7-7 缩合反应
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7 精细化工反应单元工艺. 第七章. 7-7 缩合反应. 7-7 缩合反应. 缩合反应: 缩合反应一般往往伴随着小分子的生成。. 一般是指两个或两个以上的分子间通过新的碳-碳键、碳-杂原子或杂原子-杂原子键,形成较大的单一分子的反应。. 缩合反应. 一、醛酮缩合反应( Aldol 缩合). 醛酮缩合反应: 含有活泼 α -氢的醛或酮在碱或酸的催化作用下生成 β- 羟基醛或 β- 羟基酮的反应统称为醛酮缩合反应。 1 .催化剂: 碱催化剂(氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙和纯铝等) 2 .反应历程:. 说明: - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
7-7 7-7 缩合反应缩合反应
第七章第七章
77 精细化工反应单元工精细化工反应单元工艺 艺
7-7 7-7 缩合反应缩合反应
• 缩合反应:
• 缩合反应一般往往伴随着小分子的生成。
一般是指两个或两个以上的分子间通过新的碳-碳键、碳-杂原子或杂原子-杂原子键,形成较大的单一分子的反应。
缩合反应
一、醛酮缩合反应(一、醛酮缩合反应( AldolAldol 缩合)缩合)• 醛酮缩合反应:含有活泼 α -氢的醛或酮在碱或酸的催化作用下生成
β- 羟基醛或 β- 羟基酮的反应统称为醛酮缩合反应。• 1 .催化剂:碱催化剂(氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙
和纯铝等)• 2 .反应历程:
C
O
HH3C OH- C
O
HH2C
_HC CH2
O_
快
脱质子+
C
O
HH3C + C
O
HH2C
_ HCH2C CH2
O
C H
O_
慢
亲核反应
+H2O
OH-_CHH2C CH2
OH
C H
O
加质子 3-羟基丁醛
说明:( a )以上各步均是可逆的,其中决定反应速度的是反应较慢的亲核
加成反应。( b )如果醛中含有两个以上 α -氢,而且反应温度较高和且催化剂
的碱性够强,则 β -羟基醛可以进一步发生反应,脱去一分子水而生成 α , β -不饱和醛。
CHH2C CH2
OH
C H
O
H+
HCH3C CH C H
O
• (一)醛醛缩合• ( 1 )同分子醛自身缩合• a. 醛类在 α— 位有两个氢原子的可以进行自缩合
• b. 醛类在 α— 位只有一个氢原子的不能进行这种反应,但如果 α,β— 不饱和醛的 γ 位有两个氢原子,就能在 γ 位进行缩合。
2 C6H13CH2CHOEtONa
C6H13CH2CH C
CHO
C6H13
C CH
CH3
H3C CHON
AcOH2
C CH
CH3
H3C CH CH C
CH3
CH CHO
• ( 2 )异分子醛的交叉缩合• a. 两种醛都含有 α -氢 在碱性催化下,一般 α -碳原子含有活泼氢较少的醛易生成碳负离
子。例:乙醛和丁醛的缩合
C
O
HH3C亲核反应
CH2H3C CH2 C
O
H + OH -- H+
CH2H3C CH2 C
O
H_
+
C2H5
HC C
O
HCHH3C
O_
C2H5
HC C
O
HCHH3C
OH
+ H+ 脱水
C2H5
CH C
O
HH2CH3C
加氢
C2H5
C C
O
HCHH3C
CH2H3C CH2 C
O
H_
• b. 一种醛不含 α -氢原子 常用于制备重要的烯醛。 例:苯甲醛和乙醛缩合可制 β -苯基丙烯醛
