R R1 OH c-O + HCN COOH R2(H) α-羟基腈可进一步水解成α-羟基酸。由于产物比反应物增加了一个碳原子,所以 该反应是有机合成中增长碳链的方法。 羰基的碳氧双键由一个σ-键和一个π-键组成,氧原子的电负性强,电子云偏向氧 原子使其带部分负电荷,碳原子带部分正电荷。如果试剂的负性部分(亲核试剂)首先 进攻羰基碳原子,则形成氧负离子中间体;如果试剂的正性部分(亲电试剂)首先进攻 羰基氧原子,则形成碳正离子中间体。 CO +H-CN C-CN 亲核加成 C-CN 亲电加成 两种加成方式哪种占优,主要取决于各自中间体的相对稳定性。碳正离子中,碳原 子外层只有六个电子,又与电负性较强的氧原子相连,所以它是不稳定的中间体。氧负 离子中,氧原子外层有八个电子,是比较稳定的八隅体结构,而且氧原子的电负性大 具有较强的容纳负电荷的能力,所以是较稳定的中间体。因此从理论上看,羰基与氢氰 酸的加成反应是亲核加成,而不是亲电加成。反应的第一步是CN加到羰基碳上,速度 较慢,反应速度只与CN的浓度有关;第二步是带正电荷的基团加到羰基氧上,速度较 快。整个反应的速度决定于第一步的速度。碱的作用,是将弱亲核试剂HCN转变成为亲 核性较强的CN 实验事实也证明羰基与氢氰酸的加成反应是亲核加成。例如丙酮和氢氰酸反应3-4 小时,仅有一半原料起作用:若在反应体系中加入一滴氢氧化钾溶液,则反应可在几分 钟内完成:若加入大量酸,则放置几周也不起反应。这种少量碱加速反应,酸抑制反应 的事实,说明反应中首先进攻羰基的试剂一定是CN,而不是H。因为氢氰酸是弱酸 在水溶液中存在如下电离平衡: HCN S h+cN 加碱有利于氢氰酸离解,提高CN的浓度;加酸使平衡向生成氢氰酸的方向移动,降 低CN的浓度
6 α-羟基腈可进一步水解成α-羟基酸。由于产物比反应物增加了一个碳原子，所以 该反应是有机合成中增长碳链的方法。 羰基的碳氧双键由一个σ-键和一个π-键组成，氧原子的电负性强，电子云偏向氧 原子使其带部分负电荷，碳原子带部分正电荷。如果试剂的负性部分（亲核试剂）首先 进攻羰基碳原子，则形成氧负离子中间体；如果试剂的正性部分（亲电试剂）首先进攻 羰基氧原子，则形成碳正离子中间体。 亲核加成 亲电加成 两种加成方式哪种占优，主要取决于各自中间体的相对稳定性。碳正离子中，碳原 子外层只有六个电子，又与电负性较强的氧原子相连，所以它是不稳定的中间体。氧负 离子中，氧原子外层有八个电子，是比较稳定的八隅体结构，而且氧原子的电负性大， 具有较强的容纳负电荷的能力，所以是较稳定的中间体。因此从理论上看，羰基与氢氰 酸的加成反应是亲核加成，而不是亲电加成。反应的第一步是 CN-加到羰基碳上，速度 较慢，反应速度只与 CN-的浓度有关；第二步是带正电荷的基团加到羰基氧上，速度较 快。整个反应的速度决定于第一步的速度。碱的作用，是将弱亲核试剂 HCN 转变成为亲 核性较强的 CN-。 实验事实也证明羰基与氢氰酸的加成反应是亲核加成。例如丙酮和氢氰酸反应 3-4 小时，仅有一半原料起作用；若在反应体系中加入一滴氢氧化钾溶液，则反应可在几分 钟内完成；若加入大量酸，则放置几周也不起反应。这种少量碱加速反应，酸抑制反应 的事实，说明反应中首先进攻羰基的试剂一定是 CN- ，而不是 H+ 。因为氢氰酸是弱酸， 在水溶液中存在如下电离平衡： 加碱有利于氢氰酸离解，提高 CN-的浓度；加酸使平衡向生成氢氰酸的方向移动，降 低 CN-的浓度。 δ + δ - δ + δ - HCN H + + CN - + H-CN C-CN C-CN O C O + - - OH 慢 H + C O + H-CN + - C-CN OH 慢 OH 快 快 CN - C + H2O + COOH R2 (H) C OH R1 + H (H) (H) R2 R1 CN C OH R 1 R C O HCN 2
