有机化学课程教案 授课题目(教学章节或主题)∷:第十一章.醛和酮|授课类型|理论课 第1周第55-60 授课时间 教学目标或要求:了解醛和酮的分类,命名及同分异构现象。了解醛酮亲核加成反应 历程及其制备方法。重点掌握亲核加成反应的反应历程。 教学内容(包括基本内容、重点、难点) 醛、酮 本章的重点是醛、酮的重要反应及其应用和有关反应机理。重要反应有亲核加成反应、缩合反应、 α-H取代反应和氧化还原反应等。反应机理主要指亲核加成机理、羟醛缩合机理等。难点是对结 构与性质的关系、影响醛、酮亲核加成反应的因素和反应的立体选择性的认识和理解 1.结构与性质 醛、酮的性质主要决定于其官能团羰基和与羰基相连的烃基的结构。羰基决定了醛、酮容易发 生亲核加成反应,α-氢取代反应等,而与之相连的烃基的结构则决定了醛、酮反应的速度和反应 产物的构型。 羰基是碳原子和氧原子由一个σ键和一个π键形成的双键。由于氧原子的电负性大于碳原子, 碳氧之间成键电子云总是偏向氧,使得羰基碳带部分正电荷,而羰基氧带部分负电荷。由于羰基碳 和与之相连的三个原子处于同一个平面上,亲核试剂可以从其上面或下面即与该平面垂直的方向进 攻羰基而不会受到太大的阻碍,因此羰基碳相当活泼,容易受到亲核试剂的进攻而发生亲核加成反 应。同时,α-氢原子由于受羰基的影响也变得活泼,容易发生α-H的取代反应。 2.醛、酮的亲核加成反应活性和加成的立体选择性 醛、酮与亲核试剂的加成可用下面的通式表示 Nu-c-0+N
Nu - R R C O R R Nu C R R R R O O - H + Nu C Nu C OH 慢 δ δ 慢 - - 有机化学 课程教案 授课题目（教学章节或主题）：第十一章．醛和酮 授课类型 理论课 授课时间 第 1 周第 55-60 节 教学目标或要求：了解醛和酮的分类，命名及同分异构现象。了解醛酮亲核加成反应 历程及其制备方法。重点掌握亲核加成反应的反应历程。 教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 醛、酮 本章的重点是醛、酮的重要反应及其应用和有关反应机理。重要反应有亲核加成反应、缩合反应、 α-H 取代反应和氧化还原反应等。反应机理主要指亲核加成机理、羟醛缩合机理等。难点是对结 构与性质的关系、影响醛、酮亲核加成反应的因素和反应的立体选择性的认识和理解。 1．结构与性质 醛、酮的性质主要决定于其官能团羰基和与羰基相连的烃基的结构。羰基决定了醛、酮容易发 生亲核加成反应，α-氢取代反应等，而与之相连的烃基的结构则决定了醛、酮反应的速度和反应 产物的构型。 羰基是碳原子和氧原子由一个σ键和一个π键形成的双键。由于氧原子的电负性大于碳原子， 碳氧之间成键电子云总是偏向氧，使得羰基碳带部分正电荷，而羰基氧带部分负电荷。由于羰基碳 和与之相连的三个原子处于同一个平面上，亲核试剂可以从其上面或下面即与该平面垂直的方向进 攻羰基而不会受到太大的阻碍，因此羰基碳相当活泼，容易受到亲核试剂的进攻而发生亲核加成反 应。同时，α-氢原子由于受羰基的影响也变得活泼，容易发生α-H 的取代反应。 2．醛、酮的亲核加成反应活性和加成的立体选择性 醛、酮与亲核试剂的加成可用下面的通式表示：
