第14章羧酸衍生物酰基碳上的亲核取代反应

1、第十四章第十四章 羧酸衍生物羧酸衍生物 酰基碳上的亲核取代反应酰基碳上的亲核取代反应羧酸衍生物是指羧酸分子中羧基上的羟基被羧酸衍生物是指羧酸分子中羧基上的羟基被其他原子或基团取代后所生成的产物。其他原子或基团取代后所生成的产物。通式为通式为：还有腈类化合物：如：还有腈类化合物：如：RCN R CGOG=-OR（烃氧基）酯G=-OCR（酰氧基）酸酐OG=-NH2（氨基）酰胺G=X（卤素）酰卤C-G的键长一般较那些典型键长有所缩短：的键长一般较那些典型键长有所缩短： HCNH2OCH3NH2HCOCH3OCH3OHHCClOCH3Cl137pm147pm133pm143pm178.9pm178.4

2、pmR CGOp- 共轭R CGOR CGOR CGO1、红外光谱、红外光谱羧酸衍生物（腈除外）在羧酸衍生物（腈除外）在18501630cm-1有有强吸收，这是羰基的伸缩震动。强吸收，这是羰基的伸缩震动。酯：酯的酯：酯的C-O在在1050-1300cm-1有两个吸收峰，有两个吸收峰，可用于酯的鉴定。可用于酯的鉴定。 H3CC OCH2CH3OC=OC-OC=OCOCl酸酐：有两个羰基，一般有两个伸缩振动酸酐：有两个羰基，一般有两个伸缩振动吸收，相差约吸收，相差约60cm-1，酸酐的，酸酐的C-O在在1045-1310cm-1处有中强吸收峰。处有中强吸收峰。例如：乙酸酐的红外光谱图例如：乙酸酐的

3、红外光谱图 H3CH3COOOC=OC-O酰胺中的酰胺中的N-H在在36003100cm-1处有特征处有特征吸收。吸收。例如：苯甲酰胺的红外光谱例如：苯甲酰胺的红外光谱图图CONH2N-HC=OC-N 脂肪腈的脂肪腈的CN伸缩振动吸收在伸缩振动吸收在22602240cm-1处，而芳香腈则在处，而芳香腈则在22402220cm-1有特征吸收。有特征吸收。 2、核磁共振氢谱、核磁共振氢谱 羧酸衍生物中羧酸衍生物中质子受羰基的影响，使化学质子受羰基的影响，使化学位移向低场移动，一般位移向低场移动，一般值为值为23。酯分子酯分子中烷氧基上的质子的中烷氧基上的质子的值在值在3.74.1，比酰，比酰基基碳

4、上质子的化学位移更靠向低场。酰胺碳上质子的化学位移更靠向低场。酰胺中氮上质子的中氮上质子的值一般在值一般在58，是宽而矮的是宽而矮的典型吸收峰。典型吸收峰。 01.02.03.04.05.06.07.0C OCH2CH3H3COabcabc14.3.1、酰基碳上亲核反应的概述、酰基碳上亲核反应的概述RCOGRCONuGNu+亲核加成消除反应慢快RCONu + G1 1、碱催化的反应历程、碱催化的反应历程 2、酸催化的反应历程、酸催化的反应历程 RCONuRCOGRCOHNuGNu+RCOHNu- GH+RCOHG-H+ 亲核试剂有亲核试剂有OH-、ROH、NH3、NH2R等等 羧酸衍生物亲核取

5、代反应的活性顺序是：羧酸衍生物亲核取代反应的活性顺序是：酰卤酰卤 酸酐酸酐 酯酯 酰胺酰胺 离去基团的碱性顺序是：离去基团的碱性顺序是：所以，离去基团的离去顺序是所以，离去基团的离去顺序是： NH2RORCOOXNH2RORCOOX酰卤、酸酐、酯和酰胺均可以水解生成羧酸：酰卤、酸酐、酯和酰胺均可以水解生成羧酸： RCOXRCOOCORRCOORRCONHRRCOOHH2O+HXRCOOHROHRNH214.3.2羧酸衍生物的水解反应羧酸衍生物的水解反应1、酰卤的水解、酰卤的水解 在羧酸衍生物中，酰卤水解速度很快，低分子的在羧酸衍生物中，酰卤水解速度很快，低分子的酰卤水解很猛烈。酰卤水解很猛烈。

