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相似相溶,乙醇易溶于水,故甲醇易溶于水
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1.与金属钠反应
2.氧化:(1)燃烧(2)催化氧化(3)强氧化剂
2.氧化:(1)燃烧(2)催化氧化(3)强氧化剂
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一、醇羟基中氢的反应
醇的反应
在醇分子中,由于氧原子的电负性较强,故与氧原子相连的键有极性:
但碳氧键的可极化性并不强,所以,在水溶液中不能形成碳正离子和羟基负
离子。可是由于碳、氧、氢各原子的电负性不同,在反应中有碳氧键和氢氧键断
裂的两种可能。可以把醇看成是烷基化的水,即水中的一个氢原子被烷基取代了
的产物。因此可以设想它应该有与水相似的性质。例如,水可以离解出氢离子
(氢离子浓度为1×10-7 mol•L-1),与金属钠反应,产生氢气和氢氧化钠。醇与
金属钠反应也可发生氢氧键的断裂,放出氢气,并生成与氢氧化钠类似的产物,
称为醇化钠或醇钠:
但该反应比钠与水的反应慢,说明醇是比水弱的酸。碳的电负性比氧弱,碳
氧键电子偏向氧,因此烷基是给电子基团,与水相比,羟基中的氢难以电离(氢
离子浓度为1×10-9 mol•L-1),即烷氧负离子的碱性比羟基负离子强,所以,醇
钠加入水中,全部水解,马上得回醇和氢氧化钠:
因为强碱与“酸”相遇,“酸”把质子给予强碱。虽然如此,在工业上制甲
醇钠或乙醇钠还是用醇与氢氧化钠反应,然后想法把水除去,使平衡有利于醇钠
一方。常用的方法是利用形成共沸混合物,如苯、乙醇、水可形成共沸混合物,
将水带走转移平衡。所谓共沸混合物,如几种沸点不同而又完全互溶的液体混合
物,由于分子间的作用力,它们在蒸馏过程不能一一分开,而是得到具有最低沸
点(比所有组分沸点都低)或最高沸点(比所有组分沸点都高)的馏出物,这些
馏出物组成与溶液组成相同,沸点也一直恒定,直到蒸完,冷凝后的液体,称为
共沸混合物。如乙醇-苯-水组成三元共沸混合物,其沸点为64.9℃(乙醇18.5%,
苯74%,水7.5%),苯-乙醇组成二元共沸混合物,其沸点为68.3℃(乙醇
32.4%,苯67.6%)。如乙醇中含有少量的水,由于乙醇-水形成共沸混合物,其
沸点为78℃(乙醇95.57%,水4.43%),不能通过蒸馏方法除去,可计算加入比
形成乙醇-苯-水三元共沸混合物稍过量的苯,将水除去,过量苯与乙醇形成二元共
沸混合物除去,剩下为无水乙醇。醇钠的醇溶液,可通过上述去水方法得到。醇
钠及其类似物在有机合成中是一类重要的试剂,并常作为碱使用。
根据在气相下研究一系列醇的酸性次序是:
(CH3)3CCH2OH>(CH)3COH>(CH3)2CHOH>CH3CH2OH>CH3OH>H2O
说明烷基是吸电子基团,但在液相中测定醇的酸性次序正好相反,
CH3OH>RCH2OH>R2CHOH>R3COH
这解释为醇在气态,分子处于隔离状态,烷基吸电子是反映了分子内在的本
质;但在液相中有溶剂化作用,R3CO-由于R3C体积大,溶剂化作用小,而RCH2O-
体积小,溶剂化作用大。RCH2O-溶剂化作用大、稳定,因此RCH2OH中的质子易
于离解,酸性大;R3CO-溶剂化作用小,不如RCH2O-稳定,因此R3COH中质子不
易离解,酸性校一般pKa值是在液相测定的,根据各类醇酸性的大小顺序,因此认
为烷基是给电子的。
各类醇的其轭酸在水中酸性的强弱,也由它们的共轭酸在水中的稳定性来决
定,共轭酸的空间位阻小,与水形成氢键而溶剂化的程度愈大,这个共轭酸就稳
定,质子不易离去,酸性就较低。如空间位阻大,溶剂化作用小,质子易离去,
酸性强。
习题9-6将下列化合物按酸性由大到小排列成序:
CH3CH2C≡CH,CH3CH2CH2CH3
习题9-7将下列化合物按碱性由大到小排列成序:
二、碳氧键断裂——羟基被置换
