有机化学华北师范版本13 羧酸衍生物

第十四章 羧酸衍生物

羧酸衍生物主要有酰卤、酸酐、酯和酰胺，它们都是含有酰基的化合物。羧酸衍生物反应活性很高，可以转变成多种其它化合物，是十分重要的有机合成中间体。

第一节 羧酸衍生物的命名

酰卤根据酰基和卤原子来命名，称为“某酰卤”。例如： OOO

CClCH3CH3CClCH3CH2CBr

乙酰氯 丙酰溴 对甲基苯甲酰氯

酸酐根据相应的羧酸命名。两个相同羧酸形成的酸酐为简单酸酐，称为“某酸酐”，简

称“某酐”；两个不相同羧酸形成的酸酐为混合酸酐，称为“某酸某酸酐”，简称“某某酐”；二元羧酸分子内失去一分子水形成的酸酐为内酐，称为“某二酸酐”。例如：

OOO

CCH3C CH3COOO

CCH3CCH3CH2C

OO O 乙（酸）酐 乙（酸）丙（酸）酐 邻苯二甲酸酐

酯根据形成它的羧酸和醇来命名，称为“某酸某酯”。例如：

OOO

HCOC2H5CH3COCH3CH3COC2H5 乙酸甲酯 乙酸乙酯 甲酸乙酯

酰胺通常根据酰基来命名，称为“某酰胺”，连接在氮原子上的烃基用“N-某基”表示。例如：

OOO

CN(CH3)2 CH3CNH2HCNHCH3

乙酰胺 N-甲基甲酰胺 N,N-二甲基苯甲酰胺 氨基上连接有两个酰基时，称为“某酰亚胺”。例如：

O

O CH3CC NHNH

CH3CC

OO

二乙酰亚胺 邻苯二甲酰亚胺

第二节 羧酸衍生物的物理性质

室温下，低级的酰氯和酸酐都是无色且对粘膜有刺激性的液体，高级的酰氯和酸酐为白色固体，内酐也是固体。酰氯和酸酐的沸点比分子量相近的羧酸低，这是因为它们的分子间

不能通过氢键缔合的缘故。

室温下，大多数常见的酯都是液体，低级的酯具有花果香味。如乙酸异戊酯有香蕉香味（俗称香蕉水）；正戊酸异戊酯有苹果香味；甲酸苯乙酯有野玫瑰香味；丁酸甲酯有菠萝香味等。许多花和水果的香味都与酯有关，因此酯多用于香料工业。

酰胺分子间可通过氢键缔合，熔点和沸点较高，除甲酰胺外都是固体。氨基上有烃基取代时，分子间的缔合程度减小，熔点和沸点降低。由于酰胺可与水形成氢键，所以低级酰胺易溶于水，随着分子量的增大，在水中的溶解度逐渐减小。

羧酸衍生物一般都难溶于水而易溶于乙醚、氯仿、丙酮、苯等有机溶剂。

第三节 羧酸衍生物的化学性质

羧酸衍生物由于结构相似，因此化学性质也有相似之处，只是在反应活性上有较大的差异。化学反应的活性次序为：酰氯＞酸酐＞酯≥酰胺 3.1水解反应

酰氯、酸酐、酯都可水解生成相应的羧酸。低级的酰卤遇水迅速反应，高级的酰卤由于在水中溶解度较小，水解反应速度较慢；多数酸酐由于不溶于水，在冷水中缓慢水解，在热水中迅速反应；酯的水解只有在酸或碱的催化下才能顺利进行。

ORRRCOCOCClOOOR'CR'+HOHROCOH+R'COOHR'OHHCl

酯的水解在理论上和生产上都有重要意义。酸催化下的水解是酯化反应的逆反应，水解不能进行完全。碱催化下的水解生成的羧酸可与碱生成盐而从平衡体系中除去，所以水解反应可以进行到底。酯的碱性水解反应也称为皂化。

