第八章 羧酸及其衍生物
Carboxylic Acids and Their Derivatives
重点,
1,羧酸的命名, 羧酸的化学性质
2,羧酸衍生物的结构和命名, 羧酸衍生物的化学性质
难点,
羧酸的酸性强弱比较, 羧酸衍生物的化学性质
第一节 羧酸
Carboxylic Acids
一、分类
1.按烃基不同分为:脂肪族羧酸、脂环族羧酸和芳香族羧酸
2.按烃基是否饱和分为饱和羧酸和不饱和羧酸
3.按分子中羧基数目分为一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸等。
8- 1 羧酸的分类和命名
Classification and Nomenclature of Carboxylic Acids
分子中含有官能团( —COOH) 的化合物称为羧酸。
它的通式为,RCOOH和 ArCOOH。
1.习惯命名法(俗名)
根据其来源命名:如蚁酸、醋酸、安息香酸等。
甲酸最初是由蚂蚁蒸馏得到的,称为蚁酸。乙酸最初是从
食用的醋中得到,称为醋酸。还有草酸、琥珀酸、苹果酸、柠
檬酸。系统命名与俗名的联系,如苯甲酸俗名为安息香酸、丁
二酸的俗名为琥珀酸等。
用希腊字母表示取代基位次的方法。含十个碳以上的直链
酸命名时要加一个碳字。
二、命名
HCOOH CH3COOH CH3(CH2)10COOH HOOCCH2COOH
蚁酸(甲酸) 醋酸(乙酸)月桂酸(十二烷酸) 胡萝卜酸(丙二酸)
H O O C C H 2 C C H 2 C O O H
O H
C O O H
C O O H
H O
O H
O H
O H
C O O H
柠 檬 酸 水 杨 酸 没 食 子 酸
(1)脂肪族羧酸:与醛相似。选含羧基在内的最长碳链为主
链,从羧基碳原子开始编号,根据主链上碳原子的数目称为, 某
酸,,以此作为母体,然后在母体名称前面加上取代基的名称和
位臵。
羧酸也常用希腊字母来标名位次,即与羧基直接相连的碳原
子为 α, 其余位次为 β, γ …, 距羧基最远的为 ω 位。
编号,从羧基邻位碳原子开始,依次为 α,β,γ,δ,ε … ω 。
2.系统命名法
C H 3 C H 2 C H C H 2 C H 2 C O O H
C H 3
C l C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C O O H C H 3 C H C O O H
O H
4 - 甲 基 己 酸
( - 甲 基 己 酸 )?
5 - 氯 戊 酸
( - 氯 戊 酸 )?
2 - 羟 基 丙 酸 ( - 羟 基 丙 酸 )
( 乳 酸 )
?
( 2)不饱和羧酸
含羧基和不饱和键的最长碳链作为主链,根据主链
上碳原子数目称为, 某烯酸, 。编号从羧基开始。
例如,
B r C H 2 C H = C C H 2 C H 2 C O O H
C 2 H 5
4 - 乙 基 - 6 - 溴 - 4 - 己 烯 酸
C H 3 C = C H C O O H
C H 3
3 - 甲 基 - 2 - 丁 烯 酸
( 3)芳香酸
②羧基连在侧链上,以脂肪酸为母体,芳基作为取代基命
名 。
3-苯基丙烯酸
C H C H C O O H
C H 2 C H 2 C O O H
3-苯基丙酸
①羧基连在苯环上,以芳香酸为母体,环上其它基团作
为取代基命名。
C O O H
C H 3
对 甲 基 苯 甲 酸
( 4)二元酸命名
选择含有两个羧基的最长碳链为主链,称为某二酸。
H O O C C H 2 C O O H H O O C C H 2 C H 2 C O O H
C O O H
C O O H
丙 二 酸 丁 二 酸
邻 苯 二 甲 酸
8- 2 羧酸的制法
Synthesis of Carboxylic Acids
1.高级脂肪烃氧化
一、氧化法
R C H 2 C H 2 R ' O 2, M n O 2 R C O O H + R 'C O O H
产物为高级脂肪酸混合物,其中 C12- C18的羧酸,工业
上用于制肥皂。
2.烯烃、炔烃氧化 R C H = C H R ' R C O O H + R 'C O O H
K M n O 4
H +
R C O O H + R 'C O O H
K M n O 4
H +
R C C R '
C H 2 = C H C H 3 O 2, 磷 鉬 酸 铋 C H
2 = C H C O O H
4.伯醇或醛的氧化
氧化剂,K2Cr2O7/H2SO4,CrO3/冰 CH3COOH,KMnO4,
HNO3等。
3.芳烃氧化 ——侧链 α -H的氧化
R C O O HK M n O 4H +
R≠叔丁基
R C H 2 O H
R C H O
R C H = C H C H O R C H = C H C O O H
托 伦 试 剂
K M n O 4
H
+
R C O O H
K M n O 4
H
+ R C O O H
5.甲基酮氧化(碘仿反应) ———用于制备少一个碳
原子的羧酸
R C C H 3
I 2, N a O H
或 N a O I
C H I 3
O
+ R C O O H
二、水解法
1.腈的水解(制备比原料多一个碳的羧酸)
脂肪族腈常从卤代烃制得,故此法也可制备比原
卤代烃多一个碳原子的腈。
( A r ) R C N ( A r ) R C O O HH +,H 2 O
注意,此法只适用于由 1° RX( 2°,3° RX 与 NaCN作用
易发生消除反应)。
2.羧酸衍生物的水解。
油脂和羧酸衍生物得羧酸,及副产物甘油和醇。
3.通过丙二酸二乙酯合成各种羧酸。
C H 3 C H 2 C l
N a C N
C H 3 C H 2 C N C H 3 C H 2 C O O H
C H 2 B r C H 2 C N C H 2 C O O H
H +,H 2 O
N a C N H +,H 2 O
例如,
三、羧化法
1.格氏试剂与 CO2合成法
格氏试剂与二氧化碳加合后,酸化水解得羧酸。
1°,2°,3° RX都可使用。
用途,
①此法用于制备比原料多一个碳的羧酸,但乙烯式卤代烃难反应。
②是制备三甲基乙酸的好方法。
2.烯烃羰基化法
烯烃在 Ni(CO)4催化剂的存在下吸收 CO和 H2O而生成羧酸。
R C H = C H 2 + C O + H 2 O N i ( C O ) 4 R C H C H 2C
O
H 2 O R C H C O O H
C H 3
( A r ) R — M g X + ( A r ) R — C — O M g X ( A r ) R — C — O H干 醚 H
+,H
2 OO
OC
O O
X = C l, B r, I
例如,( C H 3 ) 3 C — M g B r H
3 O +
( C H 3 ) 3 C — C O O H① C O 2②
8- 3 羧酸的物理性质
Physical Properties of Carboxylic Acids
C1- C3 有刺激性酸味的液体,溶于水。
C4- C9 有酸腐臭味的油状液体(丁酸为脚臭味),难溶于
水。
> C9 蜡状固体,无气味。
一、物态
二、熔点
有一定规律,随着分子中碳原子数目的增加呈锯齿状的变化。
含偶数碳原子的直链饱和一元酸的熔点比邻近两个奇数碳原子酸熔
点高。主要原因是含偶数碳原子的酸对称性强。晶格排列紧密,它
们之间具有较大的吸引力,故熔点高。乙酸熔点 16.6℃,当室温低
于此温度时,立即凝成冰状结晶,故纯乙酸又称为冰醋酸。
四、水溶性
由于羧酸能与水形成氢键,甲酸至丁酸与水互溶。
R C
O
O H
H O H
O H
H
R C
O
O H
H O
C
O
R
比相对分子质量相同的醇沸点高。因为羧酸分子之
间 形成两个氢键,缔合成稳定的二聚体。
三、沸点
8- 4 羧酸的化学性质
Chemistry of Carboxylic Acids
羧酸是由羟基和羰基组成的,羧基是羧酸的官能团,因此
要讨论羧酸的性质,必须先剖析羧基的结构。羧基的结构为一
P-π 共轭体系。
由于共轭作用,使得羧基不是羰基和羟基的简单加合,所
以羧基中既不存在典型的羰基,也不存在着典型的羟基,而是
两者互相影响的统一体。 p—π 共轭使羰基碳正性减弱,如与
羰基试剂 HONH2不发生反应。 -OH的酸性比醇的 -OH酸性强。
R C
O - H
O
R C
O
O
Hs p 2
杂 化共 轭 体 系p - π
原因,⑴ p—π 共轭使羟基氧上的电子云密度降低, 使羟
基之间的电子更靠近氧原子, O-H键减弱, H+易离去 。 ⑵ -
COOH中的 H+离去后, ( - CO2-) P—π 共轭更完全, 键长平
均化 ( 甲酸钠的 X射线测定表明, 碳氧键长均等 ) 使体系更稳
定, 因此, 羧酸的 H+更易离去, 生成更稳定的羧酸负离子 。
此外,- COOH对烃基的影响,使 α - H活化; - COOH直接
与苯环相连时,使苯环钝化。
羧酸的性质可从结构上预测,有以下几类,
R C C
O
OH
H
H
羟 基 被 取 代 的 反 应的 反 应
脱 羧 反 应
α H
羟 基 断 裂 呈 酸 性
R C OO H R C OO R C O
O
一、酸性
1.成盐
羧酸具有弱酸性,在水溶液中存在着如下平衡,
乙酸的离解常数 Ka为 1.75× 10-5 ;甲酸的 Ka=2.1× 10-4,
pKa =3.75; 其他一元酸的 Ka在 1.1- 1.8× 10-5之间,pKa在
4.7- 5之间。可见羧酸的酸性小于无机酸而大于碳酸
( H2CO3 pKa1=6.73) 。
酸性比较:无机强酸 >甲酸 >其它羧酸 > 碳酸 > 酚 > 醇
pKa, 3.76 3.5- 5 6.3 10 16- 19
R C O O H R C O O + H +使蓝色石蕊试纸变红
故羧酸能与碱作用成盐,也可分解碳酸盐。此性质可
用于醇、酚、酸的鉴别和分离。不溶于水的羧酸既溶于
NaOH也溶于 NaHCO3,不溶于水的酚能溶于 NaOH不溶于 NaHCO3,
不溶于水的醇既不溶于 NaOH也溶于 NaHCO3。
R C O O H N a O H ++ R C O O N a H 2 O
N a H C O 3R C O O H + R C O O N a + C O 2 + H 2 O
H C l N a C lR C O O N a + R C O O H +
2.取代羧酸分子中的电子效应和空间位臵对酸性的影响
( 1) 电子效应对酸性的影响
诱导效应
① 吸电子诱导效应使酸性增强 。
FCH2COOH > ClCH2COOH > BrCH2COOH > ICH2COOH > CH3COOH
pKa值 2.66 2.86 2.89 3.16 4.76
② 供电子诱导效应使酸性减弱 。
CH3COOH > CH3CH2COOH > (CH3)3CCOOH
pKa值 4.76 4.87 5.05
③ 吸电子基增多酸性增强 。
ClCH2COOH > Cl2CHCOOH > Cl3CCOOH
pKa值 2.86 1.29 0.65
④ 取代基的位置距羧基越远, 酸性越小 。
CH3CH2ClCHCOOH> CH3ClCHCH2COOH>ClCH2CH2CH2COOH
pKa值 2.86 4.0 4.52
当能与基团共轭时,则酸性增强, 例如,
CH3COOH Ph-COOH
pKa值 4.76 4.20
(2).取代基位臵对苯甲酸酸性的影响
对于苯甲酸的酸性,它同时有共轭效应与诱导效应的影响,但以苯
环的吸电子诱导效应为主,故其酸性比一般脂肪酸稍强。 pKa为 4.19。
取代苯甲酸的酸性与取代基的位臵有关,情况比较复杂。
但大致可归纳如下,
a 邻位取代基(氨基除外)都使苯甲酸的酸性增强(位阻作用破坏了羧基与
苯环的共轭)。
b 间位取代基使其酸性增强。
c 对位上是第一类定位基时,酸性减弱;是第二类定位基时,酸性增强。
共轭效应
二、羧基上的羟基(- OH) 被取代的反应 —
—羧酸衍生物的生成
由于 p—π 共轭的作用, 羰基上电子云密度升高, 因
此羰基与亲核试剂的反应活性降低 。 不能再与 HCN及含氮
的亲核试剂进行加成反应, 故羧酸与醛酮的性质不同 。 但
可发生如下的反应 。
