高等有机化工工艺学-酯的合成方法

第二节 碳-烃化反应与缩合反应 一、烃化反映 1、羧酸酯的直接烃化
在强碱存在下，具有α-氢的酯可与多种烃化试剂如卤代烃、硫酸二烷烃、对 甲基苯磺酸酯等发生烃化反应，生成α-烃基取代酯。 2、丙二酸酯的烃化
由于丙二酸酯的α-氢比较活泼，它与乙醇钠的乙醇溶液反应，即可形成烯醇负 离子，继而与烃化试剂反应，以良好产率生成一元烃化产物。 常用的烃化试剂为卤代烃、硫酸酯等，烃化剂中存在一OR、C＝Oo、一CN、 一NR2、一NO2均无影响。 丙二酸酯的烃化产物经皂化、脱羧可以合成羧酸。亦可将α-烃基取代的丙二酸 酯直接脱羧合成羧酸酯。
分子筛亦可作酯化的脱水剂。壬酸在少量硫酸催化下，与过量甲醇及3A分子 筛共热，即以96％的产率生成壬酸甲酯。本法不需萃取手续，只需将酯从反应物 中蒸出即可。
对烃基苯甲酸和甲醇混合，同时加入氯化亚矾进行酯化，可方便并高产率地 生成酯。此法具有操作简便、产率高的特点。
羧酸不易与酚直接酯化。但在三氯氧磷或五氧化磷N,N′-双环己机基碳双亚胺 （简称DCC）等缩合剂的存在下既能顺利酯化。在硼酸及硫酸的存在下，羧酸与酚 也可直接酯化。
九、羧酸或羧酸盐与其他烃化剂的O-烃化
除卤代烃可作羧酸及羧酸盐的O-烃化试剂外，硫酸二烷酯、原甲酸甲酯、氯亚 硫酸酯(ROSOCl)、N，N-二甲基甲酯胺缩醛[(CH3)2NCH(OR)2]等均是常用的O-烃 化试剂。 此外，氢氧化三甲基苯铵、氟硼酸三乙杨盐[(C2H5)3OBF4]是合成甲酯、乙酯 的有效O-烃化试剂。 在碱性催化剂存在下，羧酸与硫酸二烷酯反应，以良好产率生成酯。本法特 别适用于立体位阻酸酯的合成。三氟甲基的体阻大于甲基，可是2，6-二(三氟甲基) 苯甲酸与硫酸二乙酯反应，仍以大于90％的产率生成高度立体位阻的2，6-二(三氛 甲基)苯甲酸乙酯。
在叔丁醇钾存在下，三烷基硼烷可与α-溴代酸酯顺利反应，提供了一种羧酸酯烃 化的方法。 本法具有操作简便，产串较高(80％一100％)的特点。 将环戊烯与乙硼烷在四氢映喃中进行硼氢化反应，生成三环戊基硼烷，再在叔丁 醇钾存在下与溴乙酸乙酯反应，生成α—环戊基乙酸乙酯。
二、缩合反应 1、一元酸酯的缩合(claisen反应)
例 α-烃基取代的丙二酸在氰化钠存在下，于二甲亚砜中加热脱羧，可直接生成羧酸酯。
在乙醇钠存在下，丙二酸酯与2mol的1—溴丙烷反应，生成α,α-二丙基丙二酸酯， 它在氯化纳存在下于湿二甲亚砜中加热脱羧，即生成α-丙基戊酸乙酯。
α,ω-二卤化物与丙二酸酯反应，可合成脂环化合物.