反应分两步进行,第一步决定反应的总速率,因而加成反应的难易与羰基碳原子上的正电性大小、 R体积的大小以及亲核试剂的亲核性大小有密切关系。当外界条件相同时,亲核反应的难易主要决定于 醛、酮本身的结构,即羰基本身的活性。 醛、酮的活泼性有显著的差异。首先,羰基碳的正电性是影响亲核加成反应难易的主要因素之 当与羰基相连的基团为推电子基团(+Ⅰ效应)时,羰基碳原子的正电性减小,不利于亲核试 剂的进攻:当羰基与芳环直接相连时,由于共轭效应,羰基的正电荷发生离域而分散到芳环中,也 不利于亲核试剂的进攻。其次,与羰基相连的烃基的空间阻碍对加成试剂的进攻也产生影响。尽管 羰基的平面结构使之易受到亲核试剂的进攻,但加成后的过渡态为四面体构型,即羰基碳原子由 sp2杂化变成了sp3杂化,与之相连的基团之间的拥挤程度增加,所以在这一反应中必然有适度的立 体阻碍。与羰基相连的烃基越大,加成试剂越难靠近羰基,且形成的四面体过渡态更拥挤,加成反 应越难进行。另外,对脂环酮来说,还存在角张力的问题。环丁酮具有较大的角张力,从平面结构 的>C=O转变为四面体结构缓解了角张力:环戊酮则不存在张力的缓解,反应中存在的是键的扭张 力,从sp变为sp3时,五员环中oH与H邻近有重叠现象;环己酮转化为环己醇时,没有环键重 叠构象,所以环键扭力很小。 综合电子效应和空间效应,一般说来,醛的活泼性大于酮、脂肪族醛、酮的活泼性大于芳香族醛、酮。 甲醛的活泼性大于一般的醛、酮。醛、酮亲核加成反应由易到难的活性次序为: ICHO>CH3 CHO>C6Hs CHO>CH3 COCH3>CH3 COR>RCOR>RCOC6H 当羰基邻位碳原子为手性碳原子时,亲核加成具有一定的立体选择性 Cram规则一:当用 LIAIH4和NaBH4或格氏试剂与羰基加成,亲核试剂从M和S基团之间进 攻羰基得到主要加成产物。基团的大小顺序为L>MS Cram规则二:当羰基邻位的不对称碳原子上有-OH,NH2等能与羰基形成分子内氢键的基团 时,亲核试剂从含氢键环的空间阻碍小的一边与羰基加成 3.酸碱性对醛、酮亲核加成反应的影响 醛、酮的亲核加成反应除了与醛、酮本身的结构有关外,介质的酸碱性也对其加成反应速度和加成机理 有很大影响,如: 醛、酮在与HCN加成时,碱对该反应的影响较大,决定反应速率的步骤为CN对羰基的进攻, 而碱可以破坏HCN的电离平衡,增大CN离子的浓度;酸对此反应无催化作用 醛、酮与醇生成缩醛、缩酮的反应为酸催化反应,这也是缩醛、缩酮在酸中不稳定,而对碱较 稳定的原因。利用这一点可在有机反应中保护醛或酮 醛、酮与氨的衍生物加成时酸度的影响较大。酸的作用是使羰基质子化,增加了羰基碳的正电 性,有利于亲核试剂的进攻,因此就羰基化合物来说,高酸度对加成有利;但酸度过高,氨及其衍
反应分两步进行，第一步决定反应的总速率，因而加成反应的难易与羰基碳原子上的正电性大小、 R 体积的大小以及亲核试剂的亲核性大小有密切关系。当外界条件相同时，亲核反应的难易主要决定于 醛、酮本身的结构，即羰基本身的活性。 醛、酮的活泼性有显著的差异。首先，羰基碳的正电性是影响亲核加成反应难易的主要因素之 一。当与羰基相连的基团为推电子基团（+I 效应）时，羰基碳原子的正电性减小，不利于亲核试 剂的进攻；当羰基与芳环直接相连时，由于共轭效应，羰基的正电荷发生离域而分散到芳环中，也 不利于亲核试剂的进攻。其次，与羰基相连的烃基的空间阻碍对加成试剂的进攻也产生影响。