有机化学之二羰基化合物

第一节 -二羰基化合物第二节 有机合成第十六章 -二羰基化合物和有机合成(一)酮-烯醇互变异构(二)乙酰乙酸乙酯的合成及应用(三)丙二酸二乙酯的合成及应用(四)其它含活泼亚甲基的化合物(五)Michael加成 第一节 -二羰基化合物第十六章 -二羰基化合物和有机合成 第一节第一节 -二羰基化合物二羰基化合物CH3C-CH2-CCH3OOOOC2H5OC-CH2-C-OC2H5OOCH3C-CH2-C-OC2H5有酸性有酸性有酸性乙酰丙酮乙酰乙酸乙酯丙二酸二乙酯2,4-戊二酮丁酮酸乙酯 两个羰基被一个亚甲基相间隔的二羰基化合物叫做-二羰基化合物。例如：二羰基化合物的二羰基化合物的H受两个羰基的影响，具有特殊受两个羰基的影响，具有特殊的活泼性！的活泼性！(一)酮-烯醇互变异构 乙酰乙酸乙酯既有羰基的性质，又有羟基和双键的性质，表明它是由酮式和烯醇式两种互变异构体组成的：CH3-C-CH2COOC2H5OCH3-C=CHCOOC2H5OH酮式(92.5%)烯醇式(7.5%)能与羟胺、苯肼反应，生成肟、苯腙等；能与NaHSO3、HCN等发生加成反应；经水解、酸化后，可以脱羧生成丙酮。能被还原为-羟基酸酯；能与钠作用放出氢气；能与乙酰氯作用生成酯；能使Br2/CCl4褪色；能与FeCl3作用呈现紫红色。为什么乙酰乙酸乙酯是由酮式和烯醇式两种互变异构体组成的？其烯醇式结构有一定的稳定性：COHOCCHCH3OC2H5六元环CH3-C CH-C-OC2H5OHO共轭体系下列数据说明了结构对烯醇式含量的影响：注意下列表达方式的不同含义：CH3-C=CH-C-OC2H5OHOCH3-C-CH2-C-OC2H5OO互变异构CH3-C=CH-C-OC2H5O-CH3-C-CH-C-OC2H5OOO-不同的共振结构式(二)乙酰乙酸乙酯的合成及应用(1)乙酰乙酸乙酯的合成-Claisen酯缩合反应(2)乙酰乙酸乙酯的性质(甲)成酮分解(乙)成酸分解 (3)乙酰乙酸乙酯在合成上的应用(甲)制甲基酮(乙)制二元酮(二)乙酰乙酸乙酯的合成及应用(1)乙酰乙酸乙酯的合成乙酰乙酸乙酯的合成Claisen酯缩合反应酯缩合反应 CH2COOC2H5HNaOC2H5O-CH2=C-OC2H5-CH2-C-OC2H5O乙酸乙酯CH3-C-CH2C-OC2H5-C2H5O-C2H5O-消除CH3C=CH-COC2H5OONa+C2H5OHCH3COOH乙酰乙酸乙酯钠盐PKa=11有酸性，OOCH3-C-CH2COOC2H5O-CH2COOC2H5CH3-C-CH2COOC2H5O-OC2H5亲核加成CH3-C-O-C2H5O+讨论：Claison酯缩合反应的本质是利用羰基使H的酸性大增，在强碱(碱性大于OH)作用下，发生亲核加成-消除反应，最终得到-二羰基化合物。酮的酸性一般大于酯，所以在乙醇钠的作用下，酮更易生成碳负离子。例如：2CH3COOC2H5NaOC2H5CH3COOHCH3CCH2COC2H5OO总反应：CH3-C-CH3OC2H5ONaOCH3-C-CH2-CH3-C=CH2O-+CH3-C-OC2H5OOCH2-C-CH3-CH3-C-CH2-C-CH3OO-OCH2CH3CH3-C-CH2-C-CH3OOONaHO-C-HO+C2H5OHO-CH OC2H5O-+H-C-OC2H5O 交错的酯缩合反应：例1：H-C-OEtO+CH3CH2COOEt(1)NaOEt(2)H+OH-C-CHCOOEtCH3甲酸酯，无-H(1)NaOEt(2)H+CH3CH2COOEtEtO-C-C-OEtOOCH3CHCOOEtCOOEtC=O-COCH3CH(COOEt)2草酸酯，无-H例2：分子内的酯缩合反应被称为Dieckmann反应：COOEtO-COOEtOH+80%苯，80 C。