第十六章--羧酸及其衍生物16开

第十六章羧酸及其衍生物1第十六章羧酸及其衍生物第一节羧酸及其衍生物的命名与结构一、羧酸及其衍生物的命名与结构1.羧酸的命名选择包含-COOH（羧基）的最长碳链为主链，侧链（如果有的话）作为取代基，根据主链的碳数确定母体的名称为某酸，当主链含有碳碳双键或叁键（优先级低的官能团）时，母体名称为某烯酸或某炔酸，编号从羧基碳开始，命名优先级低的官能团的编号置于母体名称的前面并用短线隔开，按从左至右先取代基后母体的顺序书写羧酸构造式的完整名称，取代基按优先级增大的顺序从左至右排列。例如，PhCH=CHCH2CO2H的名称为4-苯基-3-丁烯酸。2.酸酐的命名酸酐的命名依照相应的羧酸，简单酸酐称为某酸酐，混酐则按相应的羧酸的复杂程度依次排列称为某酸某酸酐。例如，CH3COOPh的名称为乙酸苯甲酸酐。3.酰卤的命名酰卤的命名依照相应的羧酸，将羧酸名称中的“酸”字去掉换成“酰”字。例如，CH3COCl和PhCOCl的名称依次为乙酰氯和苯甲酰氯。4.酯的命名酯的命名依照相应的羧酸和醇称为某酸某酯。例如，CH3COOCH3和PhCOOPh的名称依次为乙酸甲酯和苯甲酸苯酯。5.腈的命名腈的命名依照相应的羧酸的命名称为某腈。注意：当化合物中有优先级更高的官能团时，由优先级高的官能团决定化合物的种类名称而-CN只能作为取代基并且氰基的碳原子不计入主链的碳数。例如，PhCH2CN和NCCH2CO2H的名称依次为苯乙腈和氰基乙酸。二、酸及其衍生物的结构在RCOL中三个原子形成的三中心π轨道具有如下形式：LOCR132111222333EHOMOLUMO成键非键反键三中心四电子π键酸及其衍生物（酰基化合物）的分子具有大的偶极矩，对羧酸而言由于羟基的存在羧酸分子间能形成氢键也能与水形成氢键因此羧酸具有较高的沸点和较好的水溶性由于羟基，由于受羰基的影响羟基具有显著的酸性。它们结构的共同点是都存在极性的平面型羰基，在羰基中碳原子采用SP2杂化轨道成键，其中一个SP2杂化轨道与氧的一个SP2杂化轨道重叠形成C-Oσ，另外两个SP2杂化轨道分别与其它原子的杂化轨道或氢原子的S轨道重叠形成碳-杂原子σ键或C-Hσ键（对甲酸及其衍生物而言），氧的另外两个SP2杂化轨道则分别被两对孤对电子所占据。此外碳和氧的未参与杂化的P轨道平行重叠形成C-Oπ键，需要指出的是在RCOL中随L的不同羰基与L的“孤对电子”存在一定程度的P-π共轭，因此最好描述为C-O-L的三中心四第十六章羧酸及其衍生物2电子π键。氰基-CN是腈的官能团，在氰基中的碳原子采用SP杂化轨道成键，其中一个SP杂化轨道与氮的一个SP杂化轨道重叠形成C-Nσ，另外一个SP杂化轨道与其它碳原子的杂化轨道重叠形成C-Cσ键，氮的另外一个SP杂化轨道则被一对孤对电子所占据，此外碳和氮的未参与杂化的P轨道平行重叠形成两个相互垂直C-Nπ键。第二节羧酸的化学性质一、结构与反应OHHCCOδ+-δδ+断键位置亲电中心亲核中心酸性中心二、羧酸的酸性RCOOHRCO2-+H+酸性顺序：RCO2HArOHH2OROHC2H2NH3RH。羧酸具有显著的酸性，与碱反应生成相应的盐。影响羧酸酸性的主要因素有诱导效应和共轭效应。吸电子基增强酸性，给电子基减弱酸性。RCO2Na+HClRCO2Na+H2O+CO2RCOOH+NaHCO3RCOONa+NaCl上述两个反应是利用羧酸的酸性进行羧酸的分离和提纯的原理。三、羰基碳上的亲核取代反应羧酸在一定条件下可直接转变成羧酸衍生物如酰卤、酸酐、酯和酰胺等。_H2O_H2O_H2OR'NH2R'OH(RCO)2O2.H2O1.LiAlH4RCH2OHRCONHR'P2O5RCOOR'SOCl2orPCl3orPCl5RCOClRCO2HΔ*Mitsunobu酯化反应EtO2CN=NCO2Et=DEADRCOOR'RCO2H+R'OHEtO2CN=NCO2Et/Ph3P上述酯化反应是醇羟基碳（醇碳）上的SN2反应，如果醇碳是手性的，则其构型反转。