第十二章第十二章 羧酸及其衍生物羧酸及其衍生物 Carboxylic acids and derivatives一、羧酸的结构、分类和命名一、羧酸的结构、分类和命名二、羧酸的物理性质二、羧酸的物理性质三、羧酸的化学性质三、羧酸的化学性质四、一些重要羧酸的来源和应用四、一些重要羧酸的来源和应用五、羧酸衍生物的命名五、羧酸衍生物的命名六、羧酸衍生物的物理性质六、羧酸衍生物的物理性质七、羧酸衍生物的化学性质七、羧酸衍生物的化学性质八、重要的羧酸衍生物八、重要的羧酸衍生物九、碳酸衍生物九、碳酸衍生物1第一节第一节 羧酸的结构、分类和命名羧酸的结构、分类和命名分子中含有分子中含有-COOH的化合物,叫羧酸;通式的化合物,叫羧酸;通式 : RCOOH 共同的功能团:羧基共同的功能团:羧基 COOH (Carboxyl group)一、羧基的结构一、羧基的结构1.23Å1.36Å醇中醇中C-O单键键长为单键键长为1.43Å羧羧酸酸中中,,羧羧基基的的C是是sp2杂杂化化,,三三个个杂杂化化轨轨道道,,分分别别与与O、、O、、R成成键键,,三三个个s s轨轨道道在在一一个个平平面面上上,,键键角角大大约约是是1200,,碳碳上上还还剩剩下下一一个个p轨轨道道,,与与O上上的的p轨轨道道侧侧面面交交盖盖,,形形成成p p键键。
同同时时,, p p键键又又可可以以与与羟羟基基的的O上上未未共用电子对共用电子对p- p p形成共轭体系共轭结果使得键长趋于平均化形成共轭体系共轭结果使得键长趋于平均化2二、羧酸的分类二、羧酸的分类 根据分子中所含根据分子中所含羧基的数目:基的数目: 一元酸一元酸 CH3COOH 二元酸二元酸 HOOCCH2CH2COOH 多元酸多元酸 HO-C(CH2COOH)2COOH 柠檬酸檬酸 根据根据烃基基R的性的性质:: 芳香芳香羧酸酸 ArCOOH PhCOOH 脂肪脂肪羧酸酸 RCOOH 脂脂环羧酸酸 COOH饱和和羧酸酸 CH3COOH不不饱和和羧酸酸 CH2=CH2COOHCOOH3二、羧酸的命名二、羧酸的命名A. 普通命名法:简单的羧酸根据其碳原子数目称某酸;普通命名法:简单的羧酸根据其碳原子数目称某酸;B. 俗名:根据其天然来源命名;俗名:根据其天然来源命名;CH3CHCOOHOH—乳酸乳酸HCOOHCH3COOHCOOHCOOH—甲酸甲酸 — 蚁酸蚁酸乙酸乙酸 — 醋酸醋酸乙二酸乙二酸 — 草酸草酸HOOCCH―CHCOOHOH—OH—酒石酸酒石酸CH3CHCH2COOHOH—苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸HO―C―COOH― ―CH2COOHCH2COOH4C.C. 系系系系统统(IUPAC)(IUPAC)命名法:命名法:命名法:命名法:1.选取含羧基的最长碳链作为主链,由主链碳原子数称某酸;选取含羧基的最长碳链作为主链,由主链碳原子数称某酸;2.从羧基一端开始给主链上碳原子编号;从羧基一端开始给主链上碳原子编号;3.取代基、不饱和键的位置用阿拉伯数字标出;取代基、不饱和键的位置用阿拉伯数字标出;4.脂环酸和芳香酸则把脂环和脂环酸和芳香酸则把脂环和/或芳环看作取代基。
或芳环看作取代基CH3CHCH2CH2COOH―CH321345CH3CHCH=CHCOOH―CH3213454-甲基甲基-2-戊戊烯酸酸4-甲基戊酸甲基戊酸CH2CH2COOHHHCOOHCH3COOHOH3-环戊基丙酸戊基丙酸 -环戊基丙酸戊基丙酸3-羟基基环戊戊烷酸酸 -羟基基环戊戊烷酸酸顺-2-甲基甲基环己己烷酸酸环直接与羧基相连称为环烷酸,编号从羧基所连接的碳开始环直接与羧基相连称为环烷酸,编号从羧基所连接的碳开始1S,2R)-2-甲基甲基环己己烷酸酸5COOHCH2COOHCH2CH2COOHCH=CH2COOHCOOHCOOHCOOHOHCOOHCH3苯苯(基基)甲酸甲酸苯乙酸苯乙酸3-苯丙酸苯丙酸3-苯基丙苯基丙烯酸酸 -苯基丙苯基丙烯酸酸邻苯二甲酸苯二甲酸o-苯二甲酸苯二甲酸1,2-苯二甲酸苯二甲酸邻羟基苯甲酸基苯甲酸水水杨酸酸邻甲基苯甲酸甲基苯甲酸6一元酸一元酸 系统命名系统命名 普通命名普通命名HCOOH 甲酸甲酸 蚁酸蚁酸CH3COOH 乙酸乙酸 醋酸醋酸CH3CH2COOH 丙酸丙酸 初油酸初油酸CH3CH2CH2COOH 丁酸丁酸 酪酸酪酸CH3(CH2)16COOH 十八酸十八酸 硬脂酸硬脂酸 二元酸二元酸 系统命名系统命名 普通命名普通命名HOOCCOOH 乙二酸乙二酸 草酸草酸HOOCCH2COOH 丙二酸丙二酸 缩苹果酸缩苹果酸HOOC(CH2)2COOH 丁二酸丁二酸 琥珀酸琥珀酸(Z)-HOOCCH=CHCOOH 顺丁烯二酸顺丁烯二酸 马来酸马来酸(E)-HOOCCH=CHCOOH 反丁烯二酸反丁烯二酸 富马酸富马酸7第二节第二节 羧酸的物理性质羧酸的物理性质 低级脂肪酸是液体,可溶于水,具有刺鼻的气味低级脂肪酸是液体,可溶于水,具有刺鼻的气味; 中级脂肪酸也是液体,部分地溶于水,具有难闻的气味中级脂肪酸也是液体,部分地溶于水,具有难闻的气味; 高级脂肪酸是蜡状固体,无味,在水中溶解度不大高级脂肪酸是蜡状固体,无味,在水中溶解度不大;液态脂肪酸以二聚体形式存在,所以液态脂肪酸以二聚体形式存在,所以羧酸的沸点比相对羧酸的沸点比相对分子质量相当的烷烃高。
分子质量相当的烷烃高二元酸都是结晶化合物二元酸都是结晶化合物RCOOH=HOO=CR8羧酸的光谱特征羧酸的光谱特征1HNMRR2CHCOOH H:: 10~12 HCR2COOH H:: 2~2.6羧酸中的羧酸中的C=O:: 单体单体 二聚体二聚体RCOOH 1770~1750cm-1 ~1710cm-1CH2=CHCOOH ~ 1720 cm-1 ~1690cm-1ArCOOH 1700-1690cm-羧酸中的羧酸中的OH:: ~ 3550 cm-1 3000 ~2500cm-羧酸中的羧酸中的C-O ~ 1250 cm-1 IR光谱光谱9羧酸的结构和反应羧酸的结构和反应 -活泼活泼H的反应的反应酸性酸性羰基的亲核加成,羰基的亲核加成,然后再消除(表现然后再消除(表现为羟基的取代)。
为羟基的取代)羰基的亲核羰基的亲核 加成,还原加成,还原第三节第三节 羧酸的化学性质羧酸的化学性质10一、羧酸的酸性一、羧酸的酸性RCOOH + H2O RCOO- + H3O+Ka越大,越大,pKa越小,酸的电离程度越大,即酸性越强越小,酸的电离程度越大,即酸性越强 电离常数:电离常数:Ka=[RCOO-][H+][RCOOH ]pKa= - log Ka 多数的羧酸是弱酸多数的羧酸是弱酸,pKa约为约为4-5,大部分的羧酸是以未解离的分子形式存在大部分的羧酸是以未解离的分子形式存在 羧酸根比较稳定,所以羧酸的氢能解离表现出酸性;羧酸根比较稳定,所以羧酸的氢能解离表现出酸性; 酸性比较:酸性比较: 无机酸无机酸 > RCOOH > H2CO3 > C6H5OH > H2O > ROH pH: 1~2 4~5 ~6.4 9~10 15.7 16~19除了无机酸,除了无机酸,羧酸羧酸酸性中最强酸性中最强,,可利用这一性质区别羧酸、苯酚和醇可利用这一性质区别羧酸、苯酚和醇: 羧酸:羧酸:溶于溶于 NaOH, NaHCO3;; 苯酚:苯酚:溶于溶于NaOH ;; 醇:醇: 既不溶于既不溶于NaHCO3 也不溶于也不溶于NaOH。
