Transcript 第九章醇和酚
第九章 醇和酚 有机含氧化合物: ROH ArOH ROR' 醇 酚 醚 O R C OH 羧酸 O O R C 醛 O H R C R' 酮 O R C Y (Y: X, OR', OCR', NHR') 羧酸衍生物 OH 羟基(hydroxyl group) 醇和酚的官能团 C OH 醇 (alcohols) Ar OH 羟基直接与饱和碳原子—— sp3杂化碳原子连接。 羟基直接与芳环上的碳原子 酚 (phenols) 连接。 9.1 醇的分类、命名和结构 一、 醇的分类 1、 按羟基上所连接的碳原子种类分类: ´ ² ¼ ´ ¼ Ö Ù ® ´ ¼ Ê å ´ ¼ CH3 CH3CH2CH2OH CH3CHCH3 OH CH3CCH3 OH 2、按醇中所含羟基数目分类: ´ ¼ 一 元醇 多 元醇 二 元醇 CH3CH2OH 多 元醇 CH2 CH2 CH2 CH CH2 OH OH OH OH OH 3、 按与羟基相连的烃基 CH3CH2CH2CH2OH 饱和醇 丁醇 脂肪醇 不饱和醇 醇 芳香醇 CH2CH2OH 2–苯基乙醇 CH2 CHCH2OH 烯丙醇 HC CCH2OH 2–丙炔醇 二、 醇的命名 1. 普通命名法:烃基的名称 + “醇” CH2 CHCH2 OH CH3OH 甲醇(木精) CH2OH 苯甲醇 苄醇 CH3 CH3 烯丙醇 CHCH2OH 异丁醇 OH 环己醇 2.系统命名法 •选择含有羟基的最长的碳链作为主链; • 从靠近羟基的一端编号; • 按主链碳原子数称“某醇”,并在名称前 醇为大 标明羟基的位次。 CH3CH-CHCH3 CH2=CHCH2OH OH CH3 3–甲基–2–丁醇 CHCH3 2-丙烯-1-醇 HO CH3 OH 1–苯(基)乙醇 4-甲基环己醇 三、 醇的结构 醇分子中氧原子采取不等性sp3杂化,具有 四面体结构: 未共用 4 2 电子对 O:2s 2p 杂化 s p H O R sp3 O—Hσ键 C-Oσ键 9.2 醇的物理性质 1.气味与状态:C1-C4 有酒味的流动液体;C5-C11 油脂味的油状液体;>C15无臭无味,蜡状固体,苯 乙醇有玫瑰香。 2.沸点:一元低级醇的沸点比相应的烷烃高得多。 醇能形成分子间氢键: 甲醇 乙烷 bp(℃) 65 –88.6 R H H O R O H O R 原因:醇分子之间通过氢键互相缔合;(正如水的沸 点反常高一样) 甘油(丙三醇,分子量92):沸点290℃,粘稠液体。 氯丁烷(分子量92 ):沸点78.6 ℃ 木糖醇(戊五醇):白色晶体或白色粉末状晶体。 熔点 92-93℃。(十一烷:bp 195.9 ℃, mp -26 ℃) •防龋齿:木糖醇不被口腔 中产生龋齿的细菌发酵利用 而产生酸;并能促进唾液分 泌,中和口腔酸度,减少牙 齿的酸蚀。 3.溶解度: 醇在水中有一定的溶解度。 C3以下醇与水混溶,C4以上随C数↑,溶解度↓。 原因: a. 醇与水可形成分子间氢键: R H R H R H-O H-O H-O H-O H-O b. 随C数↑,R在ROH中比例↑,而R一般是疏水的。 分子中羟基越多,在水中的溶解度越大。 9.3 醇的化学性质 醇的反应部位: H C O 消除反应 弱碱性 H Nu: 亲核取代 反应 C C H C O H C H C 氧化反应 H A O H 质子化 H O 弱酸性 H 一、 醇的酸碱性 1、 醇的酸性 R 共 轭 酸 O H + O 醇 H H R H O + H O H 烷氧负离子 水合离子 共 轭 碱 剧烈 缓和 醇钠遇水即水解: RONa + H2O 较强碱 较强酸 酸性:H2O ﹥ROH ROH + NaOH 较弱酸 较弱碱 工业上为了避免使用昂贵的、有危险的金属 钠,有时用NaOH与甲醇或乙醇反应生成甲醇钠 或乙醇钠,同时采取措施除去生成的水,使平衡 朝着生成醇钠的方向进行。 