抗生素与羧酸衍生物
青霉素类和头孢素类是两大类非常重要的抗生素。它们的分子中都含有一个易于水解的β-内酰胺结构。它们的抗生机理都是干扰细菌细胞壁的合成，因此除个别有敏感外，对哺乳动物表现为低毒性。红霉素是重要的药用抗生素之一，它的分子中具有一个14环内酯结构。
分子中含有四元环的β-内酰胺结构，与噻唑环稠合。干扰细菌细胞壁合成，对革兰氏阳性菌如肺炎双球菌、白喉杆菌等有抑菌和杀菌作用。
分子中具有一个14环内酯结构，对革兰氏阳性菌如肺炎双球菌、白喉杆菌等有抑菌和杀菌作用。
12.1 羧酸衍生物的分类
酰基与卤原子相连称为酰卤，与羧酸根相连称为酸酐，与烃氧基相连称为羧酸酯，与氨基相连称为酰胺。
acyl halide
acid anhydride
ester
amide
12.2 羧酸衍生物的命名
12.2.1 酰卤的命名
命名酰卤（acyl halide）时，将相应羧酸的酰基名称放在前面，卤素的名称放在后面，合起来称呼。酰基的英文名称是将羧酸的词尾-ic acid改为酰基的词尾-yl。
12.2.2 酸酐的命名
两个羧基脱去一分子水后生成的化合物称为酸酐（acid anhydride）。由两个相同的一元羧酸脱水形成的酸酐称为单酐。命名时只需在羧酸的名称后加酐。英文名称只需将acid改为anhydride。
乙酸 → 乙酸酐 (acetic anhydride)
由两个不相同的一元羧酸脱水形成的酸酐称为混酐。命名时，在两个羧酸名称后加酐，英文名称将acid改为anhydride。两个羧酸的排序，中文按顺序规则，小的在前；英文按字母顺序排列。
12.2.3 烯酮的命名
含有累积（cumulated）的羰基与碳碳双键的化合物 >C=C=O 叫做烯酮（ketene）。最简单的烯酮是乙烯酮（CH₂=C=O）。乙烯酮的衍生物可采用取代命名法来命名。
12.2.4 酯的命名
酸和醇的失水产物称为酯（ester）。含氧无机酸和醇的失水产物称为无机酸酯；有机羧酸和醇的失水产物称为有机酸酯。命名时，将酸的名称放在前，烃氧的烃基部分放在后，最后加上酯。英文名称将烃基部分放在前，羧酸的名称放在后。羧酸的词尾-ic acid或-ous acid改为-ate或-ite。
分子内的羟基和羧基脱去一分子水后生成的环状酯叫内酯。五元或六元环的内酯最易形成。命名时，将相应羧酸的"酸"字改为"内酯"，并标明其位号。英文名称将-ic acid改为-olactone。
12.2.5 酰胺的命名
酰基与氮原子相连的化合物称为酰胺（amide）。命名时，需将羧酸的酸字改为酰胺。英文将羧酸的词尾-ic acid改为-amide。氨的氮原子上连有三个氢，一个氢被酰基取代称为单酰胺，两个氢或三个氢分别被酰基取代称为二酰胺或三酰胺。英文用di、tri表示二、三，加在羧酸的英文名称前。
环内含有 —C(=O)—NH— 的环状酰胺称为某内酰胺。英文名称在相应的烃名后加lactam。
12.2.6 腈的命名
含有氰基（—CN）的化合物称为腈。作为母体化合物命名时，—CN中的碳需计入烃的碳数内，命名时只需在相应的烃名后加上"腈"或"二腈"等。英文在烃名后加上"nitrile"或"dinitrile"等。
腈也可将相应羧酸的"酸"字改为"腈"来命名。英文将羧酸的字尾"-oic acid"改为"-onitrile"，或将"-carboxylic acid"改为"-carbonitrile"。
12.3 羧酸衍生物的结构
酰卤、酸酐、酯、酰胺的结构与羧酸类似。在酰胺中，羰基与氨基相连，氨基氮上的孤对电子可以和羰基共轭，因此酰胺与胺中的C—N键键长有很大的不同。
酰胺中的C—N键较胺中的C—N键短，一个原因是酰胺中C—N键的碳是用sp²杂化轨道与氮成键，由于碳的sp²杂化轨道中s成分较多，故键长较短；另一个原因是由于羰基与氨基的氮共轭，从而使C—N键具有某些双键的性质而造成的。因此酰胺的结构可表示如下：
酯中的羰基亦可与烃氧基氧的孤对电子共轭，因此酯中C—O键也具有某些双键的性质，即酯中的C—O键也比醇中的C—O键短：
酰氯中C—Cl键并不比氯代烷中的C—Cl键短，这从比较酰氯和氯代烷的键长中可以看到。这是因为氯有较强的电负性，在酰氯中主要表现为强的吸电子诱导效应，而与羰基的共轭效应很弱的缘故。
从酰胺、酯、酰氯中C—N、C—O、C—Cl键的键长以及其他实验数据判断，在酰胺中这种具有相反电荷的偶极结构（dipolar structure）是主要的，酯中次之，而在酰氯中这种偶极结构很少。
12.4 羧酸衍生物的物理性质
