羧酸衍生物和碳酸衍生物

课堂笔记

一、羧酸衍生物的结构★

二、羧酸衍生物的命名★★★

酰卤：酰基名称＋卤素名称。

酰胺：酰基名称＋胺。

酸酐：羧酸名称＋酐（混酐则简单酰基在前）。

腈：按主链碳原子数称某腈。

酯：羧酸名称＋醇名称，改醇为酯，称为某酸某酯；多元醇酯，称为某醇某酸酯。

内酯和内酰胺：根据水解后生成羟基酸和氨基酸的主链碳原子数，称为某内酯和某内酰胺，母体名称前要标明羟基和氨基的位置。

分子中含多个官能团时，需选择优先官能团作母体，其优先次序如下。

RCOOH＞RSO3H＞（RCO）2O＞RCOOR′＞RCOX＞RCONH2＞RCN＞RCHO＞RCOR′＞ROH＞ArOH＞RNH2＞RC≡CH＞RCH＝CH2＞RH

三、羧酸衍生物的物理性质★

低级酰卤和酸酐是具有刺激气味的无色液体，高级的为固体；低级酯是易挥发并有芳香气味的无色液体；除甲酰胺和某些N-取代酰胺为液体外，其他酰胺均为固体。酰胺分子间可通过氢键缔合，所以其沸点和熔点比分子量相近的其他类化合物都高，氮上氢被取代后，熔沸点均显著降低。低级酰胺溶于水；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。

四、羧酸衍生物的化学性质★★★

1．水解、醇解和氨（胺）解反应

通式：

HNu＝H2O、ROH、NH3（R′）

L＝X、OCOR′、OR′、NH2（R′）

反应活性：酰卤＞酸酐＞酯＞酰胺≈腈氨（胺）＞醇＞水

该类反应反过来可看成是在水、醇、氨（胺）分子上引入酰基，故又称酰化反应，羧酸衍生物是酰化试剂，酰化试剂的酰化能力为酰卤＞酸酐＞酯＞酰胺≈腈。

（1）水解反应

其中，酯和腈的水解较有意义，但都需要酸或碱催化且长时间回流，这是制备羧酸的两种方法。酰卤不需催化剂和加热，很易水解，反应剧烈。酸酐室温下温和水解，加热时水解速度加快。通常酰卤和酸酐是要防止水解的，不用两者制备羧酸。

（2）醇解反应

酰卤、酸酐的醇解常用于制备那些用酯化反应难以制备的酯，示例如下。

酯的醇解又称为酯交换反应，反应可逆。常用于制备一些难以合成的酯（如酚酯、烯醇酯），或从廉价易得的低级酯制备高级酯，或从低沸点醇的酯制备高沸点醇的酯，示例如下。

腈在酸存在下醇解也生成酯，最重要的应用就是制备丙二酸二乙酯。

（3）氨解反应

酰卤、酸酐和酯的氨解可用来制备酰胺，示例如下。

（4）水解、醇解、氨（胺）解的反应机制：亲核加成-消除机制，相当于亲核取代反应。

由反应机制可知，离去基团L-的离去能力（X-＞R’COO-＞R’O-＞）决定了羧酸衍生物水解、醇解或氨解（即亲核取代）的反应活性（酰卤＞酸酐＞酯＞酰胺）。而烃基或取代基不同的同类羧酸衍生物，其水解、醇解或氨解的反应活性则取决于以下2个主要因素：①羰基碳带正电荷越多（如连吸电基），反应越快；②羰基碳所连基团体积越小，反应越快。如下列酯的反应活性如下。

