【正文】 極化的必然結(jié)果。在羰基中，由于極化，羰基碳帶部分正電荷，羰基氧帶部分負(fù)電荷。由于氧具有較大的容納負(fù)電荷的能力，羰基氧較羰基碳穩(wěn)定，故羰基碳是決定羰基反應(yīng)性能的中心，親核試劑進(jìn)攻羰基碳的反應(yīng)是羰基化合物的特征反應(yīng)。反應(yīng)過程可表示為： 式中 Nu 表示親核試劑，它同羰基碳的加成一步是決定速度步驟。試劑的親核性愈強(qiáng)，羰基碳缺電程度愈高，位阻愈小，親核加成愈易進(jìn)行。不同羰基化合物的活性按以下順序降低： 羰基化合物的親核加成反應(yīng)可被酸或堿所催化。酸催化在于羰基氧原子的質(zhì)子化，因?yàn)橘|(zhì)子化的羰基碳缺電程度增加，從而更有利于親核試劑的進(jìn)攻。 堿作催化劑主要是將中性試劑轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)離了，從而提高親核試劑的濃度和活性。例如，酮直接同 HCN加成的速度很小， 3— 4h內(nèi)僅有 1／ 2原料起反應(yīng)，若加入催化量的堿，使 HCN轉(zhuǎn)變成 CN，則反應(yīng)可在數(shù)分鐘內(nèi)迅速完成。若加酸，數(shù)天也不反應(yīng) 1．與含氧或含硫親核試劑的加成 水、醇是最普通的含氧親核試劑。醛．酮與水作用生成偕二醇。由于水的親核性很弱，因比除極少數(shù)高活性的羰基化合物可形成較穩(wěn)定的水合物外，其余的水合物很不穩(wěn)定一經(jīng)生成立即分解成原來的羰基化合物和水。羰基活性愈高，水合物比例愈大。例如，甲醛幾乎能定量地形成水合物，乙醛水溶液中水合物占 58%，丙酮水合物的比例接近于零。 羰基化合物與醇加成得半縮醛或半縮酮，后者能進(jìn)一步同醇發(fā)生脫水反應(yīng)，生成縮醛或縮酮。它們對堿、氧化劑、還原劑以及有機(jī)金屬試劑十分穩(wěn)定，合成上常利用這一特性保護(hù)碳基。 H2S、 RSH是水和醇的硫類似物。由于 S的親核性大于 O，故硫親核試劑同羰基的加成比氧親核試劑容易。醛與 1， 3— 丙二硫醇生成的環(huán)狀縮醛叫 I， 3— 二噻烷。 在二噻烷分子中，原醛基質(zhì)子同時(shí)受兩個(gè) S原子吸電效應(yīng)的影響，具有一定酸性，能被強(qiáng)堿如 RLi轉(zhuǎn)變成碳負(fù)離了。通過這一過程，親電的羰基碳轉(zhuǎn)變成親核中心，從而能在原醛羰基碳上進(jìn)行烴化或其它親電反應(yīng)，在負(fù)碳上引入親電基團(tuán) E+，然后經(jīng)氫解脫硫，生成新的碳基化合物 合成上稱這種極為有用的策略為“極性反轉(zhuǎn)” 。這將在第五章作進(jìn)一步討論。 亞硫酸氫鈉是一種較弱的親核試劑，它可同醛和位阻小的甲基酮生成一種不溶于飽和 NaHSO3溶液的晶體。合成上利用這一性質(zhì)，可以分離純化醛和位阻小的酮。 2．與氮親核試劑加成 醛和酮能與氨、胺、羥氨、肼及氨基脲加成，加成物在反應(yīng)條件下容易失去一分子水，形成亞胺型產(chǎn)物。這一過程可用一般式表示為： 在合成上，利用 N親核試劑同羰基的加成，不僅可以進(jìn)行醛、酮的分離．純化和分析，而且廣泛用于含氮化合物，特別是含 N雜環(huán)的合成。例如，利用甲醛與氨作用，可得一種具有多種用途的六亞甲基四胺的雜環(huán)化合物。 ?— 二羰基化合物與肼作用，得吡唑衍生物： 其它含氮雜環(huán)大多能由羰基化合物與氨的作用進(jìn)行制備，有關(guān)反應(yīng)在上一章已討論過。 3．