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(jī)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(tuán)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(tuán)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(jié)構(gòu)6p-π共軛的結(jié)果：(1)鍵長(zhǎng)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(jìn)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(guò)p-π

共軛構(gòu)成一個(gè)整體，故羧基不是羰基和羥基的簡(jiǎn)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(lái)酸(maleicacid)富馬酸(fumaricacid)10抗過(guò)敏類非處方藥藥品。馬來(lái)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(lái)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(qiáng)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(jí)羧酸為蠟狀固體，它們揮發(fā)性小沒(méi)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(diǎn)比分子量相近的醇的沸點(diǎn)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?zhǔn)现嘏牛溈死M(fèi)蒂M(fèi)clafferty）：m/z60(基峰)20第三節(jié)羧酸的化學(xué)性質(zhì)21一、羧酸的酸性22羧酸的酸性強(qiáng)弱取決于電離后所生成的羧酸根負(fù)離子的穩(wěn)定性。

Gd:electron-donatinggroup

Ga:electron-attractinggroup232.形成負(fù)離子后，其p-π共軛作用更強(qiáng)，負(fù)電荷平均分配于兩個(gè)氧原子上，兩個(gè)C-O鍵長(zhǎng)相等；負(fù)電荷通過(guò)p-π共軛而得到分散，使負(fù)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(chǎng)效應(yīng)任何一個(gè)帶電粒子(包括極性共價(jià)鍵和極性分子)，在其空間都存在靜電場(chǎng)，在這個(gè)靜電場(chǎng)中的任一個(gè)帶電體都要受靜電力的作用，這就是場(chǎng)效應(yīng)的本質(zhì)。27誘導(dǎo)效應(yīng)——通過(guò)原子鏈傳遞的靜電作用。

(依賴于鍵的特性)場(chǎng)效應(yīng)——直接通過(guò)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(chǎng)效應(yīng)與誘導(dǎo)效應(yīng)方向相反場(chǎng)效應(yīng)與誘導(dǎo)效應(yīng)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(duì)鄰間對(duì)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(dǎo)為主、共軛很小)：吸電子基誘導(dǎo)酸性增加，給電子基誘導(dǎo)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(qiáng)

(氨基除外)。

*對(duì)位(誘導(dǎo)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(yīng)（誘導(dǎo)、共軛、場(chǎng)、氫鍵效應(yīng)、空間效應(yīng)均要考慮。）作用機(jī)理較復(fù)雜，可能存在電性效應(yīng)、立體效應(yīng)、氫鍵等多種因素的影響。

33（-I,-C）（-I）（-I,-C）次序?yàn)椋亨徫唬鹃g位＞對(duì)位＞苯甲酸。34次序?yàn)椋亨徫唬鹃g位＞苯甲酸＞對(duì)位。（-I）（-I,+C）（-I,+C）pKa

2.98

4.12

4.54酚酸35練習(xí)36思考1.馬來(lái)酸與富馬酸酸性大??？2.乙酸與過(guò)氧乙酸的酸性大??？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(yīng)，總的結(jié)果為親核取代。酯化反應(yīng)的機(jī)理*1加成－消除機(jī)理40該反應(yīng)機(jī)制已為：①同位素跟蹤實(shí)驗(yàn)②羧酸與光活性醇的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。酯化反應(yīng)機(jī)制的證明41該經(jīng)歷親核加成-消除過(guò)程，反應(yīng)中間經(jīng)歷四面體結(jié)構(gòu)，總的結(jié)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(yīng)的速度越慢。1°、2°醇，酯化反應(yīng)為酰氧斷裂歷程42CH3OH>RCH2OH>R2CHOHCH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH

結(jié)構(gòu)不同的羧酸和醇發(fā)生酯化反應(yīng)時(shí)的活性順序?yàn)椋?3*

3oROH按此反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行酯化。*

由于R3C+易與堿性較強(qiáng)的水結(jié)合，不易與羧酸結(jié)合，故逆向反應(yīng)比正向反應(yīng)易進(jìn)行。所以3oROH的酯化反應(yīng)產(chǎn)率很低。*2碳正離子機(jī)理(CH3)3C-OHH+(CH3)3COH2+-H2O-H+按SN1機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)，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(yīng)機(jī)理進(jìn)行。H2SO4(濃)-H+屬于SN1機(jī)制。78%*3?；x子機(jī)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(yīng)

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(yīng)不能得到醛，醛在此條件下更易還原。*2.LiAlH4還原常用無(wú)水乙醚、四氫呋喃做溶劑。*3.用釕作催化劑時(shí)，也可以用催化氫化法還原。(1)LiAlH4還原反應(yīng)機(jī)理RCOOH+LiAlH4RCOOLi+H2+AlH3-LiOAlH2R-CH=OAlH3RCH2OAlH2RCH2OHH2O51（2）乙硼烷還原反應(yīng)機(jī)理RCOOH+BH3-BH2(OH)RCHO

BH3RCH2OBH2H2ORCH2OH52四、

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

-H活性：羧酸<酮<醛532反應(yīng)機(jī)理RCH2COOHPBr3互變-Br-RCH2COOH-H+關(guān)鍵反復(fù)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(yīng)來(lái)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(yīng)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(wèn)題：含有α-H的酯能發(fā)生鹵代反應(yīng)嗎？56五、脫羧反應(yīng)羧酸分子中脫去羧基失去CO2