EtONaCH2CH2COOEtCH2CH2COOEt(2)乙酰乙酸乙酯的性质乙酰乙酸乙酯的性质(甲甲)成酮分解成酮分解 CH3C-CH2-COC2H5OO5%NaOHCH3C-CH2-C-OHOOH+CH3C-CH2-C-ONaOOCH3C-CH2-HO-CO2微热OCCH2COHOH3COCCH2COHH3COH3CCCH2OHOCO+CH3COCH3六元环状过渡态乙酰乙酸脱羧历程：(乙乙)成酸分解成酸分解 CH3C-CH2-COC2H5OO40%NaOHNaO HCH3C-ONaO+C2H5OH2CH3C-O-O2CH3C-O-OOH-+C2H5OH+CH3C-OC2H5O+-OHCH3-C-CH2-C-OC2H5OOO-OHCH3-C CH2-C-OC2H5OOHCH3-C CH2-C-OC2H5O O+-反应历程：(3)乙酰乙酸乙酯在合成上的应用乙酰乙酸乙酯在合成上的应用(甲甲)制甲基酮制甲基酮 制一烃基取代的甲基酮：CH3C-CH2-COC2H5OO活泼氢NaOC2H5RXCH3C-CH-COC2H5OO-Na+RCH3C-CH-COC2H5OO一烃基乙酰乙酸乙酯CH3C-CH2-RO5%NaOH成酮分解40%NaOH成酸分解+CO2+C2H5OH+CH3COONa+C2H5OHR-CH2COONa 副产物（酮式）多，产率低，不常用副产物少，产率高，常用 RCH3C-CH-C-O-C2H5OO成酮成酸成酸制二烃基取代的甲基酮：NaOC2H5RCH3C-CH-COC2H5OORCH3C-C-COC2H5OO-Na+RXOOCH3C-C-COC2H5RR二烃基乙酰乙酸乙酯5%NaOH成酮分解40%NaOH成酸分解RCH3C-C-C-O-C2H5OOR+CH3COONa+C2H5OHR-CHCOONa R成酮成酸成酸+CO2+C2H5OHCH3C-CH-RO R制环状的甲基酮：CH3-C-CH-C-OC2H5OO-Na+CH3-C-CH-C-OC2H5OOBr(CH2)4BrCH2(CH2)3BrNaOC2H5COCH3COOC2H5C-CH3O成酮分解（乙）制二酮（乙）制二酮 制-二酮(1,3-二酮)：R-C-ClOor(RCO)2O成酮分解-Na+CH3CCHCOC2H5OOCH3CCHCOC2H5OOC=OR二酮CH3CCH2C-ROO制1,4-二酮：CH3-C-CH2-C-OC2H5OO2NaOC2H5CH3-C-CH-C-OC2H5OOCH3-C-CH-C-OC2H5OO-2NaII25%NaOHH+CH3-C-CH2-CH2-C-CH3OO制1,6-二酮：CH3-C-CH2-C-OC2H5OOCH3-C-CH2-CH2CH2-CH2-C-CH3OO例：由5%NaOHH+CH2CH2CH3-C-CH-C-OC2H5OOCH3-C-CH-C-OC2H5OOCH3-C-CH2-C-OC2H5OO2NaOC2H5CH2-CH2BrBrCH3-C-CH2-CH2CH2-CH2-C-CH3OO(三)丙二酸二乙酯的合成及应用(1)丙二酸二乙酯的制法(2)丙二酸二乙酯在有机合成上的应用(甲)制烃基取代乙酸(乙)制二元羧酸(三)丙二酸二乙酯的合成及应用(1)丙二酸二乙酯的制法丙二酸二乙酯的制法 CH2COONaClCH2COONaCNNaCNC2H5OH,H2SO4CH2C-OC2H5C-OC2H5OO氯乙酸钠丙二酸二乙酯水解、酯化同时进行(丙二)(2)丙二酸二乙酯在有机合成上的应用丙二酸二乙酯在有机合成上的应用(甲甲)制烃基取代乙酸制烃基取代乙酸 CH2C-OC2H5C-OC2H5OOCHC-OC2H5C-OC2H5OONa+-NaOC2H5RXR-CHC-OC2H5C-OC2H5OOR-CHC-OHC-OHOOH2O/H+R-CH-COOHH150-200 C。