有机化学教学之十一：醛及酮.doc

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              第十一章 醛和酮
 学习要求
 1．掌握羰基（碳氧双键）和碳碳双键的结构差异及其在加成上的不同。
 2．掌握醛酮的主要制法。
 3．熟练掌握醛酮的化学性质，理解亲核加成反应历程。
 4．掌握醛与酮在化学性质上的差异，如氧化反应、歧化反应等。
   醛和酮都是分子中含有羰基（碳氧双键）的化合物，羰基与一个烃基相连的化合物称
为醛，与两个烃基相连的称为酮。

 §11.1 醛、酮的分类，同分异构和命名
 11.1.1 分类
        醛                            酮

 11.1.2 同分异构现象
 醛酮的异构现象有碳连异构和羰基的位置异构。
 11.1.3 醛酮的命名
选择含有羰基的最长碳链为主链，从靠近羰基的一端开始编号。
例如：

碳原子的位置也可用希腊字母表示。
例如：

 §11.2 醛、酮的结构、物理性质和光谱性质
 11.2.1 醛、酮的结构
醛酮的官能团是羰基，所以要了解醛酮必须先了解羰基的结构。

C=O = σ+π   与          相似
    C=O双键中氧原子的电负性比碳原子大，所以π电子云的分布偏向氧原子，故羰基是
极化的，氧原子上带部分负电荷，碳原子上带部分正电荷。<

   11.2.2 物理性质   （略）
11.2.3 光谱性质
UV  

IR   
              羰基有共轭时吸收频率移向低波数
HNMR         醛基氢的δ= 9-10，羰基α-H的δ= 2.0-2.5
 §11.3 醛、酮的化学性质
    醛酮中的羰基由于π键的极化，使得氧原子上带部分负电荷，碳原子上带部分正电
荷。氧原子可以形成比较稳定的氧负离子，它较带正电荷的碳原子要稳定得多，因此反
应中心是羰基中带正电荷的碳。所以羰基易与亲核试剂进行加成反应（亲核加成反应）。
    此外，受羰基的影响，与羰基直接相连的α-碳原子上的氢原子（α-H）较活泼，能
发生一系列反应。亲核加成反应和α-H的反应是醛、酮的两类主要化学性质。
 醛、酮的反应与结构关系一般描述如下：

11.3.1 亲核加成反应
1．与氢氰酸的加成反应

反应范围：醛、脂肪族甲基酮。ArCOR和ArCOAr难反应。αβγδ
α-羟基腈是很有用的中间体，它可转变为多种化合物，例如：

2．与格式试剂的加成反应

式中R也可以是Ar。故此反应是制备结构复杂的醇的重要方法。 见P319例题

这类加成反应还可在分子内进行。例如；

3．与饱和亚硫酸氢钠（40%）的加成反应

产物α-羟基磺酸盐为白色结晶，不溶于饱和的亚硫酸氢钠溶液中，容易分离出来；
与酸或碱共热，又可得原来的醛、酮。故此反应可用以提纯醛、酮。
1°反应范围     醛、甲基酮、七元环以下的脂环酮。
2°反应的应用
a  鉴别化合物
b  分离和提纯醛、酮

例见P320
c  用与制备羟基腈，是避免使用挥发性的剧毒物HCN而合成羟基腈的好方法。
例如：

4．与醇的加成反应

也可以在分子内形成缩醛。

醛较易形成缩醛，酮在一般条件下形成缩酮较困难，用12二醇或13-二醇则易生成
缩酮。

反应的应用：  有机合成中用来保护羰基。
例1：

       必须要先把醛基保护起来后再氧化

   例2； 例3： 见P321
5．与氨及其衍生物的加成反应
醛、酮能与氨及其衍生物的反应生成一系列的化合物。

醛、酮与氨或伯胺反应生成亚胺（西佛碱），亚胺不稳定，故不作要求。
醛、酮与芳胺反应生成的亚胺（西佛碱）较稳定，但在有机合成上无重要意义，故
也不作要求。
醛、酮与有α-H的仲胺反应生成烯胺，烯胺在有机合成上是个重要的中间体。

醛、酮与氨的衍生物反应，其产物均为固体且各有其特点，是有实用价值的反应。

如乙醛肟的熔点为47℃，环己酮肟的熔点为90℃。

上述反应的特点：
反应现象明显（产物为固体，具有固定的晶形和熔点），常用来分离、提纯和鉴别
醛酮。2,4-二硝基苯肼与醛酮加成反应的现象非常明显，故常用来检验羰基，称为
羰基试剂。
6．与魏悌希（Wittig）试剂的加成反应
 魏悌希（Wittig）试剂为磷的内鎓盐，又音译为叶立德（Ylide），是德国化学
家魏悌希在1945年发现的。磷叶立德（魏悌希试剂）通常由三苯基磷与1级或2级
卤代物反应得磷盐，再与碱作用而生成。