低级酰氯与酸酐是有刺鼻气味的液体，高级的为固体。低级酯具有芳香的气味，存在于水果中，可用做香料。十四碳酸以下的甲酯、乙酯均为液体。酰胺除甲酰胺外，均是固体，这是因为分子中形成氢键（hydrogen bond），如果氮上的氢逐个被取代，则氢键缔合减少，因此脂肪族的N-取代酰胺常为液体。酰氯和酯因分子中没有缔合，其沸点比相应的羧酸低，酸酐与酰胺的沸点比相应的羧酸高。
酰氯与酸酐不溶于水，低级的遇水分解；酯在水中溶解度很小；低级的酰胺可溶于水，N,N-二甲基甲酰胺和N,N-二甲基乙酰胺是很好的非质子极性溶剂（polar solvent），可与水以任何比例混合。这些羧酸衍生物都可溶于有机溶剂，而乙酸乙酯是很好的有机溶剂，大量用于油漆工业。
表12-1 一些常见羧酸衍生物的名称及物理性质
| 化合物 | 普通命名法 | IUPAC命名法 | 熔点/℃ | 沸点/℃ |
|---|---|---|---|---|
| CH₃COCl | acetyl chloride | acetyl chloride | −112 | 51 |
| CH₃COBr | acetyl bromide | acetyl bromide | — | 76.7 |
| (CH₃CO)₂O | acetic anhydride | acetic acid anhydride | −73 | 140 |
| HCOOCH₃ | methyl formate | methyl formate | −100 | 32 |
| CH₃COOCH₂CH₃ | ethyl acetate | ethyl acetate | −83 | 77 |
| HCONH₂ | formamide | formamide | 2.5 | 200(分解) |
| CH₃CONH₂ | acetamide | acetamide | 81 | 222 |
| HCN(CH₃)₂ | N,N-dimethyl formamide | N,N-dimethyl formamide | — | 153 |
| CH₃CN | acetonitrile | acetonitrile | — | 81 |
12.5 酰基碳上的亲核取代反应
12.5.1 酰基碳上亲核取代反应的概述
酰卤、酸酐、酯和酰胺统称为羧酸衍生物。此类化合物的分子中含有一个酰基（R—C(=O)—），酰基碳均与一个杂原子W（W＝卤原子、氧原子和氮原子）相连，杂原子与羰基形成一个三原子四电子的共轭体系。这与羧酸的结构十分相似，因此，在羧酸衍生物中，—COW是这类化合物的反应中心。羧酸衍生物与羧酸一样，也能发生加氢还原和酰基碳上的亲核取代反应。
反应的结果是酰基碳上的一个基团被亲核试剂所取代，因此这类反应称为酰基碳（acyl carbon）上的亲核取代反应。
四面体中间体
反应分两步进行，首先是亲核试剂在羰基碳上发生亲核加成，形成四面体中间体（tetrahedral intermediate），然后再消除一个负离子，总的结果是取代。由于第一步反应是亲核加成，而形成的是一个带负电荷的四面体中间体，因此原料中羰基碳的正电性越大，其周围的空间位阻越少，越有利于反应的进行。第二步消除反应取决于离去基团的性质，越易离去的基团，反应越易发生。
首先是羰基氧的质子化（protonation）。羧酸衍生物的羰基氧具有碱性，酸的作用就是通过羰基氧的质子化，使氧带有正电荷，质子化的氧对碳氧双键上的σ电子和π电子具有更大的吸引力，从而使碳更具正电性。接着，亲核试剂对活化的羰基进行亲核加成，得到四面体中间体。最后发生消除反应生成产物。
12.5.2 羧酸衍生物的水解——形成羧酸
羧酸的衍生物和腈都能水解（hydrolysis），它们的水解反应可用下面各式表达：
在羧酸衍生物中，酰卤水解速率很快，小分子酰卤水解很猛烈，如乙酰氯在湿空气中会发烟，这是因为乙酰氯水解产生盐酸之故。相对分子质量较大的酰卤，在水中溶解度较小，反应速率很慢，如果加入使酰卤与水都能溶的溶剂，反应就能顺利进行。在多数情况下，酰卤不需催化剂帮助即可发生水解反应，在少数情况下需要碱做催化剂。
酸酐可以在中性、酸性、碱性溶液中水解，酸酐不溶于水，在室温水解很慢。如果选择一合适的溶剂使成均相，或加热使成均相，不用酸碱催化，水解也能进行。
酰胺在酸或碱催化下可以水解为酸和氨（或胺），反应条件比其他羧酸衍生物的强烈，需要强酸或强碱以及比较长时间的加热回流。
腈（nitrile）在酸或碱作用下加热，先生成酰胺，酰胺再进一步水解生成羧酸。它们的转换关系为：
小心控制反应条件，可使腈水解为酰胺。
