有机化学：羧酸衍生物碳酸衍生物

Chapter13羧酸衍生物碳酸衍生物羧酸分子中羧基发生变化所生成的化合物称为羧酸衍生物。主要有酰卤（acylhalide)、酸酐(anhydride)、酯(ester)、酰胺(amide)、和腈（nitrile）。通式羧酸第一节羧酸衍生物（carboxylicacidderivatives）通式酰卤:X=Cl、Br酯酸酐酰胺腈盐酸普鲁卡因（局麻药）

扑热息痛（解热镇痛药）

δ+δ-δ++一、结构和命名1.结构（structure）

L＝X、OR、OCOR、NHR用共振式表示：

C－N键长：137.6pmCH3－NH2中C－N键长：147.4pm卤原子的电负性较大，在酰卤的共振极限式中，电荷分离式（2）对共振杂化体的贡献很小，因此，在共振杂化体中以（1）式为主，酰卤分子中C-X键并不比卤代烷中的C-X键短：2.命名（Nomenclature）（1）酰卤的命名酰卤命名是在酰基名称后加上卤素名称

4－溴戊酰溴4－甲基苯甲酰氯（2）酯的命名酯的名称由生成酯的酸和醇的名称决定。命名时把羧酸名称放在前面，醇中烃基的名称放在后面，称为某酸某酯。内酯命名时，用内酯二字代替原来酸的酸字并标明羟基的位置。苯甲酸乙酯3-甲基-4-丁内酯COCH2CH3O34OOCH33－甲氧基苯甲酸苄酯或3－甲氧基苯甲酸苯甲酯（3）酸酐的命名是由相应的酸加上“酐”字组成，混合酸酐依次写出形成酸酐的两个酸的名称，后面加上“酐”字，相对简单的酸写在前面苯甲酸酐乙（酸）丙（酸）酐邻苯二甲酸酐（4）酰胺的命名酰胺的命名是在酰基名称后加上“胺”字。当N上有取代基时，该取代基用斜体的“N”

标出苯甲酰胺N，N－二甲基甲酰胺（DMF）邻苯二甲酰亚胺δ

－戊内酰胺OONHαδHON（5）腈的命名腈是根据主链碳原子数（包括氰基碳）用“腈”命名

乙腈苯甲腈3-甲基戊腈CH3CNCH3CH2CHCH2CNCH3CN在命名含多官能团的化合物时，需选择一个官能团为母体化合物，而把其它官能团作为取代基。选作母体化合物的优先次序如下：

RCOOH>RSO3H>(RCO)2O>RCOOR′>RCOX>RCONHR′>RCN>RCHO>RCOR′>ROH>ArOH>HNRR′>ROR′羧酸>磺酸>酸酐>酯>酰卤>酰胺>腈>醛>酮>醇>酚>胺>醚－NO2，－X，－OR等一般做为取代基羧酸衍生物的官能团作为取代基时其名称如下：甲氧甲酰基乙酰氧基氨甲酰基氯甲酰基氰基COCH3O3－甲酰基苯甲酰胺R－3－羟基－5－氧代己酸﹡CH2COOHCH2CCH3HOHOCHOCONH2二、物理性质(自学）三、化学性质（一）亲核取代反应其中：L＝X、OCH3、NH2

、OCOR等1.各种羧酸衍生物亲核取代的活性烃基上的推电子基团降低羰基碳上的正电荷密度，增加空间位阻，因此降低反应活性（1）与羰基相连的基团(L)吸电子能力；（2）与羰基相连的基团(L)空间体积；（3）与羰基相连的基团(L)的离去能力；a.烃基上的吸电子基团增加反应活性离去基团的碱性越强，越不易离去。基团的离去能力顺序为：羧酸衍生物亲核取代反应的活性顺序为：亲核取代反应总的结果是－L基团被羟基、烷氧基或氨（胺）基所取代，这些反应依次称为羧酸衍生物的水解、醇解和氨解反应。有些羧酸衍生物的亲核取代反应需在酸或碱催化下进行。利用亲核取代反应可使羧酸衍生物之间相互转化。OCROR'NH2RCNOOOO>>>≈OCRRCRCRCX2.羧酸衍生物的亲核取代反应（1）水解反应（Hydrolysis）－生成酸酸和碱都可以催化反应。＋－CORXCOROR'COROCOR'CORNH2(NHR')H2OH

