清华大学李艳梅有机化学羧酸衍生物.课件

DerivativesofCarboxylicAcids第十五章羧酸衍生物

15.1Structure&Nomenclature15.2PhysicalProperties&SpectrumData15.3ChemicalReactions15.4Fats,WasandSyntheticdetergent(learnbyyourself)15.5Preparation15.6DerivativesofcarbonicAcid15.7DerivativesofOrtho-Acid15.8peroxyacid15.9Isonitrile15.10SourcesandUsagesofimportantCarboxylicAcidDerivativesContent

15.1羧酸衍生物的结构与命名15.2羧酸衍生物物理性质和波谱学性质15.3化学性质15.4油脂、蜡和合成洗涤剂15.5羧酸衍生物的制备15.6碳酸衍生物15.7原酸衍生物15.8过酸和二酰基过酸15.9异腈15.10重要的羧酸衍生物及羧酸衍生物的来源与用途ContentCarboxylicAcidDerivatives羧酸衍生物羧酸衍生物在结构上的共同特点是都含有酰基。-CN可以被水解成羧酸,所以将腈也归入羧酸衍生物。15.1Structure&Nomenclature

结构酰基与其所连的基团都能形成p-π共轭体系。C-L具有部分双键性质，双键的程度取决于C的稳定性，C的稳定性随L的变化而不同。Acylhalide:L=Cl电负性大Anhydride:Ester:L=O电负性略小Amide:L=N电负性更小

酰卤与酰胺

中文命名根据分子中酰基所含的碳原子数命名为“某酰卤”或“某酰胺”。环状酰胺：内酰胺己内酰胺5-甲基己内酰胺注意：编号沿用羧酸的编号酸酐与腈中文命名根据水解所得的酸命名为“某酸酐”或“某腈”。COCOOH3CH3CCOCOOPhPhCH3CNPhCN乙(酸)酐苯甲(酸)酐乙腈苯甲腈注意计入氰基上的碳原子！若-CN作为取代基，则称为“氰基”。间氰基苯甲酸3-氰基丁磺酸中文命名根据水解所得的酸、醇，命名为“某酸某酯”。酯

乙酸乙酯丙二酸二乙酯乙二醇二乙酸酯丙三醇三硝酸酯丁内酯4-甲基丁内酯123415.2PhysicalPropertiesandSpectrumData

BoilingPoints熔点Even3amideshavestrongattractions.物理性质MeltingPoints熔点Amideshaveveryhighmeltingpoints.MeltingpointsincreasewithincreasingnumberofN-Hbonds.m.p.-61Cm.p.28Cm.p.79C胺的熔点很高,且随着N-H键的增多而上升.

AcylHalide

Tobeirritatinganddecomposeinwaterstrongly.

具有刺激性，遇水剧烈分解。Anhydride

Todecomposeinwater.

遇水分解。Nitrile

Highlypolarized——Highdipolemomentandhighboilingpoint.高度极化，高的偶极矩与沸点其它性质：

Esters

酯

Esterstendtohavesweetsmells.酯一般有芬芳的气息。EsterFormulaFlavour/fragranceMethylbutyrateCH3CH2CH2COOCH3AppleEthylbutyrateCH3CH2CH2COOCH2CH3PineapplePropylacetateCH3COOCH2CH2CH3PearPentylacetateCH3COOCH2CH2CH2CH2CH3BananaPentylbutyrateCH3(CH2)2COOCH2(CH2)3CH3ApricotOctylacetateCH3COOCH2(CH2)6CH3OrangeMethylbenzoateC6H5COOCH3RipekiwiEthylformateHCOOCH2CH3RumMethylsalicylateHOC6H4COOCH3WintergreenBenzylacetateCH3COOCH2C6H5jasmineAmides

胺M.W.57387M.P./0C8228-20B.P./0C221204165CH3CNH2OCH3CNHCH3OCH3CN(CH3)2OManyamidescanformintermolecularhydrogenbond.许多胺类化合物可以形成分子间氢键。

IRSpectroscopy.21HNMRSpectroscopy.313CNMRSpectroscopy

IRSpectroscopy红外光谱

=>1HNMRSpectroscopy1HNMR谱13CNMRSpectroscopy13CNMR谱

15.3ChemicalReactions羧酸衍生物的水解羧酸衍生物的醇解羧酸衍生物的氨解羧酸衍生物的酸解与金属有机化合物的反应与羧酸衍生物的反应其它反应水解、氨解、醇解和酸解反应总论：Nu-=

-OH,H2O水解反应Nu-=HOR’醇解反应Nu-=NH3

氨解反应Nu-=R’COOH酸解反应含义Acylhalide:L=Cl电负性大Anhydride:Ester:L=O电负性略小Amide:L=N电负性更小反应性10111071.0<10-2☆碱性溶液中稳定，在酸性溶液中极易水解成羧酸酯。酯的其它反应Ester