酯水解产生一分子羧酸和一分子醇。这是酯化反应的逆反应，因此酯水解反应最后也达到平衡。酯的水解比酰氯、酸酐因难，故需要酸或碱催化，一般常用碱做催化剂。因为OH⁻是较强的亲核试剂，容易与酯羰基碳发生亲核反应，而且产生的酸可以与碱作用生成盐，有利于平衡反应的正向移动。因此碱催化时，碱的用量要比1 mol多，碱实际上不仅是催化剂，也是试剂。
6. 酯水解的反应机理
酯可以在碱催化作用下发生水解，生成羧酸盐和醇。酯的碱性水解是通过亲核加成-消除机理（nucleophilic addition-elimination mechanism）完成的。OH⁻先进攻酯羰基碳发生亲核加成，形成四面体中间体，然后再消除⁻OR'，这两步反应均是可逆的，在四面体中间体上消除OH⁻，得回原来的酯，可以得羧酸，但由于此反应是在碱性条件下进行的，生成的羧酸可以和碱发生中和反应，从而移动了平衡。
上述反应机理表明，酯在碱性水解时，发生了酰氧键（acyl-oxygen bond）断裂，这一点已被同位素标记实验（isotope labeling experiment）所证明。乙酸戊酯用H₂¹⁸O在碱性条件下水解，结果得到的羧酸负离子中有¹⁸O，这说明水解是酰氧键断裂。
酯水解亦可在酸性条件下进行。经同位素方法证明，酸催化水解也是酰氧键断裂，反应是按下列机理进行的：反应关键一步是水分子进攻质子化的酯（i），质子化后的酯亲电能力非常强，它与亲核能力不太强的水反应较未质子化的酯快，形成了四面体正离子（tetrahedral cation）的中间体（ii），（ii）经质子转移成为（iii），（iii）消除醇，再消除质子得到羧酸。这是一个可逆反应，由于在反应中存在大量水，因此可以使反应趋向完成。
同位素示踪实验证明，3°醇酯在酸催化下水解是经烷氧键（alkyl-oxygen bond）断裂的机理进行的，得到的是没有¹⁸O的三级醇。这是一个酸催化后的SN1过程，中间首先形成碳正离子而产生羧酸，碳正离子再与水结合成醇。三级醇的酯化，是它的逆向反应。由于⁺C(CH₃)₃易与碱性较强的水结合，而不易与羧酸结合，故易于形成三级醇而不利于形成酯，因而三级醇的酯化产率很低。
12.5.3 羧酸衍生物和腈的醇解——形成酯
羧酸衍生物的醇解（alcoholysis）是合成酯的重要方法。
1. 酰卤的醇解
酰卤很容易醇解。但对于反应性弱的芳香酰卤或有空间位阻的脂肪酰卤，及对于三级醇或酚，促进反应进行的方法是在氢氧化钠或三级胺如吡啶、三乙胺、N,N-二甲苯胺等存在下反应，能得到较好的结果。碱的功能一方面是中和产生的酸，另一方面可能也起了催化作用。
2. 酸酐的醇解
酸酐和酰卤一样，也很容易醇解。酸酐醇解产生一分子酯和一分子酸，因此是常用的酰化试剂（acylation reagent）。
3. 酯的醇解
酯中的OR'被另一个醇的OR"置换，称为酯的醇解。反应需在酸（盐酸、硫酸或对甲苯磺酸等）或碱（烷氧负离子）催化下进行。这是从一个酯转变为另外一个酯的反应，因此也称为酯交换反应（ester exchange reaction）。这是一个可逆反应，为使反应向右方进行，常用过量的所希望形成酯的醇，或将反应中产生的醇除掉。反应机理与酯的酸催化或碱催化水解机理类似。
酯交换反应在工业上的另一个重要应用是涤纶（terylene）的合成。涤纶是由对苯二甲酸与乙二醇缩聚（condensation polymerization）制得，但这个反应对于对苯二甲酸纯度要求很高，而合成的对苯二甲酸不能达到要求，且很难提纯，因此通过做成它的甲酯再分馏提纯。提纯后的对苯二甲酸二甲酯与乙二醇共熔，然后在催化剂作用下通过酯交换反应而得到聚酯（polyester）——涤纶。
4. 酰胺的醇解
酰胺在酸性条件下醇解为酯。也可用少量醇钠在碱性条件下催化醇解。
5. 腈的醇解
腈在酸性条件下（如盐酸、硫酸）用醇处理，也可得到羧酸酯。
12.5.4 羧酸衍生物的氨（胺）解——形成酰胺
羧酸衍生物的氨（胺）解（ammonolysis）是制备酰胺的常用方法。
1. 酰卤的氨（胺）解
酰氯很容易与氨、一级胺或二级胺反应形成酰胺。例如，酰氯遇冷的氨水即可进行反应，因为氨的亲核性比水强。若用酰氯与胺进行反应，反应通常在碱性条件下进行，常用的碱有氢氧化钠、吡啶、三乙胺、N,N-二甲苯胺等，所用碱可中和反应产生的酸，以避免消耗与酰氯反应的胺。
酰化（acylation）反应最常用的酰化试剂是苯甲酰氯与乙酰氯。对于芳香酰氯与α碳上有空阻的脂肪酰氯，可以在NaOH的水溶液中进行反应。因为这些酰氯在水中溶解度很小，而NaOH溶于水，反应体系为二相，酰氯不易被水解，胺与酰氯反应，产生的HCl被NaOH中和。
2. 酸酐的氨（胺）解
