Transcript 第16章烯化反应

第十六章
烯化反应
合成烯烃的反应很多，较常用的有消除反
应、还原反应、缩合反应。本章主要讨论与
长链烯烃合成有关的缩合反应，此类反应主
要包括醇醛缩合反应，羰基α—位的烯化反
应、以及近年来广泛应用的羰基烯化反应。
第一节

羰基烯化反应
一、 Wittig反应
磷内翁盐[Phosphorus ylide（磷叶立德）]
与醛或酮作用生成烯烃及氧化三苯膦的反
应，通常称为羰基烯化反应或Wittig反应。
通式如下：
磷内翁盐是活性很高的合成中间体，磷内
翁盐是Wittig反应的重要中间体，所以又
被称之为Wittig试剂。
磷内翁盐的制备一般是由季磷盐和碱在非
质子溶剂中作用脱去一分子卤化氢而得。

用于季磷盐脱卤化氢的碱很多。反应用溶
剂一般是非质子溶剂，有时水也可以用作
溶剂。碱和溶剂的选择主要取决于磷内翁
盐的稳定性，即主要由取代基R1和R2的性
质决定。




当R1和R2为-Ph、-COR、-COOR、-CN等拉电子
基时，因其能使磷内翁盐中α-碳上的负电荷分散
而形成稳定的内翁盐；
当R1和R2为H、脂肪烃基、脂环烃基时，由于R1
和R2不能分散α-碳上的负电荷而使磷内翁盐具有
较低的稳定性和较强的亲核活性。
在制备稳定性较低的内翁盐时，一般选用较强的
碱{如丁基锂、氢化钠等}，需要在惰性气体保护
下，在干燥的不含酸的介质中进行；
当制备稳定性较高的磷内翁盐时，可选用象氨或
碳酸钠那样的弱碱，甚至可以在水溶液中进行。
磷内翁盐与醛或酮的反应即Wittig
反应是按下述过程进行的：



Wittig反应的难易程度取决于反应物内翁盐及醛
或酮的结构。
对于稳定的磷内翁盐，由于R1和R2为拉电子基，
内翁盐α-碳上的负电荷因分散而降低了亲核活性，
在一般情况下不利于Wittig反应的进行。
在不稳定的内翁盐中，R1和R2为推电子基，因而
可以增强内翁盐α-碳上的负电荷而使亲核活性增
加，使之与醛酮的反应容易进行。对于羰基化合
物来说，R3和R4如果是推电子基，羰基碳上的电
子云密度相对增高，不利于内翁盐对羰基进行亲
核反应；R3或R4为拉电子基时，可降低羰基碳上
的电子云密度，因而容易接受亲核试剂的进攻，
有利于反应的进行。一般情况下，醛的反应活性
比酮高，有时脂也能进行Wittig反应，但活性较
酮低。利用羰基不同的活性，可进行选择性的羰
基烯化反应。

Wittig反应所得烯烃可能存在Z、E两种立体异构
体。决定产物中两种异构体比例的因素很多，通
过选择适当的磷内翁盐及改变反应条件（如温度、
溶剂性质、有无盐存在等），可获得一定构型的
产物。一般规律是：较稳定的活性低的磷内翁盐，
生成以E型烯烃为主的产物，但在质子溶剂或含
盐的非极性溶剂中进行反应，可增加产物中Z型
烯烃的比例；而不稳定的活性较高的磷内翁盐立
体选择性较差，一般情况下生成E、Z两种异构体
的混合物。若选用非极性溶剂，可高选择性的生
成Z型产物，而在含盐的非极性溶剂中，E型烯烃
的比例增加。例如：

Wittig反应的高度选择性，常用于制备复杂
的天然产物。另外该反应具有反应条件温
和，产率较高的特点，而且α，β-不饱和羰
基化合物进行反应时，不发生1，4-加成反
应，双键位置固定。利用这些特点，可合
成许多具有共轭双烯结构的化合物。
磷内翁盐与环酮作用，可制备环外双键，且不
发生异构化。当反应在分子内进行时，可形成
具有张力的桥头烯。