與碳親核試劑加成 HCN是最普通的碳親核試劑，它與醛、酮加成，可得一種雙官能團(tuán)化合物 — 氰醇 在合成上，利用該反應(yīng)可使分子的碳原子數(shù)增加一個(gè)單元，而且可得雙官能團(tuán)產(chǎn)物。后者水解生成 ?— 羥基酸、再脫水生成 ?、 ?— 不飽和酸，將羥基取代可得 ?— 取代的羧酸。因此氰醇是許多合成反應(yīng)的有用中間體。 氰化氫容易揮發(fā)，而且具有劇毒，使用時(shí)要特別加強(qiáng)防護(hù)。一般采用醛或酮與 NaCN或 KCN的水溶液混合再加無機(jī)酸的方法進(jìn)行反應(yīng)，以制備氰醇。 醛、酮與 NaCN． NH 4Cl一起反應(yīng)，可得氨基腈產(chǎn)物，后者水解，生成 ?— 氨甚酸。 不具有 ?— 氫的醛可與腈直接加成，產(chǎn)物為酰胺縮醛。甲醛、芳醛是常用于這一反應(yīng)的醛，反應(yīng)過程類似縮醛的形成。 烯烴的雙鍵是親核的，在一定條件下，可與羰基加成。例如，在無機(jī)酸催化下，甲醛和烯烴可發(fā)生加成，加成產(chǎn)物能進(jìn)一步和甲醛反應(yīng)生成環(huán)狀縮醛，該反應(yīng)稱為普林斯反應(yīng)。此外，加成產(chǎn)物還可脫質(zhì)子成為 ?、 ?— 不飽和醇，或同水發(fā)生 SN反應(yīng)生成 1， 3— 二醇。反應(yīng)過程為： 其它活潑的醛或酮類在加熱或用 Na、 SnCl2等催化，亦能發(fā)生此反應(yīng)。當(dāng)： ?— 碳上有氫原子時(shí)，產(chǎn)物一般為 ?—— 羥基烯： 活潑的醛甚至可與炔鍵加成，所得 ?— 羥基烯基碳正離子，在水溶液中可進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轸驶? 例如： 由末端炔與 NaNH 2形成的炔負(fù)離子同醛、酮加成，可得炔醇產(chǎn)物。 格利雅試劑以及其它有機(jī)金屬試劑同醛、酮加成得醇，有關(guān)反應(yīng)將在第六章作進(jìn)一步討淪。羰基同 ?— 活潑亞甲基化合物的加成，是形成分子碳架的重要反應(yīng)，在上一章已做過介紹。 三、 羧酸衍生物的溶劑解 前面討論鹵代烷的溶劑解時(shí)，曾提及羧酸衍生物的溶劑解。從形式上看，該反應(yīng)同 SN反應(yīng)相似，因?yàn)榉磻?yīng)的最后結(jié)果都涉及一個(gè)親核基團(tuán)置換?；系慕M分。 但是，除極個(gè)別情況外，上述反應(yīng)的機(jī)理與 SN反應(yīng)是完全不同的。通常?；匣鶊F(tuán)的取代，是通過加成 —消除機(jī)理而實(shí)現(xiàn)的。例如酯水解，在酸催化下表現(xiàn)為AAC2機(jī)理，在堿催化下為 BAC2機(jī)理。 (A表示酸催化， B表示堿催化， AC表示酰氧鍵斷裂， 2表示雙分子反應(yīng)。 ) 在 BAC2中，第一步加成形成的四面體中間體上同時(shí)連三個(gè)負(fù)性基團(tuán)，電子效應(yīng)和空間效應(yīng)都有利于 R’O—的脫除和質(zhì)子轉(zhuǎn)移，這是上述機(jī)理的基本方面。 上述反應(yīng)對溶劑而言，則表現(xiàn)為溶劑質(zhì)子被酰基置換的?；磻?yīng)。酰氯、酸酐是最常用的?；瘎ｕ｛u醇解可使醇轉(zhuǎn)變?yōu)轷?，胺解使胺轉(zhuǎn)變?yōu)轷０?，這些都是基本的反應(yīng)。 酰鹵和酸酐之所以活性高，是兩種因素同時(shí)起作用的結(jié)果。