ORCOR'+HOHH+ORCOH+R'OH

ORCOHOR'+HOHORCO+R'OH

3.2醇解反应

酰氯、酸酐、酯都能发生醇解反应，产物主要是酯。它们进行醇解反应速度顺序与水解相同。酯的醇解反应也叫酯交换反应，即醇分子中的烷氧基取代了酯中的烷氧基。酯交换反应不但需要酸催化，而且反应是可逆的。

ORRRCOCOCClOOOR'CR'+HOR''ROCOR''+R'COOHR'OHHCl

酯交换反应常用来制取高级醇的酯，因为结构复杂的高级醇一般难与羧酸直接酯化，往

往是先制得低级醇的酯，再利用酯交换反应，即可得到所需要高级醇的酯。生物体内也有类似的酯交换反应，例如：

OCH3CSCoA+[HOCH2CH2N(CH3)3]OH+OCH3COCH2CH2N(CH3)3OH+HSCoA+

乙酰辅酶A 胆碱 乙酰胆碱 辅酶A

此反应是在相邻的神经细胞之间传导神经刺激的重要过程。 3.3氨解反应

酰氯、酸酐、酯可以发生氨解反应，产物是酰胺。由于氨本身是碱，所以氨解反应比水解反应更易进行。酰氯和酸酐与氨的反应都很剧烈，需要在冷却或稀释的条件下缓慢混合进行反应。

ORRRCOCOCClOOOR'CR'+HNH2ROCNH2+R'COONH4R'OHHCl

羧酸衍生物的水解、醇解、氨解都属于亲核取代反应历程，可用下列通式表示： OOOH

RCA+HNuRCNu+HARCA

ONu

HNuH2O,ROH,NH3AX,OCR,OR

反应实际上是通过先加成再消除完成的。第一步由亲核试剂HNu进攻酰基碳原子，形成加成中间产物，第二步脱去一个小分子HA，恢复碳氧双键，最后酰基取代了活泼氢和Nu结合得到取代产物。所以这些反应又称为HNu的酰基化反应。

显然，酰基碳原子的正电性越强，水、醇、氨等亲核试剂向酰基碳原子的进攻越容易，反应越快。在羧酸衍生物中，基团A有一对未共用电子对，这个电子对可与酰基中的C=O形成p-π共轭体系 O 。基团A的给电子能力顺序为：

..ORCA.. ......Cl

因此酰基碳原子的正电性强度顺序为：酰氯＞酸酐＞酯＞酰胺。另一方面，反应的难易程度也与离去基团A的碱性有关，A的碱性愈弱愈容易离去。离去基团A的碱性强弱顺序

————————

为：NH2＞RO＞RCO2＞X，即离去的难易顺序为：NH2< RO

综上所述，羧酸衍生物的酰—A键断裂的活性（也称酰基化能力）次序为：酰氯＞酸酐＞酯≥酰胺。酰氯和酸酐都是很好的酰基化试剂。

3.4酯的还原反应

酯容易还原成醇。常用的还原剂是金属钠和乙醇，LiAlH4是更有效的还原剂。

O

Na+C2H5OH'RCORRCH2OH+R'OH △

由于羧酸较难还原，经常把羧酸转变成酯后再还原。 3.5酯缩合反应

酯分子中的α-H原子由于受到酯基的影响变得较活泼，用醇钠等强碱处理时，两分子的酯脱去一分子醇生成β-酮酸酯，这个反应称为克来森（Claisen）酯缩合反应。例如：

OCH3COC2H5+HOCH2COC2H5C2H5ONaOO

CH3CCH2COC2H5+C2H5OH 乙酰乙酸乙酯

酯缩合反应历程类似于羟醛缩合反应。首先强碱夺取α-H原子形成负碳离子，负碳离子向另一分子酯羰基进行亲核加成，再失去一个烷氧基负离子生成β-酮酸酯：

OO

CHONa CH2COC2H5+C2H5OHCH3COC2H525 OCH3COC2H5+CH2OCOC2H5OCH3CCH2OCOC2H5OC2H5

OOCH3CCH2COC2H5+C2H5O生物体中长链脂肪酸以及一些其它化合物的生成就是由乙酰辅酶A通过一系列复杂的生化过程形成的。从化学角度来说，是通过类似于酯交换、酯缩合等反应逐渐将碳链加长的。

