醛酮

有机化学之醛酮部分思维导图，主要内容有：分类、命名和物理性质；叛基亲核加成；氧化还原三部分。

醛酮

• 分类、命名和物理性质
  • 碳和氧均为sp2杂化
  • 甲基是推电子基；羰基强极化
  • 羰基碳缺电子,有强亲电性;氧富电子,有碱性（Lewis碱）;α-H具有部分酸性
• 羰基亲核加成
  • 机理
    • Nu-：O、S、N、C
    • 影响因素：1. 亲核试剂的亲核性  2. 醛酮的结构（与羰基相连的基团） （1）电子效应（羰基的亲电性大小） （2）空间效应（羰基旁的空间位阻大小） HCHO > RCHO > ArCHO > CH3COCH3 > CH3COR > RCOR > ArCOAr
    • 酸和碱可起催化作用
  • O亲核
    • 水
      • 大多数醛酮，水合物极不稳定，平衡偏向左边
    • 醇
      • 第一步：亲核加成（酸碱均可催化） 半缩醛（酮）不稳定，除五或六元环，易分解为原来的醛酮
      • 第二步：亲核取代（酸催化脱水） 缩醛、缩酮为醚类化合物，在酸性水溶液中加热，可恢复成醛、酮
      • 醛酮与1,2-二醇易反应生成五元环状缩醛(酮)，可用来保护羰基或邻二醇结构
  • S亲核
    • 硫醇
      • 硫醇比相应的醇活泼，亲核性更强，室温即可与醛、酮反应生成缩硫醛、酮
      • 缩硫酮难分解成原来的酮,不用于保护羰基;与硫醇加成后催化氢化,可将羰基彻底还原
    • NaHSO3
      • 可以和醛及活泼的酮反应，生成稳定的亚硫酸氢钠加成物
      • 可逆：加成产物在酸、碱作用下，分解为原来的醛和酮
  • N亲核
    • 伯氨
      • 第一步：亲核加成（弱酸催化） 第二步：β-消除反应（酸催化脱水）
      • 可逆，亚胺在稀酸中水解，又可恢复原来的羰基和胺
      • 氨衍生物 ZNH2
        • 羰基试剂，亲核性较弱
        • 产物多数是结晶固体，有固定的熔点，可用于鉴别醛酮； 经稀酸水解可复原为原来的醛酮，可用于分离提纯醛酮
    • 仲氨
      • 反应可逆，经稀酸水解可得醛酮
      • β消除脱H+两种选择： 首选脱去N上的H+，得到亚胺；再选脱去β碳上的H+，得到稀胺
  • C亲核
    • HCN
      • 可逆反应，加碱后促进了HCN的离解， [CN-]增加，使反应速率增加
      • 影响因素:1.空间位阻2.电子效应
      • 应用：生成新的碳碳键，产物比原料增加一个碳原子
    • 有机金属试剂（格式试剂等）
      • 应用：增长碳链；制备伯、仲、叔醇
      • 大体积酮与大体积格氏试剂，不能发生正常的亲核加成，由于随空阻的增大，酮与格氏试剂发生了烯醇化反应和还原反应（都是通过六元环状过渡态完成）
    • 金属炔化物
    • Wittig试剂
      • Wittig 试剂与醛酮羰基反应，形成烯类化合物，也称为羰基烯化反应
    • 有机锌试剂
      • α-卤代酸酯与醛或酮的混合物在惰性溶剂中与锌粉反应，产物水解后得到 β-羟基酸酯
    • Darzens反应
      • 醛、酮与α-卤代酸酯在强碱(RONa, NaNH2 ,(CH3)3COK)催化下互相作用，生成α,β-环氧酸酯
      • 用途：用来制备碳链增长的高级醛或酮
  • 羰基加成立体化学
    • 有对映面的化合物，非手性条件下反应，得外消旋体；与手性试剂加成则生成两种非对映体，其分量不等
    • 环酮亲核加成的非对映选择
    • 克拉穆规则
      • 1、羰基的α位为不对称碳原子，羰基上的R基团与手性碳上大体积的基团 (L) 呈重叠式构象，亲核试剂从小的基团一侧进攻为主要进攻方向
      • 2、当醛酮α-C上有-OH、-NHR时，它们与羰基氧形成氢键，反应物主要为羰基氧重叠式构象，亲核试剂从重叠式构象的较小基团（S）一侧进攻
• 氧化还原
  • 氧化
    • 醛
      • （1） Tollens试剂（AgNO3/NH3 银氨溶液） （2） Fehling 试剂（CuSO4 + 碱性酒石酸钾钠）（3）芳醛的自动氧化反应（自由基反应） （4）过酸和醛反应生成羧酸 （5）其他氧化剂：过酸、氧化银、过氧化氢、高锰酸钾、酸性重铬酸钾、硝酸、溴水
    • 酮
      • 硝酸氧化酮：酮不易氧化，剧烈条件下氧化，与羰基相连的碳碳键发生断裂，生成羧酸的混合物
      • 过酸氧化酮： 拜耳-魏立格氧化重排：酮被过酸氧化，与羰基直接相连的碳链断裂，插入一个氧形成酯
  • 还原
    • 成醇
      • 催化氢化：催化剂：Ni、Pd和Pt等
      • 金属氢化物还原：碳碳不饱和键不受影响
      • MPV还原
        • 其他一些容易被还原的原子团不受影响
    • 成烃
      • Clemmenson 还原：
      • 黄鸣龙还原：
      • 缩硫酮脱硫加氢：
    • 坎尼扎罗歧化反应
      • 甲醛总是被氧化成甲酸