四、脱羧反应1.自由基脱羧反应经过酰氧自由基脱羧的Hunsdiecker反应和Kochi反应以及Barton改进反应第十六章羧酸及其衍生物3HunsdieckerreactionRBr+RCOOHAgBr+CO2Ag2OBr2RCOOAgBartonreactionKochireactionBartonreactionRII2/Pb(OAc)4RClRBrPb(OAc)4/LiClHgO/Br2RCOOHBr2CO2AgBr2.协同脱羧反应羧基的α位或羧基上直接连有吸电子基时在加热条件下易发生脱羧反应。Z=RCO,HO2C,CN,NO2,Aretc.ZH+CO2ZCO2HZCH2CO2HZCH3+CO2以β-酮酸加热脱羧为例说明此反应机理：OCO2HHHOCHOHOH+CO2OHHHRROHHHR六员环过渡态五、α-氢的卤代反应具有α-氢的羧酸在少量红磷（或三卤化磷）存在下与溴反应生成.α-溴代羧酸—Hell-Volhard-Zelinsky反应+HXX2=Cl2,Br2X2PHC-COOHC-COOHX六、还原羧酸只有被还原能力特别强的LiAlH4还原为相应的伯醇（参见三）。七、二元酸、羟基酸和羰基酸的反应1.二元酸乙二酸可被KMnO4氧化生成二氧化碳，可热分解成二氧化碳和一氧化碳；丙二酸加热脱羧生成乙酸；丁二酸和戊二酸受热脱水生成环状酸酐—丁二酸酐和戊二酸酐；己二酸和庚二酸受热发生脱水脱羧生成环戊酮和环己酮。第十六章羧酸及其衍生物42.羟基酸α-羟基酸受热生成交酯OOORORRCHCO2HOHβ-羟基酸受热发生消除生成α，β-不饱和酸RCHCH2CO2HOHRCH=CHCO2Hγ-羟基酸和δ-羟基酸受热生成γ-内酯和δ-内酯OORRCHCH2CH2CO2HOHOORRCHCH2CH2CH2CO2HOH3.羰基酸的反应α和β-羰基酸受热脱羧：RCCO2HRCHO+CO2ORCCH2CO2HRCOCH3+CO2O第四节羧酸衍生物的化学性质一、结构与反应L=Cl,OR',OCOR',NH2,NHR',NR'2LHCCOδ+-δδ+断键位置亲电中心亲核中心-δ二、酰基上的亲核取代反应1.酰基碳上亲核取代反应的相对活性ⅡⅠRCLORCL+O-第二个共振式Ⅱ越重要，L上“孤对电子”离域程度越大，L越不易离去，羧酸衍生物越不活泼，因此羧酸衍生物的反应活性次序为：酰卤酸酐酯酰胺。第十六章羧酸及其衍生物52.酰基碳上亲核取代反应的机理羧酸衍生物分子中的羰基可以受亲核试剂的进攻，经四面体中间体发生加成-消除反应而生成相应的取代产物。a.中性亲核试剂HL+HNu+CCRCCCCCCO+L-HNu+HNuRCORCOLNu+CCRCCCCCCL-O活泼的酰卤、酸酐的反应和酯的胺解。b.负离子亲核试剂RCORCOLNu-Nu+CCRCRCCCRCRCLNu离去基：碱性越弱，越易离去L=X,OR',etc.+L--O酯和酰胺的碱性水解和酯的胺解。c.酸性条件L=OR',OH,NH2,NHR',NR'2HNu=HOR',H2OH+HOLCCCCCCRCCNuLCO+HRCORHNuHNu+HL+HOCCCCCCRCCNuL+H_LCORH+羧酸的酯化和酯以及酰胺的酸性水解和酯交换反应。三、酰氯的反应酰卤是最活泼的羧酸衍生物，可以水解成羧酸，可以转化成酸酐、酯和酰胺，也可以被还原成伯醇或醛。第十六章羧酸及其衍生物6_NaClR'CO2NaH2O_HCl_HClR'NH2R'OHRCO2H2.H2O1.LiAlH4RCH2OHRCONHR'RCOOR'RCOOCR'RCOCl_NaClH2O_HCl_HClR'NH2R'OH2.H2O1.LiAlH4RCOOCR'1.LiAlH4LiAlH(OCMe3)3RCHOR'2CuLiRCOR'四、酸酐的反应酸酐是比较活泼的羧酸衍生物，容易水解成相应的羧酸，可以发生亲核取代反应生成酯和酰胺。