的反應(yīng)稱為脫羧反應(yīng)。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(jié)果。β-酮酸容易脫羧。58*環(huán)狀過(guò)渡態(tài)機(jī)理當(dāng)α-碳與不飽和鍵相連時(shí)，一般都通過(guò)環(huán)狀過(guò)渡態(tài)機(jī)理失羧。

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

*2O2NCH2COOHO2NCH3+

CO2

*3NCCH2COOHNCCH3+

CO2

*4CH2=CH-CH2COOHCH2=CHCH3+CO2

*5RCH=CH-CH2COOHRCH2CH=CH2+CO261

酸性很強(qiáng)的酸易通過(guò)負(fù)離子機(jī)理脫羧。*

羧酸負(fù)離子機(jī)理Cl3CCOOH-H+H2OCl3C-+CO2+H+Cl3CH強(qiáng)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(gè)碳的醛或羧酸。β-酮酸比α-酮酸容易脫羧。63練習(xí)：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(qiáng)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(diǎn)說(shuō)明（1）羧基鄰對(duì)位有給電子基團(tuán)的芳香羧酸，在強(qiáng)酸作用下按負(fù)離子機(jī)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(yīng)。此外，2個(gè)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(yīng)68（1）乙二酸、丙二酸類：受熱發(fā)生脫羧反應(yīng)。有CO2放出，生成少一個(gè)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(gè)碳的環(huán)酮71利用二元酸受熱生成的小分子鑒別和推導(dǎo)原二元酸的結(jié)構(gòu)；寫(xiě)反應(yīng)方程式時(shí)注意兩羧基的相對(duì)位置。72例1某二元酸受熱生成二氧化碳和丁酸，推導(dǎo)原二元酸的結(jié)構(gòu)。例2寫(xiě)出下列方程式7374第四節(jié)羧酸的制備一、氧化反應(yīng)烯烴、炔烴、1o醇、醛、芳烴側(cè)鏈的氧化，甲基酮的鹵仿反應(yīng)等。三、Grignard試劑與CO2反應(yīng)二、

水解反應(yīng)75通過(guò)羰基化合物的縮合反應(yīng)制備羧酸見(jiàn)第12章碳負(fù)離子的反應(yīng)。761.甲酸

重要的羧酸具有還原性：發(fā)生銀鏡反應(yīng)；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(fēng)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(guò)氧化氫作用可制得過(guò)氧乙酸，過(guò)氧乙酸是一種光譜殺菌劑，對(duì)皮膚具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，2~5g.L-1溶液可殺滅各種細(xì)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(shù)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(tuán)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(tuán)，這種多官能團(tuán)的化合物稱為復(fù)合官能團(tuán)化合物，復(fù)合官能團(tuán)化合物既表現(xiàn)出每個(gè)官能團(tuán)的性質(zhì)，又表現(xiàn)出相互影響所導(dǎo)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(yīng)（1）α-鹵代酸鹵原子受-COOH影響，極易發(fā)生水解反應(yīng)。一、鹵代酸（一）化學(xué)特性83（2）β-鹵代酸發(fā)生消除反應(yīng)，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(gòu)型翻轉(zhuǎn)。

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

-

-85在Ag2O存在下，用稀堿作用，構(gòu)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(yīng)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(guò)程，兩個(gè)基團(tuán)（參與基團(tuán)和離去基團(tuán)）在分子內(nèi)處于反式共平面的構(gòu)象才能發(fā)生參與作用。87

能發(fā)生鄰基參與作用的基團(tuán)

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

鄰基參與基團(tuán)位于離去基團(tuán)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(yīng)，構(gòu)型兩次改變，產(chǎn)物構(gòu)型保持。893.鄰基參與的結(jié)果（1）反應(yīng)速度明顯加快

β-氯代二乙硫醚的水解速度比相應(yīng)的β-氯代二乙醚快104倍。90（2）反應(yīng)物的手性碳在反應(yīng)前后保持構(gòu)型91（3）鄰基參與作用可導(dǎo)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(xué))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(yīng)制得

羧酸的銀鹽在無(wú)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(gè)碳的溴代烷。95反應(yīng)為自由基機(jī)理，首先羧酸銀與溴很快反應(yīng)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(jié)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(yīng)98丙交酯聚丙交酯

聚丙交酯可抽絲作外科手術(shù)縫線，在體內(nèi)可自動(dòng)溶化而不需拆除，因?yàn)檫@種聚合物在體內(nèi)緩緩分解為乳酸，對(duì)人體無(wú)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(yīng)

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(yīng)。103104機(jī)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(jī)鋅化合物類似于RMgX，但活性小于RMgX

，與醛酮反應(yīng)，與酯不反應(yīng)。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(guó)生理學(xué)家）

1911年希爾發(fā)現(xiàn)了肌肉運(yùn)動(dòng)與氧、乳酸代謝的關(guān)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(xué)獎(jiǎng)。今天運(yùn)動(dòng)生理學(xué)所說(shuō)的“有氧代謝”、“無(wú)氧代謝”即來(lái)源于他們的研究成果。108邁爾霍夫(德裔美國(guó)生理學(xué)家、生物化學(xué)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(fèi)林試劑的一種原料。酒石酸常