2024年度有機(jī)化學(xué)第十三章羧酸

有機(jī)化學(xué)第十三章羧酸12024/2/3目錄CONTENTS羧酸概述與分類羧酸物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)羧酸制備方法探討羧酸衍生物及其性質(zhì)研究羧酸在生物體內(nèi)作用和意義實(shí)驗(yàn)部分：羧酸相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作指南22024/2/301CHAPTER羧酸概述與分類32024/2/3羧酸是一類有機(jī)化合物，其分子中含有羧基（-COOH）官能團(tuán)。定義羧酸分子中的羧基由一個(gè)碳原子和兩個(gè)氧原子組成，其中一個(gè)氧原子以雙鍵與碳原子相連，另一個(gè)氧原子以單鍵與氫原子相連。羧基具有極性，使得羧酸分子在化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)羧酸定義及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)42024/2/3分類根據(jù)羧酸分子中碳原子的數(shù)量和結(jié)構(gòu)不同，可將其分為脂肪族羧酸和芳香族羧酸兩大類。脂肪族羧酸按碳原子數(shù)不同又可分為甲酸、乙酸、丙酸等；芳香族羧酸包括苯甲酸、苯乙酸等。命名規(guī)則羧酸的命名以羧基所連接的烴基為基礎(chǔ)，稱為某酸。例如，甲酸（HCOOH）中羧基連接的是甲基（-CH3），因此命名為甲酸；苯甲酸（C6H5COOH）中羧基連接的是苯基（-C6H5），因此命名為苯甲酸。羧酸分類與命名規(guī)則52024/2/3羧酸廣泛存在于自然界中，如動(dòng)植物體內(nèi)的脂肪酸、氨基酸等。此外，許多羧酸也以酯的形式存在于香精油、樹脂等天然產(chǎn)物中。存在形式羧酸及其衍生物在化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、香料等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。例如，乙酸可用作溶劑、酸味劑、合成纖維的原料等；苯甲酸可用作防腐劑、染料中間體等；氨基酸則是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單元，具有重要的營養(yǎng)價(jià)值。應(yīng)用領(lǐng)域自然界中存在形式及應(yīng)用領(lǐng)域62024/2/302CHAPTER羧酸物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)72024/2/3大部分羧酸在常溫下為無色至淺黃色的液體或低熔點(diǎn)固體，具有刺激性氣味。外觀與狀態(tài)羧酸易溶于水和有機(jī)溶劑，特別是極性有機(jī)溶劑。溶解性羧酸的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)通常比相應(yīng)的醇高，這是由于羧酸分子間可以形成較強(qiáng)的氫鍵。熔沸點(diǎn)物理性質(zhì)介紹82024/2/3酸性酯化反應(yīng)還原反應(yīng)脫羧反應(yīng)化學(xué)性質(zhì)分析羧酸具有酸性，可以與堿反應(yīng)生成相應(yīng)的鹽和水。其酸性比碳酸強(qiáng)，但比硫酸、鹽酸等無機(jī)酸弱。羧酸可以被還原劑（如氫化鋁鋰）還原為相應(yīng)的醇。羧酸可以與醇發(fā)生酯化反應(yīng)，生成酯和水。這是有機(jī)合成中常用的反應(yīng)之一。在特定條件下，羧酸可以發(fā)生脫羧反應(yīng)，失去二氧化碳生成相應(yīng)的烴或烴的衍生物。92024/2/3第二季度第一季度第四季度第三季度取代反應(yīng)加成反應(yīng)縮合反應(yīng)重排反應(yīng)反應(yīng)類型總結(jié)羧酸中的羥基可以被鹵素、氨基、烷氧基等取代，生成相應(yīng)的衍生物。雖然羧酸中的碳氧雙鍵通常不易發(fā)生加成反應(yīng)，但在特定條件下（如催化氫化），也可以發(fā)生加成反應(yīng)。兩分子羧酸在脫水劑存在下可以發(fā)生縮合反應(yīng)，生成酸酐；或者與醇發(fā)生縮合反應(yīng)，生成酯。此外，還可以與氨或胺類化合物發(fā)生縮合反應(yīng)，生成酰胺。在某些情況下，羧酸可以發(fā)生分子內(nèi)的重排反應(yīng)，生成結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定的異構(gòu)體。例如，酮酸在加熱條件下可以發(fā)生脫羧重排反應(yīng)。102024/2/303CHAPTER羧酸制備方法探討112024/2/3氧化法是通過將醇、醛、酮等有機(jī)化合物氧化成相應(yīng)的羧酸來制備。常用的氧化劑包括高錳酸鉀、重鉻酸鉀、硝酸等。氧化反應(yīng)通常在反應(yīng)釜中進(jìn)行，需要配備攪拌裝置、加熱裝置、冷卻裝置以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。此外，還需要對(duì)尾氣進(jìn)行處理，以防止環(huán)境污染。氧化法制備原理及設(shè)備介紹設(shè)備原理122024/2/3鹵仿反應(yīng)在制備中應(yīng)用鹵仿反應(yīng)原理鹵仿反應(yīng)是指甲基酮類化合物或能被次鹵酸鈉氧化成甲基酮的化合物，在堿性條件下與鹵素作用生成鹵仿和羧酸鹽的反應(yīng)。應(yīng)用鹵仿反應(yīng)在羧酸制備中具有重要應(yīng)用，尤其適用于制備具有特殊結(jié)構(gòu)的羧酸。例如，通過鹵仿反應(yīng)可以合成α-鹵代羧酸和β-鹵代羧酸等。132024/2/3通過腈類化合物在酸性或堿性條件下水解生成相應(yīng)的羧酸。腈水解法酯類化合物在酸性或堿性條件下水解生成羧酸和醇。酯水解法通過格氏試劑與二氧化碳或干冰反應(yīng)制備羧酸。格氏試劑法芳香族化合物與二氧化碳在催化劑作用下反應(yīng)生成芳香族羧酸。