第十六章 双官能团化合物 (Difunctional Compounds) 刘治国 西华大学理化学院 2019/4/18

本章主要讨论几种特殊类型的化合物 邻二醇 二羰基化合物（二酮、酮醛、酮酸和酮酯） 羟基醛和羟基酮 取代酸 α,β-不饱和化合物 2019/4/18

双官能团化合物具有所含单官能团的典型化学性质。 2019/4/18

由于两官能团的相互影响，许多情况下表现出单官能团化合物所没有的化学性质。 2019/4/18

一、邻二醇化合物 邻二醇（片呐醇）可以由相应的烯烃氧化、酮的还原二聚制备。 两个羟基处于相邻的碳上，表现出了一些有趣的化学特性，如片呐醇重排反应。 2019/4/18

1. 片呐醇重排反应 （Pinacol Rearrangement） 邻二醇（片呐醇）在酸性条件下发生碳胳重排生成片呐酮（Pinacolone）的反应。 2019/4/18

（1）基团迁移规律如何？ 2019/4/18

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（2）结构不对称的邻二醇的重排，重排产物首先决定于哪一个羟基是离去基团？其次，重排产物还决定于哪一个基团首先迁移？ 2019/4/18

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基团迁移趋势的顺序是：苯基>烷基。 氢原子的迁移能力表现得不十分规则，一般地迁移能力小于烷基。 2019/4/18

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苯环上，苯邻位位阻较大则迁移变弱，甚至不能迁移。其它一般按亲核能力强者优先重排。 2019/4/18

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除了邻二醇外，β-卤代醇、邻氨基醇有类似的反应的。 2019/4/18

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（3）片呐醇重排应用 利用片呐醇重排，可以合成一些难以得到的化合物。 2019/4/18

2. 片呐醇氧化反应 （Pinacol Oxidation Reaction） 高碘酸或四醋酸铅，氧化邻二醇，两个羟基相连的碳—碳键容易断裂得到两个羰基化合物。 2019/4/18

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反式邻二醇采用什么试剂(⊙o⊙)？ 2019/4/18

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高碘酸氧化经过环状中间体，二元醇应为顺式结构，否则不氧化。 四醋酸铅通过烷氧铅化合物，能氧化顺式和反式的二元醇。 2019/4/18

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二、羟基醛和羟基酮 （Hydroxyaldehyde and hydroxyketone） 2019/4/18

1. 制备方法 （1） α-羟基酮采取羧酸酯与金属钠在无水的惰性溶剂中还原水解反应。 2019/4/18

（2）二硫醇缩醛法制备α-羟基醛或α-羟基酮。 二硫缩醛中缩醛质子酸性较强，在强碱作用下（如正丁基锂）容易形成碳负离子，然后再与醛或酮加成，所得产物在乙腈溶液中用HgCl2催化水解得到α-羟基醛或α-羟基酮。 2019/4/18

α-羟基醛 2019/4/18

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（3）β-羟基酮（醛）的制备 羟醛缩合反应 缩硫醛在碱性条件下与环氧衍生物反应 2019/4/18

2. 化学性质 （1）脱水反应 α-羟基醛或酮在酸性条件下脱水能力小于醇。 β-羟基醛或酮在酸性或碱性条件下脱水能力都远大于醇。 2019/4/18

（2）氧化反应 α-羟基酮类似于邻二醇可被高碘酸氧化。两个氧原子相连的碳—碳键容易断裂得到两个羰基化合物。 2019/4/18

三、二羰基化合物 1,3-二羰基化合物是最重要的双羰基化合物，重点讨论。 2019/4/18

1. 制备方法 （1）邻二羰基化合物制备 ①α-羟基酮氧化 用非常温和的氧化剂如醋酸铜氧化邻羟基酮。 2019/4/18

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② SeO2直接氧化酮得到1,2-二酮或1,2-二酮醛 2019/4/18

酮和酯的混合缩合得到β-二酮或β-酮醛。 （2）1,3-二羰基化合物制备 ① 利用各种缩合反应 酯缩合得β-酮酸酯 酮和酯的混合缩合得到β-二酮或β-酮醛。 2019/4/18

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② Perkin 缩合反应 芳香醛与酸酐在碱（通常是与酸酐相应的羧酸盐）的催化下进行亲核加成，然后失去一分子羧酸，得到β-芳基-α,β-不饱和酸。 2019/4/18

例如： 2019/4/18

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香豆素是一个重要的香料。它也是利用水杨醛和乙酸酐在乙酸钠的作用下，一步就得到香豆素，它是香豆酸的内酯。 2019/4/18