常用的酸酐是乙酸酐，与乙酰氯相比较，乙酸酐较不易水解。有些反应物易溶于水，氨（胺）解可以在水中进行，因为胺比水的亲核性大得多。环状酸酐与氨反应，可以开环得到酰胺酸（amic acid）。酰胺酸与体系中未反应的氨形成酰胺酸盐，经无机酸酸化又得到酰胺酸。反应若在高温下进行，则产物是酰亚胺（imide）。
3. 酯的氨（胺）解
酯可以与氨或胺反应形成酰胺，这叫做酯的氨解或胺解。这些氨或胺，本身作为亲核试剂，进攻酯羰基碳。肼和羟氨等胺的衍生物亦能与酯发生反应。
4. 酰胺的氨（胺）解
酰胺与氨（胺）反应，可以生成一个新的酰胺和一个新的胺，因此此反应也可以看做酰胺的交换反应。
12.6 羧酸衍生物与有机金属化合物的反应
1. 一般过程
羧酸衍生物与有机金属化合物反应一般经历下面的过程：首先格氏试剂与酰基碳发生亲核加成，然后消除离去基团，形成酮，酮再与格氏试剂反应，最后水解得到三级醇。
2. 酰卤与有机金属化合物的反应
格氏试剂或有机锂化合物与酰卤反应得酮，但酮很易进一步与格氏试剂反应得三级醇，因此酮的产率很低。若用2 mol以上的格氏试剂，主要产物为三级醇。低温可以抑制格氏试剂与酮的反应，因此，如果用1 mol的格氏试剂，在低温下分批加到酰氯的溶液中，这样控制格氏试剂的量，以免生成的酮与格氏试剂发生作用，则可得到酮。对于有空间位阻的反应物，能满意地得到酮，产率很高。
有机镉化合物（organocadmium compound）反应性较低，但很易与酰氯反应，与酮反应很慢，因此可用于酮的合成。有机镉化合物的一个重要用途是合成酮酯（ketonic ester），当原料分子中同时含有酯基与酰氯时，利用酯基不与有机镉试剂反应而酰氯能发生反应，可以在分子中接长碳链并保存反应性活泼的酯基。但有机镉试剂毒性太大，这限制了它的应用。
二烷基铜锂可以与酰氟、酰氯、酰溴反应生成酮。一般的反应式为：R—C(=O)—Cl + R'₂CuLi → R—C(=O)—R' (乙醚)。二烷基铜锂比格氏试剂反应性能低，它可以与醛、酰卤反应，与酮反应很慢，很多官能团如酯基、氰基、卤代烃等在低温下不与它反应。因此这个试剂常用于从酰氯合成酮，产率很高。
3. 酯与有机金属化合物的反应
甲酸酯与格氏试剂反应先生成醛，醛比甲酸酯更活泼，进一步与格氏试剂反应得二级醇。整个反应共消耗两倍物质的量的格氏试剂。其他羧酸酯与格氏试剂反应先得酮，酮进一步与格氏试剂反应得三级醇，故整个反应也需要消耗两倍物质的量的格氏试剂。有机锂化合物与格氏试剂一样，与酯反应得醇，但对于有空间位阻的酯（α氢被取代），反应能停留在酮的阶段。
4. 其他羧酸衍生物与有机金属化合物的反应
酸酐与有机金属化合物反应时，酸酐的一部分被浪费掉了，所以一般不采用。但二元酸的酸酐不存在这个问题，它们与格氏试剂反应可以用来制备酮酸（ketonic acid）。酰胺也能与有机金属化合物反应，但氮上的活泼氢将首先反应，然后再发生亲核加成。由于消耗有机金属化合物较多，一般也不用它们来进行合成。
5. 腈与有机金属化合物的反应
腈与有机金属化合物反应生成酮。
12.7 羧酸衍生物和腈的还原
12.7.1 用催化氢化法还原
酰卤在一般催化氢化条件下还原得到醇。若用Rosenmund法还原，产物为醛。链形酸酐在催化氢化条件下还原，得到两分子醇。一分子环状酸酐经此还原得一分子二元醇。
酯在酮铬氧化物（CuO·CuCrO₄）作用下和较强烈的反应条件下，加氢得两分子醇。内酯经此还原得二元醇。这个反应大量应用于催化氢解植物油和脂肪（fat），以取得长链醇类，如硬脂醇（stearyl alcohol）、软脂醇（palmitic alcohol）等混合物。不饱和脂肪酸酯催化氢化还原时分子中的碳碳双键同时被饱和。
酰胺很不易还原，用催化氢化法还原，需用特殊的催化剂并在高温高压下进行，产物为胺。内酰胺经此还原得环状胺。腈可用催化氢化法还原成一级胺。
12.7.2 用金属氢化物还原
常用的金属氢化物（metal hydride）有氢化铝锂、硼氢化锂（lithium borohydride）和硼氢化钠。硼氢化锂可由硼氢化钠与氯化锂在乙醇中制备。作为还原剂，氢化铝锂的还原能力最强，适用于各种羧酸衍生物的还原。硼氢化锂的还原能力比硼氢化钠略强。酯能被氢化铝锂和硼氢化锂还原为一级醇，但硼氢化锂对酯反应稍慢。
一级酰胺（primary amide，RCNH₂）、二级酰胺（secondary amide，RCNHR'）可以被氢化铝锂还原为一级、二级胺。三级酰胺（tertiary amide，RCNR'R"）与过量氢化铝锂反应，可以得三级胺。
腈用LiAlH₄还原得一级胺。
12.7.3 酯的单分子还原和双分子还原
