中南大学有机化学—第九章羧酸及其衍生物.ppt

1、第九章 羧酸及其衍生物,重点:羧酸的结构和命名;羧酸的制备方法;羧酸的物理性质和化学性质;羧酸衍生物的命名和制备方法;羧酸衍生物的化学性质。,羧酸(carboxylic acid)是分子中含有羧基(carboxyl) 并且具有酸性的一类有机化合物。,羧酸衍生物(Derivatives of Carboxylic Acid)是羧酸分子中羧基上的羟基被其它原子或基团取代后生成酰卤、酸酐、酯和酰胺等化合物。 经简单的水解又可转变为羧酸。,第一部分 羧酸,一、羧酸的结构、分类和命名,烃分子中的一个氢原子被羧基(-COOH)取代后所生成的具有酸性的一类有机化合物称为羧酸。羧基(-COOH)是羧酸的官能团

2、。羧酸的通式为RCOOH。,1、羧酸的结构,羧基的C原子是以SP2杂化轨道参与成键的，它用三个SP2杂化轨道分别与OH的O原子、羰基的O原子以及R的C原子以 键相连接。碳原子余下的P轨道与羰基氧原子的P轨道从侧面相互交盖形成一个键。由三个SP2杂化轨道所形成的三个 键在同一平面上。,2、羧酸的分类,1）按烃基种类不同的分类,脂肪酸,脂环酸,芳香酸,CH3COOH,2）按烃基是否饱和的分类,饱和酸,不饱和酸,CH3CH2COOH,CH2=CHCOOH,3）按羧基的数目分类,一元酸：分子中含一个羧基。,二元酸：HOOCCOOH；HOOCCH2COOH,三元酸：分子中含三个羧基。,3、羧酸的命名,1

3、)习惯命名法(俗名),HCOOH,甲酸（蚁酸）,CH3COOH,乙酸（醋酸）,C11H23COOH 十二酸（月桂酸） C15H31COOH 十六酸（软脂酸） C17H35COOH 十八酸（硬脂酸） CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 油酸,HOOCCOOH,乙二酸（草酸）,2)系统命名法,羧酸的系统命名是以羧酸为母体：1）选取含有羧基在内的最长碳链为主链（二元羧酸应包含两个羧基在内）；2）按主链碳原子数命名为“某酸”；3）从靠近羧基的一端用阿拉伯数字或希腊字母开始编号，标明支链的位次和名称。,3溴丁酸（b溴丁酸）,丁二酸（琥珀酸）,顺丁烯二酸（马来酸）,芳香族羧酸的命名：1）羧基

4、与苯环直接相连的，以苯甲酸作为母体，环上其它基团作为取代基；2）多元芳羧酸或稠环羧酸，可用“羧酸”作词尾放在相应的烃名之后命名;3)羧基与苯环支链相连的，以脂肪酸为母体，芳基作为取代基来命名；4）环烷羧酸可在环烷名称之后加“羧酸”词尾命名。,苯甲酸（安息香酸）,邻甲苯甲酸,2萘乙酸,环己烷甲酸,3-环己基丁酸,邻苯二甲酸,二、羧酸的物理性质,沸点,羧酸分子间能由两个氢键互相结合起来，形成双分子缔合的二聚体。所以羧酸的沸点比相对分子质量相当的醇高。,双分子二聚体,分子量相近时，含氧化合物沸点高低次序：,三、羧酸的化学性质,羰基的亲核加成（还原）,O-H断裂呈酸性,C-O断裂，-OH发生亲核取代,

5、C-C断裂，脱羧反应,1、羧酸的酸性与成盐,乙酸：Ka=1.76*10-5, pKa=4.76； 碳酸：Ka=4.3*10-7, pKa=6.38,一般羧酸的Ka=10-410-5, pKa=35， 酸性： 无机酸 RCOOH H2CO3 ArOH 醇,与碱作用成盐（酸性）,酸性比碳酸强，可使碳酸游离出来,酸性比无机酸弱，可被游离出来,例题：分离醇、酚、羧酸混合物,影响酸性的因素,影响酸性的因素主要有羧酸的分子结构、溶剂的种类及反应温度等。当其它条件相同时，羧酸酸性的强弱取决于分子的结构。凡使羧酸根负离子稳定的因素，都使酸性增强，反之，酸性减弱。,诱导效应的影响：羧酸分子中烃基上的氢原子被吸电

