第十三章羧酸衍生物教學基本要求1、掌握酰鹵、酸酐的性質(zhì)及其制法，并了解它們是重要的酰基化試劑；2、掌握酯的性質(zhì)及其制法，并掌握乙酰乙酸乙酯及丙二酸二乙酯在合成上的應用；3、了解油脂、碳酸衍生物的性質(zhì)；4、熟悉酯的水解歷程；5、掌握酰胺的性質(zhì)及其制法。教學重點酰鹵、酸酐的性質(zhì)及其制法，酯的性質(zhì)及其制法，酰胺的性質(zhì)及其制法；乙酰乙酸乙酯及丙二酸二乙酯在合成上的應用；酯的水解歷程。教學難點乙酰乙酸乙酯及丙二酸二乙酯在合成上的應用；酯的水解歷程。教學時數(shù)：教學方法與手段1、講授與練習相結合；2、傳統(tǒng)教學方法與與現(xiàn)代教學手段相結合；3、啟發(fā)式教學。教學內(nèi)容羧酸衍生物主要有酰鹵、酸酐、酯和酰胺，它們都是含有酰基的化合物。羧酸衍生物反應活性很高，可以轉(zhuǎn)變成多種其它化合物，是十分重要的有機合成中間體。第一節(jié)羧酸衍生物的結構和命名1.1羧酸衍生物的結構羧酸衍生物在結構上的共同特點是都含有?；ǎ?，酰基與其所連的基團都能形成p-π共軛體系。1.2羧酸衍生物的命名酰鹵根據(jù)?；望u原子來命名，稱為“某酰鹵”。例如：乙酰氯丙酰溴對甲基苯甲酰氯酸酐根據(jù)相應的羧酸命名。兩個相同羧酸形成的酸酐為簡單酸酐，稱為“某酸酐”，簡稱“某酐”；兩個不相同羧酸形成的酸酐為混合酸酐，稱為“某酸某酸酐”，簡稱“某某酐”；二元羧酸分子內(nèi)失去一分子水形成的酸酐為內(nèi)酐，稱為“某二酸酐”。例如：乙（酸）酐乙（酸）丙（酸）酐鄰苯二甲酸酐酯根據(jù)形成它的羧酸和醇來命名，稱為“某酸某酯”。例如：乙酸甲酯乙酸乙酯甲酸乙酯酰胺通常根據(jù)?；鶃砻?，稱為“某酰胺”，連接在氮原子上的烴基用“N-某基”表示。例如：乙酰胺N-甲基甲酰胺N,N-二甲基苯甲酰胺氨基上連接有兩個?；鶗r，稱為“某酰亞胺”。例如：二乙酰亞胺鄰苯二甲酰亞胺第二節(jié)羧酸衍生物的物理性質(zhì)室溫下，低級的酰氯和酸酐都是無色且對粘膜有刺激性的液體，高級的酰氯和酸酐為白色固體，內(nèi)酐也是固體。酰氯和酸酐的沸點比分子量相近的羧酸低，這是因為它們的分子間不能通過氫鍵締合的緣故。室溫下，大多數(shù)常見的酯都是液體，低級的酯具有花果香味。如乙酸異戊酯有香蕉香味（俗稱香蕉水）；正戊酸異戊酯有蘋果香味；甲酸苯乙酯有野玫瑰香味；丁酸甲酯有菠蘿香味等。許多花和水果的香味都與酯有關，因此酯多用于香料工業(yè)。酰胺分子間可通過氫鍵締合，熔點和沸點較高，除甲酰胺（液體）外都是固體。氨基上有烴基取代時，分子間的締合程度減小，熔點和沸點降低。由于酰胺可與水形成氫鍵，所以低級酰胺易溶于水，隨著分子量的增大，在水中的溶解度逐漸減小。液體酰胺常用作溶劑，尤其是DMF。羧酸衍生物一般都難溶于水而易溶于乙醚、氯仿、丙酮、苯等有機溶劑。第三節(jié)羧酸衍生物的化學性質(zhì)羧酸衍生物由于結構相似，因此化學性質(zhì)也有相似之處，只是在反應活性上有較大的差異。3.1水解反應酰氯、酸酐、酯都可水解生成相應的羧酸。低級的酰鹵遇水迅速反應，高級的酰鹵由于在水中溶解度較小，水解反應速度較慢；多數(shù)酸酐由于不溶于水，在冷水中緩慢水解，在熱水中迅速反應；酯的水解只有在酸或堿的催化下才能順利進行。酯的水解在理論上和生產(chǎn)上都有重要意義。