Wittig反应采用相转移催化剂，可以避免无
水操作，甚至在氢氧化钠水溶液中即可由
磷盐制得磷内翁盐，后者在相转移催化剂
的作用下进入有机相与醛或酮进行Wittig反
应，得相应的烯烃。

Wittig反应中生成的氧化三苯膦给产物的分
离提纯带来很大困难。为了解决这一难题，
有人将磷内翁盐接到高聚物载体上得到高
分子Wittig试剂。
二、Horner-Emmons改良法


Wittig反应用于长链烯烃的合成具有许多优越性，
但也有不足之处。例如，稳定的叶立德只能与醛
反应，与酮反应困难或不能反应，特别稳定的叶
立德甚至不能与最活泼的醛反应。
近几十年来，Wittig反应发展较块，出现了许多
改良法，其中以Horner-Emmons改良法最为重
要。它是以膦酸酯代替磷内翁盐，与醛或酮类化
合物在碱存在下作用，生成烯烃的反应。反应历
程与Wittig反应类似，也是通过形成四员环过渡
态，然后进行消除，生成烯烃和磷酸二乙酯。
Horner-Emmons改良法和Wittig
反应相比有如下特点：


(1)膦酸酯比较容易制备，可以用亚磷酸酯
和卤代烃作用，经Arbuzow重排反应而得。
磷酸酯对空气、水气及碱不敏感，不需无
氧无水操作，而且膦酸酯较Wittig试剂便宜。
R1、R2可以是氢、芳烃基、烷氧羰基、氰
基、烷氧基等基团。

（2）膦酸酯在碱（如NaNH2、KNH2、
MeCOK、C6H5K、NaH、n-C4H9Li等）作
用下形成的膦酸酯碳负离子，它具有较强
的亲核性，而且比较稳定，能与一些难以
发生Wittig反应的醛酮类化合物作用。

（3）与醛或酮反应，产物的立体选择性受
取代基及反应介质的影响极小，几乎立体
专一性地生成反式（E型）产物。


（4）产品容易分离提纯。因为反应生成的磷酸
酯盐易溶于水，极易与产品烯烃分离。由于上述
特点，Horner-Emmons反应被广泛用于各种取
代烯烃的合成中。
和Wittig反应一样，采用相转移催化反应，许多
磷酸酯在氢氧化钠水溶液作用下，即可顺利地与
醛或酮反应，得到烯烃。这一方法具有操作更加
简便、经济、实用的特点。
三、 砷内翁盐的羰基烯化反应

近年来，人们通过对砷内翁盐（砷叶立德
Arsenic ylide）化学性质的系统研究，证
明带有拉电子基的砷内翁盐具有比磷内翁
盐更高的反应活性和稳定性。


上式中，为丙酮时，以苯为溶剂，在室温下进行
反应；为环戊酮或环己酮时，以甲醇为溶剂，在
回流温度下进行反应。
砷内翁盐和醛、酮的反应机理与Wittig反应机理
相同。一般情况下，产物为顺、反异构体的混合
物，但常常以反式产物为主。当酮羰基或醛羰基
的α-位上有较大的取代基（如叔丁基）时，主要
生成反式异构体烯烃。

砷内翁盐的制备方法与磷内翁盐相似，即
烷基胂与卤代烃反应生成己砷盐，然后在
强碱作用下脱去卤化氢得砷内翁盐。


反应所用碱的强度略高于制备相应磷内翁
盐时所用碱的强度。反应用溶剂以乙醚、
苯、四氢呋喃为好。
砷内翁盐的应用价值主要在于可以比较方
便地制得带有拉电子基的烯烃，产率较高，
反应副产物氧化三苯胂能方便地用稀盐酸
除去。
四、