6、 CH3COCl + H2OCH3COOH + HCl分子量大的酰卤，在水中的溶解度较小，反应速度分子量大的酰卤，在水中的溶解度较小，反应速度比较慢。但若加入使酰卤与水均溶的溶剂，反应就比较慢。但若加入使酰卤与水均溶的溶剂，反应就顺利进行：顺利进行： + H2OC19H39COOH + HClC19H39COCl二氧六环2、酸酐的水解、酸酐的水解 酸酐可以在中性、酸性、碱性溶液中水解，它的酸酐可以在中性、酸性、碱性溶液中水解，它的水解反应比酰卤缓和些，但比酯容易。水解反应比酰卤缓和些，但比酯容易。 + H2OOH3CHOOOHH3CHOOOH3、酰胺的水解、酰胺的水解 酰胺比较难水解。一般需要

7、强酸或强碱以及长时酰胺比较难水解。一般需要强酸或强碱以及长时间的加热回流才能进行。间的加热回流才能进行。 NHCOCH3NO2H3CONH2NO2H3COKOH回流+ CH3COOK 酸催化机理：酸催化机理： HClCH2CONH2回流CH2COOH + NH4ClRCOOHRCONH2RCOHOHNH3+RCOHOHH+R COHNH2-H+HOHRCOHOH2NH2-NH3 碱催化机理碱催化机理： 羧酸衍生物水解反应的活性顺序羧酸衍生物水解反应的活性顺序是：是：酰卤酰卤 酸酐酸酐 酯酯 酰胺酰胺 +RCOOOHRCONH2RCOOHNH2RCOONH3NH34、腈的水解、腈的水解 腈在酸或

8、碱催化下水解成酰胺，继续水解成羧酸，腈在酸或碱催化下水解成酰胺，继续水解成羧酸，是制备羧酸的方法：是制备羧酸的方法： RCOOHRCONH2RCNH 或 OHH2OH 或 OHH2O 酸水解机理：酸水解机理： 碱水解机理碱水解机理： RCONH2+ H+-H+HOHRCOH2NHRCNRCNHRCOHNH+H2ORCNRCOHNOHRCONH2RCOHNH5、酯的水解、酯的水解 一般用碱作催化剂一般用碱作催化剂，效果比酸好些。因为，效果比酸好些。因为OH-是是一个比较强的亲核试剂，容易与羰基碳发生亲一个比较强的亲核试剂，容易与羰基碳发生亲核反应，产生的羧酸与碱作用成盐，羧酸盐不核反应，产生的羧

9、酸与碱作用成盐，羧酸盐不能发生酯化反应，因而可使水解反应完全，是能发生酯化反应，因而可使水解反应完全，是不可逆的。而酸催化水解则是酯化反应的可逆不可逆的。而酸催化水解则是酯化反应的可逆反应。反应。 H2OCOOC2H5COOH+ C2H5OH（1）碱性水解）碱性水解 酯的碱性水解又叫酯的碱性水解又叫皂化反应皂化反应。 RCOORRCOOR酰氧断裂烷氧断裂CH2OCORCHOCORCH2OCORCH2OHCHOHCH2OHRCOONaRCOONaRCOONaNaOH+6 6 酯水解的反应机理酯水解的反应机理 将将18O标记的丙酸乙酯在碱性溶液中水解，生标记的丙酸乙酯在碱性溶液中水解，生成含成含1

10、8O的乙醇的乙醇： 将旋光的乙酸将旋光的乙酸-1-苯乙醇酯水解后，生成有旋光苯乙醇酯水解后，生成有旋光性的性的1-苯乙醇，构型不变：苯乙醇，构型不变： 以上实验表明酯的碱水解发生的是以上实验表明酯的碱水解发生的是酰氧键的酰氧键的断裂。断裂。 NaOH+CH3CH2CO18OC2H5CH3CH2COONaC2H518OHKOH+CH3COOCCH3C6H5HCCH3C6H5HHOCH3COOK(R)(R)反应机理反应机理: 一种认为形成过渡态，类似一种认为形成过渡态，类似SN2反应机理：反应机理： 另一种认为是亲核加成另一种认为是亲核加成-消除机理，即先形成消除机理，即先形成四面体中间体，再脱去