1.与氢卤酸反应氢卤酸与醇反应生成卤代烷,反应中醇羟基被卤离子取代:
ROH+HX→RX+H2O
醇羟基不是一个好的离去基团,需要酸的帮助,使羟基质子化后以水的形式
易于离去。由于卤离子的亲核能力I->Br ->Cl-,故氢卤酸的反应性HI>HBr>
HCl。各种醇的反应性3°>2°>1°。举例如下:
CH3(CH2)3OH+HI(57% )→CH3(CH2)3I+H2O
氢碘酸是强酸,一级醇很易与它反应;氢溴酸的酸性较氢碘酸弱,因此需硫
酸增强酸性;也可用溴化钠和硫酸代替氢溴酸,这是从一级醇制卤代烷的最常用
的方法;浓盐酸的酸性更弱一些,需用氯化锌与其混合使用,称卢卡斯(Lucas)
试剂,氯化锌是强的路易斯酸,其作用与质子酸类似。三级醇易反应,只需浓盐
酸在室温振荡即可反应,氢溴酸在低温也能与三级醇进行反应。如用氯化氢、溴
化氢气体在0℃通过三级醇,反应在几分钟内就可完成,这是制三级卤代烷的常用
方法,除非极敏感的化合物,一般可避免发生重排。
氢卤酸与大多数一级醇按SN2机制进行反应:
氢卤酸与大多数二级、三级醇按SN1机制进行反应:
习题9-8请提出一个用HCl-ZnCl2与一级醇(SN2)、三级醇(SN1)的反应机制。
如果按SN1机制反应,就有重排产物产生,如2-戊醇与溴氢酸反应有86%2-溴
戊烷与14%3-溴戊烷;异丁醇在氢溴酸与硫酸中加热反应,有80%异丁基溴与
20%三级丁基溴,新戊醇由于β位位阻太大,得到的是重排产物2-甲基-2-溴丁
烷。
邻基参与效应
当有光活性的赤型的β-溴代醇(i)用浓氢溴酸处理,得内消旋的二溴化物
(ii),如有光活性的苏型的β-溴代醇(iii)用浓氢溴酸处理,得外消旋体二溴化
物(iv)、(v):
当(iii)形成(iv)时,两个手性碳构型均不变,当(iii)形成(v)时,两个
手性碳构型均发生转化。这是因为β位的溴参与醇羟基的反应,这种相邻基团在
排除离去基团时所作的帮助,称为邻基参与效应。当分子内要形成一个缺电子的
碳正离子(除碳外,还可包括氧与氮)时,相邻基团作为一个内部的亲核试剂向
这个反应中心的碳进攻,帮助离去基团离去,这样形成了中间体环正离子,然后
外部的亲核试剂进攻,形成产物,相邻基团可以通过环正离子迁移到离去基团的
碳上,这时两个手性碳的构型均转化,如相邻基团仍回到原来位置,两个手性碳
的构型均不变:
邻基参与效应,可以从上述的立体化学表现出来,也可以从反应速率(特别
快)表现出来,因为相邻基团的空间位置合适,而且是分子内的反应,因此容易
发生反应,比分子间的反应快。
习题9-9请说明有光活性的赤-3-溴-2-丁醇和氢溴酸反应的立体化学过程。
习题9-10完成下列反应:
CH3CH2CH=CHCH2Br混合物,请提出一个合理的解释。
习题 9-12预测下列二组醇与氢溴酸进行SN1反应的相对速率:
习题9-13 2-环丁基-2-丙醇与HCl反应得1,1-二甲基-2-氯环戊烷;而2-环丙基-
2-丙醇与HCl反应得2-环丙基-2-氯丙烷而不是1,1-二甲基-2-氯环丁烷,请提出一
个合理的解释。
2.与卤化磷反应
醇与卤化磷反应生成卤代烷
3CH3CH2OH+PBr3→3CH3CH2Br+H3PO3
反应过程如下:
CH3CH2OH+PBr3→CH3CH2OPBr2+HBr
醇羟基是一个不好的离去基团,与三溴化磷作用形成CH3CH2OPBr2,Br-进攻
烷基的碳原子-OPBr2作为离去基团离去。-OPBr2中还有两个溴原子,可继续与醇
发生反应。
碘代烷可由三碘化磷与醇制备,但通常三碘化磷是用红磷与碘代替,将醇、
红磷和碘放在一起加热,先生成三碘化磷,再与醇进行反应:
氯代烷常用五氯化磷与醇反应制备:
CH3CH2OH+PCl5→CH3CH2Cl+HCl+POCl3
上述方法中,最常用的是三溴化磷与一级醇、β位有支链的一级醇、二级醇
生成相应溴代烷,在用二级醇及有些易发生重排反应的一级醇时温度需低于0℃,
以避免重排。红磷与碘常用于一级醇制相应碘代烷。
习题9-14请写明下列醇转化为相应卤代烷的试剂及反应条件:
