Carbonyl compounds Acid anhydride 酸酐 Amides 酰胺 Carboxylic acids羧酸

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1 Carbonyl compounds Acid anhydride 酸酐 Amides 酰胺 Carboxylic acids羧酸
Acid chlorides 酰卤 Aldehydes 醛 Esters 酯 Ketones 酮 general formula class

2 Chapter 10 Aldehydes and Ketones
Text 1: p Text 2: p

3 Structure of the carbonyl group
1. C-sp2 hybridization 2. The bond angles is 120o. 3. It is a trigonal planar structure 4. The carbon-oxygen double bond consists of a sigma bond and a pi-bond Resonance structures

4 Vanillin (from vanilla beans) 香草醛 (香草豆) Salicylaldehyde (from meadowsweet) 水杨醛 ([植]绣线菊) Benzaldehyde (from bitter almonds) 苯甲醛 (苦杏仁) Cinnamaldehyde (from cinnamon) 肉桂醛 (3-苯基丙烯醛） ([植物]肉桂, 桂皮) Piperonal (made from safrole; odor of heliotrope) 胡椒醛 由黄樟油精制备, [植] 向日葵气味

5 Carvone 香芹酮 （-）薄荷味 （+）香菜味 Acetophenone 苯乙酮 乳香味 Muscone 麝香酮 Camphor 樟脑

6 10.1 Nomenclature of aldehydes and ketones
IUPAC names common names aldehydes: alkane — alkanal ic acid—---aldehyde ketones: alkane — alkanone alkyl alkyl ketone Methanal 甲醛 formaldehyde Ethanal 乙醛 acetaldehyde Propanal 丙醛 propionaldehyde Butanal 丁醛 butyraldehyde (formic acid) (acetic acid) (propionic acid) (butyric acid)

7 2-pentenal (pent-2-enal)
2-戊烯醛 3-bromobutanal 3-溴丁醛 β-bromobutyraldehyde benzenecarbaldehyde 苯甲醛 benzaldehyde cyclohexanecarbaldehyde 环己烷（基）甲醛 2-Naphthalenecarbaldehyde 2-萘甲醛

8 2-propanone acetone 丙酮 dimethyl ketone 2-butanone (butan-2-one) 2-丁酮 methyl ethyl ketone 3-oxopentanal 3-氧代戊醛 4-penten-2-one 4-戊烯-2-酮

9 acetophenone (methyl phenyl ketone) 苯乙酮 benzophenone (diphenyl ketone) 二苯甲酮 2-formylbenzoic acid 2-甲酰基苯甲酸 4-acetylbenzenesulfonic acid 4-乙酰基苯磺酸

10 10.2 Physical properties of aldehydes and ketones
Boiling point: alkane < ether < aldehyde< ketone < alcohol Solubility in water: acetone, ethanal are misible（混溶） with water (hydrogen bond) formaldehyde: 40% aqueous solution (formalin, 福尔马林) trioxane 三聚甲醛 paraldehyde 三聚乙醛

11 10.3 Spectroscopy of aldehydes and ketones
IR C=O ~1710 cm (O=)C-H , 2820 cm-1 ~1685 cm-1 ν: cm-1 UV n-π*, weak, 280~300 nm; π -π*, strong, < 200 nm; C=C-C=O, >200 nm

12 1H NMR: 1H NMR 13C NMR δ: 2.4 2.1 9~10 C=O: ~200 ppm, α-C: 30~40
δ: ~10 1H NMR: 1H NMR 13C NMR C=O: ~200 ppm, α-C: 30~40 17 CH3CH2CH2COCH3 209 42 30 14

13 MS （1） γ-H is needed; m/e: even (偶数) Mclafferty rearrangement (麦氏重排)
43 86 71 58 CH3CH2CH2COCH3 MS （1） γ-H is needed; m/e: even (偶数) Mclafferty rearrangement (麦氏重排) （2）