or

OHCOROHHXHOCOR'HOR'NH3

(NH2R')（1）酰卤的水解

低级的酰卤极易水解，如乙酰氯遇水剧烈水解，在制备时需无水条件；随着酰卤分子量增大，在水中的溶解度降低，水解速度逐渐减慢。（2）酸酐的水解酸酐可以在中性、酸性或碱性溶液中水解，反应活性比酰卤稍缓和一些。heat+HCHCCH2OOOCCH3COOHCOOHCCOCH3OOO+H2OCOHOCOHO（3）酯的水解酯水解需在酸或碱催化下进行。在酸催化下水解是酯化反应的逆反应，因此也是可逆反应。碱性条件下的水解不可逆，可以进行完全。a.碱性水解RC－OR'O+HO－+R'OHRC－OO－酯的水解常称作皂化反应，工业上利用此反应制备肥皂酯在水解时，分子可能在两处发生键的断裂，一种是酰氧断裂，另一种是烷氧断裂+R'

－OHR－C－O－R'OR'

－OHR'

－OH酰氧断裂烷氧断裂OH－OR－C－O－*反应机理（Mechanism）如下：可见碱既是催化剂，又是反应试剂，所用的量超过1当量S是什么构型的？18COOCH2CH3NaOHH2O18COONa+CH3CH2OHCH2OCCH3CH3O+NaOH(95-97%)CH2OHCH3OCH3CONa+water-methanolheat*酯的碱性水解反应讨论：1.碱性水解速率与[-OH]成正比。2.羰基活性越大，

－C空间位阻越小，酯基空间位阻越小，反应速率越快。4.酯的碱性水解是不可逆的。5.碱的用量要超过催化量。CH3COOCMe3

Me3CCOOEt

CH3COOEt

ClCH2COOEtV相对

0.0020.01

1296下列取代的苯甲酸的碱性水解的相对速度：R：-NO2-Cl-H-CH3-OCH3相对速度：

110410.50.2这里考虑羰基活性RCOHO+R'OHRCOR'O+H2OH+b.酸性水解羧酸的伯、仲醇酯在酸催化下水解时,也是以酰氧断裂方式进行,而叔醇则多以烷氧断裂的方式进行。*反应机理（Mechanism）如下：H+转

移CROHOR'OH2+H2OCROH+OR'叔醇酯在酸催化下水解时，由于立体阻碍较大，反应按烷氧断裂方式进行

+*反应机理（Mechanism）如下：（4）酰胺的水解

酰胺比酯难水解，一般需在酸或碱催化、加热条件下进行

O2NNH2OCH3O2NNHCOCH3OCH3100ºCKOH/H2OCH3COOK+KOHH2O

heatCH3CNHOBrCH3COKO+NH2BrCH3CH2CHCNH2OCH3CH2CHCOHOH2OH2SO4

heat+NH4+HSO4–（5）腈的水解

腈在酸或碱催化下水解成酰胺，继续水解生成羧酸

RCNH2ORCOOH-OHH+或CRONH2-OH或H2OH+H2OH2SO4

heatCH2CNNO2OCH2COHNO2（2）醇解反应（Alcoholysis）＋CORXCOROR'COROCOR'CORNH2(NHR')COOR''RHOR''HXCOHOR'NH3(NH2R')HOR'（1）酰卤的醇解酰卤与醇很快反应生成酯，是合成酯的常用方法之一，通常用来制备难以直接从羧酸与醇反应得到的酯（2）酸酐的醇解

（3）酯的醇解－酯交换反应（transesterification）酯交换反应常用来制备难以合成的酯（如酚酯或烯醇酯）或从低沸点醇酯合成高沸点醇酯（3）氨解反应

（Aminolysis）－生成酰胺（1）水解反应（Hydrolysis）－生成酸（2）醇解反应（Alcoholysis）－生成酯)HNR2,H2NR(HNH2+)NR2NHR,(NH2ORC+HLCROL（1）酰卤的氨解+NaOHOClC6H5CHN+NaCl%81OC6H5CN(2)酸酐的氨解酸酐的活性低于酰氯，且在水中较不易水解，有些反应物易溶于水，可以在水中进行，因为胺的亲核性比水大得多。环状酸酐与氨（或胺）反应，则开环生成单酰胺酸的铵盐，酸化后生成单酰胺酸；或在高温下加热，则生成酰亚胺（imide）

