碳负离子的反应
三乙合成法
乙酰乙酸乙酯在碱性条件下经烷基或酰基取代后,再进行酮式分解或酸式分解,可以制备取代的丙酮、β-二酮 (1,3-双官能团)、取代的乙酸(1,4-双官能团)等化合物。也可与α,β-不饱和羰基化合物发生迈克尔加成生成1,5-双官能团化合物。
从上述反应式可以看出,虚线所框部分便是乙酰乙酸乙酯所提供的碳的骨架部分,其余部分由相应的卤代烷、酰卤、α-卤代酸酯或α,β-不饱和羰基化合物提供。由于参与反应的卤代烃可以是二卤代烷,反应通过调节三乙与卤代烃的摩尔比例,可合成链状、环状、双取代丙酮等结构。例如:控制三乙与二卤代烷的摩尔比为1:1,通过两次取代,最后经过水解,可合成环烷基甲基酮。
控制控制三乙与二卤代烷的摩尔比为2:1,通过两次取代,最后经过水解,可合成双甲基酮类化合物。
烃化剂的选择
常用卤甲烷,伯卤烃,伯醇的磺酸酯,烯丙型或苄基型卤烃。
仲卤代烃伴有消除,收率降低;叔卤代烃主要为消除产物,一般不用。
乙烯型或卤苯型卤烃,一般不能反应。
二卤代烃:制备五元/六元环状甲基酮或双甲基酮。
需要进行两次烃化引入烷基时,两个基团反应的先后顺序一般是先上大基团,再上小基团;如两个底物反应活性不同,通常向上活性小的基团,再上活性大的基团。
例1:请以不大于三个碳原子的有机原料合成
分析:化合物中含有取代丙酮的结构,推测可采用三乙合成法来合成。首先找出三乙的结构,途中框起来的区域即来自三乙。其次,与羰基直接相连的碳原子为α-碳,其次为β-碳,逆合成分析时从α,β-间断键,β-位添加卤素,α-位添加酯基,恢复三乙的结构。逆合成分析过程如下:
题目中要求的原料为不超过三个碳原子的有机物,所以,三乙也需要制备。合成路线如下:
三乙由乙酸与乙醇在酸性条件下先发生酯化反应,生成乙酸乙酯,随后乙酸乙酯在碱性条件下发生克莱森酯缩合而生成三乙。随后在醇钠作用下,三乙活泼甲亚基上的氢原子被夺去,生成碳负离子,碳负离子对卤代烃发生亲核取代;这里两种不同的卤代烃:正丙基溴和溴乙烷,先和空间体积大的溴丙烷反应,然后第二次烃化与溴乙烷反应,最后再在碱性条件下水解、酸化、加热、脱羧而生成最终的目标产物。大家也可以思考下有没有其他的合成方法,比较一下哪种路线更加简短、合理。
例2:请以不大于三个碳原子的有机原料合成:
分析:化合物含有α,β-不饱和羰基的结构,此结构来自羟醛缩合反应。逆合成分析首先在此处断开,得到双甲基酮结构。然后找出三乙的结构,在α,β-间断键,得到两分子三乙和一分子二溴甲烷。
1,5-二酮还有另外一种合成方法,就是利用活泼甲亚基化合物与α,β-不饱和羰基化合物的迈克尔加成,具体逆合成分析如下:找出三乙的结构,即取代的丙酮,然后在α,β-间断键,α-位添加酯基变成三乙,β,γ-间添加双键,变成α,β-不饱和羰基化合物,即甲基乙烯基酮。
具体合成路线如下:
从三乙与二溴甲烷的摩尔比为2:1,经两次烃化,多余酯基水解脱羧掉,最后在碱性条件下发生分子内羟醛缩合,得到最终产物。成环这步反应放在水解脱羧前可以吗?我们写写看:
如果先发生分子内的羟醛缩合反应,将会生成化合物A,A中有两个酯基,然后水解脱羧时,只有与2位羰基β-位的酯基才可脱除。因为在羧酸的α-碳上含有吸电子基团,羧基才容易脱除。而化合物A中下面酯基只能水解至羧酸,不能脱除。因此,大家在写出正向合成路线时,一定要考虑反应的前后顺序,反应间有无影响。 下面给出第二种合成路线:
首先甲醛与丙酮在碱性条件下发生羟醛缩合生成甲基乙烯基酮,随后与三乙发生迈克尔加成,左后分子内羟醛缩合和脱羧一步完成。这个题目还有没有其他的合成方法呢?