14 10.4 Synthesis of aldehydes and ketones
1. Aldehydes and ketones from oxidation of alcohols Oxidants: K2Cr2O7 or Na2Cr2O7 / H2SO4 CrO3/ H2SO4 PCC (Pyridinium chlorochromate, 吡啶三氧化铬) PDC (Pyridinium dichromate, 重铬酸吡啶盐)

15 2. Aldehydes and ketones from ozonolysis of alkenes

16 3. Aldehydes and ketones from alkynes
+

17 4. Aromatic aldehydes and ketones from acylation of benzene derivatives
Friedel-Crafts acylation Gatterman-Koch formylation (盖特曼-考赫甲酰化反应)

18 5. Synthesis of aldehydes and ketones using 1,3-dithiane
1,3-二噻烷 （硫缩醛）

19 6. Synthesis of ketones from carboxylic acids

20 7. Synthesis of aldehydes and ketones from acid chlorides
Not LiAlH4 Not RMgX

21 8. Synthesis of ketones from nitriles (腈 jing)

22 9. Other methods ……………………

23 Assignments Problem 18-1, 7, 8, 9, 11

24 10.5 Reactions of aldehydes and ketones
Nu acidity Nucleophilic addition to the carbon-oxygen double bond Reduction and oxidation of aldehydes and ketones Reactions of α-H

25 1. Nucleophilic addition to the carbon-oxygen double bond
Nucleophilic atom: C (carbon) O (oxygen) N (nitrogen) S (sulfur)

26 1). Carbon as nucleophilic atom
(碳为亲核性原子) (1) organometallic reagents addition to C=O alkynol (炔醇)

27 魏悌希反应 (2) The Wittig reaction: the addition of ylide (叶立德) (18-13)
The wittig reaction has proved to be a valuable method for synthesizing alkenes. Wittig was a co-winner of the Nobel prize for chemistry in 1979.

28 Preparation of phosphorus ylides:
1° RX are prefered Mechanism: Methylenecyclohexane

29 Problem 18-14 Trimethylphosphine is much less expensive than triphenylphosphine. Why is trimethylphosphine unsuitable for making most phosphorus ylides? Problem 18-15 Predict the products. What is the stereochemistry of the double bond in the product?

30 (3) The addition of hydrogen cyanide (HCN)
Cyanohydrins 腈醇, α-羟基腈

31 Cyanohydrins are useful intermediates in organic synthesis.
β-amino alcohol β-氨基醇 α-hydroxy acid α-羟基酸 α,β-unsaturated acid α,β-不饱和酸

32 For example

33 2). Oxygen as nucleophilic atom
(氧为亲核性原子) (1) The addition of water to aldehydes and ketones: formation of hydrates(水合物) Hydrate ( a gem-diol)同碳二醇 Catalysis: acid or base Reversible reaction 可逆反应 unstable How about the mechanisms ?

34 (2) The addition of alcohols to aldehydes and ketones: Formation of Acetals(缩醛（酮）)
hemiacetal 半缩醛(酮) acetal 缩醛(酮) Old use: acetal 缩醛 ketal 缩酮 IUPAC: acetal Catalysis: acid Reversible reaction 可逆反应

35 Base (-OH) can not catalyze the acetal formation. Why?
Mechanism Hemiacetal 半缩醛(酮) SN1 acetal 缩醛(酮) Base (-OH) can not catalyze the acetal formation. Why?

36 For example Cyclic acetals (环状缩酮) often have more favorable equilibrium constants than acyclic acetals.

37 Use of acetals as protecting groups （保护基）.
Example 1

38 Example 2

39 Example 3

40 3). Nitrogen as nucleophilic atom (氮为亲核性原子)
NH2—H ammonia 氨 NH2—R amine 胺 NH2—OH hydroxylamine 羟氨 NH2—NH hydrazine 肼 NH2—NHCONH semicarbazine 氨基脲

41 (1) Formation of imines (亚胺) and enamine (烯胺)
carbinolamine 醇胺 Catalysis: acid Reversible reaction 可逆反应 Imine 亚胺 Shiff base 西佛碱

42 2°amine 仲胺 enamine 烯胺 The pH value is crucial to imine formation. Why? Catalyst: Acid catalyzes the dehydration. Nu: the nucleophilicity of RNH2 can be weaken in strong acid conditions. Product: unstable in strong acid conditions.

