第14章 羧酸衍生物 酰基碳上的亲核取代反应

OH R C OH2 OR' O C OH
-R'OH
• 酸催化下，酯的水解速率和中间体的稳定 性有关，空间位阻对其影响也很大。
如：乙酸酯（CH3COOR）在盐酸中水解的相对速率 R CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH3)3C C6H5CH2 C6H5 相对速率 1 0.97 0.53 1.15 0.96 0.69
O O + CH3CH2OH O O OC2H5 OH O 邻苯二甲酸氢酯
有时在一定的条件下也可以形成二酯。例如：
O O + CH3CH2OH 过量 O O SO3H OC2H5 OC2H5 O
练习：
O O + CH3CH2OH O
O O OC 2H5 OH
酰卤、酸酐的醇解反应又叫醇的酰化反应。 酰卤、酸酐是常用的酰化剂。
1、酰卤的水解
在羧酸衍生物中，酰卤水解速度很快，低分子的 酰卤水解很猛烈。 O
CH3C Cl + H2O
CH3COOH + HCl
分子量大的酰卤，在水中的溶解度较小，反应速度 比较慢。但若加入使酰卤与水均溶的溶剂，反应就 顺利进行： O 二氧六环 C19H39COOH + HCl C19H39C Cl + H2O
18
OH R OR'
O C 18OH + R'O
R C O
（2）酸性水解
HCl CH3COOCH3 + H2O CH3COOH + CH3OH
一元伯醇、仲醇酯在酸催化下水解，通常发 生酰氧键断裂。其反应机理为：
O R C OR' + H OH R C OH OR' H
+
OH HO H R C OR' OH R C OH -H+ R
+
OH R C NH R
O C NH2
• 碱水解机理：
OH RC N + OH R C N H2O OH R C NH R O C NH2
5、酯的水解
COOC2H5 H2O COOH + C2H5OH
• 一般用碱作催化剂，效果比酸好些。因为OH-是 一个比较强的亲核试剂，容易与羰基碳发生亲 核反应，产生的羧酸与碱作用成盐，羧酸盐不 能发生酯化反应，因而可使水解反应完全，是 不可逆的。而酸催化水解则是酯化反应的可逆 反应。
以上实验表明酯的碱水解发生的是酰氧键的 断裂。
反应机理:
• 一种认为形成过渡态，类似SN2反应机理：
O OH C OR' R δ δ HO C OR' R O + RC O O H R'O RC O O + R'OH
• 另一种认为是亲核加成-消除机理，即先形成 四面体中间体，再脱去烷氧负离子：
O R C OR' OH O R C OH OR' + RC O O H R'O RC O O + R'OH
6 酯水解的反应机理
O R C O R' R O C O R'
烷氧断裂 酰氧断裂 （1）碱性水解 酯的碱性水解又叫皂化反应。
C H2O C O R CHOCOR' CH2OCOR'' + NaO H RC O O Na CHOH + R'COONa R''COONa CH2OH C H2O H
• 将18O标记的丙酸乙酯在碱性溶液中水解，生 成含18O的乙醇：
OH CH3COOH + 难酯化
OH CH3COCl +
CH3COCl + (CH3)3COH Et2O C6H5N(CH3)2
O CH3C O
CH3COOC(CH3)3
练习：
(CH3)3COOH SOCl 2
O (CH3)3C Cl
C6H5OH 吡啶
O (CH3)3C OC 6H5
2、酸酐的醇解
乙酸乙酯的核磁共振氢谱
O H3C C OCH 2CH 3 a b c
a c
b
7.0
6.0 5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0
14.3 酰基碳上的亲核取代反应
14.3.1、酰基碳上亲核反应的概述 1、碱催化的反应历程
O R C G + Nu O 亲核加成 慢Biblioteka Baidu消除反应 快 R R C G O C Nu + G Nu
O C H3C H2C
18
OC2H5 + NaO H
