有机化学-第十二章--羧酸衍生物和碳酸衍生物.ppt

1、第一节 羧酸衍生物,第二节 羧酸衍生物涉及碳负离子的反应及其 在合成中的应用,第三节 碳酸衍生物、油脂和原酸酯,第十二章 羧酸衍生物和碳酸衍生物,一、结构,酰卤,酸酐,酯,酰胺,羧基中羟基被置换生成羧酸衍生物，它们经简单的水解反应可转变为羧酸.,水解生成羧酸,故也在本章予以讨论.,腈,第一节 羧酸衍生物,羧酸衍生物的结构,R,O,L,p - Conjugation,+C Effect:,二、命名,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 IUPAC 命名法： 2-溴丁酰溴,对甲氧基苯甲酰氯,对氯甲酰基苯甲酸 4-氯甲酰基苯甲酸,2 酸酐

2、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。,普通命名法： 醋酸酐 乙丙酐 丁二酸酐 IUPAC 命名法： （琥珀酸酐） 乙酸酐 乙（酸）丙酸酐 丁二酸酐,3 酯的命名 酯根据水解成的羧酸和醇的命名，称为某酸某酯。内酯命名时，用内酯二字代替酸字并标明羟基的位置。多元醇的酯为某醇某酸酯。,普通命名法： 醋酸苯甲(苄)酯 IUPAC 命名法： 乙酸苯甲酯,常用英文命名,-甲基-丁内酯 2-甲基-4-丁内酯,甘油三乙酯 丙三醇三乙酸酯,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

3、, N, -三甲基戊酰胺 IUPAC 命名法： 2-甲基丙酰胺 N, N, 3-三甲基戊酰胺,常用英文命名,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,5 4 3 2 1,乙酰氯,环己烷羧酰氯,对苯二甲酰二氯,例：,3-甲氧基苯甲酰溴 间-,乙二酰二氯 草酰氯 二光气,碳酰二氯 光气,N,N-二甲基 甲酰胺（DMF）,N-溴代丁二酰亚胺 NBS,邻苯二甲酰二胺,-己内酰胺,N-甲基- 戊内酰胺, , , N-四甲基- -己内

4、酰胺,丁二酰二胺,丙(酸)酐,乙酸苯甲酸酐,邻苯二甲酸酐,氯乙酸异戊酯 3-甲基丁酯,丁炔二酸二乙酯,-萘甲酸乙烯酯, -二甲基- -辛內酯 2, 4- -1, 4-,1,2,3-丁三醇-1,2-二乙酸酯,草酸二乙酯,多官能团化合物命名原则：根据优先次序，选择一个官能团为母体，其它官能团作为取代基。 优先次序：,氨基甲酰基 乙酰氨基 氰基,甲酰基 氯甲酰基 甲氧甲酰基 乙酰氧基,常用取代基,4-乙氧甲酰基丁酸,2-乙酰氧基苯甲酸,例：,(S)-2-氨基-3- (4-羟基苯基)丙酸,(E)-2-乙酰基-3- (3-甲酰基苯基)丙烯酸甲酯,乙酸(3-甲氧基-4- 氰基苯基)酯,5-乙酰氨基-7-(

5、2- 氧代丙基)-2-萘甲酸,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。乙酸 异戊酯（香蕉味）；丁酸甲酯（菠萝味）； -辛內酯（椰子味）。十四碳酸以下的甲酯和 乙酯均为液体。 由于形成分子间氢键，沸点高。除甲酰胺外均是 固体；当酰胺的氮上有取代基不能形成分子间氢 键时为液体。,三、物理性质,酰氯酸酐：,酯：,酰胺：,溶解性：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； 酰胺低级酰胺可溶于水。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.,沸点和熔点,氮上氢被取代后,显著降

6、低.,m.p. 82 28 -20,b.p. 221 204 165,羰基,亲核取代反应,还原反应,与grinard 试剂的反应,R,H,H,O,L,四、化学性质,氢,Claisen酯缩合,羧酸衍生物的球棒模型如下(L=Cl, OCOR, OR, NH2等):,酰胺氮原子上的反应：脱水，脱羰基。,羧酸衍生物的化学性质,（1）酰基上亲核取代反应机理,四面体中间体,酰基上的亲核取代,水解、 醇解、 氨解,酯化反应的机理,*1 加成-消除机制,质子转移,加成,消除,四面体正离子,-H2O,-H+,双分子反应一步活化能较高,按加成-消除机制进行反应，是酰氧键断裂,（2）亲核取代反应相对活性,活性顺序:

