第八章 羧酸羧酸衍生物及取代酸

1、,羧酸是分子中含有羧基（COOH）官能團(tuán)的含氧有機化合物。除甲酸和乙二酸外，所有的羧酸都可以看作是烴分子中的氫原子被羧基取代后的化合物。羧酸分子中羧基上的羥基被其它原子或原子團(tuán)取代后生成的化合物稱為羧酸衍生物 （如酰鹵、酸酐、酯和酰胺等）。 羧酸分子中烴基上的氫原子被其它原子或基團(tuán)取代的產(chǎn)物稱為取代酸（如鹵代酸、羥基酸、羰基酸和氨基酸等）。,第八章 羧酸、羧酸衍生物及取代酸,第一節(jié) 羧 酸 一、羧酸的分類和命名 1. 羧酸的分類 根據(jù)羧酸分子中烴基的種類不同，可將羧酸分為脂肪羧酸（飽和脂肪及不飽和脂肪羧酸）、脂環(huán)羧酸（飽和脂環(huán)及不飽和脂環(huán)羧酸）、芳香羧酸。 根據(jù)羧酸分子中羧基的數(shù)目不同，可將羧

2、酸分為一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸等。,2. 羧酸的命名 羧酸常用的命名方法有俗名和系統(tǒng)命名兩種。 俗名是根據(jù)羧酸的最初來源（天然產(chǎn)物）而命名的。脂肪族一元羧酸的系統(tǒng)命名方法與醛的命名法相似，即首先選擇含有羧基的最長碳鏈作為主鏈，根據(jù)主鏈的碳原子數(shù)目稱為“某酸”。主鏈碳原子的編號從羧基碳原子的一端開始，用阿拉伯?dāng)?shù)字或用希臘字母（、）表示取代基的位置，將取代基的位次及名稱寫在主鏈名稱之前。,2,3-二甲基己酸或、-二甲基己酸,3-甲基丁酸 或 -甲基丁酸,丙烯酸 2-丁烯酸（巴豆酸） 2,4-二甲基-3-己烯酸,乙二酸 丙二酸 丁二酸 甲基丁二酸 （草酸） （縮蘋果酸） （琥珀酸）,芳香羧酸和脂

3、環(huán)羧酸的系統(tǒng)命名一般把環(huán)作為取代基。,苯甲酸（安息香酸） 3-苯基丙烯酸（肉桂酸） 鄰羥基苯甲酸（水楊酸）,鄰苯二甲酸 3-環(huán)己基丙酸 1-萘乙酸或 萘乙酸,二、羧酸的結(jié)構(gòu) 在羧酸分子中，羧基C原子是sp2雜化的，它的三個sp2雜化軌道分別與一個-C原子和兩個O原子形成三個共平面的鍵，其未參與雜化的p軌道與羰基O原子的p軌道形成鍵。而羧基中羥基O原子是不等性sp2雜化的，O原子上的未共用電子對與羧基中的C=O形成p-共軛體系。,羧酸的主要反應(yīng)：,羧酸分子的極性比水和醇都強，所以羧酸分子之間或羧酸和水分子之間極易通過氫鍵發(fā)生締合，甚至在氣相時，羧酸的低級同系物仍以雙分子締合狀態(tài)存在。,三、羧酸的

4、物理性質(zhì) 室溫下，十個碳原子以下的飽和一元脂肪羧酸是有刺激性或腐敗氣味的液體，十個碳原子以上的脂肪羧酸是蠟狀固體，飽和二元脂肪羧酸和芳香羧酸在室溫下是結(jié)晶狀固體。 直鏈飽和一元羧酸的熔點隨分子量的增加而呈鋸齒狀變化，偶數(shù)碳原子的羧酸比相鄰兩個奇數(shù)碳原子的羧酸熔點都高，這是由于含偶數(shù)碳原子的羧酸碳鏈對稱性比含奇數(shù)碳原子羧酸的碳鏈好，在晶格中排列較緊密，分子間作用力大，需要較高的溫度才能將它們彼此分離，所以熔點較高。 羧酸在水中的溶解度比相應(yīng)的醇大。,羧酸的沸點比分子量相近的烷烴、鹵代烴、醇、醛、酮的沸點高。 分子量較小的羧酸，如甲酸、乙酸，即使在氣態(tài)時也以雙分子二締合體的形式存在：,四、羧酸的化

5、學(xué)性質(zhì) （一）酸性和成鹽反應(yīng) 1. 酸性 羧酸具有酸性，在水溶液中能解離出H+，其水溶液顯酸性。,RCOOH + NaOH,RCOONa + H2O,RCOOH + Na,RCOONa + 2H2,RCOOH + NaHCO3,RCOONa + H2O + CO2,RCOONa,RCOOH + NaCl,2. 取代基對酸性的影響,（1）吸電子基團(tuán)的吸電子能力越強，酸性越強：,pKa 4.76 3.12 2.90 2.86 2.59,（2）吸電子基團(tuán)的數(shù)目增加，酸性越強：,pKa 4.76 2.86 1.26 0.64,pKa 4.82 4.52 4.06 2.86,（3）吸電子基團(tuán)距離羧基越近

