第9章 羧酸及其衍生物1

第9章羧酸及其衍生物

羧酸(carboxylicacid)是分子中含有羧基(carboxyl)并且具有酸性的一類有機(jī)化合物。結(jié)構(gòu)通式：1.羧酸的結(jié)構(gòu)

1.1特點(diǎn)：羧羥基氧原子上的p電子對與羧羰基的π鍵形成p-π共軛體系。

9.1羧酸

1.2

羧基中p-π共軛形成后的特性：（1）鍵長平均化。（2）羰基性質(zhì)不典型，不利于羰基的親核加成反應(yīng)。（3）氧氫鍵極性增強(qiáng)，表現(xiàn)出明顯的酸性。2.羧酸的分類

根據(jù)分子中羧基相連的烴基種類不同

脂肪酸

脂環(huán)酸

芳香酸

按照烴基飽和程度不同

飽和酸

不飽和酸

依據(jù)羧酸分子中羧基數(shù)目不同

一元酸二元酸多元酸3.羧酸的命名

(1)俗名：根據(jù)來源命名。C17H35COOH

硬脂酸CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

油酸(2)系統(tǒng)命名

以羧酸為母體，從羧基端開始編號，編號用阿拉伯?dāng)?shù)字或用希臘字母,規(guī)則類似于醛。

CH3CH=CHCOOH

2-丁烯酸

4-羥基-2-已烯酸HOOCCH2CH=CHCH2COOH3-己烯二酸

含脂環(huán)和芳環(huán)的羧酸命名時，以脂環(huán)和芳環(huán)做取代基，脂肪酸做母體。

2-萘乙酸

3-環(huán)已基丁酸

4.羧酸的化學(xué)性質(zhì)

O-H鍵的酸性羥基被取代的反應(yīng)脫羧反應(yīng)α-H的取代反應(yīng)4.1羧酸的酸性與成鹽

羧酸在水溶液中離解出質(zhì)子而呈酸性，可與堿作用生成鹽。

飽和一元羧酸的酸性比無機(jī)強(qiáng)酸的酸性弱，但比碳酸和苯酚的酸性強(qiáng)。無機(jī)強(qiáng)酸一元羧酸碳酸苯酚pKa1～33.5～56.3810酸性：RCOOH>H2CO3>ArOH羧酸的酸性與成鹽用途分離鑒別羧酸與酚增加藥物的水溶性，提高藥效。影響脂肪酸酸性因素電子效應(yīng)埸效應(yīng)空間位阻

電子效應(yīng)：凡是能使羧基電子云密度降低的基團(tuán)，羧基氧氫鍵的極性增加，酸性增大。反之，亦然。當(dāng)A為吸電子基團(tuán)酸性增強(qiáng)

當(dāng)D為推電子基團(tuán)酸性減弱

下面的酸性強(qiáng)弱的排列次序：HCOOH>ArCOOH>C2H5COOH>C3H7COOHCH2FCOOH>CH2ClCOOH>CH2BrCOOHCH3CH2C(Cl)HCOOH>CH3C(Cl)HCH2COOH>ClCH2CH2CH2COOH二元羧酸的酸性與二個羧基的相對距離有關(guān)：草酸>丙二酸>丁二酸

4.2羧酸衍生物的生成

羧基上的羥基被其他原子或基團(tuán)取代后產(chǎn)生的化合物，稱羧酸衍生物。1.酰鹵的生成

羧酸與PX3、PX5（X＝Cl、Br）、SOCl2反應(yīng)生成酰鹵。例如：氯化亞砜鹵代劑的選擇理由：副產(chǎn)物SO2和HCl是氣體易于揮發(fā)，而過量的低沸點(diǎn)SOCl2可通過蒸餾除去，所得的酰鹵較純。最常用的鹵代劑制備分子量小的酰鹵制備分子量大的酰鹵三鹵化磷作鹵代劑理由：反應(yīng)中生成的酰鹵沸點(diǎn)低可隨時蒸出。五鹵化磷作鹵代劑理由：分子量大的酰鹵沸點(diǎn)高，反應(yīng)后容易把三鹵氧磷蒸餾出來。2、形成酸酐的反應(yīng)羧酸在脫水劑作用下或加熱，羧基間失水生成酸酐。常用脫水劑為五氧化二磷、乙酰氯、乙酸酐。

混合酸酐可用酰鹵和無水羧酸鹽共熱的方法制備。

可以制備混酐或制取單酐。

3、酯化反應(yīng)

羧酸與醇生成酯的反應(yīng)稱為酯化反應(yīng)（esterification

）。

反應(yīng)特點(diǎn)：反應(yīng)速度慢,常需加入催化劑：

H2SO4、磷酸和苯磺酸。反應(yīng)機(jī)理為：伯醇或仲醇與羧酸進(jìn)行酯化時，羧基提供羥基，醇提供氫：

酸催化的酯化反應(yīng)機(jī)理如下：

叔醇與羧酸酯化時，則羧基提供氫，醇提供羥基：

酸催化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理如下：

醇：CH3OH>10>20>30酸：HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH影響酯化反應(yīng)速度的因素酸或醇的烴基體積小、數(shù)目少，速度快原因是反應(yīng)中間體是正四面體結(jié)構(gòu)，空間位阻越大的，反應(yīng)速度越慢。4、酰胺的生成