酸催化下的水解是酯化反應的逆反應，水解不能進行完全。堿催化下的水解生成的羧酸可與堿生成鹽而從平衡體系中除去，所以水解反應可以進行到底。酯的堿性水解反應也稱為皂化反應。3.2醇解反應酰氯、酸酐、酯都能發(fā)生醇解反應，產(chǎn)物主要是酯。它們進行醇解反應速度順序與水解相同。酯的醇解反應也叫酯交換反應，即醇分子中的烷氧基取代了酯中的烷氧基。酯交換反應不但需要酸催化，而且反應是可逆的。酯交換反應常用來制取高級醇的酯，因為結構復雜的高級醇一般難與羧酸直接酯化，往往是先制得低級醇的酯，再利用酯交換反應，即可得到所需要高級醇的酯。生物體內(nèi)也有類似的酯交換反應，例如：乙酰輔酶A膽堿乙酰膽堿輔酶A此反應是在相鄰的神經(jīng)細胞之間傳導神經(jīng)刺激的重要過程。3.3氨解反應酰氯、酸酐、酯可以發(fā)生氨解反應，產(chǎn)物是酰胺。由于氨本身是堿，所以氨解反應比水解反應更易進行。酰氯和酸酐與氨的反應都很劇烈，需要在冷卻或稀釋的條件下緩慢混合進行反應。3.4酯的還原反應酯容易還原成醇。常用的還原劑是金屬鈉和乙醇，LiAlH4是更有效的還原劑。由于羧酸較難還原，經(jīng)常把羧酸轉(zhuǎn)變成酯后再還原。3.5酯縮合反應酯分子中的α-H原子由于受到酯基的影響變得較活潑，用醇鈉等強堿處理時，兩分子的酯脫去一分子醇生成β-酮酸酯，這個反應稱為克來森（Claisen）酯縮合反應。例如：乙酰乙酸乙酯（1）反應歷程酯縮合反應歷程類似于羥醛縮合反應。首先強堿奪取α-H原子形成負碳離子，負碳離子向另一分子酯羰基進行親核加成，再失去一個烷氧基負離子生成β-酮酸酯：（2）交叉酯縮合兩種不同的有α-H的酯的酯縮合反應產(chǎn)物復雜，無實用價值。無α-H的酯與有α-H的酯的酯縮合反應產(chǎn)物純，有合成價值。例如；酮可與酯進行縮合得到β-羰基酮。酮的酸性一般大于酯的酸性，所以在乙醇鈉的作用下，酮更易生成碳負離子。例如：（3）分子內(nèi)酯縮合--狄克曼（Dieckmann）反應己二酸酯和庚二酸酯在強堿的作用下發(fā)生分子內(nèi)酯縮合，生成環(huán)酮衍生物的反應稱為狄克曼（Dieckmann）反應。例如：縮合產(chǎn)物經(jīng)酸性水解生成β-羰基酸，β-羰基酸受熱易脫羧，最后產(chǎn)物是環(huán)酮。狄克曼（Dieckmann）反應是合成五元和六元碳環(huán)的重要方法。生物體中長鏈脂肪酸以及一些其它化合物的生成就是由乙酰輔酶A通過一系列復雜的生化過程形成的。從化學角度來說，是通過類似于酯交換、酯縮合等反應逐漸將碳鏈加長的。3.6酰胺的化學性質(zhì)在酰胺分子中，氨基氮原子上的未共用電子對與羰基形成p-π共軛體系，因此羰基與氨基間的C-N單鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，在常溫下不能自由旋轉(zhuǎn)，?；腃、N、O以及與C、N直接相連的其它原子就處于同一平面上。酰胺的這種平面結構不僅影響著它的性質(zhì)，對蛋白質(zhì)的構象也有重要意義。1、酸堿性酰胺分子中，氨基上的未共用電子對與羰基形成p-π共軛體系，使氮原子上的電子云密度降低，減弱了氨基接受質(zhì)子的能力，是近乎中性的化合物。在酰亞胺分子中，由于兩個?；奈娮诱T導效應，使氮原子上氫原子的酸性明顯增強，能與強堿生成鹽。例如：2、水解反應酰胺是羧酸的衍生物，能發(fā)生與酰鹵、酸酐和酯相似的反應。