不同结构的醛、酮对氢氰酸反应的活性有明显差异,这种活性受电子效应和空间效 应两种因素的影响。从电子效应考虑,羰基碳原子上的电子云密度愈低,愈有利于亲核 试剂的进攻,所以羰基碳原子上连接的给电子基团(如烃基)愈多,反应愈慢。从空间 效应考虑,羰基碳原子上的空间位阻愈小,愈有利于亲核试剂的进攻,所以羰基碳原子 上连接的基团愈多、体积愈大,反应愈慢。由此可见,电子效应和空间效应对醛、酮的 反应活性影响是一致的,不同结构的醛、酮对氢氰酸的加成反应活性次序大致如下 O C=O> CH3-C-H>R-C-H> C-H CH3CCH3 >CH3-C-R>R-C-R 实际上,只有醛、脂肪族甲基酮、八个碳原子以下的环酮才能与氢氰酸反应 2.与亚硫酸氢钠加成醛、酮与饱和亚硫酸氢钠溶液作用,亚硫酸氢钠分子中带未 共用电子对的硫原子作为亲核中心进攻羰基碳原子,生成α-羟基磺酸钠。反应是可逆的, 必须加入过量的饱和亚硫酸氢钠溶液,以促使平衡向右移动 OH 与加氢氰酸相同,只有醛、脂肪族甲基酮、八个碳原子以下的环酮才能与饱和亚硫 酸氢钠溶液反应 由于α-羟基磺酸钠不溶于饱和亚硫酸氢钠溶液,以白色沉淀析出,所以此反应可 用来鉴别醛、酮。另外,α-羟基磺酸钠溶于水而不溶于有机溶剂,与稀酸或稀碱共热可 分解析出原来的羰基化合物,所以此反应也可用于分离提纯某些醛、酮 H,O RCHO NaCl+ SO2 + Ho R-CHSO: Na a? CO3 H i RCHO+ Na2SO3 NaHcO H 3.与格氏试剂加成格氏试剂是较强的亲核试剂,非常容易与醛、酮进行加成反应 R +Mg(OHⅨ 7
7 不同结构的醛、酮对氢氰酸反应的活性有明显差异，这种活性受电子效应和空间效 应两种因素的影响。从电子效应考虑，羰基碳原子上的电子云密度愈低，愈有利于亲核 试剂的进攻，所以羰基碳原子上连接的给电子基团（如烃基）愈多，反应愈慢。从空间 效应考虑，羰基碳原子上的空间位阻愈小，愈有利于亲核试剂的进攻，所以羰基碳原子 上连接的基团愈多、体积愈大，反应愈慢。由此可见，电子效应和空间效应对醛、酮的 反应活性影响是一致的，不同结构的醛、酮对氢氰酸的加成反应活性次序大致如下： 实际上，只有醛、脂肪族甲基酮、八个碳原子以下的环酮才能与氢氰酸反应。 2. 与亚硫酸氢钠加成 醛、酮与饱和亚硫酸氢钠溶液作用，亚硫酸氢钠分子中带未 共用电子对的硫原子作为亲核中心进攻羰基碳原子，生成 α-羟基磺酸钠。反应是可逆的， 必须加入过量的饱和亚硫酸氢钠溶液，以促使平衡向右移动。 与加氢氰酸相同，只有醛、脂肪族甲基酮、八个碳原子以下的环酮才能与饱和亚硫 酸氢钠溶液反应。 由于 α-羟基磺酸钠不溶于饱和亚硫酸氢钠溶液，以白色沉淀析出，所以此反应可 用来鉴别醛、酮。另外，α-羟基磺酸钠溶于水而不溶于有机溶剂，与稀酸或稀碱共热可 分解析出原来的羰基化合物，所以此反应也可用于分离提纯某些醛、酮。 3. 与格氏试剂加成 格氏试剂是较强的亲核试剂，非常容易与醛、酮进行加成反应， H > R > O C H > CH3CCH3 O C H O CH3 O C H C H O > > > CH3 O C O R > C O CH3 C O C O R R ' > > R C O R2 (H) + HO S O O -Na + R C R1 OH SO3Na R CH OH SO3Na HCl H2O Na2CO3 H2O RCHO + NaCl + SO2 + H2O RCHO + Na2SO3 + NaHCO3 C O R MgX R C OMgX H2O H + R C OH + Mg(OH)X
