暨大有机化学课件第十二章_取代羧酸

OO
① C2H5ONa
OO
CH3CCH2COC2H5 ② BrCH2COOC2H5
CH3CCHCOC2H5 CH2COOC2H5
稀OH－ CH3COCHCOOH － CO2 CH3COCH2CH2COOH CH2COOH
第六节 丙二酸酯的性质及在有机合成上的应 用
一、制法
NaCN
CH2COONa OH－
OH
Tollen's RCOO- + Ag
讨论：a. 可利用分解反应来区别α-羟基酸与其他羟基酸； b. 可利用分解反应来制备少一个碳的醛或酸。
2. 与浓硫酸作用（脱CO）
α-醇酸与浓硫酸一起加热时，分解为醛/酮、一氧化碳和 水：
O RRHale Waihona Puke BaiduCCOH
OH
H2SO4
O R C R' + CO + H2O
浓 OH－
Δ
CH3COONa + CH3COONa + C2H5OH
二、亚甲基的活泼性
OO CH3CCH2COC2H5 C2H5ONa
OO
－
RX
CH3CCHCOC2H5
OO CH3CCHCOC2H5
R
O
稀 OH－
Δ
CH3CCH2R
浓 OH－
Δ RCH2COONa
OO
C2H5ONa
CH3CCHCOC2H5 R
2-羟基丁二酸 羟基丁二酸
苹果酸
CH2COOH HO-C-COOH
CH2COOH
3-羟基-3-羧基戊二酸 柠檬酸
（3）羟基酸的制法
1. 卤代酸水解
CH2-COOH H
Cl2 红P
CH2-COOH H2O/OH- CH2-COOH
Cl
OH
2. 羟基腈水解
R C=O HCN/弱OHR' (H)
OH C
H
CH3CH2CH CHCO2H
-卤代羧酸中的卤原子较活泼，可发生亲核取代反应，
生成其它取代羧酸。例如：
R-CH-COOH Br
NaOH H+
R-CH-COOH
H2O
OH
NH3 R-CH-COOH NH2
① NaHCO3 R-CH-COONa
② NaCN
CN
H3O+
R-CH(COOH)2
第二节 羟基酸
丙酮酸也可以由相应腈水解得到： 丙酮酸为无色液体，沸点为165℃，能与水混溶。
α-酮酸分子中的酮基与羧基直接相连，由于氧原子有较 强的电负性，使得酮基与羧基碳原子间的电子云密度较低， 因而碳-碳键容易断裂。α-酮酸被弱氧化剂（Tollen’s试剂） 氧化，发生银镜反应（可用于定性鉴定）：
与稀硫酸加热，发生脱羧反应（成醛反应）：
常见的β-二羰基化合物碳负离子的反应有下列几种：
（1）碳负离子和卤代烷的反应，即羰基α-碳原子的烷 基化。
（2）碳负离子和羰基化合物的反应，也常称为羰基化 合物和β-二羰基化合物的缩合反应。当其与酰卤或酸酐作 用时可得到酰基化产物。
（3）碳负离子与α,β-不饱和羰基化合物的共轭加成反 应或1,4-加成反应（Michael反应）。
通过这些反应，都形成了新的碳碳键。它们在有机合 成中都是很重要的反应，有着非常广泛的应用。
第五节 乙酰乙酸乙酯的性质及在有机合成上的应用
一、乙酸乙酰乙酯的酮式分解和酸式分解
OO
OO
CH3CCH2COC2H5 稀 OH－ CH3CCH2COH + C2H5OH
－CO2
Δ
O CH3CCH3
OO
CH3CCH2COC2H5
O
O
－
CH3C C COC2H5
RX
R
O RO
稀 OH－
Δ
O CH3CCH R2
CH3C C COC2H5 R
浓 OH－
Δ
R2CHCOONa
❖但在合成反应中，一般不使用酸式分解合成羧酸，原因 是这样分解所得的产物中，常混有酮式分解的产物。
三、乙酰乙酸乙酯在合成上的应用
❖用卤代烃作试剂，可得甲基酮：
第十二章 取代羧酸
第十二章 取代羧酸
（一）卤代酸 （二）羟基酸 （三）羰基酸 （四）β-二羰基化合物 （五）乙酰乙酸乙酯的性质及在有机合成上的
应用 （六）丙二酸酯的性质及在有机合成上的应用
本章重点：
1. 羟基酸的制法：卤代酸、羟基腈水解；
2. 羟基酸的酸性（大于羧酸，小于卤代酸），羟基酸的 失水反应(生成共轭体系或五元、六元环)； α-羟基酸， 能与“托伦”试剂发生银镜反应；水杨酸和乙酰水杨 酸。
第一节 卤代酸
一、卤代酸的结构 羧酸烃基上的氢被卤素取代的羧酸，称卤代酸。