要注意这个内酯是由顺型香豆酸得到的，反型不能产生内酯，因此环内酯的形成可能是促进产生顺型异构体的一个原因。事实上此反应中也得到少量反型香豆酸，不能形成内酯。 2019/4/18

2. 化学性质 乙酰乙酸乙酯 丙二酸二乙酯 2019/4/18

乙酰乙酸乙酯 2019/4/18

（1）乙酰乙酸乙酯互变异构 乙酰乙酸乙酯是典型的β-羰基化合物 2019/4/18

室温下是由92.5%的酮式和7.5%的烯醇式组成的平衡体系 室温下酮式和烯醇式迅速互变无法分离 室温下是由92.5%的酮式和7.5%的烯醇式组成的平衡体系 2019/4/18

当冷却到-78℃低温下，可以得到熔点为－39℃的结晶形化合物，且有如下性能： ① 低温下互变的速度很慢 当冷却到-78℃低温下，可以得到熔点为－39℃的结晶形化合物，且有如下性能： A 该化合物不与FeCl3有显色反应； B 该化合物也不与溴加成； C 该化合物与羟胺、肼等酮试剂反应； 该化合物是酮式或烯醇式？ 2019/4/18

② 将乙酰乙酸乙酯与金属钠反应生成的化合物，于－78℃=用盐酸分解得到另一种化合物 A 该化合物与FeCl3反应——紫红色 B 该化合物也与溴加成 C 该化合物不与羟胺、肼等酮试剂反应 该化合物是酮式或烯醇式？ 2019/4/18

（2）烷基化和酰基化反应 ① 烷基化反应 2019/4/18

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② 酰基化反应 2019/4/18

（3）乙酰乙酸乙酯的酮式分解和酸式分解 ① 乙酰乙酸乙酯的酯缩合的逆反应 2019/4/18

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② 乙酰乙酸乙酯的酮式分解 2019/4/18

③ 乙酰乙酸乙酯的酸式分解 2019/4/18

④ 乙酰乙酸乙酯在合成中的应用 合成取代的丙酮衍生物 2019/4/18

eg 1: 以乙酸乙酯为原料合成4-苯基-2-丁酮 2019/4/18

1. 稀OH - 2. H+ 2019/4/18

练习1：选用不超过4个碳的合适原料合成 2019/4/18

练习2: 解释乙酰乙酸乙酯与BrCH2CH2CH2Br在醇钠作用下反应，主要产物为： 2019/4/18

（2）合成取代的乙酸衍生物 eg 2: 制备 2019/4/18

丙二酸二乙酯 2019/4/18

（1）烃基化反应 2019/4/18

（2）丙二酸二乙酯在合成中的应用 ① 合成取代的乙酸衍生物 例如：制备 2019/4/18

② 合成螺环化合物 例如: 制备 2019/4/18

练习： + 2019/4/18

练习：从 合成 2019/4/18

I2 2019/4/18

Knoevenagel Reaction 2019/4/18

定义 含活泼亚甲基的化合物和醛或酮在氨、伯胺、仲胺、吡啶等弱碱性催化剂存在下缩合生成α,β-不饱和化合物。 2019/4/18

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例1 2019/4/18

例2 2019/4/18

例3 2019/4/18

Unsaturated Aldehydes and Ketones 四、α,β-不饱和醛酮 Unsaturated Aldehydes and Ketones 2019/4/18

含双键和羰基的化合物 双键与羰基共轭 α,β-不饱和醛酮 双键与羰基相隔较远 双键与羰基相连 2019/4/18

1. α,β-不饱和醛酮制备方法 2019/4/18

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2. α,β-不饱和醛酮反应 2-丁烯醛 亲电加成 共轭加成 1,4–加成 2019/4/18

（1）加HCN α,β-不饱和酮主要发生1,4-加成 α,β-不饱和醛主要发生1,2-加成! 2019/4/18

☞ HCN与α,β-不饱和酮主要发生1,4-加成。 ☞ HX、H2NOH、NaHSO3、仲胺等弱碱性试剂与α,β-不饱和醛及酮主要发生1,4-加成反应。 2019/4/18

例如 2019/4/18

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例2 2019/4/18

例3 85% 2019/4/18

（2）加RMgX 1,2–加成：40% 1,4–加成：60% 2019/4/18

1,2–加成：100% 2019/4/18

1,2–加成：88% 2019/4/18

1,4–加成： 94% 2019/4/18

体系中微量Cu+的存在，1,4-加成产物比例增加 90% 3% 无Cu+ 1% 95% 存在微量Cu+ 2019/4/18

例： 82% 例： 2019/4/18

☞ R2CuLi 与α,β-不饱和醛酮主要发生1,4-加成反应。 2019/4/18

（4）插烯作用 2019/4/18

（5）迈克尔（Michael）反应 定义：活泼亚甲基化合物（亲核的碳负离子）与α,β-不饱和化合物（亲电的共轭体系）的1,4–加成反应。 ☞ 能提供碳负负离子的化合物： 2019/4/18