6、子基团（如卤素）取代以后，由于卤原子吸电子诱导效应沿分子链依次诱导传递的结果，分散了羧酸根负离子的负电荷，使其稳定。卤原子越多，羧酸根负离子的负电荷分散得越好，羧酸根负离子越稳定，也越容易生成，酸性也就越强。反之，若被供电子的烷基取代，则负电荷越集中，越不容易生成，酸性越弱。,诱导效应的影响结果,当A为吸电子基(如卤原子)时,酸性增强。,当D为供电子基(如烃基)时,酸性减弱。,酸性强弱的排列次序：,1）卤原子不同,取代基位置和数目相同；,2）同一取代基，数目不同时；,3）同一取代基，取代位置不同时。,FCH2COOH ClCH2COOH BrCH2COOH ICH2COOH pKa 2.67

7、2.87 2.90 3.16 CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH pKa 4.76 2.87 1.36 0.63 CH3CH2C(Cl)HCOOH CH3C(Cl)HCH2COOH ClCH2CH2CH2COOH pKa 2.86 4.06 4.52,共轭效应对酸性的影响,CH3COOH , HCOOH,苯甲酸分子中的苯基是吸电子基团，酸性应比甲酸强，但由于苯环大键与羧基形成共轭体系，电子云稍向羧基偏移，因此苯甲酸的酸性比甲酸弱，但比其他脂肪族一元羧酸强，如比乙酸酸性强（乙酸分子中的甲基是供电子基。故酸性比甲酸和苯甲酸都弱）。,2、羧酸衍生物的生成,酰基,

8、生成酰卤 L= X ； 卤原子 生成酸酐 L= OOCR；酰氧基 生成酯 L= OR； 烷氧基 生成酰胺 L=NH2 ； 氨基,1）酰卤的生成,卤化剂：PCl3、PCl5、SOCl2,2）生成酸酐,用酰卤和无水羧酸盐共热制备混合酸酐。,条件：脱水剂P2O5或强热。,3）酯的生成,（1）定义：羧酸与醇在盐酸、硫酸、苯磺酸等强酸性催化剂作用下失去一分子水而生成酯的反应称为酯化反应。,反应特点:催化剂为强酸;羧酸或醇的烃基体积小、数目少，反应速度快。反应活性为: 醇: CH3OH 10 2030 酸: HCOOH CH3COOH RCH2COOH R2CHCOOH R3CCOOH,4）生成酰胺,酰胺

9、键,反应是可逆的，加热、脱水有利于正反应，为了使正反应顺利进行，常采用苯、甲苯带水的方式除去反应体系中产生的水。,羧酸与胺作用,生成N-取代酰胺。,3、脱羧反应,定义：从羧酸及其盐脱去羧基中CO2的反应称为脱羧反应。,饱和的一元羧酸不易脱羧，但当烃基中含有吸电子基团（如硝基、氰基、羰基、Ar，Cl等）时易脱羧。,脱羧反应一般在下列条件下进行： （1）加热 （2）碱性条件 （3）加热和碱性条件共存,1）芳香羧酸脱羧的几点说明,a、羧基邻对位有给电子基团的芳香羧酸，在强酸作用下脱羧。,b、强的芳香酸不需要催化剂,在H2O中加热即可脱羧。,c、一般芳香羧酸脱羧需要用石灰或Cu做催化剂。,2）二元羧酸