一種是 X或 RCO的 — I效應(yīng)可促進(jìn)羰基的親核加成；一種是 X或 RCOO作為良好的離去基容易從四面體上被排除掉。 醇的?；杀贿拎ご龠M(jìn)。吡啶首先置換酰鹵中的鹵原子，形成活性更高的?；拎?，從而有利于酰化的進(jìn)行。此外吡啶能絡(luò)合反應(yīng)中產(chǎn)生的 H+，防止了高濃度酸的出現(xiàn)。 第六節(jié) 雙官能團(tuán)化合物的合成 一、 合成子和雙官能團(tuán)的形成 近年來，有機(jī)合成中廣泛應(yīng)用合成子 (synthons)的概念來描述合成反應(yīng)和合成設(shè)計(jì)。這種處理方法能使所述問題獲得簡化。因此，了解這一概念的應(yīng)用是很有意義的。 合成子是科里 (Corey)研究合成設(shè)計(jì)的電腦化時(shí)創(chuàng)用的。報(bào)據(jù)科里的定義：“凡是能用已知的或合理的操作連接成分子的結(jié)構(gòu)單元均稱為合成子?！彼磻?yīng)物、試劑不同的是，它經(jīng)常表示一種概念性的分子碎片而不是穩(wěn)定存在的化學(xué)實(shí)體。在第四章將看到，合成子實(shí)際上是在反合成時(shí)，斷掉分子一根鍵所得的正離子、負(fù)離子或自由基碎片，我們分別稱它們?yōu)?a合成子 (acceptor)、 d合成子 (donor)和 r合成子 (radical)。并可根據(jù)活性中心與官能團(tuán)的相對位置對合成子進(jìn)行標(biāo)號。如果官能團(tuán)的碳為活性中心，則稱 a1或 dl合成子；如果 ?— 碳為活性中心，則稱 a d2合成子；其余類推。沒存官能團(tuán)的合成于稱為 a烷 、 d烷 合成子，反應(yīng)中心在官能團(tuán)的雜原子上，則稱 a0、 d0合成子。一些常見的合成子列于表 2— 6。 大多數(shù)合成反應(yīng)是在溶液中進(jìn)行的離子型反應(yīng)或極性反應(yīng)，也即 a、 d合成子之間的反應(yīng)。除 a烷 、 d烷 外，其余 a、 d合成子的結(jié)合都將導(dǎo)致雙官能團(tuán)化合物的生成。這種關(guān)系可表示如表 2— 7。 二、 1， 2— 雙官能團(tuán)化合物的形成 由表 2— 7可知 a1+d a2+d烷 ， a烷 +d2都可生成 1， 2—雙官能團(tuán)化合物，其中，烯和炔烴的加成是生成 l， 2— 雙官能團(tuán)化合物的基本反應(yīng)。 除上述經(jīng)典方法外，還有一些較新的反應(yīng)可用于 l，2— 雙官能團(tuán)化合物的生成，其中?；鶃嗧恳约敖?jīng)普梅雷爾 (Pummerer)重排生成的?；蛎训姆磻?yīng)很有特色，現(xiàn)概括如下： 酮或酯在活潑金屬催化下經(jīng)雙分子還原偶聯(lián)，可得 l，2— 雙官能團(tuán)化合物。由酮可得 1， 2— 醇，由酯可得 ?—羥基酮。反應(yīng)實(shí)例如下： 三、 其它雙官能團(tuán)化合物的形成 將生成 1， 4— 雙官能團(tuán)化合物； 官能團(tuán)化合物。 醇醛型縮合反應(yīng)、酯縮合反應(yīng)是形成 1， 3— 雙官能團(tuán)化合物的基本反應(yīng)，有關(guān)反應(yīng)在上一章已討論過，這里僅舉幾個(gè)例子作說明： 生成 1， 3— 雙官能團(tuán)化合物的其它反應(yīng)為： 形成 1， 4— 雙官能團(tuán)化合物的典型反應(yīng)是： ?溴代酮的親核取代。另外，環(huán)氧化物 (a2)的親核開環(huán)也是常用的方法。