第十四章 β- 二羰基化合物

CH3 C CH
R
一取代丙酮
+ CO2 + C2H5OH
① 浓 OH② H+
O R CH2 C OH + CH3COOH + C2H5OH
一取代乙酸
同理，二取代乙酰乙酸乙酯进行酮式分解将得到二取代丙酮；进行酸式分解将得到二取 代乙酸。
O
例 1：合成
CH3 C CH2 CH2
经结构分析，需引入
CH2
原
不饱和羰基化合物是指分子中即含有羰基，又含有不饱和烃基的化合物，根据不饱 和键和羰基的相对位置可分为三类。
（1） 烯酮（RCH=C=O） （2） α,β-不饱和醛酮（RCH=CH-CHO） （3） 孤立不饱和醛酮 （RCH=CH（CH2）nCHO） n≥1 孤立不饱和醛酮兼有烯和羰基的性质，α,β-不饱和醛酮、烯酮有其特性及用途，下面 我们主要讨论这两类化合物。 14.6.1 乙烯酮 最简单且最重要的烯酮是乙烯酮。 14.6.2α,β-不饱和醛酮 α,β-不饱和醛酮的结构特点是碳碳双键与羰基共轭，故α,β-不饱和醛酮兼有烯烃、 醛、酮和共轭二烯烃的性质，若与亲电试剂加成，则应加到碳碳双键上，若与亲核试剂加成 则应加到羰基上，但其特性反应是共轭加成。 1．共轭加成（1，2-加成或 1，4-加成）
2 CH3COOH + C2H5OH
OO CH3 C CH C OC2H5
浓 OH
CH3COOH + RCH2COOH + C2H5OH
R
OO
浓 OH
CH3 C CH C OC2H5
CH3COOH + RCOCH2COOH + C2H5OH
COR
14.3 丙二酸二乙酯
丙二酸二乙酯CH2(COOC2H5)2为无色液体，有芳香气味，沸点 199.3℃，不溶于水，易 溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。
δ C
δC
δ C
δ O
βα
由于羰基的极化和共轭π 键的离域，不仅 羰基碳上带有部分正电荷， β C 上也带有 部分正电荷，因此与亲核试剂加成时就有两 种可能
C C C O + Nu
1，2加成
H CCCO
Nu
1，4-加成
CCCO H Nu
C C C OH Nu
C C C OH Nu
不稳定（互变） H CCCO Nu
第十四章 β-二羰基化合物
学习目的及基本要求： 1．掌握酯的水解和克莱森（Claisen）酯缩合历程。 2．掌握乙酰乙酸乙酯和丙二酸二酯在合成上的应用。 3. 理解互变异构。 4．理解合成路线设计的基本知识。 5．了解麦克尔加成的涵义和应用。 重点：酯的水解和克莱森（Claisen）酯缩合历程，乙酰乙酸乙酯和丙二酸二酯在合成上的 应用。 难点：互变异构，碳负离子和α，β-不饱和羰基化合物的共轭加成——麦克尔反应。 教学方法 采用多媒体课件、模型和板书相结合的课堂讲授方法。
（1）制法：可以从氯乙酸的钠盐来制备丙二酸二乙酯。
CH3COOH P Cl2 CH2COOH Cl
NaCN NaOH
CH2COONa C2H5OH
CN
H2SO4
COOC2H5 CH2
COOC2H5
（2）性质
1．酸性和烃基化：活泼亚甲基能与醇钠反应生成钠盐，产生的碳负离子（强亲核试剂）
与卤代烃反应，产生一烃基取代的丙二酸酯。
引
例 2：合成
O CH3
引
CH3 C CH CH2CH=CH2
原
要分两次引入，先引入 CH3 再引入 CH2CH=CH2
9
例 3：合成
O
O
CH3 C CH2 C
原
引
O
C CH3
引
原
说明：乙酰乙酸乙酯合成法主要用其酮式分解制取酮，酸式分解制酸很少，制酸一般用 丙二酸二乙酯合成法。
§14.6 不饱和羰基化合物
R CHCOOH R'
COOC2H5 COOC2H5
NaOH H2O
(1) H
(2)
CO2
COOH
（3）丙二酸二乙酯在有机合成的应用 丙二酸二乙酯的上述性质在有机合成上用途很广，用于合成各种类型的羧酸（一取代乙 酸，二取代乙酸，环烷基甲酸，二元羧酸等）。 例如，用丙二酸酯合成法合成下列化合物，其结构分析如下：
COOC2H5 COOC2H5
丙二酸二乙酯及其取代衍生物水解生成丙二酸，丙二酸不稳定，易脱羧成为羧酸。
例如：
COOC2H5 R CH
COOC2H5
COONa
NaOH
(1) H
R CH
H2O
COONa (2)
