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羰基化合物的保护|缩醛、硫代缩醛与烯醇硅醚的应用

 化学小白 2024-10-24

在实验过程中,避免敏感官能团被不必要地改变或破坏就需要保护指定基团。有机化合物常见的羰基的化合物有醛、酮、酸、酯、酰胺等。羰基反应活性高,容易受到各种亲核试剂的进攻,例如有机金属试剂(如金属锂试剂和格式氏剂)、金属氢化物(如硼氢化钠、四氢铝锂、DIBAL等)、酸、碱、催化剂等。多步有机合成中有时候并不希望醛酮发生反应,就需要先将其保护起来以免受到亲核试剂的进攻,之后再脱保护释放。醛酮化合物活性一般为:醛(脂肪醛>芳香醛)>支链酮和环己酮>环戊酮>α,β-不饱和酮或α,α-二取代酮>芳香酮。

一般醛酮保护发的方法有缩醛(酮)、硫代缩醛(酮)、烯醇醚、烯胺、肟以及亚胺等。缩醛形成的规律可以总结为以下几点:

  1. 1.醛比酮更容易形成缩醛。

  2. 2.环状缩醛比非环状缩醛更容易形成。

  3. 3.非共轭羰基比共轭羰基更容易形成缩醛。

  4. 4.空间阻碍大的羰基不易形成缩醛。

  5. 5.芳香醛或酮在有吸电子取代基时更容易形成缩醛,给电子取代基存在时则不易形成。

  6. 6.具有两个取代基的二醇更容易与羰基形成环状缩醛。

一般缩醛类在酸性条件下很不稳定,易水解。形成保护之后要注意之后步骤中避免酸性环境,避免无效保护。缩醛等保护剂的稳定性查询可以查看摩熵化学中的“保护基团”工具。

从表中可看到缩醛在大部分还原条件下稳定,在中性或碱性条件下对几乎所有的氧化剂都稳定。缩醛(酮)又分非环状的和环状的两种。非环状的缩醛(酮)由醛酮在催化剂作用下与醇(如甲醇、异丙醇、苄醇等)、原甲酸酯、2,2-二甲氧基丙烷脱水等而成,常用的酸催化剂有无水氯化氢、对甲苯磺酸、樟脑磺酸、硫酸、对甲苯磺酸吡啶盐、氯化锌等。

二甲基缩醛保护实例:

环状缩醛特点与保护实例:

  1. 1.环状缩醛(酮)由醛酮与二醇在酸催化下脱水形成,且较非环状缩醛(酮)在酸性条件下更稳定。

  2. 2.缩醛(酮)的保护和脱保护速度不仅取决于羰基的活性,还与环的大小和取代基有关。

  3. 3.五元环缩醛(酮)形成更容易、稳定性更好,是羰基保护中最常用的方法,尤其在多羰基存在时可以通过适当条件实现选择性保护。

  4. 4.常用的二醇用于环状缩醛(酮)保护的有乙二醇和1,2-双(三甲基硅氧基)乙烷。

硫代缩醛(酮)特点及保护实例:

  1. 1.羰基与1,2-乙二硫醇或1,3-丙二硫醇在酸催化下反应生成硫代缩醛(酮),是一种常用的羰基保护方法。

  2. 2.硫代缩醛(酮)相比常规缩醛(酮)更容易形成,尤其适合保护位阻大、活性低的羰基。

  3. 3.硫代缩醛(酮)在酸性条件下稳定性更好,但脱保护过程通常需要重金属氧化,条件比常规缩醛(酮)更苛刻。

  4. 4.硫代缩醛(酮)的主要缺点是对环境不友好,脱保护过程需要重金属氧化,条件更为严格。

烯醇硅醚特点及保护实例:

  1. 1.烯醇硅醚由含有α氢的醛酮与含硅-卤键的化合物在碱的存在下制备,用于羰基保护。

  2. 2.通过选择合适的条件,烯醇硅醚可以形成热力学控制(取代基多)或动力学控制(取代基少)的产物,活化不同的α位。

  3. 3.烯醇硅醚的使用可以避免因强碱引发的副反应,如交叉偶联,因此是有机合成中的重要中间体。

  4. 4烯醇硅醚广泛应用于多种反应中,如与卤代试剂(NCS、NBS)、亲电氟化试剂 Selectfluor 反应制备α卤代酮,m-CPBA氧化制备α羟基酮,发生α烷基化反应或与醛酮反应制备α羟基化合物等。

缩醛的形成及脱除是一个可逆的过程,一般使用质子酸或Lewis酸也可催化脱除缩醛保护。质子酸或Lewis酸催化缩醛脱保护规律:酮的缩醛化合物比醛的缩醛化合物水解速率快;在缩醛的碳原子上的取代基,如果能够稳定碳正离子,则有利于水解反应;环状缩醛的水解速率与环的大小有关,1,3-二氧戊环的水解速率要小于1,3-二氧六环;环戊酮的缩醛水解速率大于环已酮的缩醛水解速率;有取代基的环状缩醛水解速率小于没有取代基的相应的环状缩醛;非环状比环状缩醛易水解。二乙基缩醛(酮)为例,下列KH+值反应了其水解难易程度:

具体的脱保护实例可以查看摩熵化学中的“保护基团”工具,非常方便。

总的来说,选择合适的保护和脱保护方法时,需要考虑羰基的反应活性、分子中其他基团的兼容性以及所需的反应条件。

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