第十一章 羧酸及羧酸化合物

第十一章羧酸及羧酸化合物第1頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三

主要內(nèi)容第一節(jié)羧酸的分類和命名第二節(jié)羧酸的物理性質(zhì)第三節(jié)羧酸的結(jié)構(gòu)第四節(jié)羧酸的化學(xué)性質(zhì)第五節(jié)羧酸的制備第六節(jié)取代羧酸第2頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)羧酸的分類和命名1.分類

脂肪族羧酸

芳香族羧酸（1）烴基種類第3頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)羧酸的分類和命名一元酸系統(tǒng)命名普通命名HCOOH甲酸蟻酸CH3COOH乙酸醋酸CH3CH2COOH丙酸初油酸CH3CH2CH2COOH丁酸酪酸CH3(CH2)16COOH十八酸硬脂酸

只含有一個羧基的羧酸稱為一元酸。最常見的酸，可根據(jù)它的來源命名。（2）羧基的數(shù)目第4頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三二元酸系統(tǒng)命名普通命名HOOCCOOH乙二酸草酸HOOCCH2COOH丙二酸縮蘋果酸HOOC(CH2)2COOH丁二酸琥珀酸(Z)-HOOCCH=CHCOOH順丁烯二酸馬來酸(E)-HOOCCH=CHCOOH反丁烯二酸富馬酸含有二個羧基的羧酸稱為二元酸。第5頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)羧酸的分類和命名（3）取代基鹵代酸：

BrCH2COOHCH3CHClCOOH氨基酸：

H2NCH2COOH羥基酸：

CH3CH(OH)CH2COOH羰基酸：第6頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三2.命名系統(tǒng)命名原則：選擇主鏈給主鏈編號書寫母體化合物名稱，羧基總在第1位，不必標(biāo)出。標(biāo)明取代基情況主鏈含烯鍵稱“某烯酸”；

C>10，稱“某(碳)烯酸”脂環(huán)酸：脂肪烴+羧酸(加合命名法)第7頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第8頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第9頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)羧酸的物理性質(zhì)物態(tài)：低級脂肪酸，C1~C3是液體，具有刺鼻的酸味；中級脂肪酸，C4~C10為油狀液體，具有難聞的氣味；高級脂肪酸是蠟狀固體，揮發(fā)性低，無氣味。沸點：羧酸的沸點比分子量相近的醇高。所有的二元酸都是結(jié)晶化合物。第10頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)羧酸的物理性質(zhì)水溶性：羧酸可以與水分子形成氫鍵，因此，5個碳原子以下的羧酸均能溶于水中；隨著碳原子數(shù)的增多，溶解度逐漸減小，C12以上羧酸不溶于水；芳香族羧酸在水中溶解度不大，一般均能溶于有機溶劑。第11頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三兩個碳氧鍵不等長，部分離域。兩個碳氧鍵等長，完全離域。第三節(jié)羧酸的結(jié)構(gòu)1.36?1.23?1.27?醇中C-O單鍵鍵長為1.43?羧酸和羧酸根的結(jié)構(gòu)比較第12頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三羧酸中的羥基氧原子上的電子云向羰基移動，增強O-H的極性，有利于氫的解離。羧酸中的羰基不再具有典型羰基的性質(zhì)，不與羰基試劑羥胺、苯肼等反應(yīng)。羧酸陰離子的穩(wěn)定性有助于氫原子的解離。共軛效應(yīng)對羧酸性質(zhì)的影響第13頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)羧酸的化學(xué)性質(zhì)-活潑H的反應(yīng)酸性羰基的親核加成，然后再消除（表現(xiàn)為羥基的取代）。羰基的親核加成，還原。第14頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（一）酸性與成鹽反應(yīng)第四節(jié)羧酸的化學(xué)性質(zhì)1、酸性第15頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三2、酸性比較羧酸酸性的強弱取決于電離后所形成的羧酸根負(fù)離子(即共軛堿)的相對穩(wěn)定性。第16頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（1）電子效應(yīng)的影響：3、取代基對羧酸酸性的影響__吸電基使負(fù)離子穩(wěn)定供電基使負(fù)離子不穩(wěn)定第17頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三吸電子基團供電子基團i.脂肪酸的酸性：第18頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第19頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三pKa3.324.314.354.81第21頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三二元酸的酸性：

