羧酸和取代羧酸

第10章羧酸和取代羧酸Chapter10CarboxylicacidsandSubstitutedCarboxylicacids

1分子中含有羧基(carboxyl,-COOH)的有機化合物叫羧酸(Carboxylicacids)。2羧酸分子中烴基上的氫被其他原子或基團取代后的化合物，稱為取代羧酸。3

羧基中的-OH被其它原子或基團取代后生成的化合物稱羧酸衍生物。4第一節(jié)羧酸的分類與命名5共平面羧基是由羰基和羥基組合而成。

OR—C

O····HR——Hp-p共軛體系一、羧酸的結構6p-π共軛的結果：(1)鍵長趨于平均化；(2)羰基碳正電性降低，親核加成變難；羧酸中C=O不象醛酮中羰基那樣活潑，不能與HCN,NaHSO3，H2N-G等進行親核加成。(3)羥基的O-H鍵極性增大，顯酸性。羰基和羥基通過p-π

共軛構成一個整體，故羧基不是羰基和羥基的簡單加合。7根據(jù)羧基所連烴基種類:脂肪族脂環(huán)族芳香族雜環(huán)族二、羧酸的分類8脂肪族羧酸中飽和程度：飽和不飽和根據(jù)分子中羧基的數(shù)目：一元二元9三、羧酸的命名俗名：琥珀酸(succinicacid)馬來酸(maleicacid)富馬酸(fumaricacid)10抗過敏類非處方藥藥品。馬來酸氯苯那敏片N，N-二甲基-γ-(4-氯苯基)-2-吡啶丙胺順丁烯二酸鹽(撲爾敏片)11馬來酸依那普利片：用于治療高血壓。

N-[(S)-1-乙氧羧基-3-苯丙基]-L-丙氨酰-L-脯氨酸（Z）-2-丁烯二酸鹽。12富馬酸比索洛爾片主治：高血壓，冠心病(心絞痛)。琥珀酸美托洛爾片是治療高血壓、冠心病慢性心力衰竭和心律失常的常用藥物之一。13系統(tǒng)命名：143－氧代戊醛酸3－羧基－3－羥基戊二酸（檸檬酸）乙二酸(草酸)15

飽和一元羧酸中：

C1～C3的低分子量羧酸是具有強烈酸味和刺激性的液體;C4～C9的羧酸是具有腐敗氣味的油狀液體。

C10以上的高級羧酸為蠟狀固體，它們揮發(fā)性小沒有氣味。第二節(jié)羧酸的物理性質(zhì)及光譜性質(zhì)一、物理性質(zhì)16締合使羧酸的沸點比分子量相近的醇的沸點要高。

羧酸與水分子之間，存在氫鍵，所以小分子羧酸在水中有較大的溶解度。17IR光譜:二、羧酸的光譜特征羧酸中的C=O單體二締合體RCOOH1770~1750cm-1~1710cm-1CH2=CHCOOH~1720cm-1~1690cm-1ArCOOH1700-1690cm-1羧酸中的O-H：~3550cm-13000~2500cm-1羧酸中的C-O~1250cm-1181H-NMRR2CHCOOH

H：10~13HCR2COOH

H：2~2.519Ms:γ-H麥氏重排（麥克拉費蒂Mclafferty）：m/z60(基峰)20第三節(jié)羧酸的化學性質(zhì)21一、羧酸的酸性22羧酸的酸性強弱取決于電離后所生成的羧酸根負離子的穩(wěn)定性。

Gd:electron-donatinggroup

Ga:electron-attractinggroup232.形成負離子后，其p-π共軛作用更強，負電荷平均分配于兩個氧原子上，兩個C-O鍵長相等；負電荷通過p-π共軛而得到分散，使負離子更為穩(wěn)定。1.p-π共軛增加氧氫鍵極性，使易離解。24

飽和的一元酸

不飽和或芳香的一元酸25

?二元羧酸的酸性26場效應任何一個帶電粒子(包括極性共價鍵和極性分子)，在其空間都存在靜電場，在這個靜電場中的任一個帶電體都要受靜電力的作用，這就是場效應的本質(zhì)。27誘導效應——通過原子鏈傳遞的靜電作用。

