羧酸及其衍生物

關(guān)于羧酸及其衍生物◆羧酸的分類與命名分類：可分為一元、二元、多元羧酸或脂肪酸、芳香酸等根據(jù)來源命名：甲酸又叫蟻酸；乙酸又叫醋酸；苯甲酸又叫安息香酸。系統(tǒng)命名法:－COOH是最優(yōu)官能團(tuán)§8.1羧酸第2頁,共91頁，2024年2月25日，星期天丙烯酸2-丁烯酸β-苯基丙烯酸2-環(huán)己烯基甲酸肉桂酸

第3頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共91頁，2024年2月25日，星期天取代酸第5頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆羧酸的結(jié)構(gòu)⑴由于p-π共軛作用，羰基上電子云密度升高，羰基碳上正電性降低；因此羰基與親核試劑的反應(yīng)活性降低。不能再與HCN等親核試劑進(jìn)行加成反應(yīng)。

⑵羥基O上電子云密度下降，O-H鍵變?nèi)?，容易斷裂，電離出質(zhì)子（H+），故表現(xiàn)為有一定的酸性COOHCH3第6頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆羧酸的物理性質(zhì)第7頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

羧酸是極性分子，能與水形成氫鍵，故低級(jí)一元酸可與水互溶，但隨M↑，在水中的溶解度↓，從正戊酸開始在水中的溶解度只有3.7%，＞C10的羧酸不溶于水。b.p：羧酸＞M相同的醇。IR譜：OH伸縮振動(dòng)—二聚體：2500~3300cm-1(寬而散)；單體：3550cm-1(氣態(tài)或非極性溶劑的稀溶液)。第8頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

芳香族羧酸：1680~1700cm-1NMR譜：RCH2COOHR2CHCOOHRCOOH

C=O伸縮振動(dòng)—脂肪族羧酸：1700~1725cm-1

第9頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆羧酸的化學(xué)性質(zhì)第10頁,共91頁，2024年2月25日，星期天1.酸性①羥基O上電子云密度下降，O-H鍵變?nèi)?，容易斷裂，電離出質(zhì)子（H+），故表現(xiàn)為有一定的酸性。②p-

共軛使羧酸根負(fù)離子中氧負(fù)離子的負(fù)電荷均勻地分散在兩個(gè)氧原子上,使羧酸根負(fù)離子更穩(wěn)定，容易生成；也使羧酸的酸性增強(qiáng)。第11頁,共91頁，2024年2月25日，星期天大多數(shù)羧酸的酸性pKa值在3.5-5之間，比鹽酸、硫酸等無機(jī)強(qiáng)酸弱，強(qiáng)于苯酚（pKa=10）、碳酸（pKa=6.3）和醇（pKa=16-19）。羧酸可分解碳酸氫鈉生成二氧化碳，而苯酚則不能?？设b別羧酸及苯酚。第12頁,共91頁，2024年2月25日，星期天羧酸的酸性強(qiáng)弱

與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。Y-CH2COOH取代基Y吸電子能力越強(qiáng)，相應(yīng)的羧酸酸性也越強(qiáng)。取代基Y供電子能力越強(qiáng)，酸性越弱第13頁,共91頁，2024年2月25日，星期天吸電子取代基增多時(shí)，也使相應(yīng)羧酸的酸性增加。HCOOHH3COOH(CH3)2CHCOOH(CH3)3CCOOH烷基的影響：pKa

3.754.764.865.05第14頁,共91頁，2024年2月25日，星期天吸電子取代基離羧基距離越近時(shí)，誘導(dǎo)效應(yīng)增強(qiáng)，羧酸酸性也增強(qiáng)。當(dāng)取代基與羧基相距三個(gè)碳原子以上時(shí)，誘導(dǎo)效應(yīng)的影響，就非常小了。

CH3CH2CH2COOHPka＝4.81第15頁,共91頁，2024年2月25日，星期天苯甲酸的酸性：比一般的脂肪酸（甲酸除外）的酸性強(qiáng)。第16頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆苯環(huán)上取代基對(duì)羧酸酸性的影響

取代苯甲酸的酸性與取代基的種類有關(guān)，也與取代基在苯環(huán)上的位置有關(guān)。取代基在對(duì)位時(shí)可通過誘導(dǎo)效應(yīng)或共軛效應(yīng)影響苯甲酸的酸性，而在間位時(shí)則只通過誘導(dǎo)效應(yīng)起作用。pKa3.423.494.20第17頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