要重点掌握酯的酸性水解机制和碱性水解机制。

①酯的碱性水解机制如下。

特点：酰氧键断裂。最后一步不可逆，反应较彻底，水解效果好。

②伯、仲醇形成的酯的酸性水解机制如下。

特点：酰氧键断裂。反应可逆，此水解恰好是酯化反应的逆反应，反应不完全，需增加某种反应物浓度或不断移走产物等手段提高产率。

叔醇形成的酯酸性水解时，因空间位阻太大难以加成，所以是烷氧键断裂，反应经碳正离子过程。此机制了解即可。叔醇的酯化，是它的逆反应。

2．与金属有机化合物的反应

羧酸衍生物与格氏试剂反应经过酮，最后生成叔醇。只有酰卤因反应活性比酮大，通过控制反应条件能得到酮。而酸酐、酯与格氏试剂反应只能得到叔醇。酯与格氏试剂反应是制备叔醇常用的好方法。

3．还原反应　LiAlH4可将酰卤、酸酐和酯还原成伯醇，而将酰胺和腈还原成胺。

酯还能被Na／ROH试剂还原成伯醇，称为鲍维特-勃朗克（Bouveault-Blanc）还原，示例如下。

酰氯用低活性钯催化氢化可得到醛，称为罗森孟德（Rosenmund）还原，示例如下。

4．酰胺的特殊性质

（1）酸碱性：酰胺水溶液呈中性。酰亚胺呈弱酸性，与碱可成盐。

（2）霍夫曼（Hofmann）降解反应

（3）脱水反应

五、羧酸衍生物的制备★★

1．羧酸及羧酸衍生物相互转化

2．贝克曼（Beckmann）重排　肟存在顺反异构体，但可相互转化，其中E构型较稳定。肟在酸存在下将重排生成酰胺。

反应机制如下。

3．拜尔-魏立格（Baeyer-Villiger）氧化

［O］为CH3CO3H、Cl3CCO3H、PhCO3H、H2O2等

六、羧酸衍生物涉及碳负离子的反应及其在合成中的应用

1．酯缩合反应★★★

（1）克莱森（Claisen）酯缩合

①反应结果：一分子酯的α-氢被另一分子酯的酰基取代，生成β-氧代酸酯（或称β-羰基酸酯）。

③注意：只有一个α-H的酯缩合时，需用更强的碱如NaH、NaCPh3等反应才能顺利进行。示例如下。

（2）狄克曼（Dieckmann）酯缩合

（3）交叉酯缩合

（4）分子间酯缩合和酮酯缩合

酮的α-氢酸性比酯的α-氢酸性强，所以酮先与碱作用生成碳负离子，然后与酯进行亲核加成反应。某些酮酸酯还能发生分子内的酮酯缩合，示例如下。

2．酯缩合反应在有机合成中的应用★★　酯缩合反应可制备β-氧代酸酯、1，3-二酮（β-二酮）、1，3-二酯等化合物，将得到的含有酯基官能团的缩合产物再经碱性水解、酸化、脱羧步骤则可制备链状或环状的酮、二酮等，示例如下。

3．乙酰乙酸乙酯及其在合成中的应用★★★

（1）酮式和烯醇式互变异构：因乙酰乙酸乙酯分子中的亚甲基上的H受两个吸电基的影响，显示一定的酸性，pKa11，因此这个酸性氢可重排到酮羰基氧上，形成烯醇式结构。

可见，乙酰乙酸乙酯既有酮的性质（如与亲核试剂加成等），又有烯醇的性质（如与FeCl3显色，与卤素发生亲电加成等）。

一般烯醇式含量大于1%的化合物都能与FeCl3显色，如1，3-二酮（β-二酮）类、丙二醛、硝基乙烷、丙二腈和乙酰乙酸乙酯等。

（2）酮式分解和酸式分解

①酮式分解

②酸式分解

（3）在合成中的应用：强碱作用下先在乙酰乙酸乙酯的亚甲基上进行烷基化或酰基化，然后再进行酮式分解可制备各种甲基酮类或β-二酮类化合物；若进行酸式分解则可制备各种取代乙酸。但后者因副产物较多，所以乙酰乙酸乙酯主要用于取代丙酮的制备。示例如下。