HO2C-CO2HHO2C-CH2-CO2HHO2(CH2)2CO2HHO2C(CH2)4CO2HpKa11.272.854.214.43pKa24.275.705.645.41第22頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三ii.芳香酸的酸性：pKa3.404.034.204.354.47對位有取代基：第23頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三間位有取代基：共軛作用影響很小，通常只考慮誘導(dǎo)效應(yīng)。pKa3.463.824.094.204.28第24頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三鄰位有取代基：

鄰位異構(gòu)體的酸性大于間位和對位(-NH2除外)。pKa2.213.403.46第25頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（2）空間效應(yīng)：

利于H+離解的空間結(jié)構(gòu)酸性強，不利于H+離解的空間結(jié)構(gòu)酸性弱。第26頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（3）分子內(nèi)的氫鍵也能使羧酸的酸性增強。丁烯二酸的酸性：順丁烯二酸的pka1(1.92)較反丁烯二酸的pka1（3.03）??？而順丁烯二酸的pka2（4.54）較反丁烯二酸的pka2（6.59）大？順丁烯二酸第一個氫電離后，與另一個羧基形成氫鍵，體系能量降低，促進一級電離，抑制二級電離。第27頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三4、成鹽反應(yīng)強無機酸>羧酸>碳酸>酚pKa 4~56.3510第28頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三羧酸的鑒別羧酸的分離提純增加藥品溶解第29頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三*1.羧酸鹽是固體。*2.羧酸鹽的溶解度。

鈉、鉀、銨鹽可溶于水，重金屬鹽不溶于水。*3.羧酸根具有堿性和親核性：羧酸鹽能與活潑鹵代烷反應(yīng)。

羧酸鹽的若干性質(zhì)第30頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三?；?/p>

酰氯酸酐酯酰胺羧基中的羥基可以被其他基團取代，生成羧酸衍生物。

（二）羧基中羥基的取代反應(yīng)酰氧鍵斷裂，羥基被取代。第31頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三

1、形成酰鹵亞硫酰氯(二氯亞砜)SOCl2，PCl3，PCl5第32頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三

2、形成酸酐

羧酸失水。加熱、脫水劑：醋酸酐或P2O5等。第33頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三3、酯化反應(yīng)CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O投料1：1產(chǎn)率67% 1：1097%

酯化反應(yīng)是一個可逆的反應(yīng)，為了使正反應(yīng)有利，通常采用的手段是：①使原料之一過量。②不斷移走產(chǎn)物（例如除水，乙酸乙酯、乙酸、水可形成三元恒沸物bp70.4℃）H+（常用的催化劑有鹽酸、硫酸、苯磺酸等）定義：羧酸與醇在酸的催化作用下失去一分子水而生成酯的反應(yīng)稱為酯化反應(yīng)。第34頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三酯化反應(yīng)的機制*（1）加成--消除機制雙分子反應(yīng)一步活化能較高質(zhì)子轉(zhuǎn)移加成消除四面體正離子-H2O-H+按加成--消除機制進行反應(yīng)，是酰氧鍵斷裂第35頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三1OROH，2OROH酯化時按加成--消除機制進行，

且反應(yīng)速率為：

CH3OH>RCH2OH>R2CHOH

HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH第36頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三該反應(yīng)機制已為：①同位素跟蹤實驗②羧酸與光活性醇的反應(yīng)實驗所證實。酯化反應(yīng)機制的證明第37頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三①

3oROH按此反應(yīng)機制進行酯化。②

由于R3C+易與堿性較強的水結(jié)合，不易與羧酸結(jié)合，故逆向反應(yīng)比正向反應(yīng)易進行。所以3oROH的酯化反應(yīng)產(chǎn)率很低。*（2）碳正離子機制屬于SN1機制該反應(yīng)機制也從同位素方法中得到了證明。(CH3)3C-OHH+(CH3)3COH2+-H2O-H+按SN1機制進行反應(yīng)，是烷氧鍵斷裂+(CH3)3COH+H2O第38頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三僅有少量空阻大的羧酸按此反應(yīng)機理進行。*（3）?；x子機制H2SO4(濃)-H+屬于SN1機制。78%第39頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（三）羧酸的氧化還原反應(yīng)羧酸一般不易被氧化。特殊地，甲酸、草酸易被氧化。1.氧化反應(yīng)甲酸——銀鏡反應(yīng)，KMnO4褪色。草酸——KMnO4褪色。第40頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三羧酸不易被還原。在強還原劑作用下可被還原，例如羧酸能用LiAlH4還原。RCOOHRCH2OHLiAlH4H2O2.還原反應(yīng)第41頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（四）羧酸α-H的反應(yīng)