尽管 羰基的平面结构使之易受到亲核试剂的进攻，但加成后的过渡态为四面体构型，即羰基碳原子由 sp2 杂化变成了 sp3 杂化，与之相连的基团之间的拥挤程度增加，所以在这一反应中必然有适度的立 体阻碍。与羰基相连的烃基越大，加成试剂越难靠近羰基，且形成的四面体过渡态更拥挤，加成反 应越难进行。另外，对脂环酮来说，还存在角张力的问题。环丁酮具有较大的角张力，从平面结构 的>C=O 转变为四面体结构缓解了角张力；环戊酮则不存在张力的缓解，反应中存在的是键的扭张 力，从 sp2 变为 sp3 时，五员环中 OH 与 H 邻近有重叠现象；环己酮转化为环己醇时，没有环键重 叠构象，所以环键扭力很小。 综合电子效应和空间效应，一般说来，醛的活泼性大于酮、脂肪族醛、酮的活泼性大于芳香族醛、酮。 甲醛的活泼性大于一般的醛、酮。醛、酮亲核加成反应由易到难的活性次序为： HCHO>CH3CHO>C6H5CHO>CH3COCH3>CH3COR>RCOR>RCOC6H5 当羰基邻位碳原子为手性碳原子时，亲核加成具有一定的立体选择性。 Cram 规则一：当用 LiAlH4 和 NaBH4 或格氏试剂与羰基加成，亲核试剂从 M 和 S 基团之间进 攻羰基得到主要加成产物。基团的大小顺序为 L>M>S。 Cram 规则二：当羰基邻位的不对称碳原子上有-OH，-NH2 等能与羰基形成分子内氢键的基团 时，亲核试剂从含氢键环的空间阻碍小的一边与羰基加成。 3．酸碱性对醛、酮亲核加成反应的影响 醛、酮的亲核加成反应除了与醛、酮本身的结构有关外，介质的酸碱性也对其加成反应速度和加成机理 有很大影响，如： 醛、酮在与 HCN 加成时，碱对该反应的影响较大，决定反应速率的步骤为 CN—对羰基的进攻， 而碱可以破坏 HCN 的电离平衡，增大 CN—离子的浓度；酸对此反应无催化作用。 醛、酮与醇生成缩醛、缩酮的反应为酸催化反应，这也是缩醛、缩酮在酸中不稳定，而对碱较 稳定的原因。利用这一点可在有机反应中保护醛或酮。 醛、酮与氨的衍生物加成时酸度的影响较大。酸的作用是使羰基质子化，增加了羰基碳的正电 性，有利于亲核试剂的进攻，因此就羰基化合物来说，高酸度对加成有利；但酸度过高，氨及其衍
生物易发生质子化而形成铵离子,从而缺乏未共享电子对而丧失亲核能力,因此,就氨及其衍生物 来说,低酸度对加成有利。 对于醛、酮的卤代反应,酸碱都有催化作用,但不同催化条件下卤代产物不同。酸催化下 般得到一卤代物:碱催化下,由于卤原子的吸电子作用,使α-氢的酸性增强,生成的碳负离子 更稳定,反应不易停留在一卤代物阶段,一般生成多卤代物。 醛与碱(如氢氧化钠)反应时则因碱的浓度不同发生不同的反应。在稀碱溶液中,醛易发生 羟醛缩合反应得到β-羟基醛或加热后脱水得到a,β-不饱和醛;在浓碱溶液中,醛则发生氧化还原 反应得到一分子酸和一分子醇 总之,与大多数反应一样,酸碱是影响反应速度和产物的重要因素之一,在有机反应中必须严格 控制反应条件,以达到预定的目的 4.羰基的烯醇化 含α-氢的羰基化合物中的羰基总是使α-氢呈一定的酸性。由于α-氢的酸性较弱,其共轭碱负 碳离子是强碱性的,而且非常活泼,在有机反应中,往往表现出强的亲核性。如醇醛缩合反应就是 从一个醛或酮分子所生成的碳负离子作为亲核剂加成到另一个醛或酮的羰基上。碳负离子的形成及 其稳定性,可以从羰基化合物的烯醇互变来解释。 含α-氢的羰基化合物在碱的作用下失去α-氢变成碳负离子,由于羰基的影响,生成烯醇负离 C=CH 正是由于烯醇式与酮式存在着互变,使得羰基化合物的反应呈现出多样性。羰基化合物α-氢 的各种反应,酸碱对反应的影响特别是酸的催化作用等,都是烯醇互变的结果。 教学手段与方法:课堂讲授,幻灯投影谱图 思考题、讨论题、作业:第348面,1,2,3,4,5,6,7,8,9,11,12,14, 15,17,20题