 此反应即为魏悌希反应，是合成烯烃和共轭烯烃的好方法。其反应特点是：
1°可用与合成特定结构的烯烃（因卤代烃和醛酮的结构可以多种多样）。
2°醛酮分子中的 C=C、C≡C对反应无影响，分子中的COOH对反应也无影响。
3°魏悌希反应不发生分子重排，产率高。
4°能合成指定位置的双键化合物。
例如：

魏悌希（Wittig）发现的此反应对有机合成作出了巨大的贡献，特别是在维生素类
化合物的合成中具有重要的意义，为此他获得了1979年的诺贝尔化学奖（1945年43
岁发现，1953年系统的研究了魏悌希反应，82岁获奖）。
7．与希夫试剂（品红醛试剂）的反应      （略）
11.3.2 还原反应
利用不同的条件，可将醛、酮还原成醇、烃或胺。
（一）还原成醇（                        ）
1．催化氢化 （产率高，90~100%）

例如：

如要保留双键而只还原羰基，则应选用金属氢化物为还原剂。
2．用还原剂（金属氢化物）还原
（1）LiAlH4还原

LiAlH4是强还原剂，但①选择性差，除不还原C=C、C≡C外，其它不饱和键都可被
其还原（见P354附录之表1）；②不稳定，遇水剧烈反应，通常只能在无水醚或THF
 中使用 。
（2）NaBH4还原

NaBH4还原的特点：
1° 选择性强（只还原醛、酮、酰卤中的羰基，不还原其它基团。
2° 稳定（不受水、醇的影响，可在水或醇中使用）。
3．异丙醇铝—— 异丙醇还原法（麦尔外因-庞道夫MeerWein-Ponndorf还原法）

反应的专一性高，只还原羰基。其逆反应称为奥彭欧尔（Oppenauer）氧化反应。
（二）还原为烃（                      ）
较常用的还原方法有两种。
1．吉尔聂尔-沃尔夫-黄鸣龙还原法（吉尔聂尔为俄国人，沃尔夫为德国人）
此反应是吉尔聂尔和沃尔夫分别于1911、1912年发现的，故此而得名。

1946年-黄鸣龙改进了这个方法。P327
改进：a 将无水肼改用为水合肼；碱用NaOH；用高沸点的缩乙二醇为溶剂一起加热。
        加热完成后，先蒸去水和过量的肼，再升温分解腙。
例如：

此反应可简写为，                                          

2．克莱门森（Clemmensen）还原————酸性还原

此法适用于还原芳香酮，是间接在芳环上引入直链烃基的方法。

对酸敏感的底物（醛酮）不能使用此法还原（如醇羟基、C=C等）。
11.3.3 氧化反应
醛易被氧化，弱的氧化剂即可将醛氧化为羧酸。

土伦试剂是弱氧化剂，只氧化醛，不氧化酮和C=C。故可用来区别醛和酮。
酮难被氧化，使用强氧化剂（如重铬酸钾和浓硫酸）氧化酮，则发生碳链的断裂而
生成复杂的氧化产物。只有个别实例，如环己酮氧化成己二酸等具有合成意义。
酮被过氧酸氧化则生成酯：

用过氧酸是酮氧化，不影响其碳干，有合成价值。
这个反应称为拜尔-维利格（Baeyer-Villiger）反应。
11.3.4 歧化反应——康尼查罗（Cannizzaro）反应
没有α-H的醛在浓碱的作用下发生自身氧化还原（歧化）反应——分子间的氧化还
原反应，生成等摩尔的醇和酸的反应称为康尼查罗反应。

   交叉康尼查罗反应：
   甲醛与另一种无α-H的醛在强的浓碱催化下加热，主要反应是甲醛被氧化而另一种
醛被还原：

   这类反应称为“交错” 康尼查罗反应，是制备ArCH2OH型醇的有效手段。
   11.3.5 α-H的反应
   醛、酮分子中由于羰基的影响，α-H变得活泼，具有酸性，所以带有α-H的醛、酮具
有如下的性质：
   1．互变异构
   在溶液中有α-H的醛、酮是以酮式和烯醇式互变平衡而存在的。

