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第 16 章。羧酸和其他

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1. 概述

2. 羧酸

3. 酰氯

4. 酸酐

5. 酯

6. 酰胺

7. 丁腈

1.概述

⑴ 常用反应原理

① 亲核攻击、亲电攻击

② 质子转移：发生在分子之间的分子间而不是分子内的分子内

③ 互变异构：烯醇 ↔ 酮

④ 后处理：无需精确识别基底

⑵ 性能

① 物理性能

○ 羧酸由于氢键而稳定在二聚体形式

○ 二聚结构导致羧酸产生约 2500-3000 cm 的红外吸收光谱^-1

② 羰基化合物反应活性比较

○ 酰卤 ＞ 酸酐 ＞ 醛 ＞ 酮 ＞ 酯～羧酸 ＞ 酰胺 ＞ 羧酸根离子

⑶ 羰基化合物反应类型

① 类型1：当Y^-的亲核性大于X^-时

○ 1 型 常见于酰氯中

○ 羧酸和其他酸也表现出类似的 1 型 患病率

○ 醛和酮很少发生类型 1 的反应

图 1. 羰基化合物反应 类型 1

② 类型2：当Y^-的亲核性小于X^-时

○ 大多数醛和酮遵循 2 型

○ 甚至其他反应通常看起来也仅仅是类型 2 的应用。

图 2. 羰基化合物反应 类型 2

③ 类型3：烯酮和1,2-加成反应：当亲核试剂为强亲核试剂（例如格氏试剂）时发生

图 3. 羰基化合物反应 类型 3

④ 类型 4： 烯酮和 1,4-加成反应（迈克尔加成）：当亲核试剂为弱亲核试剂（例如 MeSH）时发生

图 4. 羰基化合物反应 类型 4

2.羧酸

⑴ 命名法

① 将烷烃的-e替换为-oic酸命名

② 系统命名法：碳数1成为-COOH的碳

③ 通用命名法：与-COOH相邻的碳成为α碳

④ 如果主链中有烯烃、炔烃等，链烷酸就变成链烯酸、炔酸等。

图 5. 丙烯酸和丙炔酸

⑤ 系统命名法（左）与通用命名法（右）的比较

○ 甲酸/甲酸

○ 乙酸/醋酸

○ 丙酸/丙酸

○ 丁酸/丁酸

○ 戊酸/戊酸

○ 己酸/己酸

○ 丙烯酸/丙烯酸

○ 2-甲氧基丁酸/α-甲氧基丁酸» ○ 3-溴戊酸/β-溴戊酸

○ 4-氯己酸/γ-氯己酸

⑵ 反应1：亲核加成反应

① 反应1-1： 酰氯的形成：通过SOCl₂处理形成酰氯

图 6. 酰氯形成机制

图 7. 由邻苯二甲酸生成邻苯二甲酰氯的反应

② 反应1-2: 费歇尔酯化

○ （式） RCOOH + HOR’ 在酸性条件下反应生成 RCOOR’ + H₂O

○ 羧酸不发生缩醛形成反应，因此不与费歇尔酯化反应竞争。

○ 酸性催化下质子附着在=O而不是-OH上的原因

○ 假设：ROH必须与羧酸形成四面体中间体以促进离去基团的离开

○ 质子附着在 -OH 上：ROH 导致 =O 变为 -O^-，-OH 变为 -OH₂⁺，使分子不稳定

○ 质子附着在=O上：ROH导致=OH⁺变成-OH，而原来的-OH保持不变，稳定了中间体

图 8. Fischer 酯化机理

○ 在碱性催化下，仅发生酸碱反应，将-COOH转化为-COO^-

③ 反应1-3： 通过胺加成形成酰胺

○ 反应条件：Δ、EDC、DIC 或 DCC

○ EDC: 1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺)

