第十三章 羧酸衍生物 学习要求 掌握酰卤，酸酐，酯，酰胺的化学性质及相互间的转化关系。 熟悉酯缩合反应，霍夫曼降级反应等重要人名反应。 熟悉酯的水解反应历程。 掌握乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯在有机合成上的应用。 了解油脂的组成和性质；合成表面活性剂的类型及去污原理。 羧酸衍生物是羧酸分子中的羟基被取代后的产物，重要的羧酸衍生物有酰卤，酸酐，酯，酰胺。 § 13-1 羧酸衍生物的结构和命名 一、羧酸衍生物的结构 羧酸衍生物在结构上的共同特点是都含有酰基（ ），酰基与其所连的基团都能形成P-π共轭体系。 二、羧酸衍生物的命名 酰卤和酰胺根据酰基称为某酰某。例见P386~387。 酸酐的命名是在相应羧酸的名称之后加一“酐”字。例如： 酯的命名是根据形成它的酸和醇称为某酸某酯。例如： 三、羧酸衍生物的物理性质 ⒈沸点：分子量相近的衍生物比较，酰卤、酸酐和酯，由于它们分子间不能形成氢键，所以沸点一般比分子量相近的羧酸低。酰氨分子中含有氨基，它们分子间能形成氢键。 由于酰氨分子间缔合能力较强，因此沸点甚至比相应的羧酸还要高。 ⒉ 密度：酸酐的密度 〉1；脂肪族一元羧酸酯的密度均〈 1； 二元羧酸酯和芳酸酯的密度均 〉1。 ⒊ 水溶性：酰氯强烈水解，放出大量的HCl及热量。 低级酰胺可溶于水。 四、羧酸衍生物的光谱性质 1、酰氯： C=O伸缩振动吸收峰在1800cm-1区域。如和不饱和基或芳环共轭，C=O吸收峰下降至1750cm-1～1800cm-1。 2、酸酐：C=O有两个伸缩振动吸收峰在1800cm-1～1850cm-1区域和1740cm-1～1790cm-1区域。两个峰相隔约60 cm-1。C-O的伸缩振动吸收峰在1045cm-1～1310cm-1。 3、酯的C-O在1050cm-1～1300cm-1区域有两个强的伸缩振动吸收峰。可区别于酮。 4、酰氨：C=O伸缩振动吸收峰低于酮，在1630cm-1～1690cm-1区域。N-H伸缩振动吸收峰在3050cm-1～3550cm-1区域内。 酰氨的核磁共振谱中CONH的质子吸收峰出现在5～8的范围内。 其吸收峰宽而矮 § 13-2 酰卤和酸酐 一、酰卤 1．酰卤的制备 酰卤的制取一般是由羧酸与卤化磷或氯化亚砜作用而得。 2．物理性质 无色，有刺激性气味的液体或低熔点固体。低级酰卤遇水激烈水解。乙酰氯暴露在空气中即水解放出氯化氢。 3．化学性质 （1）水解、醇解、氨解（常温下立即反应） 反应结果是在分子中引入酰基，故酰卤是常用的酰基化剂。 （2）与格氏试剂反应 酰氯与格氏试剂作用可以得到酮或叔醇。反应可停留在酮的一步，但产率不高。 （3）还原反应 罗森蒙德（Rosenmund）还原法可将酰卤还原为醛。 二、酸酐 1．制备 由羧酸脱水而得，可制得单纯酐。 混酐通过酰氯与羧酸盐作用制得。 2．物理性质 （略） 3．化学性质 （1）水解、醇解、氨解（反应需稍加热）见P390。 酸酐也是常用的酰基化剂。 （2）柏琴（Perkin）反应 酸酐在羧酸钠催化下与醛作用，再脱水生成烯酸的反应称为柏琴（Perkin）反应。 § 13-3 羧 酸 酯 一、来源与制法 广泛存在于自然界。是生命不可缺少的物质。 酯可通过酯化反应、酰卤或酸酐的醇解、羧酸钠盐与卤代烃作用等方法制得。 二、物理性质 酯常为液体，低级酯具有芳香气味，存在于花、果中。