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羧酸衍生物

第一十三章羧酸衍生物

一、基本内容

1.定义与分类

羧酸分子中羧基上的羟基被其他原子或原子团取代后生成的化合物称为羧酸衍生物，羧酸衍生物包括酰卤、酸酐、酯、酰胺和腈，除腈以外，都含有酰基。

本章重点讨论重要的羧酸衍生物—酰卤、酸酐、酯和酰胺。

酰卤是羧酸分子中的羟基被卤原子取代后的生成物，其通式为RCOX，X为卤原子（F、Cl、Br、I）。

酸酐是两个羧酸分子间脱水后的生成物，酸酐的通式为（RCO）2O。

两个相同的羧酸分子脱水后生成单纯的酸酐（R相同），两个不同的羧酸分子脱水后生成混酐（R不相同），羧酸还可以与另一分子的无机酸脱水而成混酐，某些二元羧酸后生成环状的酸酐，如邻苯二甲酸酐。

酯可分为有机酸酯和无机酸酯两种，前者如硫酸氢乙酯和三硝酸甘油酯。

有机酸酯中的羧酸酯是羧酸和醇的脱水产物，其通式可表示为RCO2R′。

酰胺为羧酸分子中的羟基被氨基或胺基（-NHR,-NR2）取代后的生成物，酰胺的通式为RCONR′R″（R′R″为氢、烃基或其他取代基）。

2．反应

羧酸衍生物是一类重要的有机合成原料或有机合成中间体，在有机合成中起着重要的作用。

其主要反应有亲核取代反应（包括水解、醇解、氨解、酸解、与有机金属化合物的反应）、还原（Rosenmund还原,Bouveault-Blanc还原和LiAlH4还原等）及它们各自的特殊反应（霍夫曼降解、克莱森酯缩合，里特反应等）。

羧酸衍生物的亲核取代反应是分两步进行：

第一步先加成，形成一个四面体中间体；第二步发生消去，转变成另一个羧酸衍生物。

一般来说，总反应速率和这两步反应速率都有关，但第一步更为重要。

第一步四面体中间体形成的影响因素：

吸电子作用有利于反应，因为它使负电荷稳定；大体积基团存在由于位阻效应会阻碍反应进行。

第二步反应取决于离去基团的碱性，碱性越弱的基团愈容易离去，因而羧酸衍生物反应活性次序为：

酰卤>酸酐>酯~羧酸>酰胺。

3．羧酸衍生物在有机合成中的应用

本章主要阐述乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯在有机合成中的应用。

乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯中，由于相邻两个吸电子基团使中间的亚甲基酸性加强，与碱作用生成碳负离子，可以发生亲核反应，使它们在有机合成上占重要的地位。

乙酰乙酸乙酯的应用：

（1）合成甲基酮；

（2）合成酮酸。

丙二酸二乙酯：

（1）合成一元羧酸；

（2）合成二元羧酸。

二．重点与难点评述

本章的重点是羧酸衍生物中羰基上的亲核取代反应和亲核取代反应历程（特别是酯的水解反应历程）、羧酸衍生物在有机合成中的应用和几个重要的有机人名反应等。

难点是对不同结构的羧酸衍生物中羰基上的亲核取代反应历程的理解。

1．结构与反应活性

羧酸衍生物中除了腈以外，都含有酰基。

由于羰基的存在，就决定了这些化合物的特征活性，这是了解羧酸衍生物化学性质的关键。

羧酸衍生物羰基碳原子直接相连的原子（O,N,Cl）上都有孤电子对，它与羰基上的π电子共轭，它们的结构式最好用共振式表示。

对于酰氯，氯具有较强的吸电子诱导效应和较弱的供电子的共轭效应，使羰基的正电性增强，有利于亲核试剂的进攻，同时，Cl-碱性较弱，即稳定性较高，易于离去，因此酰氯表现出很大的反应活性。

相反，对酰胺来说，氨基的吸电子诱导效应较弱，而供电子的共轭效应很强，不有利于亲核试剂的进攻，同时，NH2-碱性较强，即稳定性较差，难于离去，因此酰胺表现出较小的反应活性。

