胡勇-有机化学教学第十二章羧酸衍生物

1,第十二章羧酸衍生物,第一节羧酸衍生物的结构和命名第二节羧酸衍生物的物理性质第三节羧酸及其衍生物的化学反应第四节羧酸衍生物的制备第五节乙酰乙酸乙酯第六节丙二酸二乙酯在合成上的应用第七节碳酸及原酸衍生物,2,羧酸衍生物一般指羧基中的烃基被其他原子或基团取代后所生成的化合物。羧酸和羧酸衍生物中都含有酰基，因此也统称为酰基化合物。,羧酸分子中OH被不同取代基取代，分别称为酰卤、酸酐、酰胺和酯：,羧酸衍生物的结构和命名,3,第一节羧酸衍生物的结构和命名,(一)分类与结构,(1)分类,4,碳-杂原子键具某些双键性质,(2)结构,5,1酰卤的命名:在命名时可作为酰基的卤化物，在酰基后加卤素的名称即可。,普通命名法：-溴丁酰溴对氯甲酰苯甲酸IUPAC命名法：2-溴丁酰溴4-氯甲酰苯甲酸,(二)羧酸衍生物的命名,6,普通命名法：醋酸酐乙丙酸酐丁二酸酐IUPAC命名法：乙酸酐乙丙酸酐丁二酸酐,2酸酐的命名单酐：在羧酸的名称后加酐字；混酐：将简单的酸放前面，复杂的酸放后面再加酐字；环酐：在二元酸的名称后加酐字。,7,3酯的命名酯可看作将羧酸的羧基氢原子被烃基取代的产物。命名时把羧酸名称放在前面，烃基的名称放在后面，再加一个酯字。内酯命名时，用内酯二字代替酸字并标明羟基的位置。,普通命名法：醋酸苯甲酯-甲基-丁内酯IUPAC命名法：乙酸苯甲酯2-甲基-4-丁内酯,8,4酰胺的命名命名时把羧酸名称放在前面将相应的酸字改为酰胺即可；,普通命名法：异丁酰胺N,N,-二甲基戊酰胺IUPAC命名法：2-甲基丙酰胺N,N,3-二甲基戊酰胺,9,5腈的命名腈命名时要把CN中的碳原子计算在内，并从此碳原子开始编号；氰基作为取代基时，氰基碳原子不计在内。,普通命名法：-甲基戊腈-氰基丁酸己二腈IUPAC命名法：3-甲基戊腈2-氰基丁酸己二腈,10,第二节羧酸衍生物的物理性质,低级的酰氯和酸酐是有刺鼻气味的液体，高级的为固体；低级的酯具有芳香的气味，可作为香料；十四碳酸以下的甲酯和乙酯均为液体；酰胺除甲酰胺外，由于分子内形成氢键，均是固体；而当酰胺的氮上有取代基时为液体；羧酸衍生物可溶于有机溶剂；酰氯和酸酐不溶于水，低级的遇水分解；酯在水中溶解度很小；低级酰胺可溶于水。,11,乙酸乙酯的红外光谱,酰基化合物的光谱分析,12,乙酸乙酯的核磁共振谱,13,第三节羧酸衍生物的化学反应,羧酸衍生物化学性质分析,14,（I）酰基上的亲核取代,取代过程：,15,亲核取代的速度：,从两方面进行分析（即分别考虑加成和消除二步）：,1、由羰基的亲电性分析（亲核加成步骤）,羰基的亲电性（与亲核试剂的反应活性）次序：,16,2、由离去基团的性质分析（消除步骤）,17,羧酸衍生物酰基上的亲核取代反应,18,在亲核取代反应中，酰氯的活泼性最大，酸酐次之。所以酰氯、酸酐在有机合成中常用为酰基化剂。,酰卤酸酐醛酮羧酸酯酰胺,亲核反应活性,19,1、羧酸衍生物的水解反应,20,与水发生加成-消除反应生成相应的羧酸：,水解反应的难易次序：酰氯酸酐酯酰胺,羧酸衍生物的水解,21,（1）酰氯的水解,机理：,22,（2）酸酐的水解,（3）酯的水解,23,酯的酸性水解机理（羧酸酯化反应的逆反应）,机理(a):,24,机理(b)；,如何证明这两种可能的机理？,这两种机理分别适合于何种结构的酯类？,25,酯的碱性水解机理（皂化反应）,碱用量化学计量，反应可进行完全。