有机化学第十三章 羧酸衍生物

1、第十三章羧酸衍生物,第十三章羧酸衍生物,羧酸分子中羧基上的羟基被其它原子或原子团取代后生成的化合物叫羧酸衍生物。,一、羧酸衍生物的命名,酰卤由相应酸的酰基和卤素组成。,乙酰氯,对甲氧基苯甲酰氯,苯甲酰溴,13-1羧酸衍生物,可作为酰基的卤化物，在酰基后加卤素的名称。,2-溴丁酰溴,酰胺由相应酸的酰基和“胺”组成它的名称。若氮上有取代基，在基名称前加N标出。,乙酰胺,环己烷甲酰胺,丙二酰胺,苯甲酰胺,N-乙基乙酰胺,N,N-二甲基甲酰胺,邻苯二甲酰亚胺,邻苯二甲酰胺,二分子不同一元羧酸所得的酐叫混酐。,命名时，简单或低级酸在前，复杂或高级酸在后，再加上“酐”字。,酸酐：,二分子相同一元酸所得的酐

2、叫单酐。命名在酸字后加“酐”字。,乙酸酐,丁二酸酐,苯甲酸酐,邻苯二甲酸酐,甲乙酐,乙丙酐,环酐：在二元酸的名称后加酐字。,酯以相应的酸和醇来命名，酸在前，醇在后，再加一个“酯”字。,乙酸乙酯,苯甲酸乙酯,乙酸苯酯,二乙酸乙二醇酯,草酸单乙酯,草酸甲乙酯,内酯命名时，用内酯二字代替酸字并标明羟基的位置。,2-甲基-4-丁内酯,乙酸苯甲酯,1.物理性质,羧酸衍生物的分子中都含有C=O基，因此它们都是极性的化合物。,乙酸异戊酯-香蕉香味正戊酸异戊酯苹果香味正丁酸正丁酯菠萝香味,低级酯具有令人愉快的香味，常作香料。许多花、果的香味是由于羧酸酯而引起的。C14酸以下的甲酯和乙酯均为液体。,低级酰卤和酸

3、酐都是具有对粘膜有刺激性臭味的液体，高级的为固体。,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。,酰卤和酯由于不存在氢键，沸点比相应的酸低得多，而酰胺却有较高的沸点（如果胺基上氢被烃基取代后，由于缔合程度减小而使沸点降低）。,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。,2.光谱性质,羧酸衍生物的羰基吸收在16301850cm-1之间。不同衍生物C=O伸缩振动吸收频率不同。,红外光谱：,各类羧酸衍生物一般都可直接从相应的羧酸制得，有时也可以从一种羧酸衍生物变成另一种羧酸衍生物。,酰卤中最重要的是酰氯，可由

4、羧酸与三卤化磷、五卤化磷、亚硫酰氯等反应制得。,酰卤的制备,三、羧酸衍生物的制备,说明（i）反应原料是羧酸，反应试剂是SOCl2、PCl3、PCl5。（ii）反应需在无水条件下进行。（iii）产物酰卤通常都通过蒸馏方法提纯，所以试剂、副产物与产物的沸点要有较大的差别。,实例,制备单纯的酸酐-羧酸的脱水（甲酸除外）,可以用一元羧酸或二元羧酸脱水制备。,2.酸酐的制法,制备混合酸酐（酰卤和羧酸盐的反应）,酰卤与无水羧酸盐共热可制得单酐或混酐,常用脱水剂：P2O5、乙酸酐,如果能生成稳定的五、六元环酸酐的二元羧酸，则更易脱水，只须加热而不用脱水剂。,4.酰胺的制备,酰胺可以由羧酸、酯、酸酐、酰卤与氨

5、作用制备,3.酯的制备,可以由醇与羧酸、酰卤、酸酐反应制得,四、羧酸衍生物的化学性质,羧酸衍生物的结构和反应性能,-H的活性,羰基的活性,离去基团,-H的活性减小（-H的pka值增大）,羰基的活性减小（取决于综合电子效应）,W的离去能力减小（离去基团的稳定性减小）,水解,羧酸衍生物水解都生成相应的羧酸,水解活性：酰氯酸酐酯酰胺,1.羰基的亲核取代反应,酯水解是可逆过程，但在OH-条件下水解生成盐，平衡破坏，水解可进行到底。,V=KRCOOR/OH-,碱性水解，动力学证明是SN2反应历程,同位素示踪实验证明，不管是H+催化剂还是OH-催化剂，大多数羧酸酯水解是酰氧键断裂。,碱性水解的讨论,CH3