Peterson反应
硅原子与磷原子相似，具有3d空轨道，因
而，能分散相邻碳负离子的负电荷，形成
稳定的α-硅碳负离子。α-硅碳负离子很容
易与羰基化合物作用，生成β-羟基硅烷衍
生物，继而在酸或碱催化下，经过β-消除
得到烯烃，这一反应被称为Peterson反应。
α-硅碳负离可由下列方法得到。

在上述反应中R多数为甲基。
用Peterson反应制备长链烯烃与
Wittig反应相比具有如下特点：

(1)Peterson反应所用的硅试剂比磷内翁盐
活泼，甚至反应活性高于Horner-Emmons
反应所用的膦酸酯试剂。含酯基的硅试剂
很容易与酮反应，生成α、β-不饱和酯类化
合物。当一试剂既能发生Peterson反应，
又能发生Horner-Emmons反应时，通常优
先生成Peterson反应产物。

(2) Peterson反应产物容易分离提纯。副产
物六甲基二硅氧烷[(CH3)3SiOSi(CH3)3]易
挥发，因而很容易从反应混合物中除去。

（3）Peterson反应产物通常为顺反异构体
的混合物。产物的构型取决于硅试剂与羰
基化合物缩合形成β-羟基硅烷的这一步反
应。在该步反应中得到的是苏型和赤型β羟基硅烷异构体的混合物，随后进行的消
除反应是高立体选择性的。


赤型和苏型两种异构体在碱（如KH或NaH
等）催化下，得顺式消除三甲基硅基和氧
负离子的产物；
在酸（如H2SO4、BF3ET2O等）催化下，
得反式消除三甲基硅基和氧负离子的产物。
若用纯的（苏型或赤型）β-羟基硅烷进行
消除反应，则可以完全控制顺反烯烃的生
成。
第二节

醇醛缩合反应
含α-活泼氢的醛或酮，在碱或酸催化下，
与另一分子醛或酮进行缩合，形成β-羟基
醛或酮，然后再失去一分子水，得α、β—
不饱和醛或酮。这类反应称为醇醛缩合反
应，是合成含羰基的长链烯烃的方法之一。

醇醛缩合根据缩合物的不同，可以有含α氢的醛或酮的自身缩合；不同的醛、酮分
子间的缩合；甲醛和含α-氢的醛或酮的缩
合（在前面章节已讨论过，故不再赘述）
及芳醛与含α-氢的醛或酮之间的缩合等四
种主要类型。

它们的反应历程是一致的，随所用催化剂
的不同而不同。通常有酸催化和碱催化两
种形式，以相同的醛或酮之间的缩合为例，
分别表示如下。

①
碱（B-）催化反应历程：
在碱催化反应过程中，前三步为可逆反应，
而决定反应速度的是第一步形成碳负离子
的反应。反应中常用的碱有KOH、NaOH、
Na2CO3、K2CO3、NaOEt、（Me3CO）
3Al等，一般可根据反应物的活性，选择适
当的碱催化剂。

② 酸催化反应历程：
在酸催化反应中，决定反应速度的是亲核
加成这一步。常用的酸性催化剂有硫酸、
盐酸、对甲苯磺酸、阳离子交换树脂以及
Lewis酸（如三氟化硼）等。
一、含α-氢的醛或酮的自身缩合


R=H、脂烃基、芳烃基；R’=H、甲基、脂烃基
醛类化合物具有较高的反应活性。因醛羰基的空
间位阻小，容易受亲核试剂（碳负离子或烯醇负
离子）的进攻，从而有利于缩合反应的进行。醛
类化合物在进行自身缩合反应时，若选择适当的
碱或反应温度，则可以很容易地得到缩合产物α，
β-不饱和醛。

若用弱碱型离子交换树脂作催化剂，则可
以在反应后滤去树脂，经蒸馏可得 α，β-不
饱和醛纯品。

含α-H的酮类化合物，只有甲基酮和脂环酮
具有较高的反应活性，但仍较醛类化合物
的反应活性低。要使酮类化合物的自身缩
合向生成物的方向进行，并得到较好产率
的α，β-不饱和酮，必须强化反应条件 。