C H3C H2C O O Na C2H518O H +
• 将旋光的乙酸-1-苯乙醇酯水解后，生成有旋光 性的1-苯乙醇，构型不变：
O CH3C O C (R) H C6H5 CH3 + KO H C H3C O O K+ HO H C C6H5
CH3 (R)
2、酸酐的氨（胺）解
NHCH 3 (CH3CO)2O + NO 2
CH(CH 3)2 (CH3CO)2O + H2N O CH3C N H
H2SO 4
思考：为什么叔丁基的空间位阻比较大反应 速度反而稍快？
叔醇酯的水解反应机理： 在酸催化下烷氧键发生断裂：
O R C OC(CH3)3 + H+ O R C OH + C (C H )3 3 -H
+
OH R C HO H O C(CH3)3
H2O C (C H)3 3
HO C (C H)3 3
14.3.3 羧酸衍生物的醇解－形成酯
第十四章 羧酸衍生物 酰基碳上的亲核取代反应
羧酸衍生物是指羧酸分子中羧基上的羟基被 其他原子或基团取代后所生成的产物。 通式为： O O
R C
G
G=-OCR（酰氧基）酸酐 G=-OR（烃氧基）酯 G=-NH2（氨基）酰胺 G=X（卤素）酰卤
还有腈类化合物：如：RC≡N
14.1 羧酸衍生物的结构
O R C G p-π 共轭 O R C G O R C G O R C G
C-G的键长一般较那些典型键长有所缩短：
O HC NH2 137pm CH3 NH2 147pm O HC OCH 3 133pm CH3 OH 143pm O HC Cl 178.9pm CH3 Cl 178.4pm
14.2 羧酸衍生物的物理性质
1、红外光谱 羧酸衍生物（腈除外）在1850—1630cm-1 有 强吸收，这是羰基的伸缩震动。 酯：酯的C-O在1050--1300cm-1有两个吸收峰， 可用于酯的鉴定。
2、酸催化的反应历程
O R C G + H -G R
+
OH Nu R -H Nu
+
OH R C G Nu Nu
C G O R C
OH C
• 亲核试剂有OH-、ROH、NH3、NH2R等 • 羧酸衍生物亲核取代反应的活性顺序是： 酰卤 > 酸酐 > 酯 > 酰胺 • 离去基团的碱性顺序是：
NH2 > RO > RCO O > X
2、酸酐的水解
酸酐可以在中性、酸性、碱性溶液中水解，它的 水解反应比酰卤缓和些，但比酯容易。
O H3C O + H2O H O H O OH H3C O OH
3、酰胺的水解
酰胺比较难水解。一般需要强酸或强碱以及长时 间的加热回流才能进行。
H3CO NHCOCH 3 KOH H3CO NO2 回流 NH2 + CH COOK 3 NO2
3、酯的醇解 在酸或碱的催化下，酯的醇解生成另一种酯和醇， 所以这个反应又叫酯交换反应。例如：
RCOOR' + R''OH H 或 OH RCOOR'' + R'OH
应用：
（1）从低沸点醇的酯来制取高沸点醇的酯：
CH2 CHCOOCH 3 + n-C4H9OH H+ CH2 CHCOOC 4H9-n + CH3OH
C O C R O C OR' O C NHR'
1、酰卤的氨（胺）解
酰卤与氨的反应速度很快，生成酰胺和氯化氢。这 是羧酸通过酰卤合成酰胺的一个常用方法。
(CH3)2CHCOCl + NH3 (CH3)2CHCONH2 + NH4Cl
若制备取代酰胺，常加入吡啶或无机盐：
O C6H5COCl + HN NaOH C6H5C N + NaCl + H2O
（2）可用于二酯化合物选择性地脱掉一个酯基：
O H3COC O O CH3ONa OCCH 3 + CH3OH H3COC （大量） O OH + CH3COCH3
（3）常用于一些难以合成的酯，如酚酯或烯醇酯。
O H3C CH3COOCH3 + SO3H OOCCH 3 + CH3OH
5、腈的醇解 原酸:羧酸分子中羧基与水加成所得的化合
υC-O
酰胺中的N-H在3600—3100cm-1处有特征 吸收。 例如：苯甲酰胺的红外光谱图
υ N-H
υ C=O
υ C-N
CONH 2
• 脂肪腈的C≡N伸缩振动吸收在2260— 2240cm-1处，而芳香腈则在2240— 2220cm-1有特征吸收。