R C O O H
R C O O R '
R C O X
R C O N H 2
R C O O C O R
酯
酰 卤
酰 胺
酸 酐
1.酰卤的生成
羧酸与 PX3,PX5,SOCl2作用则生成酰卤。
三种方法中,方法 3的产物纯、易分离,因而产率高。
是一种合成酰卤的好方法。
适用于制备低沸点的酰
氯(如乙酰氯)
适用于制备高沸点的酰
氯(如苯甲酰氯)
SOCl2是常见的酰基化
试剂。
R C O O H R C O C l
R C O C l
R C O C l
P C l 3
P ( O H )3
P O C l3 H C l
H C lS O 2
P C l 5
S O C l 2
+
+ +
+ +
2.羧酸酐的生成
( 1)羧酸在脱水剂(如 P2O5 )作用下加热,脱水生成
酸酐。
2 C O O H + ( C H 3 C O ) 2 O C O ( ) 2 O + C H 3 C O O H
乙 酐 ( 脱 水 剂 )
( 2)常用乙酸酐 [(CH3CO)2O]作催化剂,价格低廉,反应迅
速,生成的乙酸又易除去。因此,常用乙酐作为制备酸酐
的脱水剂。
R — C — O H + R — C — O — C — R + H 2 OP 2 O 5
O O O
R — C — O H
O
( 3)两个羧基相隔 2- 3个碳原子的二元羧酸,不需任何
脱水剂,加热就可脱水生成五元或六元环酐。
例如,
C
C
O
O H
O
O H
1 5 0 ℃
C
O
C
O
O
+ H
2
O
C O O H
C O O H
C
O
C
O
O
2 3 0 ℃
H
2
C
C H
2
C H
2
C O O H
C O O H
H
2
C
C H
2
C H
2
C
C
O
O
O
3 0 0
℃
顺 丁 烯 二 酸 酐 9 5 %
邻 苯 二 甲 酸 酐
~ 1 0 0 %
戊 二 酸 酐
+ H
2
O
+ H
2
O
3.酯的生成
羧酸与醇在酸性催化剂存在下反应生成酯 。
R C O O H + R 'O H R C O O R ' + H 2 OH
( 1)反应速率慢,需要强酸催化,且加热(浓硫酸,对甲苯磺酸,
固体酸等)。
( 2) 酯化反应是可逆反应,Kc≈4, 一般只有 2/3的转化率。
提高酯化率的方法,
a 增加反应物的浓度(一般是加过量的醇)
b 移走低沸点的酯或水
( 3) 酯化反应的活性次序,
酸相同时 CH3OH > RCH2OH > R2CHOH > R3COH
醇相同时 HCOOH > CH3COOH > RCH2COOH > R2CHCOOH >
R3CCOOH
大多数情况下反应是按⑴式进行的。
1°,2°醇为酰氧断裂历程,3°醇(叔醇)为烷氧断裂历程 。
R C O H
O
H O R '
H
H 2 OR C O
O
R ' ++
R C O H
O
H O R '
H
H 2 OR C O
O
R ' ++
酰 氧 断 裂
烷 氧 断 裂
( 4) 成酯方式
4.酰胺的生成
在羧酸中通入氨气或加入碳酸铵,可得到羧酸铵盐,铵
盐热解失水而生成酰胺。
C H 3 C O O H + N H 3 C H 3 C O O N H 4 C H 3 C O N H 2 + H 2 OΔ
碳正离子与羧酸生成(烊)盐,再脱去质子生成酯。
故三级醇的酯化是按烷氧键断裂方式进行。
R '— C — O H R 3 C +
O
+ R '— C — O — C R 3
O
+
H
R '— C — O — C R 3
O
+ H +
一级、二级醇酯化反应历程,
三级醇酯化时,在酸催化下叔醇容易产生碳正离子,
R 3 C O H + H + R 3 C + + H 2 O
O
H
R '
R '— O — C H — O H
H
O H
R ' O — C — O H 2
R
R 'O — C — R
H
+
R — C — O R '
+ R — C — O H
O H
+
+
O H
+
O H
+
-
O
R — C — O H H +
O
+ R — C — O H
O H+
三、羧酸的还原
羧酸很难被还原,因此在醛酮还原下羧基不受影响。
实验室常用强还原剂 LiAlH4将其还原为相应的伯醇(仅
限于实验室)。
+ L i A l H 4( C H 3 ) 3 C C O O H ( C H 3 ) 3 C C H 2 O H① 无 水 乙 醚② H
2 O
注意,LiAlH4 具有选择性,只还原- COOH,不还原
碳碳双键和三键。 H2/Ni,NaBH4等都不能使羧酸还原。
四、脱羧反应
一般羧酸难于脱羧。除甲酸外,乙酸的同系物直接
加热都不容易脱去羧基。在特殊条件下也可以发生脱羧
反应。无水醋酸钠和碱石灰混合后强热生成甲烷,是实
验室制取甲烷的方法。如,
C H 3 C O O N a + N a O H ( C a O ) C H 4 + N a C O 3
9 9 %
热 熔
其他直链羧酸盐与碱石灰热熔的产物复杂,无制备意义。
C H 3 C H 2 C O O N a + N a O H ( C a O ) C H 3 C H 2 C H 3 + C H 4 +
1 7 %
热 熔
2 0 %
烯 及 混 合 物
从羧酸或其盐脱去羧基 (失去二氧化碳 )的反应,称为脱
羧反应。
( 1)当一元羧酸的 α —碳原子上连有强吸电子基团时,受
热很容易发生脱羧反应。 如,-COOH,-CN,-NO2,-
Ar,C=O,–CX3 …
C C l 3 C O O H C H C l 3 + C O 21 0 0 ~ 1 5 0 ℃
C H
3
C C H
2
C O O H
O
C H
3
C C H
3
+ C O
2
O
C O O H
N O
2
N O
2
O
2
N
N O
2
N O
2
O
2
N
+ C O
2
C H 2
C O O H
C H 2
C H 2
C H 2
C H 2 C O O H
C O O H
C O O H - H 2 O
- H 2 O
O
O
O
O
O
O
C4,C5二元酸, 受热时脱水形成 环酐 。
⑵ 二元羧酸受热也易发生脱羧反应
C2,C3 二元酸,脱羧 生成少一个碳原子的羧酸
H O O C - C O O H
H O O C - C H 2 - C O O H
H C O O H + C O 2
C H 3 C O O H
2 0 0 ℃
1 5 0 ℃
+ C O 2
1.α -H的卤代反应
羧基和羰基一样,能使 α —H活化,但致活作用比羰基小。
羧酸的 α -H可在少量红磷、硫等催化剂存在下被溴或氯取代
生成卤代酸 。
R C H 2 C O O H R C H C O O H R - C - C O O HB r 2P Δ
B r B r
B rB r
2
P Δ
控制条件,反应可停留在一取代阶段。 α -卤代酸很
活泼,常用来制备 α -羟基酸和 α -氨基酸。
2.芳香酸上的环上取代反应
五、烃基上的反应
C O O H
N O 2
C O O H
+ H N O 3 浓 H 2 S O 4
8- 5 重要的羧酸
Important Carboxylic Acids
一、一元羧酸
1.甲酸(蚁酸)
( 1)甲酸酸性 >其它饱和一元酸
( 2)甲酸能被托伦试剂和费林试剂氧化,也易被高锰酸钾
氧化而使高锰酸钾褪色。利用这些性质定性鉴别甲酸。
( 3)甲酸与浓硫酸共热分解生成 CO和 H2O,这是实验室制
备少量 CO的方法之一。
2.乙酸
3.丙烯酸
二、二元羧酸
1.乙二酸(草酸)
( 1)制备
( 2)化学性质
①易脱羧,
②具有还原性,易被 KMnO4氧化。
5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4= K2SO4+2MnSO4+10CO2+8H2O
此反应用于标定 KMnO4的浓度。
③能与多种金属离子形成络合物。
在纺织、印染、服装工业中广泛用于除铁迹。
H C O O N a 4 0 0 ℃迅 速 加 热 C O O H稀 H 2 S O 4C O O N a
C O O N a C O O H
二 元 酸 中 酸 性 最 强 的 羧 酸
H O O C - C O O H H C O O H + C O 22 0 0 ℃
第二节 羧酸衍生物
Carboxylic Acids Derivatives
R - C - X
R - C
R - C
O
R - C - O - R ’R - C - N R
2 ’
O
O
OO
O
酰 卤
羧 酸 酐
酰 胺 酯
8- 6 羧酸衍生物的结构和命名
Structure and Nomenclature of Carboxylic Acids Derivatives
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。
R C O
R C
O
L
P π 共 轭 体 系
( 1 ) 与 酰 基 相 连 的 原 子 的 电 负 性 都 比 碳 大, 故 有 效 应I
( 2 )
( 3 )
L 和 碳 相 连 的 原 子 上 有 未 共 用 电 子 对, 故 具 有 + C
当 + C > I 时, 反 应 活 性 将 降 低
时, 反 应 活 性 将 增 大当 + C I<
一、羧酸衍生物的结构
二、羧酸衍生物的命名
酰卤和酰胺根据酰基称为, 某酰某, 。酰卤的命名将相
应的酰基名称放在前面,卤素的名称放在后面。即将相应的
,酸, 改成, 酰卤,
酰胺的命名:和酰卤相似。将相应的酰基后边加一, 胺,
字,既将相应的, 酸, 改为, 酰胺, 。
注意,酰胺分子中氮原子上的氢原子被烃基取代后生成
取代酰胺。命名为, N- 烃基某酰胺, 。
C
O
N ( C H 3 ) 2
N, N - 二 甲 基 苯 甲 酰 胺
C H 3 C
O
C l
C H 2 C H C
O
B r N H
O
戊 内 酰 胺丙 烯 酰 溴乙 酰 氯
酸酐的命名是在相应羧酸的名称之后加一, 酐, 字。
① 由二分子相同的一元羧酸脱水形成的酸酐称为单酐,
它们的命名,可在原来的羧酸名称之后加一, 酐, 字来称
呼,
,酸, 字也可以省略 。
C H 3 C
O
O C
O
C H 3
乙 酸 酐
例如,
② 由二分子不相同的一元羧酸脱水形成的酸酐称为混
酐。
它们的命名,可把简单的或低级的羧酸名称放在前面,
复杂的或高级的羧酸名称放在后面(即按甲、乙、丙 …
顺序,英文按字母顺序),再加一, 酐, 字来称呼。
C H 3 C
O
O C
O
C H 2 C H 3
乙 酸 丙 酸 酐
③ 环状酸酐:一分子的二元酸或多元以上的多元酸,
它们脱水后可生成环状酸酐。命名时,可在二元酸
的名称后加一, 酐, 字。
C
C
O
O
O
1,2 环 己 烯 二 甲 酸 酐
酯的命名是根据形成它的酸和醇称为某酸某酯。
把酸的名称放在前面,烃基的名称放在后面,在加一
,酯, 字。
例如,
C H 3 C
O
O C H 2 C H = C H 2 C H 3 O O
O
H C H 2 C H C
O
O C H 3
乙 酸 烯 丙 酯 甲 酸 甲 酯 丙 烯 酸 甲 酯
C H C O O C 2 H 5
C H 2 C O O C 2 H 5
C H 3 C
O
O C
O
O C H 2
甲 基 丁 二 酸 二 乙 酯 环 戊 基 甲 酸 环 己 酯 苯 甲 酸 苄 酯
8- 7 羧酸衍生物的物理性质
Physical Properties of Carboxylic Acids Derivatives
一、酰卤
最简单而又稳定存在的酰氯是乙酰氯,是无色有刺激性气味的液体,高
级酰氯是固体。低级酰卤遇水激烈水解。乙酰氯遇空气中的水气即能水解。
二、酸酐
酸酐中最简单的是乙酐。低级酸酐是有刺激味的液体,高级酸酐是固
体。酸酐遇水也分解,但比酰卤缓慢。
三、酯
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。
酰胺有分子间氢键缔合作用,故除甲酰胺外,其他酰
胺均为固体氮上氢被取代后,沸点和熔点显著降低。
四、酰胺
水溶性, 低级酰胺溶于水。 N,N-二甲基甲酰胺和
N,N-二甲基乙酰胺可与水混溶,是很好的非质子极性溶
剂。