3.6 酰胺的化学性质

在酰胺分子中，氨基氮原子上的未共用电子对与羰基形成p-π共轭体系，因此羰基与氨基间的C-N单键具有部分双键的性质，在常温下不能自由旋转，酰基的C、N、O以及与C、N直接相连的其它原子就处于同一平面上。酰胺的这种平面结构不仅影响着它的性质，对蛋白质的构象也有重要意义。 1．酸碱性

酰胺分子中，氨基上的未共用电子对与羰基形成p-π共轭体系，使氮原子上的电子云密度降低，减弱了氨基接受质子的能力，是近乎中性的化合物。

O

在酰亚胺分子中，由于两个酰基的吸电子诱导效应，使氮原子上氢原子的酸性明显增强，能与强碱生成盐。例如：

OO CC-+NK+H ONH+KOH 2CC

OO

2．水解反应

酰胺是羧酸的衍生物，能发生与酰卤、酸酐和酯相似的反应。由于受到共轭效应和离去

RCNH..2基团等因素的影响，酰胺的反应活性低于其它羧酸的衍生物。酰胺的水解反应必须在强酸或强碱催化下才能进行。 OO+H R C NH 2 + H O 2 +R C OH+NH4

OR C NH2+H O2-OHOR C O-+NH3

3．与亚硝酸反应

与伯胺相同，未取代的酰胺（即有伯氨基的酰胺，也称为伯酰胺）与亚硝酸反应，生成羧酸并放出氮气。

RCONH2+HNO2RCOOH+N2

4．霍夫曼降解反应

酰胺与次卤酸盐作用，生成比原酰胺少一个碳原子的伯胺，是制备伯胺的方法之一。该反应称为酰胺的霍夫曼（Hoffmann）降解（重排）反应。

Br2 RCONH2R NH2+NaBr+Na2CO3NaOH

反应中，氨基首先被溴取代生成N-溴代酰胺，在强碱作用下脱去溴化氢生成不稳定的酰基氮烯中间体，其立即重排成为异氰酸酯，经水解脱去二氧化碳生成伯胺。 OO-BrBr RCONH2R C NHOHR C N重排O=C=N RR NH2+CO22

第四节 重要羧酸衍生物

4.1 丙二酸二乙酯

1、丙二酸二乙酯的制备

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。丙二酸二乙酯是以氯乙酸为原料，经过氰解，酯化后得到的二元羧酸酯：

COOC2H5NaCNC2H5OH

CH2COOHCH2COOHCH2+ NaOHHCOOC2H5ClCN

2、丙二酸二乙酯的性质

丙二酸二乙酯分子中含有一个活泼亚甲基，在醇钠等强碱催化下，能产生一个碳负离子，它可以和卤代烃发生亲核取代反应，产物经水解和脱羧后生成羧酸。用这种方法可合成RCH2COOH和RR’CHCOOH型的羧酸，如用适当的二卤代烷作为烃化试剂，也可以合成脂环族羧酸。例如：

