第十四章β-二羰基化合物

第十四章

β-二羰基化合物2/4/20231教學(xué)要求：1.了解β-二羰基化合物的含義。2.熟悉乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯的合成方法。3.熟悉乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯的性質(zhì)。4.掌握乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯在有機(jī)合成中的具體應(yīng)用。2/4/20232本章內(nèi)容一、羰基酸二、丙二酸二乙酯的特性及其在有機(jī)合成中的應(yīng)用三、乙酰乙酸乙酯的特性及其在有機(jī)合成中的應(yīng)用四、麥克爾反應(yīng)習(xí)題答案課堂設(shè)問2/4/20233一、羰基酸由于分子中存在兩個(gè)羰基，又稱為二羰基化合物。羰基酸是指在脂肪羧酸中碳鏈上含有羰基的化合物。羰基在碳鏈一端的是醛酸，在碳鏈當(dāng)中的是酮酸，

例如：2/4/20234

系統(tǒng)命名時(shí)是取含羰基和羧基的最長(zhǎng)碳鏈，叫做某醛酸或某酮酸。命名羰基酸時(shí)，需注明羰基的位置，用“氧代”或“羰基”表示酮基，醛基有時(shí)以“甲?；北硎?。酮酸常根據(jù)羰基和羧基的距離分為α-酮酸(如丙酮酸)、β-酮酸(如乙酰乙酸)、γ-酮酸等。習(xí)題1丙醛酸丙酮酸3-丁酮酸3-氧代丙酸2-氧代丙酸3-氧代丁酸3-羰基丙酸2-羰基丙酸3-羰基丁酸甲酰乙酸乙酰甲酸乙酰乙酸1.羰基酸的命名2/4/20235（1）乙醛酸

乙醛酸是最簡(jiǎn)單的醛酸，存在于未成熟的水果和嫩葉中，無水乙醛酸為熔點(diǎn)98℃的結(jié)晶，在空氣中極易吸水而呈糖漿狀。由于羧基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，羰基能和一分子水生成結(jié)晶狀水合乙醛酸[HOOC-CH(OH)2]。乙醛酸易溶于水，有醛和羧酸的典型反應(yīng)性能，并能進(jìn)行康尼查羅反應(yīng)。2/4/20236（2）丙酮酸丙酮酸是最簡(jiǎn)單的α-酮酸。乳酸氧化可得丙酮酸。也可由酒石酸失水、失羧制得，所以丙酮酸也叫焦酒石酸。酒石酸草酰乙酸烯醇式草酰乙酸丙酮酸2/4/20237

α-酮酸分子中，羰基與羧基直接相連，由于氧原子較強(qiáng)的電負(fù)性，使得羰基與羧基碳原子間的電子密度較低，因而此碳-碳鍵容易斷裂，在一定的條件下，丙酮酸可以脫羧或脫去一氧化碳(脫羰)，分別形成乙醛或乙酸。

酮和羧酸都不易被氧化，但丙酮酸卻極易被氧化，弱氧化劑如兩價(jià)鐵與過氧化氫就能把丙酮酸氧化成乙酸，并放出二氧化碳。2/4/20238（3）乙酰乙酸

乙酰乙酸是β-酮酸的典型代表，它是機(jī)體內(nèi)脂肪代謝的中間產(chǎn)物。乙酰乙酸只在低溫下穩(wěn)定，在室溫以上即易失羧而成丙酮。這是β-酮酸的共性。

乙酰乙酸的酯是穩(wěn)定的化合物，在有機(jī)合成中是十分重要的物質(zhì)。一般常用的是乙酰乙酸的乙酯。乙酰乙酸乙酯：2/4/20239①乙酰乙酸乙酯的分解反應(yīng)

乙酰乙酸乙酯分子中羰基與酯基中間的亞甲基碳原子上電子密度較低，因此亞甲基與相鄰的兩個(gè)碳原子之間的鍵容易斷裂，在不同反應(yīng)條件下，能發(fā)生以下兩種不同類型的分解反應(yīng)。