3.与亚硫酰氯反应若用亚硫酰氯和醇反应,可直接得到氯代烷,同时生成二
氧化硫和氯化氢两种气体,在反应过程中这些气体都离开了反应体系,这有利于
反应向生成产物的方向进行,该反应不仅速率快,反应条件温和,产率高,而且
不生成其它副产物。一般用过量的亚硫酰氯并保持微沸,是一个很好的制氯代烷
的方法:
亚硫酰氯
bp79℃
反应机制如下:
从上式中可以看出反应过程中先生成氯代亚硫酸酯,然后分解为紧密离子
对,Cl-作为离去基因(-OSOCl)中的一部分,向碳正离子正面进攻,即“内
返”,得到构型保持的产物氯代烷。在低温时,可以分离出该中间产物氯代亚硫
酸酯,经加热分解成氯代烷和二氧化硫。这说明上述反应机制与实际相符,而且
取代犹如在分子内进行的,所以叫它分子内取代,以SNi表示(Substitution
Nucleophilic internal),不过这种取代较少。经过反应,原羟基所在的碳原子仍然保
持着原来的构型,只是氯原子占据了羟基所在的位置。但在醇和亚硫酰氯的混合
液中加入弱亲核试剂吡啶,即会发生构型的转化,因为中间产物氯代亚硫酸酯以
及反应中生成的氯化氢均可和吡啶反应分别生成下列产物:
上述二产物都含有“自由”的氯负离子,它可从碳氧键的背面向碳原子进
攻,从而使该碳原子的构型发生转化:
三级胺(R3N)和吡啶一样可对此反应起催化作用,因为有利于氯离子的形成:
亚硫酰氯和吡啶,常用于一级醇,β位有侧链的一级醇、二级醇制相应的氯
代烷,此试剂有很多优点,因此是常用的方法。亚硫酰溴因不稳定而很难得,故
不用它制溴代烷。
习题9-15完成下列反应,写出主要产物:
三、氢氧键断裂与酯的形成
醇与含氧无机酸或有机酸及它们的酰氯和酸酐反应,都生成酯,酯相当于醇
和酸的两种分子间失去一分子水,并相互结合成为一个分子,如下式所示:
在上列反应过程中,是醇分子作为亲核试剂进攻酸或其衍生物的带正电荷部
分,而后醇分子的氢氧键断裂,例如:
对甲苯磺酰氯(TsCl)是由对甲苯磺酸(TsOH)与五氯化磷或亚硫酰氯作用制得:
醇羟基必须在酸或路易斯酸催化下才可进行取代反应,而苯磺酸酯中酸根部
分是很好的离去基团,因此这类酯比醇容易进行亲核取代反应,如:
这样将一级或二级醇通过形成磺酸酯再转为卤代烷,纯度很好。上述反应醇
羟基所连碳原子为手性碳原子,磺化一步构型不变,与卤离子反应一步构型转
化,二步最终得到构型转化的产物。1-丁醇-1-d中由于H与D的差别很小,所以光
活性的差别也很小,只有〔α〕D=0.5°。
习题9-16由苯、甲苯以及必要的有机及无机试剂合成:
的甲醇溶液)制成对甲苯磺酸二级丁酯,然后用碱水解,得(S)-(+)-2-
化学过程,并加以解释。
四、醇的氧化
一级醇及二级醇的醇羟基相连的碳原子上有氢,可以被氧化成醛、酮或酸;
三级醇的醇羟基相连的碳原子上没有氢,不易被氧化,如在酸性条件下,易脱水
成烯,然后碳碳键氧化断裂,形成小分子化合物。
1.用高锰酸钾或二氧化锰氧化
醇不为冷、稀、中性的高锰酸钾的水溶液所氧化,一级醇、二级醇在比较强
烈的条件下(如加热)可被氧化。一级醇生成羧酸钾盐,溶于水,并有二氧化锰
沉淀析出,中和后可得羧酸:
二级醇可氧化为酮:
在二级醇用高锰酸钾氧化为酮时,易进一步氧化使碳碳键断裂,故很少用于
合成酮。
三级醇在中性、碱性条件下不易为高锰酸钾氧化,在酸性条件下,则能脱水
成烯,再发生碳碳键断裂,生成小分子化合物,如:
高锰酸钾与硫酸锰在碱性条件下可制得二氧化锰,新制的二氧化锰可将β碳
上为不饱和键的一级醇、二级醇氧化为相应的醛和酮,不饱和键可不受影响:
2KMnO4+3MnSO4+4NaOH→5MnO2↓+K2SO4+2Na2SO4+2H2O
CH2=CHCH2OH→CH2=CHCHO
丙烯醛
HOCH2CH2CH=CHCH2OH→HOCH2CH2CH=CHCHO
2.用铬酸氧化
可作为氧化剂的铬酸形式有:Na2Cr2O7与40%~50%硫酸混合液、CrO3的冰醋
酸溶液、CrO3与吡啶的络合物等
一级醇常用Na2Cr2O7与40%~50%硫酸混合液氧化,先得醛,醛进一步氧化
为酸,如:
如控制合适的氧化条件,在氧化成醛后立即从反应体系中蒸出,可避免进一
步被氧化为酸,反应需在低于醇的沸点,高于醛的沸点温度下进行,如:
将丙醇滴加到温度为~75℃的Na2Cr2O7,H2SO4,H2O的溶液中,一旦生成丙
醛,就被蒸馏出来。这种反应产率不高,因为总有一部分醛氧化为酸。醛的沸点
低于100℃才能用此法,因此此法用途是非常有限的。
二级醇常用上述几种铬酸氧化剂氧化,酮在此条件下比较稳定。因此是比较
有用的方法。
用铬酐(CrO3)与吡啶形成的铬酐-双吡啶络合物是吸潮性红色结晶,称沙瑞
特(Sarrett,L.H.)试剂,可使一级醇氧化为醛,二级醇氧化为酮,产率很
高,因为吡啶是碱性的,对在酸中不稳定的醇是一种很好的氧化剂,反应一般在
二氯甲烷中于25℃左右进行。如:
分子中有双键、叁键,氧化时不受影响。
不饱和的二级醇也可用琼斯(Jones)试剂氧化成相应的酮而双键不受影响,
该试剂是把铬酐溶于稀硫酸中,然后滴加到要被氧化的醇的丙酮溶液中,反应在
15~20℃进行,可得较高产率的酮,如:
醇与铬酸的反应机制,认为如下所示:
上述的水作为碱。也可以不是外来的碱,而是通过环状机制,把一个H+传给
氧的:
其余的醇也被氧化:R2CHOH+Cr(IV)→R2COH+Cr(III)
R2COH+Cr(VI)→R2C=O+Cr(V)
最终将 Cr(VI)还原为 Cr(III)。
如用过量铬酸并反应条件强烈,双键也被氧化成酮或酸。
3.用硝酸氧化
一级醇能在稀硝酸中氧化为酸。二级醇、三级醇需在较浓的硝酸中氧化,同
时碳碳键断裂,成为小分子的酸。环醇氧化,碳碳键断裂成为二元酸:
4.欧芬脑尔(Oppenauer,R.V)氧化法
另一种有选择性的氧化醇的方法叫做欧芬脑尔氧化法,即在碱如三级丁醇铝
或异丙醇铝的存在下,二级醇和丙酮(或甲乙酮、环己酮)一起反应(有时需加
入苯或甲苯做溶剂),醇把两个氢原子转移给丙酮,醇变成酮,丙酮被还原成异
丙醇。该反应的特点是,只在醇和酮之间发生氢原子的转移,而不涉及分子的其
它部分。所以在分子中含有碳碳双键或其它对酸不稳定的基团时,利用此法较为
适宜。因此该法也是由一个不饱和二级醇制备不饱和酮的有效方法。
醇铝可用下法制备:
反应举例如下:
该反应是通过一个环状中间体进行的。
这是一个可逆反应,故也可由酮制醇(参看10.16,4)。为使上一反应向生
成酮的方向进行,需加入大量的丙酮。使(i)尽可能与丙酮络合,将丙酮还原为
异丙醇;而其逆反应则需加大量异丙醇,同时把产生的丙酮从反应体系中移走。
使用上述氧化法一级醇虽也可氧化成相应的醛,但效果并不太好,因在碱存
在下,生成的醛常易进行羟醛缩合反应。
5.用费兹纳-莫发特试剂氧化
一级醇在近来发现的费兹纳(Pfitzner,K.E.)及莫发特(Moffatt,J.G.)
试剂的作用下,可以得到产率非常高的醛。这个试剂是二甲亚砜和二环己基碳二
亚胺,二环己基碳二亚胺英文名叫dicyclohexyl carbodiimide,简称为DCC,是
二取代脲的失水产物:
这是一个非常重要的失水剂。如对硝基苯甲醇,用这个试剂在磷酸作用下,
得到92%产率的对硝基苯甲醛:
反应过程如下:
在这个反应中,二环己基碳二亚胺接受一分子水,变为脲的衍生物,而二甲
亚砜变为二甲硫醚。
这个氧化剂也可用于氧化二级醇。
在进行氧化反应时,必须注意许多有机物与强氧化剂接触时,会发生强烈的
爆炸,因此在使用高锰酸钾、高氯酸以及类似氧化剂进行反应时,一定要在溶剂
中进行,因为溶剂可使放出的大量热消散,减缓反应速率。
习题9-18完成下列反应,写出主要产物。
五、醇的脱氢
一级醇、二级醇可以在脱氢试剂的作用下,失去氢形成羰基化合物,醇的脱
氢一般用于工业生产,常用铜或铜铬氧化物等作脱氢剂,在300℃下使醇蒸气通过
催化剂即可生成醛或酮。
此外Pd等也可作脱氢试剂,如:
醇除以上所讨论的各种反应外,也像水一样,和干燥剂如氯化钙可形成结晶
醇。例如甲醇和乙醇与氯化钙作用,分别形成CaCl2•4CH3OH和CaCl2•6C2H5OH。