例如，香蕉中含乙酸异戊酯，苹果中含戊酸乙酯，菠萝中含丁酸丁酯等等。 酯的比重比水小，在水中的溶解度很小，溶于有机溶剂，也是优良的有机溶剂。其常见酯的物理常数见P391表13-2。 三、酯的化学性质 1．水解、醇解和氨解 （1）水解 酯的水解没有催化剂存在时反应很慢，一般是在酸或碱催化下进行。 （2）醇解（酯交换反应） 酯的醇解比较困难，要在酸或碱催化下加热进行。 因为酯的醇解生成另一种酯和醇，这种反应称为酯交换反应。此反应在有机合成中可用与从低级醇酯制取高级醇酯（反应后蒸出低级醇）。 （3）氨解 酯能与羟氨反应生成羟肟酸。 羟肟酸与三氯化铁作用生成红色含铁的络合物。这是鉴定酯的一种很好方法。酰卤、酸酐也呈正性反应。 2．与格氏试剂反应 酯与格氏试剂反应生成酮，由于格氏试剂对酮的反应比酯还快，反应很难停留在酮的阶段，故产物是第三醇。 具有位阻的酯可以停留在酮的阶段。例如： 3．还原反应 酯比羧酸易还原，可用多种方法（催化氢化、LiAlH4、Na + C2H5OH等还原剂）还原。还原产物为两分子醇。见P393。 酯在金属（一般为钠）和非质子溶剂中发生醇酮缩合，生成酮醇。 这是用二元酸酯合成大环化合物很好的方法。 4．酯缩合反应 有α-H的酯在强碱（一般是用乙醇钠）的作用下与另一分子酯发生缩合反应，失去一分子醇，生成β-羰基酯的反应叫做酯缩合反应，又称为克莱森（Claisen）缩合。例如： 反应历程 （2）交叉酯缩合 两种不同的有α-H的酯的酯缩合反应产物复杂，无实用价值。 无α-H的酯与有α-H的酯的酯缩合反应产物纯，有合成价值。例如； 酮可与酯进行缩合得到β-羰基酮。 （3）分子内酯缩合——狄克曼（Dieckmann）反应。 己二酸和庚二酸酯在强碱的作用下发生分子内酯缩合，生成环酮衍生物的反应称为狄克曼（Dieckmann）反应。 例如： 缩合产物经酸性水解生成β-羰基酸，β-羰基酸受热易脱羧，最后产物是环酮。 狄克曼（Dieckmann）反应是合成五元和六元碳环的重要方法。 § 13-4 油脂和合成洗涤剂 一．油脂 油脂普遍存在于动物脂肪组织和植物的种子中，习惯上把室温下成固态的叫酯，成液态的叫油。油脂是高级脂肪酸甘油酯的通称  组成甘油酯的脂肪酸绝大多数是含偶数碳原子的直链羧酸，其中有饱和的，也有不饱和的。液态油比固态脂肪会有较多量的不饱和脂肪酸甘油酯。 几个概念： 1．?????????? 干性：某些油涂成薄层，在空气中就逐渐变成有韧性的固态薄膜。油的这种结膜特性叫做干性（或称干化）。 油的干性强弱（即干结成膜的快慢）是和油分子中所含双键数目和双键结构有关系的，含双键数目多的，结膜快，数目少，结膜慢。有共轭双键结构体系的比孤立双键体系的结膜快。成膜是由于双键聚合形成高分子聚合物的结果。桐油结膜快是由于三个双键形成共轭体系。顺，反，反，—9，11，13—十八三烯酸 2．?????????? 碘值：不饱和脂肪酸甘油酯的碳碳双键也可以和碘发生加成反应。100g油脂所能吸收的碘的克数称为碘值（又称碘价）。 二．肥皂和合成洗涤剂 1．?? 肥皂： 肥皂的制造：  2.合成系涤剂 a)???????? 阴离子洗涤剂 溶于水时其有效部分是阴离子。  ? 现在国内最广泛使用的洗涤剂是烷基苯磺酸钠盐，R表示C12----C18的烷基。烷基最好是直链的，称为线形烷基。