高等有機(jī)化工工藝學(xué)9羧酸的合成.ppt

1、第九章羧酸的合成,第一節(jié) 氧化反應(yīng)制備羧酸,羧酸具有較高的氧化態(tài)。因此，多種有機(jī)化合物如不飽和烴、醇、碳基化合物等均可氧化成羧酸,一、伯醇及醛的氧化 （自學(xué),醇和醛可直接氧化成羧酸，它是合成羧酸的重要方法之一。氧化伯醇及醛成羧酸，可采用催化氧化法或化學(xué)試劑氧化法。 催化氧化法中，鉑、鈀等貴金屬是常用的催化劑。水溶性的醇進(jìn)行催化氧化時(shí)，水是良好的溶劑；而不溶于水的醇氧化時(shí)，可采用苯或烷烴為溶劑。催化氧化法的優(yōu)點(diǎn)是無環(huán)境污染，有些情況下，有良好的選擇性，適宜于多官能團(tuán)化合物的選擇性氧化，廣泛用于糖類、甾族化合物中的有關(guān)合成,在化學(xué)試劑氧化法中，有許多氧化劑可供選擇。在酸性、堿性或中性溶液中高錳酸鉀

2、是氧化醇或醛成羧酸的常用試劑,用重鉻酸鉀硫酸溶液氧化伯醇時(shí)，往往伴隨有生成酯的副反應(yīng)，但是三氧化鉻的硫酸溶液(Jones試劑)卻是性能溫和、選擇性好的氧化醇成羧酸的優(yōu)良試劑。在反應(yīng)過程中，分子中若存在碳碳雙鍵、叁鍵，均不會(huì)受到影響。 次氯酸鈉及亞氯酸鈉亦能有效地氧化伯醇成羧酸，此時(shí)分子中存在的仲羥基不受影響。 過氧化物能使醛氧化成羧酸。過氧化氫水溶液是這一轉(zhuǎn)變的良好試劑。它既能氧化脂肪醛、 ，-不飽和醛，又能氧化芳醛或雜芳醛成相應(yīng)的羧酸,二、 烯、炔烴的氧化 （自學(xué),三、 芳烴的側(cè)鏈氧化,芳烴的側(cè)鏈氧化不僅是合成芳酸的常用方法，而且可用于確定取代芳烴中烴基取代的位置。高錳酸鉀、重鉻酸鈉(鉀)和

3、硝酸均為常用的氧化劑,烷基苯氧化時(shí)，首先發(fā)生在芐基的碳原子上，生成苯甲酸，但若用重鉻酸鈉的水溶液在高溫、高壓下可使直鏈烷基苯以良好的產(chǎn)率生成末端碳被氧化的羧酸。如乙苯氧化成苯乙酸,一般而言，仲烴基支鏈比伯烴基容易氧化，因此，可以采用適合的條件，使仲烴基支鏈選擇性氧化。 對-甲基異丙基苯與稀硝酸共熱，異丙基優(yōu)先被氧化,由于酚對氧化劑甚為敏感，因此，烷基取代的酚氧化時(shí)。一般須將酚的羥基先行保護(hù)然而，采用二氧化鉛作氧化劑時(shí)，多種甲基酚可直接氧化成酚酸,在三氯化釕催化下，次氯酸鈉能氧化芳烴側(cè)鏈成相應(yīng)的羧醛，如對氯苯甲酸的合成,98,烷基苯的液相催化氧化是工業(yè)上合成芳香酸的重要方法。乙酸鈷、乙酸錳及乙酸