11RCOO-COOR-COO- 两两个个C-- O键键 长长 都都是是 1.27Å,, 无无单双键之分单双键之分 羧酸根的结构羧酸根的结构羧酸的酸性与分子结构有关,任何能使羧酸的酸性与分子结构有关,任何能使COO-稳定的因素可以增加其酸性稳定的因素可以增加其酸性影响酸性强弱的因素影响酸性强弱的因素A.电子效子效应 HCOOH CH3COOH ClCH2COOH pka 3.37 4.76 2.28吸吸电子取代基子取代基使使酸性增酸性增强强,,给电子取代基子取代基使使酸性减弱酸性减弱WHY??G―CH2COO- EDG→→COO- EWG←←COO-12 诱导效应强度随距离的增加而迅速下降,经四个诱导效应强度随距离的增加而迅速下降,经四个s s键后已衰减趋于零;键后已衰减趋于零;CH3CH2CHCOOHCl–CH3CHCH2COOHCl–CH2CH2CH2COOHCl–CH3CH2CH2COOHpka 2.82 4.41 4.70 4.82取代基诱导效应的对酸性强弱影响的规律:取代基诱导效应的对酸性强弱影响的规律: 取代基电负性越大,吸电子诱导效应越强,酸性越强,反之越弱;取代基电负性越大,吸电子诱导效应越强,酸性越强,反之越弱;电负性:电负性:F > Cl > Br > I;;OR > SR;;F > OR > NR2 > CR3 …………FCH2COOH > ClCH2COOH > BrCH2COOH > ICH2COOH > HCH2COOHpka 2.66 2.86 2.90 3.18 4.76不同杂化状态不同杂化状态(sp,sp2,sp3)碳原子:碳原子:HC≡CCH2COOH > CH2=CHCH2COOH≈PhCH2COOH > CH3CH2CH2COOHpka 3.32 4.35 4.31 4.82带正电荷的基团带正电荷的基团::O2N-CH2COOH CH3-S-CH2COOH CH3-N-CH2COOHpka 1.68 2.36 1.83––= =OOCH3CH3+13B. 空间效应(场效应):空间效应(场效应):利于利于H+离解的空离解的空间结构酸性构酸性强强,不利于,不利于H+离解的空离解的空间结构酸性弱。
构酸性弱二元酸有二元酸有两个离解常数两个离解常数K1和和K2,,K1比比K2大大,因,因为COOH有有强强的吸的吸电子效子效应,能,能对另一个另一个COOH的离解的离解产生影响,两个生影响,两个COOH越近,越近,影响越大;影响越大; 其其K2受到受到羧酸根酸根负离子的空离子的空间((场)效)效应影响影响k二元羧酸的酸性二元羧酸的酸性1k1HOOC(CH2)nCOOH HOOC(CH2)nCOO- + H+HOOC(CH2)nCOO- -OOC(CH2)nCOO- + H+k2 pka1 pka2HOOCCOOH 1.27 4.27HOOCCH2COOH 2.85 5.70HOOC(CH2) 2COOH 4.21 5.64HOOC(CH2) 3COOH 4.34 5.4114COO-CH2COOH诱导效应诱导效应是由于电负性差异导致成键原子间通过是由于电负性差异导致成键原子间通过s s键传递的静电作用;带键传递的静电作用;带电荷的取代基可产生一个电场,通过空间传递静电作用,称之为电荷的取代基可产生一个电场,通过空间传递静电作用,称之为场效应场效应。
pKa :: 6.04 6.25HCOOHClCOOH如只考虑如只考虑Cl的的-I,,酸性应增加;实测酸性减弱,其原因认为是因为酸性应增加;实测酸性减弱,其原因认为是因为C-Cl键有极性,键有极性,C +与与H距离较远且苯环上电子云密度高,距离较远且苯环上电子云密度高,Cl -的的场效应作场效应作用,使用,使H+不易离去,酸性降低不易离去,酸性降低 + -场效应场效应与与诱导效应诱导效应诱导效应诱导效应 +I 给电子,质子不易离去;给电子,质子不易离去;场效应,质子不易离去;场效应,质子不易离去;两种效应均使质子不易离去,酸性减弱两种效应均使质子不易离去,酸性减弱15C. 芳香芳香羧酸酸COOHG苯甲酸比一般脂肪酸酸性苯甲酸比一般脂肪酸酸性强强(除甲酸外,(除甲酸外,Why?!),),它它的的pKa值为4.20,,这是因是因为苯甲酸离解后,生成的苯甲酸离解后,生成的COO-与苯与苯环发生共生共轭,使,使负电荷分散,增加其荷分散,增加其稳定性当苯当苯环上引入取代基后,羧基酸性随之发生变化。
环上引入取代基后,羧基酸性随之发生变化取代基取代基pKaompH4.204.204.20CH33.914.274.38OH2.984.084.57OCH34.094.094.47Cl2.923.833.97CN3.143.643.55NO22.213.493.4216取代基具有吸电子共轭效应时,酸性强弱顺序为:取代基具有吸电子共轭效应时,酸性强弱顺序为: 邻邻 > 对对 > 间间取代基具有给电子共轭效应时,酸性强弱顺序为:取代基具有给电子共轭效应时,酸性强弱顺序为: 邻邻 > 间间 > 对对具体分析:具体分析: 邻邻 位(诱导、共轭、场、氢键效应、空间效应位(诱导、共轭、场、氢键效应、空间效应 均要考虑均要考虑 对对 位(诱导很小、共轭为主位(诱导很小、共轭为主 间间 位(诱导为主、共轭很小位(诱导为主、共轭很小 取代基对芳香酸酸性影响的分析取代基对芳香酸酸性影响的分析17 羧基的反应羧基的反应A. 酸碱反酸碱反应 强强无机酸无机酸 > 羧酸酸 > 碳酸碳酸 > 酚酚pKa 4~5 6.35 10 羧酸可以和碳酸氢钠反应羧酸可以和碳酸氢钠反应。
RCOOH + NaHCO3 RCOO-Na+ + CO2 + H2O 酚不能和碳酸氢钠反应酚不能和碳酸氢钠反应ArONa + CO2 + H2O ArOH + NaHCO3RCOOH + NaOH RCOO-Na+ + H2O高级脂肪酸与碱反应,其相应的钠盐,可用作肥皂高级脂肪酸与碱反应,其相应的钠盐,可用作肥皂18羧酸根酸根具有具有碱性碱性和和亲核性核性羧酸酸盐能与活能与活泼卤代代烷反反应RCOO- + R’X RCOOR’ + X-SN2①① 是是SN2反反应;②② 只适用于只适用于1o RX和活和活泼RX;③③ 常用的是常用的是钠盐有有时也用也用Ag盐,,优点:速率快点:速率快; 缺点:太缺点:太贵) 体系中双体系中双键不受影响不受影响 讨论讨论HOAc 120oCCH2Cl + CH2COONaC2H5C2H5CH2OCCH3 + NaCl=O酯酯19二、羧基中羟基被取代的反应二、羧基中羟基被取代的反应R–C–OH=OR–C–Cl=OR–C–OCR`=O=OR–C–NH2=OR–C–OR`=OPCl3R`COOHNH3R`OH酰卤酰卤酸酐酸酐酰胺酰胺酯酯反应的一般历程:反应的一般历程:亲核亲核加成加成-消除消除亲核亲核加成加成-OH的消除的消除R–C―OH + :Nu-=OR–C―Nu + :OH-=OR–C―OH–O-–Nu取代产物取代产物-羧酸衍生物羧酸衍生物羧基中羰基没有醛、酮的羰基活泼羧基中羰基没有醛、酮的羰基活泼(why?),,在一定条件下可被亲核试剂在一定条件下可被亲核试剂进攻,发生进攻,发生加成加成-消除反应消除反应,,C-O断裂,羟基被取代,生成羧酸衍生物。
断裂,羟基被取代,生成羧酸衍生物20A. 生成生成酰卤的反的反应——酰卤化反化反应R―C―OH + 或或PCl5=OPCl3或或SOCl2R―C―Cl + + POCl3 + HCl(g)=O酰氯回流回流H3PO3(200℃℃分解)分解)SO2 (g)+ HCl(g) 制备酰卤较方便的方法是用制备酰卤较方便的方法是用SOCl2,, 副产物都是气体,易分离,副产物都是气体,易分离,并且过量的并且过量的SOCl2可以除去可以除去H2O气,(气,(RCOCl对对H2O敏感);敏感); 分子量小的分子量小的RCOOH生成生成 RCOCl时,用时,用 PCl3,,生成的生成的 RCOCl可可以蒸出,得以分离;以蒸出,得以分离; 分子量大的分子量大的RCOCl制备时,一般用制备时,一般用PCl5,,蒸馏分出副产物蒸馏分出副产物21B. 生成酸生成酸酐的反的反应饱和一元和一元羧酸在脱水酸在脱水剂——低低级羧酸酸酐或或P2O5——存在下加存在下加热,,发生生羧酸分子酸分子间脱水形成脱水形成羧酸酸酐羧酸酸酐R―C―OH + H―O―C―R=OR―C―O―C―R =O=OP2O5=OD D工工业上常用上常用乙酸乙酸酐作作为脱水脱水剂,反,反应过程中不断蒸出程中不断蒸出乙酸:乙酸:2RCOOH + ( CH3CO)2O (RCO)2O + 2CH3COOH羧酸酸酐22C. 生成生成酰胺胺——酰胺化胺化反反应——和和生成生成腈的反的反应R―C―OH + NH3 R―C―O NH4=O=O+-r.t.反应是可逆的,加热、脱水有利于正反应,为了使正反应顺利进行,反应是可逆的,加热、脱水有利于正反应,为了使正反应顺利进行,常采用苯、甲苯带水的方式除去反应体系中产生的水。
