柯尔贝反应（柯尔贝–施密特反应）：机理、阿司匹林合成路线与 JEE/NEET 考题
简答：酚钠与 CO2 一起加热（约 125 °C，4–7 atm），再酸化，得到水杨酸。酚氧负离子的邻位碳进攻 CO2，生成的二烯酮互变异构恢复为芳香环，最后酸使羧酸根和酚氧负离子质子化。
什么是柯尔贝反应（苯酚制水杨酸）？
印度教材通常称此反应为柯尔贝反应，其他地方的化学家则称之为柯尔贝–施密特反应。它是工业上制备水杨酸、进而制备阿司匹林的路线。
模板展示了三步弯箭头机理。在 MolDraw 中打开，可以换成酚钾或取代苯酚来试一试。
反应一览
| 底物 | 酚钠（苯酚 + NaOH） |
|---|---|
| 试剂 | 加压 CO2，约 125 °C（400 K）；然后 H3O+ |
| 亲电试剂 | 二氧化碳（弱亲电试剂） |
| 产物 | 水杨酸（2-羟基苯甲酸） |
| 用途 | 水杨酸 + 乙酸酐 → 阿司匹林 |
分步反应机理
- 酚氧负离子进攻 CO2。带负电的氧向环上供电子，邻位碳进攻 CO2 的碳；一个 C=O π 键移到氧上。环暂时变成带有羧酸根的环己二烯酮。
- 互变异构。新 C–C 键旁边环上的 C–H 被移去，电子恢复芳香环，重新生成酚氧负离子。此时环上的 COO− 位于 O− 的邻位。
- 酸化后处理。稀酸使羧酸根和酚氧负离子质子化，得到中性的水杨酸。
模板中的每一步都逐个电子核对过：弯箭头给出的正是图中所画的结构。在 MolDraw 中打开，一步一步跟着箭头走。
例题
- 酚钠 → 水杨酸。主要得到邻位产物。一般认为 Na+ 在酚氧 O 与 CO2 之间的螯合使进攻偏向邻位碳。
- 酚钾 → 4-羟基苯甲酸。使用 K+ 并升高温度时，对位产物占优势。
- 水杨酸 → 阿司匹林。用乙酸酐（H2SO4 催化）将 OH 乙酰化，得到乙酰水杨酸。
JEE 与 NEET 练习题
Q1. 酚钠与 CO2 在 400 K、4–7 atm 下加热，然后酸化。产物是：
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水杨酸 —— 酚氧负离子的邻位羧基化（柯尔贝反应）。
Q2. 为什么用酚氧负离子而不用苯酚？
显示答案
CO2 是弱亲电试剂，只有被强烈活化的酚氧负离子环才有足够的亲核性。 —— O− 的供电子能力远强于 OH。
Q3. 水杨酸与乙酸酐反应生成：
显示答案
阿司匹林 —— 酚羟基被乙酰化。
Q4. 电解乙酸钠水溶液（柯尔贝电解）得到：
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乙烷 —— 这是另一个反应：CH3• 自由基在阳极偶联。
常见错误
- 把柯尔贝反应（酚氧负离子 + CO2）与柯尔贝电解（羧酸盐 → 烷烃）混为一谈。
- 用苯酚而不是酚钠作起始原料。
- 忘记酸化——产物最初是以钠盐形式生成的。
- 把 CO2 画成进攻氧，而不是进攻邻位碳。
在 MolDraw 中编辑此机理
- 点击 Open in MolDraw。编辑器打开后，整幅图都在画布上：总反应、每个编号步骤和要点。
- 所有内容都是普通结构。修改取代基、给原子重新着色或移动箭头，箭头都会一直连在原子上。
- 可下载为 PNG、SVG 或 PDF，或复制到笔记或幻灯片中。
- 同一幅图也可以在编辑器的 Templates → Schemes → Name reactions 中找到。
问题与解答
柯尔贝反应与柯尔贝–施密特反应有什么区别？
二者是同一个酚氧负离子羧基化反应，施密特引入了加压条件。柯尔贝电解则是另一个反应。
为什么需要高压？
CO₂ 是气体，而且是弱亲电试剂；加压可以提高它在反应混合物中的浓度。
水杨酸有什么用途？
用于制备阿司匹林和水杨酸甲酯（冬青油），也用于护肤品。