过去曾用过叉链的，但发现不能为微生物所降解（大分子变为较小分子称降解），容易聚集在下水中或飘在河流中，引起环境的污染，因为微生物对有机物的生物氧化降解有选择性，它对直链的有机物可以作用，每次氧化降解两个碳，而有叉链存在时破坏其作用，故现在国际上系用线型的C12以上的烷基制洗涤剂。它可以从石油中分出正烷烃进行一元氯化，或石油、蜡裂解分出直链的1—烯烃，与苯进行傅氏反应得烷基苯，磺化、碱化处理得到。 b)??????? 阳离子洗涤剂。 溶于水时其有效部分是阳离子。如：  （3）非离子型洗涤剂 在水溶液中不离解，是中性化合物。  其中羟基和聚醚（OCH2CH2）n部分是亲水基团，家用液态洗涤剂的主要成分也是非离子洗涤剂。 三．磷脂 磷脂多为甘油脂，以脑磷脂及卵磷脂为最重要，其结构为：α—脑磷脂（磷脂酰乙醇胺）α—卵磷脂（磷脂酰胆碱）  磷脂中的酰基都是相应的十六个碳以上的高级脂肪酸，如硬脂酸、软脂酸、油酸、亚油酸（顺，顺－9，12－十八二烯酸）等；磷酸中尚有一个羟基具有强的酸性，可以与具有碱性的胺形成离子偶极键；这样在分子中就分为两个部分，一部分是长链的非极性的烃基，是疏水部分，另一部分是偶极离子，是亲水部分，因此磷脂的结构与前面所讲的肥皂结构类似，如果将磷脂放在水中，可以排成二列，它的极性基团指向水，而疏水性基团，因对水的排斥而聚集再一起，尾尾相连，与水隔开，形成脂双分子层。  磷脂在植物的种子中，蛋黄及脑子中含量较多可。由家畜屠宰后的新鲜脑或由大豆榨油后的副产物中提取而得。往往卵磷脂和脑磷脂不加分离而作为卵磷脂粗制品。 磷脂可以作乳化剂、抗氧剂、食品添加剂。医疗上用于治疗神经系统疾病。脑磷脂用于肝功能检验。 [食品添加剂]：在各种食品里添加磷脂，可以保持水份和盐份，使外形美观。由于磷脂有乳化性，在制面包、蛋糕、炸面饼，油酥糕的面粉中添加磷脂，能添加这些食品的强性。延缓变硬过程。保持盐分，还能使面包、蛋糕体积增加5%以上。 生物细胞膜是由蛋白质和脂类（主要是磷脂）构成的。磷脂的疏水部分相接而亲水端朝向膜的内外两面。这样构成脂双层。所有的膜都有不同成分的脂双层和相连的蛋白质组成。一些蛋白质松散地连接在脂双层的亲水表面，而另一些蛋白质剂埋入脂双层的疏水基质中，或穿过脂双层。细胞膜对各类物质的渗透性不一样，可以选择性地透过各种物质，在细胞内的吸收和分泌代谢过程中其着重要的作用。  § 13-5 乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯 在有机合成上的应用 一、乙酰乙酸乙酯 （一）性质 1．互变异构现象 （1）生成的烯醇式稳定的原因 1°形成共轭体系，降低了体系的内能。 2°烯醇结构可形成分子内氢键（形成较稳定的六元环体系） （2）其他含活泼亚甲基化合物的互变异构体中烯醇式的含量见P404表13-6。 2．亚甲基活泼氢的性质 （1）酸性 乙酰乙酸乙酯的α-C原子上由于受到两个吸电子基（羰基和酯基）的作用，α-H很活泼，具有一定的酸性，易与金属钠、乙醇钠作用形成钠盐。 （2）钠盐的烷基化和酰基化 乙酰乙酸乙酯的钠盐与卤代烃、酰卤反应，生成烃基和酰基取代的乙酰乙酸乙酯。 烷基化： 注：① R最好用1°，2°产量低，不能用3°和乙烯式卤代烃。 ② 二次引入时，第二次引入的R′要比R活泼。 RX也可是卤代酸酯和卤代酮。 酰基化： 3．酮式分解和酸式分解 酮式分解 乙酰乙酸乙酯及其取代衍生物与稀碱作用，水解生成β-羰基酸，受热后脱羧生成甲基酮。故称为酮式分解。 例如： 酸式分解 乙酰乙酸乙酯及其取代衍生物在浓碱作用下，主要发生乙酰基的断裂，生成乙酸或取代乙酸，故称为酸式分解。 