常采用苯、甲苯带水的方式除去反应体系中产生的水R―C―NH2 =OD D―OH2酰胺胺P2O5D DR―C≡N + H2O腈反反应历程?程?23D. 酯化反化反应羧酸羧酸与与醇醇在在酸的催化酸的催化作用下失去一分子水而作用下失去一分子水而生成酯生成酯的反应称为酯化反应的反应称为酯化反应投料比:投料比: 1 :: 1 产率产率 67% 1 :: 10 97%常用的催化剂有盐酸常用的催化剂有盐酸 、硫酸、苯磺酸等硫酸、苯磺酸等CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2ORCOOH + R`OH RCOOR` + H2O一般形式:一般形式:酯化反应是一个可逆的反应,为了使反应向生成酯的方向酯化反应是一个可逆的反应,为了使反应向生成酯的方向进行,通常采用的方法是:进行,通常采用的方法是: 使原料之一过量;使原料之一过量; 不断移走产物(例如除水,乙酸乙酯、乙酸、水不断移走产物(例如除水,乙酸乙酯、乙酸、水 可形成三元恒沸物 可形成三元恒沸物 b.p. 70.4℃)。
反应特点:反应特点:酯化反化反应水解水解反反应24酯化反应的历程酯化反应的历程A. 酸催化:酸催化:加成加成——消除机消除机理理加成加成消除消除四面体正离子四面体正离子双分子反应一双分子反应一步活化能较高步活化能较高按加成按加成----消除机制进行消除机制进行反应,是酰氧键断裂反应,是酰氧键断裂质子转移质子转移+++-H2O-H+++ 1OROH,,2OROH酯化时按加成酯化时按加成——消除机制进行;消除机制进行; 反应速率为:反应速率为: 醇:醇:CH3OH>RCH2OH>R2CHOH 羧酸:羧酸:HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH25酯化酯化反应的反应的加成加成——消除消除机机理理证明证明 同位素跟踪实验同位素跟踪实验 羧酸与光活性醇的反应实验羧酸与光活性醇的反应实验醇醇羟基的基的O18出出现在在产物物酯中C6H5C―OH + CH3O18H C6H5C―O18CH3 + H2O=O=OH+羧酸和有旋光活性的醇反应时,形成仍有光学活性的酯,羧酸和有旋光活性的醇反应时,形成仍有光学活性的酯,即醇的构型保持不变。
即醇的构型保持不变26①① 3oROH按此反按此反应机制机制进行行酯化;化;②② 由于由于R3C+易与碱性易与碱性较强强的水的水结合,不易与合,不易与羧酸酸结合,故逆向反合,故逆向反应比比正向反正向反应易易进行,所以行,所以3oROH的的酯化反化反应产率很低B. 碳正离子碳正离子机理机理属于属于SN1历程历程该反应机制也由同位素实验得到了证明:该反应机制也由同位素实验得到了证明:H+(CH3)3COH2+-H+按按SN1机机理理进行反应,进行反应,是烷氧键断裂是烷氧键断裂+ (CH3)3COH+ H2O-H2O++(CH3)3C-OH三级三级醇醇27三三. . 羧酸与有机金属化合物的反应羧酸与有机金属化合物的反应 与格氏试剂的反应与格氏试剂的反应 与有机锂试剂反应与有机锂试剂反应羧羧酸与有机酸与有机锂试剂反反应时生成的中生成的中间体不体不是很是很稳定,在反定,在反应过程中即程中即可可分解成分解成酮,,酮羰基羰基活活性更高性更高,所以在反,所以在反应体系中体系中常得到常得到酮与与 3oROH的混合物,的混合物,适当控制反应条件(较低温度、适当控制反应条件(较低温度、加样方式)和加样方式)和锂试剂的用量可得当酮的用量可得当酮。
RCOOMgX + R`HRCOOH + R`MgX不溶性的不溶性的盐 烃PhCOCH3 + CH4 + LiOHPhCOOH + 2CH3LiRCOOLiRCOOH + R`Li+ R`HR`LiR―C―OLi― ―OLiR`H2OH2O-LiOHR`LiR―C―R`=OR―C―OH― ―R`R`三级醇三级醇酮酮格氏试剂不能与羧酸盐继续反应格氏试剂不能与羧酸盐继续反应28四四. 羧酸的酸的还原原羧酸一般不被还原,但能用强还原剂羧酸一般不被还原,但能用强还原剂LiAlH4或或B2H6还原还原1. 反应不能得到醛,因为醛在此条件下比酸更易还原;反应不能得到醛,因为醛在此条件下比酸更易还原;2. 用用LiAlH4还原时,常用无水乙醚、四氢呋喃做溶剂;还原时,常用无水乙醚、四氢呋喃做溶剂;3. 用钌作催化剂时,也可以用催化氢化法还原用钌作催化剂时,也可以用催化氢化法还原 LiAlH4还原还原反应机理反应机理(了解了解))RCOOH + LiAlH4RCOOLi + H2 + AlH3RCOOHRCH2OHLiAlH4or B2H6H2O羧酸羧酸醇醇RCH2OAlH2RCH2OHH2O-LiOAlH2R-CH=OAlH3+醛醛醇醇29 乙硼乙硼烷还原原H2O乙硼烷与羰基化合物的反应活性顺序:乙硼烷与羰基化合物的反应活性顺序:-COOH > C=O > -CN > -COOR > -COCl反应机理(反应机理(了解了解))-BH2(OH)RCHO BH3RCH2OBH2在四氢呋喃中只有羧基可被还原。
在四氢呋喃中只有羧基可被还原LiAlH4不还原孤立的不还原孤立的C=C;;B2H6能还原孤立的能还原孤立的C=C LiAlH4和乙硼烷还原的区别和乙硼烷还原的区别::CH2=CH-CH2-COOHCH3CH2CH2CH2OHB2H6H2OCH2=CH-CH2-COOHCH2=CH-CH2-CH2OHH2OLiAlH4RCH2OH醇醇RCOOH + BH3羧酸羧酸30五五. 羧酸酸 -H的反的反应——赫赫尔尔-乌尔尔哈哈-泽林斯基反林斯基反应羧酸羧酸 -H活性小于醛酮,活性小于醛酮,在三氯化磷或三溴化磷等催化剂的作用下,在三氯化磷或三溴化磷等催化剂的作用下,卤素取代羧酸卤素取代羧酸 -H的反应称为赫尔的反应称为赫尔-乌尔哈乌尔哈-泽林斯基反应泽林斯基反应RCH2COOH + Br2PBr3 -HBr RCHCOOHBr–催催化化剂剂的的作作用用是是将将羧羧酸酸转转化化为为酰酰卤卤,,酰酰卤卤的的 -H具具有有较较高高的的活活性性而而易易于于转转变变为为烯烯醇醇式式,,从从而而使使卤卤化化反反应应发发生生所所以以用用10%~30%的的乙乙酰酰氯氯或或乙乙酸酸酐酐同同样样可可以以起起催化作用催化作用,该反应条件下只在,该反应条件下只在 --位发生卤代。
位发生卤代控制控制卤素用量可得一元或多元素用量可得一元或多元卤代酸;碘代酸由代酸;碘代酸由 -氯(或溴或溴)代酸与代酸与KI反反应来制来制备反应机理反应机理((了解了解))互变异构互变异构RCH2COOH这步反应不会逆转这步反应不会逆转RCH2COOHPBr3+ Br--HBr+Hell—Volhard—Zelinsky31卤代羧酸是重要的有机合成中间体卤代羧酸是重要的有机合成中间体+ R’OH+ HOH+ HNH2 + RNH2SN2SN2SN2SN2OHRCHCOOH–RCHCOOH–OR’RCHCOOH–NH2RCHCOOH–NHR’ -羟基酸羟基酸 -烷氧基酸烷氧基酸 -氨基酸氨基酸N-N-R’- -氨基酸氨基酸X = Cl,,Br + ClCH2COOHSN2碱碱 + HCNSN2RCHCOOH–CN -氰基酸氰基酸32五、羧酸的脱羧反应五、羧酸的脱羧反应羧酸在适当条件下,一般都能发生脱羧反应羧酸在适当条件下,一般都能发生脱羧反应1. 特殊条件下的脱羧反应特殊条件下的脱羧反应它们的反应过程可归结为自由基历程:它们的反应过程可归结为自由基历程:RCOOHRCOOXRCOOMRCOO•-CO2Br2羧酸盐羧酸盐D D或电解或电解D D自由基自由基R•R•R―R能提供能提供Br •的试剂的试剂R―Br自由自由偶合偶合33珀脱法珀脱法特殊脱羧反应特殊脱羧反应柯尔伯法柯尔伯法Kolbe汉斯狄克法汉斯狄克法Hunsdicker克利斯脱法克利斯脱法 柯齐法柯齐法Kochi适用范围适用范围反应名称反应名称反反 应应 式式2CH3COONaC2H6 + CO2 + NaOH + H22H2O电解电解RCH2COOHRCH2COOAgRCH2BrAgNO3 ,KOHBr2 ,CCl4D DRCH2COOHRCH2COOHgRCH2BrHgOBr2 ,CCl4RCOOHRCOOPb(OAc)3Pb(OAc)4 ,I2LiCl ,C6H6RClRCOOHRIPb(OAc)4 ,I2 , Cl4 光光 10个碳左个碳左右的右的羧酸酸产率率1oRX最最好,好,2oRX次次之,之,3oRX最最低。