C H 3 C O N H 2 C H 3 C O N H C H 3 C H 3 C O N ( C H 3 ) 2
m, p, 2 2 1 ℃ 2 0 4 ℃ 1 6 5 ℃
8 2 ℃b, p, 2 8 ℃ - 2 0 ℃
8-8 羧酸衍生物的化学性质
Chemistry of Carboxylic Acids Derivatives
一、酰卤
酰卤中酰氯使用最广泛。甲酰氯( HCOCl) 不存在,分解
为 CO和 HCl。 酰氯的化学性质很活泼,它能与水、醇和氨反
应,分别生成羧酸、酯和酰胺,这些反应分别称为水解、醇
解和氨解。
1.水解:与水猛烈反应生成羧酸,并放热。
R - C - X
O
+ H 2 O R - C - O H
O
+ H C l
2.醇解:生成酯
R - C - X
O
+ R ' O H R - C - O R '
O
+ H C l
在有机合成上,该反应用于制备羧酸酯。
3.氨解:生成酰胺或取代酰胺
R - C - X
O
+ R ' N H 2 R - C - N H R '
O
+ H C l
R - C - X
O
+ N H 3 R - C - N H
2
O
+ H C l
这种方法称为罗森孟德( Rosenmund)还原法。这是
由羧酸通过酰氯制备醛的好方法。
4.还原:在一定条件下,酰氯可还原成醛。
R - C - X
O
+ H 2 R - C - H
O
+ H C lP d - B a S O 4喹 啉 - 硫
R C
O
C l
L i A l H 4 R C H
2 O H或 H
2 / N i
C - C l C - H
O O
+ H 2 P d - B a S O 4
喹 啉 - 硫
5.与 RMgX反应
酰卤可以与格氏试剂作用得到酮,但是酮很容易与格
氏试剂反应得叔醇。因此,如果用一当量的格氏试剂与酰
氯反应产物为酮与叔醇的混合物,因此酮的产率很低,如
果用两摩尔以上的格氏试剂则主要产物为叔醇。
R C
O
X
+ R ' M g X R C
R '
O M g X
X R C
O
R '
R ' M g X
R C
R '
R '
O M g X
H 2 O
R C
R '
R '
O H
酮
叔 醇
无 水 乙 醚
二、羧酸酐
化学性质与酰氯相似。但化学活性不如酰氯。
1.水解:加热下易反应
O
R - C — O — C — R '
O
+ H 2 O R - C - O H
O
R '- C - O H
O
+
2.醇解,
O
R - C — O — C — R
O
+ R ' O H R - C - O R '
O
R '- C - O H
O
+
酸酐的醇解在有机合成中很重要。如邻苯二甲酸
酐和丁醇在浓硫酸催化下可得到邻苯二甲酸二丁酯。
C
C
O
O
O C 4 H 9 O H2
C
C
O
O
O C 4 H 9
O C 4 H 9 H 2 O+ +
3.氨解
O
R - C — O — C — R
O
+ N H 3 R - C
O
R - C - O N H 4
O
+2 - N H 2
O
R - C — O — C — R
O
+ R ' N H 2 R - C
O
R - C - O N H 3 R '
O
+2 - N H R '
有的酸酐氨解可得到酰亚胺类化合物。例如,
C
C
O
O
O N H 3 H
2 O+
C
C
O
O
N H +
邻 苯 二 甲 酰 亚 胺
三、酰胺
1.酸碱性
通常情况下,酰胺对 pH试纸呈中性,只有在强酸作用下,
才显弱碱性,生成不稳定的强酸弱碱盐,遇水即水解为酰胺。
R - C - N H 2
O
+ H C l R - C - N H 2
O H
C l -
干 醚
+
此外,酰胺也能溶于浓硫酸中。若干乙醚中用 NaNH2
处理酰胺,酰胺生成钠盐。
R - C - N H 2
O
+ N a N H 2 R - C - N H
O
N a +
干 醚
-
在此反应中,酰胺是酸。
酰胺的这种特性是由于氮原子上未共用电子对与 C= O双键
共轭,使氮原子上的电子云密度降低,减弱它接受质子的能
力,故碱性小余 NH3。 同时,N- H键上的电子云向氮原子偏移,
因此,酰胺表现出一定的弱酸性。
2.水解:需酸或碱催化剂存在并流长时间回流
H 2 O R - C -
O
++R - C - N H 2
O
N H 3O H
-
O -
H 2 O R - C - O H
O
++R - C - N H 2
O H +
N H 4 +
3.脱水反应
酰胺与脱水剂( P2O5或 SOCl2) 共热,脱水生成腈。这
是实验室合成腈的一种方法。
R - C N +R - C - N H 2
O
H 2 O
P 2 O 5
R - C N +R - C - N H 2
O
S O C l 2
S O 2 + H C l
4.霍夫曼降解( Hoffmann)反应
酰胺与溴或氯在碱溶液中作用,脱去羰基生成伯胺的
反应,这是霍夫曼发现的一种制伯胺的方法。生成的伯胺
比原来的酰胺少一个碳原子。故这类反应称为霍夫曼降解
反应。
N a O B r ++R - C - N H 2
O
N a 2 C O 3N a O H R N H 2 N a B r H 2 O+ +
用途:该反应可由酰胺制备少一个碳原子的伯胺,产率较
高,产品较纯。
例如,
C H 3 ( C H 2 ) 4 C O N H 2 C H 3 ( C H 2 ) 4 N H 2
8 8 %
B r 2 - N a O H
四、羧酸酯
1.水解:酯的水解是酸酯化反应的逆反应。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。
比较四类羧酸衍生物水解情况,可知亲核取代反应活
性顺序:酰氯 >羧酸酐 >羧酸酯 >酰胺
2.醇解(酯交换反应),
R C
O
O R ' + H 2 O
N a O H
H
R C
O
O H
R C
O
O N a
+ R ' O H
+ R ' O H
酯 化 的 逆 反 应
皂 化 反 应
R ' ' O H R - C - O R ''
O
++R - C - O R '
O H +
R ' O H
酯的醇解比较困难,要在酸或碱催化下加热进行。在有机合成中,可
用低级醇的酯通过酯交换反应,使低级醇蒸出来,生成不易挥发醇的酯。
生产涤纶单体工艺中就应用了酯交换反应。
3.氨解:生成酰胺和醇
N H 3
O
++
O
C H 3 C H 2 O HC H 3 C N H 2C H 3 C O C H 2 C H 3
酯氨解不需加入酸碱催化剂,因氨本身就是碱,这是与水解,醇解不同之处。
4.还原
酯较易还原,在有机合成上常将羧酸通过酯还原为醇。
( 1)催化加氢
R ' O H++R C O O R ' 2 H 2 C u O - C r 2 O 3 R C H 2 O H
R - C - O R '
O L i A l H
4 R ' O H+R C H 2 O H
( 2) LiAlH4作还原试剂
R - C - O R '
O N a + C
2 H 5 O H R ' O H+R C H 2 O H
Na+ C2H5OH和 LiAlH4都不能还原碳碳双键。
( 3) Na+ 醇作还原试剂
常用的还原剂是金属钠与无水乙醇。
5.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,故产物是醇。
甲酸酯得仲醇,其它酯得叔醇。
H C
O
O C 2 H 5
R ' M g X
H C
O M g X
O C 2 H 5
R '
H
C
R '
O
R ' M g X
H C O H
R '
R '
H C O M g X
R '
R '
H 2 O
H
+
仲 醇
R C
O
O C 2 H 5
R ' M g X
R C
O M g X
O C 2 H 5
R '
R
C
R '
O
R ' M g X
R C O H
R '
R '
H 2 O
H
+
R C O M g X
R '
R '
叔 醇
具有位阻的酯可以停留在酮的阶段。例如,
( C H 3 ) 3 C C O O C H 3 + C 3 H 7 M g C l ( C H 3 ) 3 C C C H 3
O
内酯则得二醇,
OC 5 H 1 1 C 5 H 1 1
C H 3
O H H 3 CO
+ C H 3 M g B r O H
在产物分子中含有两个等同的烃基(为格氏试剂酚酯中相
应的烃基)。
例如,
H 3 C C
O
O C 2 H 5 + 2
M g B r
② H 2 O
C
C H 3
O H① 无 水 乙 醚
8- 9 重要的羧酸衍生物
Important Carboxylic Acids Derivatives
8- 10 乙酰乙酸乙酯在有机合成上的应用
Acetoacetic Ester’s Utility in Synthesis
一,β- 二羰基化合物
凡含有彼此处于 β 位的两个羰基的化合物称为 β - 二羰
基化合物。
R C C H 2 C R
O O
R C C H 2 C O R '
O O
R O C C H 2 C O R
O O
β - 二 酮 β - 酮 酸 酯 β - 丙 二 酸 酯
一、乙酰乙酸乙酯的性质
1.互变异构现象
实验事实,
① 乙酰乙酸乙酯与羰基试剂 ( 苯胺, 羟氨等 ) 反应, 说
明含有羰基 。
② 可与金属钠反应放出氢气, 生成钠盐, 说明分子中含
有活性氢 。
③ 可使溴的四氯化碳溶液褪色, 说明分子中含有不饱和
键
④与三氯化铁呈紫色反应,说明分子中具有烯醇式结构
( - C= C- OH)
C H
3
- C - C H
2
- C - O C
2
H
5
O O
N a
H
2
B r
2
/ C C l
4
F e C l
3
N a H S O
3
N H
2
O H
硝 基 苯 肼2,4 - =
黄
白 ( )
( )
白 ( ) 有 活 性 氢
溴 褪 色 ( 具 双 键 )
蓝 紫 色 ( 具 烯 醇 结 构 )
C H
3
- C - C H
2
- C - O C
2
H
5
O O
C H
3
- C = C H - C - O C
2
H
5
O H O
酮 式 烯 醇 式
室 温
( 9 3 % ) ( 7 % )
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。
C H 3 - C - C H 2 - C - O C 2 H 5
O O
C H 3 - C = C H - C - O C 2 H 5
O H O
ππ πPπP 体 系
C H 3 - C = C H - C - O C 2 H 5
O H
C H 3 C
C H
C O C 2 H 5
OO
HO
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.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 。
C H 3 - C - C H 2 - C - O C 2 H 5
O O C
2 H 5 O N a
C 2 H 5 O H C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
N a
( 2)钠盐的烷基化和酰基化
注意,
① R最好用 1°,2°,由于产量低,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。
③ RX也可是卤代酸酯和卤代酮。
酰基化,
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
N a R C O X- N a X C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
C O R
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。
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
N a R X- N a X C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
