第13章 羧酸衍生物

第13章 羧酸衍生物

§13.1 命名、结构及其物理性质

13.1.1 羧酸衍生物的命名和结构 1、羧酸衍生物的定义

羧基中的羟基被其他原子或基团(卤素－X 、酰氧基RCOO —(羧酸根)、烷氧基－OR ’、氨基－NH 2)取代后的生成物它们都含酰基R －C ＝O ，统称酰基化合物。而羧酸衍生物指那些经水解能转变成羧酸的化合物。

2、羧酸衍生物的结构和分类

R C O

X R C O

O C O

R R C O

O R R C O

NH 2(R) R C N 酰卤 酸酐 酯 酰胺 腈

酰基中羰基碳原子为sp 2

杂化，具有平面结构，未参与杂化的p 轨道与氧原子p 轨道重叠形成π键。与酰基直接相连的杂原子（X 、O 、N ）上都具有未共用电子对，它们所占据的p 轨道与羰基的π轨道形成p-π共轭体系，未共用电子对向羰基离域，使C-L 键具有部分双键的性质。 3、命名 （1）酰卤

在命名时可作为酰基的卤化物，在酰基后加卤素的名称即可。 如：

（2）酸酐

由两个羧酸的名称加上“酐”字来命名。相同羧酸形成的酸酐称为单酐；不同羧酸形成的酸酐称为混酐。混酐命名时，通常简单的羧酸写在前面，复杂的羧酸写在后面。如：

CH 3C

O

CH 3

C O

O CH 3

C

O CH 3C

O

CH 2

O C

C O

O 乙酸酐 乙丙酸酐

邻苯二甲酸酐

（3）酯

a ）一元醇酯由相应的羧酸和醇中的烃基名称组合后加“酯”字来命名，酸的部分包括酰基C 原子。

如：

b ）多元醇酯由先写醇名后面接酸名，最后加酯。如：

c ）分子中含有―CO―O―结构的环状化合物称为内酯，内酯需标明羟基的位次。如：

（4）酰胺

a ）命名时把羧酸名称放在前面将相应的酸字改为酰胺即可；

b ）由酰基和胺或某胺组成。若氮原子上连有取代基，在取代基名称前加“N”标记，表示该取代基连在氮原子上；

c ）分子中含有―CO―NH―结构的环状化合物称为内酰胺。

CH 3

C

O

NH

C

O N （CH 3）

2NO 2

N

CH 3

O 乙酰苯胺 N,N —二甲基—3—硝基苯甲酰胺 N —甲基—5

—己内酰胺 CH 3

（5）腈

a ）命名时要把CN 中的碳原子计算在内，并从此碳原子开始编号，根据腈分子中所含碳原子的数称为某腈；

b

）或以烃作为母体，氰基作为取代基，此时氰基碳原子不计在内。

13.1.2 羧酸衍生物的物理性质 1、物态

? 低级的酰卤和酸酐是具有刺激性气味的无色液体； ? 低级的酯则是具有芳香气味的易挥发性无色液体；

? 酰胺除甲酰胺和某些N-取代酰胺外，由于分子内形成氢键，均是固体； ? 低级腈为液体，高级腈为固体。

2、沸点：酰胺＞羧酸＞酸酐＞酯＞酰氯

? 酰卤、酸酐和酯分子中无氢，不能形成分子间氢键，所以沸点较相近分子量的酸低；与分子量

相近的醛酮大体相近；

? 酰胺的熔点和沸点均比相应的羧酸高。当酰胺氮原子上的氢原子被烃基取代后，分子间不能形

成氢键，熔点和沸点都降低；

? 一般情况下，酰氯和酯的熔点比较低，酰胺的熔点较高，不同的酸酐的熔点变化是较大的。 ? 腈是较强的极性化合物，其沸点比相对分子质量相近的烃、醚、醛、酮和胺的沸点高，与醇相

近，但比羧酸的沸点低。 3、溶解性

? 酰氯和酸酐不溶于水，低级的遇水分解；

? 低级的酰胺（如N,N-二甲基甲酰胺）能与水混溶，是优良的非质子极性溶剂。随着相对分子

质量增大，在水中溶解度逐渐降低

? 低级腈易溶于水，随着碳原子数的增加，在水中溶解度降低。例如，乙腈与水混溶，丁腈以上

难溶于水。

? 所有羧酸衍生物均能溶于乙醚、氯仿、丙酮、苯等有机溶剂。

§13.2 羧酸衍生物的化学性质

13.2.1 亲核取代反应 1、反应机理

羧酸的亲核取代反应实际上是按加成——消去(nucleophilic addition-elimination )机理进行的，亲核试剂先对酰基进行亲核加成，然后再脱去一基团完成反应。

