第十四章β-二羰基化合物

第十四章

β-二羰基化合物12/13/20231教学要求：1.了解β-二羰基化合物的含义。2.熟悉乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯的合成方法。3.熟悉乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯的性质。4.掌握乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯在有机合成中的具体应用。12/13/20232本章内容一、羰基酸二、丙二酸二乙酯的特性及其在有机合成中的应用三、乙酰乙酸乙酯的特性及其在有机合成中的应用四、麦克尔反应习题答案课堂设问12/13/20233一、羰基酸由于分子中存在两个羰基，又称为二羰基化合物。羰基酸是指在脂肪羧酸中碳链上含有羰基的化合物。羰基在碳链一端的是醛酸，在碳链当中的是酮酸，

例如：12/13/20234

系统命名时是取含羰基和羧基的最长碳链，叫做某醛酸或某酮酸。命名羰基酸时，需注明羰基的位置，用“氧代”或“羰基”表示酮基，醛基有时以“甲酰基”表示。酮酸常根据羰基和羧基的距离分为α-酮酸(如丙酮酸)、β-酮酸(如乙酰乙酸)、γ-酮酸等。习题1丙醛酸丙酮酸3-丁酮酸3-氧代丙酸2-氧代丙酸3-氧代丁酸3-羰基丙酸2-羰基丙酸3-羰基丁酸甲酰乙酸乙酰甲酸乙酰乙酸1.羰基酸的命名12/13/20235（1）乙醛酸

乙醛酸是最简单的醛酸，存在于未成熟的水果和嫩叶中，无水乙醛酸为熔点98℃的结晶，在空气中极易吸水而呈糖浆状。由于羧基的吸电子诱导效应，羰基能和一分子水生成结晶状水合乙醛酸[HOOC-CH(OH)2]。乙醛酸易溶于水，有醛和羧酸的典型反应性能，并能进行康尼查罗反应。12/13/20236（2）丙酮酸丙酮酸是最简单的α-酮酸。乳酸氧化可得丙酮酸。也可由酒石酸失水、失羧制得，所以丙酮酸也叫焦酒石酸。酒石酸草酰乙酸烯醇式草酰乙酸丙酮酸12/13/20237

α-酮酸分子中，羰基与羧基直接相连，由于氧原子较强的电负性，使得羰基与羧基碳原子间的电子密度较低，因而此碳-碳键容易断裂，在一定的条件下，丙酮酸可以脱羧或脱去一氧化碳(脱羰)，分别形成乙醛或乙酸。

酮和羧酸都不易被氧化，但丙酮酸却极易被氧化，弱氧化剂如两价铁与过氧化氢就能把丙酮酸氧化成乙酸，并放出二氧化碳。12/13/20238（3）乙酰乙酸

乙酰乙酸是β-酮酸的典型代表，它是机体内脂肪代谢的中间产物。乙酰乙酸只在低温下稳定，在室温以上即易失羧而成丙酮。这是β-酮酸的共性。

乙酰乙酸的酯是稳定的化合物，在有机合成中是十分重要的物质。一般常用的是乙酰乙酸的乙酯。乙酰乙酸乙酯：12/13/20239①乙酰乙酸乙酯的分解反应

乙酰乙酸乙酯分子中羰基与酯基中间的亚甲基碳原子上电子密度较低，因此亚甲基与相邻的两个碳原子之间的键容易断裂，在不同反应条件下，能发生以下两种不同类型的分解反应。

(a)成酮分解：在稀酸的作用下(或先用稀碱处理，然后再酸化)，乙酰乙酸乙酯可以分解为丙酮，并放出二氧化碳，这叫做成酮分解或酮式分解。12/13/202310

显然，在稀酸或稀碱作用下，乙酰乙酸乙酯首先水解为乙酰乙酸(或其盐)及乙醇，乙酰乙酸便失羧而成酮：12/13/202311

(b)成酸分解：

在浓碱作用下，乙酰乙酸乙酯在α-与β-碳原子间发生键的断裂，生成两分子酸，所以叫做成酸分解或酸式分解。所有的β-酮酸酯都可以进行以上两种分解反应，因此乙酰乙酸乙酯在有机合成中具有重要应用。12/13/202312②互变异构现象

乙酰乙酸乙酯除具有酮的典型反应外，还能与三氯化铁水溶液发生颜色反应；使溴水退色；与金属钠作用放出氢。后三个反应是无法用前面所写的结构式解释的。乙酰乙酸乙酯的酮式和烯醇式异构体呈动态平衡存在。在室温下，彼此互变的速度极快，不能将二者分离。这种同分异构体间以一定比例平衡存在，两种异构体之间存在的动态平衡现象，并能相互转化的现象叫做互变异构现象。酮式烯醇式12/13/202313