2、核磁共振氢谱 • 羧酸衍生物中α质子受羰基的影响，使化学 位移向低场移动，一般δ值为2—3。酯分子 中烷氧基上的质子的δ值在3.7—4.1，比酰基 α碳上质子的化学位移更靠向低场。酰胺中 氮上质子的δ值一般在5—8，是宽而矮的典 型吸收峰。
酸酐与醇反应比酰卤温和，加酸或碱可以是反应加 快。这也是制备酯的经典方法。例如：
(CH3CO)2O + CH3CH2OH OH (CH3CO)2O + COOH 水杨酸 CH3COOC2H5 + CH3COOH 浓硫酸 OOCCH 3 + CH3COOH COOH 阿司匹林（乙酰水杨酸）
环状酸酐醇解时，一般得到二元酸的单酯
物。例如原碳酸和原甲酸，
OH HO C OH 原碳酸 OH H OH C OH 原甲酸 OH
原酸本身不稳定，但它们的酯却是稳定的:
OC2H5 C2H5O C OC2H5 H OC2H5 原碳酸四乙酯 OC2H5 C OC2H5 OC2H5 原甲酸三乙酯
腈的醇解得到酯和原酸酯。
OC2H5 RC N + C2H5OH + HCl H3C C NH 2Cl 亚氨酸酯盐酸盐 2C2H5OH CH3C(OC2H5)3 + NH4Cl 原乙酸三乙酯
• 将18O标记的酯在碱性溶液中部分水解，然后 测定未水解的酯中18O的含量，发现酯中18O的 含量减少，即存在没有18O的酯，这个现象只 能从形成四面体中间体来解释：
18
O
18
O OR' 交换
18
R C OR' + O H
R C OH
水解 R
O C OH + R'O
O R C OR' + 18O H
乙酸乙酯的红外光谱图
O
υ C=O
H3C C OCH 2CH 3
υC-O
苯甲酰氯的红外光谱图
COCl
υ C=O
酸酐：有两个羰基，一般有两个伸缩振动 吸收，相差约60cm-1，酸酐的C-O在 1045--1310cm-1处有中强吸收峰。 例如：乙酸酐的红外光谱图
O H3C H3C O O
υ C=O
HCl CH2CONH 2 回流 CH2COOH + NH 4Cl
• 酸催化机理：
O R C NH 2 + H OH R C OH NH 3 -NH3 R
+
OH R C OH C OH NH 2 HOH
OH R C OH2 NH 2 O R C OH
-H+
• 碱催化机理：
O R C NH 2 OH O R C OH NH 2 O R C O NH 3 RCOO + NH3
• 羧酸衍生物水解反应的活性顺序是： 酰卤 > 酸酐 > 酯 > 酰胺
4、腈的水解
腈在酸或碱催化下水解成酰胺，继续水解成羧酸， 是制备羧酸的方法：
RCN
H 或 OH H2O R
O C NH 2
H 或 OH H2O R
O C OH
• 酸水解机理：
RC N + H
+
RC
NH
HOH
OH2 R C NH
-H
(1)Na2CO3 (2)NaCN CN H2C C2H5OH COOC 2H5 H2C COOC 2H5
ClCH2COOH
COOH H2SO 4
14.3.4 羧酸衍生物的氨（胺）解－形成酰胺
酰卤、酸酐、酯、酰胺均能与氨或胺作用并氨 解成酰胺。氨解反应比水解容易些.
O R R R R C O X O NH3 (RNH2,R2NH) R O C NH 2 + (NHR,NR2) RCOOH R'OH R'NH2 HX
所以，离去基团的离去顺序是：
X > RCO O > RO > NH2
14.3.2羧酸衍生物的水解反应
酰卤、酸酐、酯和酰胺均可以水解生成羧酸：
O R R R R C O X O H 2O R C OR' O C NHR' O C OH + R'OH R'NH2 RC O O H HX
C O C R O
酰卤、酸酐、酯、酰胺均能与醇作用并醇 解成酯 :
O R R R R C O X O R''OH R C OR' O C NHR' O C OR'' + R'OH R'NH2 RCOOH HX
C O C R O
1、酰卤的醇解
这是合成酯的常用方法，比用羧酸直接与醇酯化 的效果好。特别是对那些不易与羧酸酯化的醇 或酚，可通过酰卤来完成。例如：