氯甲烷的反应势能变化图Ea1Ea2Cl22020/4/15CH3CH2CH3Cl2light,25。CCH3CH2CH2Cl+CH3CHCH3Cl(45%)(55%)CH3CHCH3CH3Cl2light,25。CCH3CHCH2ClCH3CCH3CH3CH3Cl(63%)(37%)+2020/4/15CH3CCH3CH3＞＞＞CH3CHCH3CH3CH2CH3烷基自由基的稳定性:CH2CH3CHCHCH2CH2CH＞＞＞＞2020/4/15卤素的反应活性以F2Cl2Br2I2的顺序递减；烷烃上H的反应活性以3°2°1°的顺序递减。除非控制卤素的浓度和光照/加热，卤代反应很易生成多卤代物，卤代反应得到的是多种组分的混合物。2020/4/15§2.3烯烃的合成1.炔烃还原Na,NH3H3OB2H6H/Pt/BaSO4orH/Lindlar'sCatalystH3OCH3CH2CCCH2CH3H2/Ni2B(P-2cat.)(synaddition)CH3CH2CHCHCH2CH3(Z)-3-hexene(cis-3-hexene)(97%)CH3(CH2)2CC(CH2)2CH3(1)Li,C2H5NH2,-78oC(2)NH4ClCCH3(CH2)2HCH(CH2)2CH34-octyne(E)-4-octene(Pd/CaCO3)inquinolineNi(AcO)2NaBH4C2H5OHNi2BP-22020/4/152.2°和3°卤代烃在强碱性条件下、1°在位阻强碱条件下进行E2消除反应可制备烯烃，当碱性基团较小时更易生成双键上取代基多即热力学稳定的烯烃，此即为Zaitsev规则:CH3CCH3CH3OC2H5C2H5ONaC2H5OH,55℃(-NaBr)CH3CH3CH2CH3CCH3CH3Br(91%)(9%)+C2H5O-+CH3CH2CCH3CH3Br70℃C2H5OHCH3CHCCH3CH3(69%)CH3CH2CCH3CH2(31%)+2020/4/15但当碱性基团较大时易于生成取代基少的烯烃，此即为Hofmann规则：CH3BrCH375oC(CH3)3COHCH3CH=CCH3CH3+CH3CH2CCH2CH3CH3CCH3CH3O-+CH3CH2C(27.5%)(72.5%)2020/4/153.醇脱水制备烯烃CH3CH2OH浓H2SO4180oCCH2=CH2+H2OOH85%H3PO4165-170oC+H2OCH3CCH3CH3OH20%H2SO4CH2CCH3CH3+H2O2020/4/154.带电荷底物进行Hofmann消除反应CH3CH2CHCH3OH-N(CH3)3+150oCCH3CH2CH=CH2+CH3CH=CHCH3+(CH3)3N+H2O(95%)(5%)CH3CH2CHCH3-OC2H5S(CH3)2+CH3CH2CH=CH2+CH3CH=CHCH3+(CH3)2S+C2H5OH2020/4/155.叔胺氧化物的Cope消除反应HN+O-CH3CH3160oCCH2+(CH3)2NOH2020/4/156.通过叶立德（Ylide）的Wittig反应或Horner-Wadsworth-Emmons反应叶立德（Ylide）的Wittig反应：Horner-Wadsworth-Emmons反应实际是Wittig反应的改进：CHPOOEtOEt-Na++OHCCHH+EtOPOOEtO-Na+(84%)C6H5CHP(C6H5)3(CH3)2COC6H5CH=C(CH3)2+(C6H5)3P=O2020/4/157.1，2-二卤代烷脱卤素BrBrZn,CH3OH2020/4/15§2.4烯烃的反应π键的性质:烯烃的C=C由1个σ键和1个π键构成，后者由p轨道在侧面重叠形成，因重叠程度比σ键弱，键能较低；同时，π键电子云分布于σ键的上、下两侧，相对于σ键，可认为曝露于分子外部，受原子核的作用较小，易将其一对电子给与(H+、Lewis酸等)缺电子试剂---亲电试剂。因此C=C作为烯烃的官能团主要进行加成反应，即打开π键，与其它原子或基团形成2个σ键，最终形成饱和化合物。烯烃的加成：催化加成、亲电加成、自由基加成，卡宾反应，亲核加成2020/4/151、加成反应1)H2催化加成Ni、Pd、Pt顺式加成+H2PtH3CCH3CH3CH3HHH2CCHCH3+H2CH3CH2CH3Pt2020/4/152020/4/15一般情况下，烯烃和炔烃催化加氢所用催化剂（如Ni,Pd,Pt）与反应物及溶剂不混溶，所进行的反应是非均相反应。为了进行均相加氢反应，GeoffreyWilkinson研制了可溶性催化剂Rh[(C6H5)3P]3Cl进行催化加氢反应，由此Wilkinson与人分享1973年的Nobel化学奖：CH3CH2CH2CH2CH=CH2+H2Rh[(C6H5)3P]3ClCH3(CH2)4CH32020/4/15基于Wilkinson的工作，WilliamS.Knowles(MonsantoCorporation)和RyojiNoyori(野依良治)(NagoyaUniversity名古屋大学)采用手性的均相催化剂进行非对称均相氢化，获得高旋光纯的手性分子，因此而与提出非对称氧化的K.B.Sharpless一起获得2001年的Nobel化学奖。2020/4/15Knowles与其在MonsantoCorporation的同事用非对称均相氢化的方法合成了一种用于治疗Pakinson的化合物—L-DOPA:H3COAcONHAcCOOH[(Rh(R,R)-DIPAMP)COD]+BF4-(cat.)H2H3COAcOCOOHNHAcHH3O+HOHOCOOHNH2H(100%yield,95%ee)L-DOPA2020/4/15其中：OCH3PPH3CO(R,R)-DIPAMP(chiralligandforrhodium)COD=1,5-cyclooctadiene2020/4/15Noyori则用手性Ru的络合物合成了抗感染药物Naproxen:H3COCH2COOHH3COCOOHCH3H+H2(S)-BINAP-Ru(OCOCH3)2(0.5%mol)MeOH(S)-naproxen2020/4/15络合剂BINAP为手性分子，其(S)异构体可用于上述药物(S)-naproxen的合成：P(Ph)2P(Ph)2(Ph)2P(Ph)2P(S)-BINAP(R)-BINAPbotharechiralatropisomers2020/4/15上述烯烃的非对称氢化反应，采用铑(rhodium,Rh)、钌(ruthenium,Ru)的络合物（手性配体）作为催化剂，烯烃的C=C键都是与某一极性基团相连，后者可与金属中心进行配位结合。2006年2月Bell等人(SharonBell,BettinaWüstenberg,StefanKaiser,FrederikMenges,ThomasNetscher,AndreasPfaltz.Asymmetrichydrogenationofunfunctionalized,purelyalkyl-substitutedolefins.Science,2006(3Feb),311:642-644.)报道,采用铱(iridium,Ir)的络合物，可以实现非官能化、烃基取代烯烃的非对称氢化反应：2020/4/15MeOMeO(E)-7(Z)-79[IrL*(cod)]BArF1mol%50barH2CH2Cl223oC99%conv.L*ee1193%1287%1383%1487%1563%L*