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1、第十一章 羧酸衍生物,所谓羧酸衍生物通常指酯、酰氯、酸酐、酰胺和腈。这些化合物都能水解成羧酸；除腈外都含有酰基。 羧酸衍生物既与羧酸有关，也是独立的一大类化合物。它们都是工业生产中的重要原料或中间体；酯和酰胺在自然界广泛存在，想想生命赖以存在的载体蛋白质是由酰胺键所组成就可以知道这类物质对我们有多重要。,11.1 羧酸衍生物的结构、命名和物理性质 1 . 羧酸衍生物的结构 酯、酰卤、酸酐、酰胺的结构与羧酸是类似的，分别是RO、X；、RCOO和RNH取代了羧酸中的羟基。羧酸中羰基是sp2杂化，羟基与羰基有给电子的p-共轭；在酯、酰卤、酸酐、酰胺中的羰基还是sp2杂化，但是RO、X；、RCOO和R
2、NH是否与羰基共轭？这可以从实验测定的键长数据来推断。 在酰胺中，CN键长比胺中要短；在酯中，CO键长比醇中要短；但是在酰氯中，CCl键长与卤代烃中几乎相等：,这说明在酰胺和酯中有明显的p共轭，因此CN和CO之间有部分双键性质，导致相应的键长缩短；而酰氯中这种共轭几乎不存在，因此其CCl键的键长与卤代烃比较没什么变化。 C-N之间的p-共轭作用更强一点。这是因为在元素周期表中，碳与氮相邻，它们的p轨道大小相差不大，因此能比较有效地相互重迭即能比较有效地发生p-共轭。因此与酯和酰氯比较，酰胺的上述电荷分离共振式的贡献最大；酰氯最小。,氮如果与羰基共轭，就意味着氮原子是或接近于sp2杂化。从下面甲
3、酰胺的CNH之间的键角数值可以看出，氮原子大致上是sp2杂化状态；另一方面，根据测定，甲酰胺中所有原子都在同一平面内，这也证明氮原子是sp2杂化状态，与氨或脂肪胺的角锥结构不同。,由于CN之间有部分双键性质，CN键就不能自由旋转(能垒为75.4kJmol1)；同时由于甲酰胺中所有原子都在同一平面内，因此氮上两个氢的化学环境是不同的；如果两个氢换成两个甲基，即N, N二甲基甲酰胺，这两个甲基的化学环境也是不同的，根据核磁共振测定，它们在纯液态在372K的G是21.1kcal mol1。 氰基碳为sp杂化，因此腈的结构与炔相似，是直线状的。乙腈中CN键长为116pm。,2. 羧酸衍生物的命名 酰氯
4、和酰胺是根据分子中所含的酰基命名：,N-甲基-戊内酰胺,酯是根据水解所得的酸和醇命名：,酸酐和腈是根据水解所得的酸命名：,羧酸衍生物的物理性质 甲酰氯在60C以上是不稳定的，立即分解为CO和HCl，因此最简单的酰氯是乙酰氯。甲酸酐是未知化合物。甲酰胺和甲酸甲酯常温下是稳定的化合物。 低级的酰氯和酸酐有剌鼻的气味，而酯则有芳香的气味，存在于水果中，是一些水果香味的根源。酰胺没什么气味。 酰氯、酯和酸酐没有活性氢可成氢键，因此沸点比相应的羧酸低。例如： 乙酸 bp. 118 C 分子量 60 乙酰氯 bp. 51 C 分子量 78.5 乙酸酐 bp.140 C 分子量 102 戊酸 bp.187
5、C 分子量 102 乙酸乙酯 bp.77 C 分子量 88 丁酸 bp.163 C 分子量 90,氮原子上有H的酰胺，由于该H可以与另一酰胺分子生成分子间氢键，因此沸点比较高，甚至高于相应的羧酸，而且除甲酰胺外，RCONH2型的酰胺都是固体；如果氢原子逐个被烷基取代，则氢键逐个减少，其沸点也降低了，并且在室温下也可能呈液态，例如： CH3CH2CONH2(丙酰胺) bp. 213 C mp. 79 C CH3CH2CON(CH3)2 N，N二甲基丙酰胺 bp. 153 C CH3CONH2 (乙酰胺) bp. 221 C mp. 82 C CH3CONHCH3 (N甲基乙酰胺) bp. 204