R1COOR2AlLi(t-BuO)3HOrtho-Acidisnotstable,whileitsester,especiallyitsaromaticderivatives,showssomestability.EthylbutyrateEthylformateClaisenCondensationClaisen酯缩合反应Amide

R1CONH2AcylHalideUndergoesHalogenationsonα-Heasierthancarboxylacids.原酸不稳定，但是它的酯，尤其芳香衍生物物却表现出一定的稳定性。——适用于三级醇形成的酯。Lab：CCl4与80％发烟H2SO4（发烟H2SO4中含80％游离的SO3）BenzylacetateHigheracidity强酸性AcylHalideUndergoesHalogenationsonα-Heasierthancarboxylacids.AAc2（酸催化的双分子酰氧断裂）哪个是更好的离去基团？一般反应过程

Reactivitydecreasesasleavinggroupbecomesmorebasic.

随着离去基团碱性增大，离去能力降低，反应活性降低。氨解反应：L=

XL=OCOR’L=OR’’L=NH2离去能力均强于NH2平衡混合物醇解反应：L=

XL=OCOR’L=OR’’L=NH2离去能力均强于OR’平衡混合物离去能力弱于OR’水解反应：L=

XL=OCOR’L=OR’’L=NH2离去能力均强于OH离去能力弱于OH离去能力类似于OH羧酸衍生物的水解Allcarboxylicacidderivativescanbehydrolysedtotheparentacidandanotherproductwithwater.ReactionConditions

ReactionNoCat.HeatingH+orOH-StrongH+orstrongOH-所以羧酸衍生物都可以水解成相应的羧酸和另外一种产物。RatesofHydrolysis(forthesameRgroup)RCOCl>RCOOCOR>RCOOR’>RCONH2>RCONR2RelativeRate

10111071.0<10-2L=X,OCOR’,OR’,NH2AcylHalides酰卤Hydrolysisofacylhalideswithlowmolecularweightoccursquickly,eveninmoistairwithnoacidorbasecatalyst.Reagentsmustbeprotectedfrommoisture.Rateofthereactionslowsdownwiththeincreaseofmolecularweightofacylhalides.Mechanism:Nucleophilicacylsubstitution

机理：酰基的亲核取代Anhydrides酸酐Reactsfasterthanestersbutmoreslowlythanhalides.Hydrolysisoccursinneutral,acidicandalkalinesolutions.Underroomtemperaturehydrolysisrateisslow.Esters酯

ReverseofFischeresterification.Reachesequilibrium.Reactsmoreslowlythanacylhalidesandanhydrides.Generallyneedscatalysis:H+,OH-

“皂化”HydrolysisMechanisms(InAlkalineSolution)ofEster

酯的水解机理（碱性溶液中）QUESTIONSTOBEANSWERED:Cleaveatacyl-oxygenbondoratoxygen-alkylbond.“酰－氧”？“烷－氧”？Singlemolecularmechanismordoublemolecularmechanism?单分子？双分子？SN2mechanismoraddition-eliminationmechanism?SN2？加成－消去？Evidence1:Evidence2:Evidence3:18O-labelingexperiments18O同位素标记PossibleMechanism可能机理ProtonExchange质子交换ANSWERSTOTHOSEQUESTIONS:Cleaveatacyl-oxygenbond.Bimolecularmechanism.Addition-eliminationmechanism.BAc2碱催化酰氧键断裂双分子历程HydrolysisMechanisms(InAcidicSolution)

ofEster:酯的水解机理（酸性溶液中）Threepossiblemechanismsareinvolvedinacid-inducedesterhydrolysis.AAl1AAc2AAc1酸催化酯的水解有三种可能的机理：AAc2（酸催化的双分子酰氧断裂）

——

适用于一般的一元羧酸与伯醇或仲醇形成的酯

AAc1（酸催化的单分子酰氧断裂）

——

适用于羰基附近有空阻因素的情况AAl1（酸催化的单分子烷氧断裂）

——

适用于三级醇形成的酯。Amides酰胺

Reactsmoreslowlythanacylhalides,anhydridesandesters.Strongacidorstrongbaseisrequired.Prolongedheatingisrequired.Nitriles腈Heatingwithaqueousacidorbasewillhydrolyzeanitriletoanacid.Undermildconditions,nitrileshydrolyzetoanamide.