43 (2) Condensation with hydroxylamine (羟氨) and hydrazine (肼)
oxime 肟 hydrazine 肼 hydrazone 腙 2,4-dinitrophenylhydrazine 2,4-二硝基苯肼 2,4-dinitrophenylhydrzone 2,4-二硝基苯腙

44 semicarbazide 氨基脲 semicarbazone 缩氨基脲 肟、腙、缩氨基脲都是很好的结晶。有固定的熔点。 在酸性水溶液中加热分解为原来的醛酮。 可用来鉴别和提纯醛、酮。如实验室常用2，4-二硝基苯肼鉴别醛、酮。

45

46 4). Sulfur as nucleophilic atom 硫为亲核原子
(1) Formation of thioacetals (硫缩醛和硫缩酮) Thiol硫醇 1，3-二噻烷

47 (2) The addition of sodium bisulfite (NaHSO3)
Sodium α-hydroxysulfonate α-羟基磺酸钠 产物为很好的结晶，不溶于饱和亚硫酸氢钠溶液。反应可逆，加酸可得原来的醛酮，故好可用于鉴别和提纯醛酮。

48 另外，用于制备腈醇，避免了直接使用HCN。

49 Summary of the nucleophilic addition to C=O bond
1. Types of addition: Simple addition Addition-elimination To form C-C, C-O, C-S single bond To form C=C, C=N double bond 2. Factors affecting the reaction rate: Steric hindrance (空间位阻) Electronegative of the substituents（取代基电负性） Nucleophiles（亲核试剂强度） Catalyst (催化剂)

50 Examples: > (1) Reactivity: Aldehydes ketones
(2) Ability of forming hydrates: CH3CH2CHO HCHO Cl3CCHO K: (3) Ability of forming cyanohydrins CH3CHO CH3COCH2CH (CH3)3CCOC(CH3)3 K: > <=1 (4) The pH is crucial to imine formation

51 Stereochemistry in nucleophilic addition to C=O
(1) The substrate is chiral aliphatic ketone or aldehyde 羰基加成的 格拉穆（Cram）规则： Asymmetric synthesis 不对称合成 major minor

52 (2) The substrate is cyclic ketones
+ 90% 10% LiAlH % % LiBH(sec-Bu) % %

53 2. Reduction and oxidation of
aldehydes and ketones 1. Reduction of aldehydes and ketones (1) Reduction of C=O to form alcohols [ H ]: NaBH4, LiAlH4 ( in laboratory) Ni-H2, high T, P (in industry) i-PrOH / (i-PrO)3Al, Meerwein-Ponderf-Verley reaction

54 (90%)

55 (2) Reduction of C=O to form CH2
(a) Zn (Hg), HCl, —the Clemmensen reduction. (b) NH2NH2; KOH, heat in high boiling point solvent such as DMSO (二甲亚砜), diethylene glycol (一缩二乙二醇), etc. —the Wolff-Kishner reduction

56 The Wolff-Kishner reduction 吉日聂尔-沃尔夫-黄鸣龙反应
醛、酮和肼反应生成的腙在氢氧化钾或乙醇钠作用下分解放出氮气而生成烃.

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58 (2) Oxidation of aldehydes and ketones
（1）K2Cr2O7 or Na2Cr2O7 / H2SO4；CrO3/ H2SO4 （2）KMnO4 （3）Ag2O （4）Ag(NH3)2+, OH- （Tollens reagent, 托仑试剂） Tollens test, 银镜反应，区别醛、酮） Tollens test, 银镜反应