低产率率1oRX最好最好产率率1o、、2o、、3oRX均很好均很好D DD D342. 一般一般的脱的脱羧反反应一般的脱羧反应,可以不用特殊的一般的脱羧反应,可以不用特殊的催化剂,而在以下的条件下进行的催化剂,而在以下的条件下进行的: ((1)加热)加热;;((2)碱性条件)碱性条件;;((3)加热和碱性条件共存)加热和碱性条件共存反应一般形式反应一般形式当当R为吸电子基团,如:为吸电子基团,如:R= COOH,,CN,,C=O,,NO2,,CX3,,C6H5等时等时,,失羧反应极易进行失羧反应极易进行R–CH2–COOHR–CH3 + CO2碱碱加热加热CH3–COONa + NaOH(CaO) CH4 + Na2CO3D DC6H5–COONa + NaOH(CaO) C6H6 + Na2CO3D D*1 HOOCCH2COOH CH3COOH + CO2 *2 O2NCH2COOH O2NCH3 + CO2 *3 NCCH2COOH NCCH3 + CO2 *4 CH2=CH-CH2COOH CH2=CHCH3 + CO2 *5 RCH=CH-CH2COOH RCH2CH=CH2 + CO2D DD DD DD DD D35 环状过渡态机理环状过渡态机理脱羧机理脱羧机理当当 -碳与不饱和键相连时,一般都通过环状过渡态机理失羧。
碳与不饱和键相连时,一般都通过环状过渡态机理失羧 D D-CO2互变异构互变异构 酸性很强的酸易通过负离子机理脱羧酸性很强的酸易通过负离子机理脱羧 羧酸负离子机理羧酸负离子机理Cl3CCOOH-H+H2O+ H+Cl3CH强酸强酸,在水中完全电在水中完全电离(离(pka=0.6)Cl3C- + CO2D D36实例例 强的芳香酸不需要催化剂,在强的芳香酸不需要催化剂,在H2O中加热即可脱羧中加热即可脱羧;;芳香羧酸脱羧的特点:芳香羧酸脱羧的特点: 羧基邻对位有给电子基团的芳香羧酸,在强酸作用下按负离子机理脱羧羧基邻对位有给电子基团的芳香羧酸,在强酸作用下按负离子机理脱羧;; 一般芳香羧酸脱羧需要用石灰或一般芳香羧酸脱羧需要用石灰或Cu做催化剂做催化剂373. 二元二元羧酸受酸受热后的反后的反应脱羰脱羰 (-CO) 脱羧脱羧 (-CO2)甲酸、甲酸、 -羟基酸、羟基酸、 -羰基酸受热均发羰基酸受热均发生生失羰基反应失羰基反应脱水脱水 (-OH2)HOOCCOOH HCOOH + CO2HOOCCH2COOH CH3COOH + CO2D DD D脱羧脱羧 (-CO2)OOO+ H2OCH2COOHCH2COOHD DOOOCH2CH2COOHCH2COOH+ H2OD D脱水脱水 (-OH2)酸酸酐酐酸酸酐酐2 112312341234538失水要加脱水剂失水要加脱水剂Ag2O、、P2O5、、乙酰氯、乙酸酐、三氯氧磷等;乙酰氯、乙酸酐、三氯氧磷等;失羧要加碱:失羧要加碱:Ba(OH)2、、Ca(OH)2等。
等乙二酸、丙二酸(失羧)乙二酸、丙二酸(失羧) ~160℃丁二酸、戊二酸(失水)丁二酸、戊二酸(失水) ~300℃已二酸、庚二酸(失羧、失水)已二酸、庚二酸(失羧、失水) ~300℃辛二酸以上为分子间失水辛二酸以上为分子间失水OCH2CH2COOHCH2CH2COOH+ H2O + COD D脱羰脱羰 (-CO) 脱水脱水 (-OH2)OCH2CH2CH2COOHCH2CH2COOHD D+ H2O + COBlanc规则:规则:在可能形成环状化合物的条件下,总是比较容易形成在可能形成环状化合物的条件下,总是比较容易形成 五元或六元环状化合物五元或六元环状化合物(即五、六元环容易形成即五、六元环容易形成) ( (布朗克布朗克) )HOOC(CH2)nCOOH ―OC(CH2)nCO―O―CO―(CH2)n―CO―O― D D( n>5)m聚酸酐聚酸酐环戊酮环戊酮环己酮环己酮123456123456739第四节第四节 羧酸的制备和一些重要羧酸的来源和应用羧酸的制备和一些重要羧酸的来源和应用一、羧酸的制备一、羧酸的制备A. 烃的氧化烃的氧化1、氧化法:、氧化法:RCH=CH2 RCOOH + CO2KMnO4H+RCH=CHR’ RCOOH + R’COOHKMnO4H+KMnO4D DV2O5,O2D DH3O+ +40B. 醇和醛的氧化醇和醛的氧化由醇氧化制备酸是最常用的方法。
由醇氧化制备酸是最常用的方法RCH2OH RCOOH[O]氧化剂氧化剂::K2Cr2O7 + H2SO4, CrO3 + CH3COOH, KMnO4, HNO3等等 由醛氧化制酸不常用,但工业上在催化剂存在条件下由醛氧化制酸不常用,但工业上在催化剂存在条件下,用空气氧化乙醛,大规模制备乙酸用空气氧化乙醛,大规模制备乙酸CH3CHO CH3COOH[O]Cat.用用Ag2O作催化剂,将醛氧化成酸,双键不受影响,在合成上有价值作催化剂,将醛氧化成酸,双键不受影响,在合成上有价值 Ag2OH2OHO-HCl41• 腈在酸性或碱性条件下水解,可以得到羧酸;腈在酸性或碱性条件下水解,可以得到羧酸;• 腈一般使用腈一般使用10或或20卤代烃与卤代烃与NaCN反应制得,反应制得,30卤代烃与卤代烃与NaCN反应主要生成消除产物反应主要生成消除产物2、腈的水解、腈的水解R=10或或20脂肪族卤代烃,脂肪族卤代烃,10脂肪族卤代烃产率最好;脂肪族卤代烃产率最好;Ar–X或或–CH=CH –X型型卤代烃不能反应(卤代烃不能反应(Why???)。
反应实例反应实例PhCH2CN + 2H2O PhCH2COOHH+105oCCH3(CH2)9CN + 2H2O CH3(CH2)9COOHKOHCH3COOH, D D(CH3)3CCl + NaCN CH3–C=CH2–CH3RX + NaCN RCN RCOOH (RCOO-)H3O+or, HO-醇醇腈腈ClCH2COOH ClCH2COONa NCCH2COONa NaOHNaCNNaOHH2OH+HOOCCH2COOH产物比反应产物比反应物卤代烃多物卤代烃多一个碳原子一个碳原子42H+H2O+互变异构互变异构-NH3-H+RCOOHH~腈的酸性水解机理(腈的酸性水解机理(了解了解))R-C NR-C NHR-C=NHH+++H2O-H++腈的碱性水解机理(腈的碱性水解机理(了解了解))-OHRCOOH + NH2RCOO + NH3H+RCOOH---H2O互变异构互变异构--433、利用有机金属化合物制备、利用有机金属化合物制备(1) 1oRX、、2oRX较好,较好,3oRX需在加压条件下反应,需在加压条件下反应, 否则易消除;否则易消除;(2) ArI、、ArBr易制成格氏试剂易制成格氏试剂、、ArCl较较难难;;(3) 产物比产物比RX多一个碳原子。
多一个碳原子A. 格氏试剂格氏试剂与与CO2反应反应RX RMgX RCOOMgX RCOOHCO2H2OMg/无水醚无水醚B. 有机锂试剂和有机锂试剂和CO2的反应的反应RLi + CO2 RCOOLi RCOOHH2ORLi H2OR–C–R––OLiOLiR–C–RO=特点特点: (1)(2)(3)同格氏试剂;同格氏试剂; (4) 投料比对产物的影响投料比对产物的影响n-C4H9Li/Et2O-50 至至 -60oCCO2H2O锂试剂锂试剂活性较格氏试剂高!活性较格氏试剂高!烯基锂试剂烯基锂试剂44HOCH2CH2Cl HOCH2CH2COOH1)Mg/无水醚2)2) H+/H2O NaCNHOCH2CH2CNH+/H2O存在活泼氢存在活泼氢 !?PhBr PhCOOH1)NaCN/醇醇2)2) H+/H2O Mg无水醚无水醚PhMgCl1) CO22) H+/H2O利用有机金属试剂反应是制备羧酸很好的方法,用腈的水解法受局限的反应,利用有机金属试剂反应是制备羧酸很好的方法,用腈的水解法受局限的反应,可用此法得到满意的结果,故可根据结构特点灵活使用。