(a)成酮分解：在稀酸的作用下(或先用稀堿處理，然后再酸化)，乙酰乙酸乙酯可以分解為丙酮，并放出二氧化碳，這叫做成酮分解或酮式分解。2/4/202310

顯然，在稀酸或稀堿作用下，乙酰乙酸乙酯首先水解為乙酰乙酸(或其鹽)及乙醇，乙酰乙酸便失羧而成酮：2/4/202311

(b)成酸分解：

在濃堿作用下，乙酰乙酸乙酯在α-與β-碳原子間發(fā)生鍵的斷裂，生成兩分子酸，所以叫做成酸分解或酸式分解。所有的β-酮酸酯都可以進(jìn)行以上兩種分解反應(yīng)，因此乙酰乙酸乙酯在有機(jī)合成中具有重要應(yīng)用。2/4/202312②互變異構(gòu)現(xiàn)象

乙酰乙酸乙酯除具有酮的典型反應(yīng)外，還能與三氯化鐵水溶液發(fā)生顏色反應(yīng)；使溴水退色；與金屬鈉作用放出氫。后三個(gè)反應(yīng)是無法用前面所寫的結(jié)構(gòu)式解釋的。乙酰乙酸乙酯的酮式和烯醇式異構(gòu)體呈動(dòng)態(tài)平衡存在。在室溫下，彼此互變的速度極快，不能將二者分離。這種同分異構(gòu)體間以一定比例平衡存在，兩種異構(gòu)體之間存在的動(dòng)態(tài)平衡現(xiàn)象，并能相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象叫做互變異構(gòu)現(xiàn)象。酮式烯醇式2/4/202313

互變異構(gòu)是官能團(tuán)異構(gòu)的一種特殊表現(xiàn)形式，它屬于構(gòu)造異構(gòu)。然而，在一般情況下，2.4-戊二酮中含有76％的烯醇式。由此可以看出，化合物的烯醇式含量與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。

又如：

酮式-烯醇式互變異構(gòu)現(xiàn)象在有機(jī)化學(xué)中普遍存在，凡C=O鍵α-C上具有H的化合物都可發(fā)生。烯醇式在平衡混合物中的含量因化合物的結(jié)構(gòu)不同差別較大。2/4/202314烯醇式含量的多少判斷：

主要以亞甲基的氫原子越活潑性為標(biāo)準(zhǔn)，即α-H的酸性越大（pKa值越小），其烯醇式含量越高，即亞甲基碳原子所連的吸電基越強(qiáng)越多，烯醇式含量越高。習(xí)題3,4烯醇式酮式2/4/202315

③β-二羰基化合物碳負(fù)離子的反應(yīng)由共振結(jié)構(gòu)式可以看出，碳負(fù)離子都具有帶部分負(fù)電荷的碳原子或氧原子，都具有親核性能，因此在碳原子和氧原子上都有可能發(fā)生親核反應(yīng)，如下列簡(jiǎn)式所示

但反應(yīng)主要發(fā)生在親核的碳原子上，所以在一般情況下得到的主要是碳原子上的烷基化或酰基化產(chǎn)物，也有少量氧原子上的烷基化或?；a(chǎn)物生成。2/4/202316常見的β-二羰基化合物碳負(fù)離子的反應(yīng)有下列幾種：a.碳負(fù)離子和鹵烷的反應(yīng)，即羰基α-碳原子的烷基化或烴基化反應(yīng)（見14.3）。b.碳負(fù)離子和羰基化合物的反應(yīng)，也常稱為羰基化合物和β-二羰基化合物的縮合反應(yīng)（見14.4）。當(dāng)與酰鹵或酸酐作用時(shí)可得?；a(chǎn)物（見14.5）。c.碳負(fù)離子和α、β-不飽和羰基化合物的共軛加成反應(yīng)或1,4-加成反應(yīng)（麥克爾反應(yīng)）（見14.6）。

通過這些反應(yīng)都形成了新的碳碳鍵。它們?cè)谟袡C(jī)合成中都是很重要的反應(yīng)，有著非常廣泛的應(yīng)用。2/4/202317

二、丙二酸二乙酯的特性及其在有機(jī)合成中的應(yīng)用

（1）丙二酸二乙酯的制備丙二酸二乙酯可用氯乙酸的鈉鹽制備，它具有一定的香味，無色液體。它在有機(jī)合成中應(yīng)用較廣。2/4/202318

（2）丙二酸二乙酯的性質(zhì)在丙二酸二乙酯分子中，α-氫原子受兩個(gè)酯基的吸電誘導(dǎo)效應(yīng)和超共軛效應(yīng)的影響，變得很活潑，具有微弱的酸性（pKa＝13.3），能與強(qiáng)堿（如乙醇鈉）作用，生成丙二酸二乙酯的鈉鹽：