R CH2COOH CO2
R COOC2H5 C
R' COOC2H5
NaOH H2O
(1) H (2) CO2
1
白（ ） 白（ ）
NaHSO3 OO
NH2OH CH3-C-CH2-C-OC2H5
Na
H2 有活性氢
Br2/CCl4 溴褪色（具双键）
黄（ ） 2,4-= 硝基苯肼
O
O
CH3-C-CH2-C-OC2H5
酮式 (93%)
室温
FeCl3 蓝紫色（具烯醇结构）
OH O CH3-C=CH-C-OC2H5
R
COOC2H5
C
R' COOC2H5
4
2 CH2(COOC2H5)2
NaOC2H5 X(CH2)nX n = 3~7
CH(COOC2H5)2 (CH2)n CH(COOC2H5)2
C(COOC2H5)2 CH2I2
(CH2)n CH2 NaOC2H5
C(COOC2H5)2
2．水解脱羧
CH2(COOC2H5)2 (1) NaOC2H5 (2) Br(CH2)4Br
烯醇式 (7%)
（1）生成的烯醇式稳定的原因 1°形成共轭体系，降低了体系的内能。
OO CH3-C-CH2-C-OC2H5
OH O
CH3-C=CH-C-OC2H5 P π π π P π 体系
2°烯醇结构可形成分子内氢键（形成较稳定的六元环体系）
OH O
H
O
O
CH3-C=CH-C-OC2H5
CH3 C
反应主要发生在亲核的碳原子上。
亚甲基活泼氢的性质：
1．酸性
乙酰乙酸乙酯的α-C 原子上由于受到两个吸电子基（羰基和酯基）的作用，α-H 很活
2
泼，具有一定的酸性，易与金属钠、乙醇钠作用形成钠盐。
O
O
CH3 C CH2 C OC2H5 C2H5ONa
OO CH3 C CH C OC2H5 Na
pKa =11
C OC2H5
CH
（2）烯醇负离子：在碱的作用下生成烯醇负离子，以 2，4－戊二酮为例
O H3C C
H2 O
OH
C C CH3
O H3C C
O C C CH3 H
O H3C C
O H3C C
O C C CH3 H
O C C CH3 H
14.2β-二羰基化合物碳负离子的反应
由共振结构式可知，碳负离子都具有带负电荷的碳原子或氧原子，都具有亲核性能，但
10
反应为 1，2-加成还是 1，4-加成决定于三个方面： （1）亲核试剂的强弱 弱的亲核试剂主要进行 1，4-加成，强的主要进行 1，2-加成。 （2）反应温度 低温进行 1，2-加成，高温进行 1，4 加成。 （3）立体效应 羰基所连的基团大或试剂体积较大时，有利于 1，4 加成。 1． 麦克尔（Michael）反应 α,β-不饱和醛酮、羧酸、酯、硝基化合物等与有活泼亚甲基化合物的共轭加成反应称 为麦克尔（Michael）反应，其通式是：
§ 14.1β-二羰基化合物的酸性和烯醇负离子的稳定性
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；其中两个羰基为一个亚甲基相 间隔的化合物，叫做β-二羰基化合物。
14.1.1 β-二羰基化合物的酸性
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，使这个碳上的α氢原子显得特 别活跃，具有较强的酸性。该类化合物的pka在 9～13 之间，远比醇和水的酸性强。因而， β-二羰基化合物具有自己独特的反应。其他含活泼亚甲基化合物的互变异构体中烯醇式的 含量见P350表 14-1。
引入
CH3
CH3 CH2 CH COOH
原有
引入 CH2 CH2COOH CH2 CH2COOH
原有
引入
原有 COOH
CH3 CH2 CH COOH
引入
CH2COOH
原有
具有活泼亚甲基的化合物容易在碱性条件下形成稳定的碳负离子，所以它们还可以和
5
羰基发生一系列亲核加成，例如，柯诺瓦诺格（Knoevenagel）反应，迈克尔（Michael）反 应。见P356。
8
14.5 乙酰乙酸乙酯在有机合成上的应用 由于乙酰乙酸乙酯的上述性质，我们可以通过亚甲基上的取代，引入各种不同的基团 后，再经酮式分解或酸式分解，就可以得到不同结构的酮或酸。见P354。
= =
= =
O
O
CH3 βC
α
CH
C
OC2H5
( 酸式分解) R ( 酮式分解)
O
① dil. OH② H+ ③△
