有機化學、11.醛、酮

 11.醛、酮       

                    Aldehyde  R C=O H、 Ketone  R C=O R     

(ㄊㄢˋ) 羰基：有C=O的有機物，sp2混成      醛/酮主要親核加成；酸主要親核取代

熔點/沸點：醯胺＞有機酸＞醇=重氮＞醛=酮=酯＞醚  
             *有極性/分子間氫鍵者較高
               *脂肪酸熔點隨分子量上升而上升，不飽和有cis，液態為主

                     *影響反應速率:種類、立障 、推拉電子基     (立障小快；拉電子快)

SNAC速率 :  O=C -X (LVG) > 兩個C=O夾 > > -H > -R (立障) > -OR > -NH2 >-O-

拉電子基：NO2 > CN > F > COOH > Cl > Br > I > C≡C > OH > C6H5 > C=C > H

羰基親核加成：酸鹼都能催化水合/親核(步驟不同)，傾向拆C=O插OH

 *但如果有推電子基-CH3，會使平衡傾向C=O；

           

羥醛aldol反應：NaOH高溫加成，酮的烯醇負離子對醛親核加成後脫水縮合  

         O=C-C-H  有α氫原子的醛或酮，酸或檢烯醇負離子，再與另一羰分子加成反應

                *分子內縮合可以找出α B碳，從答案反推

醛自體還原   坎尼乍若反應Cannizzaro反應： 因沒有aH不縮合
  CHO高溫強鹼，拆C=O，攻擊另一個CHO，生成羧酸和醇，優先拆立障小C=O

縮醛/酮反應：          RO-C-OR  
                   C=O加一當量R-OH，酸/鹼催化，可拆C=O，插OH、OR，得半縮醛/酮
                        *酸鹼條件都可水解回C=O與R-OH            (R-O:H  進攻後H+離去

                  C=O加兩當量R-OH，酸催化，拆C=O，插滿OR，得縮醛/酮      二酸  
                     *可合環，合環後如在酸性則不穩定，水解回C=O  ；-OR脫去，轉成C=C環

        *縮醛/酮可保護羰基，酸拔保護基，使產物保留C=O /CHO   常見保護基: H/RO-C-C-OR/H

                          > 反向當醇類THP保護基；HS-C-C-C-SH脫硫還原

Fischer酯化反應：酸和醇加H+，(酸出羥基OH，醇出氫)生成酯O=C-OR和水，可逆(水解)

                                也有O-Na+ 與R-X，Na+與X-離去 接上R的方法  ； 兩個OH脫水合環

環狀醣類開環：從-O-切，-OH旁是-CHO，-C-OH旁是-OH

    醣類檢測： 多倫反應：檢測醛CHO，銀鏡    ；斐林反應：檢測醛或酮，紅色沉澱    

            醣類降解Whol：NH2OH/Ac2O/NaHCO3，縮減一個碳

亞胺製作：醛/酮能與NH3、一級胺酸性條件下進行加成反應，插上C=N-R (N上的R基)

                    *H+質子化=O為=OH+ (好LVG)；產物酸性條件下可被水解，插回=O

    有Hα的醛/酮(O=C-C-H)與二級胺形成烯胺C=C-N；沒Hα (O=C-H)則與二級胺形成亞胺

        **三級胺立障過大不反應       (  =O遇酸水解成OH，H+插上一/二級胺，OH與H酸脫水

亞胺還原：C=O →  N2H4 → KOH → C上插滿H 

C=O → C三N / HCl → HO-C-C三N   (必須要HCl提供H+；給鹼可逆)

NaBH3CN，拆C=O，與N合環成C=N

貝克曼(Beckmann)酸催化重排：NH2OH   加酸  ，重排N-H入環/鏈 (+1)

氫化物LiAlH4、NaBH4：直接拆C=O，接滿H，加酸可質子化O，製成醇-OH

                    *但醯胺HN-C=O加LAH，最終產物會是胺 (接上AlH2的O是好離去基)