11、烷氧负离子：四面体中间体，再脱去烷氧负离子：RCOOH+COORRCOORRHOROHRCOOROOHRCOOH+ ROHRCOOROOHR COORR COOHOR 将将18O标记的酯在碱性溶液中部分水解，然后标记的酯在碱性溶液中部分水解，然后测定未水解的酯中测定未水解的酯中18O的含量，发现酯中的含量，发现酯中18O的的含量减少，即存在没有含量减少，即存在没有18O的酯，这个现象只的酯，这个现象只能从形成四面体中间体来解释能从形成四面体中间体来解释： + ROOHRC18OORRC18OOHOR+RC18OOH水解交换RC18OHOOR+ RORCO18OH18OHRCOOR +（2）酸性

12、水解）酸性水解 CH3COOCH3 + H2OHClCH3COOH + CH3OH一元伯醇、仲醇酯在酸催化下水解，通常发一元伯醇、仲醇酯在酸催化下水解，通常发生酰氧键断裂。其反应机理为：生酰氧键断裂。其反应机理为： RCOOHRCOORRCOHOHOR+RCOHOHH+R COHOR-H+HOHRCOHOH2ORH-ROH 酸催化下，酯的水解速率和中间体的稳定酸催化下，酯的水解速率和中间体的稳定性有关，空间位阻对其影响也很大。性有关，空间位阻对其影响也很大。如：乙酸酯（如：乙酸酯（CH3COOR）在盐酸中水解的相对速率）在盐酸中水解的相对速率 R CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH

13、3)3C C6H5CH2 C6H5 相对速率相对速率 1 0.97 0.53 1.15 0.96 0.69思考：为什么叔丁基的空间位阻比较大反应思考：为什么叔丁基的空间位阻比较大反应速度反而稍快？速度反而稍快？叔醇酯的水解反应机理：叔醇酯的水解反应机理： 在酸催化下烷氧键发生断裂在酸催化下烷氧键发生断裂： RCOOC(CH3)3+RCOOHH+R COHO-H+HOHC(CH3)3C(CH3)3+H2OC(CH3)3HOC(CH3)3酰卤、酸酐、酯、酰胺均能与醇作用并醇酰卤、酸酐、酯、酰胺均能与醇作用并醇解成酯解成酯 :RCOXRCOOCORRCOORRCONHRRCOORROH+HXRCOO

14、HROHRNH21、酰卤的醇解、酰卤的醇解 这是合成酯的常用方法，比用羧酸直接与醇酯化这是合成酯的常用方法，比用羧酸直接与醇酯化的效果好。特别是对那些不易与羧酸酯化的醇的效果好。特别是对那些不易与羧酸酯化的醇或酚，可通过酰卤来完成。例如：或酚，可通过酰卤来完成。例如： OHCH3COOH +难酯化OHCH3COCl +CH3COOCH3COCl +(CH3)3COHEt2OC6H5N(CH3)2CH3COOC(CH3)3练习练习： 2、酸酐的醇解、酸酐的醇解 (CH3)3COOHSOCl2吡啶C6H5OH(CH3)3CClO(CH3)3COC6H5O酸酐与醇反应比酰卤温和，加酸或碱可以是反应加

15、酸酐与醇反应比酰卤温和，加酸或碱可以是反应加快。这也是制备酯的经典方法。例如：快。这也是制备酯的经典方法。例如： OH+(CH3CO)2O + CH3CH2OHCH3COOC2H5 + CH3COOH(CH3CO)2OCOOHOOCCH3COOH+ CH3COOH浓硫酸水杨酸阿司匹林（乙酰水杨酸）环状酸酐醇解时，一般得到二元酸的单酯环状酸酐醇解时，一般得到二元酸的单酯 有时在一定的条件下也可以形成二酯。例如：有时在一定的条件下也可以形成二酯。例如： + CH3CH2OHOOOOHOOOC2H5邻苯二甲酸氢酯+ CH3CH2OHOOO过量SO3HOOOC2H5OC2H5练习练习： 酰卤、酸酐的醇

