Transcript 第八章醛和酮

第九章 醛和酮（Aldehydes and ketones)
掌握：醛、酮的结构特征以及与化学性质的关系；
亲核加成反应，并应注意醛和酮在反应中的差异；
酮式－烯醇式的互变异构和α－H的酸性；
醛、酮的α－卤代反应和醇醛缩合反应。
熟悉：醛、酮的命名方法；
醛、酮的物理性质以及醛、酮的氧化还原反应。
了解：醛、酮的分类;
一些在医学上常见的醛、酮化合物，如甲醛的功能和毒性等。
醛(aldehyde)和酮(ketone)都是含有羰基(carbonyl group) 官能团的化合物。
醛分子中的羰基碳原子分别与氢原子及烃基相连（甲醛例外，其羰基碳与
两个氢原子相连），其通式为R-CHO，-CHO为醛基。
酮分子中的羰基碳原子与两个烃基相连，其通式为RCOR’，酮分子中的羰基
常称为酮基。
醛和酮的化学性质活泼，可以发生多种化学反应，尤其是羰基的亲核加成
反应，在有机化学中有着广泛的用途。
不少醛、酮广泛应用于临床，例如，戊二醛由于具有较强广谱杀菌作用，
临床用于灭菌或消毒医疗器械，如膀胱镜、支气管镜、橡胶和塑料制品等。
再如中药麝香的有效成分之一就是含十五个碳的环酮－麝香酮。
第一节
醛、酮的分类和命名
一、 醛、酮的分类
1、按照烃基结构的不同，醛、酮可分为脂肪族醛、酮和芳香族醛、酮。
芳香族醛、酮的羰基碳直接连在芳香环上；
2、根据分子中羰基的数目分为一元醛、酮和多元醛、酮。
二、醛、酮的命名
1、简单的醛、酮可用普通命名法命名。
2、结构复杂的醛、酮主要用系统命名法命名：
(1)选择含有羰基的最长碳链作为主链，从醛基一端或靠近羰基一端给
主链编号。醛基因处在链端，编号总是1，可以省略，而酮羰基的位
次必须标出。
(2)命名不饱和醛、酮时，除羰基的编号应尽可能小以外，还要表示出
不饱和键所在的位置。
(3)含有芳香环的醛、酮，可把芳基作为取代基来命名。
(4)多元醛、酮命名时，应选取含羰基尽可能多的碳链为主链，并注明
羰基的位置和羰基的数目。
(5) 脂环酮命名时，编号从羰基碳原子开始，仅在名称前多加一个“环”字。
3、许多天然醛、酮都有俗名。
第二节
醛酮的物理性质
一、相态
在室温下，除甲醛外，其它醛酮都为液体和固体。许多低级醛有刺鼻
臭味。某些天然醛、酮具有特殊芳香气味，可用于化妆品及食品工业。
二、沸点
醛、酮分子间不能形成氢键，其沸点比分子质量相近的醇和羧酸要低，
但由于醛、酮一般为极性分子，所以沸点比相应的烷烃和醚类要高。
三、溶解性
由于醛酮的羰基氧原子能与水分子中的氢原子形成氢键，所以低级醛、
酮易溶于水，例如，甲醛、乙醛、丙醛和丙酮都可与水混溶。
随着醛、酮中烃基的比例增大，水溶性迅速降低，含6个碳以上的醛、酮
几乎不溶于水，但可溶于乙醚、甲苯等有机溶剂中。
第三节
醛酮的结构和化学性质
醛、酮化学性质非常活泼，能发生多种反应。结构决定性质，性质反
映结构，羰基是醛、酮的官能团，在学习醛、酮的化学性质之前，掌
握羰基的结构是十分必要的。
一、羰基的结构和反应的基本特征
醛和酮的羰基碳与氧均为sp2杂化，碳原子的3个sp2杂化轨道分别与氧
及其它2个原子形成3个σ键。羰基碳和氧各剩下1个未杂化的p轨道，
且彼此平行重叠，形成π键。
因此，羰基的碳氧键是由1个σ键和1个π键构成的。
羰基氧原子上还有两对孤对电子，它们分布在另外两个sp2杂化轨道上。
为什么羰基具有较高反应活性？
1、与羰基碳原子直接相连的三个原子处于同一平面，平面构型对试剂
进攻的位阻较小。
2、由于氧原子的电负性比碳大，成键电子，特别是π电子偏向于氧原子
一边，所以羰基具有较大的极性。
羰基作为一种不饱和键，与碳碳双键一样，主要的化学反应是加成。
但羰基C=O与C=C在结构上有两个重要的差别：
1、氧原子带有孤对电子；