7、,理论解释:,加成一步决定因素： 1）L的供电性：34 ， P-共轭使羰基上电子密度 升高，亲核加成反应变难。吸电利于加成反应。 2）L的体积: 体积小，位阻小,反应速度快。,消除一步决定因素： 活性取决于L-基团的稳定性，越稳定越易离去.,共轭酸的酸性：,-2.2 45 1619 34,碱性愈弱，愈易离去。,离去基团的碱性：,酰基上的亲核取代,离去能力：,（一）酰基上的亲核取代,与水猛烈反应并放热,加热下易反应,需催化剂存在下进行,（A）水解：所有羧酸衍生物均可发生，最终产物都是酸,催化剂存在并长时间回流,催化剂存在并长时间回流,控制部分水解,1. 碱性水解 又称皂化反应，同位素跟踪结果表明

8、：碱性水解时，发生酰氧键断裂。,四面体中间体 是负离子,慢,快,反应机理,亲核加成,成盐，不可逆,酯的水解反应,消除,碱性水解的讨论,1. 碱性水解速率与 OH-成正比。 2. 羰基活性越大，-C空阻越小，酯基空阻越小， 反应速率越快。 3. 形成的四面体中间体能量越低，反应速度越快。 （能分散负电荷的取代基对反应是有利的）,4. 酯的碱性水解是不可逆的。 5. 碱的用量要超过催化量。,CH3COOCMe3 Me3CCOOEt CH3COOEt ClCH2COOEt V相对 0.002 0.01 1 296,四面体中间体 是负离子,慢,快,亲核加成,成盐，不可逆,2. 酸性下水解,同位素跟踪结

9、果表明：酸性水解时，发生酰氧键断裂。,反应机理,四面体中间体是正离子,1. 酸在反应中的作用有二： 活化羧基 使OH、OR形成 盐而更易离去。,2 在酯 （RCOOR）中，R有吸电子基团虽能活化 羧羰基，但会使关键中间体正离子能量升高，R 为给电子基团亦有两种相反的作用，故表现不出 明显的影响。,酸性水解的讨论,3. 酯的酸性水解和酯化反应互为逆反应，平衡的移动取决于反应的条件。体系中有大量水存在，发生酯的水解。若有大量醇存在，并采取去水措施，则有利于酯化反应。,四面体中间体是正离子,4. 在RCOOR1中， R对速率的影响是： 一级 二级 三级 R1对速率的影响是： 三级 一级 二级,CH3

10、COOR1在盐酸中，于25OC时水解的相对速率v的 实验数据如下： R1： CH3 C2H5 CH(CH3)2 C(CH3)3 v： 1 0.97 0.53 1.15(机理不同),3o醇酯的酸性水解历程,通过同位素跟踪可以证明上述反应机制,关键中间体,*2 碳正离子机理,属于SN1机理,(CH3)3C-OH,H+,(CH3)3COH2,+,-H2O,-H+,按SN1机理进行反应，是烷氧键断裂,*3 酯的酸性水解和碱性水解的异同点,相同点 1 都是经过加成消除机理进行的，增大空阻，对反应不利。 2 都发生酰氧键断裂。（酸水解3o醇例外）,不同点 1 催化剂用量不同。碱大于1 mol，酸只需要催化

11、量。 2 碱催化反应是不可逆的，酸催化反应是可逆的。结构中有碱 性敏感基团用酸水解 3 吸电子取代基对碱性催化有利。对酸性催化没有明显的影响。 4 碱性催化：1oROH 2oROH 3oROH 酸性催化：3oROH 1oROH 2oROH,A 制备羧酸和醇 B 测定酯的结构,酯水解的应用,酯交换反应 酸或碱催化,（B） 羧酸衍生物的醇解反应-生成酯,酸催化,酸催化为主,肖特-鲍曼条件,肖特-鲍曼条件：反应条件为用吡啶、三乙胺、N , N-二甲苯胺（溶于有机溶剂）等弱有机碱来中和生成的酸，是制备酯的常用方法。,酰氯、酸酐反应活性高，合成酚酯、叔醇酯。酚用酸酰化几乎不反应,环状酸酐控制条件可得单酯