○ DIC：二异丙基碳二亚胺

○ DCC: N,N‘-二环己基碳二亚胺

图 9. 通过胺加成形成酰胺的机制

○ 第 1 点： EDC / NHS 化学

图 10. EDC/NHS 耦合

○ 第一^第一。 EDC与目标分子的羧基发生反应

○ 第二^第二。 NHS稳定EDC中间体：因为EDC中间体可以与水反应

○ 换句话说，NHS 防止与水发生广泛反应，促进快速胺反应

○ 第三^第。胺连接形成酰胺键

○ 补充说明

○ 通常，方案表明将 EDC 和 NHS 同时添加到目标分子溶液中。

○ 先添加 NHS 不会导致其与目标分子发生反应

○ NHS（N-羟基琥珀酰亚胺）补充剂

○ NHS 是最常用的活化酯

○ NHS-胺标记通常以水作为溶剂进行

○ 由于 NHS 会降低水溶性，有时会添加 DMSO 或 DMF。

○ 对于水溶性至关重要的反应，使用磺基 NHS

○ 第2点： EDC和DCC的区别：EDC和DCC总体上扮演相似的角色

○ EDC：1天内产生水溶性副产品（尿素副产品）

○ DCC：在有机溶剂中发挥EDC的作用，形成DCU

○ 第3点：各种应用案例

图11. 通过胺加成形成酰胺的各种应用案例

④ 反应1-4： 羧酸还原» ○ NaBH₄: 不发生反应

○ LiAlH₄：通过醛中间体将羧酸还原为醇。

图 12. LiAlH₄ 还原羧酸

○ BH₃/THF: 发生反应

图 13. BH₃/THF 还原羧酸

⑤ 反应 1-5: 有机锂反应：形成酮

图14. 有机锂反应机理

⑥ 反应1-6： 羧酸中-OH的交换反应：通过同位素效应证实

⑶ 其他反应

① Hell-Vollhard-Zelinsky 反应（HVZ 反应）

○ 在磷存在下，α位羧酸与溴或氯反应

○ 应用1. RCOCl + NCS, HCl, SOCl₂, 70 ℃

○ 应用2. RCOCl + NBS, HBr, SOCl₂, 70 ℃

○ 应用3. RCOCl + I₂, HI, SOCl₂, 85 ℃

② Hundsdiecker 反应：RCOOAg + Br₂, CCl₄ → R-Br

③ Kochi 反应：Hundsdiecker 反应的变体。 RCOOH + Pb(OAC)₄, + LiCl - CO₂ → R-Cl + LiPb(OAc)₃ + HOAc

④ 将羧酸转化为双阴离子形式后，在α位发生烷基化反应。 1.NaH，55℃，THF，2.LDA，10-35℃

⑷ 与羧酸反应相关的主要错误

① 醇盐和羧酸

图 15. 醇盐和羧酸

② 格氏试剂和羧酸

图 16. 格氏试剂和羧酸

⑸ 合成方法

① 烯烃的氧化: 1. KMnO₄, OH^-, 加热, 2. H₃O⁺ / 1. O₃, 2. H₂O₂

② 烷基苯的氧化: 1. KMnO₄, OH^-, 加热, 2. H₃O⁺ 使R-Me变成R-COOH

③ 苯环本身的氧化：1. O₃, CH₃CO₂H, 2. H₂O₂ 使R-Ph变成R-COOH

④【伯醇的氧化】(https://jb243.github.io/pages/1372): 1. KMnO₄, OH^-, 加热, 2. H₃O⁺ / H₂CrO₄

⑤ 醛的氧化：Ag(NH₃)₂⁺OH^- (银镜反应) 或 H₂CrO₄

⑥ 酮的氧化裂解：1. KMnO₄、H₂O、NaOH、2. H₃O⁺

⑦ 【卤仿反应】(https://jb243.github.io/pages/1382): 1. X₂ / NaOH, 2. H₃O⁺

⑧【氰化物水解（RCN）】(https://jb243.github.io/pages/1380)