59 the Baeyer-Villiger oxidation（拜尔-魏林格氧化）
Oxidation of ketones the Baeyer-Villiger oxidation（拜尔-魏林格氧化）

60 (3) The Cannizzaro reactions 康尼查罗反应
Disproportionation reaction 歧化反应

61 Mechanism: + + + +

62 Crossed Cannizzaro reaction
交叉的康尼查罗反应： + + HCHO is allways the reductant.

63 Intramolecular Cannizzaro reaction
分子内康尼查罗反应 δ-hydroxyl acid δ-羟基酸 Lactone 内酯

64 Assignments Text 1: , 51, 52, 60, 66 Text 2 (selected): 12, 14, 19

65 Reactions of aldehydes and ketones
Summary Reactions of aldehydes and ketones Nucleophilic addition to the carbon-oxygen double bond Reduction and oxidation of aldehydes and ketones Reactions of α-H: halogenation

66 Summary Name reactions (1) Gatterman-Koch formylation (盖特曼-考赫甲酰化反应)
(2) The Wittig reaction: the addition of ylide (叶立德) (18-13) 魏悌希反应

67 (3) Meerwein-Ponderf-Verley reaction
(4) the Clemmensen reduction (5) the Wollf-Kishner reduction 吉日聂尔-沃尔夫-黄鸣龙反应

68 (6) the Baeyer-Villiger oxidation（拜尔-魏林格氧化）
(7) Tollens test, 银镜反应 (8) The Cannizzaro reactions 康尼查罗反应 +

69 Assignment Text 1: , 37, 50, 60, 66 Text 2: 12, 14, 19

70 附录： 黄鸣龙 黄鸣龙1898年8月6日出生于江苏省扬州市，于1979年7月1日逝世。早年留学瑞士和德国，1924年获柏林大学博士学位。1952年回国，历任中国科学理化部委员，国际《四面体》杂志名誉编辑，全国药理学会副理事长，中国化学会理事等。 黄鸣龙的一生是为科学事业艰苦奋斗的一生。他发表的论文近80篇，综述和专论近40篇。主要的科研成就概述如下： （1）山道年一类物立体化学的研究: 黄鸣龙最初从事植物化学研究，他博士论文题为"植物成分的基本化学转变"。稍后，开展延胡素和细辛的研究。其中，延胡索乙素现已在临床上广泛应用。

71 1938年，他在与lnhoffen研究用胆固醇改造合成雌性激素时，发现了双烯酚的移位反应。在此基础上，他随后从事山道年一类物的立体化学研究，发现了变质山道年在酸碱作用下，其相对构型可成圈地互相转变，这一发现，轰动了当时的国际有机界。各国学者根据他所解决山道年及其一类物的相对构型，相继推定了山道年一类物的绝对构型。 （2）改良的凯惜纳-乌尔夫还原法: 1946年，黄鸣龙在美国哈佛大学工作时，在做凯惜纳-乌尔夫还原反应时，出现了意外的情况（漏气），但并未弃之不顾，而是照样研究下去，结果得到出乎意外的好产率。于是他仔细地分析原因，并经多次试验后总结如下：

72 在将醛类或酮类的羧基还原成亚甲基时，把醛类或酮类与NaOH 或KOH，85%（有时可用50%）水合肼及双缩乙二醇或三缩乙二醇同置于圆底烧瓶中回流3-4小时便告完成。这一方法避免了凯惜纳-乌尔夫还原法要使用封管和金属钠以用难于制备和价值昂贵的无水肼的缺点，产率大大提高。因此，黄鸣龙改良的凯惜纳-乌尔夫还原法地国际上应用广泛，并写入各国有机化学教科书中，简称黄鸣龙还原法。后来，他经常以此为例，向青年科技人员说明做实验一定要认真观察实验现象，并一再强调在反应中，出现了异常现象应尽可能地将反应结果弄明白这一实事求是、坚持真理的科学态度。