取代基處于鄰位時(shí)，無論這個(gè)取代基是吸電子基還是供電子基(－NH2除外)，都將使酸性↑，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因較為復(fù)雜，諸如立體效應(yīng)、氫鍵等?？偡Q為鄰位效應(yīng)。

值得注意的是：第18頁,共91頁，2024年2月25日，星期天pKa4.924.394.193.973.42與取代基對(duì)苯酚酸性的影響規(guī)律一致第19頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2.羧羥基被取代的反應(yīng)

（羧酸衍生物的合成）

酰鹵酰胺酯

酸酐第20頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

(1)酰鹵RCOX的生成

除HCOOH外，羧酸可PCl3、PCl5、SOCl2作用，羧酸中的羥基被氯原子取代生成酰氯。如：

亞磷酸不易揮發(fā)，故該法適用于制備低沸點(diǎn)酰氯。

磷酰氯沸點(diǎn)較低(105.3℃)，故適用于制備高沸點(diǎn)酰氯b.p.118℃75℃52℃200℃分解b.p.249℃197℃105.3℃第21頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

該法的副產(chǎn)物均為氣體，有利于分離，且產(chǎn)率較高。

(2)酸酐的生成

選用何種方法，取決于原料、產(chǎn)物與副產(chǎn)物之間的沸點(diǎn)差(沸點(diǎn)差越大，越容易分離)。酰鹵易于水解，故不能用水洗的方法除去反應(yīng)中的無機(jī)物。

除HCOOH外，羧酸與脫水劑[P2O5或(CH3CO)2O]共熱，兩分子羧酸則發(fā)生分子間脫水生成酸酐。第22頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

用乙酸酐作脫水劑不僅價(jià)格便宜，而且它易于吸水生成乙酸，容易除去，故常用來制備高沸點(diǎn)的羧酸酐。

羧酸的分子間脫水只適用于制備簡單酸酐。

混合酸酐可用酰鹵與羧酸鹽一起共熱的方法來制備。第23頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

某些二元酸，只需加熱即可分子內(nèi)脫水生成五元

環(huán)或六元環(huán)的酸酐。如：第24頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

(3)酯的生成

羧酸與醇在酸催化下作用，脫去一分子水生成酯的反應(yīng)，稱為酯化反應(yīng)。

酯化反應(yīng)是典型的可逆反應(yīng)，為了提高酯的產(chǎn)率，可根據(jù)平衡移動(dòng)原理，或增加反應(yīng)物濃度，或減少生成物濃度，使平衡向右移動(dòng)。第25頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

脫水方式

酯化時(shí)，羧酸和醇之間脫水可有兩種不同的方式：

脫水方式取決于與羧酸和醇的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)條件。第26頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

經(jīng)同位素標(biāo)記醇的辦法證實(shí)：伯醇和仲醇與羧酸的酯化是按酰氧鍵斷裂進(jìn)行的。

叔醇與羧酸的酯化是按烷氧鍵斷裂進(jìn)行的。第27頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆羧酸結(jié)構(gòu)的影響：

羧酸分子中烴基增大，空間位阻↑，不利于ROH的進(jìn)攻，酯化速率↓。故對(duì)同一種醇言，不同羧酸的反應(yīng)活性順序是：

影響酯化反應(yīng)速率的因素◆醇的結(jié)構(gòu)的影響：

在酸性介質(zhì)中，叔醇易發(fā)生消除反應(yīng)，生成烯烴。第28頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

空間位阻較大的脂肪羧酸或反應(yīng)性弱的芳香族羧酸，或叔醇和酚的酯化，先將羧酸轉(zhuǎn)化為酰鹵，酯化效果較好。第29頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

(4)酰胺的生成

羧酸與NH3或RNH2、R2NH作用，生成銨鹽，然后加熱脫水生成酰胺或N-取代酰胺。如：200℃第30頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

3.脫羧反應(yīng)羧酸或其鹽脫去羧基(失去CO2)的反應(yīng)脂肪一元羧酸難于脫羧。如果羧酸的α-碳上連有較強(qiáng)吸電基時(shí)，加熱至100-200℃，脫羧反應(yīng)較易進(jìn)行；第31頁,共91頁，2024年2月25日，星期天β-酮酸和β-二元羧酸的脫羧反應(yīng)在有機(jī)合成中有廣泛的應(yīng)用第32頁,共91頁，2024年2月25日，星期天4.α-氫的鹵代反應(yīng)