10、受热的特殊反应,a、乙二酸和丙二酸加热脱羧生成一元羧酸,b、丁二酸和戊二酸加热脱水生成环状酸酐,c、己二酸和庚二酸加热脱二氧化碳和水生成环酮,小 结,二元羧酸热解产物与碳链长度关系：,乙二酸、丙二酸（失羧），产物为：酸 + CO2 丁二酸、戊二酸（失水），产物为：环酐 + H2O 己二酸庚二酸（失羧、失水），产物为环酮+ H2O+CO2 辛二酸以上为分子间脱水,失水要加失水剂Ag2O、P2O5、乙酰氯、乙酸酐、三氯氧磷等;失羧要加碱：Ba(OH)2、Ca(OH)2等。,3）羧酸的碱金属盐与碱石灰共热可脱羧生成烃,是实验室制备少量较纯甲烷的方法。,4、还原反应,羧酸一般难于还原，用LiAlH4和

11、B2H6可将其还原为伯醇。,实例,几类还原剂的比较,1、催化加氢:催化剂一般为Pt, Pd, Ni; 可以还原碳碳不饱和键; 还原羰基为羟基;,2、用LiAlH4作还原剂时，不仅可还原醛酮为相应的醇,还可还原羧酸,酯,酰胺和腈等,但对碳碳双键或叁键不作用；,3、 NaBH4是一种缓和的还原剂，可将醛,酮还原为相应的醇,对碳碳双键或叁键不作用；,4、用B2H6作还原剂时，可将不饱和羧酸还原为饱和醇,在还原羧基的同时,还原碳碳双键或三键。,5、-H卤代反应,在三氯化磷或三溴化磷或红磷等催化剂的作用下，卤素取代脂肪酸-H原子,生成-卤代酸的反应称为赫尔-乌尔哈德-泽林斯基卤化反应。,注意只能用少量红

12、磷。,6、甲酸（ formic acid ）的特殊反应,甲酸既具有一般羧酸的通性，还具有还原性。能和托伦试剂、高锰酸钾等试剂反应。,HCOOH+KMnO4+H2SO4 CO2+H2O+K2SO4+MnSO4,HCOOH + 托伦试剂 CO2+Ag,甲酸的结构,第二部分 羧酸衍生物,一、羧酸衍生物的命名,羧酸分子中羧基上的羟基被其它原子取代后生成酰卤、酸酐、酯和酰胺等化合物,称为羧酸衍生物。经简单的水解又可转变为羧酸。,羧酸衍生物的通式,L = -X（-Cl、-Br） 酰卤 -OCOR（Ar） 酸酐 -OR（Ar） 酯 -NH2、-NHR、-NR2 酰胺,1、酰卤的命名,酰卤命名时可作为酰基的卤

13、化物，在酰基后加卤素的名称即可。,乙酰氯,-溴丁酰溴,2-溴丁酰溴,对氯甲酰苯甲酸,4-氯甲酰苯甲酸,2、酸酐的命名,单酐：在羧酸的名称后加酐字； 混酐：将简单的酸放前面，复杂的酸放后面再加酐字； 环酐：在二元酸的名称后加酐字。,醋酸酐,乙酸酐,乙丙酐,乙丙酸酐,丁二酸酐,丁二酸酐,3、酯的命名,酯可看作将羧酸的羧基氢原子被烃基取代的产物。命名时把羧酸名称放在前面，烃基的名称放在后面，再加一个酯字。内酯命名时，用内酯二字代替酸字并标明羟基的位置。,醋酸苯甲酯,乙酸苯甲酯,-甲基-丁内酯,2-甲基-4-丁内酯,乙酸苄酯,乙二酸氢乙酯,邻苯二甲酸甲乙酯,4、酰胺的命名,命名时把羧酸名称放在前面将相

14、应的酸字改为酰胺即可。,异丁酰胺,2-甲基丙酰胺,N-甲基丁二酰亚胺,乙酰苯胺,邻苯二甲酰亚胺,-己内酰胺,N-甲基-N-乙基乙酰胺,二、羧酸衍生物的化学性质,1、羧酸衍生物的结构和反应性能,氧的碱性,离去基团,羰基的活性,-H的活性,L = Cl，OOCR，OR，NH2等。,2、酰基上的亲核取代反应,(羧酸衍生物的水解,醇解和氨解),1)水解反应,2)醇解反应,酰卤、酸酐、酯等与醇或酚作用,生成相应的酯的反应,称为羧酸衍生物的醇解。,酯的醇解也称为酯交换反应。,用途:常用于制备不能直接由酯化反应得到的酯。,3) 氨解反应,羧酸衍生物酰卤、酸酐和酯与氨(或胺)作用生成酰胺的反应,称为氨解反应。