用金属钠-醇还原酯得一级醇，称为Bouveault-Blanc（鲍维特-布朗克）还原。在氢化铝锂还原酯的方法发现前被广泛地使用。用此法还原酯，分子中的碳碳双键可以不受影响，因此不饱和酯还原可得到不饱和醇。反应时首先由金属钠给它的价电子，形成自由基负离子（free radical anion）（i），（i）再从钠得到一个电子生成（ii），然后（ii）与醇反应生成（iii），（iii）消除醇钠成为醛（iv），醛（iv）再经过①、②、③的反应过程，得到醇钠（v），反应完后再酸化得相应的醇（vi）。
脂肪酸酯和金属钠在乙醚或甲苯、二甲苯中，在纯氮气流存在下（微量氧的存在会降低产量）剧烈搅拌和回流，发生双分子还原，得α-羟基酮（也叫酮醇），此反应称为酮醇缩合（acyloin condensation）。二元酸酯在此条件下可以形成α-羟基环酮（α-hydroxy cyclic ketone）。用这个反应也可制得用其他方法制备时产量很低的中环化合物。
12.8 酰卤α-H的卤代
酰卤与卤素反应，生成α-卤代酰卤，称为酰卤α-H的卤代反应。反应机理如下：首先酰溴发生烯醇化，然后烯醇化的酰卤和卤素发生反应，失去卤化氢，得到α-溴代酰溴。
12.9 烯酮的反应
含有 >C=C=O 结构的化合物称为烯酮（olefine ketone）。它可以看做羧酸发生分子内失水（失去羧羟基和α氢）形成的，因此也可以看做分子内的酸酐。最简单的烯酮是乙烯酮（CH₂=C=O）。它是一个有毒的气体，沸点−48℃。烯酮由于含有累积的双键，化学性质十分活泼。
1. 羰基的加成
烯酮的两个π键成正交形式，特别易于打开。它的羰基可和多种含"活泼"氢的化合物如水、卤化氢、羧酸、醇、氨等发生加成反应。加成时，总是氢加在氧上，另一部分加在碳上，生成的烯醇经互变异构就得羧酸、酰卤、酸酐、酯、酰胺等。烯酮也可以和格氏试剂发生反应，生成酮。
2. 与甲醛反应——烯酮二聚
烯酮与甲醛反应，可生成β-丙内酯（β-propanolactone）。乙烯酮在合适的条件下二聚生成二乙烯酮。二乙烯酮是取代的β-丙内酯，加热又重新分解为乙烯酮，因此二乙烯酮也是烯酮的一种保存形式。
3. 光分解反应
烯酮在光作用下，分解产生亚甲基卡宾。
12.10 酯缩合反应
12.10.1 酯缩合反应概述
两分子酯在碱的作用下失去一分子醇，生成β-羰基酯的反应称为酯缩合反应，也称为Claisen（克莱森）缩合反应。
首先，乙酸乙酯在碱的作用下失去α氢，生成烯醇负离子，烯醇负离子对另一分子酯发生亲核加成，再消去乙氧负离子生成乙酰乙酸乙酯。由于反应是在碱性体系中进行的，生成的乙酰乙酸乙酯立刻与碱反应生成钠盐，将钠盐从体系中分离出来，再酸化即得到乙酰乙酸乙酯。
原料酯的α碳上必须有活泼氢。因此，原料酯的α碳上至少需有两个氢，一个用于反应①，另一个用于反应④。假如原料酯的α碳上只有一个活泼氢，则缩合反应必须在更强碱的作用下才能完成。例如，异丁酸乙酯（i）在乙醇钠的作用下，不能发生酯缩合反应；但在三苯甲基钠的作用下，就可进行缩合，首先发生酸碱反应，生成碳负离子（ii）。
12.10.2 混合酯缩合反应
若用两个不同的且都含有α活泼氢的酯进行酯缩合反应，理论上就可得到四种不同的产物，在制备上没有很多的价值。因此，一般进行这种混合酯缩合时，只用一个含有活泼氢的酯和一个不含活泼氢的酯进行缩合。经常用的不含活泼氢的酯有苯甲酸酯（benzoate）、甲酸酯（formate）、草酸酯（oxalate）、碳酸酯（carbonate）等。芳香酸酯的酯羰基一般不够活泼，缩合时需用较强的碱，以产生足够浓度的碳负离子，才能保证反应进行。
12.10.3 分子内的酯缩合反应
二元酸酯可以发生分子内的及分子间的酯缩合反应。假如分子中的两个酯基被四个或四个以上的碳原子隔开，就发生分子内的缩合反应，形成五元环或更大环的酯，这种环化酯缩合反应又称为Dieckmann（狄克曼）反应。
12.10.4 酮与酯的缩合反应
一个有α氢的酮和一个没有α氢的酯在碱的作用下，也能发生缩合反应，产物是各种β-二羰基化合物。若采用甲酸酯为原料，产物中有一个醛基和一个酮羰基；若采用草酸酯或碳酸二酯为原料，产物是β-羰基酯；若采用其他一元羧酸酯为原料，产物是β-二酮。
12.11 酯的热裂
12.11.1 羧酸酯的热裂
酯在400～500℃的高温进行裂解，产生烯烃和相应羧酸的反应称为酯的热裂。反应时，将玻璃丝装入反应管中，加热到所需温度，慢慢滴入酯，酯立即气化、裂解，产物从反应管另一端排出，这样可以得到高产率、高纯度的烯。
这是一个分子内通过环状过渡态的消除反应，分子的反应构象处于重叠型，被消除的酰氧基与β氢原子是同时离开的并处于同一侧，故称为顺式消除（cis-elimination）。如果羧酸酯有两种β氢，可以得到两种消除产物，其中以酸性大、空阻小的β氢被消除为主要产物。