羧酸與氨或胺反應(yīng)生成羧酸的銨鹽。然后將銨鹽加熱失水而得酰胺。

酰胺類化合物含有酰胺鍵：

4.3脫羧反應(yīng)

羧酸分子脫去羧基放出二氧化碳的反應(yīng)稱為脫羧反應(yīng)（decarboxylation

）。脂肪羧酸的鈉鹽及芳香酸的鈉鹽與堿石灰（NaOH+CaO）共熱脫羧。

硝基、鹵素、氰基、羰基和羧基與羧酸的α-碳相連易脫羧。

芳香羧酸較脂肪羧酸容易脫羧。原因是苯基是一個吸電子基團(tuán)有利于碳碳鍵斷裂脫羧。

4.4羧酸還原反應(yīng)

氫化鋁鋰（LiAlH4）把羧基中的羰基還原成伯醇。氫化鋁鋰是一種選擇性還原劑，對雙鍵、叁鍵不產(chǎn)生影響。

4.5脂肪酸α-H的鹵代反應(yīng)

羧酸的α-H鹵代反應(yīng)需在少量紅磷催化下才能順利進(jìn)行，并且α-H的鹵代可分步取代。。通過α-鹵代酸可合成α-羥基酸、α-氨基酸、丙烯酸等多種α-取代酸4.6二元羧酸受熱時的特殊反應(yīng)

不同的二元羧酸受熱可發(fā)生脫水或脫羧反應(yīng)，得到不同的產(chǎn)物。1、2~3個碳的二元酸受熱時，脫羧生成少一個碳的羧酸。

2、4~5個碳的二元酸受熱時，分子內(nèi)脫水生成穩(wěn)定的五元環(huán)或六元環(huán)的環(huán)酐

3、6~7個碳的二元酸受熱時，分子內(nèi)脫羧又脫水，生成少一個碳的環(huán)酮。

4、含7個碳原子以上的直鏈二元羧酸，受熱發(fā)生分子間脫水反應(yīng)，生成鏈狀高分子聚酸酐。

9.2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)取代后生成的化合物，稱羧酸衍生物（derivativesofcarboxylicacid）。p-π共軛體系酰鹵中的C-Cl鍵易斷裂，化學(xué)性質(zhì)活潑。酰胺中C-N鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。酸酐和酯的化學(xué)活潑性介于酰氯和酰胺之間。1、羧酸衍生物的結(jié)構(gòu)2.羧酸衍生物的命名2.1?；拿；拿菍⑾鄳?yīng)羧酸的“酸”字改為“?；奔纯伞?/p>

乙酸乙?；┧岜；郊姿岜郊柞；交撬岜交酋；?.2酰鹵的命名酰鹵稱“某酰鹵”

乙酰氯苯甲酰溴丙烯酰氯2.3酸酐命名

單酐：相同的羧酸所生成的混酐：不同的羧酸所生成的酸酐命名單酐：羧酸名稱+酐混酐：簡單羧酸名稱+復(fù)雜羧酸名稱+酐乙酸酐乙丙酐丁二酸酐鄰苯二甲酸酐2.4酯的命名

羧酸名稱+醇名稱+酯，通常醇字省略

甲酸乙酯乙酸苯酯苯甲酸甲酯

多元醇的酯稱為“某醇某酸酯”。二元羧酸與一元醇可形成酸性酯和中性酯。

乙二醇二乙酸酯

乙二酸氫乙酯乙二酸二乙酯（酸性酯）（中性酯）γ-戊內(nèi)酯

2.5酰胺的命名

氮原子與酰基直接連接而成的化合物稱為酰胺

乙酰胺二乙酰胺三乙酰胺（伯酰胺）（仲酰胺）（叔酰胺）

酰胺稱“某酰胺”。當(dāng)酰胺氮上有取代基時，用N表示取代基連在氮原子上。

苯甲酰胺乙酰苯胺N，N-二甲基甲酰胺

N-甲基-N-乙基苯甲酰胺δ-戊內(nèi)酰胺

二元羧酸的二個?；cNH基或取代的NH基相連接的環(huán)狀化合物叫做酰亞胺，命名時稱為“某酰亞胺”。

鄰苯二甲酰亞胺丁二酰亞胺3、羧酸衍生物的化學(xué)性質(zhì)

羧酸衍生物分子中的羰基容易與親核試劑（水、醇、氨）發(fā)生水解、醇解和氨解反應(yīng).