例如： （二）乙酰乙酸乙酯在有机合成上的应用 由于乙酰乙酸乙酯的上述性质，我们可以通过亚甲基上的取代，引入各种不同的基团后，再经酮式分解或酸式分解，就可以得到不同结构的酮或酸。见P405 。 例1： 合成 例2：合成 例3：合成 说明：乙酰乙酸乙酯合成法主要用其酮式分解制取酮，酸式分解制酸很少，制酸一般用丙二酸二乙酯合成法。 二、丙二酸二乙酯 （一）制法 （二）性质 1．酸性和烃基化 2．水解脱羧 丙二酸二乙酯及其取代衍生物水解生成丙二酸，丙二酸不稳定，易脱羧成为羧酸。 例如： （三）丙二酸二乙酯在有机合成的应用 丙二酸二乙酯的上述性质在有机合成上广泛用于合成各种类型的羧酸（一取代乙酸，二取代乙酸，环烷基甲酸，二元羧酸等）。 例如，用丙二酸二乙酯法合成下列化合物，其结构分析如下： 具有活泼亚甲基的化合物容易在碱性条件下形成稳定的碳负离子，所以它们还可以和羰基发生一系列亲核加成，例如，柯诺瓦诺格（Knoevenagel）反应，迈克尔（Michael）反应。见P406~407。 § 13-6 酰 胺 一、酰胺的制法 1．羧酸衍生物的氨解。 2．羧酸的铵盐加热失水而得。 二、酰胺的物理性质 P409 三、酰胺的化学性质 1． 酸碱性 酰胺的碱性很弱，接近于中性。（因氮原子上的未共用电子对与碳氧双键形成P-π共轭）。 酰亚胺显弱酸性（例如，邻苯二甲酰亚胺，能与强碱的水溶液生成盐）。 2．水解 3．脱水反应 酰胺与铵盐和睛的关系如下： 4．还原反应 酰胺不易被还原，在高温高压下催化氢化才还原为胺，但所得为混合物。 强还原剂氢化锂铝可将其还原为胺（伯胺、仲胺、叔胺）。 5．霍夫曼（Hofmann）降级反应 酰胺与次卤酸钠的碱溶液作用，脱去羧基生成比原料少一个碳的胺的反应，称为霍夫曼降级反应。 例如： 霍夫曼降级反应是制备纯伯胺的好方法。 § 13-7 酰基衍生物的水解、氨解、醇解历程 一、酯的水解历程 酯的水解有酸催化和碱催化反应，不管是酸催化水解还是碱催化水解，都有四种可能的历程。（可能是酰氧断裂，也可能是烷氧断裂；每种方式都可按单分子或双分子历程进行）。 1．酯的碱性水解 研究证明，酯的碱性水解为酰氧断裂的双分子历程（BAc2）。 将含同位素O18的酯水解证明是按酰氧断裂方式进行的。 碱性水解反应历程表示如下： 酯的碱性水解（皂化反应）得到的产物是羧酸盐，使反应不可逆，可以进行到底，因此酯的水解通常用碱催化。 2．酸性水解历程 研究证明，酯经酸催化水解时： 一级，二级醇酯绝大多数为酰氧断裂的双分子历程（AAc2历程）。 少数特殊结构的酯为酰氧断裂的单分子历程（AAc1历程）。见P413 。 三级醇酯为烷氧断裂的单分子历程（AA11历程）。 （1）（AAc2历程） （2）（AA11历程） 二、酰基衍生物的水解、氨解、醇解历程 酰基衍生物的水解、氨解、醇解历程与酯的水解历程相同，都是通过加成-消除历程来完成的，可用通式表示如下： 的反应活性与L基团的性质有关。（L对反应性能的影响如下表） L 诱导效应（-I） P-π共轭效应（+C） L-的稳定性 反应活性 - Cl 最大 最小 最大 最大 -OCOR 大 小 大 大 -OR 中 中 中 中 -NH2 小 大 小 小 § 13-8 碳 酸 衍 生 物 碳酰氯（光气） 物性 毒性很强。沸点8.3℃,常温下为气体。 