R
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
R
C 2 H 5 O N a C H
3 C C C O C 2 H 5
O O
R
N a R ' X- N a X C H 3 C C C O C 2 H 5
O O
R
R '
烷基化,
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,
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
R
稀 N a O H
C H 3 C C H 3
O
C 2 H 5 O H + C O 2
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
C O R
稀 O H
C H 3 C C H 2 R
O
C 2 H 5 O H + C O 2
稀 O H
C H 3 C C H 2
O
C
O
R C
2 H 5 O H + C O 2
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,
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
R
N a O H
C H 3 C O O H
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
C O R
O H
O H
2
C H 3 C O O H + R C H 2 C O O H + C 2 H 5 O H
C H 3 C O O H + R C O C H 2 C O O H + C 2 H 5 O H
+ C 2 H 5 O H
浓
浓
浓
1.Claisen缩合
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,
C H 3 C O C 2 H 5
O
C H 3 C O C 2 H 5
O
+ C 2 H 5 O N a C H 3 - C - C H 2 - C - O C 2 H 5 + C 2 H 5 O H
O O
乙 酰 乙 酸 乙 酯
C H 3 C H 2 C - O C 2 H 5 C H 3 C H 2 C - C H - C O O C 2 H 5 C 2 H 5 O H
O O O
C H 3
2 C 2 H 5 O N a +
二、乙酰乙酸乙酯的制法
历程,
C 2 H 5 O - + C 2 H 5 O H C H 2 C O C 2 H 5-
O
C H 3 C O C 2 H 5
O
+
p K a = 2 4 p K a = 1 5, 9
( 1 )
C H 3 C O C 2 H 5
O
C H 2 C O C 2 H 5-
O
+ C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O C 2 H 5
OO -
( 2 )
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O C 2 H 5
OO -
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
+ C 2 H 5 O -( 3 ) C H
3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
+ C 2 H 5 O
-
C H 3 C = C H C O C 2 H 5
O
C 2 H 5 O H+
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
O -
H A c
( 4 )
乙酸乙酯的酸性很弱( Pka= 24),而乙醇钠又是一个
比较弱的碱(乙醇 Pka= 15.9)。 因此,可以想到乙酸乙
酯形成的负离子在平衡体系中是很少的。这也就是说,用乙
氧负离子把乙酸乙酯变为 -CH2COOC2H5是很困难的。但是
在实际上为什么这个反应会进行的如此完全呢?其原因就是
最后产物乙酰乙酸乙酯是一个比较强的酸( Pka= 11),形
成很稳定的负离子,可以使平衡朝产物方向移动。体系中乙
酸乙酯负离子浓度虽然很低,但一形成后,就不断的反应,结
果使反应完成。
当酯的 α - 碳上只有一个氢时,由于增加了烃基的诱导
效应,酸性减弱了,进行酯缩合反应时,需要使用比醇钠更强
的碱 (如 ph3CNa,NaH),夺取酯的 α - 氢,形成较稳定的 α 负
碳离子,才能迫使反应朝右方进行。
2.乙烯酮二聚体与乙醇加成
C H 2 = C — — O
C H 2 — C = O
C 2 H 5 O H+ C H 2 = C — C H 2 — C — O C 2 H 5
OO H
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
三、乙酰乙酸乙酯在有机合成上的应用
由于乙酰乙酸乙酯的亚甲基很活泼,可以被其他基团取
代,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。
由于以上特点,它成为有机合成的重要试剂。
例 1:合成
C H 3 C C H 2 C H 2
O
C H 2经 结 构 分 析, 需 引 入
原 引
例 2:合成
C H 3 C C H C H 2 C H = C H 2
O
C H 3 引
原
要 分 两 次 引 入, 先 引 入
再 引 入
C H 3
C H 2 C H = C H 2
C H 3 C C H 2
O
C
O
C C H 3
O
引
引原 原
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。
8- 11 丙二酸二乙酯在有机合成上的应用
一、制法
C H 3 C O O H C H 2 C O O H
C l
N a C N
N a O H C H 2 C O O N aC N
C 2 H 5 O H
H 2 S O 4 C H 2
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
P C l 5
二、性质
1.酸性和烃基化
C H
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
N a
R X
- N a X
C H
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
R
C H
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
R
N a O C 2 H 5
C
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
R N a
R X
- N a X
C
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
R
R '
2 C H 2 ( C O O C 2 H 5 ) 2
X ( C H 2 ) n X
N a O C 2 H 5
( C H 2 ) n
C H ( C O O C 2 H 5 ) 2
C H ( C O O C 2 H 5 ) 2
N a O C 2 H 5
C H 2 I 2
( C H 2 ) n
C ( C O O C 2 H 5 ) 2
C ( C O O C 2 H 5 ) 2
C H 2
n = 3 ~ 7
N a O C 2 H 5C H
2 ( C O O C 2 H 5 ) 2
( 1 )
( 2 )
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5B r ( C H 2 ) 4 B r
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
C H 2 N a O C 2 H 5 N a
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
C H p K a = 1 3
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,
R C H
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
N a O H
H 2 O
R C H
C O O N a
C O O N a
( 1 ) H
( 2 ) C O
2
R C H 2 C O O H
R
C
R '
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
N a O H
H 2 O
( 1 ) H
( 2 ) C O
2
R C H C O O H
R '
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
N a O H
H 2 O
( 1 ) H
( 2 ) C O
2
C O O H
三、丙二酸二乙酯在有机合成的应用
其与乙酰乙酸乙酯类似,亚甲基上的氢可被醇钠所
取代,本身水解后生成丙二酸不稳定,易于脱羧,这两
条件使丙二酸二乙酯在合成各种类型的羧酸中有广泛的
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)。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。
Carboxylic Acids and Their Derivatives
重点,
1,羧酸的命名, 羧酸的化学性质
2,羧酸衍生物的结构和命名, 羧酸衍生物的化学性质
难点,
羧酸的酸性强弱比较, 羧酸衍生物的化学性质
第一节 羧酸
Carboxylic Acids
一、分类
1.按烃基不同分为:脂肪族羧酸、脂环族羧酸和芳香族羧酸
2.按烃基是否饱和分为饱和羧酸和不饱和羧酸
3.按分子中羧基数目分为一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸等。
8- 1 羧酸的分类和命名
Classification and Nomenclature of Carboxylic Acids
分子中含有官能团( —COOH) 的化合物称为羧酸。
它的通式为,RCOOH和 ArCOOH。
1.习惯命名法(俗名)
根据其来源命名:如蚁酸、醋酸、安息香酸等。
甲酸最初是由蚂蚁蒸馏得到的,称为蚁酸。乙酸最初是从
食用的醋中得到,称为醋酸。还有草酸、琥珀酸、苹果酸、柠
檬酸。系统命名与俗名的联系,如苯甲酸俗名为安息香酸、丁
二酸的俗名为琥珀酸等。
用希腊字母表示取代基位次的方法。含十个碳以上的直链
酸命名时要加一个碳字。
二、命名
HCOOH CH3COOH CH3(CH2)10COOH HOOCCH2COOH
蚁酸(甲酸) 醋酸(乙酸)月桂酸(十二烷酸) 胡萝卜酸(丙二酸)
H O O C C H 2 C C H 2 C O O H
O H
C O O H
C O O H
H O
O H
O H
O H
C O O H
柠 檬 酸 水 杨 酸 没 食 子 酸
(1)脂肪族羧酸:与醛相似。选含羧基在内的最长碳链为主
链,从羧基碳原子开始编号,根据主链上碳原子的数目称为, 某
酸,,以此作为母体,然后在母体名称前面加上取代基的名称和
位臵。
羧酸也常用希腊字母来标名位次,即与羧基直接相连的碳原
子为 α, 其余位次为 β, γ …, 距羧基最远的为 ω 位。
编号,从羧基邻位碳原子开始,依次为 α,β,γ,δ,ε … ω 。
2.系统命名法
C H 3 C H 2 C H C H 2 C H 2 C O O H
C H 3
C l C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C O O H C H 3 C H C O O H
O H
4 - 甲 基 己 酸
( - 甲 基 己 酸 )?