6、 C mp. 28 C CH3CON(CH3)2 (N，N二甲基乙酰胺) bp. 165 C mp. 20 C,N,N二甲基甲酰胺（bp.153 C）的情况比较特殊，虽然没有氢键，但它的沸点也不低。这是因为它的分子极化很大，而羰基上只有一个氢，因此它的偶极-偶极相互作用很强：,酰胺也容易与水分子缔合。因此低级的酰胺能溶于水。甲酰胺、N-甲基甲酰胺和N,N-二甲基甲酰胺都能与水混溶。随着分子量增大，酰胺在水中的溶解度迅速减小。 腈的极化度非常大。低分子量的腈（乙腈）与水互溶。 表15.1,3. 羧酸衍生物的波谱性质 羧酸衍生物中羰基的伸缩振动的波数C=O对判断羧酸衍生物的种类有些用处。可以认为羧
7、酸衍生物中羰基的伸缩振动的波数以1750 cm1为中心。羰基伸缩振动的波数C=O与碳氧双键的力常数有关。力常数越大，C=O的数值也越大。而双键的力常数与双键的“程度”有关。双键越是像双键，其力常数就越大。如果双键因某种因素被削弱，趋向于单键，其力常数就变小，C=O的数值也变小。因此对于羧酸衍生物中羰基C=O的大小，可以通过分析其碳氧双键的“双键程度”来判断。 酰胺的N原子与羰基有着很好的p-共轭。这种共轭的结果是使羰基双键的电子云更偏向氧原子方向，因而也更削弱了碳氧双键，使碳氧双键更趋向于像单键。因此键的力常数变小，从而使C=O值趋小。所以酰胺的C=O在羧酸衍生物中是最小的，一般在169016
8、20cm1；固相因有氢键，C=O在1640cm1附近，气态高至1700cm1以上。,酰氯中这种p-共轭不明显，并且因为氯原子较强的吸电子诱导，使本来偏向氧原子的碳氧双键的电子云有点向碳方向转移，羰基的双键特性有所加强，因此酰氯的C=O高于酯和酮等，多数在1800cm1附近。芳香酰氯的C=O在1770cm1附近。 酯的C=O在1740cm1附近，比酮的（1720cm1）高，这是因为氧的吸电子诱导效应大于供电子的p-共轭。 假如酸是一个,-不饱和酸，所有这些C=O的伸缩振动频率都要降低20 cm1。 腈的碳氮三键的伸缩振动高于碳氧双键，在23002220 cm1之间，其峰强度比羰基小，但能在此处出
9、现吸收峰的就只有碳碳叁键（多在2100 cm1附近）和异腈酸酯（N=C=O）之类，鲜有别的基团的峰，较为特征。,羧酸衍生物的质谱：酯和酰胺一般可以得到分子离子峰，芳香族衍生物的分子离子峰的强度较大；除简单断裂外，还可能有由于McLafferty重排而产生的碎片离子：,这种重排得到的碎片离子与同一位置以简单断裂方式得到的碎片离子有何不同？,羧酸衍生物中羰基碳谱的化学位移约在160185ppm之间，腈在约110126ppm。酰胺氮上质子的化学位移在58ppm范围内，吸收峰一般呈低宽馒头状。羧酸衍生物能否用核磁共振谱区别？,11.2 羧酸衍生物的反应 羧酸衍生物都含有一个羰基。实验证明，它们主要的反
10、应模式是: 亲核加成离去基离去。,羧酸衍生物的反应活性与上述两步中哪一步是决速步有关。如果亲核试剂进攻、羰基打开为慢的一步，即为决速步，则有利于亲核试剂进攻的底物反应速度就快。空间位阻小、羰基碳正电性显著就有利于Nu进攻；酰氯中p-共轭较不显著，氯原子可以看成是单纯的吸电子诱导基团，显然羰基碳的正电性被加强，有利于Nu的进攻；而酰胺中N的供电性最强，因此酰胺的羰基最不易受进攻。如果第二步离去基的离去为决速步，则离去基亲核性越强，越不容易离去，反应速度就越慢，各种离去基的亲核性有如下次序：,因此羧酸衍生物的反应活性有如下次序：,如果是在酸性溶液中水解，则第一步应该是在羰基的氧上结合一个质子，这时
11、羰基氧的电子云密度越大越容易结合一个质子，但这一步往往是可逆的，而且一般不是决速步，决速步还是羰基打开或离去基离去，而这又与上面述叙的情况差不多，所以一般来说，羧酸衍生物的反应活性总归有着上面巳经指出的那样的次序。,1. 水解反应 虽然水解的难易程度不同，羧酸衍生物水解后都生成羧酸：,低级脂肪族酰氯极易水解，例如乙酰氯，打开瓶盖就冒白烟，因为乙酰氯蒸气与空气中的水蒸气接触立即水解，产生HCl气体。,随着分子量增大，酰氯的水解速度也变慢。这可能是由于酰氯水溶性变小的缘故。由于酰氯是从羧酸制备，酰氯的水解没合成意义，相反经常是要小心避免的反应。 酐也很容易水解，但没有酰氯那样剧烈。酰卤和酐的水解都