4．丙二酸二乙酯及其在合成中的应用★★　丙二酸二乙酯分子中亚甲基上的H受两个酰基的影响，也显示一定的酸性，pKa13，因此也可在强碱作用下在亚甲基上引入烷基或酰基，然后再经水解、酸化、加热脱羧来制备取代乙酸。示例如下。

5．麦克尔加成★★★

（1）含活泼亚甲基的化合物：指亚甲基上连有硝基或连2个酰基、羧基、氰基、酯基等吸电基的具有一定酸性的化合物。

（2）α，β-不饱和化合物：指具有共轭体系的α，β-不饱和醛、酮、酯、腈等。

（3）催化剂碱：氨基钠、醇钠、氢氧化钠（钾）、季铵碱、三乙胺、哌啶、吡啶等。

（4）加成结果：因1，4-加成后是烯醇式结构，再经互变异构结果相当于3，4-加成。示例如下。

6．达参（Darzen）反应★★

α，β-环氧酸酯再经水解、酸化、加热脱羧，则可制备比原料多一个碳的醛、酮。

示例如下。

7．克脑文格尔（Knovenagel）反应★★★

示例如下。

8．普尔金（Perkin）反应★★★

示例如下。

上述这些缩合反应和类缩合反应其反应机制有相似之处，即在碱作用下，一分子反应物生成碳负离子，然后对另一分子反应物进行亲核加成。

七、碳酸衍生物、油脂和原酸酯

1．碳酸衍生物★★

氨基甲酸乙酯

碳酰氯具有酰氯的典型性质，如易发生水解、醇解和氨（胺）解反应，是重要的有机合成原料。

脲具有弱碱性，能水解，醇钠存在下能与丙二酸酯反应生成丙二酰脲（巴比妥酸），示例如下。

胍是有机强碱，其碱性与氢氧化钾相当。

2．油脂★　油脂是高级脂肪酸甘油酯的混合物，其碱性水解反应称为皂化反应，水解所得钠盐可用于制造肥皂等洗涤用品。

3．原酸酯★　原酸酯是指原酸的烷基或芳基衍生物，原酸是羧酸的羧羰基与水的加成物，示例如下。

原酸酯是一类反应活性很高的化合物，是制备缩醛或缩酮的常用试剂。

重点难点提示

1．羧酸衍生物的亲核取代反应及其反应活性比较。

2．羧酸衍生物的还原反应、格氏试剂反应及霍夫曼降解反应。

3．贝克曼重排反应及反应机制。

4．酯缩合反应及反应机制。

5．乙酰乙酸乙酯及其在合成中的应用。

6．麦克尔加成反应、达参反应、克脑文格尔反应和普尔金反应。

测试及考研

1．单项选择题

（1）下列化合物哪个不与三氯化铁显色（　）

A．丙二酸二乙酯　　B．乙酰乙酸乙酯

C．丙二腈　D．2，4-戊二酮

本题考点：掌握具有烯醇式结构且含量大于1%的化合物。

（2）下列酯哪个不适合与乙酸乙酯进行交叉酯缩合反应（　）

A．碳酸二乙酯　B．苯甲酸乙酯

C．苯乙酸甲酯　D．3-吡啶甲酸甲酯

本题考点：只有无α-H的羧酸酯与有α-H的乙酸乙酯进行交叉酯缩合才有意义。

（3）苯甲醛与丙二腈进行克脑文格尔反应需选择下列哪种试剂作催化剂（　）

A．乙醇钠　B．哌啶

C．氢氧化钠　D．氨基钠

本题考点：进行克脑文格尔反应需要弱碱作催化剂。

（4）普尔金反应适合于制备下列哪类化合物（　）

A．烯烃　B．β-二酮

C．α，β-不饱和酸　D．α，β-不饱和醛

本题考点：了解普尔金反应的产物。

（5）下列化合物哪个能与Br2／NaOH发生霍夫曼降解反应（　）