4、鉛是有效的催化劑。 在乙酸鉆催化下，對二甲苯被空氣氧化成對苯二甲酸,在乙酸鉆催化下，對甲基異丙基苯氧化時(shí)，與化學(xué)試劑氧化法相反，甲 基優(yōu)先被選擇性地氧化,四、醛分子間的氧化還原(Cannizzaro 反應(yīng)) （自學(xué),五、環(huán)酮的裂解氧化,脂酮的裂解氧化一般不作為羧酸的制備方法，但某些環(huán)酮的氧化卻是制備羧酸的一種方法。 在五氧化二釩的催化下，環(huán)己酮與濃硝酸反應(yīng)，生成己二酸,六、甲基酮的鹵仿反應(yīng),甲基酮通過-鹵代生成三鹵代酮，繼而堿性水解，生成羧酸。本法是將乙?；D(zhuǎn)化成羧酸的有效方法。常用的試劑有鹵素-氫氧化鈉，次鹵酸鈉水溶液等。若甲基酮不溶于水，反應(yīng)時(shí)必須強(qiáng)烈攪拌，亦可加入少量的乳化劑或共溶劑,具

5、有兩個(gè)-氫的酮亦可發(fā)生類似的反應(yīng)，它的過程是,若要保持芳環(huán)的烴基側(cè)鏈不被氧化，則可用碘、吡啶及堿作為試劑,第二節(jié) 水解反應(yīng),一、酰鹵和酸酐的水解,雖然酰鹵、酸酐甚易水解，高產(chǎn)率地生成羧酸，但是酰鹵、酸酐通常要由羧酸來制備，因此，本法的應(yīng)用并不普遍，只適用于那些酞鹵、酸酐比相應(yīng)的羧酸更易獲得的場合,89,二、酯的水解,在堿性或酸性催化劑存在下，酯發(fā)生水解反應(yīng)生成酸及醇。 若在過量的堿存在下，生成的酸立即轉(zhuǎn)變成鹽，使酯全部水解，因此酯的堿性水解法的應(yīng)用更為普遍。通常是將醇與氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液或醇溶液共熱即可水解，再經(jīng)酸化生成羧酸。 由于酯廣泛存在于自然界中，以及形成酯通常作為羧基的保護(hù)方法，

6、因此酯的水解是形成羧酸的重要方法,二氫香豆素可由水楊醛與乙酸鈉及乙酸酐發(fā)生Perkin反應(yīng)，繼而還原而得。它與40氫氧化鈉水溶液加熱回流，即生成鄰羧基氫化肉桂酸,內(nèi)酯在鹵化氫作用下，水解開環(huán)，是合成-鹵代酸的一種方法,三、酰胺的水解,酰胺的堿性水解，常用的試劑是氫氧化鈉(鉀)的醇溶液或水溶液。（自學(xué),四、腈的水解,由于腈是甚易獲得的原料，因此，腈的水解法廣泛用于羧酸的合成。 例如鹵代烴甚易轉(zhuǎn)變成腈。生成的腈可不需析離直接水解，整個(gè)過程是由鹵代烴合成增加一個(gè)碳原于羧酸的方法。 芳鹵在二甲基甲酰胺中與氰化亞銅反應(yīng)，可以高產(chǎn)率的生成芳腈，芳腈的水解可以合成芳酸。 腈的水解即可在堿性介質(zhì)中進(jìn)行，亦可在

7、酸性介質(zhì)中進(jìn)行。氫氧化鈉、氫氧化鉀的水溶液或醇溶解、硫酸、鹽酸等均為常用的試劑,五、三鹵化物的水解,脂肪族三鹵化物可由烯烴與四氯化碳或三氯溴甲烷進(jìn)行調(diào)聚反應(yīng)制得。它們進(jìn)一步水解是合成脂肪族羧酸的良好方法,在過氧化苯甲酰催化下，1，5-環(huán)辛二烯與氯仿反應(yīng)，生成2-三氯甲基雙環(huán)3.3.0辛烷，繼而用85的磷酸水解，生成雙環(huán)3.3.0辛烷-2-羧酸,在Friedel-Crafts反應(yīng)條件下，芳烴與三氯乙醛反應(yīng)可得1-芳基三氯乙醇，由它可合成多種-取代芳基乙酸,芳基三氯甲烷易由甲基取代的芳烴經(jīng)光氯代制得，它的水解是合成芳酸的有效方法,第三節(jié) 羧化及羰化反應(yīng),一、有機(jī)金屑化合物與二氧化碳的羧化,有機(jī)金屬