,26,（4）酰胺的水解,27,酰胺的酸性水解机理,28,酰胺的碱性水解机理,RNH-的离去能力比OH-差，但反应仍能进行完全，试说明原因。,29,羧酸衍生物的醇解酯的生成,一般难以制备的酯和酰胺，可通过酰氯来合成：,可逆反应,30,2、羧酸衍生物的醇解反应,（1）酰氯的醇解反应（用于通过酰氯制备酯）,优点：反应完全，产率好。,碱的作用:吸收产生的HCl和催化,31,（2）酸酐的醇解反应（合成上用于制备酯）,32,（3）酯的醇解反应（酯交换反应）,反应可逆，用过量的醇R”OH和除去生成的醇ROH使反应进行完全。酸或碱对反应是必需的反应机理？（参考酯的水解机理）,33,例：,34,（4）酰胺的醇解反应,35,13.10.3羧酸衍生物的氨解酰胺的生成,可逆反应，得到N-烷基酰胺，实际意义不大。,36,3、羧酸衍生物的胺解反应,（1）酰氯的胺(氨)解,（2）酸酐的胺(氨)解,37,酰氯和酸酐的胺解是制备酰胺的主要方法比较:直接由羧酸制备酰胺,反应产率较差,例:,38,（3）酯的胺(氨)解,（4）酰胺的胺解,39,羧酸衍生物的相互转换关系,40,(二)羧酸衍生物与金属有机试剂的反应,(1)与RMgX(活泼金属有机试剂)的反应：,反应能否控制在中间体酮？,41,反应机理：,如何控制至酮？*利用酰氯羰基的活性*利用反应中间体A的一定的稳定性,42,均可用来与格利雅试剂生成:叔醇。,第1步：生成酮,第2步生成叔醇：注意有2个支链是一样的！,13.10.4羧酸衍生物与格利雅试剂的反应,（1）酯与格利雅试剂的反应,（用的最为普遍）,43,（2）酰氯与格利雅试剂作用,第1步生成酮,第2步生成叔醇，2个支链是一样的！,44,格氏试剂的应用（总结）,低温和空间位阻作用使用不活泼的金属试剂可能将反应控制在酮的阶段,45,(2)与R2Cd和与R2CuLi（不活泼金属试剂）的反应,46,(三)羧酸衍生物的还原反应,（1）LiAlH4及其衍生物LiAlH(OPri)3还原,47,（2）催化氢化还原-罗森孟德反应,（3）金属钠还原,48,(四)酯缩合反应酯的酰基化,Claisen（酯）缩合（两个相同酯之间的缩合）,酯中的-H显弱酸性,在醇的作用下可与另一分子酯发生类似与羟醛缩合的反应,称为Claisen（酯）缩合反应,49,Claisen缩合举例,50,Claisen缩合机理,51,混合酯缩合,52,(五)酰胺的特性,1.酰胺的酸碱性,CH3CH3CH2=CH2NH3CHCHC2H5OHH2OpKa504034-35251615.7,pka109.628.3,15.1,中性,弱酸性,碱性,53,2Hofmann(霍夫曼)降解反应,54,羧酸,NH3,铵盐,酰胺,100o200oC-H2O,H2O40o50oC,-H2O,腈,H2O,3脱水反应,酰胺与强的脱水剂共热可脱水生成睛,这是制备腈的方法之一,55,第四节羧酸衍生物的制备,(一)由羧酸制备,(二)由羧酸衍生物之间的相互转化制备,(三)贝克曼重排(Beckmannrearrangement),酮肟在酸性试剂作用下,重排为N-取代酰胺,称为贝克曼重排,56,酰溴的制备：用PBr3,丙酰氯的沸点80，所以最好不用SOCl2制备.,（1）酰氯的制备,酰氯,57,（2）酰氯的还原,罗森门德还原法,(一),(二),58,(3)酰氯与过氧化钠、过氧化氢作用生成过氧化二酰,常用作自由基聚合反应的引发剂：,59,酸酐,(A)单酐的制备,酸酐中两个酰基相同的叫单酐;不同的叫混酐.,或乙酐,60,(C)二元羧酸制酐（成五元或六元环的）,(B)混酐的制备酰卤与无水羧酸盐共热,61,工业上制醋酐（2）乙酸与乙烯酮加成制取乙酐：,+,（1）乙酸酐（简称乙酐，又名醋酐）,工业上制醋酐（1）,乙酸钴-乙酸铜作催化剂，2.55MPa、4550，氧气氧化。