可用此法得到满意的结果,故可根据结构特点灵活使用CH3)3CCl + NaCN CH3–C=CH2–CH3Mg 无水醚无水醚(CH3)3CMgClCO2(CH3)3CCOOMgClH3O+(CH3)3CCOOH消除与取代消除与取代反应竞争反应竞争 !?取代反应取代反应难发生难发生 !?45合适的合成方法?合适的合成方法?1.(CH3)3CCH2Br (CH3)3CCH2COOH2. 2.CH3CO(CH2)2CH2Br CH3CO(CH2)2CO2H3. 3.CH2=CHCH2Cl CH2=CHCH2COOH4. 格氏试剂格氏试剂氰基水解氰基水解两种方法都可以两种方法都可以46C. 利用有机金属化合物的烃基化反应利用有机金属化合物的烃基化反应RCH2COOH + 2LiN(i-C3H7)2Li+RCHCOO-Li+RR’CHCOOH1) R’X2) H2O从羧酸合成从羧酸合成 -取代羧酸取代羧酸(CH3)2CHCOOH + 2LiN(i-C3H7)2THF, C6H14, 0oC(CH3)2CLiCOOLiBr(CH2)nBrH2OLDA/THF-78oCCO2-78oCH2O从一元从一元羧酸合羧酸合成成二元二元羧酸羧酸CH3(CH2)3BrH2O从羧酸合成从羧酸合成取代羧酸取代羧酸LDA: 2LiN(i-C3H7)247二、一些重要羧酸的来源和应用(自阅读)二、一些重要羧酸的来源和应用(自阅读)甲酸甲酸乙酸、丙酸和丁酸乙酸、丙酸和丁酸高级一元羧酸高级一元羧酸苯甲酸(安息香酸)苯甲酸(安息香酸)HCOOH酸性较强,具有还原性。
酸性较强,具有还原性CH3COOHCH3CH2COOH重要的工业原料重要的工业原料CH3(CH2)2COOH硬脂酸:十六、十八碳酸(饱和高级一元脂肪酸)硬脂酸:十六、十八碳酸(饱和高级一元脂肪酸)软脂酸:油酸、亚油酸、花生四烯酸(不饱和高级一元脂肪酸)软脂酸:油酸、亚油酸、花生四烯酸(不饱和高级一元脂肪酸)乳清酸(乳清酸(6-羧基尿嘧啶)、羧基尿嘧啶)、(Z)-3-甲基甲基-2-己烯酸、己烯酸、香草扁桃酸(香草扁桃酸(3-甲氧基甲氧基-4-羟基苯乙醇酸)、对氨羟基苯乙醇酸)、对氨基水杨酸、大风子酸基水杨酸、大风子酸……48第五节、羧酸衍生物的命名第五节、羧酸衍生物的命名一、羧酸衍生物一、羧酸衍生物羧酸分子中的羟基被其它基团取代所得的产物统称为羧酸衍生物,羧酸分子中的羟基被其它基团取代所得的产物统称为羧酸衍生物,通常指酰卤、酸酐、酯和酰胺等;通常指酰卤、酸酐、酯和酰胺等;从结构上看,羧酸衍生物都含有相同的子结构从结构上看,羧酸衍生物都含有相同的子结构——酰基酰基R– C – OH=OR– C – G=O羧酸羧酸羧酸衍生物羧酸衍生物G = 卤素原子卤素原子 X 酰卤酰卤G = 羧基羧基 RCOO 酸酐酸酐R– C – X=OR– C – O–C–R=OO=G = 氨基氨基 NH2 酰胺酰胺G = 烷氧基烷氧基 RO 酯酯R– C – OR=OR– C – NH2=O腈腈RCN的水解产物为羧酸,故一般把腈放在羧酸衍生物中一起讨论。
的水解产物为羧酸,故一般把腈放在羧酸衍生物中一起讨论49二、羧酸衍生物的命名二、羧酸衍生物的命名命名时,酰卤可作为酰基的卤化物,在酰基后加卤素的名称即可命名时,酰卤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:普通命名法: -溴丁酰溴溴丁酰溴 对氯甲酰苯甲酸对氯甲酰苯甲酸IUPAC 命名法:命名法: 2-溴丁酰溴溴丁酰溴 4-氯甲酰苯甲酸氯甲酰苯甲酸A. 酰卤的命名酰卤的命名H– C – Cl=OCH3– C – Cl=OCH3– C – Br=OC6H5– C – Br=O甲酰氯甲酰氯乙酰氯乙酰氯乙酰溴乙酰溴苯甲酰溴苯甲酰溴50单酐:在羧酸的名称后加酐字;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;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环酐:在二元酸的名称后加酐字B. 酸酐的命名酸酐的命名 醋酸酐醋酸酐 乙丙酸酐乙丙酸酐 丁二酸酐丁二酸酐 乙酸酐乙酸酐 乙丙酸酐乙丙酸酐 丁二酸酐丁二酸酐普通命名法:普通命名法:IUPAC 命名法:命名法:单酐单酐混酐混酐环酐环酐51酯可看作将羧酸的羧基氢原子被烃基取代的产物。
命名时酯可看作将羧酸的羧基氢原子被烃基取代的产物命名时把羧酸名称放在前面,烃基的名称放在后面,再加一个酯把羧酸名称放在前面,烃基的名称放在后面,再加一个酯字;内酯命名时,用内酯二字代替酸字并标明羟基的位置字;内酯命名时,用内酯二字代替酸字并标明羟基的位置C. 酯的命名酯的命名 醋酸苯甲酯醋酸苯甲酯 -甲基甲基- -丁内酯丁内酯 乙酸苯甲酯乙酸苯甲酯 2-甲基甲基-4-丁内酯丁内酯普通命名法:普通命名法:IUPAC 命名法:命名法:52命名时把羧酸名称放在前面,将相应的酸字改为酰胺即可;命名时把羧酸名称放在前面,将相应的酸字改为酰胺即可;若若N原子上有取代基,则用原子上有取代基,则用“N-”标明是标明是N上的取代基上的取代基CH3)CHCNH2 CH3CH2CHCH2CN(CH3)2OO2-Methylpropanamide dimethylpentanamideD. 酰胺的命名酰胺的命名 异丁酰胺异丁酰胺 N,N-二甲基戊酰胺二甲基戊酰胺 2-甲基丙酰胺甲基丙酰胺 N,N-二甲基戊酰胺二甲基戊酰胺普通命名法:普通命名法:IUPAC 命名法:命名法:53腈命名时,要把腈命名时,要把CN中的碳原子计算在内,并从此碳原中的碳原子计算在内,并从此碳原子开始子开始编号编号;氰基作为取代基时,氰基碳原子不计在内。
氰基作为取代基时,氰基碳原子不计在内E. 腈的命名腈的命名 -甲基戊甲基戊腈腈 -氰基丁酸氰基丁酸 己二己二腈腈 3-甲基戊甲基戊腈腈 2-氰基丁酸氰基丁酸 己二己二腈腈普通命名法:普通命名法:IUPAC 命名法:命名法:54第六节、羧酸衍生物的物理性质第六节、羧酸衍生物的物理性质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,十四碳酸以下的甲酯和乙酯低级的酯具有芳香的气味,可作为香料,十四碳酸以下的甲酯和乙酯均为液体;均为液体;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;有取代基时为液体;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;低级酰胺可溶于水低级酰胺可溶于水羧酸衍生物可溶于有机溶剂,在水中则差异较大:羧酸衍生物可溶于有机溶剂,在水中则差异较大:酰卤、酯和酸酐由于不存在氢键,沸点比相应的羧酸低;酰卤、酯和酸酐由于不存在氢键,沸点比相应的羧酸低;酰胺分子间形成多个氢键,酰胺分子间形成多个氢键,b.p (m.p)比相应羧酸还高,除甲酰胺常温为比相应羧酸还高,除甲酰胺常温为液体(液体(b.p:111℃/20mm),),其余均为固体,其余均为固体,N上的上的H被被R取代,取代,b.p↓ 55波谱性质:波谱性质: νC=O 1800 1800~1750 1750~1740 1690-1650 1860~1800νN-H 3400~ 35001HNMR:: RCH2COY -H : 2-3ppm νOC—X 1300~900 1310~1345 1300~1045 ~140013CNMR:: R–C–Y C : 155~185ppm O=R–C N C : ~118ppm 56第七节、羧酸衍生物的化学性质第七节、羧酸衍生物的化学性质羧酸衍生物的结构和反应性能羧酸衍生物的结构和反应性能 -H的的活性活性羰基的活性羰基的活性离去基团离去基团氧的碱性氧的碱性RCH2–CW=O: -H的活性减小(的活性减小( -H的的 pka 值值增大增大))羰基的活性减小(综合电子效应羰基的活性减小(综合电子效应-I+E))W的离去能力减小(离去基团的稳定性减小)的离去能力减小(离去基团的稳定性减小)57一、羧酸衍生物的羰基的亲核加成一、羧酸衍生物的羰基的亲核加成—消除反应消除反应RCWO=RC–OHO=H2O(或或-OH)水解水解 – 得羧酸得羧酸W::X 酰卤酰卤 OCOR’ 酸酐酸酐 OR’ 酯酯 NHR’ 酰胺酰胺-Nu:-OR(或或ROH)RC–ORO=醇解醇解 – 得羧酸酯得羧酸酯RCOO-(或或RCOOH)RC–OOCRO=酸解酸解 – 得羧酸酐得羧酸酐-NR2(或或HNR2)RC–NR2O=胺解胺解 – 得酰胺得酰胺RMgX(或或RLi)RC–ROH––R有机金属化合物有机金属化合物 – 得醇得醇羧酸衍生物转换的活性顺序羧酸衍生物转换的活性顺序: 酰卤酰卤 > 酸酐酸酐 > 酯酯 > 酰胺酰胺反应在酸或碱催化下进行反应在酸或碱催化下进行;亲核取代反应亲核取代反应RCW + :Nu RCNu + W:O=O=58碱性催化的反应历程:碱性催化的反应历程:酸催化的反应历程:酸催化的反应历程:ORCW + H+ORCWH +NuR C WO HNu -W-ORCN uH +- H+O RCNu这是可逆反应,要使反应向右方进行,其条件是:这是可逆反应,要使反应向右方进行,其条件是:((1)羰基的活性)羰基的活性((2))离去基团的活性离去基团的活性 W- > Nu-((3))改变影响平衡移动的其它因素。
改变影响平衡移动的其它因素消除消除加成加成消除消除加成加成59酰卤非常活泼,能与酰卤非常活泼,能与H2O、、 ROH、、NH3、、酸等迅速反应,酸等迅速反应,分别称为水解、醇解、胺解、酸解,反应产物是卤素原子分别称为水解、醇解、胺解、酸解,反应产物是卤素原子被相应官能团取代生成酸、酯和酰胺被相应官能团取代生成酸、酯和酰胺A. 酰卤的取代反应酰卤的取代反应R–C–ClO=+ H–OH+ H–OR’+ H–NH2+ R’COO–HR–C–OH + H–ClO=R–C–OR’ + H–ClO=R–C–NH2 + H–ClO=R–C–OOCR’ + H–ClO=该该类反应的结果是在亲核试剂上导入酰基,因此酰类反应的结果是在亲核试剂上导入酰基,因此酰卤是一个优良的酰化剂;引入酰基后,亲核试剂中卤是一个优良的酰化剂;引入酰基后,亲核试剂中亲核原子活性大大降低,因而又起到保护作用亲核原子活性大大降低,因而又起到保护作用60利用这类反应能制备各种酯和酰胺利用这类反应能制备各种酯和酰胺应用实例:应用实例:酯的制备或醇的保护酯的制备或醇的保护61酰胺制备一般用过量氨与之反应,如胺价格高,酰胺制备一般用过量氨与之反应,如胺价格高,可用等摩尔投料,加入可用等摩尔投料,加入NaOH等碱催化。
等碱催化酰胺制备酰胺制备酸酐也可通过酰卤的取代反应制备酸酐也可通过酰卤的取代反应制备这是制备这是制备对称对称或或不对称不对称酸酐酸酐的经典方法的经典方法62酸酐也是非常活泼的化合物,易进行水解、醇解和胺解酸酐也是非常活泼的化合物,易进行水解、醇解和胺解酸酐在合成上也是良好的酰化剂在乙酸酯的制备中,酸酐在合成上也是良好的酰化剂在乙酸酯的制备中,常采用乙酐与醇反应,因为用酸酐作酰化剂具有处理方常采用乙酐与醇反应,因为用酸酐作酰化剂具有处理方便,反应中不产生腐蚀性的便,反应中不产生腐蚀性的HCl,,乙酐价格便宜等优点乙酐价格便宜等优点B. 酸酐的取代反应酸酐的取代反应R–C–OH + RCOO – HO=R–C–OR’ + RCOO – HO=R–C–NH2 + RCOO – NH4O=+ H–OH+ H–OR’+ H–NH2R–C–O–C–RO==O63应用实例:应用实例:作为酰化剂,在合成上环酐有它的特点,即反应中能导入双官能团:作为酰化剂,在合成上环酐有它的特点,即反应中能导入双官能团:64酯也可以发生水解、醇解和胺解,但反应性远不如酰卤和酸酐酯也可以发生水解、醇解和胺解,但反应性远不如酰卤和酸酐。
一般在酸或碱催化下发生上述取代反应,由于反应存在平衡,一般在酸或碱催化下发生上述取代反应,由于反应存在平衡, 所所以完成反应都采用过量试剂以完成反应都采用过量试剂C. 酯的取代反应酯的取代反应R–C–OH + R1OHO=R–C–OR2 + R1O – HO=R–C–NH2 + R1O – HO=+ H–OH+ H–OR2+ H–NH2R–C–O–R1O=H+ or OH-H+ or OH-油脂水解得到高级脂肪酸是酯水解反应的重要应用油脂水解得到高级脂肪酸是酯水解反应的重要应用65酯的氨解反应较缓慢,当分子中存在对酰卤不稳定的官能团时,酯的氨解反应较缓慢,当分子中存在对酰卤不稳定的官能团时,也用酯作氨的酰化剂也用酯作氨的酰化剂尿素是酰胺,但比一般酰胺碱性强,具有氨的性质,尿素是酰胺,但比一般酰胺碱性强,具有氨的性质,它与酯的反应相当于氨解反应它与酯的反应相当于氨解反应66醇解反应产生一个新的醇和一个新的酯,称作醇解反应产生一个新的醇和一个新的酯,称作酯交换反应酯交换反应反应中一般采用大分子醇置换小分子醇,以便于反应条件下蒸出被置换反应中一般采用大分子醇置换小分子醇,以便于反应条件下蒸出被置换的醇使平衡移动完成反应。
该反应被巧妙地应用于涤纶生产中的醇使平衡移动完成反应该反应被巧妙地应用于涤纶生产中酯交换反应酯交换反应67酰胺在酰胺在H+或或 OH-存在下加热回流水解生成酸和胺,反应缓慢且需存在下加热回流水解生成酸和胺,反应缓慢且需较强烈的条件较强烈的条件酰胺反应活性很低,一般难以醇解酰胺反应活性很低,一般难以醇解D. 酰胺的取代反应酰胺的取代反应+D. 腈的溶剂解反应腈的溶剂解反应R–C NR–C–OH + NH3O=R–C–OR’Cl- RCOOR’ + NH3+NH2=R–C–NH2 NH=+ H–OH+ H–OR’+ H–NH2H+ or OH-无水无水HClH+ OH2NH4ClD D, 压力压力68羧酸及其衍生物可以相互转化,如图所示羧酸及其衍生物可以相互转化,如图所示E. 羧酸衍生物的相互转化羧酸衍生物的相互转化69羧酸衍生物溶剂解特点羧酸衍生物溶剂解特点 溶剂分子中的氢原子被酰基取代,故是酰化反应,羧酸衍生物溶剂分子中的氢原子被酰基取代,故是酰化反应,羧酸衍生物都是酰化试剂;都是酰化试剂; 羧酸衍生物中离去基团离去难易次序:羧酸衍生物中离去基团离去难易次序:-X > -OOCR > -OR > -NH2,, 故溶剂解活性次序:酰卤故溶剂解活性次序:酰卤 >酸酐酸酐>酯酯>酰胺酰胺 腈化反应,酰卤和酸酐都是腈化反应,酰卤和酸酐都是 常用的酰化试剂;常用的酰化试剂; 羧酸衍生物中酰基碳上的亲核取代反应比烷基饱和碳上的取代反应要容羧酸衍生物中酰基碳上的亲核取代反应比烷基饱和碳上的取代反应要容易的多:四面体碳易的多:四面体碳Nu: + + :LSN2‡四面体碳四面体碳空间位阻大空间位阻大五价碳不稳定五价碳不稳定sp3Nu: ++ :L‡平面三角形碳平面三角形碳空间位阻小空间位阻小四面体碳四面体碳较稳定较稳定sp270二、与金属试剂的反应二、与金属试剂的反应酰卤的羰基非常活泼,可与各种金属试剂迅速发生亲核加成反应。