這些反應(yīng)都是親核取代反應(yīng)，由于酰基所連的離去基團(tuán)不同，因此反應(yīng)活性各有差異。3.1水解(hydrolysis)

酰鹵、酸酐、酯和酰胺均能水解生成相應(yīng)的羧酸。

水解反應(yīng)的活性次序是：酰鹵>酸酐>酯>酰胺酯堿性水解產(chǎn)物可與堿作用生成羧酸鈉鹽而使水解完全。酯的堿性水解反應(yīng)也稱為皂化反應(yīng)(saponification)。3.2醇解(alcoholysis)

酰鹵、酸酐、酯、酰胺和醇反應(yīng)生成相應(yīng)的酯。

用途：用于制備不能直接由酯化反應(yīng)合成的酯。例如：

酯的醇解生成了新酯和新醇，故此反應(yīng)又稱酯交換反應(yīng)。在有機(jī)合成中，常用低級醇的酯通過酯交換反應(yīng)來制備高級醇的酯。3.3氨解(aminolysis)

酰鹵、酸酐、酯和酰胺與氨（或胺）作用，生成酰胺。一般酰氨的氨解（胺解）比較困難。胺反應(yīng)物的堿性應(yīng)比離去氨基的堿性強(qiáng)，并需胺過量。有機(jī)分子中引入酰基的反應(yīng)又稱為?；磻?yīng)(acylation)或酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

能提供酰基的化合物稱為?；瘎?acidylatingagent)。

酰鹵和酸酐是常用的?；瘎ｕ；谒幬锖铣芍械膽?yīng)用增加藥物的脂溶性，以改善體內(nèi)吸收，延長療效

藥物的羥基或氨基被酰化后不易代謝失活，藥物的穩(wěn)定增加，作用時間延長

引入?；罂山档退幬锏亩拘裕瑴p少藥物的副作用

3.4羧酸衍生物親核取代反應(yīng)機(jī)理

加成—消去機(jī)理完成取代反應(yīng)的，反應(yīng)分二步進(jìn)行。

羧酸衍生物親核試劑四面體中間體加成：羰基正電性較強(qiáng)，且形成的四面體中間體的空間位阻小，則有利于親核加成反應(yīng)；加成—消去反應(yīng)歷程，加成和消去這兩步對反應(yīng)速度的影響。

消去：離去基團(tuán)的堿性越小，基團(tuán)越易離去，則有利于消去的進(jìn)行。離去基團(tuán)的堿性由強(qiáng)至弱的次序是：NH2->RO->RCOO->Cl-，離去能力是Cl->RCOO->RO->NH2-。羧酸衍生物發(fā)生親核取代反應(yīng)的活性次序是：酰鹵>酸酐>酯>酰胺。

3.5Claisen酯縮合反應(yīng)

含有α-H的酯在醇鈉的作用下可與另一分子酯失去一分子醇，生成β-酮酸酯的反應(yīng)，稱為Claisen酯縮合反應(yīng)。例如：

反應(yīng)的機(jī)理：

交叉Claisen酯縮合反應(yīng)。含α-H的酯與無α-H且羰基比較活潑的酯（甲酸酯、草酸酯、碳酸酯、苯甲酸酯）進(jìn)行的酯縮合反應(yīng)稱之。3.6羧酸衍生物的還原反應(yīng)

羧酸衍生物被還原成伯醇或酰胺——用氫化鋁鋰化學(xué)還原劑還原。碳碳雙鍵可不受影響。酰鹵還原成醛——用降低了活性的鈀催化劑（Pd/BaSO4）。醛的制備方法之一。酯還原成伯醇——用鈉/醇還原劑，碳碳雙鍵或叁鍵不受影響，可用此法制備伯醇。酯還原成醇——用銅鉻氧化物（CuO.CuCrO4）作催化劑加氫，雙鍵可同時被還原，但苯不受影響，這個反應(yīng)大量應(yīng)用于催化氫解植物油和脂肪以制取長鏈脂肪醇。酰胺的特性1、酸堿性酰胺是中性化合物。原因：p-π共軛體系使氮原子上的電子云密度下降，接受質(zhì)子的能力減弱，堿性減弱，因此僅是在強(qiáng)酸強(qiáng)堿條件下顯示出弱堿弱酸性。酰亞胺具有酸性。原因：氮原子連接兩個?；想娮釉泼芏葮O大降低，使N-H鍵極性加大，而呈現(xiàn)明顯的酸性。酰亞胺能與氫氧化鈉（氫氧化鉀）水溶液生成鹽。

pKa=9.6

pKa=7.4

2、與亞硝酸反應(yīng)具有氨基的化合物都可與亞硝酸反應(yīng)，氨基被羥基取代，并放出氮?dú)狻?、Hofmann降解反應(yīng)氮上未取代的酰胺在堿性溶液中與鹵素作用，失去羰基而生成少一個碳原子的伯胺反應(yīng)稱Hofmann降解反應(yīng)。

Hofmann降解反應(yīng)常用來制備伯胺，此法產(chǎn)率高，所得產(chǎn)品也較純。

碳酸衍生物

碳酸可看成是羥基甲酸，與羧酸相似，碳酸可形成酰鹵、酯和酰胺等碳酸衍生物。1、碳酰氯

碳酰氯俗稱光氣，目前工業(yè)上是由一氧化碳和氯氣通過活性碳制備。光氣是有毒，能引起窒息，使用時應(yīng)注意安全。光氣具有酰氯的典型化學(xué)性質(zhì)，容易發(fā)生水解解、醇解和氨解。2、碳酰胺碳酰胺又稱尿素(urea