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基础有机化学 2
裴 坚
北京大学化学与分子工程学院
2017年秋季
Basic Organic Chemistry - 2, Jian Pei, College of Chemistry, Peking University
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酚和醌
Basic Organic Chemistry 2, Jian Pei, College of Chemistry, Peking University
酚的命名、结构与物理性质
醇 酚 烯醇
在脂肪族化合物中，烯醇通常是不稳定的，容易互变异构形成相应的酮（碳氧双键更稳定）。
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酚和醌
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酚羟基直接与芳环的sp2杂化的碳原子相连，这与烯醇结构基本一致，因此酚也存在酮式异构体：
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酚和醌
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从结构上可以了解酚含有羟基和芳环。因此，它既可以进行芳环上的一些反应，也可以发生与醇类似的反应。例如，酚羟基的氢原子具有一定的活性，可以被其它基团取代；其芳环易发生亲电取代反应。此外，酚的衍生物还能发生一些特殊的重要反应。
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酚和醌
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酚的酸性和碱性
苯环上的取代基对酚酸性强弱的影响
苯环上有吸电子基团能增强酚的酸性;与之相反，当苯环上有给电子取代基时，此类酚化合物的酸性比苯酚弱
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酚和醌
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酚羟基的醚化反应和Claisen重排
Williamson醚合成法:
在碱性条件下，只发生O-烷基化反应，这是因为在碱性条件下，酚氧基
负离子是一个很好的亲核试剂，此外在苯环进行烷基化反应首先需要破化苯环的芳香体系，反应能量被大幅度升高，这使得O-烷基化的反应速率比C-烷基化快，而且是不可逆的。
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酚和醌
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1912年，L. Claisen报道了烯丙基芳基醚在200 ℃下可以重排为烯丙基苯酚，同时他还报道了3-烯丙氧基-2-烯-丁酸乙酯在NH4Cl下蒸馏可以生成2-乙酰基-4-烯-戊酸乙酯。此后，烯丙基乙烯基醚类衍生物在加热条件下重排成相应的γ,δ-不饱和羰基化合物的反应称为Claisen重排。
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交叉反应实验证明Claisen重排是分子内的重排。如果C3′位碳原子采用以13C标记的烯丙基醚进行重排反应，第一次重排后，C3′位碳原子
就与苯环相连，碳碳双键发生位移。上述实验事实可以用环状过渡态的反应机理来解释，是一个协同的反应，其过渡态为包含六个电子的六元环:
对比：Cope重排
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酚和醌
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酯化反应和Fries重排
K. Fries将乙酸苯酚酯和氯乙酸在AlCl3作用下加热，分离得到了邻、对位乙酰化和氯乙酸苯酚酯。此后，将酚酯与Lewis酸或Brønsted酸一起
加热，发生酰基重排生成邻羟基或对羟基芳酮的混合物的反应通称为Fries(弗里斯)重排。
上述机理表明：重排可能是分子间的，如果将两个不同的酚酯混合在一起进行重排，则应得到交叉产物
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酚和醌
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Reimer-Tiemann反应
1876年，K. Reimer 和 F. Tiemann发现苯酚在10%NaOH溶液中与氯仿
加热会转化成以邻羟基和对羟基苯甲醛，其中以邻羟基苯甲醛为主要产物。此后，苯酚、羟基取代的喹啉和富电子体系的芳香杂环（如吡咯等）在碱性溶液中与氯仿的甲酰化反应称为Reimer-Tiemann (瑞穆尔-悌曼）反应。常用的碱溶液是氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠水溶液。
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工业上生产水杨醛(salicylic aldehyde)就是用苯酚和氯仿通过Reimer-
Tiemann反应进行的。
Reimer-Tiemann反应收率一般不超过50％。当苯环上有吸电子基团时，对反应不利。
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Kolbe-Schmitt反应
1860年，J. Kolbe 和E. Lautemann发现苯酚在金属钠参与下可以与CO2反应生成2-羟基苯甲酸钠：
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酚和醌
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邻对位的产物取决于碱金属离子的大小，当此金属离子较大时，如K+，
邻位的空阻大，对位进攻称为主要产物。邻位异构体在一定条件下可转化为对位异构体(参见Fries 重排)。
常用的几种重要药物在工业上是采用Kolbe-Schmitt反应生产的，例如，治疗结核病的有效药物对氨基水杨酸(p-amino salicylic acid，简写PAS)。
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酚和醌
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芳香醚的Birch还原
1944年，澳大利亚化学家A. J. Birch发现由钠和液氨产生的溶剂化电子可以将α-萘酚还原成5,8-二氢-α-萘酚。但是，如果没有醇的情况下，此反应只能得到痕量的5,8-二氢-α-萘酚：
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酚和醌
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Birch还原
A．Birch 在1944年使用的为Na和乙醇体系；后来A. L. Wilds 发现Li可以提高反应产率。
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Birch还原
A. J. Birch的经验规则是当带有给电子基团(含烷基)取代时，最终产物
中的双键必带有更多的取代基；当有吸电子基团取代时，最终产物中的双键避免与此取代基形成共轭体系。
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Birch还原
带有给电子基团的苯环：
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Birch还原
带有缺电子基团的苯环：