羧酸衍生物的醇解Reaction反应酰卤的醇解Application:Toprepareesters.Pyridine酸酐的醇解分步!两类不同的反应

酯的醇解Cat.:HClH2SO4TosHetcNote:Reversiblereactions

酯交换反应1.合成难以合成或者不能直接酯化合成的酯。酯交换的结果产物不变2.二酯化合物的选择性水解Applications应用:3.工业用途先酯交换，再聚合。eg:

涤纶的合成酰胺的醇解

Catalyzedbyacidiccatalysts.Heatingtohightemperatureisrequired.腈的醇解

Acidiccondition.(eg,HCl,H2SO4)无合成应用价值亚胺酯盐酸盐（无水时可分离得到）有水时可直接得到酯

羧酸衍生物的氨解

Reaction反应酰化剂酰卤的氨解Eg.酸酐的氨解Eg.

酯的氨解Eg.

肼、羟氨亦可反应

Astrongbaseisnotusuallyaleavinggroupunlessit’sinanexothermicstep（放热过程）.酰胺的氨解N-acylimidazoleisalwaysusedasacylationreagent.N－酰基咪唑为优良的酰化剂。腈的胺解高压釜中咪盐羧酸衍生物的酸解Reactions反应酰基转移反应一般均需采取一定的手段使平衡右移酰卤的酸解得到平衡混和物，生成新的酸及酰卤酐的酸解

制备混酐酯的酸解得到平衡混和物，生成新的酸及酯酰胺的酸解得到平衡混和物，生成新的酸及酰胺ReactivityForacarboxylicacidderivativetoundergoanucleophilicacylsubstitutionreaction,theincomingnucleophilemustnotbeamuchweakerbasethanthegroupthatistobereplaced.Acarboxylicacidderivativecanbeconvertedintoalessreactivecarboxylicacidderivative,butnotintoonethatismorereactive.Onlyestersandamidesarecommonlyfoundinnature.Acidhalidesandacidanhydridesundergonucleophilicattackbywatersuchthattheycannotexistinlivingorganisms.与金属有机化合物的反应

与格氏试剂和烷基锂的反应

与二烷基铜锂的反应与格氏试剂、烷基锂反应AcylHalides酰卤Step1Step2Step1EqualmolarR’MgXAnhydrousFeCl3LowtemperatureStep2ForRandR’withlargespacehindrance,reactionmaystopatstep1.Anhydrides酸酐Esters酯

ForRandR’withlargespacehindrance,reactionmaystophere.合成上用处不大Amides酰胺

NOHisallowedinNatom合成上用处不大Nitriles腈亚胺R’CuLiCl

只与活泼的酰卤反应，生成酮，产率很高

羧酸衍生物的还原

酰卤的还原

LiAlH4AlLi(t-BuO)3HRosenmundReductionAcylHalideCanbereducedtoalcoholsoraldehydes.

酸酐的还原二元酸的环酐可还原成内酯酯的还原Mechanism机理Bouveault-BlancReaction玻沃－布兰反应可用于大量制备酰胺的还原1mol0.25mol过量过量N,N-二烃基取代酰胺与还原剂反应可得醛腈的还原

ShortReview：ReactionsofAcylHalides

ShortReview：ReactionsofAnhydride

ShortReview：ReactionsofEster

withGrignardRMgXHydrolysis

H2OAlcoholysis

ROHAminolysis

RNH2ReductionbyLiAlH4AcidHalide

R1COClR1RRCOH

3oalcoholR1COOHR1COORR1COONHRR1CH2OHAnhydride

R1COOCOR1R1RRCOH

3oalcoholR1COOHR1COORR1COONHRR1CH2OHEster

R1COOR2R1RRCOH

3oalcoholR1COOH--R1COONHRR1CH2OHAmide

R1CONH2--R1COOH----R1CH2NH2Nitrile

R1CNR1CORR1COOH----R1CH2NH2CarboxylicacidR1COOHRH------R1CH2OH羧酸衍生物的其它反应α-H

酰卤的α-H卤化酯的其它反应酰胺的其它反应腈的水解AcylHalideUndergoesHalogenationsonα-Heasierthancarboxylacids.α-H卤化比羧酸容易的多。

α-H

酰卤的α-H卤化

酯的其它反应1.ClaisenCondensationClaisen酯缩合反应CH3COC2H5OCH3COC2H5O+C2H5ONaCH3CCH2COC2H5OOpKa=11pKa=17Irreversible

CrossClasiencondensation交叉Clasien酯缩合解决方法之一：无

-H的酯四个可能产物Carbonylgroupconjugateswiththearomaticring,makingthissubstratelessactive.Oftenstrongerbaseisrequired(e.g.NaH).羰基与苯环共轭，不太活泼，缩合时需要较强的碱。Inductioneffectactivatesoneofthecarbonylgroups,andthisreactionisrelativelyeasier.δ+诱导效应使得羰基活泼，容易反应。Whichoneiseasiertoloseitsα-H

