有機化學

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歐亞書局

有機化學

^{第七版}

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歐亞書局第 9 章醛類與酮類：親核性加成反應

第 9 章醛類與酮類：

親核性加成反應

9.1 羰基化合物的性質

9.2 醛、酮類的命名

9.3 醛、酮的合成

9.4 醛的氧化反應

9.5 親核性加成反應

9.6 氫陰離子與格林納試劑的親核加成：生成醇

9.7 水的親核加成反應：形成水合

9.8 醇的親核性加成反應：形成縮醛

9.9 胺的親核加成反應：亞胺類的生成

9.10共軛親核加成反應

特論維生素 C

p.275

自然界生物體內重要的分子也都可以發現到醛類與酮 類，例如；磷酸哆醛（pyridoxalphosphate）是許多代 謝反應的輔酶；氫基可體松（hydrocortisone）是由腎 上腺所分泌的類固醇荷爾蒙，它可以調節脂肪、醣類 及蛋白質的代謝。

9.1 羰基化合物的性質

利用羰基化合物所進行的化學反應，將其分成兩大類，

一類為醛、酮；另一類為羧酸及其衍生物。

在醛、酮中，醯基是 H 或 C 原子上沒有穩定負電荷的 能力，所以不能做為離去基；而羧酸及其衍生物上的 醯基是接在氧、鹵素、氮等原子上，可以穩定負電荷，

因此在取代反應時可以當做離去基脫離。

p.276

羰基的碳－氧雙鍵與烯類的碳－碳雙鍵相似（圖 9.1）。

羰基上的碳是 sp²-混成形成三個σ鍵，且其 p 軌道上的 第四個共價電子可與氧原子 p 軌道重疊而生成π鍵，氧 原子上還留有兩對未共用電子對，羰基為平面結構鍵角 也與烯類相似，接近 120°。

從靜電能勢圖（圖 9.1）中，因為氧的陰電性高於碳相 當多，所以碳－氧雙鍵被極化，其中羰基上的碳帶極性 正電，為親核性（路易士酸），可與親核基反應；相反 的，氧為極性負電具有親核性（路易士鹼）。

(2)

圖 9.1 羰基的電子結構。

9.2 醛、酮類的命名

醛類的英文命名是把烷類的字尾 -e 去掉加上 -al，主鏈 必須含有－CHO，而且－CHO 的碳編號需為 1。

p.277

對較複雜的醛類，如－C H O 接在環上可用英文字尾 -carbaldehyde 來命名，如：

歐亞書局第 9 章醛類與酮類：親核性加成反應 p.277

酮類的英文命名是將所對應的烷類字尾 -e 改為 -one，

最長的碳鏈需含有酮基，且讓羰基的編號為最小，烯

（3.1 節）與醇（8.1節）號碼放於 -one 之前（新的 IUPAC 建議），例如：

p.277

少數酮類常見的俗名。

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當需要以－COR 做為取代基時，常以醯基（acyl group）來命名。例如：－COCH3稱為乙醯基

（acetyl group）；－CHO為甲醯基（formyl group）；

－COAr 為芳香甲醯基（aroyl group）；－COC6H5

為苯甲醯基（benzoyl group）。

p.278

製備醛、酮最好的方法為一醇的氧化（8.4節）。一級 醇氧化產生醛，二級醇氧化產生酮。以過碘烷在二氯 甲烷中反應可生成醛，而要合成酮類則以 CrO3和 Na2Cr2O7做為反應試劑。

9.3 醛、酮的合成

酮另外的製備法為將末端炔類的水解（4.11 節），其 可生成甲基酮類，並於芳香環上進行夫里得-夸夫特醯 化反應，而生成烷基芳香基酮（5.5 節）。

p.279

醛類很容易氧化為羧酸，RCHO → RCO2H，但酮類 則無法進一步氧化；此不同的反應性主要是醛類－ CHO上有一質子（氫），當進行氧化反應時，此質子 會被移走，而酮類則無此質子。

p.280

9.4 醛的氧化反應

有許多氧化劑可以將醛氧化成酸，但最常用的是 CrO3

的酸性水溶液，因為此反應在室溫下反應相當迅速。

(4)