16、解反应又叫酰卤、酸酐的醇解反应又叫醇的酰化反应醇的酰化反应。酰卤、酸酐是常用的酰卤、酸酐是常用的酰化剂酰化剂。 + CH3CH2OHOOOOHOOOC2H53、酯的醇解、酯的醇解 在酸或碱的催化下，酯的醇解生成另一种酯和醇，在酸或碱的催化下，酯的醇解生成另一种酯和醇，所以这个反应又叫所以这个反应又叫酯交换反应酯交换反应。例如例如： RCOORH 或 OH+ ROHRCOOR + ROH应用：应用：（1）从低沸点醇的酯来制取高沸点醇的酯：）从低沸点醇的酯来制取高沸点醇的酯：+CH2CHCOOCH3CH2CHCOOC4H9-nn-C4H9OHH+ CH3OH（2）可用于二酯化合物选择性地脱掉一个酯

17、基）可用于二酯化合物选择性地脱掉一个酯基： （3）常用于一些难以合成的酯，如酚酯或烯醇酯。）常用于一些难以合成的酯，如酚酯或烯醇酯。+OCCH3H3COCOO+ CH3OH（大量）CH3ONaOHH3COCOCH3COCH3OSO3H+ CH3OHCH3COOCH3O+H3COOCCH3原酸原酸:羧酸分子中羧基与水加成所得的化合羧酸分子中羧基与水加成所得的化合物。例如原碳酸和原甲酸物。例如原碳酸和原甲酸， 原酸本身不稳定，但它们的酯却是稳定的原酸本身不稳定，但它们的酯却是稳定的: COHOHHOOHCOHOHHOH原碳酸原甲酸COC2H5OC2H5C2H5OOC2H5COC2H5OC2H5HO

18、C2H5原碳酸四乙酯原甲酸三乙酯腈的醇解得到酯和原酸酯。腈的醇解得到酯和原酸酯。 原乙酸三乙酯亚氨酸酯盐酸盐+RCNH3C COC2H5NH2ClC2H5OH + HCl2C2H5OHCH3C(OC2H5)3+ NH4ClClCH2COOH(1)Na2CO3(2)NaCNC2H5OHH2SO4H2CCNCOOHH2CCOOC2H5COOC2H5酰卤、酸酐、酯、酰胺均能与氨或胺作用并氨酰卤、酸酐、酯、酰胺均能与氨或胺作用并氨解成酰胺。氨解反应比水解容易些解成酰胺。氨解反应比水解容易些. RCOXRCOOCORRCOORRCONHRRCONH2NH3+HXRCOOHROHRNH2(RNH2,R2N

19、H)(NHR,NR2)1、酰卤的氨（胺）解、酰卤的氨（胺）解 酰卤与氨的反应速度很快，生成酰胺和氯化氢。这酰卤与氨的反应速度很快，生成酰胺和氯化氢。这是羧酸通过酰卤合成酰胺的一个常用方法。是羧酸通过酰卤合成酰胺的一个常用方法。NH3(CH3)2CHCOCl+(CH3)2CHCONH2+ NH4Cl若制备取代酰胺，常加入吡啶或无机盐：若制备取代酰胺，常加入吡啶或无机盐： +C6H5COClHNNaOHC6H5CNO+ NaCl + H2O2、酸酐的氨（胺）解、酸酐的氨（胺）解 CH(CH3)2+(CH3CO)2OH2NCH(CH3)2NHCH3CONHCH3+(CH3CO)2ONO2NNO2H2

20、SO4COCH3CH3环状酸酐氨解，则开环生成单酰胺酸的铵环状酸酐氨解，则开环生成单酰胺酸的铵盐，酸化后生成单酰胺酸，或在高温下加盐，酸化后生成单酰胺酸，或在高温下加热，则生成酰亚胺热，则生成酰亚胺。 OOOOHOONH2+ NH3300ONH4OONH2H+NHOO酰卤和酸酐的氨解又称为酰卤和酸酐的氨解又称为胺的酰化反应胺的酰化反应。 3、酯的氨（胺）解、酯的氨（胺）解 酯的氨解比水解容易些酯的氨解比水解容易些 + NH30-5ClCH2COOC2H5ClCH2CONH2 + C2H5OHCH3CH2COOC2H5+ H2NNH2CH3CH2CONHNH2-C2H5OHCH3CH2COOC2