-CO2一烃基取代乙酸二烃基取代乙酸R-CHC-OC2H5C-OC2H5OORXNaOC2H5RRCC-OC2H5OC-OC2H5OH2O/H+RRCC-OHOC-OHO-CO2RRCH-C-OHO思考题：用丙二酸二乙酯制备 。提示：用1,2-二溴乙烷与丙二酸二乙酯负离子反应（1 1）。COOH(乙乙)制二元羧酸制二元羧酸 2CH2(COOC2H5)22CH(COOC2H5)2-Na+NaOC2H5CH2-CH2BrBrCH(COOC2H5)2CH(COOC2H5)2CH2-CH2-CH(COOH)2CH(COOH)2CH2-CH2-2CO2H2O/H+CH2COOHCH2COOHCH2-CH2-2CH2(COOC2H5)22CH(COOC2H5)2-Na+NaOC2H5H2O/H+CH(COOC2H5)2CH(COOC2H5)2CH2COOHCH2COOHCH(COOH)2CH(COOH)2-2CO2I2-2NaI(四)其它含活泼亚甲基的化合物 下列化合物都属于含有活泼氢的化合物：它们都可与碱作用可生成具有亲核性的碳负离子碳负离子，与：RX C=OC=CCO、发生亲核反应，形成新的碳碳健，这在有机合成中非常重要。CH3C-CH H2-CCH3OO有酸性乙酰丙酮2,4-戊二酮RCH H2-NOO-+硝基化合物氰基乙酸乙酯CNCH2C OC2H5O例如：NCCH2COOC2H5+BrCH2CH2BrCOOC2H5CNNaOH,H2OC6H5CH2N(C2H5)3Cl-,86%+若采用相转移催化法，反应可在强碱的水溶液中进行：活泼氢!碱68%C2H5I，120 C，6h。NCCHCOOC2H5C2H5氰基乙酸乙酯CNCH2C OC2H5OKnoenenagel反应反应：醛、酮在弱碱(胺、吡啶等)催化下，与具有活泼-氢的化合物进行的缩合反应。例如：CH3CH3CH2C=O+N CCH2COOC2H5乙酸胺-乙酸，苯85%CH3CH3CH2C=C-COOC2H5CNArCHO+ArCH=C(COOC2H5)2不饱和酸CH2(COOC2H5)2(1)H2O/H+(2)ArCH=CHCOOHEt3NCHO(CH3)2N+CH3NO2C5H11NH2CH=CHNO2(CH3)2N83%(五)Michael加成 Michael加成碳负离子与,-不饱和羰基化合物进行共轭加成，生成1,5-二羰基化合物的反应。例如：CH3-C-CH2-C-OC2H5OOCH3-C-CH-C-OC2H5OO-Na+NaOC2H5C CCO1,4-加成烯醇式HOC2H5C CCO-OC2H5CH3C-CHO C=OOC2H5CH3C-CHO C=OOHC CC烯醇式重排酮式1,5-二羰基化合物(1,2-加成产物)OC2H5CH3C-CHO C=OCH3C-CH2-O5%NaOHH+C-CHCOC-CHCO其它碱和其它,-不饱和化合物也可进行Michael加成。例如：CH3COCH2COCH3+CH3COCHCOCH3CH2CH2CN(C2H5)3N，叔丁醇25 C，71%。