5 - 氯 戊 酸
( - 氯 戊 酸 )?
2 - 羟 基 丙 酸 ( - 羟 基 丙 酸 )
( 乳 酸 )
?
( 2)不饱和羧酸
含羧基和不饱和键的最长碳链作为主链,根据主链
上碳原子数目称为, 某烯酸, 。编号从羧基开始。
例如,
B r C H 2 C H = C C H 2 C H 2 C O O H
C 2 H 5
4 - 乙 基 - 6 - 溴 - 4 - 己 烯 酸
C H 3 C = C H C O O H
C H 3
3 - 甲 基 - 2 - 丁 烯 酸
( 3)芳香酸
②羧基连在侧链上,以脂肪酸为母体,芳基作为取代基命
名 。
3-苯基丙烯酸
C H C H C O O H
C H 2 C H 2 C O O H
3-苯基丙酸
①羧基连在苯环上,以芳香酸为母体,环上其它基团作
为取代基命名。
C O O H
C H 3
对 甲 基 苯 甲 酸
( 4)二元酸命名
选择含有两个羧基的最长碳链为主链,称为某二酸。
H O O C C H 2 C O O H H O O C C H 2 C H 2 C O O H
C O O H
C O O H
丙 二 酸 丁 二 酸
邻 苯 二 甲 酸
8- 2 羧酸的制法
Synthesis of Carboxylic Acids
1.高级脂肪烃氧化
一、氧化法
R C H 2 C H 2 R ' O 2, M n O 2 R C O O H + R 'C O O H
产物为高级脂肪酸混合物,其中 C12- C18的羧酸,工业
上用于制肥皂。
2.烯烃、炔烃氧化 R C H = C H R ' R C O O H + R 'C O O H
K M n O 4
H +
R C O O H + R 'C O O H
K M n O 4
H +
R C C R '
C H 2 = C H C H 3 O 2, 磷 鉬 酸 铋 C H
2 = C H C O O H
4.伯醇或醛的氧化
氧化剂,K2Cr2O7/H2SO4,CrO3/冰 CH3COOH,KMnO4,
HNO3等。
3.芳烃氧化 ——侧链 α -H的氧化
R C O O HK M n O 4H +
R≠叔丁基
R C H 2 O H
R C H O
R C H = C H C H O R C H = C H C O O H
托 伦 试 剂
K M n O 4
H
+
R C O O H
K M n O 4
H
+ R C O O H
5.甲基酮氧化(碘仿反应) ———用于制备少一个碳
原子的羧酸
R C C H 3
I 2, N a O H
或 N a O I
C H I 3
O
+ R C O O H
二、水解法
1.腈的水解(制备比原料多一个碳的羧酸)
脂肪族腈常从卤代烃制得,故此法也可制备比原
卤代烃多一个碳原子的腈。
( A r ) R C N ( A r ) R C O O HH +,H 2 O
注意,此法只适用于由 1° RX( 2°,3° RX 与 NaCN作用
易发生消除反应)。
2.羧酸衍生物的水解。
油脂和羧酸衍生物得羧酸,及副产物甘油和醇。
3.通过丙二酸二乙酯合成各种羧酸。
C H 3 C H 2 C l
N a C N
C H 3 C H 2 C N C H 3 C H 2 C O O H
C H 2 B r C H 2 C N C H 2 C O O H
H +,H 2 O
N a C N H +,H 2 O
例如,
三、羧化法
1.格氏试剂与 CO2合成法
格氏试剂与二氧化碳加合后,酸化水解得羧酸。
1°,2°,3° RX都可使用。
用途,
①此法用于制备比原料多一个碳的羧酸,但乙烯式卤代烃难反应。
②是制备三甲基乙酸的好方法。
2.烯烃羰基化法
烯烃在 Ni(CO)4催化剂的存在下吸收 CO和 H2O而生成羧酸。
R C H = C H 2 + C O + H 2 O N i ( C O ) 4 R C H C H 2C
O
H 2 O R C H C O O H
C H 3
( A r ) R — M g X + ( A r ) R — C — O M g X ( A r ) R — C — O H干 醚 H
+,H
2 OO
OC
O O
X = C l, B r, I
例如,( C H 3 ) 3 C — M g B r H
3 O +
( C H 3 ) 3 C — C O O H① C O 2②
8- 3 羧酸的物理性质
Physical Properties of Carboxylic Acids
C1- C3 有刺激性酸味的液体,溶于水。
C4- C9 有酸腐臭味的油状液体(丁酸为脚臭味),难溶于
水。
> C9 蜡状固体,无气味。
一、物态
二、熔点
有一定规律,随着分子中碳原子数目的增加呈锯齿状的变化。
含偶数碳原子的直链饱和一元酸的熔点比邻近两个奇数碳原子酸熔
点高。主要原因是含偶数碳原子的酸对称性强。晶格排列紧密,它
们之间具有较大的吸引力,故熔点高。乙酸熔点 16.6℃,当室温低
于此温度时,立即凝成冰状结晶,故纯乙酸又称为冰醋酸。
四、水溶性
由于羧酸能与水形成氢键,甲酸至丁酸与水互溶。
R C
O
O H
H O H
O H
H
R C
O
O H
H O
C
O
R
比相对分子质量相同的醇沸点高。因为羧酸分子之
间 形成两个氢键,缔合成稳定的二聚体。
三、沸点
8- 4 羧酸的化学性质
Chemistry of Carboxylic Acids
羧酸是由羟基和羰基组成的,羧基是羧酸的官能团,因此
要讨论羧酸的性质,必须先剖析羧基的结构。羧基的结构为一
P-π 共轭体系。
由于共轭作用,使得羧基不是羰基和羟基的简单加合,所
以羧基中既不存在典型的羰基,也不存在着典型的羟基,而是
两者互相影响的统一体。 p—π 共轭使羰基碳正性减弱,如与
羰基试剂 HONH2不发生反应。 -OH的酸性比醇的 -OH酸性强。
R C
O - H
O
R C
O
O
Hs p 2
杂 化共 轭 体 系p - π
原因,⑴ p—π 共轭使羟基氧上的电子云密度降低, 使羟
基之间的电子更靠近氧原子, O-H键减弱, H+易离去 。 ⑵ -
COOH中的 H+离去后, ( - CO2-) P—π 共轭更完全, 键长平
均化 ( 甲酸钠的 X射线测定表明, 碳氧键长均等 ) 使体系更稳
定, 因此, 羧酸的 H+更易离去, 生成更稳定的羧酸负离子 。
此外,- COOH对烃基的影响,使 α - H活化; - COOH直接
与苯环相连时,使苯环钝化。
羧酸的性质可从结构上预测,有以下几类,
R C C
O
OH
H
H
羟 基 被 取 代 的 反 应的 反 应
脱 羧 反 应
α H
羟 基 断 裂 呈 酸 性
R C OO H R C OO R C O
O
一、酸性
1.成盐
羧酸具有弱酸性,在水溶液中存在着如下平衡,
乙酸的离解常数 Ka为 1.75× 10-5 ;甲酸的 Ka=2.1× 10-4,
pKa =3.75; 其他一元酸的 Ka在 1.1- 1.8× 10-5之间,pKa在
4.7- 5之间。可见羧酸的酸性小于无机酸而大于碳酸
( H2CO3 pKa1=6.73) 。
酸性比较:无机强酸 >甲酸 >其它羧酸 > 碳酸 > 酚 > 醇
pKa, 3.76 3.5- 5 6.3 10 16- 19
R C O O H R C O O + H +使蓝色石蕊试纸变红
故羧酸能与碱作用成盐,也可分解碳酸盐。此性质可
用于醇、酚、酸的鉴别和分离。不溶于水的羧酸既溶于
NaOH也溶于 NaHCO3,不溶于水的酚能溶于 NaOH不溶于 NaHCO3,
不溶于水的醇既不溶于 NaOH也溶于 NaHCO3。
R C O O H N a O H ++ R C O O N a H 2 O
N a H C O 3R C O O H + R C O O N a + C O 2 + H 2 O
H C l N a C lR C O O N a + R C O O H +
2.取代羧酸分子中的电子效应和空间位臵对酸性的影响
( 1) 电子效应对酸性的影响
诱导效应
① 吸电子诱导效应使酸性增强 。
FCH2COOH > ClCH2COOH > BrCH2COOH > ICH2COOH > CH3COOH
pKa值 2.66 2.86 2.89 3.16 4.76
② 供电子诱导效应使酸性减弱 。
CH3COOH > CH3CH2COOH > (CH3)3CCOOH
pKa值 4.76 4.87 5.05
③ 吸电子基增多酸性增强 。
ClCH2COOH > Cl2CHCOOH > Cl3CCOOH
pKa值 2.86 1.29 0.65
④ 取代基的位置距羧基越远, 酸性越小 。
CH3CH2ClCHCOOH> CH3ClCHCH2COOH>ClCH2CH2CH2COOH
pKa值 2.86 4.0 4.52
当能与基团共轭时,则酸性增强, 例如,
CH3COOH Ph-COOH
pKa值 4.76 4.20
(2).取代基位臵对苯甲酸酸性的影响
对于苯甲酸的酸性,它同时有共轭效应与诱导效应的影响,但以苯
环的吸电子诱导效应为主,故其酸性比一般脂肪酸稍强。 pKa为 4.19。
取代苯甲酸的酸性与取代基的位臵有关,情况比较复杂。
但大致可归纳如下,
a 邻位取代基(氨基除外)都使苯甲酸的酸性增强(位阻作用破坏了羧基与
苯环的共轭)。
b 间位取代基使其酸性增强。
c 对位上是第一类定位基时,酸性减弱;是第二类定位基时,酸性增强。
共轭效应
二、羧基上的羟基(- OH) 被取代的反应 —
—羧酸衍生物的生成
由于 p—π 共轭的作用, 羰基上电子云密度升高, 因
此羰基与亲核试剂的反应活性降低 。 不能再与 HCN及含氮
的亲核试剂进行加成反应, 故羧酸与醛酮的性质不同 。 但
可发生如下的反应 。
R C O O H
R C O O R '
R C O X
R C O N H 2
R C O O C O R
酯
酰 卤
酰 胺
酸 酐
1.酰卤的生成
羧酸与 PX3,PX5,SOCl2作用则生成酰卤。
三种方法中,方法 3的产物纯、易分离,因而产率高。
是一种合成酰卤的好方法。
适用于制备低沸点的酰
氯(如乙酰氯)
适用于制备高沸点的酰
氯(如苯甲酰氯)
SOCl2是常见的酰基化
试剂。
R C O O H R C O C l
R C O C l
R C O C l
P C l 3
P ( O H )3
P O C l3 H C l
H C lS O 2
P C l 5
S O C l 2
+
+ +
+ +
2.羧酸酐的生成
( 1)羧酸在脱水剂(如 P2O5 )作用下加热,脱水生成
酸酐。
2 C O O H + ( C H 3 C O ) 2 O C O ( ) 2 O + C H 3 C O O H
乙 酐 ( 脱 水 剂 )
( 2)常用乙酸酐 [(CH3CO)2O]作催化剂,价格低廉,反应迅
速,生成的乙酸又易除去。因此,常用乙酐作为制备酸酐
的脱水剂。
R — C — O H + R — C — O — C — R + H 2 OP 2 O 5