图 17. 氰化物水解

⑨ 【丙二酸或丙二酸酯的脱羧反应】(https://jb243.github.io/pages/1382)

⑩ 【格氏试剂】的碳酸化反应(https://jb243.github.io/pages/1401)

○ 格氏试剂用于醚类溶剂» ○ CO₂ 以干冰形式供应

图 18. 格氏试剂的碳酸化反应类型 类型 1

3。酰氯

⑴ 命名法

① 如果母链是环状的，则在环烷烃后面加上碳酰卤作为后缀命名。

② 对于链中的取代基，按字母顺序命名，后跟-oxo。

③ 对于环状化合物中的取代基，添加卤代羰基作为前缀并命名。

④ 系统命名（左）与通用命名（右）对比

○ 乙酰氯/乙酰氯

○ 3-甲基戊酰氯/β-甲基戊酰氯

⑵ 特点

① 酰氯具有很强的反应活性，能与空气中的水分发生反应。

② 酸度：H₃O⁺ ＜ HCl，碱度：H₂O ＞ Cl^-

⑶ 反应1. 亲核加成反应

① 反应1-1. 与羧酸盐反应：形成酸酐。 CH₃CO₂^-

② 反应1-2. 与醇反应生成酯

③ 反应1-3. 与胺反应生成酰胺

○ 由于上述反应不是一步一步进行的，添加少量的胺会导致一些胺进行后处理，从而导致存在三种不同的状态。

○ 一般情况下，使用超过2当量的胺：仅形成产物。

图19. 酰胺形成反应的机理

④ 反应1-4. 水解生成羧酸：H₃O⁺

⑤ 反应1-5. α卤化反应：HX, SOCl₂

⑷ 反应2. 还原反应

① 反应2-1. 与NaBH₄、LAH反应生成伯醇： 1. LiAlH₄, 2. H₃O⁺

② 反应2-2. 与LiAlH(O-t-Bu₃)₃反应生成醛： 1. LiAlH(OC(CH₃)₃)₃, 2. H₂O

③ 反应2-3. 罗森蒙德还原：H₂ / Pd、喹啉、BaSO₄

⑸ 反应3. 与有机金属试剂的反应

① 反应3-1. 与格氏试剂反应生成叔醇：1. 2 RMgX, 2. H₃O⁺

② 反应3-2. 与吉尔曼试剂反应生成酮：(Ph)₂CuLi、乙醚

⑹ 反应 4. 通过苯和傅克酰化形成酮

⑺ 反应5. 重排反应

① 反应 5-1. Curtius 重排

○ 酰基叠氮化物生成异氰酸酯和氮气的反应

○ 虽然与叠氮化物部分有关，但问题通常始于酰氯

○ 重要性：广泛用于胺合成

图20. Curtius重排机制（应用）

② 反应 5-2. 沃尔夫重排

○ Ag₂O + H₂O 形成 OH^-。 Δ 或 hν 促进 H 脱离

○ 醛和酮发生沃尔夫重排

○ 羧酸不会发生沃尔夫重排

○ （分子式） 酰氯 + 重氮甲烷 → 重氮酮 → 乙烯酮

○ 虽然与叠氮化物部分有关，但问题通常始于酰氯

图21. Wolff重排机制

③ 反应5-3. 用叔胺处理后形成乙烯酮

⑻ 合成方法

① 羧酸 + SOCl₂

图 22. 使用羧酸和 SOCl₂ 合成酰氯

② PCl₃

③ PCl₅

4。酸酐

⑴ 命名法

① 将羧酸中的“酸”去掉，加上“酸酐”，命名为酸酐。

② 对于环状化合物，在环烷烃上添加“羧酸酐”作为后缀。

③ 对于链中的取代基，使用烷酰氧基-或通名+氧基作为前缀。

④ 环状化合物中的取代基，使用烷酰基羰基或俗名+羰基作为前缀。

⑤ 对于环酸酐，在烷烃后加“链烷二酸酐”作为后缀：经常使用通用名称。

⑥ 系统命名（左）与通用命名（右）对比

○ 乙酸酐/乙酸酐、对称酸酐