CH2=CHCN+CH3COCH2COOC2H5C2H5ONaCH3COCHCOOC2H5H-C=CH-COOC2H5HCCCOC2H5OMichael加成是制取加成是制取1,5二羰基化合物的最好方法二羰基化合物的最好方法!CH3CCH2COOC2H5OCH3CCH2CH2CH2CCH3OO例1：由54321CH3CCH2COOC2H5OCH3CCH2CH2CH2CCH3OOCH2=CH-C-CH3ONaOC2H5+CH3CCH-CH2CH2CCH3OOCOOC2H55%NaOHH+HOC2H5CH3CCH-CH2-CH=CCH3OCOOC2H5ONa解：例2：由 CH2(COOC2H5)212345OCH2-COOHCH2(COOC2H5)2NaOC2H5CH3COOHO-CH(COOC2H5)2+OOCH(COOC2H5)2OCH2COOHOCH(COOH)2H2O/H+-CO2思考题思考题：由乙酸乙酯、丙烯腈制备5-己酮酸 答案 解：Robinson并环反应：并环反应：即Michael加成与羟醛缩合联用，合成环状化合物。例：用C4或C4以下有机物制备 O答案 OOOOOOOOH-H2OOOO+NaOEtMichael加成NaOH羟醛缩合第二节 有机合成(一)有机合成的任务和意义(二)设计有机合成路线的基本原则(三)有机合成路线的设计(四)工业合成 第二节 有机合成(一)有机合成的任务和意义 有机合成的任务就是利用已有的原料，制备新的、更复杂、更有价值的有机化合物。合成一个有机化合物常常可以有多种路线。例如，丙酮的制法有多种：丙烯氧化：CH3CH=CH2+O2PdCl2-CuCl221CH3-C-CH3O 异丙醇氧化：CH3CH=CH2CH3-C-CH3OCH3CHCH3OHH2OH3PO4CrO3H2SO4CH(CH3)2+O2C-O-O-HCH3CH3OHCH3-C-CH3O+H+CH2C CH+H2OHgSO4稀H2SO4CH3-C-CH3O 异丙苯氧化法：丙炔水合：乙醛与格氏试剂反应：乙腈与格氏试剂反应：3-丁酮酸脱羧：CH3CHO+CH3MgICH3-C-CH3OCH3CHCH3OHCrO3H2SO4(1)无水乙醚(2)H+，H2OCH3CN+CH3MgICH3CHCH3无水乙醚NMgI H+，H2OCH3-C-CH3O2CH3COOC2H5CH3CCH2COOC2H5CH3COCH3(1)C2H5ONa(2)CH3COOHH+,H2OO 以上的例子说明，有机合成并非只有唯一的答案有机合成并非只有唯一的答案。即使对于一个较简单的合成，也往往可从逆推法导出许多不同的中间体，组成许多不同的合成程序，结果得到一个所谓的“合成树”：目标分子中间产物可供选择的原料分子中间产物 对于复杂的合成来说，合成树将变得非常巨大，以致于有人采用计算机为工具从漫无边际的合成树中找出一条合理的合成路线，并已逐渐发展成一门专门的学科。但目前，在很多情况下，实验化学家通过逻辑分析加上直觉所设计的合成通过逻辑分析加上直觉所设计的合成路线常常比计算机解得的更切实可行路线常常比计算机解得的更切实可行。但要运用逻辑和凭直觉，就必须通晓大多数有机反应并熟悉其反应机理。(二)设计有机合成路线的基本原则 通常有机合成路线设计所考虑的一般原则主要有三点：途径简捷；原料易得；总产率高。例例：由C4或C4以下有机物合成二丙基乙酸。