2、氧的电负性比碳强。碳原子带部分正电荷，氧原子带部分负电荷，
加成试剂的负性部分总是和羰基碳结合，而正性部分则与氧结合。
我们知道，在碳碳双键上的加成是亲电的，即试剂的正性部分（亲电试剂）
先进攻π键，与其中一个双键碳（电子密度较高的碳）结合后，形成碳正
离子，后者再与试剂的负性部分结合而完成反应。
那么试剂对羰基的加成情况如何呢？是亲电的，还是亲核的？
可以设想两种可能：第一种是试剂的负性部分（亲核试剂）先进攻羰基，
形成氧负离子中间体；第二种是正性部分先进攻氧，形成碳正离子中间体：
碳正离子中的碳原子外层只有6个电子，是一种不稳定的粒子。而氧负
离子中的氧原子外层有8个电子，是比较稳定的八隅体结构。而且由于
氧的电负性较大，具有较强的容纳负电荷的能力，所以作为反应中间体，
氧负离子比碳正离子稳定得多，因此羰基加成是按亲核加成途径进行。
羰基是醛、酮化学反应的中心，羰基上的亲核加成是醛、酮化学性质的
主要内容。由于羰基的吸电子影响，a－H比较活泼，一些涉及a－H的
反应是醛、酮化学性质的重要组成部分。此外，因醛、酮处于氧化还原
的中间价态，它们既可以被氧化，又可以被还原，所以氧化还原也是
醛、酮的一类重要反应。
二、亲核加成反应
亲核加成（nucleophilic addition）反应是羰基的特征反应。
亲核试剂一般是含有带负电荷或孤对电子的原子或基团。常见的亲核试剂
有:氢氰酸、醇、水及氨的衍生物等。在许多情况下，羰基的亲核加成反应
是可逆的。
醛、酮亲核加成反应的难易除了与亲核试剂的性质有关外，主要取决于醛、
酮的结构，即取决于羰基碳上连接的原子或基团的电子效应和空间效应。
醛通常比酮活泼，更容易发生亲核加成。这是因为烷基具有斥电子诱导效应，
导致羰基碳正电性减少；同时烷基体积增大，空间位阻也增大，所以与醛相
比，酮不利于亲核试剂的进攻。
1. 加氢氰酸
氢氰酸与醛或酮作用产生相应的加成产物氰醇（cyanohydrin），也称
a－羟腈。
芳香酮难与氢氰酸发生反应，原因是:(1)羰基与芳香环共轭，芳香环上
的电子向电负性强的羰基转移，使得羰基碳原子正电性减弱；(2)芳香环
有较大的空间位阻。
如存在碱，可提高HCN加成羰基的反应速率，因为加碱可增加CN-离子
浓度。这表明，在与HCN加成中，CN-浓度是决定反应速率的重要因素
之一，也证明其反应机制是CN-作为亲核试剂首先向羰基进攻。
氢氰酸与醛酮的加成反应在有机合成中有重要地位，因为在这一反应
中生成了新的碳碳键，产物比原料增加了一个碳原子，化合物的骨架
也发生了变化。
由于HCN有剧毒，以上反应必须在通风橱中进行。为避免直接使用HCN,
可采用以下方法制备氰醇。
O
R
C
OH
R'
NaHSO3
R
C
OH
R'
SO3Na
KCN
R
C
R'
CN
羟基磺酸钠溶于水，但不溶于饱和亚硫酸氢钠中，以白色晶体析出。用稀酸
或稀碱处理，可分解成原来的醛酮，故可用于醛、酮的分离。
2. 加醇和水
在干燥氯化氢存在下，醇与醛的羰基加成生成半缩醛（hemiacetal），
半缩醛还可以与另一分子醇反应，失水生成缩醛（acetal）。
酮与醇反应生成缩酮（ketal）比较困难。但酮容易与乙二醇作用，
生成具有五元环状结构的缩酮。
缩醛和缩酮的性质相似，对碱及氧化剂都比较稳定，遇稀酸则分解成
原来的羰基化合物。在有机合成中，为了保护容易发生化学变化的醛基，
常将醛转化为缩醛，待氧化或其他反应完成后，再用酸分解缩醛，把醛
基释放出来。
多数半缩醛不稳定，但是γ或δ－羟基醛(酮)分子内的羟基与羰基加成
形成的环状半缩醛（酮）结构是稳定的。
许多单糖分子都含有这种环状半缩醛（酮）结构。
硫醇比相应的醇活泼，与羰基加成能力更强。乙二硫醇和酮在室温下
就可反应，生成缩硫酮：
缩硫酮很难分解成原来的酮，因此用于保护酮的羰基没有什么价值。