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Birch还原
缺电子体系的苯环的反应速率远快于带有给电子基团的苯环。当在苯环上有吸电子基团和给电子基团同时存在时，主导反应的应该是吸电子基团：
Birch还原反应也有一些缺陷：富电子体系的杂环芳烃需要至少有一
个吸电子取代基存在才能被还原，例如呋喃、噻吩不能直接被还原，只有其环上有吸电子取代基存在的条件下时才能被还原。
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Birch还原
若取代基上有与苯环共轭的碳碳双键，Birch还原首先在共轭双键处发生：
不与苯环共轭的双键不能发生Birch还原:
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Birch还原
由于Birch还原反应的机理类似于共轭加成，因此共轭烯烃、,β-不饱
和酮、醛、酯、双取代炔烃、苯乙烯衍生物等化合物均可在此条件下被还原：
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Birch还原
此烯醇负离子接着可以进行后续的反应，如烷基化或共轭加成反应：
思考：为何孤立碳碳双键不能被Birch反应还原？复习炔烃的还原。
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Birch还原
C. B. Wooster与K. L. Godfrey等人发现对于共轭烯烃、α,β-
不饱和羰基化合物、双取代炔烃、共轭炔烃和苯乙烯等体系，由于有共轭体系能稳定负电荷，它们也能够在液氨中被碱金属还原，这些反应已在有机合成中得到广泛的运用和推广。
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苯酚与甲醛的缩合——酚醛树脂
在碱性条件下：
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在酸性条件下：
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不管在碱性或酸性条件下，羟甲基苯酚均不稳定，可以转化为醌式结构—醌甲烷 (quinomethane)。如在碱性条件下：
首先得到可溶于有机溶剂的树脂，继而得到不溶但可溶胀，加热时不熔但变软的树脂，再继续反应，最后生成具有很高分子量的不溶、不熔的树脂，此高分子量的树脂称为酚醛树脂(phenol-formaldehyde resin，也叫白氏树脂)。
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酚和醌
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以4-叔丁基苯酚为原料在酸性条件下与甲醛反应可以得到一系列四聚体、五聚体、六聚体等产物。这些分子因其形状与希腊圣杯(calix
crater)相似，且是由多个苯环构成的芳香族分子，由此得名为杯芳烃。杯芳烃以“杯[n]芳烃”的形式命名。
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多环芳酚的反应
Bucherer反应
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Houben-Hoesch (霍本-赫施)反应
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制染料、酚醛树脂、胶黏剂、药物等的重要原料
荧光黄
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酚的制备
1. 异丙苯法:
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酚的制备
1. 异丙苯法；2. 芳香亲核取代反应；
曾在越战中被广泛使用的脱叶剂（也称橙色试剂）的主要成分2,4,5-
三氯苯酚
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酚的制备
1. 异丙苯法；2. 芳香亲核取代反应；3. 格氏试剂-硼酸酯法；
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酚的制备
1. 异丙苯法；2. 芳香亲核取代反应；3. 格氏试剂-硼酸酯法；4. 苯炔中间体；
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酚的制备
1. 异丙苯法；2. 芳香亲核取代反应；3. 格氏试剂-硼酸酯法；4. 苯炔中间体；5. 重氮盐法
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1909年，H. Dakin发现2-羟基苯甲醛被过氧苯甲酸氧化时高产率地得到
了邻苯二酚。此后，芳香醛或酮被氧化生成相应的酚的反应统称为Dakin反应：
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醌的结构
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对苯醌的反应
1. 对苯醌的亲核加成反应;
1. 醌的1,2-加成在酸性条件下，对苯醌的羰基可与亲核试剂发生1,2-加成反应。如与羟氨反应生成单肟(oxime)和二肟(dioxime)：
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对苯醌的反应
1. 对苯醌的亲核加成反应:
对苯醌的羰基还可以与格氏试剂发生亲核加成，生成三级醇：
此三级醇在酸性条件下可以重排成烷基取代的苯酚：
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对苯醌的反应
1. 对苯醌的亲核加成反应:
醌的1,4-加成：
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对苯醌的反应
1. 对苯醌的亲核加成反应:
DDQ的合成：
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对苯醌的反应
1. 对苯醌的亲核加成反应:
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酚和醌
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对苯醌的反应
1. 对苯醌的亲核加成反应:
2. 与碳碳双键的亲电加成:
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酚和醌
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对苯醌的反应
1. 对苯醌的亲核加成反应;
2. 与碳碳双键的亲电加成；3. 与双烯体的环加成反应
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对苯醌的氧化性
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对苯醌在生物体系中的作用
参与在能量产生过程中电子转移的升华氧化剂泛醌 (ubiquinones):
泛醌也统称为辅酶(coenzyme)Q
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对苯醌在生物体系中的作用
在线粒体细胞中，泛醌参与了呼吸过程中将电子从生物还原剂NADH
转移至分子氧上：
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对苯醌在生物体系中的作用
维生素E就是一类含有对苯二酚骨架的脂溶性还原剂：
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