(依賴于鍵的特性)場效應——直接通過空間傳遞的靜電作用。(依賴于分子幾何形象，大小與距離平方成反比)28場效應與誘導效應方向相反場效應與誘導效應方向一致2930?取代芳香酸的酸性取代芳香酸的酸性隨芳環(huán)上取代基的種類、位置不同而變化。鄰間對鄰間對H4.174.174.17NO22.213.463.40CH33.894.284.35OH2.984.124.54Cl2.893.824.03OCH34.094.094.47Br2.823.854.18NH25.004.824.92取代苯甲酸的pKa值31芳香羧酸的情況分析*間位(誘導為主、共軛很小)：吸電子基誘導酸性增加，給電子基誘導酸性減弱；*鄰位(取代基是吸電子基或給電子基)：均使酸性增強

(氨基除外)。

*對位(誘導很小、共軛為主)：吸電子基共軛酸性增加，給電子基共軛酸性減弱。

32

鄰位效應（誘導、共軛、場、氫鍵效應、空間效應均要考慮。）作用機理較復雜，可能存在電性效應、立體效應、氫鍵等多種因素的影響。

33（-I,-C）（-I）（-I,-C）次序為：鄰位＞間位＞對位＞苯甲酸。34次序為：鄰位＞間位＞苯甲酸＞對位。（-I）（-I,+C）（-I,+C）pKa

2.98

4.12

4.54酚酸35練習36思考1.馬來酸與富馬酸酸性大??？2.乙酸與過氧乙酸的酸性大小？3738（一）酯的生成成酯方式:酰氧斷裂烷氧斷裂二、羧酸分子中的羥基被取代

——羧酸衍生物的生成

39質(zhì)子轉(zhuǎn)移-H2O-H+sp2sp3親核加成-消除反應，總的結果為親核取代。酯化反應的機理*1加成－消除機理40該反應機制已為：①同位素跟蹤實驗②羧酸與光活性醇的反應實驗所證實。酯化反應機制的證明41該經(jīng)歷親核加成-消除過程，反應中間經(jīng)歷四面體結構，總的結果為親核取代。羧酸或醇分子中烴基的空間位阻越大，酯化反應的速度越慢。1°、2°醇，酯化反應為酰氧斷裂歷程42CH3OH>RCH2OH>R2CHOHCH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH

結構不同的羧酸和醇發(fā)生酯化反應時的活性順序為：43*

3oROH按此反應機理進行酯化。*

由于R3C+易與堿性較強的水結合，不易與羧酸結合，故逆向反應比正向反應易進行。所以3oROH的酯化反應產(chǎn)率很低。*2碳正離子機理(CH3)3C-OHH+(CH3)3COH2+-H2O-H+按SN1機理進行反應，是烷氧鍵斷裂44思考：如何制備酚酯和叔丁醇酯？45僅有少量空阻大的羧酸按此反應機理進行。H2SO4(濃)-H+屬于SN1機制。78%*3?；x子機理46（二）酰鹵、酸酐和酰胺的生成1.酰鹵的生成472.酸酐的生成483.酰胺的生成49三、還原反應

羧酸難被一般還原劑或催化氫化還原，但LiAlH4或乙硼烷在四氫呋喃中能順利使羧酸還原成伯醇。LiAlH4不還原孤立的C=C,B2H6能還原孤立的C=C。CH2=CH-CH2-COOHCH3CH2CH2CH2OHB2H6H2O50*1.反應不能得到醛，醛在此條件下更易還原。*2.LiAlH4還原常用無水乙醚、四氫呋喃做溶劑。*3.用釕作催化劑時，也可以用催化氫化法還原。(1)LiAlH4還原反應機理RCOOH+LiAlH4RCOOLi+H2+AlH3-LiOAlH2R-CH=OAlH3RCH2OAlH2RCH2OHH2O51（2）乙硼烷還原反應機理RCOOH+BH3-BH2(OH)RCHO

BH3RCH2OBH2H2ORCH2OH52四、

-H的反應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的反應稱為赫爾-烏爾哈-澤林斯基(Hell-Volhard-Zelinsky)反應

-H活性：羧酸<酮<醛532反應機理RCH2COOHPBr3互變-Br-RCH2COOH-H+關鍵反復使用54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反應來制備。

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┐际剑瑥亩果u化反應發(fā)生。所以用10%~30%的乙酰鹵或乙酸酐同樣可以起催化作用。55問題：含有α-H的酯能發(fā)生鹵代反應嗎？56五、脫羧反應羧酸分子中脫去羧基失去CO2

的反應稱為脫羧反應。一元酸一般較難脫酸。

1.α-碳上連有吸電子基(如硝基、鹵素、酰基和氰基等)容易脫酸。57羰基的吸電性和分子內(nèi)氫鍵的形成共同影響的結果。β-酮酸容易脫羧。58*環(huán)狀過渡態(tài)機理當α-碳與不飽和鍵相連時，一般都通過環(huán)狀過渡態(tài)機理失羧。