不难得出，羧酸衍生物的亲核取代（加成-消去）反应活性次序为：

RCOCl>（RCO）2O>RCO2R′>RCONH2

2.羰基上的亲核取代（加成—消去）反应历程

羧酸衍生物的亲核取代（加成-消去）反应一般分为两步，首先是亲核试剂进攻羰基碳原子,发生亲核加成反应，形成一个带负电荷的四面体中间体。

然后,中间体消去一个负离子,恢复碳-氧双键,形成另一个羧酸衍生物。

Nu（亲核试剂）=H2O、ROH、NH3等

Zˉ（离去基团）=―X、―OR、―OCOR、―NH2等

3．羧酸衍生物的水解反应历程

羧酸衍生物可被水、醇、氨等亲核试剂进攻，其中酯的水解历程研究得最多。

因此，本章主要对酯的酸催化和碱催化水解历程进行讨论。

酯的水解是酯化反应的逆反应，水解时可能是酰氧键断裂，也可能是烷-氧键断裂；每种断裂方式都可按单分子或双分子历程进行，所以有四种可能的历程。

同样碱性水解也有四种可能历程。

这八种酯水解机理中，以酯的酸性（AAc2）或碱性（BAc2）水解双分子酰氧键断裂最为常见，以（BAc2）为例作一说明。

由于四面体中间体具有负电荷，同时比较拥挤，酯的碱性水解将受极性和立体效应的影响。

当酯的酰基上连有吸电子基时，将加速反应的进行，且随其吸电能力的增强，反应速度增大。

值得注意的是，若酯的水解能生成稳定的碳正离子，则有利于单分子烷-氧键断裂。

4．几个重要的有机人名反应

1.Rosenmund反应

2.Bouveault-Blanc反应

3．Baeyer-Villiger氧化

不对称酮用过酸氧化，在重排步骤中，两个烃基都可能迁移，烃基迁移的近似次序为：

H>叔烷基>仲烷基，苯>伯烷基>甲基。

4．Ritter反应

在强酸性溶液中，由叔醇生成的碳正离子同质子一样，可以进攻氰基氮原子，生成的正离子迅速加水，转变为N-烃基取代酰胺，水解后生成胺：

5.Claisen缩合

6.Dieckmann缩合

7．Reformatsky反应

8．Perkin反应

9．Knoevenagel缩合

10．Hofmann重排

在Hofmann重排中，迁移的烃基的构型保持不变。

三、精选题及其解

13-1．在一个含有醋酸、丁醇、水、硫酸和醋酸丁酯的混合物中，如何提纯醋酸丁酯？

解将混合物蒸馏，去除硫酸，加入饱和的碳酸钠溶液洗涤，分液去除醋酸，有机相加入饱和氯化钙溶液，使酯游离出来，分液、干燥、蒸馏得纯的醋酸丁酯。

13-2．写出下列反应或反应系列的主要有机产物。

解

13-3．甲基环己基酮在三氯甲烷中用过氧苯甲酸在25℃处理16小时，从反应混合物中得到化合物A,A的部分光谱数据如下：

IR：

1740，1250cm-1有吸收；1HNMR:

δ2.0（s,3H）,4.0（m,1H）；MS：

m/zM+142,最强峰43。

求A的结构并推测该反应的反应机理。

解从反应条件可知该反应为Baeyer-Villiger氧化反应。

IR：

1740cm-1为羰基的红外吸收；1HNMR:

δ2.0（s,3H,CH3CO-）,4.0（m,1H,-O-CH=）；MS：

m/zM+142,即A的分子量，最强峰43为CH3C≡O+碎片吸收。

由此可知，A的结构为：

该反应的反应机理：

13-4．由丙二酸二乙酯合成下列化合物；

（1）庚二酸

（2）3-甲基丁酸（3）环丁基甲酸（4）2-苄基丁酸

解

13-5．由乙醇为原料经乙酰乙酸乙酯合成：

（1）3-乙基-2-戊酮，

（2）2，5-己二酮，（3）2-甲基-4-戊酮酸。

解

13-6．反应机理解释：

1．

反应速度

（1）》

（2），解释为什么？

2．

反应

（1）和

（2）中的平衡混合物各以什么占优势，并解释为什么？

解1.反应式

（1）中反应物之-OCOPh基团处于直立键，与离去基团-Ots处于反式位置，它很容易起邻基参与作用促使-OTs迅速离去，反应速度很快；而反应式

（2）中，反应物中-OCOPh与离去基团-OTs处于顺式，难起邻基参与作用。

因此，反应速度

（1）》

（2）。

2．反应

（1）以烯醇式为主，反应

（2）则以酮式反应物为主，这主要取决于电子效应。

对CH3COCH2COCH3和CH3COCH2COOCH3而言，由于吸电性CH3CO-比-COOCH3更强,那么

（1）中-CH2-上的氢的酸性较

（2）中的强，从而容易发生烯醇化作用；加之烯醇化产物可形成稳定的分子内氢键和生成更大的共轭体系，更增加了烯醇化的趋势。

故

（1）以烯醇式为主，反应

（2）则宁可保留两个羰基稳定结构，以酮式反应物为主。

13-7．解释下列反应机理：

解

13-8．在AlCl3存在下，草酰氯与1,3,5-三甲基苯反应生成2,4,6-三甲基苯甲酰氯和CO，写出该反应的机理。

与此相应的酸，即2,4,6-三甲基苯甲酸溶于浓硫酸中生成（CH3）3C6H2-CO+，写出有关的平衡反应。

当将此溶液倒进甲醇中时定量地生成（CH3）3C6H2COOCH3，写出该反应的机理。

解

在浓H2SO4中的平衡反应为：

与CH3OH一起发生下列反应：

13-9．RCOOCAr3型和RCOOCR3型的酯，在酸催化水解时，由于可以生成稳定的碳正离子，可发生烷-氧键断裂。

请写出CH3COOCPh3在酸催化下的水解反应机理。

解AAL1酯水解反应机理：

13-10．光学活性物质（Ⅰ）在酸存在下水解，生成的醇是外消旋混合物。

请用反应机理加以解释。

（Ⅰ）

解该水解反应的反应机理：

13-11．观察下列的反应系列：

根据反应机理，推测最终产物的构型是R还是S？

解在Hofmann重排中，迁移的烃基的构型保持不变。

原料和产物都是S构型，但原料是右旋，产物是左旋。

13-12．羧基通常通过与二氢吡喃的作用生成酯而被保护起来，这个酯对碱是稳定的，但易被稀酸水解，详细说明这些酯的形成和容易水解的原因。

解THP酯是由RCOOH通过酸催化加成到双键上而形成的。

其之所以容易反应是由于生成稳定的正离子中间体I。

由于涉及到形成相同的正离子I，所以THP酯在酸催化下水解也是容易的。

形成一个环状的半缩醛，它和其他的半缩醛一样重新生成醛和醇，只不过生成的醛和醇在同一个分子中。

13-13．分析反应历程：

当环己基甲酰胺在甲醇中用溴和甲醇钠处理时，得到的产物是N-环己基氨基甲酸甲酯，试提出适当的反应历程加以说明。

解

13-14．推测结构

1．一化合物与高锰酸钾加热回流后生成化合物A，其分子式为C4H4O3。

化合物A在红外光谱1865cm-1和1782cm-1及1310~1200cm-1处有特征吸收峰；紫外吸收光谱在210cm-1以上；核磁共振谱图上约在δ2.7ppm处有三重峰（强）；质谱图上有M-CO2和M-CO的峰。

试推测A的可能结构式（要求推理时作必要的说明）。

2．某化合物C7H13O2Br，不能形成肟及苯腙，其IR谱在2850~2950cm-1有吸收峰，但3000cm-1以上无吸收峰，在1740cm-1有强吸收峰，δH（ppm）：

1.0（3H，三重峰），4.6（1H，多重峰），4.2（1H，三重峰），1.3（6H，双峰），2.1（2H，多重峰），推断该化合物的结构式，并指出谱图上各峰的归属。

解1.