由于受到共軛效應和離去基團等因素的影響，酰胺的反應活性低于其它羧酸的衍生物。酰胺的水解反應必須在強酸或強堿催化下才能進行。3、與亞硝酸反應與伯胺相同，未取代的酰胺（即有伯氨基的酰胺，也稱為伯酰胺）與亞硝酸反應，生成羧酸并放出氮氣。4、霍夫曼降解反應酰胺與次鹵酸鹽作用，生成比原酰胺少一個碳原子的伯胺，是制備伯胺的方法之一。該反應稱為酰胺的霍夫曼（Hoffmann）降解（重排）反應。反應中，氨基首先被溴取代生成N-溴代酰胺，在強堿作用下脫去溴化氫生成不穩(wěn)定的?；┲虚g體，其立即重排成為異氰酸酯，經(jīng)水解脫去二氧化碳生成伯胺。第四節(jié)羧酸衍生物的水解、氨解、醇解歷程羧酸衍生物可被水、醇、氨等親核試劑進攻。其中酯的水解歷程研究的最多。4.1酯的水解歷程水解是酯化反應的逆反應，但水解反應歷程比酯化反應研究的多，下面就酸催化和堿催化的歷程進行討論。1、酯的堿性水解實驗事實：酯的堿性水解速度依賴于酯的濃度和氫氧根離子的濃度。ν＝k[ROOR'][OH—]為雙分子反應將含有同位素O18的酯水解，證明反應是按酰氧鍵破裂方式進行。根據(jù)以上事實，酯的堿性水解大多屬于雙分子酰氧鍵斷裂過程?？商岢鰞蓚€機理：SN2和加成-消除歷程。SN2歷程：加成-消除歷程：為了判斷這一反應的過程，進行了如下實驗：將用同位素O18標記羰基的酯放在堿的水溶液中水解，當水解尚未完全時，取出未水解的酯分析其中O18的含量，結果測得O18含量比原來樣品中少的多，說明反應過程中發(fā)生了O18的交換。證明不是SN2反應，如果反應是一步取代，未反應的酯分子中O18應該保持不變，故是加成-消除歷程。酯這樣的堿性水解歷程稱為BAc2（堿催，酰氧鍵斷裂，雙分子歷程），可表示如下：反應最后一步是不可逆的，因為生成的羧酸根（RCOO-）有較強的p-π共軛效應，是較烷氧基離子要弱的多的堿，不可能奪取醇中的氫質(zhì)子，從而使整個反應變?yōu)椴豢赡妗?、酯的酸性水解事實：說明反應是酰氧鍵斷裂。②在水溶液中，ν＝k[RCOOR'][H+]，說明是雙分子反應。酯的酸性水解絕大多數(shù)是雙分子反應，并且是酰氧鍵斷裂，這樣的歷程叫AAc2(酸催化，酰氧鍵斷裂，雙分子歷程)，有特殊結構的酯，酰氧鍵斷裂也可以按單分子反應進行：2,4,6-三甲基苯甲酸酯，由于鄰位兩個甲基的位阻作用，試劑很難進攻，在一般條件下很難水解。但將它溶解在濃硫酸中，然后傾入冰水內(nèi)，即得2,4,6-三甲基苯甲酸，這是由于分子按上述方式離解的結果，上述反應屬于酰氧鍵斷裂，在斷裂過程中，生成?；x子，所以屬于單分子歷程，稱為AAc1。一些特殊結構的酯水解時也可以烷氧基斷裂：第三丁酯在酸性水解時，由于(CH3)3C+離子比較容易生成，所以是按烷氧鍵斷裂單分子歷程進行的，稱為AAl1（酸催化，烷氧鍵斷裂，單分子歷程）總之，酯的酸性水解絕大多數(shù)是酰氧鍵斷裂雙分子反應歷程，只有少量特定結構的酯，才發(fā)生單分子的酰氧鍵或烷氧鍵斷裂歷程。4.2羧酸衍生物的水解、氨解、醇解歷程羧酸衍生物的水解、醇解、氨解都屬于親核取代反應歷程，羧酸衍生物的親核取代反應分為加成-消除兩步，可用通式表示如下：加成一步取決于電子因素和空間因素。消除一步取決于L的堿性和穩(wěn)定性。L堿性越弱，越容易離去；L越穩(wěn)定，越容易離去。