——赫爾－烏爾哈－澤林斯基反應(yīng)

RCH2COOH+Br2PBr3-HBr

RCHCOOHBr1、定義在三氯化磷或三溴化磷等催化劑的作用下，鹵素取代羧酸α-H的反應(yīng)稱為赫爾-烏爾哈-澤林斯基（Hell-Volhard-Zelinsky）反應(yīng)。第42頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三

催化劑的作用是將羧酸轉(zhuǎn)化為酰鹵，酰鹵的α-H具有較高的活性而易于轉(zhuǎn)變?yōu)橄┐际?，從而使鹵化反應(yīng)發(fā)生。所以用10%~30%的乙酰氯或乙酸酐同樣可以起催化作用。

控制鹵素用量可得一元或多元鹵代酸。碘代酸由α-氯（或溴）代酸與KI反應(yīng)來制備。2、反應(yīng)機理RCH2COOHPBr3互變異構(gòu)+Br--HBrRCH2COOH這步反應(yīng)不會逆轉(zhuǎn)第43頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第44頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三

一般的脫羧反應(yīng)不用特殊的催化劑，而是在以下的條件下進行的。（1）加熱（2）堿性條件（3）加熱和堿性條件共存A-CH2-COOHACH3+CO2當(dāng)A為吸電子基團，如：A=COOH，CN，C=O，NO2，CX3，C6H5等時。失羧反應(yīng)極易進行。加熱堿（五）脫羧反應(yīng)羧酸在適當(dāng)條件下，一般都能發(fā)生脫羧反應(yīng)第45頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（2）強的芳香酸不需要催化劑，在H2O中加熱即可脫羧。

芳香羧酸脫羧的幾點說明（1）羧基鄰對位有給電子基團的芳香羧酸，在強酸作用下按負(fù)離子機理脫羧。（3）一般芳香羧酸脫羧需要用石灰或Cu做催化劑。第46頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三(六)二元羧酸受熱后的反應(yīng)失水要加失水劑Ag2O、P2O5、乙酰氯、乙酸酐、三氯氧磷等失羧要加堿：Ba(OH)2、Ca(OH)2等失羰(-CO)

失羧(-CO2)乙二酸、丙二酸（失羧）~160℃丁二酸、戊二酸（失水）~300℃已二酸、庚二酸（失羧、失水）~300℃辛二酸以上為分子間失水柏朗克規(guī)則}甲酸、-羥基酸、-羰基酸受熱均發(fā)生失羰反應(yīng)。第47頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（一）氧化法第五節(jié)羧酸的制備RCNO2/V2O5500oCH2O（二）羧酸衍生物的水解反應(yīng)醇、醛、芳烴、炔、烯、酮（鹵仿反應(yīng)）的氧化第48頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三特點：產(chǎn)物比反應(yīng)物鹵代烷多一個碳，與RCN同.腈的水解反應(yīng)式RX+NaCNRCNRCOOH

H2OH+orHO-醇反應(yīng)注意事項1應(yīng)用于一級RX制腈，產(chǎn)率很好。2芳香鹵代烷不易制成芳腈。3如用鹵代酸與NaCN反應(yīng)制二元酸時，鹵代酸應(yīng)先制成羧酸鹽。ClCH2COOHClCH2COONaNCCH2COONaHOOCCH2COOHNaOHNaCNNaOHH2OH+第49頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三R-CNR-CNHR-C=NHH+++H2O-H+H+H2O+-NH3-H+RCOOH互變異構(gòu)H~腈酸性水解的機理第50頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三腈堿性水解的機理H2O互變異構(gòu)-OHRCOOH+NH2-RCOO-+NH3H+RCOOH第51頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三(1)1oRX、2oRX較好，3oRX需在加壓條件下反應(yīng)（否則易消除）

(2)ArI、ArBr易制成格氏試劑、ArCl較難。

(3)產(chǎn)物比RX多一個碳原子。(三)有機金屬化合物的反應(yīng)格氏試劑和CO2的反應(yīng)RXRMgXRCOOMgXRCOOHCO2H2OMg無水醚討論第52頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（四）丙二酸酯法（參見第十二章）