(RCO)2OH2OR'NH2R'OHRCO2HRCONHR'+RCOOHRCOOR'+RCOOH五、酯的反应酯在酸或碱存在下水解成相应的羧酸和醇，可以还原成醇，可以发生亲核取代反应进行胺解和醇解，还可以进行Claisen酯缩合反应。RCOOR'R''NH2R''OH2.H2O1.LiAlH4RCH2OH+R'OHRCONHR''+R'OHRCOOR''+R'OHH+H2ORCO2H+R'OHRCO2-+R'OHOH-2.H+/H2O1.NaRCHOHCOR+R'OHH+1.酰基碳上亲核取代反应a.酯的水解和胺解酯的酸性水解生成相应的羧酸和醇，酯的碱性水解生成相应的羧酸盐（碱金属的盐溶于水）和醇。酯的醇解（酯交换）生成新酯和新醇。酯的胺解生成相应的酰胺和醇。b.Claisen酯缩合RCH2CO2EtRCH2COCRHCO2E1.NaOEt2.H+/H2O酮酸酯β_t二元酸酯发生分子内的酯缩合反应，生成相应环状β–酮酸酯，称为Dieckmann缩合。第十六章羧酸及其衍生物7OOCHCO2ECCCO2Et+CH3CO2EtNaOEtCO2Ett有意义的交叉Claisen酯缩合应这样选择：一种酯无α-氢作为酰基化试剂而另一种酯有α-氢在碱存在下能产生α-碳负离子。Claisen酯缩合反应是重要的形成碳碳键的反应，它在有机合成中有广泛的应用：RCH2CO2EtR'XNaOEtRCH2COCRHCO2EtRCH2COC-RCO2EtH+/H2ORCH2COCRR'CO2Et2.H+/H2ORCH2COCHRR'1.NaOH/H2ORCH2COCH2R酮酸酯β_1.NaOH/H2O2.H+/H2O酮酸酯β_β-酮酸酯水解后得β–羰基酸，后者受热容易失羧，得到相应的酮。2.还原反应a.偶姻反应（酮醇缩合）1.Na2.H+/H2OOHRCHCORRCOOR'R'OH_在惰性溶剂如芳烃和醚中，金属钠还原酯生成烯二醇二钠盐后者经酸化得到α-羟基酮。二元酸酯可以发生分子内的酮醇缩合，这是合成环状化合物（小环除外）的一个通用方法。b.氢化H+/H2OLiAl(OCH2R)4+LiAl(OR')4LiAlH4RCH2OH+R'OHH2CuCr2O4RCOOR'六、酰胺的反应1.酰胺羰基的反应H+RCONR'2H2O2.H2O1.LiAlH4RCH2NR'2RCO2H+H2N+R'2RCO2-+HNR'2OH-_H2ORCN(R'=H)P2O5酰胺酸性水解生成相应的羧酸和氨、胺的盐（铵盐，溶于水）,酰胺碱性水解生成相应的羧酸盐（碱金属盐溶于水）和氨、胺。第十六章羧酸及其衍生物82.酰胺氮与亚硝酸的反应RCONR'2RCONHR'RCONH2HNO2RCO2H+H2O+N2RCONNOR'七、腈的反应OH-RCO2-+NH3RCO2H+NH4+RCH2NH21.LiAlH42.H2OH2ORCNH+1.R'MgXRCOR'2.H2O八、羧酸衍生物形成的碳负离子（烯醇负离子）的反应1.乙酰乙酸乙酯及丙二酸酯合成法a.β-羰基醛、酮和酯等化合物的酮式和烯醇式互变平衡β-羰基醛、酮和酯等化合物存在着如下所示的酮式和烯醇式互变平衡：RHOCLOHCOLOR'R'R'Rb.α-氢的酸性β-羰基酯以及丙二酸酯的α-氢具有酸性，在醇钠存在下可生成碳负离子，碳负离子与卤代烷或酰卤反应在α-碳连上烃基或酰基，后者经水解脱羧，得到不同类型的一取代甲基酮和二取代甲基酮及一取代乙酸和二取代乙酸等化合物。其它能提供活性亚甲基且在碱性条件下能生成碳负离子的β–双官能团化合物也可以发生类似的反应，用于相应化合物的合成。一取代丙酮OCO2EtHH4.H+/H2O/ORHH1.NaOEt二取代丙酮OCO2EtHH2.RBr5.NaOH6.H+/H2O/ORH3.NaOEt4.R'BrR'1.NaOEt2.RBr3.NaOH第十六章羧酸及其衍生物9一取代乙酸HHEtO2CRHCO2HHCO2Et4.H+/H2O/1.NaOEt2.RBr3.NaOH二取代乙酸HHRHR'CO2HCO2EtEtO