羧基與羰基相似，能使α-氫活化，但活化作用比羰基小,羧酸的α-氫活性較低。其鹵代一般要在少量紅磷存在下進(jìn)行。第33頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共91頁，2024年2月25日，星期天α-鹵代酸是一種重要的取代酸，它可以發(fā)生與鹵代烴相似的親核取代或消去反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)變成其它的取代酸。第35頁,共91頁，2024年2月25日，星期天BrCH2COOHNCCH2COOHα-氰基乙酸CH3COOHBr2,PNaCNH3+O,△HOOCCH2COOH又如：第36頁,共91頁，2024年2月25日，星期天5.羧基的還原反應(yīng)

羧酸很難發(fā)生還原反應(yīng)（催化加氫不能）。只有還原能力特別強(qiáng)的試劑（如氫化鋁鋰）可使羧酸還原成伯醇，但不會(huì)影響分子中的碳-碳雙鍵。第37頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆羧酸的來源和制備天然油脂水解可得到高級(jí)脂肪酸及甘油。第38頁,共91頁，2024年2月25日，星期天羧酸的合成方法1.氧化法1).烯烴的氧化

2).芳環(huán)側(cè)鏈的氧化KMnO4/H+第39頁,共91頁，2024年2月25日，星期天4).伯醇和醛的氧化:常用的氧化劑有

KMnO4/H2SO4,K2Cr2O7/H2SO4

3).萘環(huán)的氧化開環(huán)：KMnO4(K2Cr2O7)/H2SO4第40頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2.腈水解

腈在酸性或堿性溶液中可水解成羧酸。腈可用伯、仲鹵代烷與氰化鈉(鉀)反應(yīng)得到，再經(jīng)水解后可以得到比原來的鹵代烴多一個(gè)碳原子的羧酸。第41頁,共91頁，2024年2月25日，星期天3.格氏試劑與干冰反應(yīng)

格氏試劑與干冰（CO2）的加成產(chǎn)物，水解后可以得到羧酸。由鹵代烴通過制備格氏試劑再得到比原來鹵代烴多一個(gè)碳原子的羧酸。對(duì)鹵代烴的結(jié)構(gòu)無限制。不能用腈水解的方法?第42頁,共91頁，2024年2月25日，星期天4.甲基酮的鹵仿反應(yīng)

——制備減少一個(gè)碳原子的羧酸第43頁,共91頁，2024年2月25日，星期天§8.2取代酸

羧酸分子中烴基上的氫原子被其它原子或基團(tuán)取代的化合物。鹵代酸、羥基酸、羰基酸及氨基酸等是重要的取代酸。取代酸是多官能團(tuán)化合物。取代酸往往還表現(xiàn)出一些新的特性。第44頁,共91頁，2024年2月25日，星期天一、羥基酸：含有羥基的羧酸羥基酸可分為醇酸和酚酸。

羥基連在羧酸的飽和碳原子上稱為醇酸，根據(jù)羥基與羧基的位置關(guān)系，可稱為α-，β-，γ……羥基酸。羥基連在羧酸碳鏈的末端稱為ω-羥基酸。羥基在芳環(huán)上的芳香族羧酸稱為酚酸。第45頁,共91頁，2024年2月25日，星期天1.羥基酸的制法

α-羥基酸可由α-鹵代酸水解制備α-羥基酸也可由羥基氰水解

第46頁,共91頁，2024年2月25日，星期天β-羥基酸可由瑞弗馬斯基（Reformasky）反應(yīng)制備。BrZnCH2R親核性比Grignard試劑小，不活潑,不會(huì)進(jìn)攻酯中的羰基。不能用Mg，因?yàn)樯葿rMgCH2R要與酯基反應(yīng)，所以不能生成

BrMgCH2COOC2H5BrCH2COOC2H5Zn醚BrZnCH2COOC2H5CH3CHOCH3CHCH2COOC2H5OZnBrH2OCH3CHCH2COOC2H5OHCH3CHCH2COOHOHH3+O第47頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2.羥基酸的性質(zhì)

由于分子中羥基和羧基均能與水形成氫鍵，所以羥基酸在水中溶解度比相應(yīng)羧酸大。羥基酸兼有醇和羧酸的性質(zhì)，同時(shí)兩個(gè)基團(tuán)互相影響，又使羥基酸具有一些特性。第48頁,共91頁，2024年2月25日，星期天1).羥基酸的酸性

