烯醇结构的羟基氧上一对P电子和碳碳双键中的π键形成P-π共轭体系,使电荷在一定程度上偏向碳端,增加了羟基氧氢键的极性,使氢更容易离去(pKa:10.94),不好理解的话可以参考苯酚结构。氢离子离去后形成烯醇负离子是一个三原子四电子的共轭体系,两端都带负电性,质子既可以和氧结合形成烯醇式也可以和碳结合形成酮式,整个平衡体系为互变平衡体系。
酸性条件下的互变平衡:
羰基质子化生成𨦡盐,质子化的羰基具有更强的吸电子效应,增强了α-氢的酸性,更容易形成烯醇。
碱性条件下的互变平衡:
碱可以直接拔α-氢,形成碳负离子,碳负上的电荷转到氧上形成烯醇负离子,烯醇负离子再与质子结合形成烯醇。
根据有机物键能数据库(iBonD)的数据【有机物键能数据库(iBonD)面向学术界免费开放】,以丙酮及其烯醇式为例,烯醇羟基氢的pKa为10.94,而丙酮的α-H的pKa则为19.27。在碱性条件下烯醇式羟基氢的酸性更强,碱更容易和其反应使平衡向左移动,由于两个pKa相差较大,平衡严重偏向酮式方向,因此丙酮的主要结构为酮式。在酸性条件也可以解释,由于酮式碳负离子的碱性更强,质子更容易与其结合,因此主要为酮式而不是烯醇式。
【J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 16, 5506–5510】
【Chem. Soc. Rev., 1996,25, 275-280 】
稳定性的影响因素:
一、酮式酮式α氢的酸性
酮式α氢的酸性越强,平衡更容易偏向烯醇式一侧,越容易形成烯醇,因此也越稳定。丙酮中烯醇式的含量只有0.00025%,而乙酰乙酸乙酯中烯醇式的含量为7.5%,2,4-戊二酮中烯醇式含量则达到80%。
二、烯醇式的结构
烯醇式结构能形成共轭体系,形成的共轭链越长,烯醇式也越稳定。另外烯醇结构的稳定性还和能否形成内氢键有关。
三、溶剂
对于能形成内氢键的烯醇式结构,其极性比酮式的更小,因此溶剂的极性越强,对烯醇式越不利。
含有烯醇结构的化合物有苯酚、方酸、1,1,1-三氟-2,4-戊二酮都是有这样性质的化合物,维生素C中有烯二醇的结构,也是稳定的烯醇。
烯醇常见的应用
一、aldol缩合
二、Mukaiyama羟醛缩合反应
三、烯醇的共轭加成:Michael加成
三、酯烯醇的反应:Claisen酯缩合,Dieckmann缩合反应
四、胺甲基化反应:Mannich反应
五、成环的反应:Robinson增环
六、Perkin反应
七、Darzens缩水甘油酸酯缩合
共振论认为: 碳负离子和烯醇负离子都只是失去α-氢后生成的离子的极限式,不能真实存在; 真正存在的是这两个极限结构的叠加体或共振的杂化体。【一文搞懂共振极限式】分子轨道理论认为: 形成的负离子是一个离域的体系,负电荷分布在整个离域体系上,该离域体系也称为烯醇负离子。【分子轨道理论】
【基础有机化学(第四版),邢其毅等,478】