因此乙醇溶液不能用氯化钙干燥。
http://www.ahuaxue.com/ShowArticle.asp?ArticleID=846
醇的反应
在醇分子中,由于氧原子的电负性较强,故与氧原子相连的键有极性:
但碳氧键的可极化性并不强,所以,在水溶液中不能形成碳正离子和羟基负
离子。可是由于碳、氧、氢各原子的电负性不同,在反应中有碳氧键和氢氧键断
裂的两种可能。可以把醇看成是烷基化的水,即水中的一个氢原子被烷基取代了
的产物。因此可以设想它应该有与水相似的性质。例如,水可以离解出氢离子
(氢离子浓度为1×10-7 mol•L-1),与金属钠反应,产生氢气和氢氧化钠。醇与
金属钠反应也可发生氢氧键的断裂,放出氢气,并生成与氢氧化钠类似的产物,
称为醇化钠或醇钠:
但该反应比钠与水的反应慢,说明醇是比水弱的酸。碳的电负性比氧弱,碳
氧键电子偏向氧,因此烷基是给电子基团,与水相比,羟基中的氢难以电离(氢
离子浓度为1×10-9 mol•L-1),即烷氧负离子的碱性比羟基负离子强,所以,醇
钠加入水中,全部水解,马上得回醇和氢氧化钠:
因为强碱与“酸”相遇,“酸”把质子给予强碱。虽然如此,在工业上制甲
醇钠或乙醇钠还是用醇与氢氧化钠反应,然后想法把水除去,使平衡有利于醇钠
一方。常用的方法是利用形成共沸混合物,如苯、乙醇、水可形成共沸混合物,
将水带走转移平衡。所谓共沸混合物,如几种沸点不同而又完全互溶的液体混合
物,由于分子间的作用力,它们在蒸馏过程不能一一分开,而是得到具有最低沸
点(比所有组分沸点都低)或最高沸点(比所有组分沸点都高)的馏出物,这些
馏出物组成与溶液组成相同,沸点也一直恒定,直到蒸完,冷凝后的液体,称为
共沸混合物。如乙醇-苯-水组成三元共沸混合物,其沸点为64.9℃(乙醇18.5%,
苯74%,水7.5%),苯-乙醇组成二元共沸混合物,其沸点为68.3℃(乙醇
32.4%,苯67.6%)。如乙醇中含有少量的水,由于乙醇-水形成共沸混合物,其
沸点为78℃(乙醇95.57%,水4.43%),不能通过蒸馏方法除去,可计算加入比
形成乙醇-苯-水三元共沸混合物稍过量的苯,将水除去,过量苯与乙醇形成二元共
沸混合物除去,剩下为无水乙醇。醇钠的醇溶液,可通过上述去水方法得到。醇
钠及其类似物在有机合成中是一类重要的试剂,并常作为碱使用。
根据在气相下研究一系列醇的酸性次序是:
(CH3)3CCH2OH>(CH)3COH>(CH3)2CHOH>CH3CH2OH>CH3OH>H2O
说明烷基是吸电子基团,但在液相中测定醇的酸性次序正好相反,
CH3OH>RCH2OH>R2CHOH>R3COH
这解释为醇在气态,分子处于隔离状态,烷基吸电子是反映了分子内在的本
质;但在液相中有溶剂化作用,R3CO-由于R3C体积大,溶剂化作用小,而RCH2O-
体积小,溶剂化作用大。RCH2O-溶剂化作用大、稳定,因此RCH2OH中的质子易
于离解,酸性大;R3CO-溶剂化作用小,不如RCH2O-稳定,因此R3COH中质子不
易离解,酸性校一般pKa值是在液相测定的,根据各类醇酸性的大小顺序,因此认
为烷基是给电子的。
各类醇的其轭酸在水中酸性的强弱,也由它们的共轭酸在水中的稳定性来决
定,共轭酸的空间位阻小,与水形成氢键而溶剂化的程度愈大,这个共轭酸就稳
定,质子不易离去,酸性就较低。如空间位阻大,溶剂化作用小,质子易离去,
酸性强。
习题9-6将下列化合物按酸性由大到小排列成序:
CH3CH2C≡CH,CH3CH2CH2CH3
习题9-7将下列化合物按碱性由大到小排列成序:
二、碳氧键断裂——羟基被置换
1.与氢卤酸反应氢卤酸与醇反应生成卤代烷,反应中醇羟基被卤离子取代:
ROH+HX→RX+H2O
醇羟基不是一个好的离去基团,需要酸的帮助,使羟基质子化后以水的形式
易于离去。由于卤离子的亲核能力I->Br ->Cl-,故氢卤酸的反应性HI>HBr>
HCl。各种醇的反应性3°>2°>1°。举例如下:
CH3(CH2)3OH+HI(57% )→CH3(CH2)3I+H2O