R C L

O δ-

δ+

2、影响反应速度的因素分析（电子效应和空间效应）

a ）反应生成四面体中间体的步骤是关键，酰基碳的正电性越大，立体障碍越小，越有利于加成；

b ）离去基团(:L —)的碱性越弱，离去能力越强，越有利于消除。 （1）电子效应

①R 和L 的-I 越大，双键碳的正电性越强，增加反应活性； ②L 的+C 越大，双键碳的正电性越弱，减小反应活性；

③离去基团(L —

)碱性越弱，越容易离去。

L 的碱性为： Cl －＜R-COO －＜HO —＜R’O －＜NH 2－

－－－2－? 亲核取代的活性：

亲核加成反应使酰基碳原子由sp 2杂化变成杂化sp 3，平面三角形结构转变为四面体结构。如果羰基碳原子连接的基团过于庞大，形成的四面体结构空间拥挤，体系能量升高，反应活性降低。

例如：2,4,6-三甲基苯甲酸乙酯按一般酸碱催化水解是不行的。须将羧酸先溶于浓H 2SO 4,使其?

亲核试剂碱性： NH

3＞ROH ，H 2O ＞RCOOH ＞HCl 、水解反应——

【反应机理】以酯的水解为例：

同位素实验证明：大多数2o

和 1o

醇的羧酸酯水解发生酰氧键断裂；3o 醇的羧酸酯

的水解发生烷氧键断裂。 A 、酸催化水解

B 、碱催化水解

C 、3o

醇的羧酸酯水解：SN 1机制

4

、醇解反应——酰氯、酸酐和酯都能进行醇解，生成酯。酰胺却难于醇解。 （1

）酰氯的醇解反应（用于通过酰氯制备酯）

R'OH

R

C O

OR'

R

C O

Cl

+

Et 3N or 吡啶

Et 3NHCl

N

H Cl or

? 碱的作用：吸收产生的 HCl 和催化。 （2）酸酐的醇解反应（合成上用于制备酯）

（3）酯的醇解反应（酯交换反应）

反应可逆，用过量的醇 R ”OH 和除去生成的醇 R ’OH 使反应进行完全。

? 酸或碱对反应是必需的；

? 反应机理？（参考酯的水解机理）。 （4）酰胺的醇解反应

NHR'的离去能力比

OR'差）

合成上意义不大（合成酯类化合物的方法有更好的方法）

**反应相对不易进行（因为

羧酸衍生物的醇解反应的意义

①由羧酸与醇反应难以制备的酯（酚酯和叔醇酯都不能用羧酸与酚或叔醇直接合成），可用活性较大的酰氯或酸酐与醇反应制取。

②酸酐比酰卤易于制备和保存，应用更广泛。例如乙酐与水杨酸作用生成乙酰水杨酸。

③酯交换反应(transesterification)在有机合成上用途很广，常用来由价廉的酯、醇生产其他的酯、醇。

、氨解反应——反应的伯或仲胺的碱性比离去的胺碱性强并且过量的情况下，才能得到N-烷基酰 胺。叔胺不能与酰胺发生氨解反应。

（1）酰氯的胺(氨)解

（2）酸酐的胺(氨)解

? 酰卤和酸酐与氨反应活性高，得到酰胺和铵盐。 ? 酰氯和酸酐的胺解是制备酰胺的主要方法 （3）酯的胺(氨)解：无水、过量氨

（4）酰胺的胺解——胺的交换，合成上意义不大

应用：NBS 合成

丁二酰亚胺与溴作用生成N －溴代丁二酰亚胺（NBS ），是一重要的溴代试剂，常用于烯烃的α

、与R ’