科爾貝-施密特反應(yīng)其他制備方法簡介142024/2/304CHAPTER羧酸衍生物及其性質(zhì)研究152024/2/3衍生物種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)酰鹵羧酸分子中的羥基被鹵素原子取代后形成的化合物，如乙酰氯、苯甲酰氯等。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為含有C=O雙鍵和鹵素原子。酸酐兩分子羧酸失去一分子水形成的化合物，如乙酸酐、苯甲酸酐等。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為含有兩個(gè)C=O雙鍵和一個(gè)氧原子。酯羧酸分子中的羥基被烷氧基取代后形成的化合物，如乙酸乙酯、苯甲酸甲酯等。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為含有C=O雙鍵和酯基。酰胺羧酸分子中的羥基被氨基取代后形成的化合物，如乙酰胺、苯甲酰胺等。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為含有C=O雙鍵和酰胺基。162024/2/3物理性質(zhì)羧酸衍生物通常為無色或淡黃色液體或固體，具有特殊的氣味。它們的沸點(diǎn)、熔點(diǎn)和溶解度等物理性質(zhì)因種類和結(jié)構(gòu)不同而有所差異?；瘜W(xué)性質(zhì)羧酸衍生物具有多種化學(xué)性質(zhì)，如酰鹵易發(fā)生水解反應(yīng)生成相應(yīng)的羧酸和鹵化氫；酸酐可與水、醇、氨等反應(yīng)生成相應(yīng)的羧酸、酯或酰胺；酯可在酸性或堿性條件下水解生成相應(yīng)的羧酸和醇；酰胺可在酸性或堿性條件下水解生成相應(yīng)的羧酸和胺。衍生物物理和化學(xué)性質(zhì)分析172024/2/3衍生物合成方法探討酰鹵的合成可通過羧酸與鹵化磷、鹵化亞砜等試劑反應(yīng)制備酰鹵。酸酐的合成可通過兩分子羧酸在脫水劑存在下加熱制備酸酐。酯的合成可通過羧酸與醇在酸性或堿性條件下反應(yīng)制備酯。常用的酸性催化劑有硫酸、鹽酸等，常用的堿性催化劑有氫氧化鈉、氫氧化鉀等。酰胺的合成可通過羧酸與氨或胺在脫水劑存在下加熱制備酰胺。常用的脫水劑有氯化亞砜、五氧化二磷等。182024/2/305CHAPTER羧酸在生物體內(nèi)作用和意義192024/2/3來源生物體內(nèi)羧酸主要通過糖、脂肪和蛋白質(zhì)的代謝產(chǎn)生，如糖酵解和三羧酸循環(huán)過程中產(chǎn)生的丙酮酸、檸檬酸等。去路羧酸在生物體內(nèi)經(jīng)過一系列代謝反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水排出體外，或者用于合成其他生物分子，如氨基酸、脂肪酸等。生物體內(nèi)羧酸來源和去路202024/2/3檸檬酸丙酮酸草酸蘋果酸生物體內(nèi)重要羧酸及其功能01020304參與三羧酸循環(huán)，為生物體提供能量。糖酵解的重要產(chǎn)物，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乳酸或進(jìn)入三羧酸循環(huán)。參與植物的光合作用和代謝過程。參與蘋果酸-天冬氨酸穿梭，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的酸堿平衡。212024/2/3由于胰島素分泌不足或作用障礙，導(dǎo)致糖代謝紊亂，丙酮酸等羧酸在體內(nèi)積累。糖尿病乳酸酸中毒草酸尿癥酮癥酸中毒由于缺氧或糖酵解途徑受阻，導(dǎo)致乳酸在體內(nèi)大量積累，引起酸中毒。由于體內(nèi)草酸代謝異常，導(dǎo)致草酸在尿液中大量排出，容易形成腎結(jié)石。由于脂肪代謝異常，產(chǎn)生大量酮體，包括乙酰乙酸、β-羥丁酸等羧酸，引起酸中毒。羧酸代謝紊亂相關(guān)疾病222024/2/306CHAPTER實(shí)驗(yàn)部分：羧酸相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作指南232024/2/3VS掌握羧酸的基本性質(zhì)、合成方法和實(shí)驗(yàn)操作技巧；了解羧酸在實(shí)際應(yīng)用中的重要性。原理介紹羧酸是一類含有羧基（-COOH）的有機(jī)化合物，具有酸性、酯化反應(yīng)等特性。本實(shí)驗(yàn)將通過合成、提純和性質(zhì)測定等操作，深入了解羧酸的基本性質(zhì)和反應(yīng)機(jī)理。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮斫榻B242024/2/3步驟四實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析。整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，結(jié)合理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。步驟一羧酸的合成。根據(jù)所選原料和合成方法，按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行羧酸的合成。注意控制反應(yīng)條件，確保實(shí)驗(yàn)安全。步驟二羧酸的提純。通過重結(jié)晶、蒸餾等方法，對(duì)合成的羧酸進(jìn)行提純處理，以獲得高純度的產(chǎn)品。步驟三性質(zhì)測定。對(duì)提純后的羧酸進(jìn)行熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等物理性質(zhì)的測定；通過酸堿滴定法測定其酸度；觀察并記錄羧酸與不同試劑的反應(yīng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)步驟詳解252024/2/3根據(jù)實(shí)