丙二酸二乙酯鈉鹽分子中的α-碳原子帶有負(fù)電荷，它是一種碳負(fù)離子，具有親核性，能與鹵代烴發(fā)生親核取代反應(yīng)，生成α-烴基丙二酸二乙酯：

2/4/202319α-烴基丙二酸二乙酯

生成的α-烴基丙二酸二乙酯再進(jìn)行水解，即得一取代丙二酸，后者經(jīng)加熱脫羧生成一取代乙酸。如果一取代丙二酸二乙酯再依次與醇鈉、鹵代烴作用，然后水解、脫羧則可以得到二取代乙酸。

一取代乙酸二取代乙酸問題12/4/202320

習(xí)題2一取代乙酸二取代乙酸2/4/202321

通過以上討論可以看出，利用丙二酸二乙酯可以合成下列兩種類型的取代乙酸：（3）丙二酸二乙酯合成中的應(yīng)用一取代乙酸二取代乙酸利用丙二酸二乙酯合成取代乙酸和其他羧酸的方法，稱為丙二酸酯合成法。丙二酸二乙酯是合成取代乙酸等的常用試劑，

合成取代乙酸關(guān)鍵：是分析合成羧酸是乙酸的一取代產(chǎn)物還是二取代產(chǎn)物。2/4/202322

①合成一取代乙酸由丙二酸二乙酯合成3-甲基戊酸。從3-甲基戊酸的構(gòu)造式可以看出，它是一個(gè)仲丁基取代的一取代乙酸。因此，用丙二酸二乙酯合成3-甲基戊酸時(shí)，需采用仲丁基溴作為烷基化試劑。反應(yīng)式如下：仲丁基丙二酸二乙酯3-甲基戊酸2/4/202323

②合成二取代乙酸由丙二酸二乙酯合成2-甲基庚酸。從2-甲基庚酸的構(gòu)造式可以看出，它是由正戊基和甲基取代的二取代乙酸。因此，合成2-甲基庚酸時(shí)，需分別采用正戊基溴和甲基碘作為烷基化試劑，分兩次引入。當(dāng)兩個(gè)烴基不同時(shí)，一般先引入較大基團(tuán)（空間效應(yīng)）。

正戊基丙二酸二乙酯α-甲基-α-戊基丙二酸二乙酯(80%)2-甲基庚酸(99%)2/4/202324

③合成開鏈二元羧酸丙二酸二乙酯的也可用來制備開鏈二元羧酸。如丁二酸、己二酸等或用下列方法：2/4/202325見p3522/4/202326己二酸合成：2/4/202327

④合成環(huán)狀二元羧酸用二鹵化物與丙二酸酯可以合成酯環(huán)化合物：三元、四元、五元、六元脂環(huán)烷羧酸。2/4/202328乙酸結(jié)構(gòu)乙酸結(jié)構(gòu)2/4/202329⑤丙二酸二乙酯的?；岫阴サ孽；Ｓ面V代替鉀、鈉。反應(yīng)在非質(zhì)子溶劑（如苯、乙醚）中進(jìn)行。這是因?yàn)橐掖兼V和活潑亞甲基化合物形成的鹽都可溶于這些溶劑中。

例如：酰基化丙二酸二乙酯具有更活潑的α-H，且是一個(gè)增C的反應(yīng)。通過這個(gè)轉(zhuǎn)換可制備酮類、醇類、烯烴等。2/4/202330合成下列化合物（其他原料任選）：?jiǎn)栴}21.6.4.2.7.3.5.2/4/202331三、乙酰乙酸乙酯在有機(jī)合成中的應(yīng)用

凡是α-碳上有氫原子的酯，在乙醇鈉或其他堿性催化劑（如氨基鈉）存在下，都能進(jìn)行克萊森（酯）縮合反應(yīng)?？偨Y(jié)果是一個(gè)碳負(fù)離子的?；闪艘粋€(gè)β-二羰基化合物。