二、卤代酸的化学性质 （1）卤代酸的酸性（参见P260，11.4.2） （2）卤代酸在稀碱溶液中的反应
β-卤代酸在碱的存在下，发生消除反应，生成α,β-不饱 和酸：
CH3CH2CHCH2CO2H Br
NaOH / H2O
CH3CH2CH CHCO2Na
可以用2,4-戊二酮为例来说明。它在碱的作用下生 成的负离子如下式所示：
但这种负离子并不是单纯的如上式所示的酮式结构，它 的负电荷实际可以在两个羰基间离域，这种离域作用比单 羰基的离域作用要强得多。可以用下列共振结构式的叠加 来表示：
由β-二羰基化合物得到的负离子的结构，其烯醇式结构 的共振式一般称之为烯醇负离子。亚甲基碳原子上带有负 电荷的共振式，一般称之为碳负离子，且反应往往发生在 此碳原子上。
C6H13 O O
癸内酯
C3H7 O O
辛内酯
O O
十五内酯(黄蜀葵素)
当羟基与羧基相距更远时，发生分子间失水：
HO(CH2)n COOH
n＞5
H [ O(CH2)n CO]m OH + (m-1)H2O 开链聚酯
（4）α-羟基酸的分解（降解） 1. 与稀硫酸作用——生成甲酸和醛/酮
R-CH-COOH 稀H2SO4 RCHO + HCOOH
加热得到。
乙酰水杨酸可用作止痛剂和解热剂。
第三节 羰基酸 碳链上有羰基的羧酸叫羰基酸，包括醛酸和酮
酸（也是多官能团化合物）。
按羰基的位置可分为α-羰基酸、β-羰基酸和γ-羰 基酸。
一、α-羰基酸
最简单的α-羰基酸是乙醛酸和丙酮酸。乙醛酸存于未成 熟的水果中，果实成熟，糖份增加，乙醛酸消失。丙酮酸 是动物体内代谢的中间产物，酒石酸经脱水，再脱羧也可 得丙酮酸，所以丙酮酸又叫焦性酒石酸。
OH CH3CHCO2H
Tollen's
O CH3CCO2H
（3）脱水反应
不同的羟基酸，失水反应的产物不同。
羟基酸
O
O
C-OH H-O
R-CH +
CH-R
O-H HO-C
-H2O
C R- CH
O C
O CH-R
+
H2O
O
O 交酯（有六元环）
羟基酸
羟基酸
OH H R-CH-CH-COOH -H2O
与浓硫酸一起加热，则脱去一氧化碳（成酸反应） ：
二、β-酮酸
β-酮酸只在低温下稳定，在室温以上易脱羧生成酮，这 是β-酮酸的共性。
β-酮酸受热时比较α-酮酸更易脱羧，一方面是由于酮基 上的氧原子的吸电子诱导效应，另一方面是由于酮基上氧 原子与羧基上的氢形成分子内氢键，故受热时易于脱羧。
第四节 β-二羰基化合物
三、β-二羰基化合物碳负离子的反应
由共振结构式可以看出，带部分负电荷的碳原子或氧原子， 都具有亲核性能，因此在碳原子和氧原子上都有可能发生亲 核反应，如下列简式所示：
O CC E
O CC
E
OE CC
E
O
CC
但反应主要发生在亲核的碳原子上，所以在一般情况下得到 的主要是碳原子上的烷基化或酰基化产物；也有少量氧原子 上的烷基化或酰基化产物生成。
一、羟基酸羟基酸分类、命名、制法 羟基酸是分子中同时具有羟基和羧基的化合物，是
多官能团化合物。 （1）分类
根据羟基与羧基的相对位置不同，可将羟基酸分为： α-，β-，γ-，δ-，……羟基酸。将羟基连在碳链末端的 称为ω-羟基酸。
（2）命名 把羟基作为取代基，或按其来源用俗名。例：
CH2CH2CH2CH2CH2COOH OH
3. 羰基酸的酸性（大于羟基酸酸），α-羰基酸，能与 “托伦”试剂发生银镜反应；与稀硫酸共热，脱羧 (CO2)成醛；与浓硫酸共热，脱碳(CO)成酸。 β-羰基酸 易脱羧成酮。
4. 二羰基化合物的结构与性质 5. 乙酰乙酸乙酯的性质：既有烯醇的性质，也具有酮的
性质 6.乙酰乙酸乙酯和丙二酸酯在合成中的应用
O R-CH-CH 2CH2-C-OH
OH
O RCH=CH-C-OH + H2O
,不饱和酸
（有 pp 共轭）
-H2O
R- CH O
+ H2O O
内酯
（有五元环）
羟基酸
O R-CH-CH2CH2CH2-C-OH
-H2O
R-CH O
OH
O
+ H2O
内酯 （有六元环）
由以上反应可知，共轭体系、五元环、六元环稳定。 许多内酯存在于自然界，有些是天然香精的主要成分。例如：
OO
OO
O