12、或双酯 醇过量产物,酯交换的讨论： （1）酯交换用酸（HCl, H2SO4, 对甲苯磺酸）和碱 （RONa）等催化均可。 （2）3oROH的酯交换比较困难（因空阻太大）。 （3）常应用于一个低沸点醇的酯转化为高沸点醇的 酯，反应过程中将低沸点醇不断蒸出，可移动 平衡。,催化剂,例：酯交换用来制备难合成的酯。酚酯、烯醇酯。,三：,二：,将乙醇不断蒸出。,+ CH3CH2CH2OH,CH3CH2CH2O-,一：,对甲苯磺酸,RCN醇解的反应机制,H+,亚胺酯的盐，无水条件下能得到。,腈的醇解：制备丙二酸二乙酯,ClCH2COOH,H2SO4,C2H5OH,ClCH2COOC2H5,NaCN,NCC

13、H2COOC2H5,制备氰乙酸乙酯,CH3O-,制备醇:,ClCH2COONa,ClCH2COOH,NCCH2COONa,C2H5OOCCH2COOC2H5,Na2CO3,H2O低温,NaCN,C2H5OH,H2SO4,酯的氨解,（C）羧酸衍生物的氨(胺)解或(胺的酰化)生成酰胺,(1) 3o胺不能发生酰基化反应。 (2) 溶于水的酰卤可用NaOH水溶液催化，不溶于水 的酰卤须用有机碱催化。中和，否则消耗原料胺,(3)氨的亲核性比水、醇强，氨解比水解、醇解更易进行。 反应只能碱催化，不能酸催化。,酰胺交换需要打破平衡,与grignard试剂的反应,酰卤,酮,叔醇 两个烃基来自格氏试剂,（二）与

14、金属有机化合物的反应,低温、酰卤过量得到酮,酸酐,有机镉试剂活性低，只与酰卤反应不与酮和酯反应。,叔醇 两个烃基来自格氏试剂,酯,腈,叔醇 两个烃基来自格氏试剂,酮,与grignard试剂的反应,只有甲酸酯生成仲醇,用氢化铝锂能还原所有羧酸衍生物,（三）还原反应,伯醇,胺,还原由易到难,酯的单分子还原：鲍维特-勃朗克还原,定义：用金属钠和无水乙醇将酯还原成一级醇的反应。,RCOOR1,RCH2OH + R1OH,Na-无水乙醇,双键不反应,腈的还原,伯胺,醛,斯蒂芬Stephen 反应,酰卤的还原：罗森孟德Rosenmund还原,酰卤在Pd/BaSO4催化剂存在下，进行常压加氢，可 使酰卤还原

15、成相应的醛，称为Rosenmund还原。,在反应中加入适量的喹啉S或硫脲等做为“抑制剂”可 降低催化剂的活性，以使反应停留在生成醛的阶段。,（四）酰胺的特殊性质,1. 酸碱性,酰胺,具弱碱性,具弱酸性,亚酰胺,氢原子受两个酰基的影响,易以质子的形式被碱夺去,酸性比酰胺强,形成的盐稳定.,酰胺氮原子上的反应,CH3CH3 CH2=CH2 NH3 CHCH C2H5OH H2O pKa 50 40 34-35 25 16 15.7,pka 10 9.62 8.3,15.1,中性,弱酸性,碱性,Br2,KOH,+ H2O,HBr +,丁二酰亚胺,N-溴代丁二酰亚胺NBS,丁二酰亚胺的钾盐,酸碱反应,

16、取代反应,2.酰胺脱水,合成腈最常用的方法之一.,3.Hofmann降解反应,酰胺与溴或氯在碱溶液中作用,脱去羰基生成伯胺的反应.,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.,反应机理：,特点：必须是N上未被取代的酰胺（反应条件与卤仿反应相同）迁移基团从羰基碳原子转移到氮原子上，C-N键的生成和C-C键断裂同时进行，所以当酰胺-是手性中心，重排后构型保持。,不稳定,氮卡宾,异氰酸酯,加成,重排,制备氨基酸,五、制备,（一）羧酸衍生物的相互转化,H2O,（二）贝克曼重排制备酰胺,肟的几何异构,(Z)-苯甲醛肟 (E)-苯甲醛肟,肟在酸催化下重排生成N-取代酰胺,反应机理：,与肟羟