氢碘酸是强酸,一级醇很易与它反应;氢溴酸的酸性较氢碘酸弱,因此需硫
酸增强酸性;也可用溴化钠和硫酸代替氢溴酸,这是从一级醇制卤代烷的最常用
的方法;浓盐酸的酸性更弱一些,需用氯化锌与其混合使用,称卢卡斯(Lucas)
试剂,氯化锌是强的路易斯酸,其作用与质子酸类似。三级醇易反应,只需浓盐
酸在室温振荡即可反应,氢溴酸在低温也能与三级醇进行反应。如用氯化氢、溴
化氢气体在0℃通过三级醇,反应在几分钟内就可完成,这是制三级卤代烷的常用
方法,除非极敏感的化合物,一般可避免发生重排。
氢卤酸与大多数一级醇按SN2机制进行反应:
氢卤酸与大多数二级、三级醇按SN1机制进行反应:
习题9-8请提出一个用HCl-ZnCl2与一级醇(SN2)、三级醇(SN1)的反应机制。
如果按SN1机制反应,就有重排产物产生,如2-戊醇与溴氢酸反应有86%2-溴
戊烷与14%3-溴戊烷;异丁醇在氢溴酸与硫酸中加热反应,有80%异丁基溴与
20%三级丁基溴,新戊醇由于β位位阻太大,得到的是重排产物2-甲基-2-溴丁
烷。
邻基参与效应
当有光活性的赤型的β-溴代醇(i)用浓氢溴酸处理,得内消旋的二溴化物
(ii),如有光活性的苏型的β-溴代醇(iii)用浓氢溴酸处理,得外消旋体二溴化
物(iv)、(v):
当(iii)形成(iv)时,两个手性碳构型均不变,当(iii)形成(v)时,两个
手性碳构型均发生转化。这是因为β位的溴参与醇羟基的反应,这种相邻基团在
排除离去基团时所作的帮助,称为邻基参与效应。当分子内要形成一个缺电子的
碳正离子(除碳外,还可包括氧与氮)时,相邻基团作为一个内部的亲核试剂向
这个反应中心的碳进攻,帮助离去基团离去,这样形成了中间体环正离子,然后
外部的亲核试剂进攻,形成产物,相邻基团可以通过环正离子迁移到离去基团的
碳上,这时两个手性碳的构型均转化,如相邻基团仍回到原来位置,两个手性碳
的构型均不变:
邻基参与效应,可以从上述的立体化学表现出来,也可以从反应速率(特别
快)表现出来,因为相邻基团的空间位置合适,而且是分子内的反应,因此容易
发生反应,比分子间的反应快。
习题9-9请说明有光活性的赤-3-溴-2-丁醇和氢溴酸反应的立体化学过程。
习题9-10完成下列反应:
CH3CH2CH=CHCH2Br混合物,请提出一个合理的解释。
习题 9-12预测下列二组醇与氢溴酸进行SN1反应的相对速率:
习题9-13 2-环丁基-2-丙醇与HCl反应得1,1-二甲基-2-氯环戊烷;而2-环丙基-
2-丙醇与HCl反应得2-环丙基-2-氯丙烷而不是1,1-二甲基-2-氯环丁烷,请提出一
个合理的解释。
2.与卤化磷反应
醇与卤化磷反应生成卤代烷
3CH3CH2OH+PBr3→3CH3CH2Br+H3PO3
反应过程如下:
CH3CH2OH+PBr3→CH3CH2OPBr2+HBr
醇羟基是一个不好的离去基团,与三溴化磷作用形成CH3CH2OPBr2,Br-进攻
烷基的碳原子-OPBr2作为离去基团离去。-OPBr2中还有两个溴原子,可继续与醇
发生反应。
碘代烷可由三碘化磷与醇制备,但通常三碘化磷是用红磷与碘代替,将醇、
红磷和碘放在一起加热,先生成三碘化磷,再与醇进行反应:
氯代烷常用五氯化磷与醇反应制备:
CH3CH2OH+PCl5→CH3CH2Cl+HCl+POCl3
上述方法中,最常用的是三溴化磷与一级醇、β位有支链的一级醇、二级醇
生成相应溴代烷,在用二级醇及有些易发生重排反应的一级醇时温度需低于0℃,
以避免重排。红磷与碘常用于一级醇制相应碘代烷。
习题9-14请写明下列醇转化为相应卤代烷的试剂及反应条件:
3.与亚硫酰氯反应若用亚硫酰氯和醇反应,可直接得到氯代烷,同时生成二
氧化硫和氯化氢两种气体,在反应过程中这些气体都离开了反应体系,这有利于
反应向生成产物的方向进行,该反应不仅速率快,反应条件温和,产率高,而且
不生成其它副产物。一般用过量的亚硫酰氯并保持微沸,是一个很好的制氯代烷
的方法:
亚硫酰氯
bp79℃
反应机制如下:
从上式中可以看出反应过程中先生成氯代亚硫酸酯,然后分解为紧密离子