☞ 共轭体系： 2019/4/18

☞ 结论：利用迈克尔反应可以合成1, 5 –二羰基化合物。 例： ☞ 结论：利用迈克尔反应可以合成1, 5 –二羰基化合物。 2019/4/18

☞ 用途：通常用迈克尔反应和羟醛缩合一起合成环状化合物。 ☞ 用途：通常用迈克尔反应和羟醛缩合一起合成环状化合物。 例： 2019/4/18

（6）还原反应 2019/4/18

例： 例： 98% 2019/4/18

（7）D-A 反应 2019/4/18

五、取代酸 Substituted Acids 2019/4/18

1. 卤代酸 Halogenated Acids （1）卤代酸的制备 ① α-卤代酸的制备 复习羧酸的α-卤代反应部分 2019/4/18

② β-卤代酸的制备 α,β-不饱和酸加卤化氢制备 2019/4/18

（2）卤代酸的反应 Reaction of Halogenated Acids ① α-卤代酸的酸性 酸性大小？原因？ 2019/4/18

② α-卤代酸的反应 被OH取代 2019/4/18

被NH2取代 被CN取代 2019/4/18

β-卤代酸与氢氧化钠水溶液一起加热反应生成α,β-不饱和酸 ③β-卤代酸的反应 β-卤代酸与氢氧化钠水溶液一起加热反应生成α,β-不饱和酸 2019/4/18

如果β-卤代酸无α-氢，与氢氧化钠反应生成β-羟基酸 2019/4/18

γ-或δ-卤代酸与水或碳酸钠溶液共沸，生成内酯。 ④γ或δ-卤代酸的反应 γ-或δ-卤代酸与水或碳酸钠溶液共沸，生成内酯。 2019/4/18

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α-卤代酸酯和醛或酮在碱性试剂存在下起羟醛型缩合反应，生成环氧酸酯。 ⑤α-卤代酸酯的反应 Darzen 反应 α-卤代酸酯和醛或酮在碱性试剂存在下起羟醛型缩合反应，生成环氧酸酯。 2019/4/18

生成的环氧酸酯经皂化、酸化反应，则脱羧重排成醛或酮。 2019/4/18

Reformatsky 反应 α-卤代酸酯与锌形成的有机锌试剂和羰基化合物(醛、酮、酯)在无水的惰性有机溶剂中起加成反应得到β-羟基酸酯(与醛酮反应)或β-酮酸酯(同酯反应) 。 2019/4/18

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2. 羟基酸 Hydroxy Acids （1）羟基酸的制备 ① α-羟基酸的制备 由α-卤代酸制备 由氰醇水解制备 由二苯羟乙酸重排反应制备 2019/4/18

②β-羟基酸的制备 羟醛缩合反应制备 β-羟基腈水解 Reformastky反应 酮酸酯还原反应 2019/4/18

羟醛缩合反应制备 2019/4/18

β-羟基腈水解 2019/4/18

Reformastky反应 2019/4/18

酮酸酯还原反应 2019/4/18

α-羟基酸能被Tollen试剂氧化为α-羰基酸 （2）羟基酸的反应 ① 氧化反应 α-羟基酸能被Tollen试剂氧化为α-羰基酸 2019/4/18

② 脱水反应 α-羟基酸酸催化下加热脱水易形成交酯 交酯 2019/4/18

β-羟基酸酸催化下加热脱水形成α,β-不饱和酸 γ-羟基酸酸作用下形成内酯 2019/4/18

六、氨基酸 Amino Acids 2019/4/18

1. 氨基酸的分类 （1）按烃基类型分类 杂 环 脂肪族 芳香族 （2）按羧基与氨基相对位置分类 -氨基酸 -氨基酸 -氨基酸 杂 环 脂肪族 芳香族 （2）按羧基与氨基相对位置分类 -氨基酸 -氨基酸 -氨基酸 （3）按羧基与氨基的个数分类 中性pH≠7 碱性氨基酸 酸性氨基酸 2019/4/18