12.11.2 黄原酸酯的热裂
黄原酸又称为烷氧基硫代甲酸。将醇与二硫化碳在碱性条件下反应生成黄原酸盐，再用卤代烷处理成黄原酸酯。将黄原酸酯加热到100～200℃，即发生热裂分解生成烯烃。此反应称为Chugaev（秋加叶夫）反应。
由于黄原酸酯热裂的反应机理、立体选择性和区域选择性均与酯热裂一致，而反应温度却大大低于酯热裂，因此在合成中很有用处。
12.12 酰亚胺的酸性
酰亚胺氮上的氢具有一定的酸性，其酸性的强弱可以根据其pKa来衡量：
| 化合物 | pKa |
|---|---|
| NH₃ (氨) | ≈34 |
| CH₃CONH₂ (乙酰胺) | ≈15.1 |
| 丁二酰亚胺 | 9.62 |
| 邻苯二甲酰亚胺 | 8.3 |
| 苯磺酰胺 | ≈10 |
氨的氮上有一对未共用的电子对，所以氨的水溶液是有碱性的。但上面的pKa数据表明，当氨的氮上的氢被酰基取代后，氮上其他氢的酸性增强了。这是因为在酰胺中，氮上的未共用电子对与羰基发生了共轭，共轭的结果是氮上的孤对电子部分地转移到了氧上，这使氮氢键上的一对电子更靠近氮原子，氢易以质子的形式离去。在酰亚胺中，氮原子与两个酰基共轭，氮对共轭体系贡献的电子更多，氮上的氢更易以质子的形式离去，酸性增强。共振论认为，酰亚胺的共振杂化体具有相反的电荷，而质子离去后的负离子的共振杂化体没有相反的电荷，后者的共振杂化体降低的能量较多而更加稳定，因此质子容易解离而具有酸性。
由于酰亚胺具有酸性，因此它可以和碱发生成盐反应。酰亚胺还可以与溴发生取代反应。例如丁二酰亚胺与溴反应，得到N-溴代丁二酰亚胺（N-bromosuccinimide, NBS）。N-溴代丁二酰亚胺是一个重要的溴化试剂，可用于烯类化合物的α位溴代。
羧酸衍生物的制备
12.13 酰卤的制备
参见11.9节。常用方法是羧酸与亚硫酰氯（SOCl₂）、三氯化磷（PCl₃）或五氯化磷（PCl₅）反应。
12.14 酸酐和烯酮的制备
12.14.1 酸酐的制备
1. 用干燥的羧酸钠盐与酰氯反应 - 这是实验室制备酸酐尤其是制备混合酸酐（mixture acid anhydride）的一个重要方法。
2. 羧酸脱水 - 除甲酸外，羧酸均可经脱水反应形成酸酐。此法适合制备比乙酸沸点高的羧酸。二元羧酸通过此法可合成环状酸酐，反应产生的水常用共沸法或真空蒸馏法除去，五元、六元环状酸酐常用此法制备。
3. 芳烃氧化 - 一些工业上很重要的酸酐常用此法制备，如苯在高温及V₂O₅催化下氧化为顺丁烯二酸酐，邻二甲苯可氧化为邻苯二甲酸酐。
4. 乙酸酐（醋酐）的工业制法 - 工业上最重要的酸酐是乙酸酐，它的最重要的生产方法是用乙酸与乙烯酮反应制备。
12.14.2 烯酮的制备
烯酮可以看做羧酸分子内失水形成的酸酐。烯酮一般是用α-溴代酰溴和锌粉共热，通过E2消除失去两个溴原子后得到的。也可以用酰卤在碱的作用下消除卤化氢来制备。α-重氮羰基化合物经Wolff重排也是制备烯酮常用的一种方法。在工业上，乙烯酮可以通过丙酮或乙酸的热裂来制备。热裂反应是按自由基机理进行的。
12.15 酯的制备
酯的制法很多，可以在酸的催化作用下通过羧酸和醇的直接酯化来制备，或通过羧酸盐与活泼卤代烷反应来制备，也可以通过羧酸衍生物的醇解来制备。羧酸与重氮甲烷反应可用来制备羧酸甲酯。羧酸与烯、炔的加成也能用来制备酯。
12.16 酰胺和腈的制备
12.16.1 酰胺的制备
酰胺可以通过羧酸衍生物的氨（胺）解来制备，也可以通过腈的控制水解或铵盐的部分脱水来制备。
12.16.2 腈的制备
最常用的方法是由卤代烷与氰化钾（钠）反应来制备。酰胺失水是腈的另一种合成方法，通常的失水剂是五氧化二磷、三氯氧化磷、亚硫酰氯等，其中尤以五氧化二磷为最好。将酰胺与五氧化二磷均匀混合后小心加热，反应完后将腈从混合物中蒸出，产率很高。
12.17 油脂
油脂是高级脂肪酸的甘油酯，一般在室温下是液体的称为油，是固体或半固体的称为脂。油的化学成分以不饱和酸及相对分子质量低的酸较多。油脂不仅是食物，并且是重要的工业原料。将油脂用氢氧化钠水溶液水解，即得甘油与高级脂肪酸的钠盐，高级脂肪酸钠盐可以做肥皂，因此油脂的水解亦称为皂化反应（saponification）。
12.17.1 脂肪酸
天然油脂水解后的脂肪酸是各种酸的混合物，一般都是十个碳以上双数碳原子的羧酸。饱和酸最多的是C₁₂～C₁₈酸，动物脂肪如猪油及牛油中含有大量软脂酸（palmitic acid）及硬脂酸（stearic acid）。软脂酸分布最广，几乎所有的油脂中均含有；而硬脂酸在动物脂肪中含量较多（在10%～30%）；椰子油含有大量的十二碳酸（或称月桂酸），有时可以高达近50%。