有機金屬 R-MgBr / Li可攻擊兩次，1-2加成(強鹼)，插上兩個R基，但醯胺只會攻擊一次

                     *COOH只與R-Li一次攻擊       

                    *CuLi拆雙鍵共軛1-4加成(熱力弱鹼)  有C=O不拆，拆另一個C=C末端

威悌反應(Wittig)：利用R-PPh3，親核加成再消去，搶醛.酮C=O的O，插上R基或插成C=C 烯

                           *PPh3為弱鹼，只能與低級鹵烷SN2，三級鹵烷會E2消去

                           *產物有立體選擇性(C=C的Z近/E遠 form)     產物配H3O+可插回C=O，多一碳

Me2S-CH2 (DMS) 可以與C=O  動力1-2(攻擊穩定C=O不可逆)或熱力1-4加成，形成三元O環

 

C=O 親核加成：強鹼直接攻擊C=O為1-2動力加成，C上接Nu與OH

                                *格林納試劑 R-MgX可能因C=O旁立障過大，選擇1-4加成

                           弱鹼好LVG攻擊共軛的C=C為1-4熱力加成，末端C接上Nu (立障小位置)

                               *1-4加成可協助合環   

                               *C=O旁直接接好LVG會進行親核醯基取代SnAc，直接取代LVG

C=O氧化：醛非常容易被氧化  O=C-H → 絕大多數氧化劑 → O=C-OH  酸

                        * H2O2、Mn+7、Cu+2 、Ag+、mCPBA(可能重排增環)

        *多倫(Ag+/NH3)沉澱Ag=銀鏡反應  ；斐林(Cu+2/NaOH) 沉澱Cu2O

                 

              酮必須高溫/強氧化劑才能氧化並重排 O=C-R

拜爾-維(BaeyerV)氧化重排：酮在過氧化物反應下，C-R中插入O，得到酯

                                                    *環酮會將O插入環內

                    氧原子插入位向：H > 3級 > 2級 / phenyl > vinyl > 1級 > methyl

        *C=C與C=O非共軛時，過氧酸拆C=C得三元O環

        *C=C與C=O共軛時，優先BaeyerV重排插入O；鹼性H2O2才優先拆C=C

O還原：C=O可以還原成C-OH  ；R-Li全基團都能還原；COOH/COOR/CONH2難還原

                      *H2/Pd有選擇性，如有C=C則先拆；NaBH4/CH3OH才先拆C=O ~ -OH

                    *BH3/THF 無法還原鹵素與O=C-OR基團

                    *DIBAL只能還原O=C-OR基團

                    *RCu2Li只能還原鹵素基團

C=O脫氧：Zn/HCl、HS-C-C-SH/BF3、H2/Pb； 如環上有O或三圓環需使用KOH避免開環

沃爾夫.凱.黃還原(Wolff-K-H)：C=O化合物以 N2H4  /  KOH (NaOH)還原成甲基

C=O，C旁邊的C稱之為αC，為EWG、αC上的H因共振穩定具有高酸性  (低pKa)

                                    但如果另一邊R基是共振推(CH3、C三N)則酸性降低

酸鹼可加速催化H從CH3跳到O上  (keto轉enol) ，且造成消旋混合 

*如用D2O， 則αH會全被替換成D，橋頭碳例外

醛酮鹵化：醛多半氧化成酸，酮加X2/酸單取代、酮加X2/鹼多取代  (接上鹵素會增加酸性)