就酰氯、酸酐、酯、酰胺而言，L的堿性為：Cl－<RCOO－<R'O－<NH2－；L的穩(wěn)定性為：Cl－>RCOO－>R'O－>NH2－，所以羧酸衍生物的活性為：羧酸的衍生物在堿性或酸性條件下比在中性溶液中更容易水解，這是可以理解的：堿性溶液提供給氫氧根離子，它充當一種強的親核試劑；酸性溶液提供給氫離子，它接到羰基氧上從而使分子易受弱親核試劑，即水的進攻。第五節(jié)乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯在有機合成上的應用5.1乙酰乙酸乙酯1、乙酰乙酸乙酯的制備——Claisen酯縮合反應2、乙酰乙酸乙酯的性質(zhì)(1)互變異構現(xiàn)象T乙酰乙酸乙酯既有羰基的性質(zhì)，又有羥基和雙鍵的性質(zhì)，表明乙酰乙酸乙酯是由酮式和烯醇式兩種互變異構體組成的。①生成的烯醇式穩(wěn)定的原因1°形成共軛體系，降低了體系的內(nèi)能。2°烯醇結構可形成分子內(nèi)氫鍵（形成較穩(wěn)定的六元環(huán)體系）②其他含活潑亞甲基化合物的互變異構體中烯醇式的含量。下列數(shù)據(jù)說明了結構對烯醇式含量的影響：(2)亞甲基活潑氫的酸性乙酰乙酸乙酯的α-C原子上由于受到兩個吸電子基（羰基和酯基）的作用，α-H很活潑，具有一定的酸性，易與金屬鈉、乙醇鈉作用形成鈉鹽。乙酰乙酸乙酯的鈉鹽與鹵代烴、酰鹵反應，生成烴基和酰基取代的乙酰乙酸乙酯。烷基化：說明：①R、R′分次導入，不能一次性地引入。②R≠R′時，第二次引入的R′要比R活潑。③R最好用1°，2°產(chǎn)量低，不能用3°和乙烯式鹵代烴。RX也可是鹵代酸酯和鹵代酮。酰基化：(3)酮式分解乙酰乙酸乙酯及其取代衍生物與稀堿作用，水解生成β-羰基酸，受熱后脫羧生成甲基酮。故稱為酮式分解。例如：(4)酸式分解乙酰乙酸乙酯及其取代衍生物在濃堿作用下，主要發(fā)生乙?；臄嗔?，生成乙酸或取代乙酸，故稱為酸式分解。例如：3、乙酰乙酸乙酯在有機合成上的應用由于乙酰乙酸乙酯的上述性質(zhì)，我們可以通過亞甲基上的取代，引入各種不同的基團后，再經(jīng)酮式分解或酸式分解，就可以得到不同結構的酮或酸。例1：例2：制環(huán)狀的甲基酮例3：用乙酰乙酸乙酯法合成下列化合物，其結構分析如下：說明：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。5.2丙二酸二乙酯1、丙二酸二乙酯的制備丙二酸二乙酯CH2(COOC2H5)2為無色液體，有芳香氣味，沸點199.3℃2、丙二酸二乙酯的性質(zhì)丙二酸二乙酯分子中含有一個活潑亞甲基，在醇鈉等強堿催化下，能產(chǎn)生一個碳負離子，它可以和鹵代烴發(fā)生親核取代反應，產(chǎn)物經(jīng)水解和脫羧后生成羧酸。用這種方法可合成RCH2COOH和RR’CHCOOH型的羧酸，如用適當?shù)亩u代烷作為烴化試劑，也可以合成脂環(huán)族羧酸。例如：環(huán)丁基甲酸3、丙二酸二乙酯在有機合成上的應用丙二酸二乙酯的上述性質(zhì)在有機合成上廣泛用于合成各種類型的羧酸（一取代乙酸，二取代乙酸，環(huán)烷基甲酸，二元羧酸等）。(1)制烴基取代乙酸說明：①R≠R′時，分步引入，先小后大；②R＝R′時，可一次性地引入。