14.1.2 烯醇负离子的稳定性
乙酰乙酸乙酯：又叫 β-丁酮酸乙酯，简称三乙，是酮式和烯醇式互变异构的一个最著名的 例子。
（1）性质：在室温下为无色液体，无色有水果香味的液体；沸点 180.4CO；微溶于水， 易溶于乙醚、乙醇等有机溶剂。以酮式和烯醇式两种结构以动态平衡而同时存在的互变异构 体。
1．互变异构现象
COR
3．酮式分解和酸式分解 （a）酮式分解 乙酰乙酸乙酯及其取代衍生物与稀碱作用，水解生成β-羰基酸，受
热后脱羧生成甲基酮。故称为酮式分解。 例如：
O
O
CH3 C CH2 C OC2H5
稀NaOH
O CH3 C CH3
C2H5OH + CO2
OO CH3 C CH C OC2H5 稀 OH
R
O CH3 C CH2R
当酯的α－碳上只有一个氢时,由于增加了烃基的诱导效应,酸性减弱了,进行酯缩合反应 时,需要使用比醇钠更强的碱(如ph3CNa,NaH),夺取酯的α氢,形成较稳定的α负碳离子,才 能迫使反应朝右方进行。
② 交叉 Claisen 缩合 如两个酯只有一个酯有α—H,相互缩合就能得到一个单纯产物。
7
③ 酮与酯缩合 酮的α-H 比酯的α-H 活泼：
OO CH3 C CH C OC2H5 稀 OH
COR
O
O
CH3 C CH2 C R
C2H5OH + CO2 C2H5OH + CO2
(b) 酸式分解 乙酰乙酸乙酯及其取代衍生物在浓碱作用下，主要发生乙酰基的断
3
例如：
裂，生成乙酸或取代乙酸，故称为酸式分解。
O
O
浓NaOH
CH3 C CH2 C OC2H5
④ Dieckmann 缩合反应 酯缩合反应也可在分子内进行，形成环酯，这种环化酯缩合反应又称为 Dieckmann 反应。 （己二酸酯和庚二酸酯在醇钠作用下进行自身的酯缩合反应）
注意！酯缩合常用的碱性催化剂是醇钠 RONa，不是醇加钠。醇加钠是一组还原剂，它要 将酯还原成醇。
它是合成五元环、六元碳环的一个方法。（并不是所有的二元酸酯都能发生环缩合，一般 局限于生成稳定的五、六碳环。所以，只是有α氢的己二酸酯和庚二酸酯才能起 Dieckmann 缩合）如：
C C Z +R H
（Z 代表能和 C=C 共轭的基团）
CCZ RH
COOC2H5 CH2
COOC2H5
NaOC2H5
COOC2H5 Na CH
COOC2H5
pKa = 13
COOC2H5 Na CH
COOC2H5
RX -NaX
COOC2H5 R CH
COOC2H5
COOC2H5 R CH
COOC2H5
NaOC2H5
COOC2H5
RC
Na
COOC2H5
RX -NaX
2．钠盐的烷基化和酰基化
乙酰乙酸乙酯的钠盐与卤代烃、酰卤反应，生成烃基和酰基取代的乙酰乙酸乙酯。
（a）烷基化：
OO CH3 C CH C OC2H5 Na
RX -NaX
OO CH3 C CH C OC2H5
R
CH3
OO C CH C
OC2H5
C2H5ONa CH3
O CC
O C
wk.baidu.comOC2H5
Na
R
R
R'X -NaX
O R' O CH3 C C C OC2H5
R
注：① R 最好用 1°，2°产量低，不能用 3°和乙烯式卤代烃。
② 二次引入时，第二次引入的 R′要比 R 活泼。
③ RX 也可是卤代酸酯和卤代酮。
(b) 酰基化： O O CH3 C CH C OC2H5 Na
RCOX -NaX
OO CH3 C CH C OC2H5
14.4．酯缩合反应： ① 克莱森(Claisen)缩合反应－ 乙酰乙酸乙酯的合成
这类反应称为 Claisen 缩合反应 历程：
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乙酸乙酯的酸性是很弱的（Pka～24）,而乙醇钠又是一个比较弱的碱（乙醇Pka～15.9）。 因此，可以想到乙酸乙酯形成的负离子在平衡体系中是很少的。这也就是说,用乙氧负离子 把乙酸乙酯变为 -CH2COOC2H5是很困难的。但是在实际上为什么这个反应会进行的如此完全呢? 其原因就是最后产物乙酰乙酸乙酯是一个比较强的酸（Pka～11）,形成很稳定的负离子,可 以使平衡朝产物方向移动。体系中乙酸乙酯负离子浓度虽然很低,但一形成后,就不断的反应, 结果使反应完成。