第九章羧酸

第九章 羧酸的合成第一节 氧化反应制备羧酸 羧酸具有较高的氧化态。因此，多种有机化合物如不饱和烃、醇、碳基化合物等均可氧化成羧酸。一、伯醇及醛的氧化 （自学）醇和醛可直接氧化成羧酸，它是合成羧酸的重要方法之一。氧化伯醇及醛成羧酸，可采用催化氧化法或化学试剂氧化法。催化氧化法中，铂、钯等贵金属是常用的催化剂。水溶性的醇进行催化氧化时，水是良好的溶剂；而不溶于水的醇氧化时，可采用苯或烷烃为溶剂。催化氧化法的优点是无环境污染，有些情况下，有良好的选择性，适宜于多官能团化合物的选择性氧化，广泛用于糖类、甾族化合物中的有关合成在化学试剂氧化法中，有许多氧化剂可供选择。在酸性、碱性或中性溶液中高锰酸钾是氧化醇或醛成羧酸的常用试剂。用重铬酸钾硫酸溶液氧化伯醇时，往往伴随有生成酯的副反应，但是三氧化铬的硫酸溶液 (Jones试剂 )却是性能温和、选择性好的氧化醇成羧酸的优良试剂。在反应过程中，分子中若存在碳碳双键、叁键，均不会受到影响。次氯酸钠及亚氯酸钠亦能有效地氧化伯醇成羧酸，此时分子中存在的仲羟基不受影响。过氧化物能使醛氧化成羧酸。过氧化氢水溶液是这一转变的良好试剂。它既能氧化脂肪醛、 ， -不饱和醛，又能氧化芳醛或杂芳醛成相应的羧酸。二、 烯、炔烃的氧化 （自学）三、 芳烃的侧链氧化芳烃的侧链氧化不仅是合成芳酸的常用方法，而且可用于确定取代芳烃中烃基取代的位置。高锰酸钾、重铬酸钠 (钾 )和硝酸均为常用的氧化剂。烷基苯氧化时，首先发生在苄基的碳原子上，生成苯甲酸，但若用重铬酸钠的水溶液在高温、高压下可使直链烷基苯以良好的产率生成末端碳被氧化的羧酸。如乙苯氧化成苯乙酸。一般而言，仲烃基支链比伯烃基容易氧化，因此，可以采用适合的条件，使仲烃基支链选择性氧化。对 -甲基异丙基苯与稀硝酸共热，异丙基优先被氧化。由于酚对氧化剂甚为敏感，因此，烷基取代的酚氧化时。一般须将酚的羟基先行保护然而，采用二氧化铅作氧化剂时，多种甲基酚可直接氧化成酚酸。在三氯化钌催化下，次氯酸钠能氧化芳烃侧链成相应的羧醛，如对氯苯甲酸的合成98%烷基苯的液相催化氧化是工业上合成芳香酸的重要方法。乙酸钴、乙酸锰及乙酸铅是有效的催化剂。在乙酸钻催化下，对二甲苯被空气氧化成对苯二甲酸。在乙酸钻催化下，对甲基异丙基苯氧化时，与化学试剂氧化法相反，甲 基优先被选择性地氧化。四、醛分子间的氧化还原 (Cannizzaro 反应 ) （自学）五、环酮的裂解氧化脂酮的裂解氧化一般不作为羧酸的制备方法，但某些环酮的氧化却是制备羧酸的一种方法。在五氧化二钒的催化下，环己酮与浓硝酸反应，生成己二酸。六、甲基酮的卤仿反应甲基酮通过 -卤代生成三卤代酮，继而碱性水解，生成羧酸。本法是将乙酰基转化成羧酸的有效方法。常用的试剂有卤素 -氢氧化钠，次卤酸钠水溶液等。若甲基酮不溶于水，反应时必须强烈搅拌，亦可加入少量的乳化剂或共溶剂。具有两个 -氢的酮亦可发生类似的反应，它的过程是：若要保持芳环的烃基侧链不被氧化，则可用碘、吡啶及碱作为试剂。第二节 水解反应一、酰卤和酸酐的水解虽然酰卤、酸酐甚易水解，高产率地生成羧酸，但是酰卤、酸酐通常要由羧酸来制备，因此，本法的应用并不普遍，只适用于那些酞卤、酸酐比相应的羧酸更易获得的场合。89%二、酯的水解在碱性或酸性催化剂存在下，酯发生水解反应生成酸及醇。 若在过量的碱存在下，生成的酸立即转变成盐，使酯全部水解，因此酯的碱性水解法的应用更为普遍。通常是将醇与氢氧化钠或氢氧化钾水溶液或醇溶液共热即可水解，再经酸化生成羧酸。由于酯广泛存在于自然界中，以及形成酯通常作为羧基的保护方法，因此酯的水解是形成羧酸的重要方法。二氢香豆素可由水杨醛与乙酸钠及乙酸酐发生 Perkin反应，继而还原而得。它与 40氢氧化钠水溶液加热回流，即生成邻羧基氢化肉桂酸。内酯在卤化氢作用下，水解开环，是合成 -卤代酸的一种方法。三、酰胺的水解酰胺的碱性水解，常用的试剂是氢氧化钠 (钾 )的醇溶液或水溶液。（自学）四、腈的水解由于腈是甚易获得的原料，因此，腈的水解法广泛用于羧酸的合成。例如卤代烃甚易转变成腈。生成的腈可不需析离直接水解，整个过程是由卤代烃合成增加一个碳原于羧酸的方法。