加成的产物不必分离便可直接水解生成相应的醇,是制备醇的最重要的方法之 格氏试剂与甲醛作用,可得到比格氏试剂多一个碳原子的伯醇:与其它醛作用,可 得到仲醇;与酮作用,可得到叔醇。 RMgx+HCHO爍乙 RCH- OMgX HO,RCH2OH RMQX+RCHO燥乙R- CHOMgX H2o,RCH-OH RMgX+C=O下燥乙醚 一RC-OMgx R—C-OH 由于产物比反应物增加了碳原子,所以该反应在有机合成中是增长碳链的方法。 4与醇加成在干燥氯化氢的催化下,醛与醇发生加成反应,生成半缩醛。半缩醛 又能继续与过量的醇作用,脱水生成缩醛。反应是可逆的,必须加入过量的醇以促使平 衡向右移动 干HCL ROH H OR,FHH 半缩醛 缩醛 半缩醛不稳定,容易分解成原来的醛和醇。在同样条件下,半缩醛可以与另一分子 醇反应生成稳定的缩醛 酮一般不和一元醇加成,但在无水酸催化下,酮能与乙二醇等二元醇反应生成环状缩酮 C-O+ HOCH 2 CH2OH F HCI RIy D-CF H 如果在同一分子中既有羰基又有羟基,只要二者位置适当(能形成五员或六员环), 常常自动在分子内形成环状的半缩醛或半缩酮,并能稳定存在。半缩醛和缩醛的结构在 糖化学上具有重要的意义
8 加成的产物不必分离便可直接水解生成相应的醇，是制备醇的最重要的方法之一。 格氏试剂与甲醛作用，可得到比格氏试剂多一个碳原子的伯醇；与其它醛作用，可 得到仲醇；与酮作用，可得到叔醇。 RMgX + HCHO干燥乙醚RCH2OMgX H2O H + RCH2OH RMgX + R1CHO干燥乙醚 R CH R OMgX 1 H2O H + R CH OH R1 RMgX + R1 C R2 O 干燥乙醚 R C O R1 R2 MgX H2O H + R C OH R1 R2 由于产物比反应物增加了碳原子，所以该反应在有机合成中是增长碳链的方法。 4.与醇加成 在干燥氯化氢的催化下，醛与醇发生加成反应，生成半缩醛。半缩醛 又能继续与过量的醇作用，脱水生成缩醛。反应是可逆的，必须加入过量的醇以促使平 衡向右移动。 半缩醛 缩醛 半缩醛不稳定，容易分解成原来的醛和醇。在同样条件下，半缩醛可以与另一分子 醇反应生成稳定的缩醛。 酮一般不和一元醇加成，但在无水酸催化下，酮能与乙二醇等二元醇反应生成环状缩酮。 如果在同一分子中既有羰基又有羟基，只要二者位置适当（能形成五员或六员环）， 常常自动在分子内形成环状的半缩醛或半缩酮，并能稳定存在。半缩醛和缩醛的结构在 糖化学上具有重要的意义。 HOCH 2CH2OH CH2 O CH2 C O R R1 R HCl 1 R + 干 C O R C H O + R C H OH OR1 HCl R C H O O R1OH R1OH R1 R1 干HCl 干
OH CHOH CHOH CHOH CHOH O CHOH CHOH H OH 分子内的六员环状半缩醛 醛与醇的加成反应是按下列历程进行的 R、OH C=0+H OH 0 ⊥=H2Q R,OH RI R1-H R 由于醇是弱的亲核试剂,与羰基加成的活性很低,不利于反应的进行。但在无水氯 化氢催化下,羰基氧与质子结合生成质子化的醛,增大了羰基的极性,有利于弱亲核性 的醇向羰基加成生成半缩醛。半缩醛在酸的作用下,又可继续与质子结合成为质子化的 醇,经脱水后成为反应活性很高的碳正离子,这也有利于弱亲核性的醇与其作用生成缩 缩醛对碱、氧化剂、还原剂等都比较稳定,但在酸性溶液中易水解为原来的醛和醇,因 此,在羰基化合物与醇的加成反应中要使用干燥的HCl为催化剂。 t ho H-RCHO +R,OH ORI 在有机合成中,常利用生成缩醛的方法来保护醛基,使活泼的醛基在反应中不被破 坏,一旦反应完成后,再用酸水解释放出原来的醛基。例如,要将丙烯醛转化为丙醛或2, 3-二羟基丙醛,如果直接用催化氢化的方法或氧化的方法,醛基都将被破坏。如果先把醛 转化为缩醛,然后再进行催化氢化或氧化,待反应完成后用酸水解,就能达到保护醛基