加苯带走水 生成RONa的速度: 30ROH <20ROH < 10ROH < CH3OH 酸性:甲醇﹥伯醇﹥仲醇﹥叔醇 比较酸性大小的方法: •共轭碱越弱,则酸性越强 •共轭碱越稳定 则酸性越强。 解释:体积小的烷氧基负离子的溶剂化效应好,故在 水溶液中稳定、容易生成,即醇的酸性较强。 H H-OH H H C O- H-OH H H-OH H H H C H C C O- H H C H H H-OH 练习: 1.比较 ClCH2CH2OH和CH3CH2OH的酸性强弱? 氯原子的拉电子诱导效应使负电荷分散,稳定: Cl CH2 CH2 O- 稳定性£ºClCH2CH2O-©ƒCH3CH2O- 所以酸性:ClCH2CH2OH﹥CH3CH2OH 2.比较CH3CH2ONa 和(CH3)3CONa的碱性强弱? 因为酸性: CH3CH2OH ﹥ (CH3)3COH 所以碱性:CH3CH2ONa ﹤ (CH3)3CONa 2、醇的碱性 盐的生成:醇与强酸作用,羟基质子化 H CH3CH2 O CH3CH2 O H + H2SO4 如同水: O H 盐 H H H+ O H H 醇既是酸,又是碱——似水性 R OH2 Ç¿Ëá R OH Ç¿¼î R O H HSO4 ―OH 质子化的意义: 很不好的离去基团 ―OH 好的离去基团 H 2O 离去基的碱性越弱越易离去 例:X-比-OH易离去(碱性: X-﹤-OH) H2O 比―OH易离去 (酸性:H3+O﹥H2O 碱性: H2O﹤-OH ) 所以醇的反应均在酸条件下。 二、羟基被卤原子取代 1、与HX作用 R OH + HX R X + H2O • HI>HBr>HCl; (原因:酸性:HI>HBr>HCl) •由于在酸条件下生成yang盐,首先脱去水分子,生成碳 正离子,烯丙型醇、苄基型醇、 叔醇、仲醇、带支链的 伯醇以SN1反应为主!直链伯醇和甲醇以SN2反应为主! • 烯丙醇(芐醇)>30ROH>20ROH>10ROH < CH3OH •常伴有重排现象。 SN1机理 好的离去基团 较差离去基团 重排产物是证明: CH3 CH3 CH CH3 CH3 CH CH3 HBr CH3 CH CH CH3 + CH3 C CH2 CH3 OH Br R CH CHCH2OH ZnCl2/HCl R CH CHCH2Cl Br R CH CH CH2 Cl 重 排 机 理 : CH3 CH3 + H H3C C CHCH3 H3C C CHCH3 ZnCl2/HCl H OH H CH3 CH3 - H3C C CHCH3 Cl H3C C CHCH3 H Cl H + + -H O Br 2 RCH=CH-CH2OH2 RCH=CH-CH2 + RCH-CH=CH2 Br- 例: CH3 OH + H H CH3 CH3 ¼×»ù + CH3 CH3 + 1£¬2¡ªÇ¨ÒÆ CH3 ÑÇ»ù 1£¬2¡ªÇ¨ÒÆ _ H+ C + CH3 CH3 CH3 _ H CH3 + CH3 CH3 Lucas试剂(无水ZnCl2/HCl): 利用反应速度 10ROH < 20ROH < 30ROH 用于鉴别小于六个碳的伯、仲、叔醇: 溶于Lucas试剂 不溶于Lucas试剂,立即浑浊 仲醇 Lucas试剂 几分钟以后有浑浊 伯醇 Lucas试剂 加热以后有浑浊 2、与卤化磷的反应 RCH2 RCH2 OH + Br2P PBr3 OH Br -Br- RCH2 Br RCH2 OPBr2 Br- RCH2 H 醇与PX3反应,通常按SN2机理进行。 特点: •无重排产物 •反应的立体化学特征:构型反转。 