比母體羧酸酸性強(qiáng)。羥基距羧基距離越近酸性越強(qiáng)。第49頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2).脫水反應(yīng):-OH位置不同，脫水產(chǎn)物也不同α-羥基酸受熱時(shí)，在兩分子間酯化脫水生成六元環(huán)交酯

第50頁,共91頁，2024年2月25日，星期天β-羥基酸在加熱時(shí)發(fā)生分子內(nèi)脫水，生成α，β-不飽和羧酸γ-或δ-羥基酸受熱時(shí)，生成比較穩(wěn)定的

五元或六元環(huán)內(nèi)酯。第51頁,共91頁，2024年2月25日，星期天二、氨基酸

氨基取代羧酸分子中烴基上的氫形成的取代酸;分子中含有氨基和羧基兩種官能團(tuán)。P450第52頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆氨基酸命名

氨基酸的系統(tǒng)命名是把氨基作為取代基，羧酸作為母體，稱為氨基某酸。

第53頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

氨基酸按分子中所含－NH2和－COOH的相對(duì)位置，可將其分為：其中最重要的是α-氨基酸，是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單元。

第54頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

2.堿性氨基酸：分子中－NH2和－COOH的數(shù)目相等。如

分子中－NH2數(shù)目＞－COOH數(shù)目。如3.酸性氨基酸：

分子中－COOH數(shù)目＞－NH2

數(shù)目。如：1.中性氨基酸：

這20多種α-氨基酸又可分為：第55頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

★蛋白質(zhì)水解得到的天然氨基酸，其構(gòu)型均為L–型。

除甘氨酸H2NCH2COOH外，其他的氨基酸的α-碳原子都是手性碳，因而都具有旋光性。其構(gòu)型與甘油醛的關(guān)系是：◆氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：第56頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆氨基酸的性質(zhì)

氨基酸都是無色結(jié)晶固體，一般熔點(diǎn)在200℃以上，多數(shù)氨基酸能溶于水，而不溶于非極性有機(jī)溶劑。氨基酸是既含有氨基，又含有羧基的雙（或多）官能團(tuán)化合物，-NH2和-COOH除各自表現(xiàn)其堿性或酸性外，還具有它們相互影響而產(chǎn)生的特性。第57頁,共91頁，2024年2月25日，星期天氨基酸在一般情況下以內(nèi)鹽的形式存在，這是氨基酸具有高熔點(diǎn)和能溶于水的根本原因。在強(qiáng)酸性溶液中則以正離子存在，在強(qiáng)堿性溶液中則以負(fù)離子存在。

氨基酸在溶液中存在下列平衡：內(nèi)鹽第58頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆氨基酸的制備

以含羧基的化合物為原料，引入氨基第59頁,共91頁，2024年2月25日，星期天§8.3羧酸衍生物羧酸衍生物的通式是

分別稱為酰鹵、酸酐、酯和酰胺，又稱酰基化合物。第60頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

一、羧酸衍生物的命名1.酰鹵：將相應(yīng)的“酸”改為“酰鹵”即可乙酰氯丙烯酰溴苯甲酰氯第61頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2.酸酐：a.兩分子酸相同，將相應(yīng)的“酸”改為“酸酐”乙酸酐順甲基丁烯二酸酐苯甲酸酐鄰苯二甲酸酐第62頁,共91頁，2024年2月25日，星期天b.兩分子酸不同乙(酸)丙(酸)酐3.酰胺：a.-NH2上無取代基，將相應(yīng)的“酸”改為“酰胺”乙酰胺第63頁,共91頁，2024年2月25日，星期天酰胺：b.-NH2上有取代基，則稱“N-某代某酰胺”N-甲基苯甲酰胺N,N-二甲基甲酰胺DMF非質(zhì)子極性溶劑N-溴代丁二酰亞胺NBS第64頁,共91頁，2024年2月25日，星期天4.酯：由來源命名，稱為“某酸某酯”

◆若醇是多元醇，則將羧酸名稱放在后面，稱為“某醇某酸酯”乙二醇二乙酸酯第65頁,共91頁，2024年2月25日，星期天二、羧酸衍生物的結(jié)構(gòu)