?解决方法之二：酯与酮的缩合酮的α-H

酸性更强DieckmannReaction狄克曼反应：分子内酯缩合，生成环酯－－合成五、六元环的方法…………2.AcyloinCondensation酮醇缩合ReactionMechanismBimolecularreduction双分子还原

-羟基酮Applications应用SynthesisofcatenaneSynthesisofMicro-reactor

索烃Synthesisofcatenane索烃的合成Productofarandomcross成环反应的策略！p-π

conjugationp-π共轭Higher

acidity强酸性酰胺的其它反应Loweralkalescency弱碱性Acidity酸性Alkalescency微碱性ShowsnoacidityReactwithNaOEtReactwithNaOHorKOH1.AcidicandAlkalineProperties酸碱性

2.Dehydration脱水

3.Hoffmanndegradationofamides霍夫曼降级反应Oftenusedwhensynthesizingaprimaryaminewhichcontain1carbonlessthanthereactant.用于制备少一个碳的一级胺腈的水解Nu：接受亲核试剂的进攻StrongElectrophilicreagents接受强亲电试剂进攻+Acid+Base酸性条件下碱性条件下RitterReaction里特反应用途：特殊胺的制备强酸性溶液中，由叔醇生成的碳正离子类似于质子，可进攻氰基氮原子。15.4Fats、WaxandSyntheticDetergents

油脂、蜡和合成洗涤剂

（Learnonyourown）Inorganism生物体系中4Fats,WasandSyntheticdetergent(learnbyyourself)RelativeRateBaeyer-VilligerReactionBoilingPoints熔点诱导效应使得羰基活泼，容易反应。Bimolecularmechanism.AcylHalideUndergoesHalogenationsonα-Heasierthancarboxylacids.EqualmolarR’MgX油脂（一）分类（二）化学性质肥皂与合成洗涤剂（一）结构特点（二）洗涤原理磷脂与生物膜蜡油脂油脂皂化油的干性碘值酸败肥皂合成洗涤剂磷脂蜡15.5Preparation

羧酸衍生物的制备

（Learnonyourown）15.6DerivativesofCarbonicAcid

碳酸衍生物CarbonicAcidH2CO3Stable稳定Unstable不稳定羟基甲酸共用一个羰基的二元酸碳酸的酰氯单酰氯Unstable不稳定二酰氯Phosgene光气6/15/2004FujianInstituteofResearchontheStructureofMatterPhosgeneleakingcaused1deathand260injury.

氯代甲酸窒息性，剧毒，引起肺水肿Preparation制备Lab：CCl4与80％发烟H2SO4（发烟H2SO4中含80％游离的SO3）Industrial工业方法Phosgenegenerator性质：类似于羧酸的酰氯，可水解、氨解及醇解氯代甲酸酯碳酸二酯尿素异氰酸Usage用途Itoftenworksasanactivereagent,orstartingmaterialinorganicsynthesis.是一种活泼试剂，也是有机合成中的起始原料。碳酸的酰胺单酰胺“灭菌灵”氨基甲酸Unstable氨基甲酸盐氨基甲酸酰氯氨基甲酸酯Preparation制备

二酰胺（尿素）Carbamide(urea),isoneofthefinalproductsofproteinmetabolizm.About30gofCarbamideperdayisdischargedfromahealthyadult.

Wöhl’sReactionIndustrial工业上Properties性质Inmicroorganism土壤中Inorganism生物体系中InLab实验室1.Hydrolysis水解2.Nitrogenreleasingreaction放氮反应

ThisreactionisoftenusedtomeasurethecarbamidecontentinureabymeasuringthevolumeofN2produced.测氮气的体积可知尿液中尿素的含量。

Thisreactionisoftenusedtodestroyoxidesofnitrousacid,andnitrogenoxides.用于破坏亚硝酸及氮的氧化物。3.BiuretReaction双缩脲反应碱CuSO4溶液紫红色溶液凡化合物中含不止一个酰胺片段NHCO

，均发生此反应。这个反应因此也用来进行多肽的鉴别。Ala-His-Ser双缩脲碳酸的酯碳酸一酯Preparation制备CO2+CH3ONaOOONaH3Csodium

methyl

carbonateH+CO2+CH3OH碳酸甲酯钠碳酸二酯Preparation制备Properties性质碳酸二酯主要用于聚碳酸酯的合成酯基转移反应15.7DerivativesofOrtho-Acid原酸衍生物原碳酸衍生物15.7.2原酸衍生物－－原酸酯原酸Verystable非常稳定游离状态下亦稳定Doesnotexist不存在胍原碳酸衍生物Preparation制备Ortho-Acidisnotstable,whileitsester,especiallyitsaromaticderivatives,showssomestability.原酸不稳定，但是它的酯，尤其芳香衍生物物却表现出一定的稳定性。原甲酸三乙酯15.7.