(2)制二元羧酸用丙二酸二乙酯法合成下列化合物，其結構分析如下：具有活潑亞甲基的化合物容易在堿性條件下形成穩(wěn)定的碳負離子，所以它們還可以和羰基發(fā)生一系列親核加成，例如，柯諾瓦諾格（Knoevenagel）反應，邁克爾（Michael）反應。第六節(jié)蠟和油脂6.1蠟蠟廣泛存在于動、植物中，其主要成分是高級脂肪酸和高級飽和一元醇形成的酯。天然蠟還含有少量游離高級脂肪酸、高級醇和烷烴等。組成蠟的脂肪酸和醇都是直鏈的和含十六個碳原子以上的，且含偶數(shù)個碳原子。常見的酸是軟脂酸和二十六酸；常見的醇是十六醇，二十六醇和三十醇。值得注意的是，蠟和石蠟不能混淆，石蠟是石油中得到的直鏈烷烴（含有26~30個碳原子）的混合物，它們的物態(tài)、物性相近，而化學成分完全不同。6.2油脂油脂普遍存在于動物脂肪組織和植物的種子中，習慣上把室溫下成固態(tài)的叫脂，成液態(tài)的叫油。油脂是高級脂肪酸甘油酯的通稱。1、物理性質(zhì)純凈的油脂是無色、無味的物質(zhì)。天然油脂因含有脂溶性色素和其它雜質(zhì)而有一定的色澤和氣味。由于油脂是混合物，所以油脂沒有固定的熔點和沸點，但有一定的凝固溫度范圍，如豬油為36～46℃；花生油則為28～32不飽和脂肪酸分子的碳碳雙鍵大多為順式構型，致使整個分子占有較大體積，分子不能緊密排列．分子間的吸引力較小。因此，從油脂的脂肪酸組成來看，不飽和脂肪酸含量較高的油脂，其熔點往往較低，室溫下常為液體；而含飽和脂肪酸較多的油脂在室溫下往往呈固態(tài)或半固態(tài)。各種油脂都有比較固定的折光率，可用來鑒定油脂的純度。油脂比水輕，植物油脂的相對密度一般在0.9~0.95之間，而動物油脂常在0.86左右。油脂不溶于水，易溶于乙醚、石油醚、氯仿、丙酮、苯和四氯化碳等有機溶劑。2、化學性質(zhì)由于油脂的主要成分是高級脂肪酸甘油三酯，而且具有不同程度的不飽和性，所以油脂可以發(fā)生水解、加成、氧化、聚合等反應。（1）水解反應油脂在酸、堿、酶作用下水解成甘油和高級脂肪酸，在酸性條件下的水解反應是可逆的。＋3H2O＋在堿的催化下，由于能使脂肪酸生成鹽，所以油脂的水解能進行徹底，反應是不可逆的。＋3KOH＋油脂用氫氧化鈉或氫氧化鉀水解，生成的高級脂肪酸鈉鹽或鉀鹽是肥皂的主要成分，因此將油脂在堿性溶液中的水解稱為皂化。1g油脂完全皂化所需氫氧化鉀的毫克數(shù)稱為皂化值。各種油脂都有一定的皂化值。由皂化值可以檢驗油脂的純度，還可以算出油脂的平均分子量。皂化值越大，油脂的平均分子量越小。平均分子量＝3×56×1000／皂化值（2）加成反應油脂中的不飽和脂肪酸的雙鍵具有烯烴的性質(zhì)，與氫及鹵素能起加成反應。如在催化劑（Ni、Pt、Pd）作用下，油脂中的不飽和脂肪酸能加氫生成飽和脂肪酸。利用這個原理，可將液體的植物油轉(zhuǎn)化為固體脂肪。不飽和脂肪酸甘油酯的碳碳雙鍵也可以和碘發(fā)生加成反應。100g油脂所能吸收的碘的克數(shù)稱為碘值（又稱碘價）。第七節(jié)碳酸衍生物7.1碳酰氯（光氣）碳酰氯是由一氧化碳和氯氣在日光作用下，或在活性炭催化下加熱至200℃制得：光氣是一種有機合成的原料。7.2碳酸的酰胺1.尿素尿素也稱脲，因最早從尿中獲得，故稱尿素。它是哺乳動物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝的最終產(chǎn)物，白色結晶，熔點132.工業(yè)上用二氧化碳和氨氣在高溫高壓下合成尿素。