羧酸衍生物的結(jié)構(gòu)與羧酸類似，?；紴閟p2雜化Cl,O,N等原子都有孤對(duì)電子，可與C＝O

形成P-π共軛體系；羰基受到影響，故與醛酮的性質(zhì)不同。第66頁,共91頁，2024年2月25日，星期天L基團(tuán)不同，與羰基的p-π共軛效應(yīng)和-I效應(yīng)的程度不同，羧酸衍生物的性質(zhì)也就有所不同。羧酸衍生物有類似的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)上也有相似之處第67頁,共91頁，2024年2月25日，星期天1.?；系挠H核取代(親核加成-消去)反應(yīng)

三、羧酸衍生物的化學(xué)性質(zhì)連有兩個(gè)吸電基團(tuán)（L與Nu）δ+δ-第68頁,共91頁，2024年2月25日，星期天①羰基碳原子連有吸電基團(tuán)，使反應(yīng)活性↑；反之反應(yīng)活性↓；②離去基團(tuán)的穩(wěn)定性↑，易于離去，反應(yīng)活性↑。反應(yīng)活性：取決于羰基碳原子的正電性和離去基團(tuán)的穩(wěn)定性-Cl和酯基的強(qiáng)-I效應(yīng)和弱+C效應(yīng)，-I>+C，使羰基C的正電性增加；故酰氯和酸酐的活性較高，其中酰氯的反應(yīng)活性最高。

-NH2的弱-I效應(yīng)和強(qiáng)+C效應(yīng)，-I<+C使羰基C的正電性降低，且-NH2難于離去，故酰胺的反應(yīng)活性最低。第69頁,共91頁，2024年2月25日，星期天(1)水解酰氯和低級(jí)酸酐在空氣中吸濕即可水解。酯與酰胺需要加入堿或酸作催化劑，加熱才能水解。第70頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第71頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

(2)醇解：產(chǎn)物為酯很難反應(yīng)H+第72頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

酰鹵、酸酐很容易醇解，生成其它方法難以得到的酯第73頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

酯與醇作用，生成新的酯和新的醇，故又稱為酯交換反應(yīng)。該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，一般適用于從低沸點(diǎn)酯制備高沸點(diǎn)酯。如：第74頁,共91頁，2024年2月25日，星期天(3)氨解：

酰鹵、酸酐和酯均可與氨或胺作用，生成相應(yīng)的酰胺或N-取代酰胺

第75頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

酰氯和酸酐在水解、醇解、氨解中反應(yīng)活性都很強(qiáng)。通過反應(yīng)，在其他分子中引入了酰基，因此酰氯、酸酐都是常用的酰基化試劑。如：第76頁,共91頁，2024年2月25日，星期天2、與Grignard試劑作用

四種羧酸衍生物均可與Grignard試劑作用，生成相應(yīng)的叔醇；常用的是酯和酰鹵(尤其是酯)。

酰氯與格氏試劑反應(yīng)的活性大于酮；為什么？第77頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆當(dāng)溫度升高，又有過量的格氏試劑存在時(shí)，則生成的酮會(huì)繼續(xù)與格氏試劑反應(yīng)生成叔醇。低溫下酰氯與等摩爾格氏試劑反應(yīng)，可停留在酮的階段。第78頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆酯與格氏試劑反應(yīng)活性低于酮，一般不停留在生成酮的階段，而直接生成叔醇

第79頁,共91頁，2024年2月25日，星期天3、還原反應(yīng)羧酸衍生物一般比羧酸容易被還原催化氫化：①酰鹵、酸酐、酯還原成伯醇②酰胺還原成胺;③同時(shí)還原碳碳不飽和鍵第80頁,共91頁，2024年2月25日，星期天◆金屬氫化物還原羧酸衍生物

氫化鋁鋰(LiAlH4)可將酰氯、酸酐和酯還原成伯醇，將酰胺還原為胺。氫化鋁鋰(LiAlH4)不會(huì)還原分子中的碳-碳雙鍵；但其它不飽和基團(tuán),包括-COOH皆可被還原。硼氫化鈉(NaBH4)一般只能還原酰氯/醛酮/-NO2。第81頁,共91頁，2024年2月25日，星期天第82頁,共91頁，2024年2月25日，星期天羅森門德（Rosenmund）還原法：酰氯在Pd-BaSO4的催化下加氫可被還原成醛，具有高度的選擇性。第83頁,共91頁，2024年2月25日，星期天

酰胺雖有堿性，但堿性很弱，很難與酸形成穩(wěn)定的鹽。一般可以認(rèn)為酰胺是中性化合物。

4、酰胺氮原子上的反應(yīng)

(1)酰胺的酸堿性N原子上的未共用電子對(duì)與羰基形成

p,π-共軛體系，使得