互变异构是官能团异构的一种特殊表现形式，它属于构造异构。然而，在一般情况下，2.4-戊二酮中含有76％的烯醇式。由此可以看出，化合物的烯醇式含量与其结构有关。

又如：

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-C上具有H的化合物都可发生。烯醇式在平衡混合物中的含量因化合物的结构不同差别较大。12/13/202314烯醇式含量的多少判断：

主要以亚甲基的氢原子越活泼性为标准，即α-H的酸性越大（pKa值越小），其烯醇式含量越高，即亚甲基碳原子所连的吸电基越强越多，烯醇式含量越高。习题3,4烯醇式酮式12/13/202315

③β-二羰基化合物碳负离子的反应由共振结构式可以看出，碳负离子都具有带部分负电荷的碳原子或氧原子，都具有亲核性能，因此在碳原子和氧原子上都有可能发生亲核反应，如下列简式所示

但反应主要发生在亲核的碳原子上，所以在一般情况下得到的主要是碳原子上的烷基化或酰基化产物，也有少量氧原子上的烷基化或酰基化产物生成。12/13/202316常见的β-二羰基化合物碳负离子的反应有下列几种：

a.碳负离子和卤烷的反应，即羰基α-碳原子的烷基化或烃基化反应（见14.3）。

b.碳负离子和羰基化合物的反应，也常称为羰基化合物和β-二羰基化合物的缩合反应（见14.4）。当与酰卤或酸酐作用时可得酰基化产物（见14.5）。

c.碳负离子和α、β-不饱和羰基化合物的共轭加成反应或1,4-加成反应（麦克尔反应）（见14.6）。

通过这些反应都形成了新的碳碳键。它们在有机合成中都是很重要的反应，有着非常广泛的应用。12/13/202317

二、丙二酸二乙酯的特性及其在有机合成中的应用

（1）丙二酸二乙酯的制备丙二酸二乙酯可用氯乙酸的钠盐制备，它具有一定的香味，无色液体。它在有机合成中应用较广。12/13/202318

（2）丙二酸二乙酯的性质在丙二酸二乙酯分子中，α-氢原子受两个酯基的吸电诱导效应和超共轭效应的影响，变得很活泼，具有微弱的酸性（pKa＝13.3），能与强碱（如乙醇钠）作用，生成丙二酸二乙酯的钠盐：

丙二酸二乙酯钠盐分子中的α-碳原子带有负电荷，它是一种碳负离子，具有亲核性，能与卤代烃发生亲核取代反应，生成α-烃基丙二酸二乙酯：

12/13/202319α-烃基丙二酸二乙酯

生成的α-烃基丙二酸二乙酯再进行水解，即得一取代丙二酸，后者经加热脱羧生成一取代乙酸。如果一取代丙二酸二乙酯再依次与醇钠、卤代烃作用，然后水解、脱羧则可以得到二取代乙酸。

一取代乙酸二取代乙酸问题112/13/202320

习题2一取代乙酸二取代乙酸12/13/202321

通过以上讨论可以看出，利用丙二酸二乙酯可以合成下列两种类型的取代乙酸：（3）丙二酸二乙酯合成中的应用一取代乙酸二取代乙酸利用丙二酸二乙酯合成取代乙酸和其他羧酸的方法，称为丙二酸酯合成法。丙二酸二乙酯是合成取代乙酸等的常用试剂，

合成取代乙酸关键：是分析合成羧酸是乙酸的一取代产物还是二取代产物。12/13/202322

①合成一取代乙酸由丙二酸二乙酯合成3-甲基戊酸。从3-甲基戊酸的构造式可以看出，它是一个仲丁基取代的一取代乙酸。因此，用丙二酸二乙酯合成3-甲基戊酸时，需采用仲丁基溴作为烷基化试剂。反应式如下：仲丁基丙二酸二乙酯3-甲基戊酸12/13/202323

②合成二取代乙酸由丙二酸二乙酯合成2-甲基庚酸。从2-甲基庚酸的构造式可以看出，它是由正戊基和甲基取代的二取代乙酸。因此，合成2-甲基庚酸时，需分别采用正戊基溴和甲基碘作为烷基化试剂，分两次引入。当两个烃基不同时，一般先引入较大基团（空间效应）。