对,Cl-作为离去基因(-OSOCl)中的一部分,向碳正离子正面进攻,即“内
返”,得到构型保持的产物氯代烷。在低温时,可以分离出该中间产物氯代亚硫
酸酯,经加热分解成氯代烷和二氧化硫。这说明上述反应机制与实际相符,而且
取代犹如在分子内进行的,所以叫它分子内取代,以SNi表示(Substitution
Nucleophilic internal),不过这种取代较少。经过反应,原羟基所在的碳原子仍然保
持着原来的构型,只是氯原子占据了羟基所在的位置。但在醇和亚硫酰氯的混合
液中加入弱亲核试剂吡啶,即会发生构型的转化,因为中间产物氯代亚硫酸酯以
及反应中生成的氯化氢均可和吡啶反应分别生成下列产物:
上述二产物都含有“自由”的氯负离子,它可从碳氧键的背面向碳原子进
攻,从而使该碳原子的构型发生转化:
三级胺(R3N)和吡啶一样可对此反应起催化作用,因为有利于氯离子的形成:
亚硫酰氯和吡啶,常用于一级醇,β位有侧链的一级醇、二级醇制相应的氯
代烷,此试剂有很多优点,因此是常用的方法。亚硫酰溴因不稳定而很难得,故
不用它制溴代烷。
习题9-15完成下列反应,写出主要产物:
三、氢氧键断裂与酯的形成
醇与含氧无机酸或有机酸及它们的酰氯和酸酐反应,都生成酯,酯相当于醇
和酸的两种分子间失去一分子水,并相互结合成为一个分子,如下式所示:
在上列反应过程中,是醇分子作为亲核试剂进攻酸或其衍生物的带正电荷部
分,而后醇分子的氢氧键断裂,例如:
对甲苯磺酰氯(TsCl)是由对甲苯磺酸(TsOH)与五氯化磷或亚硫酰氯作用制得:
醇羟基必须在酸或路易斯酸催化下才可进行取代反应,而苯磺酸酯中酸根部
分是很好的离去基团,因此这类酯比醇容易进行亲核取代反应,如:
这样将一级或二级醇通过形成磺酸酯再转为卤代烷,纯度很好。上述反应醇
羟基所连碳原子为手性碳原子,磺化一步构型不变,与卤离子反应一步构型转
化,二步最终得到构型转化的产物。1-丁醇-1-d中由于H与D的差别很小,所以光
活性的差别也很小,只有〔α〕D=0.5°。
习题9-16由苯、甲苯以及必要的有机及无机试剂合成:
的甲醇溶液)制成对甲苯磺酸二级丁酯,然后用碱水解,得(S)-(+)-2-
化学过程,并加以解释。
四、醇的氧化
一级醇及二级醇的醇羟基相连的碳原子上有氢,可以被氧化成醛、酮或酸;
三级醇的醇羟基相连的碳原子上没有氢,不易被氧化,如在酸性条件下,易脱水
成烯,然后碳碳键氧化断裂,形成小分子化合物。
1.用高锰酸钾或二氧化锰氧化
醇不为冷、稀、中性的高锰酸钾的水溶液所氧化,一级醇、二级醇在比较强
烈的条件下(如加热)可被氧化。一级醇生成羧酸钾盐,溶于水,并有二氧化锰
沉淀析出,中和后可得羧酸:
二级醇可氧化为酮:
在二级醇用高锰酸钾氧化为酮时,易进一步氧化使碳碳键断裂,故很少用于
合成酮。
三级醇在中性、碱性条件下不易为高锰酸钾氧化,在酸性条件下,则能脱水
成烯,再发生碳碳键断裂,生成小分子化合物,如:
高锰酸钾与硫酸锰在碱性条件下可制得二氧化锰,新制的二氧化锰可将β碳
上为不饱和键的一级醇、二级醇氧化为相应的醛和酮,不饱和键可不受影响:
2KMnO4+3MnSO4+4NaOH→5MnO2↓+K2SO4+2Na2SO4+2H2O
CH2=CHCH2OH→CH2=CHCHO
丙烯醛
HOCH2CH2CH=CHCH2OH→HOCH2CH2CH=CHCHO
2.用铬酸氧化
可作为氧化剂的铬酸形式有:Na2Cr2O7与40%~50%硫酸混合液、CrO3的冰醋
酸溶液、CrO3与吡啶的络合物等
一级醇常用Na2Cr2O7与40%~50%硫酸混合液氧化,先得醛,醛进一步氧化
为酸,如:
如控制合适的氧化条件,在氧化成醛后立即从反应体系中蒸出,可避免进一
步被氧化为酸,反应需在低于醇的沸点,高于醛的沸点温度下进行,如:
将丙醇滴加到温度为~75℃的Na2Cr2O7,H2SO4,H2O的溶液中,一旦生成丙
醛,就被蒸馏出来。这种反应产率不高,因为总有一部分醛氧化为酸。醛的沸点
低于100℃才能用此法,因此此法用途是非常有限的。