例如，在丙酮的缩合中，将固体催化剂氢
氧化钡加入Soxhlet抽提器内，反应器中的
丙酮不断回流，在提取器内与催化剂接触
发生缩合反应，然后溢流到反应器内，产
物二丙酮醇脱离催化剂，从而避免了可逆
反应的发生。二丙酮醇经碘或磷酸催化脱
水，可得71%产率的异丙叉丙酮。

在自身缩合中，若酮是对称酮或只含一种
α-氢的不对称酮，则生成的产物较单一；
若酮是不对称酮，则不论酸或碱催化，反
应总是发生在取代基较少的α-碳上，得到
β-羟基酮,或其脱水产物α，β-不饱和酮。

醛或酮的自身缩合也可以在分子内进行，
生成环状化合物。如1，6-或1，7-二醛， 1，
4-、1，5-或1，6-二酮，都能进行分子内缩
合，生成烷酰基脂环烃或酮。
二、不同醛、酮分子间的缩合

含α-H的不同醛、酮分子间的缩合反应情况
比较复杂，它可能产生四种或四种以上的
反应产物。但根据反应物的性质，通过对
反应条件的控制可使某一产物占优势。


在碱催化下，两种不同的醛缩合时，一般由α-碳
上含有较多取代基的醛形成碳负离子，向α-碳上
取代基较少的醛进行亲核加成，形成α-取代的α，
β-不饱和醛。
若醛的α-碳上只有一个氢，一般在室温下，它与
α-碳上取代基较少的醛羰基进行亲核加成，得β羟基-α-二取代的醛；若升高反应温度，则β-羟基
-α-二取代的醛经可逆反应复得原来的醛，再以新
的方式缩合得α，β-不饱和醛。

在含α-H的醛和酮的缩合中，一般地说，醛
容易进行自身缩合反应。当醛与甲基酮反
应时，常常是在碱催化下由甲基酮的甲基
形成碳负离子，该碳负离子与醛羰基进行
亲核加成，最终得α，β-不饱和酮。

不论是酸或碱催化，都不能使酮羰基和醛
的α-位缩合成α，β-不饱和醛。要实现这种
缩合，应先将醛羰基进行保护，然后再与
酮进行反应，最后，去保护基得α，β-不饱
和醛。这种方法对两种醛或两种酮的反应
同样适用。


若将醛或酮转变成烯醇硅醚，然后再在四
氯化钛催化下，与另一分子醛或酮发生缩
合反应，则同样可得指定产物。
两种不同酮之间的缩合，一般至少其中有
一种是甲基酮或脂环酮，反应才能进行。
三、芳醛与含有α-氢的醛、酮
之间的缩合

在碱催化下，芳醛与α-氢的醛或酮缩合，
可得产率很高的α，β-不饱和醛、酮类化合
物，该反应被称为Claisen-Schmidt反应。
例如肉桂醛的合成：


苯甲醛与乙醛在碱的作用下，有A和B两种
反应途径。但是由于3-苯基-3-羟基丙醛更
容易脱水成肉桂醛。因此，反应主要按途
径B进行。生成肉桂醛，并且收率很高。
该反应一般在氢氧化钠水溶液或醇溶液中
进行，其反应产物具有很高的立体选择性，
一般情况下，与羰基相连的大基团总是和
羰基的β-碳上的大基团成反式构型。