6、COOCMe3Me3CCOOEtCH3COOEtClCH2COOEtV相对0.0020.011296,这个历程称BAC2历程（B碱性，AC酰氧键断裂，2双分子反应）可看成加成-消除反应。,碱性水解历程：,碱性水解速率与-OH成正比。酯的碱性水解是不可逆的。碱的用量要超过催化量。羰基活性越大，-C空阻越小，酯基空阻越小，反应速率越快。,CH3COOR/在盐酸中，水解的相对速率v的实验数据如下：R/：CH3C2H5CH(CH3)2C(CH3)3（25）v：10.970.531.15(机理不同),酸性水解的讨论,酸性水解历程：,一般酯在H+催化剂下的水解按AAC2历程进行（A酸性，AC酰氧键断裂，2

7、双分子反应），为可逆反应。,酸在反应中有活化羧基的作用。,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。,叔醇的酯水解只能用新（烷氧键断裂，单分子反应）的机理来解释。,酯的酸性水解和碱性水解的异同点,相同点都是经过加成消除机理进行，增大空阻，对反应不利。都发生酰氧键断裂,不同点催化剂用量不同。碱大于1mol，酸只需要催化量。碱催化反应是不可逆的，酸催化反应是可逆的。吸电子取代剂对碱性催化有利。对酸性催化没有明显的影响。碱性催化：伯ROH仲ROH叔ROH酸性催化：叔ROH伯ROH仲ROH,醇解,羧酸衍

8、生物都可以与醇作用生成相应的酯。,反应活性顺序为：酰氯酸酐酯酰胺,酰氯醇解可用来合成较难直接由羧酸酯化的酚酯。,环状酸酐醇解得到单酯酸,酯醇解得到一个新的酯和醇，故称为酯交换反应。,酯交换的讨论酯交换用酸（HCl,H2SO4,对甲苯磺酸）和碱（RONa）等催化均可。叔ROH的酯交换比较困难（因空阻太大）。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。,氨（胺）解,酰氯、酸酐、酯与氨作用生成的反应叫做氨解。,反应活性顺序为：酰氯酸酐酯,羧酸衍生物的水解、醇解、氨解的反应历程相似，属于亲核取代反应。,这是个碱催化机理，整个过程是加成消除历程，碱的作用是增强试

9、剂的亲核性。,羧酸衍生物羰基体现了取代活性：,酰氯酸酐酯酰胺,反应速度：R=-CH3-C2H5-CH(CH3)2-C(CH3)3,与格氏试剂反应,反应是否终止在酮阶段与羰基活性、试剂的用量及反应条件有关。,酰卤,酰卤比酮活泼与格氏试剂反应比酮快，故在温和条件下使用过量的酰卤，可得到较高产率的酮。,如果要得到叔醇，则要加剧反应条件和加大格氏试剂的用量。,酸酐与格氏试剂在室温下也可以得到酮。,酸酐,酰胺,酰胺不能与格氏试剂反应，因为有活泼氢之故。,但具有位阻大的酯可以停留在酮阶段。,酯,酯与格氏试剂反应先生成酮，由于格氏试剂对酮的反应比酯还快，反应很难停留在酮阶段，因此最终产物是叔醇。,羧酸衍生物

10、均具有不饱和键，可以多种方法进行还原，不同衍生物以不同的还原方法得到不同的还原产物。,酸酐,酸酐用氢化铝锂还原时，得二分子醇。（不能被NaBH4还原）,酰胺,（注：NaBH4不能还原酰胺）,2.羧酸衍生物的还原,还原剂为：LiAlH4、NaBH4、H2/Ni、Pd、Pt时产物为醇。,酰氯用毒化的钯，或用三叔丁氧基氢化铝锂还原能制备各种醛。,酰氯,酰氯可还原成醛或醇。,酯,酯较易被还原，可以被多种还原方法来还原，生成二分子醇。,缩合反应是指两个或多个有机分子在缩合剂存在下结合成较复杂的分子，同时放出H2O、NH3、HX、R-OH等简单分子的反应。,羧酸衍生物的-H与醛酮一样有弱酸性。,3.缩合反

11、应,克莱森（Claisen)缩合（也叫酯缩合反应）,酯分子的-H在OH-条件下与另一分子酯失去醇得到-酮基酯称酯缩合反应。,克莱森缩合,过程：-C2H5OH（-H，-OC2H5）,反应物：酯,产物：-羰基化合物,碱性催化剂：乙醇钠、NaNH2等,反应历程,如果两个不同的酯都有-H也可以发生酯缩合反应，理论上可以得到四种产物，在制备上没有很大价值。,如果两个酯中只是一个有-H，另一个酯无-H，通过控制反应条件也可得一个主要的产物，有合成意义。,C2H5ONa,自身缩合,交叉缩合,（主）79%,（次）,含6个或7个碳的二元酸酯，在碱性催化剂作用下环化生成五元或六元环为主的-酮酯称为狄克曼反应。,狄