其实,末端炔烃的水合反应也可以生成甲基酮类的化合物,相应的知识点在炔烃那章,这里给大家个提示:庚-1,6-二炔的水合是可以得到庚-2,6-二酮的,那利用乙炔和1,3-二溴丙烷如何合成庚-1,6-二炔呢?大家试着写写看。
例3:请以不大于两个碳原子的有机原料和甲苯合成:
分析:目标产物中含有酮,右侧含有苯环,如何将这两个官能团引入目标产物呢?添加官能团,创造羟醛缩合骨架是个不错的方法。因为α,β-不饱和醛酮的还原可以得到相应的醛酮,因为当羰基与双键处于共轭状态时,催化氢化的难易程度是双键>醛羰基>酮羰基。具体逆合成分析如下:
首先添加双键,构建羟醛缩合骨架,然后在双键处断裂,得到苯甲醛和1-环戊己乙基-1-酮。苯甲醛可通过甲苯的氧化得到。那如何合成1,4-二卤代丁烷呢?可用如下方法:
乙炔二钠与两分子甲醛的亲核加成;
炔二醇催化氢化,得到1,4-丁二醇;
最后与PBr3作用,得到1,4-二溴丁烷。
也可用下列方法合成:
这个化合物的完整合成路线如下:
以上为三乙合成法的详细讲解。
丙二酸酯合成法
丙二酸酯合成法与三乙合成法类似,主要用于合成取代的乙酸。反应中通过选择卤代烃、酰卤、α-卤代酸酯、α,β-不饱和羰基化合物合成取代乙酸、β-酮酸、1,4-二酸、1,5-双官能团等化合物。
从上述反应式可以看出,虚线所框部分便是丙二酸二乙酯所提供的碳的骨架部分,其余部分由相应的卤代烷、酰卤、α-卤代酸酯或α,β-不饱和羰基化合物提供。由于参与反应的卤代烃可以是二卤代烷,反应通过调节丙二酸酯与卤代烃的摩尔比例,可合成链状、环状、双取代乙酸等结构。例如:控制丙二酸酯与二卤代烷的摩尔比为1:1,通过两次取代,最后经过水解,可合成环烷基羧酸。特别注意,这种方法可以制备小环,如三/四元环羧酸。
控制控制丙二酸酯与二卤代烷的摩尔比为2:1,通过两次取代,最后经过水解,可合成双取代乙酸。
例1:利用丙二酸酯合成法合成下列化合物
逆合成分析路线如下:找出取代乙酸的结构,此结构来自丙二酸酯,与酯基直接相连的碳原子为α-碳,在α,β-间断键,β-位添加卤素,变成卤代烃,即:卤乙烷和卤丙烷。
以下为正向合成路线:
例2:以不大于两个碳原子的有机物为原料合成:
目标产物为双取代的乙酸,具体逆合成分析如下:首先找出取代乙酸的结构,在α,β-间断键,β-位添加卤素,1,2-二溴乙烷,α-位添加酯基,变成丙二酸酯。这里控制丙二酸酯与二卤代烷的摩尔比为2:1.
具体合成路线如下:
原料要求是不大于2个碳的有机物,这里的丙二酸酯需要制备。丙二酸酯的制备方法不是用丙二酸直接酯化来的,因为丙二酸在加热的时候易脱羧。丙二酸酯的合成方法如下:
此外,这个己-1,6-二酸也可由己二腈的水解来合成。
总体而言,三乙合成法与丙二酸酯合成法是类似的,只是合成不同类型的化合物。