_ CH O C CH2 _ O C C CH O B - 慢慢 慢慢慢 生物易发生质子化而形成铵离子，从而缺乏未共享电子对而丧失亲核能力，因此，就氨及其衍生物 来说，低酸度对加成有利。 对于醛、酮的卤代反应，酸碱都有催化作用，但不同催化条件下卤代产物不同。酸催化下， 一般得到一卤代物；碱催化下，由于卤原子的吸电子作用，使α-氢的酸性增强，生成的碳负离子 更稳定，反应不易停留在一卤代物阶段，一般生成多卤代物。 醛与碱（如氢氧化钠）反应时则因碱的浓度不同发生不同的反应。在稀碱溶液中，醛易发生 羟醛缩合反应得到β-羟基醛或加热后脱水得到α,β-不饱和醛；在浓碱溶液中，醛则发生氧化还原 反应得到一分子酸和一分子醇。 总之，与大多数反应一样，酸碱是影响反应速度和产物的重要因素之一，在有机反应中必须严格 控制反应条件，以达到预定的目的。 4． 羰基的烯醇化 含α-氢的羰基化合物中的羰基总是使α-氢呈一定的酸性。由于α-氢的酸性较弱，其共轭碱负 碳离子是强碱性的，而且非常活泼，在有机反应中，往往表现出强的亲核性。如醇醛缩合反应就是 从一个醛或酮分子所生成的碳负离子作为亲核剂加成到另一个醛或酮的羰基上。碳负离子的形成及 其稳定性，可以从羰基化合物的烯醇互变来解释。 含α-氢的羰基化合物在碱的作用下失去α-氢变成碳负离子，由于羰基的影响，生成烯醇负离 子。 正是由于烯醇式与酮式存在着互变，使得羰基化合物的反应呈现出多样性。羰基化合物α-氢 的各种反应，酸碱对反应的影响特别是酸的催化作用等，都是烯醇互变的结果。 教学手段与方法：课堂讲授，幻灯投影谱图。 思考题、讨论题、作业：第 348 面，1，2，3，4，5，6，7，8，9，11，12，14， 15，17，20 题)
参考资料(含参考书、文献等) 1. Solomons, Organic Chemistry, fifth adition 2.Oxford; Organic Chemistry 3.北京大学,有机化学 4.南京大学,有机化学,(上,下) 5.邢其毅,有机化学,(上,下) 注:1、每项页面大小可自行添减;2一次课为一个教案;3、“重点"、“难点"、“教学手段 与方法”部分要尽量具体;4、授课类型指:理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题 课等
参考资料（含参考书、文献等）： 1. Solomons, Organic Chemistry, fifth adition 2. Oxford; Organic Chemistry 3. 北京大学， 有机化学 4．南京大学， 有机化学，（上，下） 5．邢其毅，有机化学， （上，下） 注：1、每项页面大小可自行添减；2 一次课为一个教案；3、“重点”、“难点”、“教学手段 与方法”部分要尽量具体；4、授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题 课等