Br + HOPBr2 3、 与亚硫酰氯的反应 RCH2 OH + Cl S RCH2 Cl HCl O RCH2+ O O S O Cl RCH2 S Cl + SO2 O Cl SNi机理( Substitution Nucleophlic internal) 特点:构型保持,无重排 醇的三种取代反应的立体化学一览 外消旋化 构型翻转 构型保持 CH3 CH3 H3C C CH2 CH2-X H3C C CH2 CH2-OH CH3 CH3 CH3 H3C C CH2 CH2-OH CH3 CH3 PBr3 »òSOCl2 H3C C CH2 CH2-X CH3 CH3 HBr H3C C CH CH3 Br CH3 三、 消除反应(脱水反应) 1.分子内脱水 CH3CH2OH H2SO4 170OC CH2=CH2 + H2O 特点: 质子酸催化,各类醇均按E1机理进行, 有重排现象。 遵循Saytzeff规则 脱水速率: 叔醇 ﹥ 仲醇 ﹥ 伯醇 E1机理: H+ C C H OH C H -H2O C + OH2 C -H+ C H3C C + CH CH3 CH3 OH H -H2O 3OC+ H CH3 H3C C C H 碳正离子中间体发生重排: CH3 C H 1,2-¼×»ùÇ¨ÒÆ CH2 CH2 H3C C CH3 2OC+ CH3 CH3 -H+ -H+ H3C C CH3 H3C C CH CH3 C CH3 CH2 C CH3 CH3 CH3 主要产物 遵循Saytzeff规则 , CH3CH2CHCH3 H2SO4 加热 CH3CH=CHCH3 Saytzeff rule OH CH3 H2SO4 a OH CH3 a. CH3 b. 在质子酸催化下,易于重排: 例1:CH3CH2CH2CH2OH H + CH3CH2CHCH2 。+ (1 C ) -H+ H+ + CH3CH2CH2CH2OH2 重排 1,2-氢迁移 + CH3CH2CHCH3 。+ (2 C ) CH3CH2CH=CH2 (次要产物) -H2O(慢) -H+ H + CH3CH2CHCH2 。+ (1 C ) CH3CH=CHCH3 (主要产物) 推测反应机理: CH3 CHCH3 H+ OH ¦¤ £ H+ H+ CHCH3 £ H2O OH2 + CH3 CHCH 3 + + 若采用氧化铝为催化剂,醇在高温气相 条件下脱水,往往不发生重排。例如: 75%H2SO4 CH3CH2CH2CH2OH 。 140 C Al2O3 。 350 C CH3CH2CH=CH2 CH3 CH3 H3C C CH3CH=CHCH3 CH CH3 OH Al2O3 CH3 气相,△ H3C C CH CH2 CH3 2. 分子间脱水——生成醚(单醚) CH3CH2 OH + H OCH2CH3 用于单醚的制备 H2SO4 1400C CH3CH2OCH2CH3 SN反应机理 讨论:混醚,如甲基异丙基醚用什么原料合成? CH3-I + Na OCH-CH3 CH3 CH3OCHCH3 CH3 —Williamson合成法 问题:为什么不用CH3ONa和ICH(CH3)2合成? SN2机理: 第一步:羟基质子化 + CH3CH2 OH + H CH3CH2 O H H 第二步:另一分子醇作为亲核试剂进攻中心C。 CH3CH2 OH + CH3CH2 O H SN2 H CH3CH2 O CH2CH3 + H2O 慢 H 第三步:失去质子, 生成醚 CH3CH2 O CH2CH3 H + CH3CH2 O CH2CH3 + H 醇的分子内脱水与其分子间脱水是竞争反应: CH3CH2OH CH3CH2 H2SO4 170OC OH + H OCH2CH3 CH2=CH2 + H2O H2SO4 1400C CH3CH2OCH2CH3 低温利于生成醚,高温利于生成烯。 分子间脱水以伯醇为好, 分子内脱水叔醇﹥仲醇﹥伯醇 例:环己烯的合成 环己烯用于有机合成、油类萃取及用作溶剂 四、醇的 氧化和脱氢 1. 