17、基处于反式的烃基发生重排,贝克曼重排特点：,酸催化；离去基团与迁移基团处于反位且反应同步；迁移基团迁移前后构型保留。,（三）拜尔-魏立格氧化（Baeyer-Villiger ）,酮 酯,基团迁移优先顺序：,不对称的邻二醇，重排如何进行？, 优先生成较稳定的碳正离子决定基团迁移及反应的产物。, 提供较多电子的基团优先迁移,迁移能力：芳基 烷基或H,第二节 羧酸衍生物涉及碳负离子的 反应及其在合成中的应用,一、酯缩合 (Claisen酯缩合)反应,定义：具有-活泼氢的酯，在碱的作用下，两分子酯相互作用，生成-羰基酯，同时失去一分子醇的反应。(一分子酯的-活泼氢被另一分子酯的酰基取代，生成1,3二官

18、能团化合物）,3-氧代，二取代,乙酰乙酸乙酯,反应机理：,不可逆,pKa 11,pKa 16,pKa 24.5,pKa 16,只有一个-H，必须用强碱作催化剂，才能使反应进行。,交叉酯缩合,当两种不同的酯，其中一个不含-H时有意义，否则4种产物。,碳酸二乙酯,甲酸酯,-甲基丙二酸二乙酯,是在分子中引入甲酰基的好方法,NaH,0-25oC,H2O,RO-,不能用RONa做催化剂， 会发生酯交换而开环.,实 例 剖 析,例1. 选用合适原料制备,例 2. 选用合适的原料制备,例4. 选用合适的原料合成,逆合成剖析：,具体合成：,二元酸酯:丁二酸酯可发生分子间酯缩合反应，形成六元环的酯。,二元酸酯若

19、分子中的酯基被四个以上的碳原子隔开时，就发生分子内的酯缩合反应，形成五员环或更大环的酯，这种环化酯缩合反应称为狄克曼酯缩合。,分子内酯缩合（ Dieckmann缩合）建立五、六元环系,环化方向 含两种不同-H时, 酸性较大的-H优先被碱夺去。,例 1,例 2,例 3,从理论上分析，有可能生成四种化合物。但酮的-H比酯的-H活泼。酮提供-H为主产物，生成-二酮,酮与酯之间缩合,NaH,NaH,H2O,H2O,例 4,例 5,发生分子内酮酯缩合时,总是倾向于形成五、六元环。,例 6,酮酯缩合,实 例,例 1. 选用合适的原料合成,酯缩合,C6H5COOC2H5 + CH3COOC2H5,1NaH,

20、1NaH,2H+,2H+,-CO,NaH,三、乙酰乙酸乙酯及其在合成中的应用,（一）结构及互变异构 存在酮式和烯醇式争论:,烯醇式结构（1863）CH3C=CHCOOC2H5 Geuther OH 证据：烯烃性质加溴（使溴水褪色）；烯醇式结构三氯化铁水溶液显色；醇的性质与三氯化磷，乙酰氯反应等 酮式结构（1865）： Duppa 和Frankland 证据：有酮的典型性质与亚硫酸氢钠等羰基试剂发生亲核加成反应；还原变为3羟基丁酸乙酯。,-丁酮酸乙酯、3-氧代丁酸乙酯,1911年Knorr证明乙酰乙酸乙酯实际是酮式和烯醇式混合物，酮式和烯醇式混合物是互变异构，两者处于平衡状态，互相转换。,乙酰乙

21、酸乙酯在不同溶剂中烯醇式和酮式比例不同，溶剂极性越小，烯醇式比例越高。质子型极性溶剂易于与酮式形成分子间氢键，酮式比例高；非极性溶剂易于烯醇式分子内氢键的形成，所以在环己烷类非极性溶剂中烯醇式比例高,酮式92.5%,烯醇式7.5%,存在互变异构的原因是生成的烯醇比较稳定：,-H的酸性，亚甲基上的氢活泼容易失去， pKa 11，与氧结合形成烯醇。,由于：,2.分子内氢键,3.形成-、 p-共轭体系,酮烯醇互变异构,烯醇式%,-H的酸性强，共轭体系长，烯醇式比例高,乙酰乙酸乙酯,酮的反应,烯醇的反应,酮烯醇互变异构,酮式 烯醇式,鉴别： 丁酸乙酯 乙酰乙酸乙酯 2-己酮,FeCl3 - +蓝紫色