A．N-甲基苯胺　B．苯胺

C．N-甲基苯甲酰胺　D．苯甲酰胺

本题考点：N原子上无取代基的酰胺才能发生降解反应。

（6）下列化合物碱性最强的是（　）

A．亚氨基脲　B．硫代碳酰胺

C．碳酰胺　D．碳酰氯

本题考点：熟悉碳酸衍生物的名称，胍（亚胺基脲）是有机强碱。

2．比较题

（1）下列化合物与乙胺反应时，速率由快到慢的排序是（　）

A．苯甲酰胺　B．苯甲酰氯

C．苯甲酸乙酯　D．苯甲酸酐

本题考点：不同类羧酸衍生物的亲核取代反应活性。

（2）下列化合物水解时，速率由快到慢的排序是（　）

A．对羟基苯甲酸乙酯

B．对乙酰基苯甲酸乙酯

C．对硝基苯甲酸乙酯

D．对溴苯甲酸乙酯

本题考点：同类羧酸衍生物取代基不同时对亲核取代反应活性的影响。

（3）下列化合物α-H酸性由大到小的排序是（　）

A．丙二酸二乙酯　B．乙酰乙酸乙酯

C．乙酸乙酯　D．1，3-环己二酮

本题考点：吸电基不同对α-H酸性影响就不同。

3．完成下列反应，写出反应的主要产物

本题考点：对重点反应掌握的熟练程度。①酸酐的胺解；②酯与格氏试剂反应制备叔醇；③羧酸间接还原成醛，罗森孟德还原；④LiAlH4还原酯和酰胺，不还原双键；⑤狄克曼酯缩合；⑥酮酯缩合；⑦克脑文格尔反应；⑧普尔金反应。

4．合成题（用给定原料合成目的产物，无机试剂及溶剂任选）

（1）由不多于2个碳的化合物合成2，7-辛二酮

本题考点：乙酰乙酸乙酯在有机合成中的应用。

（2）由丙二酸二乙酯和不多于4个碳的有机物合成环戊烷羧酸

本题考点：丙二酸二乙酯在有机合成中的应用。

5．推导结构题

（1）化合物A（C5H8O2），与NaHCO3、CrO3、2，4-二硝基苯肼、Br2等均不发生反应。A在酸性水溶液中加热则生成B（C5H10O3）。B与2，4-二硝基苯肼、Br2也不发生反应，但与NaHCO3作用有气体生成，用CrO3处理生成C（C5H8O4），B用酸处理并加热脱水则又转变成A。试推测A、B、C的结构。

本题考点：本题测试综合能力，检测对重点反应的掌握情况。A不与NaHCO3、CrO3、2，4-二硝基苯肼、Br2等反应，说明分子中不存在醛酮羰基、碳碳双键、醇羟基、羧基，那含2个氧的基团就可能是酯。A酸性水解后仍是5个碳，推测A是内酯，由此推测出A、B、C结构。

（2）化合物A（C8H4O3），在水中会发生水解生成一个酸性化合物。A与氨水作用后再酸化，得到化合物B（C8H7NO3），B有酸性，可与碱成盐。将B用溴和氢氧化钠溶液处理，然后再酸化得到C（C7 H7NO2），C既能与酸成盐，也能与碱成盐。试推测A、B、C的结构。

本题考点：本题测试综合能力，检测对重点反应的掌握情况。A能水解生成酸性化合物，且含3个氧，不饱和度大，推测是含苯的酸酐，A含8个碳很易推测是邻苯二甲酸酐。由此推测出A、B、C结构。也可由B、C的分子式及其性质直接推测B和C。

答案：

1．（1）A；（2）C；（3）B；（4）C；（5）D；（6）A。

2．（1）B＞D＞C＞A；（2）C＞B＞D＞A；（3）D＞B＞A＞C。

5．（1）