    简单脂肪醛在平衡体系中的烯醇式含量极少。
酮或二酮的平衡体系中，烯醇式能被其它基团稳定化，烯醇式含量会增多。

 烯醇式中存在着C=C双键，可用溴滴定其含量。
2．α-H的卤代反应
（1）卤代反应       
醛、酮的α-H易被卤素取代生成α-卤代醛、酮，特别是在碱溶液中，反应能很顺利
的进行。
例如：

（2）卤仿反应
含有α-甲基的醛酮在碱溶液中与卤素反应，则生成卤仿。

     若X2用Cl2则得到CHCl3 （氯仿） 液体
     若X2用Br2则得到CHBr3 （溴仿） 液体
     若X2用I2则得到CHI3     （碘仿） 黄色固体   称其为碘仿反应。
碘仿反应的范围：

           具有              结构的醛、酮和具有             结构的醇。
因NaOX也是一种氧化剂，能将α-甲基醇氧化为α-甲基酮。
碘仿为浅黄色晶体，现象明显，故常用来鉴定上述反应范围的化合物。
3．羟醛缩合反应
有α-H的醛在稀碱（10%NaOH）溶液中能和另一分子醛相互作用，生成β-羟基醛 ，
故称为羟醛缩合反应。

（1）反应历程  （P330）
（2）交叉羟醛缩合反应
若用两种不同的有α-H的醛进行羟醛缩合，则可能发生交错缩合，最少生成四种产物。
例如：

若选用一种无α-H的醛和一种α-H的醛进行交错羟醛缩合，则有合成价值。
例见P331：

（3） 酮的α-H的缩合困难，一般较难进行。
酮与醛的交错缩合可用与合成。例如：

二酮化合物可进行分子内羟酮缩合，是目前合成环状化合物的一种方法。例如：

4．醛酮的其它缩合反应——柏琴（Perkin）反应。 P332~333。

§11.4  亲核加成反应历程
羰基的亲核加成是醛酮的典型反应，羰基是由不同元素形成的双键的典型代表，因
此我们对羰基的亲核加成历程作进一步的讨论。羰基的亲核加成大致分为两类，即
简单加成反应和复杂的加成反应。
11.4.1 简单的亲核加成反应历程（加HCN、NaHSO3等）

亲核加成历程的证明——以丙酮加HCN为例：

实验证明：中性（无碱存在时）3~4小时内只有一半原料起反应。
          加一滴KOH到反应体系中，两分钟内反应即完成。
          加大量酸到反应体系中去，放置几个星期也不反应。
这说明羰基与CN –的反应确实是亲核加成反应。
原因：HCN的电离度很小，中性条件下氰酸根的浓度很小，故反应速度慢。
      加入碱OH-则中和了H+，CN –的浓度增大，故反应速度加快。
      加入H+后抑制了HCN的电离，CN –的浓度大大减小，故反应很难进行。
各类亲核试剂对各类羰基化合物的加成反应的K值各不相同，有的很大，实际上不
起反应；有的很小，实际上是不可逆反应。通常将Kc值在104以下者看作是可逆反
应。HCN与醛酮加成的Kc值在103~10-3之间，是一种可逆反应，且易测定，故常用
HCN为试剂来研究各种因素对亲核加成的影响。
影响亲核加成的因素
1．空间因素对亲核加成的影响

      R、Rˊ、Nu-的体积增大，平衡常数减小。
例如：

2．电负性因素对亲核加成的影响
（1）诱导效应    当羰基连有吸电子基时，使羰基碳上的正电性增加，有利于亲
核加成的进行，吸电子基越多，电负性越大，反应就越快。
例如1：   化合物                    加HCN的平衡常数Kc 
         C6H5CHO                         210
         m-BrC6H4CHO                     530
         m-NO2C6H4CHO                   1420
例如2：  化合物              加水时的平衡常数（25℃）Kc  见P334表11-6
          CH3COCH3               1.4×10-3
          ClCH2COCH3             0.11
          F3CCOCH3               35
（2）共轭效应    羰基上连有与其形成共轭体系的基团时，由于共轭作用可使羰
基稳定化，因而亲核加成速度减慢。
例如：   化合物                    加HCN的平衡常数Kc
         CH3CHO                        >104
              C6H5CHO                       210
         CH3COCH3                      38
         C6H5COCH3                      0.77
综合各方面的影响，各类化合物羰基与亲核试剂反应的活性见P335。
3．试剂的亲核性对亲核加成的影响         
试剂的亲核性愈强，反应愈快。
例如：   CH3CHO  +  H2O（较弱的亲核试剂）  Kc≈1
         CH3CHO  +  HCN（中等强度的亲核试剂）  Kc>104
11.4.2 复杂的亲核加成反应历程
醛、酮与氨及其衍生物的加成反应为加成——消除历程见P335。
11.4.3 羰基加成反应的立体化学
羰基具有平面结构，Nu可从任何一面进攻羰基碳原，但向两面进攻的几率是否相等？
下面我们从反应物结构和试剂体积大小来进行讨论。
1．对手性脂肪酮的加成