8、化合物的羧化反應(yīng)是鹵化物轉(zhuǎn)變成增加一個(gè)碳原子羧酸的有效方法。有機(jī)鎂試劑是常用的有機(jī)金屬，但近年來有機(jī)鋰試劑的應(yīng)用日漸廣泛,二、芳烴的直接羧化(FriedelCrafts反應(yīng),在三氯化鋁催化下，1，3，5三甲苯與草酰氯于10一15反應(yīng)，以良好產(chǎn)率生成2，4，6三甲基苯甲酸。此法適用于多種烴基取代的芳酸的合成,三、酚或芳酸與二氧化碳的羧化 (Kolbe反應(yīng)、Henkel反應(yīng),酚比芳烴易于發(fā)生親電取代反應(yīng)，甚至二氧化碳亦可與酚鈉進(jìn)行親電取代反應(yīng)，結(jié)果是芳環(huán)上導(dǎo)人羧酸，是酚酸的重要合成法。反應(yīng)若在較低的溫度下進(jìn)行，則優(yōu)先形成鄰位異構(gòu)產(chǎn)物；若在較高的溫度下反應(yīng)，發(fā)生羧基的轉(zhuǎn)移，則幾乎全部生成對位異構(gòu)的產(chǎn)

9、物。酚的羧化反應(yīng)被稱為Kolbe反應(yīng),在鎘或鋅催化下，鄰苯二甲酸鉀于400一420加熱，發(fā)生羧基轉(zhuǎn)移生成對苯二甲酸，其他二元芳酸如1，8二萘甲酸，2，2聯(lián)苯二甲酸等亦可發(fā)生類似反應(yīng)。這一反應(yīng)是工業(yè)上合成對苯二甲酸的重要方法，稱為Henkel 法,五、鹵代烴與一氧化碳的羰化,在過渡金屬催化下，鹵代烴可與一氧化碳進(jìn)行羰化反應(yīng)，生成羧酸。常用的催化劑為羰基鎳、羰基鈷、碳基鐵以及鈀等。鹵代烴的活性為RIRBrRCl。 在四碳基鎳及氫氧化鈣催化下，鄰甲氧基溴代苯在二甲基甲酰胺中與1atm的一氧化碳于110一120反應(yīng)，生成鄰甲氧基苯甲酸,在八羰基二鈷的催化下，轉(zhuǎn)化鹵代烴成羧酸,三氟甲磺酸酯是比鹵代烴更活

10、潑的一種易發(fā)生羰化的起始原料，借以方便地轉(zhuǎn)化成羧酸,六、醇與一氧化碳的羰化,醇進(jìn)行羰化反應(yīng)，亦是合成增加一個(gè)碳原子羧酸的實(shí)用方法。常用的羰化試劑為一氧化碳、甲酸等。 在碳酸鎳存在下，醇與一氧化碳反應(yīng)可合成羧酸，但需要較高的溫度和壓力。 若在催化量的氧化亞銅存在下，醇在98的硫酸中與一氧化碳在室溫、常壓下既能順利發(fā)生羰化反應(yīng)，生成叔烷基取代的甲酸。 反應(yīng)過程中氧化亞酮與一氧化碳在濃硫酸中形成不穩(wěn)定的三羰基酮，它是醇進(jìn)行羰化的有效催化劑。醇在濃硫酸存在下首先形成碳正離子，繼而在三碳基銅的催化下與一氧化碳發(fā)生羰化反應(yīng)生成羧酸,由于反應(yīng)通過碳正離子中間體進(jìn)行的，因此反應(yīng)過程會(huì)發(fā)生碳鏈重排，伯、仲、叔醇