醛酮

• 醛酮a-H的活性及反应
  • 酸性： 酮-烯醇互变
    • 酸催化下，羰基氧原子被质子化，增强了羰基的吸电子诱导效应，有助于a–H解离形成烯醇，为热力学控制
    • 碱催化下，形成烯醇盐（动力学控制） 弱碱：OH-，EtONa，t-BuOK， 强碱（完全变成烯醇盐）(iPro)2NHLi（LDA），PhLi， KH
    • LDA: 碱性很强，亲核性很弱，对α-H选择性好
    • 影响因素：α-碳上连接的官能团或基团的吸电子能力； 氢解离后形成的碳负离子结构的稳定性，碳负离子的离域范围越大越稳定
  • 卤代反应
    • 酸催化卤代 热力学控制（烯醇稳定性）
      • 可控制在一卤代产物阶段； 反应活性: RCOCHR2 > RCOCH2R > RCOCH3
    • 碱催化卤代 动力学控制（a-H酸性）
      • 得多卤代物（同一a碳上的氢原子全部被取代） 反应活性：RCOCH3 > RCOCH2R > RCOCHR
    • 卤仿反应
      • 碘仿反应：用于鉴别甲基酮和能氧化为甲基酮的醇； 用于合成减少一个碳的羧酸
  • 羟醛缩合
    • 碱催化
      • 碱催化下，羟醛缩合反应是可逆反应
      • 用于制备β-羟基醛（酮）或α,β-不饱和醛（酮），增长碳链
    • 酸催化
    • 交错缩合
      • 用一种有α-H的醛酮和一种过量的无α-H的醛酮反应,可得到一种主产物
      • 分步反应：首先用强碱LDA在非质子溶剂中与一个醛或酮反应，使之完全转化为烯醇盐；再向该体系中加入另一个醛或酮
      • 不对称酮醛
        • 碱性和非质子溶剂中进行，烯醇化是动力学控制,主产物是（iii）
        • 酸性或碱性质子溶剂(质子交换),烯醇化是热力学控制,主产物是(iv)
        • 酮出α-氢:先用强碱如LDA在非质子溶剂中、低温下反应,将酮全部转化为烯醇负离子; 醛出α-氢:由于醛羰基很活泼,先将醛与胺反应形成亚胺,以保护醛羰基,然后用LDA夺取亚胺的α-氢,形成烯醇负离子
    • 二羰基化合物分子内缩合
    • 应用
      • 通过烯醇盐实现α-碳的烷基化
      • 通过烯胺实现α-碳上碳链增长
        • 可实现α-烃化和α-酰化
        • 不对称酮与仲胺反应具有选择性,一般产生取代较少的烯胺
    • 人名反应
      • Perkin反应
        • 芳醛与脂肪族酸酐在碱（常是与酸酐对应的羧酸钾盐或钠盐）存在下共热，发生缩合，得到芳香族α,β-不饱和羧酸
        • 产物中一般两个大的基团总是处于反式
      • Knoevenagel反应
        • 醛、酮在弱碱 （胺或吡啶等）催化下与具有活泼α-H的化合物（如丙二酸二乙酯等）发生缩合反应，得到α,β-不饱和化合物
      • Mannich反应
        • 具有活泼氢的化合物和甲醛及胺同时缩合，活泼氢被胺甲基取代