解：使用逆推法可导出下列几个中间产物：(CH3CH2CH2)2CHCOOH丙二酸酯合成法伯醇氧化格氏反应(CH3CH2CH2)2CHOH(CH3CH2CH2)2C=CH2(CH3CH2CH2)2C(COOC2H5)2CO2+(CH3CH2CH2)2CHMgCl(CH3CH2CH2)2CHCH2OHCH2(COOC2H5)2(I)(II)(III)(CH3CH2CH2)2C=O仲醇，由格氏反应得其具体合成方法分别表示如下：(CH3CH2CH2)2C(COOC2H5)2CH2(COOC2H5)2(1)C2H5ONa(2)CH3CH2CH2Br(1)C2H5ONa(2)CH3CH2CH2Br(1)OH-(2)H+-CO2(CH3CH2CH2)2CHCOOH(CH3CH2CH2)2CHOH(CH3CH2CH2)2CHMgClCH3CH2CH2CHO(1)CH3CH2CH2MgX(2)H2O,H+(1)PBr3(2)Mg,纯醚(1)CO2(2)H2O,H+(CH3CH2CH2)2CHCOOH其中，方法(I)较为合理，而其它方法反应步骤较长。(I)(II)(III)(CH3CH2CH2)2CHCOOH(CH3CH2CH2)2CHCH2OH(CH3CH2CH2)2CHOHCH3CH2CH2CHO氧化(CH3CH2CH2)2C=O(CH3CH2CH2)2C=CH2氧化(1)(BH3)2(2)H2O2,OH-(1)CH3CH2CH2MgX(2)H2O,H+CH2=P(C6H5)3(三)有机合成路线的设计(1)碳架的建立(2)官能团的转化(3)官能团的保护(4)立体构型的控制(三)有机合成路线的设计 对目标化合物的分子结构设计主要包括三个方面：碳架的建立；官能团的转化；立体化学的选择和控制。其中碳架的建立碳架的建立是设计合成路线的核心。(1)碳架的建立碳架的建立碳架的建立实际上是新的碳-碳键如何形成的问题。而碳架的建立也不能脱离官能团，因为碳碳键形成的反应一般也要发生在官能团上或受官能团影响而活化的部位上(例如双键或羰基的位)。例例1：由C3或C3以下有机物合成2-丁酮 解：由逆推法分析：卤烷水解烯烃水合醛、酮、酸、酯还原格氏反应CH3CHCH2CH3ClCH2=CHCH2CH3CH3-CH-CH2CH3OHCH3-C-CH2CH3OabO不需增长碳链CH3CHO+C2H5MgBrCH3CH2CHO+CH3MgBr原料易得不符合题意符合题意路线合理CH3CH2XCH3CH2MgXMg纯醚(1)CH3CHO(2)H2O，H+CH3CHCH2CH3OHK2Cr2O7H2SO4CH3CCH2CH3O合成路线：例例2：从乙烯、丙烯合成正辛烷 分析：CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2-CH2C CCH3CH2CH2CH2CH2CH32CH3CH2CH2Cl+NaC CNaCH2=CHCH2ClCH2=CH-CH3CH2=CH2Br2BrCH2-CH2BrC CHHNaOH/醇Na/液NH3Cl2/hH2/NiCH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2-CH2C CCH3CH2CH2CH2CH2CH3CH2=CH2Br2BrCH2-CH2BrC CHHNaOH/醇Na/液NH32CH3CH2CH2Cl+NaC CNaH2/Ni-2NaClC CNaNa解：CH2=CHCH2ClCH2=CH-CH3Cl2/hCH3CH2CH2ClH2/Ni(2)官能团的转化官能团的转化 碳架的建立与官能团的转化是密切联系在一起的。形成碳碳键时，必须通过官能团或官能团影响下的反应才能实现，而且构成碳架之后往往还要通过官能团的转化、引入、除去或替代，才能达到目标分子的结构。