（4）按RCHNH2COOH中侧链R的性质 R为脂肪烃基 R中含有羟基和硫 R中含有芳基 R中含有碱性基团 R中含有酸性基团 R中含有酰胺基 2019/4/18

（5）按氨基酸在生理条件下的解离 非极性 带正电 带负电 不带电 （6）按来自遗传信息调控 2019/4/18

2. 命名 3. -氨基酸的构型 受遗传密码支配的20种氨基酸中，除甘氨酸外，其余19种均为手性分子，且都是L-型。苏氨酸和异亮氨酸另有一个不对称碳原子。细菌体内有少数D-型氨基酸。 2019/4/18

L (+)-乳酸 L(-)-甘油醛 L -氨基酸 4. 物理性质（自学） 2019/4/18

5. -氨基酸的化学性质 （1）两性 内盐（偶极离子或两性离子） 2019/4/18

① 碱性：接受质子 2019/4/18

② 酸性：给出质子 2019/4/18

（2）等电点(Isoelectric Point) 各种氨基酸在水溶液中的存在形式，取决于氨基酸的结构和水溶液的pH值。 2019/4/18

强碱溶液中的主要存在形式 正离子 强酸溶液中的主要存在形式 偶极离子 负离子 强碱溶液中的主要存在形式 正离子 强酸溶液中的主要存在形式 pH > pI pH = pI pH < pI 2019/4/18

—NH2接受质子 抑制—COOH电离 在电场中向 负极迁移 2019/4/18

—NH3+给出质子 促进—COOH电离 在电场中向正极迁移 [COO-]远大于[NH3+] 2019/4/18

此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，用pI表示。 调节溶液 的pH值 [COO-]=[NH3+] 在电场中不发生迁移 此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，用pI表示。 2019/4/18

问题1：已知某氨基酸水溶液的pH值＞pI值 ，该氨基酸主要以何种形式存在？在电场中迁移情况如何？ 问题2：中性、酸性和碱性氨基酸水溶液的pH值范围？ pH值是否等于pI值？要使pH = pI ，应加酸还是加碱？ 2019/4/18

应用 不同的氨基酸， pI值各不相同。 在等电点时，氨基酸呈电中性，在电场中不迁移，且偶极离子的浓度最高，而氨基酸的溶解度最小，易生成沉淀。可用调节pH值的方法，分离氨基酸混合物。常用的方法：分级沉淀，电泳和色谱法。 2019/4/18

（2）分子间脱水生成哌嗪  或脱羧酶 2,5-二酮哌嗪 2019/4/18

根据放出氮气的体积，计算试样中—NH2的含量—Van Slyke氨基测定法。 （3）与HNO2的反应 根据放出氮气的体积，计算试样中—NH2的含量—Van Slyke氨基测定法。 2019/4/18

（4）与羰基化合物的反应 弱酸 2019/4/18

-氨基酸的亲核能力较弱，在弱酸的催化下，只能与甲醛发生加成缩合反应。 用标准碱溶液滴定生成物，测定试样中-氨基酸的含量。 但是在酶的催化下，-氨基酸能与植物体内羰基化合物加成缩合，该反应是植物体内生物碱生物合成的重要途径之一。 2019/4/18

(DNFB，Dinitrofluorobenzene) （5）与2,4-二硝基氟苯反应 (DNFB，Dinitrofluorobenzene) 弱酸 DNFB N-DNP-氨基酸(黄色) 2019/4/18

该反应用于测定多肽或蛋白质分子中-氨基酸的排列顺序——Sanger法。 问题：芳香族卤代烃DNFB为什么能与-氨基酸的氨基发生亲核取代反应? 2019/4/18

α-氨基酸和过量水合茚三酮发生脱氨、脱羧、茚三酮本身被还原、缩合等反应生成紫红、蓝、紫色。 （6）与水合茚三酮反应 α-氨基酸和过量水合茚三酮发生脱氨、脱羧、茚三酮本身被还原、缩合等反应生成紫红、蓝、紫色。 2019/4/18

弱酸  2019/4/18

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紫红、蓝或紫色，但N-取代的α-氨基酸、脯氨酸和羟脯氨酸等不发生此显色反应。 应用：α-氨基酸的定性定量分析 2019/4/18

（7）形成络合物 2019/4/18

5. -氨基酸的制备 氨基酸制备主要有三个办法： 蛋白质水解 微生物发酵 有机合成 2019/4/18

（1）-卤代酸氨解反应 常用Gabrial法代替 2019/4/18

Gabrial法 2019/4/18

89% 2019/4/18

（2） -溴代丙二酸酯法 ① -溴代丙二酸酯的制备 2019/4/18

② -溴代丙二酸酯法 2019/4/18

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（3） 乙酰氨基丙二酸酯法 乙酰氨基丙二酸酯 2019/4/18

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