中醫(yī)古籍
  • 《醫(yī)用化學(xué)》 四、醛、酮的化學(xué)性質(zhì)

    醛、酮的化學(xué)性質(zhì)主要決定于羰基。由于構(gòu)造上的共同特點(diǎn),使這兩類化合物具有許多相似的化學(xué)性質(zhì)。但是醛與酮的構(gòu)造并不完全相同,使它們?cè)诜磻?yīng)性能上也表現(xiàn)出一些差異。一般說(shuō)來(lái),醛比酮活潑,有些反應(yīng)醛可以發(fā)生,而酮?jiǎng)t不能。

    (一)羰基的加成

    同碳碳雙鍵一樣,羰基中的碳氧雙鍵也是由一個(gè)σ鍵和一個(gè)π鍵所組成,所以醛、酮都易發(fā)生加成反應(yīng)。但和烯烴的親電加成不同,羰基的加成屬于親核加成。由于氧原子的電負(fù)性大于碳原子,使羰基發(fā)生極化,氧原子帶有部分負(fù)電荷,碳原了帶有部分正電荷。一般說(shuō)來(lái),帶負(fù)電荷的氧比帶正電荷的碳較為穩(wěn)定。所以,當(dāng)羰基化合物發(fā)生加成反應(yīng)時(shí),首先是試劑中帶負(fù)電荷的部分加到羰基的碳原子上,形成氧帶負(fù)電荷的中間體,然后試劑中帶正荷部分加到帶負(fù)虵荷的氧上。這種由親核試劑(能提供電子對(duì)的試劑)進(jìn)攻而引起蝗加成反應(yīng)叫做親核加成反應(yīng)。這類加反應(yīng)可用于下式表示:

    醛和酮可以與氫氰酸、亞梳酸氫鈉、醇、氨的衍生物(如羥胺、肼等)試劑起加成反應(yīng)。在反應(yīng)產(chǎn)物中都是試劑中的氫與羰基上的氧相連接,其余部分與羰基的碳相連。

    1.加氫氰酸

    醛及脂肪族甲基酮與氫氰酸作用,生成α-α羰基腈。

    從上面的反應(yīng)式或以看出,生成物比反應(yīng)物增加了一個(gè)碳原子,因此這個(gè)反應(yīng)可用來(lái)增長(zhǎng)化合物的碳鏈。羥基腈在酸性水溶液中水解,即可得到羥基酸。

    如果在醛、酮與氫氰酸反應(yīng)中加入少量堿時(shí),則反應(yīng)速率明顯加快;但如果加入酸,則抑制反應(yīng)的進(jìn)行。其原因是氫氰酸是一個(gè)弱酸,其離解過(guò)程為:

    在上述平衡體系中加入酸, 能HCN的離解,加入堿則促進(jìn)HCN的離解,使CN-濃度增大。堿能加速羰基與氫氰酸的加成反應(yīng)表明,氫氰 酸不是以分子,而是以CN-及H+參加反應(yīng)的。又因堿的加入,能增加CN-的濃度,所以首先向羰基進(jìn)攻的是CN-。這是親核加成反應(yīng)歷程的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

    對(duì)于同一種親核試劑,親核加成的難易取決于羰基碳原子所帶正電荷的強(qiáng)弱及位阻效應(yīng)的大小。所謂位阻效應(yīng)是指分子中相鄰的原子或原子團(tuán),在空間所占的體積和位置而產(chǎn)生的影響。羰基碳原子所帶正電荷越多,反應(yīng)越容易進(jìn)行;羰基上連接的烴基越大則位阻效應(yīng)越大,親核試劑就越不容易靠近,反應(yīng)也就越不容易進(jìn)行。酮的羰基和兩個(gè)烴基相連,由于烷基的斥電子作用,降低了羰基碳原子的正電荷;另一方面酮的兩上烴基增大了位阻效應(yīng),所以在許多親核加成反應(yīng)中,酮一般不如醛活潑。醛、酮親核加成反應(yīng)活潑性順序排列如下:

    2.加亞硫酸氫鈉

    醛、脂肪族甲基酮和低級(jí)環(huán)酮(成環(huán)的碳原子在8個(gè)以下)都能與過(guò)量的飽和亞硫酸氫鈉溶液發(fā)生加成反應(yīng),生成穩(wěn)定的亞硫酸氫鹽中成物。

    上述反應(yīng)是可逆的。為使反應(yīng)完全,常加入過(guò)量的飽和亞硫酸氫鈉溶液,促使反應(yīng)向右移動(dòng)。由于這些加成物能被稀酸或稀堿分解成原來(lái)的醛或甲基酮,故常用這個(gè)反應(yīng)來(lái)分離、精制醛或甲基酮。

