文档介绍：醛(酮)与羧酸衍生物都含有羰基,故都表现出亲电性质,易被亲核试剂进攻,因此亲核加成反应是它们共同的主要反应,其反应通式可分别表示为:
醛(酮)与羧酸衍生物的亲核加成反应有两点区别。
1)由于羧酸衍生物中离去基L上的未共用电子对参与羰基的共轭,削弱了其羰基的活性,故醛(酮)中羰基的活性(尤其是醛)比羧酸衍生物的大,所以一般的讲,羧酸衍生物是较弱的亲电试剂,通常只能和亲核性强的亲核试剂(如R-、RO-、HO-等)发生反应。
2)尽管醛(酮)与羧酸衍生物在亲核加成的第一步都是生成四面体中间体,然而在反应的第二步,醛(酮)通常是加上一正离子(一般是H+),生成加成产物;羧酸衍生物则是脱去离去基L,重新恢复羰基,得到加成-消去产物。这是由于醛(酮)中H-(R-)的碱性太强,离去倾向很小,不大可能作为离去基离去。
羰基的亲核加成既可被碱催化,也可被酸催化。若加入碱,则生成了亲核性更强的:Nu-;若加入酸,则羰基氧质子化,大大提高羰基碳原子的亲电性。
醛(酮)中羰基的亲核加成反应
影响羰基活性的主要因素
(1)取代基诱导效应与共轭效应的影响
羰基上连有吸电子基团,增加活性;羰基上连有给电子基团,降低活性。
连有芳基的醛(酮)比连有烷基的醛(酮)活性小。因为芳基与羰基具有共轭效应,稳定了醛(酮),而亲核加成则破坏了两者间的共轭体系。
(2)空间效应的影响
羰基所连接的基团空间位阻或空间张力愈大,则羰基的反应活性愈小。一是由于大的位阻会阻碍亲核试剂的进攻;二是醛(酮)羰基碳原子为SP2杂化,键角为120°,而加成产物中原羰基碳原子变成了SP3杂化,键角为109°28′,基团体积大,加成后必然张力增加也大,使亲核加成难以进行。
(3)溶剂的影响
羰基加成的立体化学
(1)α碳为手性碳的醛(酮)羰基加成的立体化学
Cram规则与Cornforth规则:反应中亲核试剂总是优先从空间位阻较小的方向进攻羰基,对应于这种加成的反应物优势构象所导致的产物为主要产物。
Cram规则一:如果醛(酮)的羰基与手性碳原子直接相连,手性碳原子上所连接的另外三个基团分别以L、M、S表示,假定作用物起反应时的构象是羰基处在M、S之间,Nu-优先从位阻小的S一边进攻羰基,这样生成的产物为主要产物。
Cram规则二:当醛(酮)的手性碳原子上连有一个羟基或氨基等可以和羰基氧原子形成氢键的基团,Nu-将从含氢键的环空间阻碍较小的一边进攻羰基,这样的加成产物为主要产物。
假定R2<R3
Cornforth规则:当酮的手性碳原子上连有卤原子时,羰基加成则遵守此规则。由于卤原子和羰基氧原子的电负性很大,都带有部分负电荷,它们之间相互排斥的结果形成了“类反型的”构象,此时卤原子与羰基处于对位交叉位置,反应时试剂从空间阻碍较小的一边进攻。
(2)非对称环酮羰基加成的立体化学
取代环己酮的还原反应
叔丁基环己酮分子中,根据构象分析可知,体积大的4-叔丁基只能以e键与环相连,环也不能翻转,3,5位上的氢原子对亲核试剂的接近有一定的阻碍作用,造成羰基的内侧比外侧拥挤,体积大的试剂更容易从外侧进攻,生成羟基处于a键的醇。
93% 7%
当用体积小的试剂如硼氢化钠、氢化铝锂还原4-叔丁基环己酮时,主要产物则为羟基处于e键的反式醇。
这是由于生成的反式醇与顺式醇经过下面两种过渡态:
a b
在过渡态a中,试剂处于内侧,羰基处于偏水平的方向,环系比较平展,扭转张力未增加,且由于试剂体积小,尽管处于内侧增大了拥挤程度,但由于试剂的体积小,立体张力增加很小;而在b中,显然试剂在外侧拥挤程度小,立体张力未变,但羰基此时处于偏垂直方向,使环变的比较曲折,扭转张力增加较大。因此过渡态a比b能量低,a更容易生成,故试剂倾向于从内侧进攻,得到反-4-叔丁基环己醇为主产物。
对于较复杂的稠环酮类,当羰基一边的位阻很大时,亲核试剂都倾向于从位阻小的一边进攻。如樟脑分子中碳桥一边的位阻很大,试剂不管是体积大的还是体积小的,都更容易从位阻小的桥对面的一边进攻。
还原剂异冰片(外型) 冰片(内型)
三仲丁基硼氢化锂 % %
硼氢化钠 86% 14%
而对于碳桥一边位阻较小的降樟脑,情况则不同。体积大的还原剂主要从位阻较小的外侧进攻,得到外型降冰片,若采用体积小的还原剂,则得到内型降冰片。
降樟脑外型降冰片内型降冰片
结论:对于取代环己酮的还原,当空间位阻突出时,反应按反应物的优势构象,试剂主要从空间位阻较小的一侧对羰基进行加氢,得到的产物主要是两个可能的差向异构醇中较不稳定的一个。当试剂的体积小,空间位阻不突出时,试剂则倾向于从空间位阻较大的一侧发生反应,得到的产物主要是较稳定的差向异构醇。
(3)羟醛缩合反应的立体化学
一般的混合羟醛缩合,常产生两种立体选择性