,主要用于制造醋酸纤维、燃料、医药和香料等。,62,（2）乙烯酮是简单的不饱和酮,工业上制乙烯酮乙酸或丙酮热解：,作乙酰化剂。可看成乙酸分子内脱水而得的酸酐。,63,乙烯酮与含活泼氢的化合物反应引入一个乙酰基：,乙烯酮是有剧毒的气体，极易聚合成二聚体：,64,（3）顺丁烯二酸酐又叫马来酸酐,苯在特殊条件下才发生氧化使苯环破裂,例如:,主要用途：聚酯树脂、醇酸树脂，各种涂料和塑料等。,65,（4）邻苯二甲酸酐俗称苯酐,主要用途-染料、药物、聚酯树脂、醇酸树脂，塑料、涤纶等。,66,酯,酯也可在碱性条件下的水解：,水解,皂化酯的碱性水解称为皂化。油脂（羧酸和丙三醇生成的酯）碱性水解得到的高级脂肪酸盐就是肥皂。,由醇和羧酸在无机酸催化下酯化反应：,67,酚的酯化反应（需用酰基化能力强的酰氯或酸酐）：,酯的还原反应（常用的还原剂为钠加乙醇）：,68,（1）乙酸乙烯酯及其聚合物制造涂料及胶粘剂,工业上制备方法2乙烯与乙酸催化氧化(成本较低),水解产物？乙醛！,工业上制备方法1乙炔与乙酸合成,可看成乙酸和乙烯醇生成的酯。,69,乙酸乙烯酯的聚合,其在酸或碱性存在下，水解生成聚乙烯醇（PVA）,聚乙烯醇只能间接由此法制备。其可作涂料和胶粘剂。它与甲醛作用，生成聚乙烯醇缩甲醛（维尼纶纤维的原料）。,副产品水解成：乙酸+甲醇循环,1t：1.68t,70,（2）-甲基丙烯酸甲酯及其聚合物有机玻璃,水解、脱水、酯化,聚合“有机玻璃”,制备方法：,71,例如：乙二醇与顺丁烯二酸酐的缩聚,由于有C=C双键，可和其他不饱和化合物（苯乙烯）聚合（交联）生成体型的高聚物。,（3）不饱和醇酸酯,这种不饱和聚酯常用作制造各种涂料和以玻璃纤维为填料的增强塑料（玻璃钢）。,72,（1）酰胺的制备及特性羧酸衍生物与氨作用；CH3CH2CNH2O，NaOH，6%12%H2O2CH3CH2CONH2P2O5，工业上的制备方法：羧酸铵盐加热脱水,腈化合物部分水解制备,酰胺、酰亚胺、内酰胺,73,取代酰胺的制备,该化合物简称DMF，能溶解多种难溶有机物和高聚物。,由羧酸或羧酸衍生物与伯胺或仲胺作用：,N,N-二烷基甲酰胺的工业制法:,1,2,74,酰胺还原生成伯胺,N-烷基或N,N-二烷基酰胺还原生成仲胺或叔胺:,例如:,注意产物：与羧酸、酰氯、酯和LiAlH4还原不一样！,75,霍夫曼(Hofmann)酰胺降解反应,伯胺(减少一个碳),用于8个碳以下的酰胺降解反应.,例1：,例2芳香族酰胺的降解,有时用NaOH，X2,RCONH2+NaOX+2NaOHRNH2+Na2CO3+NaX+H2O,76,(2)酰亚胺的制备及特性,两个酰基连在一个氮原子上的产物称为酰亚胺:例如:邻苯二甲酰亚胺:,77,(3)内酰胺化合物,肟,羟胺,是制造尼龙-6的原料:,重排,例如:-己内酰胺:,环状酰胺又称内酰胺,78,分子中含有两个羰基官能团的化合物叫二羰基化合物；其中两个羰基为一个亚甲基相间隔的化合物叫-二羰基化合物。