C
O
H + C
O
H3C HCH
OH
C
O
CH2 H
HC C
O
CH H- H2O
消除脱水
OH-
• (二)酮酮缩合• ( 1 )对称酮的自身缩合(产物比较单纯) 例:丙酮的自身缩合
• ( 2 )不对称酮的交叉缩合(虽然可以生成四种产物,但是也可以通过可逆平衡使主要生成一种产物)
例:丙酮和甲乙酮的缩合
CH3C O
CH3
CH2H C
O
CH3+OH -
CH3C
CH3
OH
CH2 CH2 CH3
O
4--甲基-4-羟基戊酮-2
CH3C O
CH3
CH3C CH2
O
CH3 CH3C
OH
CH3
C CH2 CH3
O
CH2+
• (三)醛酮交叉缩合 例:甲醛和过量的丙酮缩合
CH3C
O
CH3 C
O
H H+ C
O
H3C CH2 CH2 OH
- H2OCH3C CH
O
CH2
• 二、羧酸及其衍生物的缩合 在亚甲基上除了酯基外,还连有另一个吸电子基时,亚甲基上 α 氢
的酸性明显增加,比醛基和酮基的 α -氢酸性更强,更易脱去质子形成碳负离子,然后与醛、酮、羧酸酯、羧酰胺、氰或卤烷等发生缩合反应。
• 1. Perkin 反应• a. Perkin 反应的定义:
脂肪酸酐在相应的脂肪酸碱金属盐的催化下与芳醛(或不含 α 氢的酯醛)缩合生成 β -芳基丙烯酸类化合物的反应。
Perkin 反应
• b. Perkin 反应的历程
C
C
O
O
CHR
CH2R
O
_
+C HAr
O
CH HC C
R O
O C
O
CH2RAr
O_
亲核加成
R CH2 C ONa
O
R CH2 C O- + Na +
O
C
C
O
O
CH2R
CH2R
O + R CH2 C O-
O
C
C
O
O
CHR
CH2R
O
_
+ R CH2 C ONa
O
脱水CH C C
R O
O C
O
CH2RAr水解
CH C C
R O
OH C
O
RH2CAr + OH
• 说明:• ( a )羧酸酐是活性较弱的亚甲基化合物,而羧酸盐的催化剂又是弱
碱,所以反应温度要求较高( 150℃ ~ 200℃ )。• ( b )催化剂一般用无水羧酸钠,但钾盐的效果好,反应速度快,收
率也高。• ( c ) Perkin 反应的收率与芳醛上的取代基的性质有关。环上带有
吸电子基时,亲核加成反应易进行,收率也较高。反之,环上有供电基时,亲核加成反应较难进行,收率也低,甚至不能反应。
• Perkin 反应的实例: β -苯基丙烯酸(肉桂酸)的制备
C
O
H
+C
O
H3C HHC C
O
HC H
• 2. Knoevenagel 反应• ( 1 ) Knoevenagel 反应的定义:含有强活泼亚甲基的化合物( X
- CH2 - Y )在氨、胺、或它们羧酸盐的催化下,脱质子以碳负离子亲核试剂的形式与醛或酮的羰基碳原子发生 Aldol 型缩合生成 α ,β -不饱和化合物的反应。
• ( 2 )反应通式
式中 R1 、 R2 为酯烃基、芳烃基或氢, X 、 Y 为吸电子基。
R2
R1
O + H2C
X
Y R2
R1
C
X
Y
+ H2O弱碱催化
脱水缩合
• 说明:• ( a )常见的强活泼亚甲基化合物有氰乙酸酯、乙酸乙酰酯、丙二酸
酯、丙二酸、氰乙酯胺、丙二酸单酯单酰胺以及丙二氰和硝基甲烷等。• ( b )常见的催化剂有吡啶、哌啶、乙二胺、氨基丙酸等有机碱、它
们的羧酸盐以及氨和乙酸铵。• ( c )常常用苯、甲苯等有机溶剂共沸带水的方法除去反应中生成的
水,促进反应的进行。•
