丙二酸酯是有机合成中十分有用的试剂，能够发生水解和脱羧反应，同时亚甲基较易形成碳负离子而发生酰化、烷基化、醛醇反应和Michael反应等。

一、酰化反应

丙二酸二乙酯的酰化反应会伴随有部分水解和脱羧反应，此酰化反应可应用到β-酮酯的合成。丙二酸二乙酯水解脱去一个酯基，然后与苯甲酰氯(或类似物)发生酰化反应，随后转化成喹诺酮衍生物 (式1)。

二、烷基化反应

在碱 (如NaH 等) 的作用下，丙二酸二乙酯的亚甲基较易形成碳负离

子，进而可发生烷基化等反应 (式2)。

此外，丙二酸二乙酯的亚甲基也能够发生氯代反应 (式3)。

三、与醛等的反应

在与醛或酮的反应中，经常发生环缩合反应。如在铜(II)的催化下，三聚甲醛与丙二酸二乙酯发生环合，形成六元环化合物 (式4)。

四、Michael反应

丙二酸二乙酯亚甲基所形成的碳负离子能够与α,β-不饱和羰基化合物(或类似物)发生1,4-共轭加成反应 (式5，式6)。

五、成环反应 

在有机合成反应中，丙二酸二乙酯中的亚甲基除了能够形成碳负离子而发生亲核反应外，其酯基部分也能够发生亲核取代反应，多个反应位点的存在使得丙二酸二乙酯在与多官能团化合物反应时极易成环 (式7)。