6、，酸性越強：,（4）當(dāng)烴基上連有供電子基團(tuán)時，基團(tuán)的供電子能力越強，羧酸的酸性就愈弱。供電子基團(tuán)的數(shù)目增加，酸性減弱：,pKa 3.75 4.76 4.85 5.05,（5）二元羧酸中，由于羧基是吸電子基團(tuán)，兩個羧基相互影響使一級解離常數(shù)比一元飽和羧酸大，這種影響隨著兩個羧基距離的增大而減弱。,（6）當(dāng)芳香環(huán)上有吸電子基團(tuán)時，酸性增強，有供電子基團(tuán)時，酸性減弱：,pKa 4.89 4.37 4.21 3.99 3.44,（二）羧酸衍生物的生成 在一定條件下，羧基中的羥基被被鹵素（X）、酰氧基（OCOR）、烷氧基（OR）、氨基（NH2）取代，則分別生成酰鹵、酸酐、酯、酰胺等羧酸衍生物。 1. 酰

7、鹵的生成,2. 酸酐的生成,3. 酯的生成 在無機酸的催化下羧酸和醇共熱，失去一分子水形成酯，叫做酯化反應(yīng)。,酯化反應(yīng)的機理屬于加成消除歷程：,醇和羧酸的結(jié)構(gòu)對酯化反應(yīng)的速度有較大影響。-C上連有較多烴基或所連基團(tuán)越大的羧酸和醇，由于空間位阻的影響使酯化反應(yīng)速度減慢。不同結(jié)構(gòu)的羧酸和醇進(jìn)行酯化反應(yīng)的活性順序為： RCH2COOH R2CHCOOH R3CCOOH RCH2OH R2CHOH R3COH,4. 酰胺的生成,二元羧酸與氨共熱脫水，可生成酰亞胺。,（三）脫羧反應(yīng),-C原子上連有強吸電子基團(tuán)的羧酸容易脫羧。,乙二酸和丙二酸加熱，脫去二氧化碳，生成比原來羧酸少一個碳原子的一元羧酸：,丁二

8、酸及戊二酸加熱至熔點以上不發(fā)生脫羧反應(yīng)，而是分子內(nèi)脫水生成穩(wěn)定的內(nèi)酐。,己二酸及庚二酸在氫氧化鋇存在下加熱，既脫羧又失水，生成環(huán)酮：,（四）-H的鹵代反應(yīng) 羧基通過吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)和-超共軛供電子效應(yīng)使-H活化。因為羧基的致活作用比羰基小得多，所以羧酸的-H被鹵素取代的反應(yīng)比醛、酮難。羧酸在日光或紅磷等的催化下，-H能被氯或溴取代，生成-鹵代羧酸。,（五）還原反應(yīng),四、個別化合物 1. 甲酸,2. 乙酸 3. 過氧乙酸（CH3COOOH ） 4. 乙二酸,6. 苯甲酸 7. -萘乙酸 8. 丙烯酸 9. 丁二酸,5 .丁烯二酸,第二節(jié) 羧酸衍生物 羧酸分子中羧基上的羥基被其它原子或基團(tuán)取代后的產(chǎn)

9、物叫羧酸衍生物，主要有酰鹵、酸酐、酯和酰胺，都是含有酰基的化合物。 一、羧酸衍生物的命名 酰鹵根據(jù)?；望u原子來命名，稱為“某酰鹵”。,乙酰氯 丙酰溴 苯甲酰氯,酸酐根據(jù)相應(yīng)的羧酸命名。兩個相同羧酸形成的酸酐為簡單酸酐，稱為“某酸酐”，簡稱“某酐”；兩個不相同羧酸形成的酸酐為混合酸酐，稱為“某酸某酸酐”，簡稱“某某酐”；二元羧酸分子內(nèi)失去一分子水形成的酸酐為內(nèi)酐，稱為“某二酸酐”。,乙（酸）酐 乙（酸）丙（酸）酐 鄰苯二甲酸酐,酯根據(jù)形成它的羧酸和醇來命名，稱為“某酸某酯”。,乙酸甲酯 乙酸乙酯,苯甲酸甲酯,二、羧酸衍生物的物理性質(zhì) 低級的酰氯和酸酐都是無色且對粘膜有刺激性的液體，高級的酰氯和