例例1：用简单的原料合成 OOCH3H3COH分析：内酯+HCN+CH2O羟甲基，可由：CH2O+R2CHCHO羟醛缩合得OHHOCOOHCH3CH3羟基酸HOCHOCH3CH3CHOCH3CH3羧基，可由：C=O+HCN亲核加成得OOCH3H3COHOOCH3H3COHCH2OH(CH3)2C-CH-COOHOHH+CH2OH(CH3)2C-CH-CNOHH2OH+解：(CH3)2CH-CHO+CH2O 稀OH-(CH3)2C-CHO CH2OHHCNOH-例例2：由简单化合物合成 O分析：O考虑分子内羟醛缩合Michael加成OO1,5-二羰基物不饱和酮O+“三乙”CH3CCH2COOEtCH2=CHCCH3ONaOEtOCH3CCHCH2CH2CCH3OOCOOEtCH3CCH2CH2CH2CCH3OO(1)5%NaOH(2)H+(3)麦克尔加成羟醛缩合ONaOH解：(3)官能团的保护官能团的保护 官能团保护最常用方法是先将不希望转化的官能团保护起来，待反应完成后再将其复原。例例1：由CH2=CH-CHO合成 CH2-CH-CHOOHOHCH2=CH-CHOOCH2=CH-CHOCH2-CH2OHOH干HClKMnO4/OH-稀、冷OCH2-CH-CHOOHOHH2O/H+CH2-CH-CHOOHOH解：此题需要保护醛基。例例2：由甲苯制备 HOOCNH2BrCH3CH3NH2CH3NO2CH3NHCOCH3BrCH3NHCOCH3混酸H2/Ni(CH3CO)2OBr2COOHNHCOCH3BrCOOHNH2BrKMnO4H2OH+orOH-解：此题需要保护氨基：官能团保护的另一种方法是利用不同官能团对试剂选择性的不同，选取特殊的试剂，以达到预期的目的。例：例：CH2=CHCH2CCH3OH2(1mol)Pd,室温CH3CH2CH2CCH3ONaBH4CH2=CHCH2CHCH3OH(4)立体构型的控制立体构型的控制 例例：从乙烯、丙烯合成顺-4-辛烯、反-4-辛烯 C=CHCH2CH2CH3CH3CH2CH2HC=CCH2CH2CH3HCH3CH2CH2HC CCH3CH2CH2CH2CH2CH3C CCH3CH2CH2CH2CH2CH3Na,液NH3H2/Lindlar分析：(四)工业合成 实验室合成是工业合成的基础，但不等同于工业合成。工业合成的特点是规模大，注重降低成本。除了考虑反应原理和单元操作之外，还必须考虑整个生产过程的要求，如设备、操作、产物的综合利用、物料和能量的平衡以及是否适合于连续性生产等，而且还要考虑三废处理和环境保护。例：己内酰胺的工业合成。(参见P421-422)有机合成实验室合成工业合成基本有机工业合成精细有机合成本章重点：本章重点：三乙、丙二的性质及其在合成上的应用。CH2=CH-C NCH3CCHCOOC2H5OCH2-CH2-CN(1)5%NaOH(2)H+(3)-CO2CH3CCH2CH2CH2COOHO2CH3COOC2H5(1)NaOC2H5(2)CH3COOHCH3CCH2COOC2H5ONaOC2H5由乙酸乙酯、丙烯腈制备5-己酮酸：OOCH2CH2CCH3羟醛缩合ONaOHCH3CCH2COOEtCH2=CHCCH3ONaOEtOCH3CCHCH2CH2CCH3OOCOOEt(1)5%NaOH(2)H+(3)麦克尔加成CH3CCH2CH2CH2CCH3OO羟醛缩合麦克尔加成OCH2=CHCCH3ONaOEtNaOHO由C4或C4以下有机物制备