9 分子内的六员环状半缩醛 醛与醇的加成反应是按下列历程进行的： 由于醇是弱的亲核试剂，与羰基加成的活性很低，不利于反应的进行。但在无水氯 化氢催化下，羰基氧与质子结合生成质子化的醛，增大了羰基的极性，有利于弱亲核性 的醇向羰基加成生成半缩醛。半缩醛在酸的作用下，又可继续与质子结合成为质子化的 醇，经脱水后成为反应活性很高的碳正离子，这也有利于弱亲核性的醇与其作用生成缩 醛。 缩醛对碱、氧化剂、还原剂等都比较稳定，但在酸性溶液中易水解为原来的醛和醇，因 此，在羰基化合物与醇的加成反应中要使用干燥的 HCl 为催化剂。 在有机合成中，常利用生成缩醛的方法来保护醛基，使活泼的醛基在反应中不被破 坏，一旦反应完成后，再用酸水解释放出原来的醛基。例如，要将丙烯醛转化为丙醛或 2， 3-二羟基丙醛，如果直接用催化氢化的方法或氧化的方法，醛基都将被破坏。如果先把醛 转化为缩醛，然后再进行催化氢化或氧化，待反应完成后用酸水解，就能达到保护醛基 R1 C H OH O H R C H OH R C O + H R H + + R1OH + - H + R1 H + R1OH C O R1 H R R R C H O C H OH O R1 + OH2 -H2O + C O OH .. H CHOH CHOH CHOH CH2 C O H CHOH CHOH CHOH CH2 OH R1 R1 + C H O C H O R O R H - R1 H + OR1 R1OH H2O R1 R1 C O O R + RCHO + H H +
的目的: CH-CHCHo ROH -CH-CHCH H2/N-+_CHCH ORH° CHCH CH CH2=CHCH< 稀冷KMCH2-FHcH 20、cH2- CHCHO H H 5.与水加成水也可以和羰基化合物进行加成反应,但由于水是比醇更弱的亲核试 剂,所以只有极少数活泼的羰基化合物才能与水加成生成相应的水合物。例如: HCHo HOH 甲醛溶液中有99.9%都是水合物,乙醛水合物仅占58%,丙醛水合物含量很低,而丁醛 的水合物可忽略不计。 在三氯乙醛分子中,由于三个氯原子的吸电子诱导效应,它的羰基有较大的反应活性, 容易与水加成生成水合三氯乙醛: OH 水合三氯乙醛简称水合氯醛为白色晶体,可作为安眠药和麻醉药 茚三酮分子中,由于羰基的吸电子诱导效应,它也容易和水分子形成稳定的水合茚三酮: O+ HOH 水合茚三酮在α一氨基酸的色谱分析中常用作显色剂 6.与氨的衍生物的加成-消除反应 醛、酮可与氨的衍生物发生亲核加成反应,最初生成的加成产物容易脱水,生成含 碳氮双键的化合物,所以此反应称为加成-消除反应
10 的目的： 5.与水加成 水也可以和羰基化合物进行加成反应，但由于水是比醇更弱的亲核试 剂，所以只有极少数活泼的羰基化合物才能与水加成生成相应的水合物。例如： 甲醛溶液中有 99.9%都是水合物，乙醛水合物仅占 58%，丙醛水合物含量很低，而丁醛 的水合物可忽略不计。 在三氯乙醛分子中，由于三个氯原子的吸电子诱导效应，它的羰基有较大的反应活性， 容易与水加成生成水合三氯乙醛： 水合三氯乙醛简称水合氯醛,为白色晶体，可作为安眠药和麻醉药。 茚三酮分子中，由于羰基的吸电子诱导效应，它也容易和水分子形成稳定的水合茚三酮： 水合茚三酮在α－氨基酸的色谱分析中常用作显色剂。 6. 与氨的衍生物的加成-消除反应 醛、酮可与氨的衍生物发生亲核加成反应，最初生成的加成产物容易脱水，生成含 碳氮双键的化合物，所以此反应称为加成-消除反应。 CH2=CHCHO ROH HCl OR OR CH2=CHCH 干 C OH OH H HCHO + HOH H O O OH O O O + HOH OH Cl C Cl Cl C H O + H OH Cl Cl Cl C CH OH OH