10、酸酐為白色固體，內(nèi)酐也是固體。酰氯和酸酐的沸點比分子量相近的羧酸低，這是因為它們的分子間不能通過氫鍵締和的緣故。 室溫下，大多數(shù)酯都是液體，低級的酯具有花果香味。如乙酸異戊酯有香蕉香味（俗稱香蕉水）；正戊酸異戊酯有蘋果香味；甲酸苯乙酯有野玫瑰香味；丁酸甲酯有菠蘿香味等。許多花和水果的香味都與酯有關(guān)，因此酯多用于香料工業(yè)。 羧酸衍生物一般都難溶于水而易溶于乙醚、氯仿、丙酮、苯等有機溶劑。,三、羧酸衍生物的化學(xué)性質(zhì) 化學(xué)反應(yīng)的活性次序為：酰氯酸酐酯酰胺 1. 水解反應(yīng),酯的堿性水解反應(yīng)也稱為皂化。,2. 醇解反應(yīng) 酰氯、酸酐、酯都能發(fā)生醇解反應(yīng)，產(chǎn)物主要是酯。它們進(jìn)行醇解反應(yīng)速度順序與水解相同。酯

11、的醇解反應(yīng)也叫酯交換反應(yīng)。,乙酰輔酶A 膽堿 乙酰膽堿 輔酶A,3. 氨解反應(yīng) 酰氯、酸酐、酯可以發(fā)生氨解反應(yīng)，產(chǎn)物是酰胺。由于氨本身是堿，所以氨解反應(yīng)比水解反應(yīng)更易進(jìn)行。酰氯和酸酐與氨的反應(yīng)都很劇烈，需要在冷卻或稀釋的條件下緩慢混合進(jìn)行反應(yīng)。,羧酸衍生物的水解、醇解、氨解的反應(yīng)中，H2O、ROH和NH3分子中H原子被酰基取代了，在分子中引入?；姆磻?yīng)叫酰基化反應(yīng)，乙酰氯和乙酸酐是常用的乙?；噭?。 羧酸衍生物的水解、醇解、氨解都屬于親核取代反應(yīng)歷程，可用下列通式表示：,?；鵆原子的正電性強度順序為： 酰氯酸酐酯酰胺 離去基團(tuán)A的堿性強弱順序為： NH2RORCO2X 離去的難易順序為： NH

12、2 RO RCO2 X 羧酸衍生物的酰A鍵斷裂的活性次序為： 酰氯酸酐酯酰胺,基團(tuán)A的給電子能力順序為：,4. 酯的還原反應(yīng) 酯容易還原成醇，常用的還原劑是金屬鈉和乙醇，LiAlH4是更有效的還原劑。,由于羧酸較難還原，常把羧酸轉(zhuǎn)變成酯后再還原。,5. 克萊森酯縮合反應(yīng) 酯分子中的-H由于受到酯基的影響而變得較活潑，用醇鈉等強堿處理時，兩分子的酯脫去一分子醇生成-酮酸酯，這個反應(yīng)稱為克萊森（Claisen）酯縮合反應(yīng)。,乙酰乙酸乙酯,酯縮合反應(yīng)歷程：,四、重要的化合物 1. 丙二酸二乙酯,2. 除蟲菊酯,3. 青霉素,青霉素G：R C6H5CH2,第三節(jié) 取代酸 （一）羥基酸的分類和命名 羧酸

13、分子中烴基上的H原子被羥基取代的產(chǎn)物叫做羥基酸。,2-羥基丙酸 2-羥基丁二酸 2,3-二羥基丁二酸 （乳酸） （蘋果酸） （酒石酸）,3-羥基-3-羧基戊二酸 鄰羥基苯甲酸 3,4,5-三羥基苯甲酸 （檸檬酸） （水楊酸） （沒食子酸）,（二）羥基酸的性質(zhì) 1. 酸性 醇酸分子中由于羥基具有吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)并能形成氫鍵，所以醇酸的酸性較母體羧酸強，水溶性也較大。羥基離羧基越近，其酸性越強。例如：,pKa 4.75 3.83 4.88 4.51 3.87,酚酸的酸性與羥基在苯環(huán)上的位置有關(guān)。當(dāng)羥基在羧基的對位時，羥基與苯環(huán)形成p-共軛效應(yīng)和羥基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，但共軛效應(yīng)相對強于誘導(dǎo)效應(yīng)，總的效

14、應(yīng)使羧基電子云密度增大，不利于羧基中氫離子的解離，因此對位取代的酚酸酸性弱于母體羧酸；當(dāng)羥基在羧基的間位時，羥基不能與羧基形成共軛體系，對羧基只表現(xiàn)出吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，因此間位取代的酚酸酸性強于母體羧酸；當(dāng)羥基在羧基的鄰位時，羥基和羧基負(fù)離子形成分子內(nèi)氫鍵，增強了羧基負(fù)離子的穩(wěn)定性，有利于羧酸的電離，使酸性明顯增強。羥基在苯環(huán)上不同位置的酚酸酸性順序為：鄰位 間位對位。,2. 醇酸的脫水反應(yīng) 醇酸受熱能發(fā)生脫水反應(yīng)，羥基的位置不同，得到的產(chǎn)物也不同。-醇酸受熱一般發(fā)生分子間交叉脫水反應(yīng)，生成交酯：,-醇酸 交酯,-醇酸受熱易發(fā)生分子內(nèi)脫水，生成，-不飽和羧酸：,生物體內(nèi)，某些-醇酸在酶的作用下發(fā)