醛的氧化常是藉由水加到羰基產生可逆水合中間物，

此水合物如一級或二級醇般的快速氧化成羧酸化合物。

p.280

9.5 親核性加成反應

醛和酮最常見的反應是親核性加成反應，親核基加到羰基親 電子的碳上，此反應可以在酸或鹼之下進行，如圖 9.2。

在鹼性下（圖 9.2a）帶負電荷的親核基（:Nu^－）以它的電子 對與 C＝O 上的碳生成鍵結，同時 C＝O 的碳由 sp²-混成變 為 sp³，而C＝O 雙鍵上的一對電子移至氧原子上，形成烷 氧離子，下一步將H^＋加到烷氧離子上即生成醇類。

在酸性下（圖 9.2b）羰基上的氧先被質子化，使得羰基上的 碳更親電子性。此時中性的親核基（:Nu－H）以其電子對鍵 結至C＝O 碳上，而 C＝O 雙鍵上的一對電子移至氧原子 上，使正電荷的氧變回中性，而為親核基帶正電；接著帶正 電的親核基脫去質子回到中性生成醇。

p.280

反應機構

圖 9.2 醛和酮在酸性或 鹼性條件下，親核加成 反應的反應機構。

(a)鹼性條件下，負電荷親 核基加到羰基的碳上，

產生烷氧離子中間物；

接著產生質子化。

圖 9.2 醛和酮在酸性或鹼性 條件下，親核加成反應的反 應機構。

(b) 酸性條件下，羰基先發生質 子化，中性親核基加到羰基 的碳上；接著脫去質子。

注意！在酸或鹼條件下反應主要不同點是質子化的時 間點，鹼中是親核基先加後質子化；而酸中則是先質 子化才加親核基。

p.282

練習題 9.1

預測親核加成反應的產物

氫氧根離子進行親核性加成反應至乙醛上，將得到什麼產 物？

方法 帶負電性的 OH^－離子是親核基，會加到 C＝O 的碳 上，形成烷氧離子的中間物，接著質子化生成 1,1–

二醇化合物。

解答

(5)

9.6

氫陰離子與格林納試劑的親核加成：生成醇

氫陰離子的加成：還原

Addition of Hydride Reagents: Reduction

醛與硼氫化鈉（NaBH4）反應得到一級醇，酮則得到二 級醇。

p.282

羰基還原通常是在鹼條件下進行親核加成，如圖 9.2a，

此帶負電荷的親核基為由硼氫化鈉（NaBH₄）所提供的 氫陰離子（:H^－），而產生烷氧離子後質化的氫則由溶 劑乙醇提供；此過程是不可逆的。

p.283

格林納試劑的加成 Addition of Grignard Reagents 格林納試劑和醛、酮進行親核加成反應與 8.3 節中氫陰 離子和醛、酮加成反應相似，R：^－＋MgX 在乙醚溶劑中 與醛反應生成二級醇，與酮反應生成三級醇。

格林納反應也是在鹼性條件下進行親核加成，從格林納 試劑產生的親核基碳陰離子（R:^－）加到 C＝O 的碳上，

生成一四面體的烷氧鎂中間物；接著加入酸進行質子化 產生醇，此反應也是不可逆。

p.283

雖然格林納反應很有用，但也有其限制，例如：格林納 試劑無法以同時含有鹵化物與酮基的化合物來製備，因 為它自己就會與自身的酮基反應。相似的鹵烷類如同含 有酸、醇、胺等官能基也不能生成格林納試劑（7.3 節

），因為 RCO2H、ROH、或 RNH2能供給酸性氫，使 格林納試劑無法從下列化合物來製備。

p.283

練習題 9.2 利用格林納試劑製備醇類

如何利用格林納試劑與酮類合成 2-苯基丙-2-醇？

方法 首先分析產物結構有兩個甲基（－CH3）及一個苯 基（－C6H5），其中有一個來自格林納試劑，另外 兩個來自酮類。因此有兩種可能，一為溴化甲基鎂

（CH₃MgBr）加到苯乙酮上，另一個是 C6H5MgBr 與丙酮反應。

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練習題 9.2 (續)

方法

p.284

9.7 水的親核加成反應：形成水合

醛和酮與水進行親核加成反應會產生羰基水合物稱為 1,1-二醇（1,1-diols），攣二醇〔geminal （gem）

diols〕，此反應為可逆，此二醇也可進行逆反應脫水 生成醛或酮。

p.285

攣二醇與醛、酮的互變，其平衡點與羰基化合物的結 構有關，雖然在大部分例子中，平衡都偏向羰基化合 物，但在少數醛中，攣二醇是較優勢的；例如：丙酮 水溶液中約 0.1% 為攣二醇，99.9 % 為酮；但甲醛