酰卤的羰基非常活泼,可与各种金属试剂迅速发生亲核加成反应有机金属试剂一般为亲核试剂,容易与羧酸衍生物发生反应,有机金属试剂一般为亲核试剂,容易与羧酸衍生物发生反应,最终产物是羰基化合物或醇类最终产物是羰基化合物或醇类1、酰卤、酰卤酮酮三级醇三级醇酰卤的羰基比酮羰基更活泼,酰卤的羰基比酮羰基更活泼,若酰卤过量,且控制反应在温度较低时若酰卤过量,且控制反应在温度较低时进行,可以使反应停留在生成酮的阶段进行,可以使反应停留在生成酮的阶段,故可用来制备酮故可用来制备酮71反应活性比格氏试剂温和的有机金属试剂,如二烷基铜锂试剂,反应活性比格氏试剂温和的有机金属试剂,如二烷基铜锂试剂,也能与酰卤、醛迅速反应,产物一般为酮也能与酰卤、醛迅速反应,产物一般为酮CH3)3CCOCl + (CH3)2CuLiEt2O-780C(CH3)3CCOCH3 60%CH3OOCCH2CH2COCl + (CH3CH2CH2)2CdCH3OOCCH2CH2COCH2CH2CH3 75%烷基镉试剂,也能与酰卤或酸酐反应,烷基镉试剂,也能与酰卤或酸酐反应, 产物为酮:产物为酮:2C6H5–C–Cl + (CH3CH2)2Cd 2C6H5–C–CH2CH3 + CdCl2O=O=苯苯烷基镉与醛、酮、酯、酰胺等都不反应烷基镉与醛、酮、酯、酰胺等都不反应二烷基铜锂与酮反应很慢,与酯、酰胺及胺等完全不反应二烷基铜锂与酮反应很慢,与酯、酰胺及胺等完全不反应二甲基铜锂二甲基铜锂二乙基镉二乙基镉722、酯、酯酯也容易与活泼的格氏试剂或烃基锂反应,酯的羰基活性比酮差,酯也容易与活泼的格氏试剂或烃基锂反应,酯的羰基活性比酮差,故反应很难停留在酮的阶段,一般生成的酮会很快与体系中的金故反应很难停留在酮的阶段,一般生成的酮会很快与体系中的金属试剂反应生成叔醇。
属试剂反应生成叔醇73内酯也能发生类似的反应,产物为二醇内酯也能发生类似的反应,产物为二醇OO2. H+/ H2O1. 2C2H5MgXHOCH2CH2CH2CH2COHC2H5C2H5CO2C2H5 + 2CH3MgICCH3OMgICH3CCH3OHCH3H+/ H2O反应实例反应实例叔醇叔醇二醇二醇74酰胺分子中含有活泼氢,可使格氏试剂分解,因此要酰胺分子中含有活泼氢,可使格氏试剂分解,因此要使使1摩尔酰胺转变成摩尔酰胺转变成30醇,需醇,需4摩尔的格氏试剂摩尔的格氏试剂酸酐和酰胺也能与有机金属化合物反应,但消耗有机金属化合物较多,酸酐和酰胺也能与有机金属化合物反应,但消耗有机金属化合物较多,一般不用它们进行合成一般不用它们进行合成3、酰胺、酰胺4、腈、腈R– C N + R’MgXR–C –R’=N-Mg+XR–C –R’=OH+H2O亚胺盐亚胺盐酮酮75酰卤能被酰卤能被LiAlH4还原为伯醇,由于相应的酸可以直接还原为伯醇,由于相应的酸可以直接被被LiAlH4还原为醇,故该反应很少用于合成还原为醇,故该反应很少用于合成有合成价值的还原是有合成价值的还原是Rosenmund还原,此反应在醛、酮的制备中学习过。
还原,此反应在醛、酮的制备中学习过三、还原反应三、还原反应1、酰卤的还原、酰卤的还原PhCOOH PhCOCl PhCH2OHSOCl21. LiAlH42. H+/H2O1. LiAlH42. H+/H2O或用或用Li[OC(CH3)3]3AlH作还原剂:作还原剂:76A. 用用Na-ROH处理,酯可被还原为醇处理,酯可被还原为醇该方法称为该方法称为Bouveault-Blanc还原法,适用于大规模制备还原法,适用于大规模制备2、酯的还原、酯的还原酯可用多种方法还原酯可用多种方法还原用用Na-乙醚或甲苯乙醚或甲苯处理,则发生处理,则发生双分子还原双分子还原,得到,得到 -羟基酮羟基酮2CH3CH2CH2–C–OC2H5O= CH3CH2CH2–C—CHCH2CH2CH3O=OH–Na/甲苯甲苯D DH2O该反应称为酮醇缩合该反应称为酮醇缩合(acyloin condensation),,经历单电子转移的自由基历程经历单电子转移的自由基历程77B. 用用LiAlH4还原还原实验室常用的制备方法实验室常用的制备方法C. 催化氢解催化氢解铜铬催化剂是应用较广的催化剂,双键可同时被还原,铜铬催化剂是应用较广的催化剂,双键可同时被还原,该反应大量用于催化氢解植物油和脂肪,得长链的醇,该反应大量用于催化氢解植物油和脂肪,得长链的醇,用来合成洗涤剂、化学试剂等。
用来合成洗涤剂、化学试剂等78A. 酰胺可用酰胺可用LiAlH4还原成胺还原成胺B. 如用如用BH3作还原剂比作还原剂比LiAlH4更优越,反应较快且具有选择性,更优越,反应较快且具有选择性, -NO2, -CN等不受影响:等不受影响:C. Hofmann降解反应降解反应3、酰胺的还原、酰胺的还原该该反应过程较复杂,但反应产率较高,产物较纯净反应过程较复杂,但反应产率较高,产物较纯净94%(CH3)3CCH2CONH2 (CH3)3CCH2CH2NH2 NaOBr79Hofmann降解降解反应历程:反应历程:4、腈的还原、腈的还原LiAlH4 或催化氢化都还原腈得到胺或催化氢化都还原腈得到胺R– C N1. LiAlH42. H2OR– CH2NH2R– C NH2 , NiD D , 压力压力R– CH2NH2CH3CH2CH2– C N1. LiAlH42. H2OCH3CH2CH2– CH2NH2PhCH2– C N PhCH2– CH2NH2H2 , NiD D , 压力压力反应实例反应实例80四、酯缩合反应四、酯缩合反应具有具有 -H的酯的酯呈现一定酸性,在强碱呈现一定酸性,在强碱RONa作用下生成作用下生成 -碳负离子碳负离子,,该负离子作为该负离子作为亲核试剂亲核试剂,,对另一分子酯的羰基进行亲核对另一分子酯的羰基进行亲核加成,然后再加成,然后再消去酯的烷氧基部分(取代反应),最终生成消去酯的烷氧基部分(取代反应),最终生成 -酮酸酯酮酸酯。
1. Claisen酯缩合酯缩合2RCH2–C–OR’O= RCH2–C—CH–C–OR’O=–O=R1) R’ONa/R’OH2) H+/H2O -酮酸酯酮酸酯C2H5O-[ RCHCOC2H5O-RCH=COC2H5 ] + C2H5OHO-RCH2COC2H5ORCH2CCHCOOC2H5 + C2H5O-OR RCH2COC2H5O+ RCHCOC2H5ORCH2C CHCOOC2H5O-OC2H5R-反应机理反应机理 -酮酸酯酮酸酯812CH3–C–OC2H5O= CH3–C—CH2–C–OC2H5O=O=1) Na/C2H5OH2) 50%HOAc 乙酰乙酸乙酯乙酰乙酸乙酯–CH2CH2CH32CH3(CH2)2CH2–C–OC2H5O= CH3 (CH2)3–C—CH–C–OC2H5O=O=C2H5ONa 2CH3CH2CH–C–OC2H5O= –CH3Ph3C-Na+–CH2CH2CH3 CH3CH2CH–C— C — C–OC2H5O=O= –CH3–CH32CH3CH2C – C –OC2H5O= –CH3–MeC2H5ONa反应实例反应实例无无 -H的酯不能发生该类反应的酯不能发生该类反应822. Dieckmann酯酯缩合缩合位置适当的开链双酯位置适当的开链双酯,在强碱,在强碱RONa存在下可以进行分子内酯的缩合,存在下可以进行分子内酯的缩合,得到含五、六元环的化合物得到含五、六元环的化合物,该类反应称作,该类反应称作Dieckmann缩合,缩合,~833、交叉酯缩合、交叉酯缩合两个相同酯缩合,产物较单一,若两个不同的具有两个相同酯缩合,产物较单一,若两个不同的具有 -H的酯缩合,的酯缩合,则会得到四种缩合产物,由于分离困难,这样所得的产物没有多则会得到四种缩合产物,由于分离困难,这样所得的产物没有多大用途;大用途; R1CH2–C—CH–C–ORO=–O=R11) R’ONa/R’OH2) H+/H2OR1CH2–C–ORO= 四种四种不同的不同的 -酮酸酯酮酸酯R2CH2–C–ORO= R2CH2–C—CH–C–ORO=–O=R2 R1CH2–C—CH–C–ORO=–O=R2 R2CH2–C—CH–C–ORO=–O=R184但但无无 -H的的酯酯与与一一个个有有 -H的的酯酯缩缩合合,,所所得得的的产产物物都都只只有有两两种种,,并并可可控控制制只只得得到到一一种种混混合合酯酯的的产产物物,,这这种种缩缩合合称称为为交叉酯缩合交叉酯缩合,这种交叉酯缩合反应在合成上是有用的。