15、,N-未取代的酰胺与胺反应生成N- 取代酰胺。,羧酸衍生物亲核取代反应的总结,亲核试剂有OH-、ROH、NH3、NH2R等。,羧酸衍生物亲核取代反应的活性顺序是： 酰卤 酸酐 酯 酰胺 离去基团的碱性顺序是：,所以，离去基团的离去顺序是：,3、羧酸衍生物的还原反应,1）用氢化铝锂还原,羧酸衍生物可被氢化铝锂还原,酰卤、酸酐和酯被还原为相应的醇,酰胺被还原为相应的胺。,2）用金属钠-醇还原,酯与金属钠在醇溶液中加热回流,被还原为相应的伯醇。此反应称为鲍维特-勃朗克还原反应。在发现氢化铝锂之前,此法是还原酯的最常用的方法,且碳碳双键和碳碳三键不被还原。,3)罗森门德（Rosenmund）反应,酰卤

16、用降低了活性的钯催化剂（Pd/BaSO4），可选择性的氢化还原成醛，称为罗森门德还原反应，是醛的制备方法之一，并且，此法对于硝基和酯基等不受影响。,羧酸衍生物还原反应总结,1、氢化铝锂可还原羧酸衍生物,酰卤,酸酐和酯被还原为相应的醇,酰胺和腈被还原为相应的胺;,2、三叔丁氧基氢化铝锂可将酰卤还原为相应的醛而不是伯醇;,3、二乙氧基氢化铝锂和三乙氧基氢化铝锂等试剂可将酰胺还原为相应的醛;,4、以金属钠-醇为还原剂,酯被还原为相应的伯醇,即鲍维特-勃朗克还原反应;,5、以Pd/BaSO4为催化剂,酰卤被还原为相应的醛,即罗森门德（Rosenmund）还原反应。,4、羧酸衍生物与Grignard试剂

17、的反应,酰卤、酸酐、酯均能与格氏试剂反应，但在有机合成上常用的是酰卤和酯。,L= X; OCOR; OR,1)酰卤与格氏试剂反应,酰卤与格氏试剂反应生成酮，但酮很容易与格氏试剂进一步反应生成叔醇。因此，如果用一当量的格氏试剂与酰氯反应，产物为酮和叔醇的混合物，当格氏试剂过量时，则主要产物为叔醇。,2)酯与格氏试剂反应,在有机合成中常用酯与Grignard试剂反应来制取含两个相同烃基的叔醇。,5、酰胺的特殊反应,1)酰胺的酸碱性,在酰胺分子中,N原子与酰基直接相连;受酰基的影响,N原子上的孤对电子发生离域,电子云向酰基偏移,使得它与质子结合的能力小于氨或胺,碱性因而减弱。一般显示弱酸性和弱碱性。

18、,形成的盐不稳定,遇水即分解为乙酰胺和盐酸。说明酰胺具有碱性,但碱性非常弱。,在酰亚胺分子中, N上连有两个酰基,由于受两个酰基的影响,N上的电子云密度大大降低,N-H极性增强,因而酰亚胺的酸性较酰胺强,能与强碱反应形成较稳定的盐。,加布里埃尔合成纯伯胺的一种方法。,2) 酰胺脱水,酰胺与强脱水剂共热或高温加热,则分子内脱水生成腈,是合成腈最常用的方法之一。,常用的脱水剂有:五氧化二磷和亚硫酰氯。,3)Hofmann 降级反应,氮上未取代的酰胺在碱性溶液中与卤素作用，脱去羰基而生成少一个碳原子的伯胺的反应叫霍夫曼（Hofmann）降级反应,也叫重排反应。,6、酯缩合反应 （自学内容）,含有-氢