MgX 反应

酰卤、酸酐、酯和腈都可与R ’MgX 反应生成3°醇。

酰氯、酸酐 取代 酮 3°醇 、酯

（1）酰卤与R ’MgX 反应 低T 、R’MgX 不过量 控制反应停留在酮

CH 3(CH 2)2CH 2MgBr

CH 3 C Br

CH 3

C Br O

CH 3 C CH 2(CH 2)2CH 3

O

(C 2H 5)2 O

OMgBr CH 2(CH 2)2CH 3

-BrMgBr

CH 3(CH 2)2CH 2MgBr

-H 2O

CH 3 C CH 2(CH 2)2CH 3

OH

CH 2(CH 2)2CH 3

（2）酸酐和酯与R ’MgX 反应

CH 3CH 2CH 2CH 2MgBr + H C OC 2H 5

O

O

+ 2 CH 3CH 2MgCl

Et 2O

+

CH 3CH 2 C CH 2CH 2CH 2CH 2OH

OH

CH 2CH 3

O

Et 2O

H O +

CH 3

CH 2

CH

2CH 2CHCH 2CH 2CH 2CH 3OH

C O C

O O

+ 2 CH 3MgI Et 2O

+

C CH 3OH CH 3

由于酮分子中的羰基比酸酐和酯分子中的羰基活性高，生成的酮会继续与Grignard 试剂反应生成叔醇，但甲酸酯则生成一个对称的2°醇。

（3）酰胺与R ’MgX 反应

酰胺与Grignard 试剂的反应在有机合成上应用较少，含活泼氢的酰胺还有分解Grignard 试剂的性质。

7、与 R 2Cd 、R 2CuLi （不活泼金属试剂）反应

13.2.2 还原反应 1、催化氢化

说明羧酸衍生物的活性比羧酸高，可以被催化加氢还原，分子内有其它对催化加氢敏感的基团

也同时被还原。

◆ Rosenmund 还原——酰氯 醛 催化剂：Pd/BaSO 4，S ，喹啉

2、Stephen 还原

3、金属氢化物还原——LiAlH 4还原

4还原。还原反应的实质是LiAlH 4分子中的H —离子对羰基的加成反应。

采用LiAlH 4还原，反应不能停留在醛酮，会直接还原到醇，但分子中的双键、叁键保留，不会被还原。

R C L [ R C L ]4AlLi R C H RCH 2OH _O

O O -

_____H

LiAlH 4

4- 1. LiAlH 42. H 3O

( L = -Cl , -OR', -OOCR' )

（1）酰卤、酸酐和酯?1°醇

R C X RCH 2

OH + HX

R C O C R + LiAlH 4 RCH 2OH + HOCH 2R'R C OR' RCH 2OH + HOR'________O O O O 3+2

（2）酰胺?需过量的LiAlH 4?产物可以是不同类型的胺

R C NH 2

RCH 2

NH

2

R C NHR' + LiAlH 4 RCH 2NHR'

R C NR 2 RCH 2NR 2

_____

_O O O 3+

Et 2O ''

（3）腈的还原?1°胺

4、酯的金属钠-醇还原?两分子醇（一分子来自酯中酸的部分，另一分子来自酯中醇的部分）——鲍维特--勃朗克还原（Bouveault －Blanc 还原）

RCOOR 1

RCH 2OH + R 1OH Na-无水乙醇

【反应机理】

RCOR'

O Na

C

O -Na +OR'

Na

-Na +

R

C -Na +

O R OR'

R''OH

CH

O R OR'

O

+ RO -RCH 2OH

13.2.3 羧酸衍生物上α-H 的反应（Claisen 缩合反应） 1、Claisen 缩合反应 具有α－H 的酯，在醇钠作用下能发生类似醇醛缩合反应。即一分子酯的α－H 被另一分子酯的

酰基取代生成酮酸酯，称为酯缩合反应或 Claisen 缩合反应。

_O

RCH 22H 5 + H CHC OC 2H 5 RCH 2C CHC OC 2H 5 + C 2H 5OH O ___252. H 3O

+

_

O O CH 3C OC 2H 5 + CH 3C OC 2H CH 3C CH 2 C OC 2H 5 + C 2H 5OH

1. C 2H 5ONa

+_____

O O O O R R

两种均含α-H 的酯进行酯缩合时,可有

4种产物,无实用价值。

若含α-H 的酯与无α-H 且羰基比较活泼的酯（如苯甲酸酯、甲酸酯、碳酸酯或草酸酯等）

13.2.4

酰胺的特殊性质 1、酰胺的酸碱性

（1）弱碱性

盐，即便与HCl(气体)形成的盐一旦遇水则又水解为酰胺和盐酸。

（2）酸性

一般可以认为酰胺是中性化合物，它不能使石蕊变色。

酰亚胺化合物由于受两个羰基的影响，N 上的H 原子的酸性将明显增强。

因此，酰亚胺化合物可与强碱作用，生成稳定的盐。

、脱水反应酰胺在脱水剂P 2O 5、SOCl 2等存在下共热或高温加热，则发生分子内脱水，生成腈。如：

N 原子上的未共用电子对与羰基处于p,π-共轭体系?N 原子上的电子云密度↘?减弱了它接受质子

3

、酰胺的还原——霍夫曼(Hofmann)降解 少一个碳原子的胺

——相当于酰胺中的羰基脱去的反应，得到1°胺【反应机理】

R-C-NH2

O

NaOBr

R-C-N

O

Br

H

-HBr

R- C- N

O

RN=C=O

H2O

RN=C

OH

OH RNH C

O

OH-CO2RNH

2§13.3 羧酸衍生物的制备

13.3.1 羧酸衍生物的制备

1、酯的合成

（1）直接酯化

（2）亲核加成-消除

（3）亲核取代

（4）酮的过氧酸氧化

2、酰胺的合成

（1）直接酰胺化

（2）亲核加成-消除

（3）Beckmann重排

13.3.2 羧酸及其衍生物之间的转换关系