羰基加成与取代反应

极化的羰基是有机化学中最通用的反应中心，在醛和酮中发生亲核加成反应，在羧酸衍生物中发生亲核酰基取代反应。

Definition

羰基加成和取代反应包括C=O基团与亲核试剂的反应：在醛和酮中直接加成到双键上，以及在羧酸衍生物中通过四面体中间体进行的加成-消除反应。

Scope

本主题涵盖醛和酮的亲核加成反应（形成醇、水合物、缩醛、亚胺和氰醇），亲核酰基取代反应的四面体中间体机制，酸衍生物的相对反应性，以及α碳上的烯醇盐化学。

Core questions

• 为什么羰基碳是亲电的而氧是碱性的？
• 是什么决定了亲核试剂是简单加成还是先加成再排出离去基团？
• 离去基团的相对稳定性如何决定酸衍生物的反应性顺序？

Key theories

四面体中间体机制

亲核试剂攻击羰基碳生成四面体醇盐；它是否通过排出离去基团（取代）而坍塌或被质子化（加成）取决于底物。

酰基衍生物的反应性排序

酰氯 > 酸酐 > 酯 > 酰胺的反应性顺序，这反映了离去基团的能力以及稳定基态羰基的电子供体效应。

Mechanisms

亲核试剂沿着Bürgi–Dunitz轨迹攻击羰基碳。在醛和酮中，生成的四面体醇盐被简单地质子化，生成醇或其衍生物。在酸衍生物中，四面体中间体坍塌，排出离去基团以再生羰基并实现净取代。酸或碱催化调节亲电性和亲核试剂强度。

Clinical relevance

羰基化学是生物化学和药物化学的基础：酰胺键的形成构建肽和许多药物，酯水解控制前药活化，羰基缩合在合成中构建分子复杂性。

History

羰基反应性的系统研究涵盖了从19世纪的缩合化学到20世纪70年代的Bürgi–Dunitz亲核攻击角度晶体学分析，后者为羰基加成的几何结构提供了结构基础。

Key figures

• Hans Heinrich Bürgi
• Jack D. Dunitz
• Adolf von Baeyer

Seminal works

• careysundberg2007b

Frequently asked questions

为什么酰胺的反应性远低于酰氯？

氮将其孤对电子捐献给羰基，稳定了基态并使碳的亲电性降低；此外，酰胺阴离子是一个较差的离去基团，因此取代反应较慢。

什么是Bürgi–Dunitz角？

它是亲核试剂接近羰基碳的大约107度的轨迹，它最大化了与C=O pi*轨道的重叠，同时最小化了来自氧孤对电子的排斥。