正戊基丙二酸二乙酯α-甲基-α-戊基丙二酸二乙酯(80%)2-甲基庚酸(99%)12/13/202324

③合成开链二元羧酸丙二酸二乙酯的也可用来制备开链二元羧酸。如丁二酸、己二酸等或用下列方法：12/13/202325见p35212/13/202326己二酸合成：12/13/202327

④合成环状二元羧酸用二卤化物与丙二酸酯可以合成酯环化合物：三元、四元、五元、六元脂环烷羧酸。12/13/202328乙酸结构乙酸结构12/13/202329⑤丙二酸二乙酯的酰基化丙二酸二乙酯的酰基化常用镁代替钾、钠。反应在非质子溶剂（如苯、乙醚）中进行。这是因为乙醇镁和活泼亚甲基化合物形成的盐都可溶于这些溶剂中。

例如：酰基化丙二酸二乙酯具有更活泼的α-H，且是一个增C的反应。通过这个转换可制备酮类、醇类、烯烃等。12/13/202330合成下列化合物（其他原料任选）：问题21.6.4.2.7.3.5.12/13/202331三、乙酰乙酸乙酯在有机合成中的应用

凡是α-碳上有氢原子的酯，在乙醇钠或其他碱性催化剂（如氨基钠）存在下，都能进行克莱森（酯）缩合反应。总结果是一个碳负离子的酰基化，生成了一个β-二羰基化合物。

1.乙酰乙酸乙酯的合成两分子乙酸乙酯在乙醇钠作用下，发生缩合反应，脱去一分子乙醇，生成乙酰乙酸乙酯（β-丁酮酸酯）。这个反应叫克莱森（L.Claisen）（酯）缩合反应。12/13/2023322.乙酰乙酸乙酯的特性

与丙二酸二乙酯相似，在乙酰乙酸乙酯分子中，α-氢原子同样受到两个羰基的吸电子效应的影响，因此，其α-氢原子比在丙二酸二乙酯中的α-氢原子还要活泼些，所显示出的弱酸性（pKa＝11）也略强一些，与醇钠等强碱作用时，生成乙酰乙酸乙酯的钠盐。此钠盐与卤烷作用，生成烷基取代的乙酰乙酸乙酯：12/13/202333①烷基取代乙酰乙酸乙酯酮式分解一步反应式写法：一取代丙酮12/13/202334一步反应式写法：二取代丙酮12/13/202335取代乙酰乙酸乙酯与浓的氢氧化钠共热，则在α-和β-碳原子之间发生断裂，生成取代乙酸。这种分解方式称为酸式分解。

②烷基取代乙酰乙酸乙酯酸式分解二取代乙酸二取代乙酸12/13/202336

通过上述讨论可以看出，利用乙酰乙酸乙酯可以合成下列两种类型的取代丙酮：也可以合成下列两种类型的取代乙酸：

利用乙酰乙酸乙酯合成取代丙酮等化合物的方法，称为乙酰乙酸乙酯合成法。乙酰乙酸乙酯是合成取代丙酮等常用的试剂。12/13/2023373.乙酰乙酸乙酯应用举例①合成一取代丙酮例1：由乙酰乙酸乙酯合成2-庚酮。值得注意，在合成取代丙酮时，由于所用RX不一定是卤代烃，也可以是其他卤化物（如卤代酮、卤代酸酯、酰卤等），因此所合成的产物是多样的，但从结构上分析，应属于取代丙酮。12/13/202338例2：合成2,5-己二酮。例3：合成2,4-己二酮。12/13/202339②合成二取代丙酮

例4：由乙酰乙酸乙酯合成3-甲基-2-己酮。例5：合成2,5-庚二酮。12/13/202340③合成取代乙酸

与合成取代丙酮相似，首先合成取代乙酰乙酸乙酯，不同之处是进行酸式分解。

例6：

合成取代乙酸一般采用丙二酸二乙酯合成法，而乙酰乙酸乙酯合成法只在某些情况下采用。12/13/202341

④合成二酮、酮酸乙酰乙酸乙酯的碳负离子与酰卤、卤代酮作用，发生碳负离子在酰卤基上个的亲核加成-消除反应，得到酰基化产物，再进行酮式或酸式分解得到二酮或酮酸。酮式分解酸式分解例7：12/13/202342酸式分解酮式分解12/13/202343