22、-,Br2/H2O - 褪色 -,2,4-二硝基苯肼 - 黄 黄,NaOH/I2 黄 黄,分子中的亚甲基受两个羰基的,影响，比较活泼，与醇钠等强碱作用，生成乙酰乙酸乙酯的钠盐，可与卤代烃或酰卤反应。,负碳亲核试剂,负碳亲核试剂,乙酰乙酸乙酯的性质,（二）乙酰乙酸乙酯的-烷基化、 -酰基化,CH3COOC2H5,C2H5ONa,-C2H5OH,Na+,CH3I,NaH,-H2,Na+,CH3COCl,酰基化多用酰卤，用氢钠催化，不用醇钠(与醇反应) 。,（三）乙酰乙酸乙酯的酮式分解和酸式分解,H+,-CO2,-OH（稀）,酮式分解生成丙酮,-酮酸不稳定,H2O,H2O,C2H5OH,-OH（浓）

23、,酸式分解生成乙酸,(四)乙酰乙酸乙酯在合成上的应用,烷基和二烷基取代的乙酰乙酸乙酯可进行酮式分解或酸式分解,合成取代乙酸和取代丙酮.,乙酰乙酸乙酯在合成上的应用,二者是竞争反应，都会有副产物,(1)合成甲基酮：,例:,合成,乙酰乙酸乙酯在合成上的应用,先引入大基团，再引入小基团，否则有位阻。,（2）合成一元酸,例,合成2-甲基戊酸,乙酰乙酸乙酯在合成上的应用,应用实例,例1: 以乙酸乙酯为原料合成,CH3COOC2H5,C2H5ONa (1mol),先上烃基，再上酰基,例2: 选用不超过4个碳的合适原料制备,2 CH3COOC2H5,C2H5ONa,C2H5ONa,Br(CH2)4Br,分子

24、内的亲核取代,稀-OH,H+,-CO2,例5: 选用合适的原料制备下列结构的化合物。,由酯缩合反应生成的其它-酮酸酯也可发生同样反应。如Dieckmann酯缩合产物：,四、丙二酸二乙酯及其在有机合成中的应用,（一）特点,丙二酸二乙酯：,-氢活泼,有微弱的酸性:,（二）应用,制备取代乙酸,一取代乙酸,二取代乙酸,应用：合成三、四、五、六元脂环烷羧酸酯,1,1,4,4-环己烷四羧酸乙酯,I2在上例中的作用,2 CH2(CO2Et)2,2 EtO-,BrCH2CH2CH2Br,CH(CO2Et)2,CH(CO2Et)2,2 EtO-,H+,I2,OH-,例1： 用简单的有机原料合成,CH2(CO2E

25、t)2,2EtO-,EtOH,BrCH2(CH2)nCH2Br,OH-,H+,-CO2,SOCl2,CH2(CO2Et)2,2EtO-,例2：合成螺环化合物。,LiAlH4,五、迈克尔加成,具有活泼-H的化合物，在碱作用下形成碳负离子，该碳负离子与，不饱和羰基化合物进行1,4-亲核共轭加成反应，称为麦克尔加成(Michael, A.)反应。(反应产物为1,5-二官能团化合物，尤以1,5-二羰基化合物为多)。,常用碱性催化剂：,+ - + -,+ - + -,-不饱和醛酮亲核加成,94% 1,4加成,反应历程,常见能提供亲核碳负离子的化合物,例：制备1，5二官能团化合物,若受体的共轭体系进一步扩大，也可以制备 1,7-二官能团化合物。,1,6-加成产物 (72 %),1,4-加成产物 (8 %),鲁宾逊（Robinson）增环反应,利用麦克尔加成和分子内羟醛缩合，可在环己酮上再并一个六元环，形成二并六元环结构。,思考题,请对下列反应提出一个合理的机制：,六、 达参反应,-环氧酸酯,* CH2 生成醛 CHR 生成酮,醛、酮与-卤代酸酯在强碱(RONa, NaNH2, (CH3)3COK)催化作用下互相作用，生成,-环氧酸酯的反应称为达参(Darzen, G.)反应.水解、脱