1.乙酰乙酸乙酯的合成兩分子乙酸乙酯在乙醇鈉作用下，發(fā)生縮合反應(yīng)，脫去一分子乙醇，生成乙酰乙酸乙酯（β-丁酮酸酯）。這個(gè)反應(yīng)叫克萊森（L.Claisen）（酯）縮合反應(yīng)。2/4/2023322.乙酰乙酸乙酯的特性

與丙二酸二乙酯相似，在乙酰乙酸乙酯分子中，α-氫原子同樣受到兩個(gè)羰基的吸電子效應(yīng)的影響，因此，其α-氫原子比在丙二酸二乙酯中的α-氫原子還要活潑些，所顯示出的弱酸性（pKa＝11）也略強(qiáng)一些，與醇鈉等強(qiáng)堿作用時(shí)，生成乙酰乙酸乙酯的鈉鹽。此鈉鹽與鹵烷作用，生成烷基取代的乙酰乙酸乙酯：2/4/202333①烷基取代乙酰乙酸乙酯酮式分解一步反應(yīng)式寫法：一取代丙酮2/4/202334一步反應(yīng)式寫法：二取代丙酮2/4/202335取代乙酰乙酸乙酯與濃的氫氧化鈉共熱，則在α-和β-碳原子之間發(fā)生斷裂，生成取代乙酸。這種分解方式稱為酸式分解。

②烷基取代乙酰乙酸乙酯酸式分解二取代乙酸二取代乙酸2/4/202336

通過上述討論可以看出，利用乙酰乙酸乙酯可以合成下列兩種類型的取代丙酮：也可以合成下列兩種類型的取代乙酸：

利用乙酰乙酸乙酯合成取代丙酮等化合物的方法，稱為乙酰乙酸乙酯合成法。乙酰乙酸乙酯是合成取代丙酮等常用的試劑。2/4/2023373.乙酰乙酸乙酯應(yīng)用舉例①合成一取代丙酮例1：由乙酰乙酸乙酯合成2-庚酮。值得注意，在合成取代丙酮時(shí)，由于所用RX不一定是鹵代烴，也可以是其他鹵化物（如鹵代酮、鹵代酸酯、酰鹵等），因此所合成的產(chǎn)物是多樣的，但從結(jié)構(gòu)上分析，應(yīng)屬于取代丙酮。2/4/202338例2：合成2,5-己二酮。例3：合成2,4-己二酮。2/4/202339②合成二取代丙酮例4：由乙酰乙酸乙酯合成3-甲基-2-己酮。例5：合成2,5-庚二酮。2/4/202340③合成取代乙酸

與合成取代丙酮相似，首先合成取代乙酰乙酸乙酯，不同之處是進(jìn)行酸式分解。

例6：

合成取代乙酸一般采用丙二酸二乙酯合成法，而乙酰乙酸乙酯合成法只在某些情況下采用。2/4/202341

④合成二酮、酮酸乙酰乙酸乙酯的碳負(fù)離子與酰鹵、鹵代酮作用，發(fā)生碳負(fù)離子在酰鹵基上個(gè)的親核加成-消除反應(yīng)，得到?；a(chǎn)物，再進(jìn)行酮式或酸式分解得到二酮或酮酸。酮式分解酸式分解例7：2/4/202342酸式分解酮式分解2/4/202343

④合成二元羧酸乙酰乙酸乙酯的碳負(fù)離子與鹵代酸作用，得到二元羧酸酯產(chǎn)物，再進(jìn)行酸式分解得到二元羧酸。酸式分解問題3問題42/4/202344丙二酸二乙酯和乙酰乙酸乙酯

化學(xué)性質(zhì)小結(jié)1.丙二酸二乙酯性質(zhì)2/4/2023452.乙酰乙酸乙酯性質(zhì)2/4/202346

四、碳負(fù)離子和α,β-不飽和羰基化合物的共軛加成—麥克爾反應(yīng)

由β-二羰基化合物和堿作用生成的穩(wěn)定的碳負(fù)離子，可以和α,β-不飽和羰基化合物發(fā)生加成反應(yīng)，反應(yīng)的結(jié)果總是碳負(fù)離子加到α,β-不飽和羰基化合物的β-碳原子上，而α-碳原子上則加上一個(gè)H離子。