一元醇的氧化 O ROH [O] O R C H [O] R C 伯醇先成醛,后成酸; 仲醇氧化成酮; 叔醇一般不被氧化。 R R' C OH [O] 不反应 R" •应用之一:鉴定伯、仲醇。 常用氧化剂:K2Cr2O7、CrO3、 KMnO4 OH K2Cr2O7 H2SO4,H2O FCH2CH2CH2OH CH3CH(CH2)5CH3 O FCH2CH2 C OH K2Cr2O7 H2SO4 OH CH3C(CH2)5CH3 O 96% 采用较温和的氧化剂使伯醇的氧化停止在醛: PCC: CrO3/HCl,吡啶 氯铬酸吡啶盐(pyridinium chlorochromate) Sarett试剂: CrO3/吡啶 只是sarett为弱碱性试剂,而PCC为酸性试剂 CH2OH PCC CHO •CrO3试剂将反应控制在生成醛这一步: CH3 CH2Cl2 (C2H5)2C CH2OH + PCC 25 C CH3 O (C2H5)2C C H •PCC、Sarret试剂还不氧化 C=C 键: O PCC CH2OH CH Cl 2 2 C H 香茅醛 (82%) KMnO4 有柠檬、百合、玫瑰香气。 O + HOOC COOH 路警所用的呼吸器 CH3CH2OH + Cr2O72- 橙红 CH3CHO K2Cr2O7 + Cr3+ ÂÌÉ« CH3COOH (若用酸性KMnO4,只要有痕迹量的乙醇存在,溶 液颜色即从紫色变为无色,故仪器中不用KMnO4)。 酒后驾车:20-80ml乙醇 ∕100ml血液 醉酒驾车:80ml以上乙醇 ∕ 100ml血液 2. α–二醇的氧化 α–二醇与HIO4作用, C―C 键断裂,生 成羰基化合物: OH OH R-CH-CH 2 O HIO 4 R-C-CH-CH 2OH O OH R-C-H CH 2O + HIO 3 + H 2O 醛 HIO 4 AgNO 3 AgIO 3 白 RCOOH + HCOOH + HCHO 当中的碳原子被氧化为甲酸。 •非邻二醇不发生上述反应,可鉴别邻二醇类化合物。 • 确定相邻的二元或多元醇或α-羟基醛或酮的结构。 例:用高碘酸分别氧化两个邻二醇,所得产 物如下,这两个邻二醇的结构式? ⑴只得一种化合物:CH3COCH2CH3 OH OH CH3CH2 C C CH2CH3 CH3 CH3 ⑵得一个醛和一个酮:HCHO和CH3COCH3 五.频哪醇重排 两个羟基都连在叔碳上的α-二醇称为频哪醇 (pinacol)。 在酸性溶液中,频哪醇失去一分子水,重排得 到不对称酮。例如: CH3 CH3 CH3 C C OH OH CH3 H+ 重排 2,3–二甲基–2,3–丁二醇 (频哪醇) CH3 CH3 C C CH3 CH3O 3,3–二甲基(–2–)丁酮 (频哪酮) 反应机理: CH3 CH3 CH3 C C CH3 OH OH CH3 CH3 H+ CH3 C C CH3 a H2O OH c eH+ CH3 C C CH3 CH3OH CH3 d CH3 C C CH3 CH3O 重排动力: CH3 C C CH3 H2O OH CH3 CH3 重排 b CH3 CH3 CH3 C C CH3 CH3OH a.生成 盐 b.脱水 c. 1,2-迁移 d.碳正离子变为氧正离子 e.生成酮 C C OH OH C 更稳定 如: H+ ? HO HO O 重排生成酮 偶联反应 酮 (丙酮) 频哪醇 OH OH 频哪酮 O 不对称邻二醇 H H 3C C CH3 C CH3 H2SO4 HSO4 OH OH H H3C C H H 3C C - CH3 C CH3 OH OH2 C CH3 OH CH3 (考虑碳正离子稳定性) H C CH3 H3C C OH CH3 + H H3C C O H C CH3 CH3 OH OH Ph H + Ph OH O Ph Ph Ph Ph 偶联反应 频哪醇 酮 (丙酮) 频哪酮 迁移基团:C6H5-﹥RCH3 Ph-迁移 CH3 CH3 C COH OH H2SO4 -H2O CH3-C CO CH3 CH3 C C+ OH (主要产物) CH3-迁移 CH3 C CO CH3 苯基更易容纳一个负电荷! (次要产物) ¦Á R C Éæ¼° ¦Á H µÄ·´ Ó ¦ 氧化 涉及β-H的反应 消除生成烯 £º £º 醇的化学性质小结: O ¼î ÐÔ H H Ëá ÐÔ ôÇ»ù±»È¡ ´ú 酸性比较 珜盐 卢卡斯试剂 沙瑞特试剂 重排 Saytzeff规则 9.4 醇的制法 1、由烯烃合成: CH3CH CH2 H3PO4 + H 2O 300℃,~7MPa CH3CHCH3 OH •硼氢化–氧化反应(反马氏规则加水) CH3(CH2)7CH 1–癸烯 ① B2H6, 二甘醇 CH2 ② H2O2, OH- CH3(CH2)7CH2CH2 OH 1–癸醇(93%) 2、由 Grignard 试剂制备: CH3 MgBr + CH2 CH2 ¢Ù纯醚 ¢ÚH3O O 环氧乙烷 CH3 CH2CH2OH 邻甲基苯乙醇(66%) Grignard 试剂和环氧乙烷反应生成增加2C伯醇。 3、卤代烷的水解: CH2Cl Na2CO3 , H2O 95℃ CH2OH (74%) 9.5 酚的命名和物理性质 一. 酚的命名:芳环名称+“酚” OH OH OH CH3 OH OH 4–甲基苯酚 邻苯二酚 间苯二酚 (儿茶酚) 甲酚 OH OH HO OH OH 对苯二酚 均苯三酚 二. 酚的物理性质 多数酚在室温下是固体,大多数酚有不好闻的气 味,有些有香味。 纯酚是无色的,但往往由于氧化而带有红色至褐 色。 酚类化合物都有杀菌作用,杀菌能力随羟基数目 的增多而增大。 苯酚、甲苯酚等微溶于水,可溶于热水;羟基增 多,水溶性加大。 9.6 酚的化学性质: 难发生SN反应 芳环上的 亲电反应 酸性 易氧化成醌 一. 酚的酸性 OH 较强酸 ONa + NaOH + CO2 + H2O 较强酸 ONa + OH H2O + 较弱酸 较弱酸 NaHCO3 ∴酸性:碳酸>酚>水>醇 酚负离子稳定(p ,π–共轭 效应),酚酸性增强, Note:酚和钠反应不可以用来鉴别酚 反应程度:比水更剧烈,危险! 应用:分离提纯 (水层) OH ONa HCl NaOH OH OH (有机层) OH (有机层) 取代酚的酸性 酚的苯环上连有强吸电子基团,酸性增强。 连有供电子基团的酚,酸性减弱。 √ × 共轭碱越稳定,相应酸的酸性越强。 OH O2N NO 2 OH CH3 NO2 Ka 1.95×10-1 (苦味酸,强酸) 5.24×10-11 取代 酚的酸性常数 pKa (25℃) 取代基 邻 间 ―H ―CH3 ―Cl ―NO2 ―OCH3 9.89 10.20 8.11 7.17 9.98 9.89 10.10 8.80 8.28 9.65 对 9.89 10.17 9.20 7.15 10.21 取代基 pKa (25℃) 2,4 –二硝基 3.96 2,4,6–三硝基 (苦味酸) 0.38 (picric acid) 注:酸性的大小和pKa值成反比。 •取代基在邻、对位时,供电基团使酚的酸性 明显减小;吸电基团使酚的酸性明显增加。 •多硝基取代苯酚的酸性更强。 question 下列取代苯酚的酸性的强弱? OH OH OH OH NO2 O2N O NO2 a b answer NO2 c d >b> c > a d 二、 与三氯化铁显色反应——鉴定 6C6H5OH + FeCl3 [ Fe(OC6H5)6]3- + 6H+ + 3Cl- 具有烯醇式结构的都可发生这样的显色反应, 苯酚也可看作是烯醇式结构的化合物。 