羧酸及羧酸衍生物的重要反应及重要反应机理

第六章羧酸及羧酸衍生物的性质及重要反应机理一、羧酸的化学性质1.酸性羧酸具有酸性，诱导、共轭、场效应等对酸性强弱有影响。利用羧酸的酸性可以制备羧酸酯和羧酸盐。2.亲核取代反应这是羧酸在一定条件下转变成羧酸生物的反应。大多数亲核取代反应是通过加成-消除历程完成的。3.还原反应羧酸能被LiAlH4和B2H6还原成相应的伯醇。4.α-H的卤化（Hell-Volhard-Zelinsky反应）通过控制卤素的用量可以制备一元或多元的卤代羧酸，并进一步制备羟基酸和氨基酸。5.脱羧反应羧酸在适当的条件下，一般都能发生脱羧反应，这是缩短碳链的反应。通常的脱羧反应表示如下：A为-COOH、-CN、-（C=O）R、-NO2、-CX3、-C=O、C6H5-等吸电子基团时，脱羧反应相当容易进行。此外还有一些特殊的脱羧方法。二元羧酸的脱羧规律是：乙二酸、丙二酸、加热失羧，丁二酸、戊二酸加热是水生成分子内酸酐，己二酸、庚二酸加热是水、失羧生成环酮。根据以上反应可以得出一个结论，在有机反应中有成环可能时，一般易形成五元环或六元环。这称为布朗克（Blanc）规则。二、羧酸衍生物的化学性质1.亲核取代反应这是羧酸衍生物的转换反应。转换的活性顺序为：RCOXCRCOOOCRRCOOR′RCONR2酸和碱都能催化反应。2.与有机金属化合物的反应选用空阻大的酰卤，反应能控制在酮的阶段。选用甲酸酯，可以制备对称二级醇。选用碳酸酯，可制备三个烃基相同的三级醇。二元酸的环状酸酐可用来制备酮酸。酰胺氮上有活泼氢，一般不宜使用。3.还原反应一般还原反应归纳于下表：反应物还原剂NaBH4LiAlH4催化氢化B2H6RCOClRosenmund法RCHO++RCH2OHRCOOOCR++++2RCH2OHRCOOR′++特殊催化剂+RCH2OHR′OHRCONH2++特殊催化剂+RCH2NH2RCN++RCH2NH2其他重要反应如：Claison缩合、Reformatsky反应、Darzens反映、Perkin反应、Bouveault-Blanc反应、酮醇反应、酯的热裂等见重要反应机理。三、羧酸和羧酸衍生物的制备1.羧酸的制备2.（1）氧化法甲基方庭、一级醇、醛经氧化生成和原料化合物碳原子数相同的羧酸。烯、炔、芳甲位有氢的侧链芳烃（芳甲位不含氢原子的侧链不被氧化）二级醇、三级醇、铜经氧化生成比原料化合物碳原子数少的羧酸。（2）水解法羧酸衍生物和腈均产生相应的羧酸（三级卤代烃，新戊级卤不能经腈来制备相应的羧酸）。（3）有机金属化合物制备法格氏试剂和有机锂试剂均能与二氧化碳反应生成增加一个碳原子的相应的羧酸。2酰卤的制备3.酸酐的制备（1）混合酸酐法（2）羧酸脱水法（制备单纯的酸酐）（3）芳烃的氧化（4）乙酸酐的特殊制法4.酯的制备（1）酯化反应（2）羧酸衍生物的醇解（3）羧酸盐与卤代烷反应（指适应于一级卤代烃和活泼卤代烃）（4）羧酸与重氮甲烷的反应（5）羧酸对烯和炔的加成5.酰胺的制备（1）羧酸铵盐的失水（2）腈的控制水解（3）羧酸衍生物的胺（氨）解6.腈的制备（1）酰胺失水（2）用卤代烃与氰化钠反应四、重要反应的反应机理（一）羧酸衍生物的转换反应反应式：反应机理：碱催化反应机理酸催化反应机理：（二）酯化反应反应式：反应机理：1.加成-消除反应机理（大多数酯化反应按此机理进行）2.