        • 提供负碳的体系：具有α活泼氢的醛酮、羧酸、酯、硝基化合物、腈、末端炔烃、芳环体系等，均可发生此反应 提供正碳的体系： 组分1为醛：最常用的醛是甲醛；也可用其它的醛； 组分2为胺：一般用二级胺，如二甲胺、六氢吡啶等； 若用一级胺,胺甲基化反应后得二级胺,若产物氮上还有氢,可再反应
        • 不对称酮主要在较高取代的α-位上发生反应
        • 曼氏碱可在蒸馏时发生分解，或在碱作用下分解，或通过彻底甲基化反应及Hoffmann反应，均可得到α,β-不饱和酮
• α,β-不饱和醛酮
  • 亲核加成
    • 1,2-加成（直接加成）和1,4-加成（共轭加成）
    • 影响因素：1,2-加成：低温（速率控制）、强亲核试剂（如：H-、RMgX）、羰基上未连有大基团
  • 麦克尔加成
    • 碳负离子 (亲核试剂，给体) 与α,β-不饱和羰基化合物(亲电共轭体系，受体) 的1,4-亲核加成反应，称为Michael加成反应。（碳负离子加在共轭体系的β-碳上，导致碳碳键的形成）
    • 反应可逆，为热力学控制
    • Michael加成常用于构建1,5-二羰基化合物
    • 不对称酮在进行Michael加成反应时，反应主要在多取代的α碳上发生
    • 活性烯键：烯键上连有强吸电子基（C=O；-CN；-NO2；-SOR；-CF3) 亲核试剂：含活性亚甲基的化合物；酮(酯)等生成的烯醇锂；烯胺；二烃基酮锂等 溶剂：选用烯醇盐作为Nu时，应选用非质子溶剂（THF, DME, THF, 乙醚等)
  • Robinson增环
    • 通常用甲基乙烯酮和一个含有活泼亚甲基的环酮，碱催化下，先发生麦克尔反应，再发生分子内的羟醛缩合关环，形成一个二并六元环的体系
    • （1）曼氏碱发生热消除生成α,β-不饱和酮； （2）上述产物和环酮发生Michael加成； （3）分子内羟醛缩合关环，形成一个新的六元环 一般可分离出关环前的共轭加成产物，再用催化量的氢氧化钠的乙醇溶液，即可关环
    • （1）可实现在一个环上再加一个六元环； （2）可在两个环相稠合的碳原子上引入角甲基。
• 其他重要反应
  • 安息香缩合
    • 芳香醛在氰化钾的作用下，发生双分子缩合，生成α-羟基酮
  • 二苯乙醇酸重排
    • α-二酮在浓碱作用中重排，生成安息香酸
  • 还原
    • 单分子：（质子溶剂）
    • 双分子：（非质子溶剂）
  • 贝克曼重排
    • 1.酮肟(酸性试剂下)重排成酰胺；2. C=N与OH处于反位的烃基迁移；3.迁移基团如以手性碳与羰基相连，重排后构型不变；4.重排中基团的迁移和OH的离去协同 常用酸性试剂:PCl5；SOCl2；浓硫酸；甲酸； POCl3；聚磷酸；HCl-HOAc-Ac2O等。
    • 机理：
  • Favorskii重排
    • 在醇钠、氢氧化钠、碳酸钡、氨基钠等碱性催化剂存在下，a-卤代酮（氯或溴代酮）失去卤原子，重排成具有相同碳原子的羧酸酯、羧酸、酰胺
    • 不对称α-卤代酮的Favorskii重排的选择性：比较碳负离子的相对稳定性