CH3CCH2COC2H5
①C2H5ONa ② RX
CH3CCHCOC2H5
稀 OH－
Δ
CH3CCH2R
R
❖用酰卤作试剂可得β-二酮：
OO
OO
OO
① C2H5ONa
稀 OH－
CH3CCH2COC2H5 ② RCOX CH3CCHCOC2H5
CH3CCH2CR
COR
❖用卤代酸酯作试剂，可得酮酸：
一、乙酰乙酸乙酯的互变异构现象
O
O
CH3C CH2 C OEt
93%
OH
O
CH3C CH C OEt
7%
❖原因： ①在烯醇式结构中存在共轭体系，降低了体系的内能； ②烯醇式结构能通过分子内氢键形成较稳定的六元环， 使稳定性增加。
❖在乙酰乙酸乙酯中，加入与酮作用的试剂，酮式发生 反应；
CO
NH2OH 苯肼 HCN
CH2COONa
C2H5OH H2SO4
CH2(COOC2H5)2
Cl
CN
二、性质
CH2(COOC2H5)2 C2H5ONa
－
CH(COOC2H5)2
CH2(COOC2H5)2
H2O H+ or OH－
CH2(COOH)2
－CO2
Δ
CH3COOH
三、丙二酸二乙酯在合成上的应用
❖用卤代烃为原料引入烃基，可合成一元羧酸：
CN
羟基腈
H2O/H+
OH C
COOH
羟基酸
RCH=CH2 HOCl
OH Cl RCH-CH2 KCN
OH RCH-CH2CN
H2O/H+
羟基腈
OH RCH-CH2COOH
羟基酸
二、羟基酸的性质
（1）酸性（与诱导效应有关） 酸性：卤代酸 ＞ 羟基酸 ＞ 羧酸
（2）醇酸的氧化反应 α-和β-醇酸分子中的羟基受到羧基的影响，使得其羟基
（5）水杨酸
水杨酸为无色晶体，熔点：159℃，微溶于水，与铁离 子显红色，其酸性较强（PKa =2.96），可能是由于它的 共轭碱能生成分子内氢键，其稳定性增加：
水杨酸在加热时脱羧： 溴化时，羧基被溴原子取代： 水杨酸用于染料及药物合成中，其钠盐有抑菌和杀菌作用。
乙酰水杨酸 乙酰水杨酸即阿司匹林，由水杨酸和乙酐在吡啶存在下
6-羟基己酸
羟基己酸
羟基己酸
CH3CHCOOH OH
2-羟基丙酸 羟基丙酸 乳酸
COOH OH
2-羟基苯甲酸 邻羟基苯甲酸 水杨酸
COOH
HO OH OH
3,4,5-三羟基苯甲酸 没食子酸
COOH CHOH CHOH COOH
2,3-二羟基丁二酸 ,'二羟基丁二酸 酒石酸
COOH CHOH CH2 COOH
CH2(COOC2H5)2
① C2H5ONa ② RX
RCH(COOC2H5)2
H2O , H+
RCH(COOH)2
－CO2
Δ
RCH2COOH
❖亚甲基上的氢还可以进一步被取代：
① C2H5ONa
RCH(COOC2H5)2 ② RX
R2C(COOC2H5)2
H2O,H+
R2C(COOH)2
－ CO2
分子中含有两个羰基官能团的化合物，统称为二羰基化合 物。其中两个羰基由一个亚甲基间隔的化合物，叫做β-二羰 基化合物。例如：
由于它们的亚甲基对于两个羰基来说，都是α位置，在两 个羰基的共同影响下，这个碳上的α-氢原子显得特别活泼， 因此β-二羰基化合物也常叫做含有活泼亚甲基的化合物。β二羰基化合物因此具有自己独特的反应，在有机合成上有 着多方面的应用。
NaHSO3
肟 腙 α－羟基腈 α－羟基磺酸钠
❖加入与烯醇式作用的试剂，只要加入足够的试剂，也 可以全部起烯醇式的反应。
OH C CH
Na Br2 / CCl4
FeCl3
H2 褪色 紫色
二、β-二羰基化合物的酸性和烯醇负离子的稳定性
由于β-二羰基化合物中的亚甲基同时受到两个羰基的 影响，使α-氢原子有较强的酸性，例如，简单的羰基 化合物如丙酮的烯醇含量是0.00015%（见P300），丙二 酸二乙酯的烯醇含量是0.1%，而2,4-戊二酮的烯醇含量 是76% ，远比醇、水的酸性强。
比醇更容易被氧化。稀硝酸一般不能氧化醇，但却能氧化
醇酸生成醛酸、酮酸或二元酸。例如：
HOCH2CO2H 稀 HNO3
O HCCO2H
稀 HNO3
HO2C CO2H
OH CH3CHCH2CO2H
稀 HNO3
O CH3CCH2CO2H
托伦（Tollen）试剂不能氧化醇，却能将α-羟基酸氧化 成α-酮酸：