（1）A，C4H4O3；不饱和度为3；由于A为经高锰酸钾加热回流后得到的化合物，故其分子中不应含C=C、C≡C，而很可能含C=O、环。

（2）IR显示，A为酸酐型化合物；UV说明A含C=O。

（3）1HNMR表明，A分子有-CH2-结构。

（4）MS进一步证明，A分子中有C=O，且肯定有、结构。

综上所述，可给出A的结构为：

2．

（1）C7H13O2Br，不饱和度为1，可能含C=C、C=O或为单环分子。

（2）IR谱显示，该化合物不含-OH和C=C-H，即不是醇、酸类。

（3）IR1740cm-1有强吸收，表明A可能为醛酮或酯；但该化合物不能形成肟及苯腙，那么它只可能为酯。

（4）该化合物为酯，而不饱和度为1，那么它必不含C=C。

（5）结合1HNMR数据和上述推论，可给出该化合物的结构式为：

1HNMR：

1.02.14.24.61.3

（δppm）（3H,t）（2H,m）（1H,t）（1H,m）（6H,d）

13-15．写出化合物A,B,C,D的结构式：

解

13-16．填写下列反应中各步的试剂和中间体：

解

13-17．在HCl催化下RCOOH与C2H5OH酯化随着R的改变其相对速度变化如下：

R=CH3C6H5CH2-（C6H5）2CH（C6H5）3C

相对速度10.560.0150.00

试解释这一结果。

解RCOOH与C2H5OH在酸催化下酯化，其反应历程要经过一个中心碳原子以SP3杂化的四面体中间体，从空间因素考虑，它比平面型的酯（羰基碳SP2杂化）更拥挤。

因此，体积大的基团则使中间体不稳定，使反应速度减慢。

本题中R基团体积大小次序为：

（C6H5）3C>（C6H5）2CH>C6H5CH2->CH3

故其水解反应速度次序正好相反。

13-18．把下列化合物按其进行水解反应（稀NaOH，浓度相同）时的活性次序排列：

X=

（1）–NO2

（2）–OCH3（3）–H（4）–Cl

解题目中所给出的化合物在稀NaOH溶液进行水解反应，属BAC2机理，其关键的一步是由平面型的羰基转变成带负电荷的四面体型的中间体，酯分子中与羰基直接相连的基团中有吸电子的基团，使中间体更稳定，反应速度加快。

因此水解反应速度有

（1）>（4）>（3）>

（2）。

13-19．如果CH3COCH（CH3）COOC2H5在乙醇中用乙醇钠处理后加入环氧乙烷，则可得一新的化合物（C7H10O3）,该化合物的红外光谱在1745cm-1和1715cm-1处有两个吸收峰，其1HNMR为：

δ1.3（3H,s）,δ1.7（2H,t）,δ2.1（3H,s）,δ3.9（2H,t）。

写出反应机理及产物的结构。

解该反应机理为：

产物的结构为：

13-20．下面是一张关于羧酸衍生物的图表：

那么，你如何制备（I）这个羧酸衍生物？

（I）

解因为是个酰胺，故可通过官能团互换而返回到羧酸；在羧酸的α-碳上有支链，故要对α-键进行切断。

制备如下：

13-21．苯乙酮与氯乙酸乙酯在氨基钠的作用下，生成一化合物A，C12H14O3，将A在室温下进行碱性水解，获得一固体的钠盐B，C10H9O3Na，用盐酸溶液酸化B，并适当加热，最后得一液体化合物C，C可发生银镜反应，分子式为C9H10O，请推测A，B，C的结构式。

解

（1）化合物A（C12H14O3）的不饱和度为6，可能含有苯环、双键或环等。

（2）苯乙酮与氯乙酸乙酯在无水惰性溶剂中碱性缩合剂作用下，发生的是Darzens-Claisen反应：

综上所述，A，B，C的结构式为：