O O O
R — C — O H
O
( 3)两个羧基相隔 2- 3个碳原子的二元羧酸,不需任何
脱水剂,加热就可脱水生成五元或六元环酐。
例如,
C
C
O
O H
O
O H
1 5 0 ℃
C
O
C
O
O
+ H
2
O
C O O H
C O O H
C
O
C
O
O
2 3 0 ℃
H
2
C
C H
2
C H
2
C O O H
C O O H
H
2
C
C H
2
C H
2
C
C
O
O
O
3 0 0
℃
顺 丁 烯 二 酸 酐 9 5 %
邻 苯 二 甲 酸 酐
~ 1 0 0 %
戊 二 酸 酐
+ H
2
O
+ H
2
O
3.酯的生成
羧酸与醇在酸性催化剂存在下反应生成酯 。
R C O O H + R 'O H R C O O R ' + H 2 OH
( 1)反应速率慢,需要强酸催化,且加热(浓硫酸,对甲苯磺酸,
固体酸等)。
( 2) 酯化反应是可逆反应,Kc≈4, 一般只有 2/3的转化率。
提高酯化率的方法,
a 增加反应物的浓度(一般是加过量的醇)
b 移走低沸点的酯或水
( 3) 酯化反应的活性次序,
酸相同时 CH3OH > RCH2OH > R2CHOH > R3COH
醇相同时 HCOOH > CH3COOH > RCH2COOH > R2CHCOOH >
R3CCOOH
大多数情况下反应是按⑴式进行的。
1°,2°醇为酰氧断裂历程,3°醇(叔醇)为烷氧断裂历程 。
R C O H
O
H O R '
H
H 2 OR C O
O
R ' ++
R C O H
O
H O R '
H
H 2 OR C O
O
R ' ++
酰 氧 断 裂
烷 氧 断 裂
( 4) 成酯方式
4.酰胺的生成
在羧酸中通入氨气或加入碳酸铵,可得到羧酸铵盐,铵
盐热解失水而生成酰胺。
C H 3 C O O H + N H 3 C H 3 C O O N H 4 C H 3 C O N H 2 + H 2 OΔ
碳正离子与羧酸生成(烊)盐,再脱去质子生成酯。
故三级醇的酯化是按烷氧键断裂方式进行。
R '— C — O H R 3 C +
O
+ R '— C — O — C R 3
O
+
H
R '— C — O — C R 3
O
+ H +
一级、二级醇酯化反应历程,
三级醇酯化时,在酸催化下叔醇容易产生碳正离子,
R 3 C O H + H + R 3 C + + H 2 O
O
H
R '
R '— O — C H — O H
H
O H
R ' O — C — O H 2
R
R 'O — C — R
H
+
R — C — O R '
+ R — C — O H
O H
+
+
O H
+
O H
+
-
O
R — C — O H H +
O
+ R — C — O H
O H+
三、羧酸的还原
羧酸很难被还原,因此在醛酮还原下羧基不受影响。
实验室常用强还原剂 LiAlH4将其还原为相应的伯醇(仅
限于实验室)。
+ L i A l H 4( C H 3 ) 3 C C O O H ( C H 3 ) 3 C C H 2 O H① 无 水 乙 醚② H
2 O
注意,LiAlH4 具有选择性,只还原- COOH,不还原
碳碳双键和三键。 H2/Ni,NaBH4等都不能使羧酸还原。
四、脱羧反应
一般羧酸难于脱羧。除甲酸外,乙酸的同系物直接
加热都不容易脱去羧基。在特殊条件下也可以发生脱羧
反应。无水醋酸钠和碱石灰混合后强热生成甲烷,是实
验室制取甲烷的方法。如,
C H 3 C O O N a + N a O H ( C a O ) C H 4 + N a C O 3
9 9 %
热 熔
其他直链羧酸盐与碱石灰热熔的产物复杂,无制备意义。
C H 3 C H 2 C O O N a + N a O H ( C a O ) C H 3 C H 2 C H 3 + C H 4 +
1 7 %
热 熔
2 0 %
烯 及 混 合 物
从羧酸或其盐脱去羧基 (失去二氧化碳 )的反应,称为脱
羧反应。
( 1)当一元羧酸的 α —碳原子上连有强吸电子基团时,受
热很容易发生脱羧反应。 如,-COOH,-CN,-NO2,-
Ar,C=O,–CX3 …
C C l 3 C O O H C H C l 3 + C O 21 0 0 ~ 1 5 0 ℃
C H
3
C C H
2
C O O H
O
C H
3
C C H
3
+ C O
2
O
C O O H
N O
2
N O
2
O
2
N
N O
2
N O
2
O
2
N
+ C O
2
C H 2
C O O H
C H 2
C H 2
C H 2
C H 2 C O O H
C O O H
C O O H - H 2 O
- H 2 O
O
O
O
O
O
O
C4,C5二元酸, 受热时脱水形成 环酐 。
⑵ 二元羧酸受热也易发生脱羧反应
C2,C3 二元酸,脱羧 生成少一个碳原子的羧酸
H O O C - C O O H
H O O C - C H 2 - C O O H
H C O O H + C O 2
C H 3 C O O H
2 0 0 ℃
1 5 0 ℃
+ C O 2
1.α -H的卤代反应
羧基和羰基一样,能使 α —H活化,但致活作用比羰基小。
羧酸的 α -H可在少量红磷、硫等催化剂存在下被溴或氯取代
生成卤代酸 。
R C H 2 C O O H R C H C O O H R - C - C O O HB r 2P Δ
B r B r
B rB r
2
P Δ
控制条件,反应可停留在一取代阶段。 α -卤代酸很
活泼,常用来制备 α -羟基酸和 α -氨基酸。
2.芳香酸上的环上取代反应
五、烃基上的反应
C O O H
N O 2
C O O H
+ H N O 3 浓 H 2 S O 4
8- 5 重要的羧酸
Important Carboxylic Acids
一、一元羧酸
1.甲酸(蚁酸)
( 1)甲酸酸性 >其它饱和一元酸
( 2)甲酸能被托伦试剂和费林试剂氧化,也易被高锰酸钾
氧化而使高锰酸钾褪色。利用这些性质定性鉴别甲酸。
( 3)甲酸与浓硫酸共热分解生成 CO和 H2O,这是实验室制
备少量 CO的方法之一。
2.乙酸
3.丙烯酸
二、二元羧酸
1.乙二酸(草酸)
( 1)制备
( 2)化学性质
①易脱羧,
②具有还原性,易被 KMnO4氧化。
5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4= K2SO4+2MnSO4+10CO2+8H2O
此反应用于标定 KMnO4的浓度。
③能与多种金属离子形成络合物。
在纺织、印染、服装工业中广泛用于除铁迹。
H C O O N a 4 0 0 ℃迅 速 加 热 C O O H稀 H 2 S O 4C O O N a
C O O N a C O O H
二 元 酸 中 酸 性 最 强 的 羧 酸
H O O C - C O O H H C O O H + C O 22 0 0 ℃
第二节 羧酸衍生物
Carboxylic Acids Derivatives
R - C - X
R - C
R - C
O
R - C - O - R ’R - C - N R
2 ’
O
O
OO
O
酰 卤
羧 酸 酐
酰 胺 酯
8- 6 羧酸衍生物的结构和命名
Structure and Nomenclature of Carboxylic Acids Derivatives
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。
R C O
R C
O
L
P π 共 轭 体 系
( 1 ) 与 酰 基 相 连 的 原 子 的 电 负 性 都 比 碳 大, 故 有 效 应I
( 2 )
( 3 )
L 和 碳 相 连 的 原 子 上 有 未 共 用 电 子 对, 故 具 有 + C
当 + C > I 时, 反 应 活 性 将 降 低
时, 反 应 活 性 将 增 大当 + C I<
一、羧酸衍生物的结构
二、羧酸衍生物的命名
酰卤和酰胺根据酰基称为, 某酰某, 。酰卤的命名将相
应的酰基名称放在前面,卤素的名称放在后面。即将相应的
,酸, 改成, 酰卤,
酰胺的命名:和酰卤相似。将相应的酰基后边加一, 胺,
字,既将相应的, 酸, 改为, 酰胺, 。
注意,酰胺分子中氮原子上的氢原子被烃基取代后生成
取代酰胺。命名为, N- 烃基某酰胺, 。
C
O
N ( C H 3 ) 2
N, N - 二 甲 基 苯 甲 酰 胺
C H 3 C
O
C l
C H 2 C H C
O
B r N H
O
戊 内 酰 胺丙 烯 酰 溴乙 酰 氯
酸酐的命名是在相应羧酸的名称之后加一, 酐, 字。
① 由二分子相同的一元羧酸脱水形成的酸酐称为单酐,
它们的命名,可在原来的羧酸名称之后加一, 酐, 字来称
呼,
,酸, 字也可以省略 。
C H 3 C
O
O C
O
C H 3
乙 酸 酐
例如,
② 由二分子不相同的一元羧酸脱水形成的酸酐称为混
酐。
它们的命名,可把简单的或低级的羧酸名称放在前面,
复杂的或高级的羧酸名称放在后面(即按甲、乙、丙 …
顺序,英文按字母顺序),再加一, 酐, 字来称呼。
C H 3 C
O
O C
O
C H 2 C H 3
乙 酸 丙 酸 酐
③ 环状酸酐:一分子的二元酸或多元以上的多元酸,
它们脱水后可生成环状酸酐。命名时,可在二元酸
的名称后加一, 酐, 字。
C
C
O
O
O
1,2 环 己 烯 二 甲 酸 酐
酯的命名是根据形成它的酸和醇称为某酸某酯。
把酸的名称放在前面,烃基的名称放在后面,在加一
,酯, 字。
例如,
C H 3 C
O
O C H 2 C H = C H 2 C H 3 O O
O
H C H 2 C H C
O
O C H 3
乙 酸 烯 丙 酯 甲 酸 甲 酯 丙 烯 酸 甲 酯
C H C O O C 2 H 5
C H 2 C O O C 2 H 5
C H 3 C
O
O C
O
O C H 2
甲 基 丁 二 酸 二 乙 酯 环 戊 基 甲 酸 环 己 酯 苯 甲 酸 苄 酯
8- 7 羧酸衍生物的物理性质
Physical Properties of Carboxylic Acids Derivatives
一、酰卤
最简单而又稳定存在的酰氯是乙酰氯,是无色有刺激性气味的液体,高
级酰氯是固体。低级酰卤遇水激烈水解。乙酰氯遇空气中的水气即能水解。
二、酸酐
酸酐中最简单的是乙酐。低级酸酐是有刺激味的液体,高级酸酐是固
体。酸酐遇水也分解,但比酰卤缓慢。
三、酯
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。
酰胺有分子间氢键缔合作用,故除甲酰胺外,其他酰
胺均为固体氮上氢被取代后,沸点和熔点显著降低。
四、酰胺
水溶性, 低级酰胺溶于水。 N,N-二甲基甲酰胺和