○ 乙酸甲酸酐/乙酸甲酸酐、混合酸酐

⑵ 反应

① 反应1. 亲核加成反应

○ 1-1. 羧酸的形成：水解反应

图 23. 通过酸酐水解形成羧酸

○ 1-2. 酯形成反应：酸酐+醇或羧酸

图24. 酸酐的酯化反应

○ 1-3. 酰胺形成反应：酸酐+氨/亚胺+NaOH

图 25. 酰胺形成反应

○ 1-4. 环酐与氨生成酰亚胺：NH₃、H₂O、H₃O⁺

○ 1-5. 与醇反应生成酯：吡啶 / (CF₃CO)₂O, R’OH

② 反应2. 亲核芳香取代反应(S_NAr)

○ 2-1. 与芳香族化合物反应并硝化：在 HNO₃ 下发生

图 26. 呋喃和硝化

○ 2-2. 与芳香族化合物反应并进行傅克酰化生成酮：发生在 BF₃ 下

图 27. 呋喃经历 Friedel-Crafts 酰化

○ 2-3. 荧光素的合成：邻苯二甲酸酐+2×间苯二酚→荧光素（催化剂：ZnCl₂）

图 28. 荧光素合成

③ 反应3. 氧化反应

○ 与格氏、有机锂试剂反应生成仲、叔醇：1. 2RMgX, 2. H₃O⁺

○ 与NaBH₄、LAH反应生成甲基伯醇：1. LiAlH₄, 2. H₃O⁺

○ 【亚胺脱水反应】(https://jb243.github.io/pages/1386)：HRC=N-OH与酸酐反应生成R-C≡N

④ 无反应的情况

○ 用氯化钠处理时，酸酐不会转化为酰氯。

○ 不与SOCl₂反应» ○ 不与吉尔曼试剂发生反应

⑶ 合成方法

① 羧酸 + 热 / P₂O₅

图29. 酸酐合成

5。酯

⑴ 命名法

①系统命名：先列出O上的取代基，然后从羧酸命名中去掉-ic酸并添加-ate。

② 对于环状化合物，将羧酸盐加到环烷烃上。

③ 对于链上的取代基，命名为数字-烷氧基-数字-氧代。

④ 对于环状化合物中的取代基，使用烷氧基羰基作为前缀。

⑤ 系统命名（左）与通用命名（右）对比

○ 乙酸乙酯/乙酸乙酯

○ 丙酸苯酯/丙酸苯酯

○ 3-溴丁酸甲酯 / β-溴丁酸甲酯

⑥ 羧酸共轭碱的系统命名（左）和通用命名（右）

○ 甲醇钠/甲酸钠

○ 乙酸钾/醋酸钾

⑵ 反应1. 亲核加成反应

① 反应1-1. 酸催化水解反应：由于也可能发生逆反应，因此达到特定的平衡状态。

图30. 酯水解反应机理

② 反应1-2. 皂化反应：碱催化水解反应

○ 反应条件示例：1. NaOH, H₂O, 2. HCl, H₂O

○ 由于离去基团（即 OH^-）的浓度由 pH 决定，因此反应不会反向进行。

图31. 皂化反应机理

③ 反应1-3. 酯交换反应：在酸性和碱性条件下均可发生

图32. 酯交换反应

④ 反应1-4. 与胺形成酰胺的反应

图 33. 导致与胺形成酰胺的反应

⑤ 反应1-5. 以环酯为单体的聚合反应：开环反应反复发生

⑶ 反应2. 还原反应

① 反应2-1. 与LAH (LiAlH₄) 形成醇的反应

图 34. 与 LAH 形成醇的反应

② 反应2-2. NaBH₄还原反应

○ 亲电性低于醛和酮，因此酯不能被 NaBH₄ 完全还原。

○ 在低温下，酯只能还原为醛。

○ NaBH₄ 在 AlCl₃ 作用下只能还原酯类，一般不能还原羧酸。

图35. NaBH₄还原反应方程式

③ 反应2-3. 与DIBAL-H的还原反应 ([(CH₃)₂CHCH₂]₂AlH)