（CH2O）水溶液中則含有 99.9 % 攣二醇、0.1%醛。

在純水中，水分子進行親核性加成至醛或酮上，其反 應是很緩慢的；但在酸或鹼存在下，反應會加速；鹼 催化的反應機構如圖9.2a，帶負電的氫氧基當做親核基 而水分子則提供質子。

酸催化的反應機構如圖 9.2b，質子首先加到 C=O 氧上 增加其活性，水當親核基攻擊羰基的碳後脫去質子得 到攣二醇。

p.285

注意鹼催化與酸催化的不同，鹼催化所以會變快，是 因為氫氧根離子親核性（nucleophile）較中性水強；

而酸催化之所以變快是因為羰基質子化後，轉為較好 的電子接受者，更容易接受中性水的攻擊。

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9.8 醇的親核性加成反應：形成縮醛

醛、酮在酸的催化下可與醇類進行縮醛或縮酮的可逆 反應，產物是會有兩個－OR 基接在相同碳上的縮醛 類〔acetals，R2C(OR’)2〕。

p.286

在酸催化下，醇進行親核性加成到羰基上，其反應與 先前介紹的酸催化的水合反應相似，一開始醇親核加 成到羰基上（圖9.2b），產生氫氧醚稱為半縮醛

（hemiacetal），第二分子醇進一步反應生成縮醛與水。

p.286

與水合相同，所有的縮合步驟都是可逆的，反應正向 進行（從羰基生成縮醛）或逆向進行（從縮醛生成羰 基）取決於反應條件，反應中如移去水分子平衡往右 邊進行（正向），而加入過量水則往左邊進行（逆 向）。

從半縮醛變成縮醛反應機構以環已酮與甲醇的反應說 明於圖9.3，半縮醛上－OH 基先質子化形成好的離去 基（水），接著與醇一樣進行 E1 反應（7.8 節）。共 振穩定了陽離子，接著親核基-醇加到 C＝O 上；去質 子後得到縮醛。

此縮醛類在有機化學上相當有用，它可以用來保護醛 基或酮基，例如：要在酮基存在下把酯基還原，這反 應不能直接用 LiAlH4處理，因為它會將兩者都還原

（8.3 節）。

p.286

p.287

反應機構

圖 9.3 從生成縮醛的反應機構。先質子化後脫水生成陽 離子中間物，接著與親核機甲醇反應。

反應機構

圖 9.3 從生成縮醛的反應機構。先質子化後脫水生成陽 離子中間物，接著與親核機甲醇反應。

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歐亞書局第 9 章醛類與酮類：親核性加成反應 p.287 圖 9.3 從生成縮醛的反應機構。先質子化後脫水生成陽

離子中間物，接著與親核機甲醇反應。

這情形常發生在較複雜分子中，某官能基會干擾另一 官能基而可能產生其他的化學反應，此種情況經常會 發生，所以在此情況下，須先保護干擾的官能基，使 其不具反應性，才進行所要的反應，最後再將保護基

（protecting groups）去除以完成反應。

醛、酮常被轉化為縮醛類來保護之，此縮醛與醚類相 似，對鹼、還原劑、親核基都很安定，但可在酸的催 化下分解（8.6節）。因此，我們可以在同時有酮、酯 官能基進行還原反應前，先將酮基保護生成縮醛類，

再利用 LiAlH4還原酯基，最後在酸性水溶液中去保護 來完成反應。

p.287

在自然界碳水化合物中常見到半縮醛與縮醛，如：葡 萄糖，它是多氫氧基醛，它能進行分子內親核加成反 應生成環狀半縮醛；而多個葡萄糖藉由縮醛相互連接 在一起形成澱粉或纖維素，碳水化合物的反應將在後 面章節介紹。

p.288

練習題 9.3

預測縮醛的結構

2-甲基環戊酮在酸催化下與甲醇反應產物是什麼？

方法 酮與醇在酸催化下會進行縮合反應，故最後產物為 兩個－OCH3取代酮上的氧。

解答

(9)