15、生分子內(nèi)脫水，生成不飽和羧酸：,2-羥基丁酸（蘋果酸） 反丁烯二酸（延胡索酸）,-醇酸和,-醇酸受熱易發(fā)生分子內(nèi)的酯化反應(yīng)，生成環(huán)狀內(nèi)酯：,-羥基丁酸 -丁內(nèi)酯,-羥基戊酸,-戊內(nèi)酯,3. -醇酸的分解反應(yīng) -醇酸在稀硫酸的作用下，容易發(fā)生分解反應(yīng)，生成醛和甲酸。,4. -醇酸的氧化反應(yīng) -醇酸中的羥基由于受羧基的影響，比醇中的羥基更容易氧化。,乳酸 丙酮酸,蘋果酸 草酰乙酸,5. 酚酸的脫羧反應(yīng) 羥基在羧基的鄰、對位的酚酸，受熱易發(fā)生脫羧反應(yīng)生成酚。,（三）重要的化合物 1. 乳酸（-羥基丙酸） 2. 酒石酸（2,3-二羥基丁二酸） 3. 蘋果酸（羥基丁二酸） 4. 檸檬酸（3-羥基-3-羧

16、基戊二酸）,檸檬酸 順烏頭酸 異檸檬酸,5. 水楊酸（鄰羥基苯甲酸）,水楊酸 乙酰水楊酸,6. 五倍子酸和單寧,沒食子酸 沒食子酰沒食子酸,7. 赤霉酸,中國單寧,二、羰基酸 （一）羰基酸的分類和命名 羰基酸是分子中同時含有羰基和羧基的化合物。根據(jù)羰基的結(jié)構(gòu)，羰基酸可分為醛酸和酮酸；按照羰基和羧基的相對位置，酮酸又可分為-酮酸和-酮酸。 羰基酸的系統(tǒng)命名時，選擇包括羰基和羧基的最長鏈為主鏈，稱為“某酮（醛）酸”。若是酮酸，需用阿拉伯?dāng)?shù)字或希臘字母標(biāo)記羰基的位置（習(xí)慣上多用希臘字母）。也可用?；?，稱為“某酰某酸”。,乙醛酸 丙酮酸 -丁酮酸 （甲酰甲酸） （乙酰甲酸） （乙酰乙酸）,（二）羰

17、基酸的化學(xué)性質(zhì) 羰基酸除具有羰基和羧基化合物的性質(zhì)外，還具有自己特有的性質(zhì)。 1. 乙醛酸 乙醛酸是最簡單的醛酸，存在于未成熟的水果和動物組織中，是無色糖漿狀液體。由于羧基的吸電子效應(yīng)，乙醛酸中的羰基能與一分子水結(jié)合生成水合乙醛酸。乙醛酸有醛和羧酸的性質(zhì)，并能進(jìn)行歧化反應(yīng)。,2. -酮酸,3. -酮酸 -酮酸比-酮酸更易脫羧分解，它在室溫下放置就能慢慢脫羧生成酮。,-丁酮酸存在于糖尿病患者的血液和尿液中，因為-丁酮酸的脫羧反應(yīng)，所以可從患者的尿液中檢測出丙酮。,（三） 乙酰乙酸乙酯的性質(zhì) 1. 乙酰乙酸乙酯在室溫下能形成酮式和烯醇式的互變平衡體系：,酮式（92.5%） 烯醇式（7.5%）,乙酰乙酸乙酯的酮式與烯醇式的互變平衡體系可通過下述試驗得到證明：,乙酰乙酸乙酯的烯醇式較穩(wěn)定存在的原因： (1)由于酮式中亞甲基上的H原子同時受羰基和酯基的作用很活潑，很容易轉(zhuǎn)移到羰基氧上形成烯醇式； (2)烯醇式中的雙鍵的鍵與酯基中的鍵形成-共軛體系，使電子離域，降低了體系的能量；,(3)烯醇式通過分子內(nèi)氫鍵的締合形成了一個較穩(wěn)定的六員環(huán)結(jié)構(gòu)。,除了乙酰乙酸乙酯外，具有下列結(jié)構(gòu)的有機化合物都可能產(chǎn)生互變異構(gòu)現(xiàn)象：,在生物體內(nèi)物質(zhì)