酰卤、酸酐的醇解和氨解又称为醇和胺的酰化（acylation）反应，是制备酯和酰胺的常用方法，酰卤和酸酐称为酰化剂（3）酯的氨解酯与氨（或胺）及氨的衍生物（如肼、羟氨等）发生氨解反应生成酰胺或酰胺衍生物++C2H5OHOCOC2H5OHH3CH2NOHNCH3COH小结:羧酸衍生物的水解、醇解、胺解其反应活性为：酰氯>酸酐>酯>酰胺酰氯与酸酐的醇解、胺解反应在醇或胺分子中引入一个酰基，这些反应统称为酰化反应，酰氯和酸酐称为酰化剂。羧酸衍生物的水解、醇解、胺解的反应机理相似，一般均经历亲核加成－消除的历程，有些反应常在酸或碱的酸的催化下进行。RC=OX+

R'MgX无水乙醚RCOMgXXR'RCR'OMgX2R'MgX乙醚RCR'OMgXR'H3O+RCR'OHR'3.羧酸衍生物与格氏试剂的反应4.羧酸衍生物的还原反应（1）氢化锂铝还原

C15H31COCl1.2.LiAlH4H3O+C15H31CH2OHO2.LiAlH4H3O+CH2OHCH2OH1.OOCON(CH3)21.2.LiAlH4H3O+CH2N(CH3)2（2）罗森孟德（Rosenmund）还原

COClH2

,

Pd-BaSO4

硫－喹啉COH+HC2H5OC(CH2)2CH2OOOOClC2H5OC(CH2)2CPd/BaSO4硫－喹啉5.酰胺的特性

(1)酰胺的酸碱性酰胺的水溶液不显碱性，而显中性：

pKa~15.1CRONH2在酰亚胺分子中，氮原子上连接两个酰基，氮上的电子云密度大大降低而不显碱性；同时氮氢键的极性增强，而表现出明显的酸性，能与氢氧化钠（或氢氧化钾）水溶液成盐

NOOHNBSCH3CNH2ONH

OONH

OOpKa

~15.1

9.62

8.3（2）霍夫曼（Hoffmann）降解反应

酰胺在碱性溶液中与卤素作用，失去二氧化碳，重排得一级胺。RCNH2ONaOH

+

Br2RNH2该反应常用于由羧酸制备少一个碳原子的伯胺，也可用来制备氨基酸Br2NaOHO

+

2NH3OOCH2CH2CCOONH4ONH2H2NCH2CH2COO-COOHNH2?RR如果酰胺分子中α-碳原子是手性中心，反应后手性中心的构型保持不变（3）脱水反应酰胺与强的脱水剂（如P2O5、POCl3、SOCl2等）共热可脱水生成腈，这是制备腈的方法之一加热CH3(CH2)4CNCH3(CH2)4CONH2SOCl2第二节

羧酸衍生物涉及碳负离子的反应及其在合成中的应用酯中的α-氢显弱酸性，在醇钠作用下可与另一分子酯发生类似于羟醛缩合的反应，生成β-酮酸酯，称为酯缩合反应或克莱森缩合反应（Claisencondensation）

2H3O+CH3COC2H5OC2H5ONa1.2.C2H5OH+CH3CCH2COC2H5OO一、酯缩合反应（1）克莱森酯缩合反应反应机理：H3+O只有一个α-氢原子的酯采用一个很强的碱，如三苯甲基钠，才能使反应顺利进行（2）交叉酯缩合反应不同的具α－H的酯进行酯缩合时，可能有四种产物，在合成上无意义

CH3COOC2H5

和CH3CH2COOC2H5不具有α-氢的酯可以提供羰基，与具有α-氢的酯进行酯缩合反应时，可得到较纯的产物。这种缩合称为交叉酯缩合（crossedestercondensation）。COOCH2CH3COOCH2CH3+C6H5CH2COOC2H5COOCH2CH3COCHCOOC2H5C6H51)