• ( 3 )常见的 Knoevenagel 反应类型• ①醛酮与 β -酮酸酯的缩合 : 常见的 β -酮酸酯为乙酸乙酰乙酯,利用这种反应可以合成许多类
型的化合物。 例:水杨醛与乙酸乙酰乙酯的反应
CHO
OH O
COCH3
O
+ CH3 CO CH2 COOEt
• ②醛酮和丙二酸的缩合 与丙二酸二酯进行缩合反应的主要是用醛,而酮仅用丙酮和一些脂
环酮,需使用三氧化钛和吡啶来催化。
反应条件不同,丙二酸二乙酯与醛反应可能生成两种不同的产物:
CO
R'
"R
+ CH2(COOEt)2
TiCl3
PyC C(COOEt)2
R'
"R
R-CHO + CH2(COOEt)20 ¡æ R-CH[CH(COOEt)2]2
R-CHO + CH2(COOEt)2¡æ100 R-CH=C(COOEt)2
• ③醛、酮与氰乙酸酯的反应 羰基化合物与氰乙酸酯的缩合产物,因配料不同而异
• 说明:• ( a )一般来说,氰乙酸酯比丙二酸酯活性大。许多酮可以与氰乙酸
酯缩合,但空间位阻影响较大。如上式,如果 R’、 R’’为异丁基,产率只有 40%;如果 R’、 R’’为正丙基,产率可达 80%
CO
R'
"R
+ CH2COOR'''
CN
Cat
C C
R'
"R
CH2COOR'''
CN
CO
R'
"R
CH2COOR'''
CN
+ 2Cat
C C
R'
"R
CHCOOR'''
CHCOOR'''
CN
CN
• 说明:• ( b )在催化剂方面,醛类和氰酸酯的缩合,一般都用仲胺,特别是六氢吡啶。在酮类和氰酸酯的缩合中,空间位阻的大小决定催化剂的种类,位阻小的,可用仲胺;位阻大的,要用醋酸胺在沸苯中回流才能缩合。用铵或胺作催化剂时,要注意有些羰基没有和氰乙酸酯缩合。如:
O
CH
CH3
CH2 COOEtAcOH
N
CH3
O
H
O
CH
CH3
CH2 COOEt
N
CH
CH3
CH2 COOEt
CH2 Ph
+ Ph-CH2NH2
• ④醛、酮与丁二酸酯的缩合 羰基化合物与丁二酸二酯缩合成亚烃基丁二酸单酯,称为 Stobbe
缩合。可用的羰基化合物,除一般的醛和酮外,还包括二酮,酮酸酯和氰基酮。丁二酸二酯包括甲酯、乙酯和叔丁酯,单取代的丁二酸二酯也可以进行该反应。
CO
R'
R"+
CH2
CH2
COOR'''
COOR'''
CatC C
R'
R"
COOR'''
CH2 COOH
• 3. 克来森( Claisen )缩合 含有活泼甲基或亚甲基的羰基化合物,在碱的作用下,脱质子形
成碳负离子,然后去进攻羧酸酯的羰基,经缩合而生成 β -羰基化合物的反应总称为克来森缩合反应。
式中 R , R1 可以为氢原子、脂肪族基、芳香基或杂环基; R2 为任何一种有机基。
• 催化剂: RONa , NaNH2 , NaH 等强碱催化剂。• 应用:制取 β -酮酸酯和 β -二酮的重要方法。
RCOOC2H5 + CH
COR2
H
R1
CH
COR2
RCO
R1
+ C2H5OH
• ( 1 )酯-酯缩合 酯-酯缩合是指含有活泼甲基或亚甲基的羰基化合物,在碱的作用
下,与另一分子的酯缩合成 β -酮酸酯的反应。 强碱性催化剂:无水醇钠、有叔丁醇钾、金属钠、氨基纳、氢化钠
或三苯甲烷钠等。 分类:酯的自身缩合、异酯缩合。
• a. 酯的自身缩合
R' CH2 COOR R' CH2 CO CH
R'
COORB-
+ R-OH A2
• 酯的自身缩合反应历程:
R' CH2 COOR + B- R' CH- COOR + BH B
R' CH2 C
O
OR + R' CH- COOR
R' CH COOR
R' CH2 C
O-
OR C
R' CH COOR
R' CH2 C