    其它脂肪酮或芳香酮(包括芳香族甲基酮)由于受位阻效應(yīng)的影響難以進(jìn)行這種加成反應(yīng)。

    3.加醇

    醛與醇在干燥氯化氫的催化下,發(fā)生加成反應(yīng),生成半縮醛。

    開(kāi)鏈半縮醛是一類不穩(wěn)定的化合物,能繼續(xù)與另一分子醇作用,失去一分子水生成縮醛??s醛是具有水果香味的液體,性質(zhì)與醚相近??s醛對(duì)氧化劑和還原劑都很穩(wěn)定,在堿性溶液中也相當(dāng)穩(wěn)定,但在酸性溶液中則可以水解生成原來(lái)的醛和醇。在有機(jī)合成中,常先將含有醛基的化合物轉(zhuǎn)變成縮醛,然后再進(jìn)行別的化學(xué)反應(yīng),最后使縮醛變?yōu)樵瓉?lái)的醛,這樣可以避免活潑的醛基在反應(yīng)中被破壞,即利用縮醛的生成來(lái)保護(hù)醛基。

    酮在同樣情況下不易生成縮酮。但是環(huán)狀的縮酮比較容易形成。例如:

    若在同一分子中既含有羰基又含有羥基,則有可能在分子內(nèi)生成環(huán)狀半縮醛(酮)。半縮醛(酮)、縮醛(酮)比較重要,因?yàn)樗菍W(xué)習(xí)糖類化學(xué)的基礎(chǔ),以后還要討論。

    4.與氨的衍生物的反應(yīng)

    醛、酮與氨的衍生物如羥胺、肼、2,4-二硝基苯肼等試劑作用,則生成相應(yīng)的含碳氨雙鍵的化合物,其名稱及構(gòu)造分別為:

    這此反應(yīng)首先是N-H鍵斷裂和與羰基加成,然后再脫去一分子水生成肟或腙。例如:

    醛、酮與2,4-二硝基苯肼作用生成的2,4-二硝基苯腙是黃色結(jié)晶,具有一定的熔點(diǎn),反應(yīng)也很明顯,便于觀察,所以常被用來(lái)鑒別醛、酮。其它反應(yīng)的產(chǎn)物肟、腙大都也是具有一定熔點(diǎn)的晶體,亦可用來(lái)鑒別醛、酮。因此,把這些氨的衍生物稱為羰基試劑(即檢驗(yàn)羰基的試劑)。

    肟、腙等在稀酸作用下,可水解為原來(lái)的醛、酮,故可利用這些反應(yīng)來(lái)分離和精制醛、酮。

    (二)α碳原子上氫的反應(yīng)

    醛、酮分子中的α碳原子上的氫比較活潑,容易發(fā)生反應(yīng),故稱為α活潑氫原子。若α碳原子上連接三個(gè)氫原子,則稱其為活潑甲基。

    醛、酮α碳原子上的氫因受羰基的影響具有活潑性,這是由于羰基的極化使α碳原子上C-H鍵的極性增強(qiáng),氫原子有成為質(zhì)子離去的趨向,很容易發(fā)生反應(yīng)。

    醛或酮的α氫原子易被鹵素取代,生成α-鹵代醛或酮。例如:

    鹵化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行時(shí),也可生成α,α-二鹵代物和α,α,α-三鹵代物。

    鹵代醛或鹵代酮都具有特殊的刺激性氣味。三氯乙醛的水合物CCL3CH(OH)2,又稱水合氯醛,具有催眠作用;溴丙酮具有催淚作用;

    -溴苯乙酮的催淚作用更強(qiáng),可用作淚瓦斯。

    含有活潑甲基的醛或酮與鹵素的堿溶液作用,三個(gè)α氫原子都被鹵素取代,但生成的α,α,α三鹵代物在堿性溶液中不穩(wěn)定,立即分解成三鹵甲烷(鹵仿)和羧酸鹽。

    因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)生成鹵仿,所以稱為鹵仿反應(yīng)。如用碘的堿溶液,則生成碘仿(稱為碘仿反應(yīng))。碘仿為黃色晶體,難溶于水,并具有特殊的氣味,容易識(shí)別,可用來(lái)鑒別是否含有

    構(gòu)造的羰基化合物。

    次鹵酸鹽是一種氧化劑,可以使醇類氧成相應(yīng)的醛、酮。因此,凡具有

    構(gòu)造的醇會(huì)先被氧化成乙醛或甲基酮,再進(jìn)行鹵仿反應(yīng)。所以碘仿

    反應(yīng)也能鑒別具有上述構(gòu)造的醇類。如乙醇、異丙醇等。

    2.羥醛縮合

    含有氫原子的醛在稀堿的作用下,一分子醛的α氫原子加到另一分子醛的羰基氧原子上,其余部分加到羰基的碳原子上,生成既含有羥基又含有醛基的β-羥基醛(醇醛),這個(gè)反應(yīng)稱為羥醛縮合或醇醛縮合。例如:

    在堿或酸性溶液中加熱時(shí),β-羥 基醛易脫水生成α,β-不飽和醛。例如:

    含有α氫原子的酮也可以發(fā)生類似的反應(yīng),生成β-羥 基酮,脫水后生成α,β-不飽和酮。

    (三)還原反應(yīng)

    醛或酮經(jīng)催化氫化可分別被還原為伯醇或仲醇。

    醛、酮與氫化鋁鋰(LiALH4)、硼氫化鈉(NaBH4)或異丙醇鋁(AL[OCH(CH3)2]3)作用,也都還原生成相應(yīng)的醇。這些還原劑具有較高的選擇性,只能還原羰基,而不影響分子中的碳碳雙鍵等其它可被催化氫化的基團(tuán)。例如,巴豆醛若用鎳催化氫化則得到正丁醇,而用LiALH4還原可以得到巴豆醇。 >

    (四)醛的特殊反應(yīng)

    醛的羰基碳原子上連有氫原子,因此容易被氧化,不僅強(qiáng)氧化劑,即使氧化劑也可以使它氧化。醛氧化時(shí)生成同碳數(shù)的羧酸。酮?jiǎng)t不易被氧化。

    一些弱氧化劑只能使醛氧化而不能使酮氧化,說(shuō)明醛具有還原性而酮一般沒(méi)有還原性。因此,可以利用弱氧化劑來(lái)區(qū)別醛和酮。常用的弱氧化劑有土倫試劑、費(fèi)林試劑和本尼迪特。

    1.與土倫試劑反應(yīng)

    土倫試劑是由硝酸銀堿溶液與氨水制得的銀氨配合物的無(wú)色溶液。它與醛共熱時(shí),醛被氧化成羧酸,試劑中的一價(jià)銀離子被還原成金屬銀析出。由于析出的銀附著在容器壁上形成銀鏡,因此這個(gè)反應(yīng)叫做銀鏡反應(yīng)。

    氧化劑也可以使它氧化。醛氧化時(shí)生成同碳數(shù)的羧酸。酮?jiǎng)t不易被氧化。

    一些弱氧化劑只能使醛氧化而不能使酮氧化,說(shuō)明醛具有還原性而酮一般沒(méi)有還原性。因此,可以利用弱氧化劑來(lái)區(qū)別醛和酮。常用的弱氧化劑有土倫試劑、費(fèi)林試劑和本尼迪特。

    1.與土倫試劑反應(yīng)

    土倫試劑是由硝酸銀堿溶液與氨水制得的銀氨配合物的無(wú)色溶液。它與醛共熱時(shí),醛被氧化成羧酸,試劑中的一價(jià)銀離子被還原成金屬銀析出。由于析出的銀附著在容器壁上形成銀鏡,因此這個(gè)反應(yīng)叫做銀鏡反應(yīng)。

    此反應(yīng)可簡(jiǎn)單表示如下:

    2.與費(fèi)林試劑反應(yīng)

    費(fèi)林試劑包括甲、乙兩種溶液,甲液是硫酸銅溶液,乙液是酒石鉀鈉和氫氧化鈉溶液。使用時(shí),取等體積的甲、乙兩液混合,開(kāi)始有氫氧化銅沉淀產(chǎn)生,搖勻后氫氫化銅即與酒石酸鉀鈉形成深藍(lán)色的可溶性配合物。

    費(fèi)林試劑能氧化脂肪醛,但不能氧化芳香醛,可用來(lái)區(qū)別脂肪醛和芳香醛。費(fèi)林試劑與脂肪醛共熱時(shí),醛被氧化成羧酸,而二價(jià)銅離子則被還原為磚紅色的氧化亞銅沉淀。

    本尼迪特試劑也能把醛氧化成羧酸。它是由硫酸銅、碳酸鈉和檸檬酸鈉組成的溶液。它與醛的作用原理和費(fèi)林試劑相似。臨床上常用它來(lái)檢查尿液中的葡萄糖。

    (五)聚合反應(yīng)

    甲醛、乙醛等低級(jí)醛可以發(fā)生聚合反應(yīng),生成鏈狀或環(huán)狀化合物。例如:

    甲醛溶液長(zhǎng)期放置后,生成多聚甲醛的白色固體。一般認(rèn)為甲醛在水溶液中是以水合物形式存在的,這些水合物失去縮合即生成鏈狀的多聚甲醛。

    n一般最多可達(dá)100。多聚甲醛對(duì)熱不穩(wěn)定,在100℃時(shí)迅速地分解成甲醛。

    高級(jí)的醛酮較難聚合。

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