油脂中含有的不饱和酸碳原子数均大于10，最重要的油脂是18个碳原子的酸。分布最广的是油酸（oleic acid），它是橄榄油的主要成分，含量高达83%；亚油酸（linoleic acid）是葵花子油的主要成分；亚麻酸（linolenic acid）是亚麻子油的主要成分；花生油酸（arachidic acid）是一个含有四个双键和20个碳的不饱和酸。
12.17.2 脂肪酸和脂肪醇的来源
脂肪经水解后得到的脂肪酸是一个混合物，往往不分离就可使用。工业上通过分馏脂肪酸甲酯或乙酯的方法可以得到纯度超过90%的各种脂肪酸，C₁₀～C₁₈的纯脂肪酸主要是通过这种方法得到的。从椰子油分离十二碳酸，就是用这种方法。将这些混合的或纯的酯用催化氢化法等化学还原法还原，就能得到长链的醇，这是含双数碳原子的长链醇的一个来源。
12.17.3 油脂硬化 干性油
油脂中脂肪酸的不饱和程度对油脂的物理及化学性质具有很大的影响。不饱和酸的熔点较低，因此用含有较多不饱和酸的油脂制肥皂，质量就比较差。为了克服这个缺点，采取催化氢化法提高油脂的熔点。油脂中的不饱和脂肪酸可以在镍的催化作用下，氢化到任何一种饱和程度。因为氢化可以逐步提高熔点，所以这个氢化过程又称为油脂的硬化（fat hardening）。
含有共轭双键脂肪酸的油脂，具有一个特殊的性质：当把它涂布在平面上和空气接触时，就逐渐变为一层干硬而有弹性的膜，因此这种油脂又称为干性油（drying oil）。干性油变成硬膜的详细过程还不十分清楚，但是和氧化及聚合有关。
12.17.4 肥皂和合成洗涤剂
高级脂肪酸钠盐结构上一头是羧酸负离子，具有极性，是亲水的；一头是链形的烃基，非极性的，是疏水的。在水溶液中，这些链形的烃基，由于van der Waals引力，互相接近，聚成一团，似球状，而在球状物的表面为有极性的羧酸离子所占据，这种球状物称为胶束（micelle）。遇到一滴油后，胶束的烃基部分即没在油滴外面而没入油中，羧酸离子部分伸在油滴外面而没入水中，这样油就可被肥皂分子包围起来，分散而悬浮于水中，去污时受机械力的震动和摩擦，大的油珠多数分散成细小的油珠，然后再受肥皂分子的包围而分散，不能彼此结合，只能成为极小的油珠悬浮在水中，于是肥皂就呈乳状液。
但是普通肥皂只能在软水中使用，一遇硬水，就生成镁盐、钙盐等不溶性的沉淀，失去去污作用。由于对肥皂的需用量很大，目前国内外大量使用合成洗涤剂。这些合成洗涤剂结构可以不同，但有一个共同点，就是均有一个极性的水溶性基团（water-soluble group）和一个非极性的油溶性（oil-soluble）烃基（C>12）。其作用与肥皂类似，但都可以在硬水中使用，因为它们形成的镁盐、钙盐可溶于水。最重要的一种洗涤剂是十二碳醇硫酸酯的钠盐。
12.17.5 磷脂和生物膜（细胞膜）
在动植物体内含有一类和油脂类似的化合物，称为类脂质，都是些高级脂肪酸的酯。在分子中含有磷的叫磷脂（phosphatide），在植物的种子中、蛋黄及脑中含量较多。磷脂多为甘油酯，以脑磷脂（cephalin）及卵磷脂（lecithin）为最重要。
磷脂中的酰基都是相应的16个碳以上的高级脂肪酸，如硬脂酸、软脂酸、油酸、亚油酸等；磷脂中尚有一个羟基具有强的酸性，可以与具有碱性的胺形成离子偶极键（dipolar bond）。这样其分子就分为两个部分，一部分是长链的非极性的烃基，是疏水部分，另一部分是两性离子（zwitterion），是亲水部分，因此磷脂的结构与前面所讲的肥皂结构类似。如果将磷脂放在水中，可以排成两列，它的极性基团指向水面，而疏水性基团（hydrophobic group）因对水的排斥而聚集在一起，尾尾相连，与水隔开，形成磷脂双分子层。
所有生物膜（biomembrane）几乎完全是由蛋白质（protein）和脂类（主要是磷脂）两大类物质组成，脂类在膜的结构和功能中起着十分重要的作用。生物膜对各类物质的渗透性（permeability）不一样，脂溶性物质可以通过生物膜的类脂部分扩散入细胞，极性分子或离子可以通过生物膜蛋白质部分的作用扩散入细胞，所以生物膜在细胞吸收外界物质和分泌代谢产物的过程中起重要作用。
12.18 蜡
蜡（wax）,化学成分是16个碳以上的偶数碳原子的羧酸和高级一元醇形成的酯，此外，尚存在一些相对分子质量较高的游离的羧酸、醇以及高级的碳氢化合物及酮。
蜡多为固体，重要的有下列几种：蜂蜡（熔点60~62℃，存在于蜜蜂腹部）、鲸蜡（熔点41~46℃，存在于鲸鱼头部）、巴西蜡（熔点83~90℃，存在于巴西棕榈叶中）。蜡可用于制蜡纸、防水剂、光泽剂等。若将蜡水解，得相应的高级羧酸及高级醇。