12、克曼（Dieckmann)缩合（也叫酯分子内缩合）,不对称的二元羧酸酯进行缩合，主要是位阻少的-H被去掉。,芳香醛和酸酐在相应羧酸钠（或钾）盐的存在下可发生类似羟醛缩合的反应，生成，-不饱和芳香酸的反应，叫柏琴反应。,柏琴（Perkin)反应（不饱和酸的合成）,反应历程,酰胺与次卤酸钠的碱溶液的作用下脱去羰基生成伯胺。,4.霍夫曼（Hofmann)降级反应,一、油脂,脂肪常温下呈固态或半固态，如牛油、猪油、奶油等,油脂是油与脂肪的总称。存在于动植物组织中。,油常温下呈液态，如豆油、花生油、菜籽油等,从组成上看，油脂都是直链高级一元脂肪酸的甘油脂。,固态或半固态。范围小，单指油脂,范围广，包括脂

13、和无机、有机羧酸的酯,液态,13-2油脂和合成洗涤剂,从油脂中得到的脂肪酸主要是含偶数碳原子的直链的饱和或不饱和的羧酸。,不同的油脂（牛油、猪油、奶油、花生油等）都是甘油和脂肪酸结合而成的酯类化合物，不过脂肪酸略有区别。,月桂酸CH3(CH2)10COOH肉豆蔻酸CH3(CH2)12COOH软脂酸CH3(CH2)14COOH硬脂酸CH3(CH2)16COOH,常用饱和脂肪酸为：,油脂物性：,相对密度0.90.98之间，都比水轻，没有恒定的沸点和熔点（都是混合物的缘故）,纯净的油脂是无色、无味、无臭的物质，因含有色素和杂质，才有不同的颜色和气味。,油脂不溶于水，易溶于乙醚、氯仿、丙酮、苯及热乙醇

14、中。,油脂化性：,油脂在酸或碱条件下，可以水解生成甘油和高级脂肪酸（一般C12）,1.水解,2.干性,指某些植物油（如亚麻油、桐油等），把它们涂成薄层置于空气中，会变成一层坚韧、有弹性，不透水的薄膜，这种特性叫油脂的干性（或叫干化）。,干性分三类,干性油：碘值130,半干性油：碘值100130,非干性油：碘值100,实践证明，油的干性大小（即成膜的快慢）是与油分子中含双键数目及双键结构是否共轭有关（双键聚合的结果）。,碘值指100克油脂所吸收的碘的克数。,含不饱和脂肪酸的油脂，在催化剂（Ni、Pt、Pd）作用下可以加氢，从而转化为饱和程度高的固态或半固态的脂。,3.加氢,油脂贮存过久变质，颜色

15、加深并有难闻的臭味叫酸败。,4.酸败,氢化油熔点较高，不易变质，有利于贮存和运输。,这种加氢的油脂称为氢化油或硬化油。,2.肥皂的去污原理,二、肥皂和合成洗涤剂,当肥皂在水表面时，是亲水基进入水中，憎水基排除在水表面外，这样脂肪酸钠削弱了水表面上水分子与水分子之间的引力，降低了水的表面张力。,衣物上的油污用肥皂处理后，肥皂分子憎水部分进入油污层，经机械振荡，油污逐渐分散并形成表面排布着亲水基团的小滴，而被水分子插入水中成乳浊液，油滴不再回到衣服上而除去。,3.合成洗涤剂,通过合成的方法合成了一系列与肥皂分子相似结构的洗涤剂。,合成洗涤剂种类很多，按分子结构特点可分为三种类型：,与阴离子型洗涤剂

16、相反，溶于水时，其有效部分是阳离子。,阳离子型洗涤剂,阴离子型洗涤剂,合成洗涤剂如：,它们多数为季铵盐，也有一些含S或P的化合物。,它们都是具有杀灭细菌和霉菌的能力，主要用于外科手术时皮肤及器械消毒。,非离子型洗涤剂,这类型洗涤剂在水溶液中不离解，是中性分子，起活性作用的是整个分子，其亲水部分是含有羟基及多个醚键。,这类化合物是粘稠液体，与水极易混溶，洗涤效果很好，是目前家用液体洗涤剂的主要成分。,表明分子中含有羰基的结构,表明分子中含有烯醇式结构,乙酰乙酸乙酯的NMR和IR图谱显示其分子中既有双键，也有羟基和羰基。,13-3乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酸在有机合成上的应用,物理的方法和化学的方法