因所用催化剂的不同，芳醛与不对称酮
（CH3COCHR）的缩合反应产物也不同。
一般碱催化，以甲基缩合产物为主；酸催
化，则得亚甲基位上的缩合产物。例如：

不含-H的芳酮可以发生类似的醇醛缩合反
应。反应也可以在分子内，形成环状的α，
β-不饱和酮。
第三节

醛、酮与羧酸衍生物
之间的缩合
一、 碱催化下活泼亚甲基化合物与醛、酮
的缩合（Knoevenagel反应）

活泼亚甲基化合物在氨（或胺）及它们的羧酸
盐等弱碱性催化剂催化下，与醛或酮缩合，最
后形成不饱和羰基化合物的反应，称为
Knoevenagel反应。

X=-NO2、-CN、-COR、-COOR等。
Knoevenagel反应的机理

主有两种：


其一，类似于醇醛缩合反应，即活泼亚甲基化
合物在极性溶液中，在碱作用下形成碳负离子，
随后，与醛或酮进行亲核加成反应，最终形成
α，β-不饱和羰基化合物。
另一种说法是，羰基化合物在胺或胺盐的存在
下，形成亚胺过渡态，然后与活泼亚甲基的碳
负离子进行加成。
其过程如下：

反应按何种历程进行，主要取决于反应物
的活性及反应条件的选择。一般认为用伯
胺、仲胺，有利于形成亚胺中间体，反应
按后一种历程进行；若所用活泼亚甲基化
合物的活性很大，且在极性溶剂中进行，
则反应倾向于按类似醇醛缩合的机理进行。
无论是哪种机理，产物烯烃的构型均以E型
为主。

本反应的产率与羰基化合物的反应活性、位阻、
催化剂的种类及其它反应条件有关。一般醛与活
泼亚甲基化合物能很容易地进行反应，得到较高
产率的α，β-不饱和羰基化合物。而酮与活泼亚
甲基化合物[如CH2（COOEt）2]的缩合要困难一
些，即使在较强烈的条件下进行反应，收率也不
高。但若用三氯化钛和吡啶作催化剂，在室温下
就能反应，生成物产率也较高。另外，若用位阻
较小的甲基酮或脂环酮与活性较高的氰基乙酸乙
酯缩合，则同样能顺利地进行反应。
二、 碱催化下丁二酸酯与醛、酮
的缩合（Stobbe反应）


在强碱催化下，丁二酸酯与醛、酮缩合，
生成 α，β-不饱和单酯的反应，称为
Stobbe反应。
在Stobbe反应中，碱不仅用作催化剂，而
且参加反应。每一摩尔羰基化合物与酯反
应，需要消耗一摩尔碱。常用的碱有醇钠、
叔丁醇钠、氢化钠等。

一般的醛或酮都可以很顺利地和丁二酸酯
进行反应，其中以酮化合物应用较多，甚
至位阻较大的酮也能进行反应。丁二酸二
酯包括甲酯、乙酯和叔丁酯及某些单取代
基的丁二酸酯。

应用stobbe反应可使醛或酮的羰基烯化，
得到比原羰基化合物多三个碳并含有双键
的羧酸或羧酸酯衍生物。该产物常用于合
成γ-酮酸及某些环酮衍生物。
三、 Perkin反应

Perkin反应是制备β-芳基丙烯酸类化合物
的重要方法之一。该反应是由芳香醛和脂
肪酸酐在相应的脂肪酸碱金属盐催化下进
行的醇醛缩合，其反应过程如下：

在该反应中，酸酐是较弱的活泼亚甲基化
合物，羧酸盐是较弱的碱，所以反应温度
要求较高（140～180℃），加热时间为8～
9小时，反应中难免发生脱羧反应，生成烯
烃副产物。

Perkin反应制备β-芳基丙酸衍生物的收率
一般不如Knoevenagel反应高，但前者所
用原料容易获得。Perkin反应的产率很大
程度上取决于参与反应的芳醛的性质。当
芳环上带有拉电子基时，反应容易进行，
产率较高；反之，当芳环上有推电子取代
基时，反应难以进行，收率也低，甚至不
反应。

某些芳醛如联苯和萘的醛衍生物，以及糠
醛和2-甲酰基萘酚也可以和酸酐缩合。
（RCH2CO）2O型的各种酸酐都能与芳醛
发生缩合反应，其中R为脂肪基或芳香基。