图 36. 使用 DIBAL-H 的还原反应

⑷ 反应3. 酸碱反应

① 概述

○ 酯的酸性低于醛和酮

○ 原因：酯的共轭碱基与酯的共振孤对电子竞争，阻碍共振稳定

② 反应3-1. 酯的α卤化：1. LDA、THF、2. Br₂

⑸ 反应4. 氧化反应

① 反应4-1. 与有机金属试剂的反应

○ 由于酯、酮、醇共存，使用足够的有机试剂以确保反应完全

○ 需要2当量的有机试剂才能完全反应，略超出实际用量

图 37. 添加格氏试剂的叔醇形成反应

⑹ 反应5. 脱羧反应：需要高温

图38. 酯脱羧反应

⑺ 反应6. 原酸酯的克莱森重排反应

图 39. 原酸酯的克莱森重排反应

⑻ 合成方法

① 使用重氮甲烷合成酯：H₂C-NeqN

② 羧酸盐S_N2烷基化反应合成

③【Baeyer-Villiger氧化】(https://jb243.github.io/pages/1377)

④【费歇尔酯化】(https://jb243.github.io/pages/1380)：酸催化酯化反应

⑤ 羧酸+分子内酯化→内酯（环酯）

⑥【聚酯合成】(https://jb243.github.io/pages/1399)