73 （3）甾体激素的合成和有关反应的研究: 1958年，黄鸣龙等利用薯蓣皂为原料以七步合成了可的松，使我国的可的松合成跨进了世界先进行列。黄鸣龙对口服避孕药的结构研究和合成也作出了贡献。其中，甲地孕酮用口服避孕药不仅在我国是首创，在英国也被用作口服避孕药。 返回

74 康尼查罗（S. Cannizzaro） 坎尼扎罗1826年生于意大利西西里城一个警察局长之家，1919年去世。 中学时的坎尼扎罗便被认为是很有才能的学生，无论文学、数学还是历史均是成绩优异。 年，坎尼扎罗进入巴勒莫大学医学系学习。他以求知欲和兴趣广泛而出众。他具有杰出的才干和顽强的性格，能深刻地掌握和理解课堂讲授的内容，因而深得教授们的赏识。他不仅听医学方面的课程，还常听文学和数学方面的课程。19岁（即1845年）便在那不勒斯的代表大会上作了关于辨别运动神经和感觉神经方面的报告，受到与会代表的鼓励和鞭策，促使他一方面要从生物学的角度去研究，另一方面又要从化学方面去探索。

75 1845年秋，坎尼扎罗前往比萨，并在著名实验家上皮利亚的实验室里当助手。在皮利亚的影响下，他深深爱上了化学这门学科。后来，他到法国巴黎，在舍夫勒实验室从事科研。1850年，他发表了关于氨基氰的论文，次年又发表了关于氨基氰受热后发生转化的论文。 不久，他便返回意大利的亚历山大里亚工业学院进行科学研究。有机合成的新发展，有机化学领域中一个个接踵而来的新发现，引起了他对研究苯甲醛及其特征反应的兴趣。他发现，把苯甲醛与碳酸钾一起加热时，苯甲醛特有的苦杏仁气味很快消失。产物与原来的苯甲醛完全不同，甚至气味也变得好闻了。他对反应混合物进行定量分析，先把反应混合物分成一个个组分，然后，再测定每种组分的含量。几天后，竟得几乎意料之外的结果：

76 在反应过程中，碳酸钾的量没有改变，即碳酸钾只起催化剂的作用。再进一步分析得知产物中既有苯甲酸，又有苯甲醇。1853年，坎尼扎罗公布了他的研究成果，人们把能生成这类产物的反应称为Cannissaro反应。 年，39岁的坎尼扎罗在热亚大学获得教授的职位。其后，他与贝塔尼等一起完成了对苯甲醇衍生物的研究–从苄醇制苄氯，又将苄氯转变成苯乙酸。从此，他一直注意化学的基本理论问题，并写成了"化学哲学发展纲要"的论文。该论文引起了全世界科学家的重视，因为他用新的观点说明了什么是原子、分子、原子量和分子量。为此，他被特邀参加了1860年国际化学家代表大会并发表了独特的见解，他的思想对化学领域中的原子-分子学说的发展产生了决定性影响，得到与会代表的赞同，从此，坎尼扎罗名声大噪。

77 坎尼扎罗毕生息于科学。由于他在化学上的杰出贡献，1862年当选为伦敦化学学会名誉会员，1873年他做了纪念法拉弟的演讲并被推举为德国化学学会名誉会员。1891年，获得科佩尔奖章。
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78 加特曼(Ludwing Gattermann,1860--1921，德国化学家)
加特曼出生于德国的哥斯他(Gostar)，最初在海德尔堡学习化学，后来转到柏林学习，得博士学位，他发现了不少有机合成方法，并以他的名字而命名反应。例如： 加特曼甲酰化制备醛（1898）； 加特曼-科克甲酰化制备醛（1897）； 加特曼-斯基培吡啶的合成（1916）； 加特曼重氮基取代作用（1890）。