19、原子的酯在强碱(如乙醇钠,金属钠)的催化作用下缩合,经酸化后即可得到- 酮酸酯。称为克莱森酯缩合反应。,- 丁酮酸乙酯,7、丙二酸二乙酯和乙酰乙酸乙酯在有机合成中的应用,（自学内容）,1）乙酰乙酸乙酯的特性及其在有机在合成上的应用,(a)乙酰乙酸乙酯的酮式分解,乙酰乙酸乙酯在稀碱或稀酸作用下,水解生成乙酰乙酸,在加热条件下,脱羧生成酮的反应称为酮式分解。,(b)乙酰乙酸乙酯的酸式分解,乙酰乙酸乙酯与浓碱共热, 则-和-碳原子之间的键发生断裂,生成两分子乙酸盐。这种分解反应称为酸式分解。一般-羰基酸都发生此反应。,反应过程中,OH-负离子先进攻乙酰乙酸乙酯中较活泼的羰基,碳碳单键断裂生成一个羧酸

20、(盐)和一个酯,在碱的存在下,酯继续水解,转变为羧酸盐,再经酸化得到羧酸。,（c）乙酰乙酸乙酯的在合成上的应用,(1)乙酰乙酸乙酯进行烷基化反应以后,再进行酮式分解或酸式分解,在有机合成上可用来合成甲基酮或烷基取代的乙酸。,(2)乙酰乙酸乙酯钠衍生物与二卤化物作用,然后进行酮式分解可得二元酮或甲基环烷基酮。,(3)乙酰乙酸乙酯钠衍生物与碘作用,然后进行酮式分解可得2,5-己二酮;酸式分解得到丁二酸。,(4)乙酰乙酸乙酯钠衍生物与卤代酸酯作用,进行酮式分解可得高级酮酸,进行酸式分解可得二元酸。,(5)乙酰乙酸乙酯钠衍生物与酰氯作用,可引入酰基。但反应中用NaH代替C2H5ONa进行反应,以避免反

21、应中生成的醇与酰氯作用。该法可合成-二酮。,总 结,1、乙酰乙酸乙酯钠衍生物进行烷基化反应后,酮式分解得到2-酮;酸式分解得到取代乙酸。,2、乙酰乙酸乙酯钠衍生物与二卤化物作用后,酮式分解得到二元酮或甲基环烷基酮;酸式分解得到二元酸或环烷基甲酸。,3、乙酰乙酸乙酯钠衍生物与碘作用后,酮式分解得到2,5-己二酮;酸式分解得到丁二酸。,4、乙酰乙酸乙酯钠衍生物与卤代酸酯作用后,酮式分解得到高级酮酸;酸式分解得到二元羧酸。,5、乙酰乙酸乙酯钠衍生物与酰卤作用后,酮式分解得到二元酮;酸式分解得到酮酸。,2）丙二酸二乙酯的特性及其在有机在合成上的应用,丙二酸二乙酯为无色有香味的液体,微溶于水。亚甲基上的氢原子受相邻两个羰基的影响而很活泼,使丙二酸具有微弱的酸性（pKa=13）,可发生与乙酰乙酸乙酯类似的一些化学反应。,(1)与强碱作用可生成相应的钠衍生物,后者与卤代烷作用,可以得到一烷基取代丙二酸酯,继续反应可得到二烷基取代丙二酸酯,一烷基或二烷基取代丙二酸酯经水解得到取代的丙二酸,受热后脱羧得到取代乙酸。,(2)丙二酸二乙酯钠衍生物可与二卤代烷或卤代酸酯等作用,经水解,酸化,脱羧等反应生成二元酸。,(3)丙二酸二乙酯与二卤代烷作用,合成3-6元环的环烷酸。,第三部分 碳酸衍生物（自学内容）,碳酸是不稳定的。碳酸上的一个羟基换成其他基团的碳酸衍生物也是不稳定的。,碳酸上