二级醇常用上述几种铬酸氧化剂氧化,酮在此条件下比较稳定。因此是比较
有用的方法。
用铬酐(CrO3)与吡啶形成的铬酐-双吡啶络合物是吸潮性红色结晶,称沙瑞
特(Sarrett,L.H.)试剂,可使一级醇氧化为醛,二级醇氧化为酮,产率很
高,因为吡啶是碱性的,对在酸中不稳定的醇是一种很好的氧化剂,反应一般在
二氯甲烷中于25℃左右进行。如:
分子中有双键、叁键,氧化时不受影响。
不饱和的二级醇也可用琼斯(Jones)试剂氧化成相应的酮而双键不受影响,
该试剂是把铬酐溶于稀硫酸中,然后滴加到要被氧化的醇的丙酮溶液中,反应在
15~20℃进行,可得较高产率的酮,如:
醇与铬酸的反应机制,认为如下所示:
上述的水作为碱。也可以不是外来的碱,而是通过环状机制,把一个H+传给
氧的:
其余的醇也被氧化:R2CHOH+Cr(IV)→R2COH+Cr(III)
R2COH+Cr(VI)→R2C=O+Cr(V)
最终将 Cr(VI)还原为 Cr(III)。
如用过量铬酸并反应条件强烈,双键也被氧化成酮或酸。
3.用硝酸氧化
一级醇能在稀硝酸中氧化为酸。二级醇、三级醇需在较浓的硝酸中氧化,同
时碳碳键断裂,成为小分子的酸。环醇氧化,碳碳键断裂成为二元酸:
4.欧芬脑尔(Oppenauer,R.V)氧化法
另一种有选择性的氧化醇的方法叫做欧芬脑尔氧化法,即在碱如三级丁醇铝
或异丙醇铝的存在下,二级醇和丙酮(或甲乙酮、环己酮)一起反应(有时需加
入苯或甲苯做溶剂),醇把两个氢原子转移给丙酮,醇变成酮,丙酮被还原成异
丙醇。该反应的特点是,只在醇和酮之间发生氢原子的转移,而不涉及分子的其
它部分。所以在分子中含有碳碳双键或其它对酸不稳定的基团时,利用此法较为
适宜。因此该法也是由一个不饱和二级醇制备不饱和酮的有效方法。
醇铝可用下法制备:
反应举例如下:
该反应是通过一个环状中间体进行的。
这是一个可逆反应,故也可由酮制醇(参看10.16,4)。为使上一反应向生
成酮的方向进行,需加入大量的丙酮。使(i)尽可能与丙酮络合,将丙酮还原为
异丙醇;而其逆反应则需加大量异丙醇,同时把产生的丙酮从反应体系中移走。
使用上述氧化法一级醇虽也可氧化成相应的醛,但效果并不太好,因在碱存
在下,生成的醛常易进行羟醛缩合反应。
5.用费兹纳-莫发特试剂氧化
一级醇在近来发现的费兹纳(Pfitzner,K.E.)及莫发特(Moffatt,J.G.)
试剂的作用下,可以得到产率非常高的醛。这个试剂是二甲亚砜和二环己基碳二
亚胺,二环己基碳二亚胺英文名叫dicyclohexyl carbodiimide,简称为DCC,是
二取代脲的失水产物:
这是一个非常重要的失水剂。如对硝基苯甲醇,用这个试剂在磷酸作用下,
得到92%产率的对硝基苯甲醛:
反应过程如下:
在这个反应中,二环己基碳二亚胺接受一分子水,变为脲的衍生物,而二甲
亚砜变为二甲硫醚。
这个氧化剂也可用于氧化二级醇。
在进行氧化反应时,必须注意许多有机物与强氧化剂接触时,会发生强烈的
爆炸,因此在使用高锰酸钾、高氯酸以及类似氧化剂进行反应时,一定要在溶剂
中进行,因为溶剂可使放出的大量热消散,减缓反应速率。
习题9-18完成下列反应,写出主要产物。
五、醇的脱氢
一级醇、二级醇可以在脱氢试剂的作用下,失去氢形成羰基化合物,醇的脱
氢一般用于工业生产,常用铜或铜铬氧化物等作脱氢剂,在300℃下使醇蒸气通过
催化剂即可生成醛或酮。
此外Pd等也可作脱氢试剂,如:
醇除以上所讨论的各种反应外,也像水一样,和干燥剂如氯化钙可形成结晶
醇。例如甲醇和乙醇与氯化钙作用,分别形成CaCl2•4CH3OH和CaCl2•6C2H5OH。
因此乙醇溶液不能用氯化钙干燥。
http://www.ahuaxue.com/ShowArticle.asp?ArticleID=846
参考资料: http://www.relaxsoft.net/soonweb/new/read.asp?id=2797
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