O-
OR R' CH2 C
O
CH
R'
COOR + R-O- D
R' CH2 C
O
CH
R'
COOR + B- R' CH2 C
O
CH
R'
COOR-
E
• 实例:乙酸乙酯的自缩合
C
O
OC2H5 +
C2H5ONa
- C2H5OHH3C C
O
OC2H5H3C C
O
OC2H5C
O
C2H5O CH2
• b.异酯缩合• 说明:• ( a )异酯缩合只限于其中一种酯不含 α— 氢的缩合反应。常见的不
含 α— 氢的酯有:甲酸乙酯、乙二酸二乙酯、苯甲酸乙酯等。• ( b )芳香酸酯不够活泼,缩合时要用 NaH 。如苯甲酸甲酯与丙烯
乙酯在 NaH 催化下的缩合:
COOCH3 + CH3CH2COOC2H5
NaHCOCCOOC2H5
CH3
_
C CHCOOC2H5
O CH3
• ( c )乙二酸酯由于一个酯基的诱导效应,增加了另一个羰基的亲电性能,所以容易和别的酯发生缩合反应,但收率很低,需把反应生成的乙醇蒸出。
乙二酸二乙酯的缩合产物,经加热可脱去一分子 CO ,成为取代的丙二酸酯。
C
O
C2H5O C
O
OC2H5
C2H5ONa
CH2COOC2H5 +-C2H5OH
H+ CHCOOC2H5
COCOOC2H5
170¡æ
-CO
CHCOOC2H5
COOC2H5
• ( 2 )酯-酮缩合 酯和酮都含有 α— 氢时,由于酮的活性较大,因此酮易形成碳
负离子进攻酯的羰基,发生亲核加成反应而得 β -二酮类化合物。• 实例:丙酮与乙酸乙酯的缩合
CH3COCH3 + C2H5ONaCH3CCH2
O
_
CH3CH=CH2
O_
+ C2H5OHNa+
RCOC2H5
O
+ CH3CCH2
O_
Na+ RC
O
CH2CCH2
O
+ C2H5ONa
• 说明:• ( a )酯受到酮形成的负碳离子的进攻,酯的羰基碳原子上带的正电荷愈多,则酯的反应活性愈大。酯的活性次序可排列为:
HCOOR 、 ROOC-COOR>CH3COOCH3>RCH2COOC2H5
>R2CHCOOC2H5>R3CCOOC2H5
酯的醇部分性质对酰化活性也有影响,一般为: CH3COOC6H5>CH3COOCH3>CH3COOC2H5
• (b) 在催化剂作用下,若酮比酯更易形成碳负离子,则产物中混有酮自身缩合的副产物;相反,若酯比酮更易形成碳负离子,则产物中混有酯 , 只有不含 α - H 的酯与酮的缩合反应,才会生成纯度较高的产物。
• ( 3 )分子内酯酯缩合 迪克曼反应:分子内的两个酯基被三个以上的碳原子隔开时,就会发生分子间的缩合,形成五员环的酯。这种酯化反应又称迪克曼反应。例,
• 说明:• ( a )用 C2H5ONa 、 C2H5OK , NaH 及 t-C4H9OK 等强碱为催化剂。• ( b ) 反应在高度稀释的溶液内进行,则可抑制二元酯分子间的缩合,从而加大分子内缩合的机率,甚至可以合成更大环的环酯酮类化合物。
2HC
H2C
C
CH2
CH2COOC2H5
OC2H5
O ONa
COOC2H5 H+Na+ 乙醇 ,甲烷
£C 2H5OHC
O
COOC2H5
• ( c )如果分子内两个酯基之间只被三个或三个以下的碳原子隔开时,就不能发生环化酯化反应。但利用这种二元酸酯和不含 α -氢的二元酸酯,进行分子间缩合,同样也可以获得环状碳酸酯。例:
CH3C
H3C
CH2COOC2H5
CH2COOC2H5
+
COOC2H5
COOC2H5
C2H5ONa
-2C2H5OHC
H3C
H3C
CH
CH
CO
CO
COOC2H5
COOC2H5