-二羰基化合物，由于共轭效应，烯醇式的能量低，因而比较稳定：,第五章-二羰基化合物,79,亚甲基对于两个羰基来说都是位置，所以-H特别活泼。-二羰基化合物也叫含有活泼亚甲基的化合物。,与FeCl3作用不显色,1、与金属钠作用发出H2；生成钠盐；2、使溴水褪色；3、与FeCl3作用显色。,乙酰乙酸乙酯的特点,注意：若-二羰基化合物中的亚甲基均被烷基取代则无烯醇结构（即不能使溴水褪色）；也不与FeCl3显色。,80,酸性：亚甲基同时受到两个羰基的影响，使-H有较强的酸性（比醇和水强）。互变异构生成烯醇式。在碱作用下，生成负离子：,烯醇负离子的共振式：,由于有烯醇式的存在，所以叫烯醇负离子；又由于亚甲基上也带有负电荷，反应往往发生在此碳原子上，所以这种负离子也称为碳负离子。,-二羰基化合物的酸性和烯醇负离子的稳定性,81,主要,碳负离子的反应类型：(1)与卤烷反应:即羰基碳原子的烷基化或烷基化反应(2)与羰基化合物反应:常称为羰基化合物和-二羰基化合物的缩合反应;当与酰卤或酸酐作用可得酰基化产物;(3)与,-不饱和羰基化合物的共轭加成反应或1,4-加成反应.,-二羰基化合物碳负离子的反应,82,氯乙酸钠,丙二酸二乙酯分子中的-亚甲基上的氢非常活泼:,钠盐,强亲核试剂,与卤烷发生取代反应.,丙二酸二乙酯的制备:,丙二酸酯在有机合成上的应用,83,一烃基取代的丙二酸酯,二烃基取代的丙二酸酯,利用丙二酸酯的碳上的烷基化反应是制备-烃基取代乙酸的最有效的方法.,烃基不同，分步取代！,（1）制备：-烃基取代乙酸,84,补充1：,解：,如三级卤代烃易消除！不行！,烃基不同，分步取代！,85,解：,86,例如:合成丁二酸、己二酸,物料比（2：1）-直链,+CH2I2（醇钠）成环,2C2H5ONaCH2I2,(2)合成二元羧酸,87,2,2,补充2：,88,二卤化物（Br(CH2)nBr，n=37）与丙二酸酯的成环反应,利用丙二酸酯为原料的合成方法，常称为丙二酸酯合成法。,注意物料比1：1,Br(CH2)5Br,2C2H5ONa,n=2，易开环,(3)环状一元羧酸,补充3：,89,两分子乙酸乙酯在乙醇钠作用下发生缩合，脱去一分子乙醇：,-丁酮酸酯,14.4克莱森（酯）缩合反应乙酰乙酸乙酯的合成,（1）乙酰乙酸乙酯的合成,90,（2）克莱森（酯）缩合反应历程亲核加成-消除,乙酸乙酯,克莱森（酯）缩合反应是合成-二羰基化合物的方法。,凡有-H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。,91,补充4：含有-H原子的酯与无-H原子的酯之间缩合,（1）：与苯甲酸酯缩合位引入：苯甲酰基,作业5（2）,92,（2）：与草酸酯缩合位引入：酯基（加热）,作业5（3）,93,（3）：与甲酸酯缩合位引入：醛基,Ph-CH2COOC2H5+HCOOC2H5,C2H5ONa,（4）：分子内酯缩合成环,成环,作业5（4）,94,常用丙酮或其他甲基酮和酯缩合来合成-二酮。,注意：与羟醛缩合反应不同（稀碱条件下，生成，-不饱和醛）。