此方法常用于制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的羧酸（五）通過羰基化合物的縮合反應(yīng)制備1柏琴反應(yīng)芳香醛與酸酐在相應(yīng)羧酸鹽作用下進行親核加成，失去一分子羧酸，生成--芳基-α,-不飽和酸一個最簡單的Perkin反應(yīng)第53頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三Perkin反應(yīng)的一般形式Perkin反應(yīng)機理第54頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三Perkin反應(yīng)的應(yīng)用如何解釋雙鍵的立體化學(xué)?問題:如果先進行環(huán)化,后進行氫化是否可行?為什么?第55頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三2、Knoevenagel反應(yīng)（類似Aldol縮合）特點：含雙活化基團的羰基化合物作為親核部分（提供烯醇負(fù)離子）弱堿催化（一般為胺類化合物或吡啶）第56頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三例：第57頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第六節(jié)取代羧酸CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOHεα第58頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三1α-鹵代酸的合成(赫爾-烏爾哈-澤林斯基反應(yīng))1.鹵代酸的合成2-鹵代酸的合成3、等鹵代酸的合成(二元羧酸的單酯用漢斯狄克反應(yīng)）RCH=CH-COOH+HBrRCHCH2COOH

Br一、鹵代酸第59頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)取代羧酸（1）α-鹵代酸的反應(yīng)R-CH-COOHBrR-CH-COOHR-CH-COOHR-CH-COOHR-CH(COOH)2NaOHH2OH+NH3①

NaHCO3②

NaCNOHNH2CNH3O+相當(dāng)鹵代烴的水解、氨解、氰解一、鹵代酸1.鹵代酸的反應(yīng)第60頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三有-H，在堿作用下，生成,β-不飽和酸

無-H，在堿性CCl4溶液中，生成β-丙內(nèi)酯，在堿水中，β-丙內(nèi)酯開環(huán)。CH3CH2CHBrCH2COOHCH3CH2CH=CHCOOHCH3CH2CH=CHCOONaNaOH-H2OH+（2）β-鹵代酸的反應(yīng)第61頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（2）-和-鹵代酸的反應(yīng)

在堿作用下先生成羧酸鹽，再發(fā)生SN2反應(yīng)生成五元或六元內(nèi)酯。第62頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（1）α-鹵代酸的合成

(赫爾-烏爾哈-澤林斯基反應(yīng))（2）-、-鹵代酸的合成由相應(yīng)不飽和酸與鹵化氫加成制備RCH=CH-COOH+HBrRCHCH2COOHBr2.鹵代酸的制備第63頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三二、羥基酸1.羥基酸的性質(zhì)具有羥基和羧基的各種反應(yīng),由于兩個官能團相互影響,還具有一些特性。（1）酸性3.874.514.86吸電基pKa第64頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（2）脫水反應(yīng)α-羥基酸:兩分子相互酯化,生成六元環(huán)的交酯。α-羥基丙酸丙交酯第65頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三γ-和δ-羥基酸:生成五元環(huán)和六元環(huán)的內(nèi)酯。δ-戊內(nèi)酯δ-羥基戊酸δ位以上為分子間失水生成聚酯。β-羥基酸:分子內(nèi)脫水生成α,β-不飽和酸。第66頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（1）-羥基酸的制備

i.由羰基化合物加HCN，然后水解合成。2.羥基酸的制備ii.由-鹵代酸合成。第67頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三濃在Ag2O存在下，用稀堿作用，構(gòu)型保持。濃堿作用下，構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。濃--構(gòu)型保持第68頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三（2）β-羥基酸的制備i.β-氯醇與NaCN反應(yīng)，再水解。用瑞福爾馬斯基(Reformastsky)反應(yīng)-鹵代酸酯在無水乙醚等非極性溶劑中，首先與鋅生成有機鋅化合物，類似格氏試劑，但活性低，不與酯羰基加成，與醛、酮進行親核加成生成β-羥基酸酯，然后將酯基水解。第69頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三反應(yīng)機理：第70頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三iii.醛β-羥基醛β-羥基酸

iv.用β-羰基酯還原，水解合成。羥醛縮合選擇性氧化第71頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三

將二元酸單酯的酯基還原成醇(3)ω-羥基酸的制備HOOC(CH2)nCOOC2H5HOOC(CH2)nCH2OHNa+C2H5OHorLiBH4H2O第72頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三凡是有生命的物質(zhì)無不含有蛋白質(zhì)，它不僅是細(xì)胞的主要組成部分，而且還可以作為酶催化機體的生化反應(yīng)；作為激素，調(diào)節(jié)機體內(nèi)的不同器官的生理活性?？傊?，沒有蛋白質(zhì)人就不能生存。氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位。三、氨基酸第73頁，共83頁，2023年，2月20日，星期三分子中同時含有氨基和羧基的化合物叫氨基酸。天然存在的氨基酸有300余種，但組成蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，其中