碳正离子机理（SN1）（三级醇的酯化反应按此机理进行）3.酰基正离子反应机理（SN1）（仅有少数空阻大的羧酸按此反应机理进行）：（三）、酯的水解反应反应式：反应机理1.碱性水解（皂化反应）机理2.酸性水解机理3.三级醇酯水解反应机理（四）Claison酯缩合反应反应式：反应机理：用乙醇钠作催化剂，酯必须提供两个α-H，乙醇钠的用量要大于1摩尔，才能有利于平衡向缩合方向移动。若酯只有一个α-H，则需要用更强的碱如Ph3CNa作催化剂。该反应可用来制备β-酮酸酯。二元酸酯可以发生分子内的酯缩合反应，产物为环状β-酮酸酯，这称为Dieckmann缩合反应。（五）酯缩合的逆反应、酮式分解和酸式分解酯缩合的逆反应：酮式分解：酸式分解：（六）Reformatsky反应反应式：反应机理：（七）Darzens反应反应式：反应机理：（八）Perkin反应反应式：反应机理：（九）Bouveault-Blanc还原（酯的单分子还原）反应式：反应机理：（十）酮醇反应（或偶姻（acyloin）反应）（酯的双分子还原）反应式：反应机理：（十一）Hell-Volhard-Zelinsky反应反应式：反应机理：去除第一步和最后一步，则为酰卤α-H卤化的反应机理。（十二）脱羧反应反应式：反应机理：1环状过渡态机理：当α-碳与不饱和键相连时（如β-羰基酸），一般都通过环状过渡态机理失羧。2羧酸负离子机理失羧酸性很强的羧酸易通过负离子机理失羧。（十三）酯的热裂反应式：反应机理：（十四）Hofmann降解反应反应式：反应机理：例题1完成反应式：解：[1]本题为酯的水解反应，因为酯基部分为空阻大的三级醇，三级碳又与乙烯基和苯基相连，容易形成稳定的碳正离子，所以，本题以SN1机理发生酯的水解。18O连在醇羟基上。[2]烯丙型碳原子是共振杂化体，具有两位反应性能。碳正离子呈平面结构，与H2O18结合时可以得到两种结构。例题2试为下述反应建议合理的、可能的、分步的反应机理解：[说明]本题是内酯胺解和羟醛缩合型反应的混合，因为反应物中有多种官能团，在反应类型及反应部位的确定方面需要做出正确的判断。例题2试为下述反应加以合理的、可能的、分步的反应机理。解：[说明]本题涉及构象、酮酯缩合、逆向酯缩合、分子内的SN2反应、酸碱反应等知识点，题目比较灵活。例题3完成下列方程式，并写出反应③的反应机理。解：③的反应机理：例题4完成反应式，并为下述反应提出合理的、可能的、分步的反应机理。解：反应机理：这是负离子失羧机理。首先通过电子转移，形成氧正离子。然后，在正离子的吸电子作用下，羧酸电离，羧酸根离子失羧，并恢复萘环的芳香结构。反应机理：这是六元环状过渡态失羧机理。首先是醇羟基形成锌盐，然后失水成烯。Β，γ-不饱和烯酸经六元环状过渡态失羧，双键移位。例题5请为下述反应提出合理的、可能的、分步的反应机理，简述实验操作顺序并阐明理由。解：该成酯反应是按照酰基正离子反应机理进行的。实验操作顺序：先将浓硫酸和羧酸混合，然后将混合液倒入相应的醇中。（实验操作不能反过来，否则，醇遇浓硫酸会失水。例题6请为下述反应提出合理的反应机理。解：本体是芳香亲电取代与负离子脱羧交叉组合型的反应机理。例题7完成下列反应，并为这些反应提供合理的、可能的、分步的反应机理。解：反应机理：反应式按酰氧键断裂的机理进行的，所以反应后醇的构型保持不变。