例如：2/4/2023472/4/202348

上述的加成反應(yīng)又叫做共軛加成或1,4-加成。因?yàn)樗姆磻?yīng)歷程是α,β-不飽和羰基化合物的共軛體系中發(fā)生了碳負(fù)離子對(duì)它的l,4-加成。碳負(fù)離子先加在β-碳原子上（1位），使4位上的氧原子得到更多的負(fù)電荷，氫離子就加到4位上。但這樣得到的的烯醇式又轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的酮式，使加上去的H又轉(zhuǎn)移到了α碳原子上。所以最后結(jié)果只是碳碳雙鍵上的加成。活潑亞甲基化合物和α,β-不飽和羰基化合物的共軛加成是由麥克爾（A.Michael）首先發(fā)現(xiàn)的，因此這種反應(yīng)又叫做麥克爾反應(yīng)。2/4/202349反應(yīng)歷程如下式：2/4/202350麥克爾反應(yīng)得到的共軛加成產(chǎn)物經(jīng)水解和加熱脫羧，最后都得到1,5-二羰基化合物。

例如：2/4/202351

麥克爾反應(yīng)在有機(jī)合成中應(yīng)用很廣，是制取1,5-二羰基化合物最好的方法。各種不同的α,β-不飽和羰基化合物（醛、酮、酯、腈、酰胺，甚至α,β-不飽和的硝基化合物）都可與β-二羰基化合物的烯醇離子進(jìn)行共軛加成。習(xí)題72/4/202352

例1.以甲醇、乙醇為主要原料，用丙二酸酯法合成α-甲基丁酸。解：由目標(biāo)分子，推測(cè)所需原料．合成路線：2/4/202353

例2.以乙醇及無機(jī)試劑為原料，經(jīng)乙酰乙酸乙酯合成2-7-辛二酮。首先由目標(biāo)分子推測(cè)所需基本原料：2/4/202354合成路線：2/4/202355課堂設(shè)問12342/4/202356問題14-1根據(jù)丙二酸二乙酯與鹵烷的反應(yīng)實(shí)質(zhì)，說明伯、仲、叔三種鹵烷是否都適用，為什么？答：伯鹵代烷最佳，叔鹵代烷不適用。因?yàn)楸岫阴ヘ?fù)離子是強(qiáng)堿，叔鹵代烷易發(fā)生消除反應(yīng)。2/4/202357

問題14-2由丙二酸二乙酯合成下列化合物（其他原料任選）：2/4/2023582/4/202359問題14-3以乙酰乙酸乙酯為主要原料合成下列化合物：（1）3-甲基-2-戊酮（2）4-甲基-2-戊酮2/4/202360

問題14-4下列化合物能否用乙酸乙酸乙酯合成？為什么？（1）2-庚酮（2）4-庚酮（3）3-庚酮（4）CH3COCH2C(CH3)3（5）(CH3)3CCOOH（6）(CH3)3CCH2COOH

答：乙酸乙酸乙酯可合成一取代和二取代丙酮以及一取代和二取代乙酸。（l）2-庚酮CH3CO(CH2)4CH3是一取代丙酮，故可以用乙酰乙酸乙酯合成法合成。（2）、（3）的4-庚酮、3-庚酮不是取代丙酮，故不能用乙酰乙酸乙酯合成法合成。2/4/202361

（4）CH3COCH2C(CH3)3是叔丁基取代丙酮，用乙酰乙酸乙酯合成法合成時(shí)，需用(CH3)3CX與乙酰乙酸乙酯碳負(fù)離子反應(yīng)，后者是強(qiáng)堿，(CH3)3CX遇強(qiáng)堿則脫鹵化氫生成烯烴，故不能。（5）(CH3)3CCOOH不是一取代或二取代乙酸，故不能。（6）同（4），不能。2/4/202362習(xí)題及解答16789210345112/4/2023631.命名下列化合物。α,α-二甲基丙二酸2-乙基-3-丁酮酸乙酯氯甲酰乙酸3-丁酮醛2/4/2023642.寫出了列化合物加熱后生成的主要產(chǎn)物2/4/2023653．試用化學(xué)方法區(qū)別下列各組化合物

加FeCl3溶液，前者有α-H可發(fā)生顯色反應(yīng)，后者無α-H不發(fā)生顯色反應(yīng)。

加FeCl3溶液，前者可發(fā)生顯色反應(yīng)，后者不發(fā)生顯色反應(yīng)。2/4/202