NaOH(COOC2H5)2（1）CH2(COOC2H5)2+RXC2H5ONaRCH RCH2COOH+C2H5OH（2）△H

CH2(COOC2H5)2+BrCH2CH2CH2BrC2H5ONaC2H5OH

CH2CH2C(COOC2H5)2CH2

OCH2CHOCR1OOCR2 OCH2OHCH2OCR3R3COOH

在碱的催化下，由于能使脂肪酸生成盐，所以油脂的水解能进行彻底，反应是不可逆的。

CH2H+OHR1R2COOHCOOHOH ＋ 3H2O CH ＋

CH2CHCH2CH2OHOCR1O ＋ 3KOH CH OH ＋

OCR2 OR1COOKR2COOKR3COOKOOCR3CH2OH

油脂用氢氧化钠或氢氧化钾水解，生成的高级脂肪酸钠盐或钾盐是肥皂的主要成分，因此将油脂在碱性溶液中的水解称为皂化。

1g油脂完全皂化所需氢氧化钾的毫克数称为皂化值。各种油脂都有一定的皂化值。由皂化值可以检验油脂的纯度，还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）加成反应 油脂中的不饱和脂肪酸的双键具有烯烃的性质，与氢及卤素能起加成反应。如在催化剂（Ni、Pt、Pd）作用下，油脂中的不饱和脂肪酸能加氢生成饱和脂肪酸。

O OCH2OC(CH2)16CH3(CH2)7CH3CH2OC(CH2)7-C=C-

OO 3H2CHOC(CH2)16CH3CHOC(CH2)7-C=C-(CH2)7CH3NiO OCH2OC(CH2)16CH3(CH2)7CH3CH2OC(CH2)7-C=C-

利用这个原理，可将液体的植物油转化为固体脂肪。

不饱和脂肪酸甘油酯的碳碳双键也可以和碘发生加成反应。100g油脂所能吸收的碘的克数称为碘值（又称碘价）。

第六节 碳酸衍生物

6.1 碳酰氯（光气）

碳酰氯是由一氧化碳和氯气在日光作用下，或在活性炭催化下加热至200℃制得：

光气是一种有机合成的原料。

6.2碳酸的酰胺 1.尿素

尿素也称脲，因最早从尿中获得，故称尿素。它是哺乳动物体内蛋白质代谢的最终产物，白色结晶，熔点132.7℃，易溶于水和乙醇。它除可用作肥料外，也是有机合成的重要原料，

用于合成药物、农药、塑料等。

工业上用二氧化碳和氨气在高温高压下合成尿素。 180-200℃ O CO2 + NH3 NH2 C NH2 高压

尿素的化学性质简述如下：

（1）碱性 尿素是碳酸的二酰胺，由于含两个氨基而显碱性，但因共轭效应的影响碱性很弱，不能用石蕊试纸检验。尿素能与硝酸、草酸生成不溶性的盐。 OO 2 C NH 2 .HNO3 ↓ NH 2 C NH 2 + HNO3 NH O NH + HOOC-COOH 2CO（NH2）2 ·(COOH）2↓ 2 C NH2 常利用这一性质由尿液中分离尿素。

（2）水解反应 与酰胺相同，尿素可在酸或碱的溶液中水解。此外，尿素还可在尿素酶的作用下水解。

H+NH4++CO2O 2 C NH 2 + H２O NHOH-NH3+CO32 尿酶NH+CO23

植物及许多微生物中都含有尿素酶。

（3）与亚硝酸反应 与其它伯酰胺一样，尿素也能与亚硝酸作用放出氮气。

O

+NH2 C NH2+H2CO3HNO2N2 +H2O CO2

该反应是定量完成的，通过测定氮气的量，可求得尿素的含量。

（4）双缩脲反应 将尿素缓慢加热至熔点以上（约150—160℃）时，两分子尿素间失去一分子氨，缩合生成双缩脲。

OOOO。150160C NH2 C NH2++NH3NH C NHHN C NH C NH

2222 双缩脲

双缩脲为无色针状结晶，熔点160℃，难溶于水。在碱性溶液中能与稀的硫酸铜溶液产

生紫红色，叫做双缩脲反应。凡分子中含有两个或两个以上酰胺键（-CONH-）的化合物，如多肽、蛋白质等，都能发生双缩脲反应。

2.氨基甲酸酯 制备方法1：

制备方法2：

氨基甲酸酯类农药是发展得很快的高效低毒农药： 西维因 灭菌灵

速灭威

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