制备 化性 ⑴ 水解 ⑵ 氨解 ⑶ 付—克反应 ⑷ 醇解 二、尿素 ⒈物性：白色结晶固体；熔点135℃；易溶于水和乙醇，不溶于氯仿和乙醚。 ⒉化性： ⑴ 成盐 ⑵ 水解 ⑶ 放氮反应 ⑷ 双缩脲反应 二缩脲在碱性溶液中与极稀的硫酸铜溶液能产生紫红色的颜色反应，这种颜色反应叫做缩二缩脲反应。 ⒊制备 三、胍 极强的碱。 §13-9 有 机 合 成 路 线 在科研中，若从天然产物中得到一个很有用的化合物，我们采取的一般步骤是纯化，确定其结构，若为一新化合物，我们就用人工已知、可靠的合成方法把它合成出来，以验证其结构。所以，有机合成路线设计是有机化学工作者必备的手段。合成路线的好坏，也反映出一个化学工作者的知识水平与能力。 有机化学合成路线设计方法通常是倒推法，也叫逆合成分析。 合成设计的一般程序为： １．????? 分析 a.认出目标分子中的官能团。 b.用已知和可靠的反应进行切断。 c.必要时重复进行切断，直至达到易于取得的起始原料。 2.合成 a．根据分析，写出合成计划，加进试剂和条件； b．根据实验中遇到的失败和成功，修改计划；  ? 一．碳胳的切断与合成 ? ㈠　切断介绍 ? ⒈主导思想：切断是为了合成，切断时一定要想到合成。 ? ?⒉分子碎片要有合适的试剂代替，并容易得到。  ? ? ? ⒊要有合适的反应。（最好有合理的机理）  ⒋切断时，不可能切断成两个近乎相等的分子碎片，有对称性时按对称性切开（目的：合成步骤少）。  ⒌在没有合适的反应相对应时，回推到适当阶段，再切断。    ? ⒍加入活化基团，帮助观察，切断，反应后脱去活化基团。   ? ⒎加入保护基，反应后脱去。  ? ⒏副产物少。   ㈡　一．基团的切断。 1.简单醇的切断 ①??? 叔醇   ② 仲醇  2.醇衍生物的切断  3.简单烯烃的切断 ? ①烯至醇  ③??? 烯至酮＋wittig试剂　（wittig 反应）  ④??? 烯至炔  4.芳香酮的切断  5.简羧酸及其衍生物的切断    ㈢　二基团的切断 1. 1,3-二官能团化合物和α ,β-不饱和羧基化合物。       ? 2. 1,5-二羧基化合物       3. 1,2-二官能团化合物      4.??????????? 1,4-二官能团化合物  5.??????????? 1,6-二官能团化合物 ?    ㈣　碳环化合物的合成 １．小环化合物   ２．稠环芳烃      　二．官能团的引入(自学) 1.选择性反应 2.官能团保护  四氢哌喃醚,对碱、格氏试剂、烃基锂、催化加氢及氧化剂稳定，容易被稀酸分解。 3.基团占位 ? 磺酸基占位   三．立体构型的要求 在有机合成中，有时产物需要一定的立体要求。 １．获得顺式或反式产物　（自学） 烯烃：   二醇：    ２．环的骈联 环连接点的主体要求也是复杂的工作。如合成：    由于α位有羰基，在碱催化下可以发生酮与烯醇式互变，并且并联的环反式比顺式稳定，可以利用这点，得到反应产物。 ? ３．不对称合成 有机合成是对有机化学家创造能力的一种检验。近来，各种天然产物的复杂结构（多至数十个手性中心）和各种有理论意义化合物的特殊结构都向有机合成化学家提出了新的挑战。对于有机合成，除了在反应条件上要求尽量温和外，在选择性上也要求有化学选择性，区域选择性，立体选择性及对应选择性。特别是对映选择性，是人们努力奋斗的热点。可以说对映选择性的有机合成是对有机化学家创造能力的最好检验。实现对映选择性的合成，也就是手性合成，不对称合成问题。 