17、都证明乙酰乙酸乙酯是一个酮式异构体和烯醇式异构体组成的混合物。,二、乙酰乙酸乙酯的应用,乙酰乙酸乙酯在碱作用下可发生酮式分解和酸式分解。,2.应用,1.制备,与乙酰乙酸乙酯类似，丙二酸酯分子中亚甲基上氢是活泼的，可与醇钠反应，生成丙二酸酯的钠盐。它可以作为亲核试剂与卤代烷、二卤代烷、酰卤、卤代酸酯等反应而导入烷基等基团，再经过水解脱羧，得到相应的一元羧酸、二元羧酸等化合物。,2.应用,丙二酸二乙酯通常由氯乙酸合成,三、丙二酸二乙酯的应用,合成一元羧酸,R-CH(COOC2H5)2,合成二元羧酸,当2mol丙二酸二乙酯用2mol醇钠处理，可以得到双钠盐，再与1mol双卤代烷反应可制备二元羧酸。,

18、合成脂环羧酸,一、合成的目的和要求,所谓有机合成就是从简单易得的原料，通过一步或多步化学反应制备出比较复杂的目标分子的过程。它也包括将复杂的物质变为简单物质的过程。,134有机合成路线,1.合成的目的,2.合成的要求：,通过一定的反应，使原来分子中某一个或几个化学键断裂，同时形成一个或几个新的化学键，从而使分子发生转变或将几个小分子连接起来。,合成的步骤越少越好；每步的产率越高越好；原料越便宜越好。,化学反应是合成的基础，合成路线本来就是由一些具体的反应，按照一定的逻辑思维组合起来的。,合成目标化合物分子的骨架,引入所需的官能团,解决好目标化合物的立体化学方面的要求,合成一个有机化合物要考虑的

19、核心问题不外是三个方面：,二、有机合成的基本反应,官能团的引入与转换,官能团的相互转化,在有机合成中，往往要考虑到某些官能团也会受到反应试剂或条件的影响而产生副反应，甚至影响整个合成过程。因此在合成时必须采取对某些受影响的基团暂时转换为另外的稳定的结构，而进行保护措施，待反应完毕再使基团复原。,在选择保护基时要符合下列要求:,在温和条件下易与被保护基团反应。,保护基必须在保护阶段的各种条件下是稳定的。,保护基易于在温和条件下除去。,三、官能团的保护,R=伯、仲、叔烃基,四氢吡喃醚：对碱、格氏试剂、烷基锂、催化加氢及一些氧化剂稳定。但对酸不稳定。,转变成醚,醚：对格氏试剂、还原剂、氧化剂、碱稳定

20、。,1.醇羟基的保护,四氢吡喃醚,2.酚羟基的保护,苯甲醚：对碱、氧化剂、还原剂等稳定，但对酸不稳定。,3.醛、酮、羰基的保护,缩醛（酮）：对还原剂、氧化剂、碱、格氏试剂稳定，但对酸不稳定。,4.羧基的保护,5.氨基的保护,6.双键的保护,卤代烃：对碱、氧化剂、还原剂稳定,当我们为一个目标化合物设计了几条可能的合成路线时，可以根据几条原则来评估各条路线的优劣，从而选择最佳路线。,有机合成路线的选择原则:,7.芳环位置的保护,四、选择合成路线的步骤和方法,反应步骤少，收率要高是选择合成路线的重要因素。,假如反应每步产率90%，则3步后总产率为(0.9)3100=73%,假如反应每步产率70%，则

21、3步后总产率为(0.7)3100=34%,平衡法：,其中只有3步连续，总产率为（0.9)3100=73%,如用5步反应，每步产率90%，,直线法：,则5步后总产率为（0.9)5100=59%,原料易得是指合成要用些基本的原料。常用“三烯一炔”（乙、丙、丁烯及乙炔），“三苯一萘”（苯、甲苯、二甲苯及萘）及小于C4原子的醇类和甲醛、乙醛、草酸、卤苯、环己烷、丙二酸二乙酯等。,实验方法切实可行，包括实验室方法或工业方法，因为并非所有的反应都有合成意义。另外，尽量使用经典的反应，若不平常的反应过多，失败的机会也会多，且关键的反应越早出现越好，即决定整个合成成败的反应应尽早出现。如果关键反应在整个合成路线的后面，一旦失败，就前功尽弃。,首先分析产物的结构要求,包括碳架、官能团及其位置立体化学要求等。,利用倒推（逆向合成）法思考。,从产