这种交叉酯缩合反应在合成上是有用的交叉酯缩合交叉酯缩合无无 -H的酯:甲酸酯、芳香甲酸酯、碳酸酯和草酸酯等的酯:甲酸酯、芳香甲酸酯、碳酸酯和草酸酯等可与其它有可与其它有 -H的酯缩合,它们在反应中提供羰基,在的酯缩合,它们在反应中提供羰基,在另一酯的另一酯的 -位导入相应酰基位导入相应酰基 R1CH2–C—CH–C–ORO=–O=R1R1CH2–C–ORO= R2–C–ORO= R2–C—CH–C–ORO=–O=R1R2 :: –H; –Ar; –RO; –COOR85反应实例反应实例甲酸酯甲酸酯碳酸酯碳酸酯草酸酯草酸酯芳香甲酸酯芳香甲酸酯86当将当将具有具有 -H的酯的酯与与酮酮一起用强碱处理时,由于一起用强碱处理时,由于酮的酮的 -H酸性酸性比酯强比酯强((pKa酮酮20, pKa酯酯24.5)), 故反应中酮生成故反应中酮生成 -C负离子负离子, 结果是结果是酯酰基导入酮的酯酰基导入酮的 -位位酮酮酯酯无无 -H的的酯与酮缩合产物更为单一酯与酮缩合产物更为单一酯酯酮酮酯与酮的交叉缩合酯与酮的交叉缩合 -二酮二酮87酯缩合反应的本质酯缩合反应的本质是是 -H的一个反应类型的一个反应类型,如用,如用含含 -H的醛的醛、、酮酮代替一部分酯,用代替一部分酯,用RCOCl、、 (RCO)2O代替另一部分酯,结代替另一部分酯,结果发生相同的反应。
果发生相同的反应这些这些1,3-二羰基化合物二羰基化合物具有具有较活泼的较活泼的 -H,,在碱催化下可进行亲核取代、在碱催化下可进行亲核取代、亲核加成等反应,在合成应用上极为广泛亲核加成等反应,在合成应用上极为广泛酯缩合是形成酯缩合是形成C-C键的重要反应,它可合成一些重要的键的重要反应,它可合成一些重要的1,3-双官能团双官能团的化合物的化合物:RCOCH2CO2C2H5 -酮酸酯酮酸酯RCOCH2COR’1,3-二酮二酮1,3-二酯二酯C2H5OOCCHCOOC2H5R88酯的热解酯的热解(pyrolysis)反应反应酯在酯在400~500℃的高温进行的高温进行--热裂解热裂解,产生烯和相应羧酸的反应产生烯和相应羧酸的反应CH3COO-CH2CH2-H400~500oCD DCH3COOH + CH2=CH2 反应机理反应机理六中心过渡态六中心过渡态顺式消除顺式消除 CH3COOH + 89当存在当存在Z,E异构体时,以异构体时,以E-型为主型为主酯热解的选择性酯热解的选择性酯热解主要得酯热解主要得Hofmann烯烃烯烃D DD D顺式消除顺式消除的的实验依据实验依据D D90五、酰胺的五、酰胺的特殊性质特殊性质1. 酰胺的酸碱性酰胺的酸碱性p–p p 共轭体系,使得共轭体系,使得N原子上的电子云密度降低,原子上的电子云密度降低,从而减弱了它接受质子的能力从而减弱了它接受质子的能力酰亚胺酰亚胺化合物由于受两个羰基的影响,化合物由于受两个羰基的影响,N上的上的H原子的酸性明显增强:原子的酸性明显增强:p–p p 共轭使得酰胺呈中性或近中性共轭使得酰胺呈中性或近中性酰亚胺呈酸性酰亚胺呈酸性++--912. 脱水反应脱水反应酰胺在酰胺在脱水剂脱水剂P2O5、、SOCl2等存在下等存在下共热或高温加热共热或高温加热,,则发生则发生分子内脱水分子内脱水,生成,生成腈腈。
脱水脱水机理(机理(了解了解))R– C –NH2O=R– C = NOH––HR– C N– H2O实验室制备腈的一种简便方法实验室制备腈的一种简便方法2-乙基己腈乙基己腈92六六. 烯酮烯酮 (ketene) 羧酸分子内脱水羧酸分子内脱水形成形成烯酮烯酮(羧酸的内酐)(羧酸的内酐)——高效的高效的乙酰化乙酰化试剂试剂烯酮的反应烯酮的反应H2C=C=O + H2OROHRCOOHNH3RNH2CH3COOHCH3COORCH3COOCORCH3CONH2CH3CONHR反应反应机理机理H2C=C=O + H+H2C=C—OH+:Nu-H2C=C–O–H–NuH3C–C=O–Nu93C=C双键上的亲电加成双键上的亲电加成H2CCO+ RMgXH2CCOMgXRH2OCH3CROC=O双键上的亲核加成双键上的亲核加成H2CCO+ HCHOZnCl2or AlCl3OO[2+2]环加成环加成 -丙内酯丙内酯++-- -丙内酯丙内酯开环反应开环反应94第七节、重要的羧酸衍生物(第七节、重要的羧酸衍生物(了解了解))乙酰辅酶乙酰辅酶ACH3–C–O–P–O-=O=O–OH+ HS–CoACH3–C–S–CoA=O+ HO–P–O-=O–OH乙酰磷酸酯乙酰磷酸酯辅酶辅酶A乙酰辅酶乙酰辅酶A动物脂肪和植物油都是高级脂肪酸的甘油酯。
动物脂肪和植物油都是高级脂肪酸的甘油酯蛋白质是酰胺的高聚物;蛋白质是酰胺的高聚物;很多生物活性物质含酰胺结构很多生物活性物质含酰胺结构合成纤维合成纤维—HN(CH2)6NHC(CH2)4CNH(CH2)6NHC—O===OO[ ]n的确良,的确良,Dacron聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯尼龙尼龙-6,6 (Nylon-6,6)青霉素青霉素G95第八节、碳酸衍生物(第八节、碳酸衍生物(了解了解))碳酸碳酸(carbonic acid)及其及其单酰氯单酰氯、、单酯单酯、、单酰胺单酰胺都不太稳都不太稳定定,易失去二氧化碳;,易失去二氧化碳;碳酸二酰氯碳酸二酰氯(光气光气) 碳酰胺碳酰胺(脲脲) 硫代碳酰胺硫代碳酰胺(硫脲硫脲) 亚氨基脲亚氨基脲(胍胍) phosgene urea thiourea guanidine 碳酸碳酸的的两个羟基两个羟基被取代所形成的被取代所形成的中性衍生物中性衍生物是稳定的。
是稳定的96一、一、碳酸二酰氯碳酸二酰氯(光气光气) 光气光气碳酸二酰氯碳酸二酰氯(光气光气) :性质非常活波,剧毒可以发生水解、醇解、氨:性质非常活波,剧毒可以发生水解、醇解、氨解酰基化试剂酰基化试剂(acylating agent)与双官能化合物反应与双官能化合物反应97二、氨基甲酸酯二、氨基甲酸酯氨基甲酸酯氨基甲酸酯是一类具有镇静和轻度催眠作用的药物,如:是一类具有镇静和轻度催眠作用的药物,如:三、碳酰胺(脲,俗称尿素)三、碳酰胺(脲,俗称尿素)尿素尿素是白色晶体,熔点是白色晶体,熔点1320C,,显弱碱性,显弱碱性,溶于水及乙醇,难溶于乙醚溶于水及乙醇,难溶于乙醚 结构特点结构特点+-H2N – C–NH2=O两性离子两性离子氯代甲酸酯氯代甲酸酯98制制 备备H2NCNH2O+ HNO3CO(NH3)2HNO3白白色色与强酸作用生成盐:与强酸作用生成盐:利用本反应可从尿液中分离出尿素利用本反应可从尿液中分离出尿素 OH2NCNH2+ 2HNO22N2+ CO2 + H2O与与亚硝酸亚硝酸作用能作用能放出氮气放出氮气,可以定量测定尿素的含量可以定量测定尿素的含量。
水解水解::性性 质质该反应可用该反应可用于测定脲于测定脲 2NH3 + CO2H2NCOONH4H2NCONH2 + H2O180oC20MPa– H2O氨基甲酸铵氨基甲酸铵+99缩二脲缩二脲缩二脲可与硫酸铜溶液起颜色缩二脲可与硫酸铜溶液起颜色(紫红色紫红色)反应(缩二)反应(缩二脲反应),脲反应), 可用于鉴别缩二脲反应还可鉴定肽键可用于鉴别缩二脲反应还可鉴定肽键在乙醇钠的存在下,尿素可与丙二酸酯反应生成丙二酰脲在乙醇钠的存在下,尿素可与丙二酸酯反应生成丙二酰脲 丙二酰脲有酸性,俗称巴比妥酸丙二酰脲有酸性,俗称巴比妥酸,,其衍生物用作镇静、安眠药其衍生物用作镇静、安眠药应用:应用:氮肥、合成塑料、合成药物氮肥、合成塑料、合成药物丙二酰脲丙二酰脲100四、胍(四、胍(guanidine))——亚氨基脲亚氨基脲 尿素尿素 胍胍 胍基胍基 脒基脒基由由氨基氨基氰与与氯化化铵作用作用可以可以制得胍制得胍的的盐酸酸盐胍为吸湿性很强的无色结晶,熔点胍为吸湿性很强的无色结晶,熔点500C,,易溶于水易溶于水; 其碱性与氢氧化钾相仿(其碱性与氢氧化钾相仿(pKb=0.52))——强碱。
强碱 脲分子中的羰基被亚氨基(=脲分子中的羰基被亚氨基(=NH))取代而生成的化合物称为取代而生成的化合物称为胍胍水解水解::氢氧化钡溶液能使胍缓和水解生成脲和氨氢氧化钡溶液能使胍缓和水解生成脲和氨 胍盐:胍盐:+101胍基存在于生物体内的蛋白质中,是胍基存在于生物体内的蛋白质中,是精氨酸的残基精氨酸的残基还可用作药物:还可用作药物: 102。