-CO2互變異構59因不易形成六元環(huán)狀過渡態(tài)及烯醇結構而難發(fā)生脫羧反應。60*1HOOCCH2COOHCH3COOH+CO2

*2O2NCH2COOHO2NCH3+

CO2

*3NCCH2COOHNCCH3+

CO2

*4CH2=CH-CH2COOHCH2=CHCH3+CO2

*5RCH=CH-CH2COOHRCH2CH=CH2+CO261

酸性很強的酸易通過負離子機理脫羧。*

羧酸負離子機理Cl3CCOOH-H+H2OCl3C-+CO2+H+Cl3CH強酸,在水中完全電離（pka=0.65)62

2.α-酮酸與稀硫酸共熱，或被弱氧化劑(如Tollens試劑等)氧化，脫酸生成少一個碳的醛或羧酸。β-酮酸比α-酮酸容易脫羧。63練習：64

3.α-羥基酸與硫酸或酸性高錳酸鉀溶液共熱，則脫酸生成醛、酮或羧酸。65

4.芳香羧酸易脫羧66（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。67二元羧酸可以發(fā)生羧基所具有的一切反應。此外，2個羧基相隔的距離不同，常表現(xiàn)出某些特殊的性質(zhì)，如二元羧酸受熱后的變化：六、二元酸的熱解反應68（1）乙二酸、丙二酸類：受熱發(fā)生脫羧反應。有CO2放出，生成少一個碳的羧酸。69（2）丁二酸、戊二酸類——受熱分子內(nèi)脫水。生成環(huán)狀酸酐。70（3）己二酸、庚二酸類—受熱分子內(nèi)脫水＋脫羧

>7C的脂肪二元酸在加熱情況下得到的是分子間失水而成的鏈酐。生成少一個碳的環(huán)酮71利用二元酸受熱生成的小分子鑒別和推導原二元酸的結構；寫反應方程式時注意兩羧基的相對位置。72例1某二元酸受熱生成二氧化碳和丁酸，推導原二元酸的結構。例2寫出下列方程式7374第四節(jié)羧酸的制備一、氧化反應烯烴、炔烴、1o醇、醛、芳烴側(cè)鏈的氧化，甲基酮的鹵仿反應等。三、Grignard試劑與CO2反應二、

水解反應75通過羰基化合物的縮合反應制備羧酸見第12章碳負離子的反應。761.甲酸

重要的羧酸具有還原性：發(fā)生銀鏡反應；使KMNO4溶液褪色。借此區(qū)別其它酸。12.5g.L-1的甲酸的水溶液稱為蟻精，可用于治療風濕癥，甲酸還可作消毒劑。772.乙酸

5~20g.L-1的乙酸水溶液在醫(yī)藥上作消毒防腐劑；與過氧化氫作用可制得過氧乙酸，過氧乙酸是一種光譜殺菌劑，對皮膚具有強烈的腐蝕作用，2~5g.L-1溶液可殺滅各種細菌、病菌和芽孢等。冰醋酸78乙二酸俗稱草酸，具有還原性。丁二酸俗名琥珀酸，是人體內(nèi)糖代謝的中間產(chǎn)物，具有抗痙攣、祛痰和利尿作用。3.乙二酸和丁二酸79苯甲酸俗名安息香酸，苯甲酸及其鈉鹽具有抑菌、防腐作用一般用量為0.1%；醫(yī)藥上可以用作治療真菌感染。鄰苯二甲酸是制造染料、樹脂、藥物和增塑劑的原料，其衍生物鄰苯二甲酸酯具有避蚊作用，可用作驅(qū)蚊藥物。4.苯甲酸和鄰苯二甲酸80

羧酸分子中烴基上的氫被其他原子或基團取代所得的衍生物叫做取代羧酸。第五節(jié)取代羧酸根據(jù)取代基種類：

鹵代酸，羥基酸(醇酸和酚酸)，氨基酸，氧代酸(羰基酸)。81既含有羧基又含有其它官能團，這種多官能團的化合物稱為復合官能團化合物，復合官能團化合物既表現(xiàn)出每個官能團的性質(zhì)，又表現(xiàn)出相互影響所導致的特殊性質(zhì)。82

1.酸性鹵素的種類、鹵素的數(shù)目、鹵素的位置。

2.與堿的反應（1）α-鹵代酸鹵原子受-COOH影響，極易發(fā)生水解反應。一、鹵代酸（一）化學特性83（2）β-鹵代酸發(fā)生消除反應，生成α，β-不飽和羧酸。（3）γ-鹵代酸—內(nèi)酯