12、是不需要酸碱催化的。由于酸酐也是从羧酸制备，所以它们的水解也不用来制备羧酸。 酯的水解可以用来制备羧酸。例如，长链脂肪酸制备的一条重要途径就是从天然油脂水解。酯水解是研究得较多的，酯水解通常在酸碱催化下进行，但不加酸碱酯也会缓慢地水解。 a）、酯的酸性水解 酯的酸性水解是酯化反应的逆反应，因此也是可逆的；烷氧基氧用18O同位素标记的酯进行水解反应，得到的酸中没有18O，说明水解是酰氧断裂：,因此，对一般的酯，酸催化的水解有如下的机理：,在酸性条件下，进攻羰基的只能是H2O，但水的亲核能力很弱，因此第一步羰基氧的质子化是必要的，它可以使羰基极化程度大大增加，有利于水分子的进攻。,位阻对水解有显著
13、影响。因为从sp2杂化的平面结构变成sp3杂化的四面体构型，基团与基团之间的空间距离变小了。所以无论是酸还是醇部分的R，如果位阻大了，都对水解或酯化反应的速度产生不利影响。,位阻大的酯是不是酸性条件下无法水解了呢？也是可以的。例如2,4,6三甲苯甲酸甲酯的位阻很大，它的水解可以这样操作：将2,4,6三甲苯甲酸甲酯溶于浓硫酸，然后将浓硫酸溶液倒在冰上或注入冰水中，则定量地得到2,4,6三甲苯甲酸。,强酸溶液中有利于烷氧基氧上的质子化；之所以能形成酰基正离子，是由于酰基的R能给电子，或者说能分散正电荷，使正离子有一定的稳定性。这种水解的机理称为AAc1，因为在慢的决速步中只是酯的单分子电离。 上述
14、反应中每一步都是可逆的，因此如果将2，4，6三甲苯甲酸溶于浓H2SO4，再将它倒入冷的甲醇中，就可得2，4，6三甲苯甲酸甲酯。 如果是叔醇酯，RCOOC(R)3，酸性水解就应该是烷氧断裂，因为生成稳定的碳正离子。事实证明确实如此，例如乙酸三苯甲醇酯在乙酸催化下，在用18O标记的水中水解，水解后18O是在醇中而不是在酸中：,这就证明发生了烷氧断裂；因此其机理可能为：,这种机理被表示为AAl1（单分子烷氧断裂）。,b）、酯的碱性水解 酯的碱性水解与酸性水解有所不同。首先，碱性水解中碱不是催化剂，而是参与反应的试剂，因为碱会与水解生成的羧酸发生中和反应，生成羧酸盐和水，因此至少需要等mol量的碱，而
15、不是催化量；其次，由于最后生成羧酸盐和水，把生成的羧酸从水解平衡中除去了，所以碱性水解不是一个平衡，而能进行到底。因此实用上酯的水解通常用碱性条件，由于氢氧根负离子的亲核能力比H2O大很多，在碱性水解中HO直接进攻酯羰基：,氢氧负离子进攻、羰基打开这一步是慢的，因此是决速步；由于这一步涉及两种分子，因此碱性水解的速度与酯的浓度和氢氧负离子的浓度都成正比：,同位素实验和立体化学方法都说明，一般酯的碱性水解发生酰氧断裂，所以称之为BAc2（碱性双分子酰氧断裂）。 与酸性水解不同，酯羰基上有吸电子取代基可以使OH易于进攻并使中间体稳定，因此使碱性水解易于进行：,但在空间效应方面与酸性水解相似。如果酯
16、的位阻大，碱性水解速率也变慢，位阻很大的酯碱性水解就不易发生。但是可以用其它特殊的方法水解。,显然从产物可以看出，这是一个亲核取代反应，而且发生了烷氧断裂，因此这种反应可能的机理是碱性双分子烷氧断裂（BAl2）。,例如2,4,6-三甲基苯甲酸甲酯，可以用氰化钠作为试剂使它水解：,c）、酰胺的水解 在羧酸衍生物中，酰胺的羰基最不易受进攻，NH2也是离去倾向最小的基团。因此，酰胺的活性最小。实际上，酰胺的水解最困难，一般要与酸或碱一起加热才能水解。N烃基取代和N，N二烃基取代酰胺的水解更困难。许多酰胺可以用水作重结晶溶剂。,d）、腈的水解 腈是较易获得的原料，其水解也需在酸碱催化下进行，氢氧化钠、氢氧