但缩硫酮在吸附了氢的兰尼镍作用下还原，产物中原来羰基氧原子
被两个氢原子取代。
水可以与醛、酮的羰基加成形成水合物。由于水是一种较弱的亲核试剂，
生成的偕二醇不稳定，容易失水，反应平衡主要偏向反应物一方：
当羰基与强吸电子基团连接时，由于羰基碳的正电性增大，可以生成稳定
的水合物，其中一些有重要用途。
3. 加 Grignard试剂
Grignard试剂容易与羰基化合物发生亲核加成。
由于Grignard试剂Rδ-- Mgδ+X是极性化合物，与Mg相连的碳带有部分
负电性，具有很强的亲核性，而Mg则带有部分正电性，因此在加成反
应中， Rδ-进攻羰基碳， Mgδ+X则与羰基氧结合，所得的加成产物经
水解后即生成醇。
Grignard试剂对醛、酮的加成是不可逆反应。
利用Grignard试剂与不同的羰基化合物反应，形成碳原子更多、 具有新
碳骨架的醇。
4.与氨衍生物的加成
醛或酮的羰基可以与许多氨的衍生物（如羟胺、肼、苯肼、2,4-二硝基
苯肼等）加成，并进一步失水，产物是含有>C＝N-结构的N-取代亚胺
类化合物。若用G代表不同氨的衍生物的取代基，该反应通式如下：
氨的衍生物以及与醛、酮加成缩合产物的名称和结构式。
醛、酮与氨衍生物反应的范围比较广，在结构上几乎没有什么限制，
即绝大多数醛、酮可发生这类反应。所生成的产物一般都是棕黄色
固体，很容易结晶，并有一定的熔点，所以常用于鉴别醛、酮。
羰基化合物与伯胺加成，产生希夫碱（Schiff碱）的反应是可逆的。
体内许多生化过程与希夫碱的形成和分解有关。
在与视觉有关的生化过程中，视觉感光细胞中存在感光色素视紫红素
（rhodopsin），从化学结构来看，它是由C11-顺视黄醛和视蛋白的侧链氨基
经加成缩合生成的Schiff碱。视紫红素吸收光子后将立即引起视黄醛C11位置
双键构型的转化，C11-顺式转变为C11-反式构型，从而导致视蛋白分子构象
发生变化，再经一系列复杂的信息传递到达大脑形成视觉。
三、a-碳及a-氢的反应
醛、酮分子中与羰基直接相连的碳原子称a-碳，a-碳上的氢称a-氢（a-H）。
烯烃的a-H受双键的影响，具有一定的活泼性，醛酮的a-H受羰基的影响，
也表现出相当的活泼性。
原因：1、羰基的吸电子作用增大了C-H键的极性，使a-H比较容易形成
质子离去。
2、含有a-H的醛、酮，由于a-H的离解可以形成负碳离子或负烯醇
离子，负电荷可离域到氧原子和a-碳原子上，而得到稳定，再进
一步通过负烯醇离子转变为烯醇。
由pKa值可看出，醛酮的a-H的酸性比炔氢还强：
共轭碱的a-碳与质子结合时，又变回原来的酮（酮式结构），如氧原子
与质子结合则生成烯醇（烯醇式结构），酮和烯醇互为异构体，它们
可以通过共轭碱发生互变，并能达到平衡。这种官能团异构现象广泛
存在于有机分子中，称为酮式-烯醇式互变异构。
1. 醇醛缩合
在稀碱溶液中，一分子醛的a-碳（以负碳离子形式存在）可以与另一
分子醛的羰基碳加成形成新的碳碳键，从而生成β-羟基醛类化合物，
该反应称为醇醛缩合（aldol condensation）。
醇醛缩合反应的机制如下：
醇醛缩合是有机合成中增长碳链的重要方法。
例如，在稀碱存在下，乙醛经醇醛缩合反应生成β-羟基丁醛，后者在
受热情况下很易失水，生成2-丁烯醛,也就是a,β-不饱和醛，这是由于
产物中羰基与双键共轭，体系更稳定。
酮可发生类似的反应，酮的缩合产物脱水，也导致一个与羰基共轭的
碳碳双键形成，得到a,β-不饱和酮。
在醇醛缩合反应中，如果脱水生成的碳碳双键与羰基及苯环都共轭，
则即使在不加热的条件下也能脱水生成a,β-不饱和羰基化合物，往
往β-羟基化合物很难分离得到。
2、卤代反应
碱催化下，卤素（Cl2、Br2、I2）与含有a-H的醛或酮迅速反应，生成
a-二卤代物和a-三卤代物。含有3个a-H的醛或酮（如乙醛和甲基酮等）