C2H5ONa2)

H+NCOOCH3+

CH3CH2CH2COOEtNaHNCOCHCOOEtCH2CH3常见的无α－H的酯：苯甲酸酯、甲酸酯、草酸酯和碳酸酯等

（1）克莱森酯缩合反应（2）交叉酯缩合反应（3）狄克曼（Dieckmann）酯缩合主要用于制备五元和六元环状β-酮酸酯。αβ（1）克莱森酯缩合反应（2）交叉酯缩合反应（3）狄克曼（Dieckmann）酯缩合（4）酮与酯的缩合酮与酯之间缩合或酮酸酯分子内进行缩合时，主要产物为β-二酮。这是由于酮的α-氢酸性强于酯的α-氢，所以在碱催化下，酮提供α-氢形成碳负离子，与酯发生亲核加成-消除反应，生成β-二酮酯缩合反应是形成C-C键的重要反应，它可以合成β-酮酸酯、1,3-二酮、1,3-二酯、环状化合物等

二、酯缩合反应在合成中的应用三、乙酰乙酸乙酯及其在合成中的应用（1）酮式-烯醇式互变异构能使溴的四氯化碳溶液褪色，使三氯化铁显色，与金属钠反应放出氢气－说明具有烯醇（Enol）的结构b.与氢氰酸、亚硫酸氢钠加成，与羟胺、苯肼试剂生成肟或腙－说明具有酮的结构酮式92.5%烯醇式7.5%氢键稳定了烯醇式酮式-烯醇式互变异构现象在有机化学中普遍存在，凡C=O键α-碳原子上具有氢的化合物都可能发生。烯醇式在平衡混合物中的含量，因化合物的结构不同而差别很大0.00025CH3COCH3CH3CCH2OH

酮式

烯醇式

烯醇式含量（%）

pKa

0.0002520

0.113

7.5

11

76.09

90.0

（1）酮式-烯醇式互变异构（2）酮式分解和酸式分解CH3CCH2OCOC2H5ONaOHCH3CCH2OCONaO（1）酮式-烯醇式互变异构（2）酮式分解和酸式分解（3）在合成中的应用乙酰乙酸乙酯分子中亚甲基上的氢，呈明显酸性，这是由于它在强碱（如RONa、NaH等）作用下其形成的碳负离子中的负电荷可离域到两个羰基氧原子上，使其趋向稳定负碳离子具有亲核性，可以和卤代烃或酰卤发生亲核取代反应，但是一般用1º或2º卤代烃H2O,OH-H3+OC2H5O-C2H5OHR’－X1.H2O,OH-2.H3+O

经乙酰乙酸乙酯合成：

分析：(1)产物为甲基酮，合成时一定要经过酮式分解。(2)将目标产物的结构与丙酮进行比较，确定引入基团。(3)最后确定合成路线。

注意：当引入基团不同时，通常是先引入活性较高和体积较大的基团CH3CCH2COOC2H5O1.

EtONa,

EtOH2.

ClCH2PhCH3CCHCOOC2H5OCH2Ph1.

EtONa,

EtOH2.

CH3CH2ClCH3CCCOOC2H5OCH2PhCH2CH31.

H2O,

OH-2.

H3+OCH3CCHCH2PhOCH2CH3CH3CCH2CH2CH2CH2CCH3OOCH3CCH2COOC2H5O2+BrCH2CH2BrCH3CCH2COOC2H5O

NaHCH3CCHCOOC2H5OCH3CCHCOOC2H5O+CH3CCHCOOC2H5OCCH2CH3O1.

H2O,OH-2.

H3+O,heatTMCH3CH2COCl练习四、丙二酸二乙酯及其在合成中的应用H2CCOOC2H5COOC2H5丙二酸二乙酯分子中亚甲基上的氢也呈酸性（pKa＝13），在碱作用下形成碳负离子，可与卤代烷发生亲核取代反应1.H2O,OH-2.H3+O,heat1.EtONaEtOH2.R’－X1.H2O,OH-2.H3+O,heatR－XCHCOOC2H5COOC2H5RH2CCOOC2H5COOC2H5EtONaHCCOOC2H5COOC2H5H2CRCOOHCHCRR'OOHCCOOC2H5COOC2