3、、有机硼烷与α-卤代酯的作用
六、酯的醇解(酯交换反应)
酯交换反应是一平衡反应。若加入过量的醇，或分离去生成的醇或酯，均可 使反应向产物方向移动。 本反应可被酸性催化剂(如硫酸、对甲基苯因酸)或碱性催化剂(如醇钠)所催化。 酯交换反应的难易与醇的结构有关，—般而言，伯醇最易反应，其中以甲醇更 为突出，仲醇有时亦能得到良好结果 在强酸型大孔离子交换树脂的催化下，丁内酯和甲醇反应可高产率地生成烃 基丁酸甲酯。
第十章 羧酸酯的合成 第一节 O-酰化及O-烃化反应合成酯 一、羧酸与醇、酚的酯化
醇和羧酸均为易得的原料，因此本法是合成酯的最重要的方法。 伯醇酯化的产率较仲醇为优，而叔醇和酚直接醇化产率甚低。 酯化反应是一平衡反应，欲使反应有利于酯的生成，可采用过量的醇或酸， 或利用共沸蒸馏、或借干燥剂以除去生成的水。 酯化反应通常是在少量酸性催化剂存在下，将醇及酸一起加热回流。常用的 酸性催化剂有硫酸，盐酸或磺酸。 三氟化硼－乙醚的络合物亦是酯化的有效催化剂，它可用于芳酸，不饱和酸 及杂环羧酸的酯化。强酸型阳离子交换树脂作酯化的催化剂时，可以简化操作手 续。
同N，N′-双环己基碳双亚胺一样，N，N′-碳基双咪唑、偶氮双羧酸二乙酯、 1-甲-2-卤吡啶盐、对氯苯磺酸酯等均为酯化的优良缩合剂。 N，N’－碳基双咪唑可使羧酸与醇反应，高产率地生成酯。它的反应过程是 首先生成活性酰胺，继而与醇反应。
此法的一种改良方法是在上述反应中加入少许碱性催化剂，如金属钠或醇钠， 可加快反应速度，使反应在较短时间内完成。
分子筛可以吸附低分子量的醇如甲醇、乙醇等。因此在分子筛的存在下， 它们形成的酯可与较高级的醇进行酯交换反应。
七、酯的羧酸解
酯与羧酸的交换反应合成酯，虽没有上述诸法普通，但它特别适用于合成二元 酸单酯及羧酸乙烯酯等。 在浓盐酸存在下，二元酸酯与二元酸在二丁醚中加热回流，即可达到平衡，以 良好产率生成二元酸单酯。 强酸型离子交换树脂是酯交换反应的有效催化剂。此法不仅简化了操作手续， 而且反应条件温和，适合许多对酸敏感的酯的合成。
二、醇、酚用酰卤酰化(比羧酸强，因此反应极易进行，甚至叔醇亦能顾利 生成酯。 本法避免了酯化反应的可逆性，是广为应用的酯的合成方法。 反应过程中，常加入碱性试剂以吸收生成的卤化氢。常用的碱性试剂有氢氧化钠 水溶液、醇钠、氢化钠、吡啶等。 将酰氯、醇及氢氧化钠水溶液一起振摇，即可生成酯，常称为SchottenBaumann反应。此法只有在酰卤及形成的酯均不溶于水时才能获得满意结果。因为 此时既可避免酰卤的水解，又可避免酯的皂化。若用吡啶作碱，它同时是酯化的良好 溶剂，使酯化反应在均相中进行。
烯酮与醇反应可高产率地生成酯。由于乙烯酮较易获得，本法常用于合成乙酸酯。 反应被酸、碱所催化。 常用的酸性催化剂有硫酸、对甲基苯磺酸；而叔丁醇钾是较好的碱性催化剂。叔 醇及酚易由本法转变成乙酸酯。 具有α-氢的醛、酮与乙烯酮反应，可生成乙酸烯醇酯。 将乙烯酮通人含有少量浓硫酸的叔丁醇中，即生成乙酸叔丁酯
原甲酸甲酯与丁烯二酸,在四氢呋喃中回流反应，可以良好产率地生成酯。