与卤素的氢氧化钠溶液（常用次卤酸钠的碱溶液）作用，首先生成
a-三卤代物，后者在碱性溶液中立即分解成三卤甲烷（俗称卤仿）和
羧酸盐。该反应又称为卤仿反应。
进行卤仿反应常用碘的碱溶液，产物是碘仿和羧酸盐，所以称为碘仿反应。
四、 氧化反应和还原反应
1. 氧化反应
醛容易被氧化成羧酸，酮在通常情况下难被氧化，这是醛和酮化学性质
的主要差别之一。
若采用强氧化剂（如酸性高锰酸钾、硝酸等）氧化，将导致酮碳链的断
裂，生成较小的羧酸等。
实验室中，可利用弱氧化剂(如：Tollens试剂、Fehling试剂等)能氧化醛
而不能氧化酮的特性，方便地鉴别醛与酮。
Tollens试剂与醛作用时，Ag(NH3)2+被还原成金属银沉积在试管壁上形
成银镜，故称银镜反应。
Fehling试剂（由硫酸铜与酒石酸钾钠的碱性溶液混合而成）与醛一起加热，
Cu2﹢被还原成砖红色的氧化亚铜沉淀析出。
通常这些试剂只与醛作用，而不与酮反应，可用来鉴别醛和酮。
芳香醛不与Fehling试剂反应，故可用它们来鉴别脂肪醛与芳香醛。
2. 还原反应
醛和酮都可以被还原。用不同的还原剂，可以把羰基还原成相应的醇，
或者还原成（-CH2-）。
在金属催化剂铂、镍等存在下，以氢气为还原剂使醛和酮还原成相应
的伯醇和仲醇。反应通式如下：
在化学实验室,也常用金属氢化物：氢化铝锂（LiAlH4）、氢化硼钠
（NaBH4）等还原剂还原醛、酮的羰基，其产物为伯醇和仲醇。
如金属氢化物以M+H-表示，金属氢化物与醛、酮反应的通式如下：
Example:
醛和酮在强还原条件下，如与锌汞齐和浓盐酸一起回流，羰基被还原成
亚甲基，称为克莱门森（Clemmensen）还原法。
五、羰基加成的立体化学
亲核加成和催化加氢还原是羰基的重要化学反应，由于羰基的平面构型，
亲核试剂或者氢可以从羰基平面的上方或下方进攻羰基。因此，除甲醛
和对称酮外，其他醛、酮的加成及还原都会产生新的手性碳原子，产物
是外消旋体或非对映异构体的混合物。
例如，乙醛与氢氰酸的加成，由于亲核试剂CN-可以从羰基平面的上方
或下方进攻羰基碳，且机会相等，所以产物是由等量的R-羟基丙腈和
S-羟基丙腈组成的外消旋体。
2-丁酮的催化加氢还原，也得到外消旋体：
当醛或酮的a-碳原子具有手性时，羰基平面不再是分子的对称面，亲核
试剂从该平面上方或下方进攻的机会不相等，结果得到不等量的非对映体。
例如，D-甘油醛与氢氰酸的加成，经水解后最终的产物是含量不相等的
两种糖酸。在此加成中，CN-对羰基的进攻受甘油醛手性碳的影响。立体
化学上，CN-从其空间位阻较小的一边进攻羰基碳较为有利，因此最终产
物中含有较多的D-苏阿糖酸。
实验证明，在大多数情况下，亲核试剂总是优先从醛、酮优势构象中空间
位阻较小的一边，即从较小基团的一边进攻羰基碳,称为Cram规则。
通过该规则，可以预测含α－手性碳的醛酮加成的主要产物的构型。
1、醛、酮是分子中含有羰基的化合物。由于氧的电负性比碳大，所以碳氧
双键是极性的不饱和键。
2、结构决定性质，性质反映结构。
3、羰基的极化性导致醛、酮能发生亲核加成反应。常见的亲核试剂有：氢
氰酸、醇、水、Grignard试剂、氨的衍生物等。多数情况下，羰基的亲
核加成反应是可逆的。醛酮亲核加成反应的难易主要取决于醛、酮的结
构，即取决于羰基碳上连接的原子或基团的电子效应和空间效应。羰基
亲核加成反应中的立体化学变化，利用Cram规则预测有α－手性碳醛酮
亲核加成产物的构型。
4、 醛、酮分子的α－H受羰基的影响，显得非常活泼。会发生酮式和烯醇
式的互变异构；还有羟醛缩合反应和卤代、卤仿反应。
5、醛、酮对弱氧化剂（如Tollens试剂、Fehling试剂）表现出很大差异，可
用于醛酮的鉴别。醛、酮均可被还原成醇，羰基也可被还原成亚甲基。