芳卤在二甲基甲酰胺中与氰化亚铜反应，可以高产率的生成芳腈，芳腈的水解可以合成芳酸。腈的水解即可在碱性介质中进行，亦可在酸性介质中进行。氢氧化钠、氢氧化钾的水溶液或醇溶解、硫酸、盐酸等均为常用的试剂。五、三卤化物的水解脂肪族三卤化物可由烯烃与四氯化碳或三氯溴甲烷进行调聚反应制得。它们进一步水解是合成脂肪族羧酸的良好方法。在过氧化苯甲酰催化下， 1， 5-环辛二烯与氯仿反应，生成 2-三氯甲基双环3.3.0辛烷，继而用 85的磷酸水解，生成双环 3.3.0辛烷 -2-羧酸。在 Friedel-Crafts反应条件下，芳烃与三氯乙醛反应可得 1-芳基三氯乙醇，由它可合成多种 -取代芳基乙酸。芳基三氯甲烷易由甲基取代的芳烃经光氯代制得，它的水解是合成芳酸的有效方法。第三节 羧化及羰化反应一、有机金屑化合物与二氧化碳的羧化有机金属化合物的羧化反应是卤化物转变成增加一个碳原子羧酸的有效方法。有机镁试剂是常用的有机金属，但近年来有机锂试剂的应用日渐广泛。二、芳烃的直接羧化 (FriedelCrafts 反应 )在三氯化铝催化下， 1， 3， 5 三甲苯与草酰氯于 10一 15 反应，以良好产率生成 2， 4， 6 三甲基苯甲酸。此法适用于多种烃基取代的芳酸的合成。三、酚或芳酸与二氧化碳的羧化 (Kolbe反应、 Henkel反应）酚比芳烃易于发生亲电取代反应，甚至二氧化碳亦可与酚钠进行亲电取代反应，结果是芳环上导人羧酸，是酚酸的重要合成法。反应若在较低的温度下进行，则优先形成邻位异构产物；若在较高的温度下反应，发生羧基的转移，则几乎全部生成对位异构的产物。酚的羧化反应被称为 Kolbe反应。在镉或锌催化下，邻苯二甲酸钾于 400一 420 加热，发生羧基转移生成对苯二甲酸，其他二元芳酸如 1， 8 二萘甲酸， 2， 2 联苯二甲酸等亦可发生类似反应。这一反应是工业上合成对苯二甲酸的重要方法，称为 Henkel 法。五、卤代烃与一氧化碳的羰化在过渡金属催化下，卤代烃可与一氧化碳进行羰化反应，生成羧酸。常用的催化剂为羰基镍、羰基钴、碳基铁以及钯等。卤代烃的活性为 RI RBr RCl。在四碳基镍及氢氧化钙催化下，邻甲氧基溴代苯在二甲基甲酰胺中与 1atm的一氧化碳于 110一 120 反应，生成邻甲氧基苯甲酸在八羰基二钴的催化下，转化卤代烃成羧酸三氟甲磺酸酯是比卤代烃更活泼的一种易发生羰化的起始原料，借以方便地转化成羧酸。六、醇与一氧化碳的羰化醇进行羰化反应，亦是合成增加一个碳原子羧酸的实用方法。常用的羰化试剂为一氧化碳、甲酸等。在碳酸镍存在下，醇与一氧化碳反应可合成羧酸，但需要较高的温度和压力。若在催化量的氧化亚铜存在下，醇在 98的硫酸中与一氧化碳在室温、常压下既能顺利发生羰化反应，生成叔烷基取代的甲酸。反应过程中氧化亚酮与一氧化碳在浓硫酸中形成不稳定的三羰基酮，它是醇进行羰化的有效催化剂。醇在浓硫酸存在下首先形成碳正离子，继而在三碳基铜的催化下与一氧化碳发生羰化反应生成羧酸。由于反应通过碳正离子中间体进行的，因此反应过程会发生碳链重排，伯、仲、叔醇反应时均生成叔烷基取代的甲酸。烯烃与浓硫酸加成亦可形成碳正离中间体，因此，烯烃亦能发生上述类似的反应，生成羧酸。 2 甲基环己醇在 96硫酸中与甲酸反应，高产率地生成 1-甲基环己烷羧酸七、叔烷烃的羰化 (Koch Haff反应 )叔丁醇与浓硫酸作用形成碳正离子。它可夺取叔烷烃 (R3CH)的氢，产生新的叔碳正离子，然后与由甲酸形成的一氧化碳进行羰化，生成羧酸。 金刚烷、甲酸、叔丁醇和 96硫酸在四氯化碳中于 1725 反应，生成金刚烷1 羧酸。八、烯烃的氢羧基化 (Reppe反应 )在过渡金屑镍、钴、钯等催化下，烯烃与一氧化碳、水发生氢羧基化反应，生成羧酸，本合成法是由烯烃合成羧酸的重要工业方法。第四节 烃化反应、酰化反应、缩合反应和重排反应一、烃化反应1、芳烃的烃化 (Friede-Crafts反应 )56%在三氯化铝存在下，苯与 -内酯或 -内酯反应时，烃化反应比酰化反应优先发生，生成 -苯基取代的羧酸。有时，利用本法合成某些取代羧团时，要比采用芳烃与二元酸酐或二元酸酰卤进行酰化，再还原的路线较简便。如苯基丁酸的合成2、 1,1-二氯乙烯的烃化 (Bott反应）卤