P286,酮-H活泼,（3）酮与酯在乙醇钠作用下的反应类似克莱森（酯）缩合反应：,95,醛、酮还可以和-二羰基化合物（一般是丙二酸及其衍生物），在弱碱（氨或胺）作用下缩合：,亲核加成-消除,（4）克诺文格尔缩合反应*制备，-不饱和酸,96,(三)乙酰乙酸乙酯的-烷基化、-酰基化,CH3COOC2H5,C2H5ONa,-C2H5OH,Na+,CH3I,NaH,-H2,Na+,CH3COCl,97,（1）酮式与烯醇式的平衡,92.5%,7.5%,（2）酮式分解在稀碱(5%NaOH)或稀酸中加热，可分解脱羧而生成丙酮:,（3）酸式分解在浓碱(40%NaOH)中加热,和的C-C键断裂而生成两个分子的乙酸:,乙酰乙酸乙酯在有机合成上的应用,“三乙”反应与格利雅试剂、傅克反应齐名！,98,A:一烃基取代,-碳原子上的烃基化反应.,再反应,(4)乙酰乙酸乙酯烃基化反应-与卤烷亲核取代反应,99,B:二烃基取代,得到的-烃基取代的乙酰乙酸乙酯,再进行酸式或酮式分解,可制得甲基酮、二酮、一元或二元羧酸。还可用来合成酮酸及其他环状或杂环化合物。,注意：两个卤代烃（不同）分步取代，否则产物复杂化,100,两个卤代烃（不同）分步取代，否则产物复杂化。,合成甲基酮(丙酮同系物)和一元羧酸(乙酸同系物),101,补充5：,102,合成：甲基环烷基甲酮,物料比1：1,若：物料比为2：1，如书中习题9（4）（考研题）,比较产物,103,与无-H的醛缩合,1,3-丁二烯与Br2的1,4加成,氢化.,104,与环氧乙烷的反应,补充6：,与“三乙”可再反应合成二酮!,105,例：与酰氯的反应（得到酰基化产物）,在非质子溶液中进行,NaH,酮式分解得：-二酮,在合成上乙酰乙酸乙酯更多的用来合成酮类。(合成羧酸时，常有酮式分解),(5)与酰卤或酸酐作用羰基亲核加成-消除反应,106,补充7,107,酮式分解1,4-二酮酸式分解-酮酸酸式分解二元酸HOOC-(CH2)n+1COOH,（1）与-卤代酮（Cl-CH2COR）反应,（2）与Br-(CH2)nCOOC2H5反应,补充8,108,*,*,由-二羰基化合物和碱作用生成稳定的碳负离子，可以和,-不饱和羰基化合物发生共轭加成反应，结果总是碳负离子加到碳原子上，而碳原子上加个H：,例1：,水解、加热脱羧1,5-二羰基化合物,*碳负离子和,-不饱和羰基化合物的共轭加成麦克尔反应2012,109,例2:,水解、加热脱羧1,5-二羰基化合物,110,乙酰乙酸乙酯在合成中的应用实例,eg1:以乙酸乙酯为原料合成4-苯基-2-丁酮,CH3COOC2H5,RONa(1mol),C6H5CH2Cl,1稀OH-,2H+,-CO2,补充习题,111,eg2:选用不超过4个碳的合适原料制备,2CH3COOC2H5,C2H5ONa,C2H5ONa,Br(CH2)4Br,分子内的亲核取代,稀-OH,H+,-CO2,112,eg3:乙酰乙酸乙酯与BrCH2CH2CH2Br在醇钠作用下反应，主要得到而不是。请解释原因。,吡喃衍生物（主要产物）,有张力,无张力,慢,主要,稀,113,eg4:制备,H+,NaOEt,EtOH,NaOEt,EtOH,CH3I,CH3CH2CH2Br,OH-（浓）,+CH3COOH,酸式分解,114,eg5:选用合适的原料制备下列结构的化合物。,115,eg6:如何实现下列转换,(CH3)3SiCl,蒸馏分离,1moln-C4H9Br,CH3Li,n-C4H9Br,C2H5ONa,HCOOC2H5,(2mol)KNH2,NH3(l),OH-,引入醛基的目的是帮助定向。,-烷基化,116,eg7:如何实现下列转换,合成一：,合成二