N,N-二甲基乙酰胺可与水混溶,是很好的非质子极性溶
剂。
C H 3 C O N H 2 C H 3 C O N H C H 3 C H 3 C O N ( C H 3 ) 2
m, p, 2 2 1 ℃ 2 0 4 ℃ 1 6 5 ℃
8 2 ℃b, p, 2 8 ℃ - 2 0 ℃
8-8 羧酸衍生物的化学性质
Chemistry of Carboxylic Acids Derivatives
一、酰卤
酰卤中酰氯使用最广泛。甲酰氯( HCOCl) 不存在,分解
为 CO和 HCl。 酰氯的化学性质很活泼,它能与水、醇和氨反
应,分别生成羧酸、酯和酰胺,这些反应分别称为水解、醇
解和氨解。
1.水解:与水猛烈反应生成羧酸,并放热。
R - C - X
O
+ H 2 O R - C - O H
O
+ H C l
2.醇解:生成酯
R - C - X
O
+ R ' O H R - C - O R '
O
+ H C l
在有机合成上,该反应用于制备羧酸酯。
3.氨解:生成酰胺或取代酰胺
R - C - X
O
+ R ' N H 2 R - C - N H R '
O
+ H C l
R - C - X
O
+ N H 3 R - C - N H
2
O
+ H C l
这种方法称为罗森孟德( Rosenmund)还原法。这是
由羧酸通过酰氯制备醛的好方法。
4.还原:在一定条件下,酰氯可还原成醛。
R - C - X
O
+ H 2 R - C - H
O
+ H C lP d - B a S O 4喹 啉 - 硫
R C
O
C l
L i A l H 4 R C H
2 O H或 H
2 / N i
C - C l C - H
O O
+ H 2 P d - B a S O 4
喹 啉 - 硫
5.与 RMgX反应
酰卤可以与格氏试剂作用得到酮,但是酮很容易与格
氏试剂反应得叔醇。因此,如果用一当量的格氏试剂与酰
氯反应产物为酮与叔醇的混合物,因此酮的产率很低,如
果用两摩尔以上的格氏试剂则主要产物为叔醇。
R C
O
X
+ R ' M g X R C
R '
O M g X
X R C
O
R '
R ' M g X
R C
R '
R '
O M g X
H 2 O
R C
R '
R '
O H
酮
叔 醇
无 水 乙 醚
二、羧酸酐
化学性质与酰氯相似。但化学活性不如酰氯。
1.水解:加热下易反应
O
R - C — O — C — R '
O
+ H 2 O R - C - O H
O
R '- C - O H
O
+
2.醇解,
O
R - C — O — C — R
O
+ R ' O H R - C - O R '
O
R '- C - O H
O
+
酸酐的醇解在有机合成中很重要。如邻苯二甲酸
酐和丁醇在浓硫酸催化下可得到邻苯二甲酸二丁酯。
C
C
O
O
O C 4 H 9 O H2
C
C
O
O
O C 4 H 9
O C 4 H 9 H 2 O+ +
3.氨解
O
R - C — O — C — R
O
+ N H 3 R - C
O
R - C - O N H 4
O
+2 - N H 2
O
R - C — O — C — R
O
+ R ' N H 2 R - C
O
R - C - O N H 3 R '
O
+2 - N H R '
有的酸酐氨解可得到酰亚胺类化合物。例如,
C
C
O
O
O N H 3 H
2 O+
C
C
O
O
N H +
邻 苯 二 甲 酰 亚 胺
三、酰胺
1.酸碱性
通常情况下,酰胺对 pH试纸呈中性,只有在强酸作用下,
才显弱碱性,生成不稳定的强酸弱碱盐,遇水即水解为酰胺。
R - C - N H 2
O
+ H C l R - C - N H 2
O H
C l -
干 醚
+
此外,酰胺也能溶于浓硫酸中。若干乙醚中用 NaNH2
处理酰胺,酰胺生成钠盐。
R - C - N H 2
O
+ N a N H 2 R - C - N H
O
N a +
干 醚
-
在此反应中,酰胺是酸。
酰胺的这种特性是由于氮原子上未共用电子对与 C= O双键
共轭,使氮原子上的电子云密度降低,减弱它接受质子的能
力,故碱性小余 NH3。 同时,N- H键上的电子云向氮原子偏移,
因此,酰胺表现出一定的弱酸性。
2.水解:需酸或碱催化剂存在并流长时间回流
H 2 O R - C -
O
++R - C - N H 2
O
N H 3O H
-
O -
H 2 O R - C - O H
O
++R - C - N H 2
O H +
N H 4 +
3.脱水反应
酰胺与脱水剂( P2O5或 SOCl2) 共热,脱水生成腈。这
是实验室合成腈的一种方法。
R - C N +R - C - N H 2
O
H 2 O
P 2 O 5
R - C N +R - C - N H 2
O
S O C l 2
S O 2 + H C l
4.霍夫曼降解( Hoffmann)反应
酰胺与溴或氯在碱溶液中作用,脱去羰基生成伯胺的
反应,这是霍夫曼发现的一种制伯胺的方法。生成的伯胺
比原来的酰胺少一个碳原子。故这类反应称为霍夫曼降解
反应。
N a O B r ++R - C - N H 2
O
N a 2 C O 3N a O H R N H 2 N a B r H 2 O+ +
用途:该反应可由酰胺制备少一个碳原子的伯胺,产率较
高,产品较纯。
例如,
C H 3 ( C H 2 ) 4 C O N H 2 C H 3 ( C H 2 ) 4 N H 2
8 8 %
B r 2 - N a O H
四、羧酸酯
1.水解:酯的水解是酸酯化反应的逆反应。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。
比较四类羧酸衍生物水解情况,可知亲核取代反应活
性顺序:酰氯 >羧酸酐 >羧酸酯 >酰胺
2.醇解(酯交换反应),
R C
O
O R ' + H 2 O
N a O H
H
R C
O
O H
R C
O
O N a
+ R ' O H
+ R ' O H
酯 化 的 逆 反 应
皂 化 反 应
R ' ' O H R - C - O R ''
O
++R - C - O R '
O H +
R ' O H
酯的醇解比较困难,要在酸或碱催化下加热进行。在有机合成中,可
用低级醇的酯通过酯交换反应,使低级醇蒸出来,生成不易挥发醇的酯。
生产涤纶单体工艺中就应用了酯交换反应。
3.氨解:生成酰胺和醇
N H 3
O
++
O
C H 3 C H 2 O HC H 3 C N H 2C H 3 C O C H 2 C H 3
酯氨解不需加入酸碱催化剂,因氨本身就是碱,这是与水解,醇解不同之处。
4.还原
酯较易还原,在有机合成上常将羧酸通过酯还原为醇。
( 1)催化加氢
R ' O H++R C O O R ' 2 H 2 C u O - C r 2 O 3 R C H 2 O H
R - C - O R '
O L i A l H
4 R ' O H+R C H 2 O H
( 2) LiAlH4作还原试剂
R - C - O R '
O N a + C
2 H 5 O H R ' O H+R C H 2 O H
Na+ C2H5OH和 LiAlH4都不能还原碳碳双键。
( 3) Na+ 醇作还原试剂
常用的还原剂是金属钠与无水乙醇。
5.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,故产物是醇。
甲酸酯得仲醇,其它酯得叔醇。
H C
O
O C 2 H 5
R ' M g X
H C
O M g X
O C 2 H 5
R '
H
C
R '
O
R ' M g X
H C O H
R '
R '
H C O M g X
R '
R '
H 2 O
H
+
仲 醇
R C
O
O C 2 H 5
R ' M g X
R C
O M g X
O C 2 H 5
R '
R
C
R '
O
R ' M g X
R C O H
R '
R '
H 2 O
H
+
R C O M g X
R '
R '
叔 醇
具有位阻的酯可以停留在酮的阶段。例如,
( C H 3 ) 3 C C O O C H 3 + C 3 H 7 M g C l ( C H 3 ) 3 C C C H 3
O
内酯则得二醇,
OC 5 H 1 1 C 5 H 1 1
C H 3
O H H 3 CO
+ C H 3 M g B r O H
在产物分子中含有两个等同的烃基(为格氏试剂酚酯中相
应的烃基)。
例如,
H 3 C C
O
O C 2 H 5 + 2
M g B r
② H 2 O
C
C H 3
O H① 无 水 乙 醚
8- 9 重要的羧酸衍生物
Important Carboxylic Acids Derivatives
8- 10 乙酰乙酸乙酯在有机合成上的应用
Acetoacetic Ester’s Utility in Synthesis
一,β- 二羰基化合物
凡含有彼此处于 β 位的两个羰基的化合物称为 β - 二羰
基化合物。
R C C H 2 C R
O O
R C C H 2 C O R '
O O
R O C C H 2 C O R
O O
β - 二 酮 β - 酮 酸 酯 β - 丙 二 酸 酯
一、乙酰乙酸乙酯的性质
1.互变异构现象
实验事实,
① 乙酰乙酸乙酯与羰基试剂 ( 苯胺, 羟氨等 ) 反应, 说
明含有羰基 。
② 可与金属钠反应放出氢气, 生成钠盐, 说明分子中含
有活性氢 。
③ 可使溴的四氯化碳溶液褪色, 说明分子中含有不饱和
键
④与三氯化铁呈紫色反应,说明分子中具有烯醇式结构
( - C= C- OH)
C H
3
- C - C H
2
- C - O C
2
H
5
O O
N a
H
2
B r
2
/ C C l
4
F e C l
3
N a H S O
3
N H
2
O H
硝 基 苯 肼2,4 - =
黄
白 ( )
( )
白 ( ) 有 活 性 氢
溴 褪 色 ( 具 双 键 )
蓝 紫 色 ( 具 烯 醇 结 构 )
C H
3
- C - C H
2
- C - O C
2
H
5
O O
C H
3
- C = C H - C - O C
2
H
5
O H O
酮 式 烯 醇 式
室 温
( 9 3 % ) ( 7 % )
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。
C H 3 - C - C H 2 - C - O C 2 H 5
O O
C H 3 - C = C H - C - O C 2 H 5
O H O
ππ πPπP 体 系
C H 3 - C = C H - C - O C 2 H 5
O H
C H 3 C
C H
C O C 2 H 5
OO
HO
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.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 。