(lactone)

稀△84在濃堿作用下，構型翻轉(zhuǎn)。

α-鹵代酸如有光學性質(zhì)，在不同的條件下反應可得到不同構型的產(chǎn)物。SN2反應，一步完成，構型翻轉(zhuǎn)。

-

-85在Ag2O存在下，用稀堿作用，構型保持。(s)-2-溴丙酸(s)-乳酸為什么呢？86

分子中親核的取代基參與了在同一分子中的另一部分上的取代反應稱鄰基參與作用。（二）鄰基參與作用(neighboringgroupparticipationeffect)鄰基參與作用是一種分子內(nèi)的SN2過程，兩個基團（參與基團和離去基團）在分子內(nèi)處于反式共平面的構象才能發(fā)生參與作用。87

能發(fā)生鄰基參與作用的基團

通常為具有未共用電子對的基團、含碳碳雙鍵的不飽和基團、具有π鍵的芳基以及C-C及C-Hσ鍵。

鄰基參與基團位于離去基團的β位置。β

取代基包括COO-,OCOR，COAr，OR，OH，NH2，NHR，NHCOR，SH，SR，Br，I及Cl。88兩次SN2反應，構型兩次改變，產(chǎn)物構型保持。893.鄰基參與的結果（1）反應速度明顯加快

β-氯代二乙硫醚的水解速度比相應的β-氯代二乙醚快104倍。90（2）反應物的手性碳在反應前后保持構型91（3）鄰基參與作用可導致生成分子重排產(chǎn)物92（4）鄰基參與作用易產(chǎn)生環(huán)狀的化合物931.α-鹵代酸的制備或I2（三）制備(自學)δ+δ-2.β-鹵代酸的制備943.γ-鹵代酸、δ-鹵代酸等的制備利用漢斯狄克(Hunsdiecker)反應制得

羧酸的銀鹽在無水的惰性溶劑如四氯化碳中與一分子溴回流，失去二氧化碳并形成比羧酸少一個碳的溴代烷。95反應為自由基機理，首先羧酸銀與溴很快反應生成中間體(2)，它在受熱的情況下均裂為酰氧基自由基和溴自由基(3)，然后RCOO·分解放出二氧化碳，生成烷基自由基R·，并重新與溴自由基結合為溴代烴(5)。96分子中既含羧基，又含羥基的化合物稱為羥基酸羥基酸可分為：二、羥基酸(hydroxyacids)醇酸HOCH2COOH酚酸97（1）α-醇酸的脫水——交酯(lactide)（一）羥基酸的受熱反應98丙交酯聚丙交酯

聚丙交酯可抽絲作外科手術縫線，在體內(nèi)可自動溶化而不需拆除，因為這種聚合物在體內(nèi)緩緩分解為乳酸，對人體無害。99（2）β-醇酸的脫水—α，β-不飽和酸100（3）

-醇酸的脫水

-內(nèi)酯穩(wěn)定，可發(fā)生水解、醇解、氨解。101（二）制備

1.α-鹵代酸水解△

2.羥基腈水解1023.瑞佛馬斯基(Reformatsky)反應

α-鹵代酸酯、醛或酮、鋅在惰性溶劑中互相作用，產(chǎn)物水解得到β-羥基酸酯的反應。103104機理：105

氟和氯代酸酯活性??；碘代酸酯較難制備；故常用溴代酸酯。

有機鋅化合物類似于RMgX，但活性小于RMgX

，與醛酮反應，與酯不反應。106（1）乳酸葡萄糖發(fā)酵得左旋乳酸；肌肉中存在右旋乳酸；酸奶中為dl-乳酸。乳酸氧化得丙酮酸：

2－羥基丙酸（乳酸）人體中糖元代謝的產(chǎn)物。（三）重要的羥基酸107希爾(英國生理學家）

1911年希爾發(fā)現(xiàn)了肌肉運動與氧、乳酸代謝的關系。1920年希爾與邁爾霍夫合作在研究肌肉的能量代謝和物質(zhì)代謝方面取得重要發(fā)現(xiàn)。于1922年獲得諾貝爾生理與醫(yī)學獎。今天運動生理學所說的“有氧代謝”、“無氧代謝”即來源于他們的研究成果。108邁爾霍夫(德裔美國生理學家、生物化學家）109酒石酸氫鉀是制發(fā)酵粉的原料；可用作瀉藥，也是配制費林試劑的一種原料。酒石酸常