羧酸与硫酸二烷酯在N，N-二甲基甲酰胺中反应，首先是硫酸二烷酯与N，N二甲基甲酰胺形成活性中间体，使其中的烷基(如乙基)能以正离子的形式与羧酸负离 子结合成酯。
十、羧酸与重氮烷的O-烃化
重氮甲烷与羧酸的反应，可在室温下醚溶液中进行。当氮气不再逸出即达反应 终点，几乎以定量产率生成甲酯。 本法是将难以制得的羧酸转变成甲酯的简便方法。许多不稳定的羧酸如β-酮酸 等可按此法合成甲酯。 重氮甲烷可由碱与亚硝基甲基脲、亚硝基甲基缩氨脲、N-亚硝基-4-甲氨基-5甲基-2-己酮、N-亚硝基N-甲基-N’-硝基胍、N，N’-二甲基-N，N’-二亚硝基对苯二甲 酰胺作用制得。
在强酸型大孔离子交换树脂的催化下，丁内酯和甲醇反应可高产率地生成烃 基 丁酸甲酯。
分子筛可以吸附低分子量的醇如甲醇、乙醇等。因此在分子筛的存在下，它 们形成的酯可与较高级的醇进行酯交换反应。
十、酯的羧酸解
酯与羧酸的交换反应合成酯，虽没有上述诸法普通，但它特别适用于合成二元 酸单酯及羧酸乙烯酯等。在浓盐酸存在下，二元酸酯与二元酸在二丁醚中加热回流， 即可达到平衡，以良好产率生成二元酸单酯。 强酸型离子交换树脂是酯交换反应的有效催化剂。此法不仅简化了操作手续， 而且反应条件温和，适合许多对酸敏感的酯的合成。
三、醇、酚用酸酐酯化
各种类型的醇及酚均可被酸酐所酰化。因此，本法亦是酯的重要合成方法。反 应可被酸或碱性试剂所催化。 常用的酸性催化剂有硫酸、盐酸、对甲基苯硝酸、氯硝酸、过氯酸等；而常用 的碱性催化剂有醇钠、吡啶、叔胺等。 在少量硫酸存在下，安息香与乙酐及乙酸共热，即生成乙酸安息香酯。
四、醇用烯酮酰化
α-氯代苯甲酸钾和溴代苯乙酮，在催化量的溴化四丁铵和冠醚的作用下，在 乙腈中室温反应即可高产率地生成酯。
在氯化三乙基苄铵作用下，氨基保护的氨基酸和叔丁基溴反应，可高产率地生成 氨基酸叔丁酯。
九、酯的醇解(酯交换反应)
酯交换反应是一平衡反应。若加入过量的醇，或分离去生成的醇或酯，均可 使反应向产物方向移动。 本反应可被酸性催化剂(如硫酸、对甲基苯因酸)或碱性催化剂(如醇钠)所催 化。 酯交换反应的难易与醇的结构有关，—般而言，伯醇最易反应，其中以甲醇 更为突出，仲醇有时亦能得到良好结果。
与重氮甲烷作用的羧酸均须无水。可是要除去水溶性酸的微量水份往往是困 难的。一种改良的方法是直接利用羧酸水溶液，首先用盐酸调至pH＝3，用水浴冷 却，再在强烈搅拌下慢慢滴人重氮甲烷的乙醚溶液，不断进行甲酯化，直至溶液 呈紫黄色，表明重氯甲烷已过量。
由于重氮甲烷具有毒性、不稳定、不易贮存等缺点。新近的改良方法是让重 氯甲烷在反应体系内部产生，一经生成立即反应。 将羧酸N-亚硝基—甲基脲溶在1，2—二甲氧基乙烷中，然后滴入三乙胺， 在室温下即可以适当速率产生重氯甲烷，恰好能与羧酸反应。 本法甚至可在水溶液中进行，因此适用于水溶性羧酸的甲酯化。步骤是将羧 酸与N—亚硝基—甲基脲溶于1，2—二甲氧乙烷与水(5:1)的混合溶剂中，然后在 0℃下滴人0.6mol/L的氢氧化钾水溶液，即可顺利反应。