④合成二元羧酸乙酰乙酸乙酯的碳负离子与卤代酸作用，得到二元羧酸酯产物，再进行酸式分解得到二元羧酸。酸式分解问题3问题412/13/202344丙二酸二乙酯和乙酰乙酸乙酯

化学性质小结1.丙二酸二乙酯性质12/13/2023452.乙酰乙酸乙酯性质12/13/202346

四、碳负离子和α,β-不饱和羰基化合物的共轭加成—麦克尔反应

由β-二羰基化合物和碱作用生成的稳定的碳负离子，可以和α,β-不饱和羰基化合物发生加成反应，反应的结果总是碳负离子加到α,β-不饱和羰基化合物的β-碳原子上，而α-碳原子上则加上一个H离子。

例如：12/13/20234712/13/202348

上述的加成反应又叫做共轭加成或1,4-加成。因为它的反应历程是α,β-不饱和羰基化合物的共轭体系中发生了碳负离子对它的l,4-加成。碳负离子先加在β-碳原子上（1位），使4位上的氧原子得到更多的负电荷，氢离子就加到4位上。但这样得到的的烯醇式又转变为更稳定的酮式，使加上去的H又转移到了α碳原子上。所以最后结果只是碳碳双键上的加成。活泼亚甲基化合物和α,β-不饱和羰基化合物的共轭加成是由麦克尔（A.Michael）首先发现的，因此这种反应又叫做麦克尔反应。12/13/202349反应历程如下式：12/13/202350麦克尔反应得到的共轭加成产物经水解和加热脱羧，最后都得到1,5-二羰基化合物。

例如：12/13/202351

麦克尔反应在有机合成中应用很广，是制取1,5-二羰基化合物最好的方法。各种不同的α,β-不饱和羰基化合物（醛、酮、酯、腈、酰胺，甚至α,β-不饱和的硝基化合物）都可与β-二羰基化合物的烯醇离子进行共轭加成。习题712/13/202352

例1.以甲醇、乙醇为主要原料，用丙二酸酯法合成α-甲基丁酸。解：由目标分子，推测所需原料．合成路线：12/13/202353

例2.以乙醇及无机试剂为原料，经乙酰乙酸乙酯合成2-7-辛二酮。首先由目标分子推测所需基本原料：12/13/202354合成路线：12/13/202355课堂设问123412/13/202356问题14-1根据丙二酸二乙酯与卤烷的反应实质，说明伯、仲、叔三种卤烷是否都适用，为什么？答：伯卤代烷最佳，叔卤代烷不适用。因为丙二酸二乙酯负离子是强碱，叔卤代烷易发生消除反应。12/13/202357

问题14-2

由丙二酸二乙酯合成下列化合物（其他原料任选）：12/13/20235812/13/202359问题14-3

以乙酰乙酸乙酯为主要原料合成下列化合物：（1）3-甲基-2-戊酮（2）4-甲基-2-戊酮12/13/202360

问题14-4

下列化合物能否用乙酸乙酸乙酯合成？为什么？（1）2-庚酮（2）4-庚酮（3）3-庚酮（4）CH3COCH2C(CH3)3（5）(CH3)3CCOOH（6）(CH3)3CCH2COOH

答：乙酸乙酸乙酯可合成一取代和二取代丙酮以及一取代和二取代乙酸。（l）2-庚酮CH3CO(CH2)4CH3是一取代丙酮，故可以用乙酰乙酸乙酯合成法合成。（2）、（3）的4-庚酮、3-庚酮不是取代丙酮，故不能用乙酰乙酸乙酯合成法合成。12/13/202361

（4）CH3COCH2C(CH3)3是叔丁基取代丙酮，用乙酰乙酸乙酯合成法合成时，需用(CH3)3CX与乙酰乙酸乙酯碳负离子反应，后者是强碱，(CH3)3CX遇强碱则脱卤化氢生成烯烃，故不能。（5）(CH3)3CCOOH不是一取代或二取代乙酸，故不能。（6）同（4），不能。12/13/202362习题及解答167892103451112/13/2023631.命名下列化合物。α,α-二甲基丙二酸2-乙基-3-丁酮酸乙酯氯甲酰乙酸3-丁酮醛12/13/2023642.写出了列化合物加热后生成的主要产物12/13/2023653．试用化学方法区别下列各组化合物

加FeCl3溶液，前者有α-H可发生显色反应，后者无α-H不发生显色反应。

加FeCl3溶液，前者可发生显色反应，后者不发生显色反应。12/13/202366

4.下列各组化合物，哪些是互变异构体，哪些是共振杂化体？互变异构体互变异构