反应机理：反应式按烷氧键断裂的机理进行的，所以氧的同位素18O保留在酯分子中。例题8请为下列反应提出合理的反应机理。解：本题在写酯化反应机理时要考虑立体化学。如果羧甲基和羟甲基处于反式，反应不能进行。本题为酯化反应和酯热裂消除反应的组合，在酯热裂消除反应中，应生成E型烯烃。例题9CH2=CHCH(CH3)COOH在酸的作用下得到两种产物。请写出两种产物的结构，哪一种产物是主要的？为什么？解：两种产物分别是γ-丁内酯和β-丙内酯。反应过程如下：从碳正离子的稳定性看，（Ⅱ）〉（Ⅰ），而从内酯的稳定性来讲，γ-丁内酯〉β-丙内酯，由于各步反应都是可逆的，所以平衡移动的最后结果是大部分产物转变为稳定的γ-丁内酯。例题10酰卤氨解时会产生一部分氢卤酸，因此氨解反应通常是在有其他碱存在的体系中进行的。请回答通常选用什么碱性体系，为什么？解：能溶于水的酰卤氨解时常选用吡啶、三乙胺、N,N二甲苯胺等有机碱。不溶于水的酰卤氨解时，可用NaOH水溶液。因为溶于水的酰卤水解速率会比不溶于水的酰卤快，为了抑制副反应，所以选用有机碱体系。不溶于水的酰卤水解速率很慢，而反应时产生的氢卤酸会迅速进入水相与碱反应，所以可以选用NaOH水溶液。例题11完成反应式，并写出合理的反应机理解：反应机理：本题为酯的水解反应，因为是3º醇酯的水解反应，所以反应按烷氧键断裂的机理进行。例题12CH3COOR′在盐酸中，于25℃时水解的相对速率：请解释上述实验事实。解：酯的酸性水解可以按照烷氧键断裂的机理进行，也可以按照酰氧键断裂的机理进行。当R′为C(CH3)3时，反应按照烷氧键断裂的机理进行。这是一个单分子反应，速率较双分子反应快得多。当R′为CH3、C2H5、CH（CH3）2时，反应按照酰氧键断裂的机理进行。反应关键的一步是形成四面体中间体，当R′为CH3、C2H5、CH（CH3）2时，空阻逐渐增大，羰基碳的电正性逐渐降低，所以反应速率逐渐降低。例题13写出反应产物，并为下述反应提出合理的反应机理：解：在酸性条件下，胺成盐，所以酸酐只能发生醇解，生成（A）后，体系转入碱性，胺又游离出来，此时酯发生胺解。反应机理：本题为酰胺二次醇解和分子内亲核取代反应交叉组合的反应机理。例题14请为下述反应提出合理的反应机理。解：先发生酯缩合的逆反应，再发生酯缩合。先发生酮酯缩合反应，再发生酯缩合的逆反应。本题为β-二羰基化合物的烷基化反应和酯缩合逆反应的组合。本题为环氧化合物的碱性开环和分子内酯交，换的组合。碱性条件下，试剂进攻环氧化合物空阻小的地方，酯交换时，发生酰氧键断裂，所以，在整个反应过程中，不对称碳原子的构型保持不变。本题为亲核取代、酯的水解、失羧、酯化反应组合在一起的反应。例题15为下述反应提出合理的反应机理。解：本题为Hofmann重排型反应，反应条件有了一些改动，用乙醇钠的乙醇溶液代替了氢氧化钠水溶液，因此产物也有了相应的变化，在氢氧化钠水溶液中反应，得到不稳定的氨基甲酸，然后，失羧得胺。在乙醇钠的乙醇溶液中反应，得到的是相对稳定的氨基甲酸酯。本题为酯的双分子还原。本题为亲核加成、分子内SN2、消除反应组合型的反应机理。本题为二苯乙醇酸重排反应。因为该反应用乙醇钠乙醇溶液代替了氢氧化钠水溶液，所以，产物也有了相应的变化。本题为内酯水解、脱羧、分子内SN2、互变异构、半缩酮形成五种反应的组合。