12.19 碳酸的衍生物
从结构上讲，碳酸是一个双羟基化合物，它的水合物称为原碳酸（ortho-carbonic acid）。因为碳酸含有两个可被取代的羧羟基，因此它可以形成单酰氯、单酰胺、单酯，也可以形成双酰氯、双酰胺、双酯。保留一个羟基的碳酸的衍生物是不稳定的，很容易分解释放出CO₂。原碳酸含有四个可被取代的羟基，因此可以形成四种体系的衍生物。原碳酸的四氯化合物即是四氯化碳。
12.19.1 光气
碳酸的二酰氯又叫光气（phosgene），有毒。光气可以由四氯化碳和80%发烟硫酸（发烟硫酸含有80%游离的SO₃）制备。工业上可以用CO和Cl₂在无光照下通过活化的碳催化剂制备。它和羧酸的酰氯一样，可以发生水解、氨解和醇解反应。
光气在有机合成上是一个重要的试剂，具有各种用途。在合成染料中占有重要的位置。它和芳香烃发生傅-克反应，生成芳香酸的酰氯，水解即得芳香酸；或再和一分子的芳烃反应，生成二芳基酮。
12.19.2 尿素（脲）
尿素（urea，又叫脲）是碳酸的全酰胺，是碳酸的最重要的衍生物，也是多数动物和人类蛋白质的新陈代谢的最后产物，每日约产生30 g。它是最早由人体的排泄物中取得的一个纯有机化合物（1773年），在有机化学发展史上占有重要的地位。尿素的结构至今还有些争论，碳氮键的键长是137 pm，比正常的短一些，处于≡C—N及=C=N之间；同时碳氧双键键长是125 pm，比一般的C=O长一点。
大量的尿素是用CO₂和NH₃在压力下制备的。尿素的主要用途是作为肥料；一部分用来制备尿素甲醛树脂；少量的用来制备巴比妥酸，它是一个重要的安眠剂。
（1）尿素是一个一元碱，符合上述两性离子的结构，和酸形成盐。
（2）尿素的一个很有意思的特殊性质是和具有一定结构形状的烷烃、醇等能形成结晶化合物。如六个碳的烷、醇等都可以用尿素沉淀下来，但是小于六个碳及具有支链的烷、醇等不能形成沉淀。
（3）尿素在微微超过它的熔点之上加热时，分解成氨和氰酸。假若加热不太强烈，有些氰酸和尿素缩合，形成二缩脲。硫酸铜和二缩脲反应呈现紫色，称为二缩脲反应。
（4）尿素在尿素酶的作用下，可以分解成CO₂和NH₃。
章末习题
用普通命名法和系统命名法（中、英文）命名下列化合物。
写出下列化合物的构造式，并用中文命名。
(i) dimethyl methylidenemaloate (ii) acetonitrile (iii) N-methyl-N'-vinylbutanediamide (iv) 3-butenenitrile (v) haptanedioyl dichloride (vi) glycol diacetate (vii) monoethyl oxalate (viii) 3-benzoyloxypropionic acid
查阅下列化合物的沸点，将它们按沸点由大到小的顺序排列，并分析原因。
(i) 乙酰氯 (ii) 乙酰溴 (iii) 乙酸酐 (iv) 乙酸乙酯 (v) 氯乙烷 (vi) 溴乙烷 (vii) 乙醇 (viii) 乙酸 (ix) 乙醚
分析下列实验数据，可得出什么结论？
将下列各组化合物按碱性水解反应速率由大到小排列成序。
完成下列反应，写出主要产物。（Claisen缩合反应相关）
用中、英文命名下列化合物。
从指定原料和必要试剂合成。
复习本章的指导提纲
基本概念和基本知识点
酰卤、酸酐（包括环状酸酐、烯酮）、酯（包括内酯）、酰胺（包括内酰胺、酰亚胺、酰肼等）、腈；油脂、脂肪酸、脂肪醇、磷脂、蜡、黄原酸及其衍生物，碳酸和原碳酸及其衍生物；合成洗涤剂，重要合成纤维：维尼纶、涤纶的名称及结构；羧酸衍生物物理性质的一般规律，氢键对其物理性质的影响；羧酸衍生物的结构共性及差异，结构与化学性质的关系；水解反应、皂化反应、氨（胺）解反应的定义；质子化、烷氧键断裂、酰氧键断裂的概念；酰亚胺具有酸性的原因；烯酮的定义和结构特点；β-丙内酯的结构特点和反应。
基本反应和重要反应机理
酰基碳上亲核取代反应的一般表达式，酸性催化反应机理和碱性催化反应机理，结构对反应的影响；羧酸衍生物亲核取代反应的活性顺序及各类羧酸衍生物水解、醇解、氨（胺）解的反应条件；羧酸衍生物与有机金属化合物反应的机理、条件、活性比较和适用范围；羧酸衍生物的各种还原反应，Bouveault-Blanc还原反应的定义和反应机理；酮醇缩合反应的定义和反应机理；酰卤α氢卤化的定义和反应机理；烯酮的反应；β-丙内酯的反应；酯缩合反应的定义、反应式、反应机理和分类；在混合酯缩合、酮酯缩合中反应方向和反应区域选择性的控制；酯热裂和黄原酸酯热裂的定义、反应式、反应机理、反应的立体选择性及区域选择性。