在三氟化硼－乙醚络合物催化下，2，5－环己二烯羧酸与乙醇加热回流， 即生成酯。此法具有操作简便、产率高的特点。
强酸型阳离子交换树脂作酯化的催化剂时，具有操作简便、反应条件缓和、催 化剂可以再生、产率较高的特点。例如乙酸在强酸型阳离子交换树脂及干燥剂存在 下，与丁醇在室温下反应，可以定量产率生成乙酸丁酯。
若将羧酸与25％氢氧化钠水溶液在六甲基磷酰三胺中于室温下反应立即生成 钠盐，继而加入卤代烃，继续反应数分钟，几乎以定量产率生成羧酸酯。
将离子交换树脂和相转移等新技术应用于此反应。羧酸与强碱型离子交换树 脂可迅速形成羧酸的铵盐树脂，继而将此树脂与卤代烃在适当溶剂中搅拌，即可 形成酯。 而相转移催化剂四丁铵盐可将羧酸以羧酸四丁铵盐的形式转移到有机溶剂 中，再与卤代烃反应。 苯甲酸与强碱型离子交换树脂形成的羧酸铵盐树脂与2-溴丙烷反应，则生成苯甲 酸异丙酯。反应液只需通过简单的过滤和蒸馏，即可获得纯品的酯。同时树脂可重复 使用。
十一、羧酸对烯、炔的加成
在酸性催化剂存在下，羧酸容易与烯、炔发生亲电加成，生成酯。常用的酸 性催化剂有浓硫酸、三氟化硼等。 本法特别适用于合成羧酸叔烷基酯。参加反应的烯烃为丙烯、异丁烯、2-甲 基-2-丁烯等。 在浓硫酸催化下，羧酸与异丁烯在室温下反应，是合成叔丁酯的重要方法， 产率为50％一76％。
五、腈的醇解
在硫酸或氯化氢存在下，腈与醇一起加热即可直接生成酯。 由于腈可容易的由相应的卤代烃制得。因此本法亦是广为应用的酯的合成方 法。脂肪、芳香、杂环族的腈化物均可转变成相应的由酯。 本法特别适用于合成多官能团的酯。 下列化合物与氯化氢和甲醇在乙醚中于-40一-20℃反应，即可高产率的生成羧 酸甲酯.
在浓盐酸存在下，己二酸二乙酯与己二酸在二丁醚中回流，则生成己二酸单乙酯。
在硫酸及乙酸汞或氧化汞的存在下，羧酸与乙酸乙烯酯于20-80℃反应，可 以合成多种羧酸乙烯酯。乙酸丙烯酯亦是易得的原料，它与羧酸的交换反应和乙 酸乙烯酯的反应类似。
在催化量的乙酸汞及浓硫酸的存在下，乙酸乙烯酯与十二酸加热回流，即可 生成十二酸乙烯酯.
将环己烯加到合有少量高氯酸的90％的甲酸中，然后于100℃加热使成均相溶液， 即生成甲酸环己酮。
炔烃亦可发生类似的反应。在铑催化剂存在下，末端炔烃与羧酸加成，高产率 地生成羧酸烯酯。
不饱和酸的分子内加成是合成内酯的重要方法。β,γ-烯酸与50％的硫酸共热，即迅 速转变成γ内酯；而γ,δ-烯酸则生成δ-内酯.
在浓盐酸存在下，己二酸二乙酯与己二酸在二丁醚中回流，则生成己二酸单乙酯。
八、羧酸或羧酸盐与卤代烃的O-烃化
羧酸盐与卤代烃的反应虽然是合成酯的经典方法，但在经典方法中，羧酸盐只 能与活性卤代烃反应，才能获得满意结果。 而一般卤代烃，特别是仲卤代烃或叔卤代烃，由于反应过程中常发生严重的消 除成烯的副反应，限制了它在合成上的应用。 而将上述反应在非质子性强极性溶剂如二甲基甲酰胺、二甲亚砜、六甲基磷酰 三胺中进行，不仅克服了上述卤代烃易发生消除的副反应，而且具有反应条件温和、 产率较高的待点。 在碳酸钾存在下，羧酸与伯卤代烃在丙酮中反应，几乎以定量产率生成羧酸酯。