6.酰胺

⑴ 命名法

① 首先提及酰胺氮上的取代基

○N-环己基丙酰胺

○ N-乙基-_N_-甲基戊酰胺

○ N,N-二乙基丁酰胺

② C=O中的碳变成碳1，类似于羰基

③ 如果氮原子被烷基取代，则在取代基名称前加上 N-

④ 循环情况下，在环烷烃后添加甲酰胺

⑤ 作为取代基的链式情况，命名为数字-烷基氨基-数字-氧代

⑥ 循环情况下视为取代基，命名为烷基氨基甲酰基

⑦ 系统命名（左）与通用命名（右）的比较

○ 乙酰胺/乙酰胺

○ 4-氯丁酰胺/γ-氯丁酰胺

⑵ 性能

①伯酰胺和仲酰胺可通过分子间氢键形成二聚体

② 酰胺的沸点比羧酸高

⑶ 反应1. 酰胺水解反应

① 反应1-1. 酸催化酰胺水解反应

图 40. 酸催化酰胺水解反应

② 反应1-2. 碱催化酰胺水解反应

图 41. 碱催化的酰胺水解反应

③ 反应1-3. 与LiAlH4反应形成胺：需要2当量的LiAlH₄

图 42. 使用 LiAlH₄ 从酰胺形成胺的反应机理

⑷ 反应2. 其他反应

① 反应2-1. 氧化反应：不与格氏试剂反应

② 反应2-2. 以环酰胺为单体开环聚合反应

③ 反应2-3. 霍夫曼重排反应

○ 反应物为卤素气体，中间体有卤酰胺、异氰酸酯、氨基甲酸。

图 43. 霍夫曼重排反应

④ 反应2-4. Bischler-Napieralski反应：成环反应

图 44. Bischler-Napieralski 反应

⑤ 反应2-5. 鲁米诺反应

图 45. 鲁米诺反应

○ 组分1. 鲁米诺试剂：白色或黄色固体。疏水性的。与氧化剂混合时产生蓝光

○ 组分 2. 碱：氢氧化钠

○ 组分 3. 过氧化氢：提供氧气的氧化剂。 2H₂O₂ → O₂ + 2H₂O

○ 组分4. 催化剂：血红蛋白中的铁离子、K₃[Fe(CN)₆]、KIO₄等。

○ 用途1. 检测犯罪现场的血迹

○ 用途2. 实验室检测铜、铁、氰化物

⑸ 合成方法

① 来自羧酸：在EDC / NHS、DCC或DIC催化剂条件下进行

图 46. EDC/NHS 耦合

② 来自酰氯：需要2当量的胺（ ∵ 胺与离去基团反应）

③ 来自酸酐

④【Ritter反应】(https://jb243.github.io/pages/1380)：腈转化为酰胺

⑤ 来自胺

⑥【贝克曼重排】(https://jb243.github.io/pages/1386)

7.腈

⑴ 命名法

① 当腈具有最高优先级时，-CN的碳被标记为碳1

② 如果腈是环的一部分，命名为环烷甲腈

③ 如果腈是链或环上的取代基，则使用氰基前缀命名

④ 系统命名（左）与通用命名（右）的比较

○ 乙腈/乙腈、甲基氰

○ 5-甲基己腈/δ-甲基己腈、异己氰

○ 丙烯腈/丙烯腈

⑵ 反应1. 亲核加成反应

① 反应1-1. 酸催化水解：形成羧酸

图 47. 酸催化水解机制

② 反应1-2. 碱催化水解

③ 反应1-3. 里特反应

○ 腈转化为酰胺

○ Ph-CeqN + ROH + H₂SO₄, H₂O → Ph-CO-NH-R

⑶ 反应2. 加氢反应

① 反应 2-1. 通过 LAH 形成胺 (LiAlH₄)

图 48. 通过 LAH (LiAlH4) 形成胺

② 反应 2-2. 通过 DIBAL-H 形成醛

图 49. 通过 DIBAL-H 形成醛

③ 反应2-3. 使用雷尼镍催化剂进行氢化：雷尼镍起到温和缓和反应的作用，以防止氮气逸出。

图 50. 使用雷尼镍催化剂进行氢化

⑷ 反应3. 有机金属试剂反应

① 反应3-1. 通过添加格氏试剂形成酮

图 51. 添加格氏试剂形成酮

② 反应3-2. 添加有机锂试剂生成酮

③ Gilman试剂（R₂CuLi）不与羰基（C=O）和腈反应

⑸ 反应4. 叠氮-炔环加成

① 也称为点击化学，由 K. Barry Sharpless 于 1998 年开始讨论

② 反应4-1. 1,3-偶极叠氮-炔环加成

○ 100℃以上。小时-天。热催化缀合反应

○ R₂、R₃为吸电子基团时反应迅速

图 52. 1,3-偶极环加成

○ 应用1.叠氮化物+环辛炔

图 53. 叠氮化物和环辛炔的环加成

○ 应用2. 四嗪+反式环辛烯

图 54. 四嗪和_反式_-环辛烯的环加成

③ 反应4-2. CuAAC（铜催化叠氮化物-炔环加成）

图 55. CuAAC 反应

④ 反应4-3. RuAAC（钌催化的叠氮化物-炔环加成）

图 56. RuAAC 反应

⑤ 反应 4-4. SPAAC（无铜染色促进的叠氮-炔环加成）

○ 最近引进的技术

○ 适用于生物分子等软分子的加成反应方法

⑹ 合成方法

① NaCN与R-X通过[S_N2]反应(https://jb243.github.io/pages/1361)

② [Sandmeyer反应]中CuCN处理Ar-N₂(https://jb243.github.io/pages/1370)

③醛、酮与NaCN的反应反应：CN^-攻击羰基碳

④ 酰胺脱水反应：使用脱水试剂P₄O₁₀、(CH₃CO)₂O、SOCl₂、POCl₃转化为腈

输入：2019.02.28 23:13

修改: 2022.02.02 19:28