21、H5+ H2NOHCH3CH2CONHOH-C2H5OH4、酰胺的氨（胺）解、酰胺的氨（胺）解 CH3CONH2 + CH3NH2CH3CONHCH3 + NH3酰胺的氨解反应相当于酰胺的氨解反应相当于胺的交换反应胺的交换反应。所用的胺。所用的胺的碱性要比置换者强，并需过量。例如：的碱性要比置换者强，并需过量。例如： 1、与格氏试剂反应、与格氏试剂反应 酰卤、酸酐、酯和腈均能与格氏试剂反应生成酮，酰卤、酸酐、酯和腈均能与格氏试剂反应生成酮，酮易与格氏试剂进一步反应生成叔醇。酮易与格氏试剂进一步反应生成叔醇。 RC GORC RORC ROHRMgX(RCN)+G=X,OCOR,OR(2)H3O

22、(1)RMgXR与格氏试剂反应生成酮，但酮很易与格氏试剂进一与格氏试剂反应生成酮，但酮很易与格氏试剂进一步反应生成叔醇。因此，如果用一当量的格氏试步反应生成叔醇。因此，如果用一当量的格氏试剂与酰氯反应，产物为酮和叔醇的混合物，当格剂与酰氯反应，产物为酮和叔醇的混合物，当格氏试剂过量时，则主要产物为叔醇。氏试剂过量时，则主要产物为叔醇。 COClMgBrCOMgBrCOMgBrCOHH3O控制反应条件如低温、或在无水三氯化铁控制反应条件如低温、或在无水三氯化铁存在下反应，产物为酮。存在下反应，产物为酮。对于那些有空间位阻的反应物，也能满意对于那些有空间位阻的反应物，也能满意地得到酮。地得到酮。H

23、3CCOClH3CCOCH3CH3MgIFeCl3-15+CH3CHCH3CClOCH3CH2CMgClCH3CH3乙醚CH3CH2CCH3CH3COCH(CH3)2在有机合成中常用酯与格氏试剂反应来制取在有机合成中常用酯与格氏试剂反应来制取含两个相同烃基的叔醇。含两个相同烃基的叔醇。HCOOC2H5(1)2(CH3)2CHMgBr(2) H2O(CH3)2CH CHOHCH(CH3)2COOC2H5(1) 2 CH3MgI(2) H2OCOHCH3CH3与格氏试剂反应，然后水解生成酮与格氏试剂反应，然后水解生成酮：例如：例如：CN (1) C6H4MgBr(2) H2OCOR CNRMgXC

24、RRNMgXH2ORCRO+ NH3 + Mg(OH)X亚胺盐酸酐、酰胺也能与格氏试剂作用，但在合成酸酐、酰胺也能与格氏试剂作用，但在合成上应用较少。尤其是含活泼上应用较少。尤其是含活泼H的酰胺能分解格的酰胺能分解格氏试剂为烃。氏试剂为烃。 二烷基铜锂能迅速地和酰卤反应，生成酮。而二烷基铜锂能迅速地和酰卤反应，生成酮。而酯、酰胺和腈则不反应。酯、酰胺和腈则不反应。酰氯还可以和有机镉反应得酮。该反应可用于酰氯还可以和有机镉反应得酮。该反应可用于制备酮。例如：酮酯的合成：制备酮。例如：酮酯的合成： n-C4H9OC(CH2)4CClOOn-C4H9OC(CH2)4CCH3OO(CH3)2CuLi+

25、C2H5OC(CH2)4CClOOC2H5OC(CH2)4CC2H5OO+ (C2H5)2Cd14.5.1、用催化氢化法还原、用催化氢化法还原 在催化试剂铜铬氧化物在催化试剂铜铬氧化物(CuO/CuCrO4)存在下通氢，存在下通氢，酯被还原成两分子醇，此称为酯被还原成两分子醇，此称为氢解反应氢解反应。 + H2RCOORRCH2OH + ROHCuO/CuCrO4反应要求高温高压。在反应过程中双键可同时被反应要求高温高压。在反应过程中双键可同时被还原，若分子有苯环时则不受影响。还原，若分子有苯环时则不受影响。+ H2+ CH3CH2CH2OHCuO/CuCrO4COOCH2CH=CH2CH2OH加压罗森孟德（罗森孟德（Rosenmund）反应）反应 酰卤用降低了活性的钯催化剂（酰卤用降低了活性的钯催化剂（Pd/BaSO