                    *鹵仿反應：如果C=O旁有甲基，甲基H換成鹵素後可能SnAC，HCX3鹵仿脫離

Favorski重排/縮環：鹼性催化劑OH-，攻擊鹵代酮環的αH，(-)連另一邊鹵素

                                            合三角環後OH-開環重排~縮環-COOH   * 鍊狀則移動R基接上Nu-

HVZ反應：羧酸+ Br / PBr3 ，插上兩個Br，水解後，剩α-氫被鹵素取代

霍夫曼重排反應：一級醯胺在Br、Cl / 鹼 作用下消去C=O，重排為胺 R-NH2

                                *直接加上加熱NH3也能重排

柯提斯重排反應(Curtius)：醯基疊氮R-N-N≡N重排 生成異氰酸酯R-N=C=O，C可以插Nu-

HC≡N：攻擊C=O，拆成-OH與C≡N，LAH/ Ether醚  攻擊C≡N，合成β胺C-C-NH2

阿恩特-艾斯特合成：醯氯→ CH2N2 → Ag2O (wolff重排) → 酸/鹼/胺 work up碳鏈加一

羧基α碳烷基化反應：α碳上的氫O=C-C-H有酸性，鹼性拔氫產生的碳陰離子親核 >插烷

        接拉電子基的α氫更酸  : O- > OEt > H >CH3 >C三N > N(CH3)2

            *陽離子會與C=O產生靜電引力，保留C=O

酸性弱的α-H必須用強鹼 NaH或LDA才能解離；強酸α-H可用弱鹼KOH/NaOR解離

        *題目多半熱力控制:限量鹼、質子溶劑   > 產生碳陰離子

乙醯乙酸酯合成：2個羧基的α-碳烷基化，稀鹼溶液水解 酸化，生成 α-取代丙酮

                                                                          濃鹼溶液中水解，生成α-取代乙酸

丙二酸酯合成：二個羰基的α碳烷基化，之後脫羧，產生取代乙酸；兩次SN2會接上兩個R

                            與二鹵化物反應：分子內丙二酸酯合成，鹵素脫去合還，生成環烷烴羧酸

羥醛縮合反應aldol：αH與C=O親核加成，鹼性促進aldol，脫水，末端C抓C=O合環

                有αH才縮合                                                       -OH脫水後形成環烯

                                *=O當E+，與Nu-縮合甚至合環，-OH脫水得C=C雙鍵 (五六元環快

                               *常見:O3/DMS切斷分子內雙鍵~兩個=O，KOH分子內重新合環

                                *自身擁有共振拉電子基的α-氫攻擊=O，

二硫縮酮氫解(兩S環全脫去)：EtOH/Ni、AIBN

列福爾馬茨基(Reformatsky反應：鋅Zn 催化  醛/酮與α-鹵代酸酯，縮合得到β-羥基酸酯

曼尼希mannich反應：胺甲基化反應，

            醛與胺生成亞胺陽離子，酸互變異購酮形成親核α-碳，α-碳攻擊亞胺陽離子

克萊森縮合(Claisen：兩羧酸酯在強鹼 (NaOEt)催化下，失去一分子醇縮合成β-羰基羧酸酯

                                        *起始需有兩個α-H，需使用立障大不加成的鹼，或與OR相同的鹼，

                                        *兩個C=O間的α-H被拔除不可逆      常用鹼:NaOEt

鹵仿反應Haloform：乙醯基化合物（R-C=O-CH3)，鹼性/鹵素鹵化生成鹵仿(三鹵甲烷)與羧酸鹽

                                        羧酸鹽COO- 加H+可生成酸      

狄克曼縮合反應(Dieckmann：直狀二酯在鹼作用下發生分子內縮合生成β-酮酯=分子內Claisen

                                            *優先生成5/6元環

                                     *要是原本是環狀酯，會retro Claisen重新合環，並重排C-C

施托克烯胺反應(Stork：酮形成烯胺，烯胺加成插上β-不飽和醛酮，水解還原成鄰位取代酮

                                            *醯化反應拔掉胺環      ( 插E+優先少取代，C-N環換成C=O，

醛酮合成：  高活性金屬(RMgX/RLi)會攻擊O=C-Cl兩次，取代鹵素，=O變-OH  

                                                                  攻擊C三N兩次，形成C=N再水解成C=O

                    低活性金屬(R2CuLi)只攻擊一次，取代鹵素，留下=O  *沒LVG可能不反應

                    去活化 H2/Pd 部分還原O=C-Cl，O=C-H  ；反之 H2/Ni 會全還原插滿H

                以LiAlH4還原酸COOH成-OH，再用PCC氧化成C=O

                以DIBALH還原C三N成C=N；或O=C-OEt成-O-C-OEt，H3O+  workup成 C=O

麥可Michael1-4加成：利用強鹼/酸自發縮合，脫水將C=O變C=C

魯賓遜Robinson成環：烯醇鹽親核進攻一α,β-不飽和酮，麥可加成，分子內羥醛縮合.成環

                        *產物水解如有酸，可能加熱脫羧反應 R-COOH  → R-H    +   CO2

施托克烯胺stork反應應用：二級胺先C=O，再接上鹵代烷，水解胺=酮或醛烷基化

10.醚、酚 ↼   11.醛、酮   ⇀  12.羧酸類