C H 3 - C - C H 2 - C - O C 2 H 5
O O C
2 H 5 O N a
C 2 H 5 O H C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
N a
( 2)钠盐的烷基化和酰基化
注意,
① R最好用 1°,2°,由于产量低,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。
③ RX也可是卤代酸酯和卤代酮。
酰基化,
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
N a R C O X- N a X C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
C O R
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。
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
N a R X- N a X C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
R
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
R
C 2 H 5 O N a C H
3 C C C O C 2 H 5
O O
R
N a R ' X- N a X C H 3 C C C O C 2 H 5
O O
R
R '
烷基化,
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,
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
R
稀 N a O H
C H 3 C C H 3
O
C 2 H 5 O H + C O 2
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
C O R
稀 O H
C H 3 C C H 2 R
O
C 2 H 5 O H + C O 2
稀 O H
C H 3 C C H 2
O
C
O
R C
2 H 5 O H + C O 2
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,
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
R
N a O H
C H 3 C O O H
C H 3 C C H C O C 2 H 5
O O
C O R
O H
O H
2
C H 3 C O O H + R C H 2 C O O H + C 2 H 5 O H
C H 3 C O O H + R C O C H 2 C O O H + C 2 H 5 O H
+ C 2 H 5 O H
浓
浓
浓
1.Claisen缩合
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,
C H 3 C O C 2 H 5
O
C H 3 C O C 2 H 5
O
+ C 2 H 5 O N a C H 3 - C - C H 2 - C - O C 2 H 5 + C 2 H 5 O H
O O
乙 酰 乙 酸 乙 酯
C H 3 C H 2 C - O C 2 H 5 C H 3 C H 2 C - C H - C O O C 2 H 5 C 2 H 5 O H
O O O
C H 3
2 C 2 H 5 O N a +
二、乙酰乙酸乙酯的制法
历程,
C 2 H 5 O - + C 2 H 5 O H C H 2 C O C 2 H 5-
O
C H 3 C O C 2 H 5
O
+
p K a = 2 4 p K a = 1 5, 9
( 1 )
C H 3 C O C 2 H 5
O
C H 2 C O C 2 H 5-
O
+ C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O C 2 H 5
OO -
( 2 )
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O C 2 H 5
OO -
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
+ C 2 H 5 O -( 3 ) C H
3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
+ C 2 H 5 O
-
C H 3 C = C H C O C 2 H 5
O
C 2 H 5 O H+
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
O -
H A c
( 4 )
乙酸乙酯的酸性很弱( Pka= 24),而乙醇钠又是一个
比较弱的碱(乙醇 Pka= 15.9)。 因此,可以想到乙酸乙
酯形成的负离子在平衡体系中是很少的。这也就是说,用乙
氧负离子把乙酸乙酯变为 -CH2COOC2H5是很困难的。但是
在实际上为什么这个反应会进行的如此完全呢?其原因就是
最后产物乙酰乙酸乙酯是一个比较强的酸( Pka= 11),形
成很稳定的负离子,可以使平衡朝产物方向移动。体系中乙
酸乙酯负离子浓度虽然很低,但一形成后,就不断的反应,结
果使反应完成。
当酯的 α - 碳上只有一个氢时,由于增加了烃基的诱导
效应,酸性减弱了,进行酯缩合反应时,需要使用比醇钠更强
的碱 (如 ph3CNa,NaH),夺取酯的 α - 氢,形成较稳定的 α 负
碳离子,才能迫使反应朝右方进行。
2.乙烯酮二聚体与乙醇加成
C H 2 = C — — O
C H 2 — C = O
C 2 H 5 O H+ C H 2 = C — C H 2 — C — O C 2 H 5
OO H
C H 3 C C H 2 C O C 2 H 5
O O
三、乙酰乙酸乙酯在有机合成上的应用
由于乙酰乙酸乙酯的亚甲基很活泼,可以被其他基团取
代,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。
由于以上特点,它成为有机合成的重要试剂。
例 1:合成
C H 3 C C H 2 C H 2
O
C H 2经 结 构 分 析, 需 引 入
原 引
例 2:合成
C H 3 C C H C H 2 C H = C H 2
O
C H 3 引
原
要 分 两 次 引 入, 先 引 入
再 引 入
C H 3
C H 2 C H = C H 2
C H 3 C C H 2
O
C
O
C C H 3
O
引
引原 原
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。
8- 11 丙二酸二乙酯在有机合成上的应用
一、制法
C H 3 C O O H C H 2 C O O H
C l
N a C N
N a O H C H 2 C O O N aC N
C 2 H 5 O H
H 2 S O 4 C H 2
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
P C l 5
二、性质
1.酸性和烃基化
C H
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
N a
R X
- N a X
C H
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
R
C H
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
R
N a O C 2 H 5
C
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
R N a
R X
- N a X
C
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
R
R '
2 C H 2 ( C O O C 2 H 5 ) 2
X ( C H 2 ) n X
N a O C 2 H 5
( C H 2 ) n
C H ( C O O C 2 H 5 ) 2
C H ( C O O C 2 H 5 ) 2
N a O C 2 H 5
C H 2 I 2
( C H 2 ) n
C ( C O O C 2 H 5 ) 2
C ( C O O C 2 H 5 ) 2
C H 2
n = 3 ~ 7
N a O C 2 H 5C H
2 ( C O O C 2 H 5 ) 2
( 1 )
( 2 )
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5B r ( C H 2 ) 4 B r
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
C H 2 N a O C 2 H 5 N a
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
C H p K a = 1 3
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,
R C H
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
N a O H
H 2 O
R C H
C O O N a
C O O N a
( 1 ) H
( 2 ) C O
2
R C H 2 C O O H
R
C
R '
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
N a O H
H 2 O
( 1 ) H
( 2 ) C O
2
R C H C O O H
R '
C O O C 2 H 5
C O O C 2 H 5
N a O H
H 2 O
( 1 ) H
( 2 ) C O
2
C O O H
三、丙二酸二乙酯在有机合成的应用
其与乙酰乙酸乙酯类似,亚甲基上的氢可被醇钠所
取代,本身水解后生成丙二酸不稳定,易于脱羧,这两
条件使丙二酸二乙酯在合成各种类型的羧酸中有广泛的
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)。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。