9.9 胺的親核加成反應：亞胺類的生成

醛、酮與氨或一級胺 R’NH2反應可生成亞胺（ imines R2C＝NR’），此反應為胺（氨）親核加成到羰基上生成 胺醇，接著脫一水分子即生成亞胺。

p.289

在各種生物途徑中也常見亞胺中間物的產生，如身體中 胺基酸的合成與分解，其中丙胺酸的生物合成途徑，就 是丙酮酸與氨反應生成亞胺中間物，接著被還原生成的

。

p.289

丙胺酸的生物分解途徑，為丙胺酸與磷酸 哆醛（維生 素 B6的衍生物）反應生成亞胺，將再進一步被分解。

練習題 9.4

預測下列反應產物

2-丁酮與羥基胺（NH2OH）反應，將會得到什麼產物？

方法 移去酮上的氧及胺生的兩個氫生成水，再將剩下部 分結合。

解答

p.290

9.10

共軛親核加成反應

親核基直接加成到醛或酮 C＝O 上稱為1 , 2 - 加成（1,2- addition），相類似稱為共軛加成（conjugate addition）

的反應是親核基加到α、β-不飽和醛或酮的 C＝C 上，

又稱為1,4-加成（1,4-addition）。α、β-不飽和羰化基 化物（α、β-unsatu ratedaddition）是 C＝C 隔一單鍵 與 C＝O 相接，其中 C＝O 旁的 C 稱為α碳，再下一個 稱為β碳（Cβ＝Cα－C＝O），就是 C＝C 與 C＝O共軛，

與為共軛雙鍵相似（4.8 節）。

p.290

(10)

共軛加成反應，首先會生成一穩定共振的烯醇根離子

（enolateion），接著α碳產生質子化，而得到飽和的 醛或酮；例如：甲基胺與 3-丁烯-2-酮反應可得到一個 胺酮加成的產物。

p.291

共軛加成的發生是因為α、β-不飽和羰化物上高陰電 性的氧拉電子，使得β位置的碳，比典型 C＝C 的電子 密度少，更具親電子性。

p.291

在許多生物反應中常見到用胺和水進行共軛加成，例 如：食物代謝的檸檬酸循環，其中順-烏頭酸的 C＝C 加水反應生成異檸檬酸就是這種反應。

特論

特論維生素 C

在所有維它命中，維生素 C 又稱抗壞血酸（ascorbic acid），是最被了解的維它命。它是第一個被發現（

1928）、第一個被了解結構特性（1933），第一個在 實驗室合成（1933）的維生素。

p.292

特論

特論維生素 C(續)

p.293

工業上可利用生物與有機化學實驗的混合方式製造維 生素 C，霍夫曼羅氏公司利用葡萄糖經 5 個反應步驟 後合成維生素 C，如圖 9.4。

葡萄糖是一個 5 碳醛糖，首先將其還原成山梨醇，當 前沒有一個化學試劑能單獨氧化山梨醇中一個醇基，

故酵素反應才是可行的；接著用一種弱氧化醋酸菌

（Acetobacter suboxydans）氧化，後以丙酮與酸催化 將 4 個醇基以縮醛方式連結，殘存的醇基則利用 NaOCl（家用漂白劑）氧化成酸；水解移去兩個縮醛 基形成內酯而得到維生素 C。此五個步驟每一個產率 皆超過 90％。

有機化學

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第 9 章 醛類與酮類：

親核性加成反應

9.1 羰基化合物的性質

9.2 醛、酮類的命名

9.3 醛、酮的合成

9.4 醛的氧化反應

9.5 親核性加成反應

反 應 機 構

預測親核加成反應的產物

氫陰離子與格林納試劑的親核加 成：生成醇

練習題 9.2 利用格林納試劑製備醇類

練習題 9.2 (續)

9.7 水的親核加成反應：形成水合

9.8 醇的親核性加成反應：形成縮醛

反 應 機 構

反 應 機 構

預測縮醛的結構

預測下列反應產物

共軛親核加成反應

特論

特論 維生素 C

特論

特論 維生素 C(續)

特論

特論 環氧黏著劑與樹脂(續)

第 9 章醛類與酮類：

反應機構

氫陰離子與格林納試劑的親核加成：生成醇

反應機構

反應機構

特論維生素 C

特論維生素 C(續)

特論環氧黏著劑與樹脂(續)