C OH C OH OH OH OH OH OH CH3 OH À¼ É« °µÂÌÉ« OH OH À¼ ×Ï É« ÉîÂÌÉ« À¼ ×Ï É« 三、 醚的生成(卤代烃一章有) (CH3)2CHONa + 异丙醇钠 ArOH NaOH CH2Cl 84% 苄氯 ArO Na (CH3)2CH O CH2 异丙基苄基醚 R X ArOR + (X = Cl, Br, I, OSO2OR') NaX SN2反应 四、 酯的生成(羧酸衍生物一章) 五、 酚芳环上的反应 1、卤化(亲电取代) OH OH + 3 Br2 H2O Br Br + 3 HBr 真菌杀灭剂, Br (白) 木材防腐剂。 •用于苯酚的定量定性的鉴定 •低温,低极性或非极性溶剂可得一溴代苯酚 OH OH + Br2 5℃ + HBr CS2 Br 动力学控制产物 反应速率控制 2、 磺化 OH 25¡æ OH (浓)H2SO4 SO3H OH 100¡æ SO3H 产物稳定控制 热力学控制产物 } 100¡æ Ũ H2SO4 OH SO3H SO3H 在引入两个磺酸基后使苯环钝化,与浓硝酸 作用时不易被氧化,同时由于磺化为可逆反应, 两个磺酸基能被硝基置换,生成苦味酸。 OH OH SO3H Ũ HNO3 SO3H O2N NO2 NO2 ——苦味酸合成 •用途:烈性炸药,黄色染料(如动物标记)… 3、 硝化 需稀硝酸;浓硝酸会使芳环氧化 OH OH OH 20%HNO3 25¡æ NO2 + NO2 邻硝基苯酚和对硝基苯酚可用水蒸气蒸馏法分离。 H O O HO N O O HO 沸点:279℃ N O O N O 214℃ • 邻位分子有内氢键,沸点较低,可随水蒸气蒸出来, • 而对硝基苯酚不随水蒸气蒸出。 4、 Friedel–Crafts 反应 •Friedel–Crafts 烷基化反应以对位产物为主: OH OH + (CH3)3CCl HF + HCl C(CH3)3 •当对位有取代基时,烷基进入邻位: OH OH + 2(CH3)2C CH3 CH2 H2SO4 或酸性氧离子交换树脂 C(CH3)3 (CH3)3C CH3 4 –甲基–2,6–二叔丁基苯酚 (Butylated hydroxyltolune) (BHT)用作有机物抗氧剂和食品防腐剂。 酚与AlCl3形成加成物,降低亲电取代反应速率: 所以酚的傅氏反应常用HF、BF3、磷酸等作催化剂。 由于以上原因,醇的付克反应较难 六、 酚的氧化 酚在氧化剂的作用下生成醌: O OH K2Cr2O7 H2SO4, H2O OH 对苯二酚 O 对苯醌 酚的化学性质小结 氧化 酚羟基的酸性 O 芳环上的反应 亲电取代 H 与FeCl3的颜 色反应 9.7 酚的制法 苯酚是从药物 (aspirin)到材料—塑料等多种物 质的原材料,苯酚的年产量为300万吨。 (1) 异丙苯法 + CH3CH CH2 CH CH3 CH3 H3PO4 250℃,加压 CH CH3 CH3 CH3 + O2 95~135℃ C O OH CH3 氢过氧化异丙苯 O H3O+ ~90℃ OH + CH3CCH3 • 原料价廉易得, 可连续化生产; 特 • 副产物丙酮为重要的化工原料; 点 • 此工业方法, 也用于制备β-萘酚, 间甲苯酚等。 (2) 芳卤衍生物的水解 Cl NO2 + 2NaOH ONa 140~150 ℃ 450~550 kPa,5.5h NO2 + NaCl + H2O OH ONa NO2 H2SO4 NO2 (90%) 此法主要用于硝基酚和氯代酚的生产。 (3) 碱熔法 SO3H SO3 H2SO4 OH ¢ÙNaOH, 300¡æ ¢ÚH3O+ CH3 CH3 CH3 甲苯 对甲苯磺酸 对甲苯酚(72%) 此法曾是工业制酚的主要方法, 现用于 其它 酚的制备,如:β–萘酚 在含氮化合物一章中将介绍: 由芳胺制备: N2+ NH2 NaNO2, H2SO4 NO2 0~5¡æ OH H3+O£¬¡ ÷ NO2 NO2