当R=R′时，加成产物为同一物。
当R≠R′时，加成产物为外消旋体（Nu从羰基两面进攻的几率相等）。
   当羰基与手性碳原子相连时，Nu从两面进攻的几率就不一定相等，加成后引入第二个
手性碳原子，生成的两个非对映体的量也不一定相等Nu的进攻方向主要取决于α-手性碳
原子上各原子（原子团）体积的相对大小。即其加成方向有一定的规律。
   加成方向遵守克拉姆（Cram）规则
   Cram规则——设α-手性碳原子上所连的三个基团分别用L、M、S代表其大、中、小，
则加成时Nu主要从最小基团S一侧进攻最为有利，生成的产物为主要产物。
例如：

例1：

                                             75%              25%
例2：P336，
2．脂环酮的加成
脂环酮的羰基嵌在环内，环上所连基团空间位阻的大小，明显的影响着Nu的进攻
方向。

3．Nu的体积对加成的影响  
对于同一反应物，所用Nu体积的大小，也影响其进攻方向。例如：

 §11.5   醛、酮的制备
   醛酮的制法途径很多，前面已学了不少，现综合介绍一些常用的制备方法。
 11.5.1   氧化或脱氢法
   1．醇的氧化或脱氢
   （1） 氧化
   将醇氧化成醛时要用特殊的氧化剂，见P338~339。
   （2） 脱氢  （见P272）
2．烃的氧化（主要用于制备芳香醛、酮）见P338~339。
   11.5.2 羧酸及其衍生物还原法
   1．还原成醛
    最有价值的还原方法是罗森曼得（Rosenmund，K.W.，）还原法

2．还原成酮  （P340）
11.5.3 偕二卤代物水解法

11.5.4 付-克酰化法   （P340~341）

11.5.5 芳环甲酰化法
1．加特曼-科克（Gattermann-koch）反应
此法是用CO和干HCl为原料，在无水AlCl3催化下，在芳环上引入醛基的方法。

此法主要用于苯环或烷基苯环的甲酰化，酚类和带有间位基的芳环不适用。
2．维路斯梅尔（Vilsmeier）反应
酚类和芳胺类在POCl3存在下与N,N-二取代甲酰胺反应，可在其对位引入一个醛基。

 §11.6  重要的醛酮（自学）
 §11.7  不饱和羰基化合物
   不饱和羰基化合物是指分子中即含有羰基，又含有不饱和烃基的化合物，根据不饱
和键和羰基的相对位置可分为三类。
（1） 烯酮（RCH=C=O）
（2） α,β-不饱和醛酮（RCH=CH-CHO）
（3） 孤立不饱和醛酮 （RCH=CH（CH2）nCHO） n≥1
孤立不饱和醛酮兼有烯和羰基的性质，α,β-不饱和醛酮、烯酮有其特性及用途，
下面我们主要讨论这两类化合物。
11.7.1 乙烯酮    最简单且最重要的烯酮是乙烯酮，其制法和性质见
P345~346，（略）
11.7.2 α,β-不饱和醛酮
α,β-不饱和醛酮的结构特点是碳碳双键与羰基共轭，故α,β-不饱和醛酮兼有烯烃、
醛、酮和共轭二烯烃的性质，若与亲电试剂加成，则应加到碳碳双键上，若与亲
核试剂加成则应加到羰基上，但其特性反应是共轭加成。
1．共轭加成（1，2-加成或1，4-加成）

反应为1，2-加成还是1，4-加成决定于三个方面：
（1）亲核试剂的强弱   弱的亲核试剂主要进行1，4-加成，强的主要进行1，2-
加成。
（2）反应温度   低温进行1，2-加成，高温进行1，4加成。
（3）立体效应   羰基所连的基团大或试剂体积较大时，有利于1，4加成。
2．麦克尔（Michael）反应
α,β-不饱和醛酮、羧酸、酯、硝基化合物等与有活泼亚甲基化合物的共轭加成反应
称为麦克尔（Michael）反应，其通式是：

例如：

麦克尔（Michael）反应在有机合成上有其应用价值。
11.7.3 醌   （自学）P347~349。

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