不对称合成是指在一个反应中使非手性的分子转变为手性分子，在产生的手性分子中，对映异构体的含量是不等量的。 一般来说，实现不对称合成的途径有五个： ⑴　手性底物的诱导 通过底物原有手性的诱导，在产物中形成新的手性中心。很多天然产物的立体控制的全合成，往往选择一个手性的原料出发。如：青蒿素的全合成就是从手性的香茅醛或是手性的异胡薄荷醇开始的。目前常选用的手性起始物有萜类，氨基酸，糖类等。 ⑵　手性辅助的诱导 在合成的某一个阶段，引入一个手性辅助物，形成局部的诱导，产生一个新的手性中心。如利用手性醇来生成酯或是缩醛、酮，或是利用手性的胺来生成酰胺。这种手性辅助物往往要在反应后除去。 ⑶手性试剂的控制 ⑷手性催化剂的控制 ⑸手性环境的影响　　 手性环境包括溶剂，相转移催化剂等。 以上各种途径都是利用底物或辅助物的手性，试剂或催化剂的手性。与反应物结合时，形成非对映异构的过渡态。于是对不同面的进攻产生差异，从而产生了反应的对映选择性。 对映体过量百分数（%e.e.） 即enantiomeric excess % %e.e=([R]-[S]) / ([R]+[S])×100%=%[R]-%[S] %e.e越高，说明产物光学纯度越高，不对称合成选择性越好。 例１．铑催化的不对称氢化反应 这是美国孟山都公司用以制取治疗帕金森综合的特效药物L－Dopa的方法。   例２．钛催化的不对称环氧化反应 这是Baker公司用以制备千毒蛾性引发剂的方法。1980年这种性引发剂每克售价高达一千英镑。而采用不对称合成法后，价格降至每克一百英镑。千毒蛾性引发剂（dispalure）的结构式为：  ? 林国强等从C11端开始利用sharpless不对称环氧化，同时进行了动力学拆分，而后直接利用铜锂试剂进行开环：   这个方法使用于烯丙醇衍生物，用的试剂是叔丁基过氧化氢，四异丙氧基钛和酒石酸酯。这里的酒石酸酯是手性的来源。用天然的L－（＋）酒石酸酯和非天然的D－（－）酒石酸酯所得的环氧化物的构型是相反的。该法所用的试剂都是简单易得的，反应产率一般在80%左右，所得的e.e.值往往大于90％。这个方法可以同时引入两个手性中心。加上环氧环在开环以后可能有多种变化，因而，引起人们很大的重视，并在很多天然产物的合成中得到应用。 这种方法只限于烯丙醇类的衍生物，对于一些没有相邻的羟甲基的烯烃化合物，e.e.值是不高的。 参考书：黄耀曾，钱延龙　《金属有机化学进展》化学工业出版社（1987） P28（戴立信） ? 四．合成路线的选择 要求： （1）原料易得； （2）产率高，副反应少，易纯化； （3）步骤少； （4）操作方便、安全。 作业1： 补充题1，2，3 作业2： 补充题4，5, P427 3, 8 补充题 1．命名下列化合物 （1） （2） （3） （4） （5） （6） 2．完成下列反应式 3．某化合物（A）的分子式为C5H6O3，（A）能与1mol乙醇作用得到两个互为异构体的化合物（B）和（C）。（B）和（C）分别与亚硫酰氯作用后，再加入乙醇，则得到相同的化合物（D）。试推断（A）、（B）、（C）、（D）的可能结构式，并写出有关反应式。 4．举例写出下列人名反应 罗森蒙德（Rosenmund）反应 克莱森（Claisen）缩合反应 狄克曼（Dieckmann）反应 霍夫曼（Hoffmann）降级反应 5．用反应式表示下列合成路线 由乙酰乙酸乙酯合成3-甲基-2，4-戊二酮 由丙二酸二乙酯合成环己基甲酸