11、反應(yīng)時(shí)均生成叔烷基取代的甲酸,烯烴與濃硫酸加成亦可形成碳正離中間體，因此，烯烴亦能發(fā)生上述類似的反應(yīng)，生成羧酸,2甲基環(huán)己醇在96硫酸中與甲酸反應(yīng)，高產(chǎn)率地生成1-甲基環(huán)己烷羧酸,七、叔烷烴的羰化(KochHaff反應(yīng),叔丁醇與濃硫酸作用形成碳正離子。它可奪取叔烷烴(R3CH)的氫，產(chǎn)生新的叔碳正離子，然后與由甲酸形成的一氧化碳進(jìn)行羰化，生成羧酸。 金剛烷、甲酸、叔丁醇和96硫酸在四氯化碳中于1725反應(yīng)，生成金剛烷1羧酸,八、烯烴的氫羧基化(Reppe反應(yīng),在過渡金屑鎳、鈷、鈀等催化下，烯烴與一氧化碳、水發(fā)生氫羧基化反應(yīng)，生成羧酸，本合成法是由烯烴合成羧酸的重要工業(yè)方法,第四節(jié) 烴化反應(yīng)、酰

12、化反應(yīng)、縮合反應(yīng)和重排反應(yīng),一、烴化反應(yīng),1、芳烴的烴化(Friede-Crafts反應(yīng),56,在三氯化鋁存在下，苯與-內(nèi)酯或-內(nèi)酯反應(yīng)時(shí)，烴化反應(yīng)比?；磻?yīng)優(yōu)先發(fā)生，生成-苯基取代的羧酸。有時(shí)，利用本法合成某些取代羧團(tuán)時(shí)，要比采用芳烴與二元酸酐或二元酸酰鹵進(jìn)行?；龠€原的路線較簡便。 如苯基丁酸的合成,2、1,1-二氯乙烯的烴化 (Bott反應(yīng),鹵代徑、醇或烯在80一90的硫酸中能與1，1二氯乙烯反應(yīng)，繼而水解，提供了種增加兩個(gè)碳原子的羧酸的合成方法。反應(yīng)過程是鹵代烴、醇或烯首先形成碳正離子，進(jìn)步再與1，1二氯乙烯進(jìn)行親電加成,由于反應(yīng)首先形成碳正離子，因此易子形成碳正離子的化合物如叔醇、

13、叔鹵代烴、芐鹵、叔醇形成的酯、多取代烯烴等進(jìn)行上述反應(yīng)，均能獲得較為滿意的產(chǎn)率,80,X = Cl, OH,3、烯烴與羧酸的光加成,光催化下，-鹵代酸可與烯烴發(fā)生加成生成羧酸。本法是以烯烴為原料合成增加兩個(gè)碳原子羧酸的簡便方法。反應(yīng)按自由基歷程進(jìn)行,在過氧化物存在下，烯烴可直接與羧酸加成生成羧酸，反應(yīng)亦按自由基歷程進(jìn)行，過氧化叔丁基、過氧化碳酸雙異丙酯，均為反應(yīng)有效的引發(fā)劑,二、酰化反應(yīng),1、芳香族化合物與二元酸酐的?；?Friede-crafts反應(yīng),在lewis酸的催化下，芳香族化合物與一元酸酐、一元酰鹵的酰化是合成芳香酮的的重要方法。 當(dāng)用二元酸酐?；瘯r(shí)，則得到芳酮酸，再經(jīng)還原，可以合成芳基取代的長鏈羧酸。 若用比較活潑的芳香族化合物或一些芳雜環(huán)化合物進(jìn)行反應(yīng)，酮酸的產(chǎn)率可達(dá)50-100,2、噻吩的?；?噻吩比苯易發(fā)生Friedelcrafts反應(yīng)。它與二元酸酐或二元酸酯單酰鹵進(jìn)行?；?，生成的酮酸再經(jīng)Clemmensen法或Kisher-wolff-黃嗚龍法還原則得噻吩取代的長鏈羧酸。 更有價(jià)值的是噻吩環(huán)可被活性鎳脫硫加氫，而使羧酸的碳鏈至少再增加四個(gè)碳原子,通過下列反應(yīng)，可使羧酸的碳鏈增加五個(gè)碳原子,若用聯(lián)噻吩進(jìn)行乙?；?，再經(jīng)氧化、還原后，則得癸二酸,三、縮合反應(yīng),1、羰基化合物與酸酐的