• 4 . Darzens 缩合• ( 1 ) Darzens 缩合反应的定义 指 α -卤代羧酸酯在强碱的作用下,脱质子生成碳负离子,然后
与醛或酮的羰基碳原子发生亲核加成,再脱去卤素阴离子而生成 α ,β -环氧酯的反应。
• ( 2 )反应通式
• ( 3 )合成应用 由 Darzens 缩合制得的 α , β -环氧酸酯用碱性水溶液使酯基水解,再酸化成游离羧酸,并加热脱羰可制得比原料多一个碳原子的醛或酮。其通式如下:
• ( 4 )应用实例: 由 2 -十一酮制备 2 -甲基十一醛
三.烯键参加的缩合反应• 1. 普林斯( Prins )缩合• ( 1 )普林斯缩合反应的定义 甲醛(或其它醛)与烯烃在酸催化下合成 1 , 3 -二醇或其环状
缩醛( 1 , 3 -二氧六环)的反应称为普林斯( Prins )反应:
RCH=CH2+HCHO H2O
H+
RCH(OH)CH2CH2OHO O
R
• ( 2 )普林斯反应制二元醇• 普林斯反应可以生成较原来烯烃多一个碳原子的二元醇。反应历程如
下:
• 说明:• ( a )该反应常用硫酸、盐酸、磷酸、路易斯酸以及强酸性交换树脂
作催化剂。• ( b ) 反应生成 1 , 3 -二醇和环状缩醛的比例取决于反应条件。
• 2 .狄尔斯-阿德耳缩合• ( 1 )狄尔斯-阿德耳缩合反应的定义 指含有烯键或炔键的不饱和化合物能和链状或环状含有共轭双烯的
化合物发生 1 , 4加成反应(对于烯键或炔键的不饱和化合物是 1 ,2 加成反应),生成六员环型的氢化芳香族化合物的反应。该反应又称双烯缩合反应,该缩合发生在双烯体 A 和亲双烯体B之间:
• 说明:• ( a )双烯键上含有给电子基团者,则可加速反应,在亲双烯体上,凡含有吸电子基团的,都有利于反应顺利进行,且这种成环缩合,没有任何小分子化合物生成,反应只需要光或热的作用,且不受催化剂
或溶剂的影响,反应产率一般都很高。
Z
+
ZA B
• ( b )常见双烯体的种类
表 7-7-03 双烯烃的种类
种 类 实例
脂肪族链状共轭双烯烃
丁二烯、烷基丁二烯、芳基丁二烯
脂肪族环状共轭双烯烃
环戊二烯、 1-乙烯基环乙烯
芳香族化合物 蒽、 1-乙烯基萘、 1- α-萘基- 1-环戊烯
杂环化合物 呋喃
• ( c )常见亲双烯体的种类
表 7-7-04 亲双烯体的种类
种类 实例 CH2= CHZ Z可为- H、- CHO、- COOH
ArCH= CHZ Z 可为- CHO、 -COOH 、— COOC2H5
CH2= CZ2 Z 可为- COOH、- COOC2H5、- CN、— X
ZCH= CHZ Z 可为- COOH 、— COOC2H5
醌类 苯醌、萘醌ZC CZ Z可为 -COOH 、— COOCH3
• ( 4)反应历程 狄尔斯-阿德耳反应是由环状过渡状态进行的反应,反应中旧键的断裂和新键的生成是协同进行的,没有过渡态,属于协同反应。其历程可表示如下:
CH3
+
CHOCHO
H3C
CHO
CH3
• ( 5 )实例:由丁二醛和萘醌制中间体蒽醌
四、缩合反应的合成例子——香豆素的合成
• 1.Perkin 法合成香豆素 O O
OH ONa
CHO+ 4NaOH +CHCl3
+ 3NaCl + 3H2O
ONa
CHO Ac2O
OCOCH3
CHO
O O
OCOCH3
CHO
Ac2O
NaOAc
• 2 . Knoevenagel 反应
• 3 . Pechmann 反应
O O
OH
CHO H2C
COOEt
COOEt
+
COOEt
O O
OH
+ H2O+ HOOC CH2 CHO
五、缩合反应的工业实例——4-甲基香豆素的制备