羧酸及其衍生物和取代酸

1、第八章 羧酸及其衍生物和取代酸,羧酸：分子中含的-COOH的一类化合物叫羧酸。其通式为R-COOH，它可以看作是烃分子中的氢原子被-COOH取代所得到的衍生物。 取代酸：羧酸分子中烃基上的氢原子被其它元素的原子或原子团取代 所得到的衍生物叫取代酸。重要的取代酸有羟基酸、羰基酸、卤代酸和氨基酸。 羧酸的衍生物：羧酸分子中-COOH中的羟基被其它原子或基团取代所得到的化合物叫羧酸的衍生物,阿司匹林,布洛芬,第一节 羧酸,1. 羧酸的结构,羧酸中羰基对亲核试剂的活性降低，不能与HCN、 H2N-OH等进行加成,两个碳氧键不等长，部分离域,两个碳氧键等长，完全离域,1.36,1.23,1.27,醇中C

2、-O单键键长为1.43,羧酸的结构和命名,与醛相似，但经常根据来源使用俗名。例,2、羧酸的命名 （1）常见羧酸的俗名,1、选含有羧基的最长碳链为主链，编号由羧基的碳原子开始，命名简单的脂肪族羧酸习惯用、来表示取代基的位置； 2、对不饱和酸，如含碳碳双键，则取含碳碳双键和羧基的最长碳链，叫某烯酸，并把双键位置注于名称之前； 3、命名脂肪族二元酸时，选含两个羧基的最长碳链，叫某二酸； 4、芳香羧酸的命名，把芳香环看作取代基,2) 系统命名法,羧酸的系统命名法与醛相似，选择主链应包括羧基在内，编号时从靠近羧基的一端开始，因羧基总在 1位，故可不标其位次,甲酸,丙酸,丁二酸,4-甲基-3-乙基戊酸,E

3、-3-甲基-3-戊烯酸,若与羧基相连的是芳烃基或脂环烃基，则将它们看作取代基,环戊基甲酸,苯甲酸,间甲基苯甲酸,萘乙酸,对苯二甲酸（1,4-苯二甲酸,二、羧酸的物理性质,羧酸的沸点高于相应的醇，这是因为羧酸分子间可形成更多的氢键。羧酸分子主要以二缔合体的形式存在，故沸点较高,羧酸分子之间的缔合,羧酸与水形成的氢键,由于羧酸能与水形成较多的氢键，因此其水溶于较大（大于同碳醇），但其水溶性随其烃基增大而下降。 b.p () 乙醇 78.5 乙酸 118 溶解度（g/100ml) 丁醇 7.98 丁酸 与水混溶,三. 羧酸的制备方法,一) 从烃制备烃的氧化,二) 伯醇或醛的氧化制备同碳数的羧酸,三)

4、 制备减少一个碳原子的羧酸,四）制备增加一个碳原子的羧酸,制备增加一个碳原子的酚酸,六) 腈的水解,四. 羧酸的化学性质,还原 还原,还原,一) 羧酸的酸性,1. 羧基的结构与酸性,羧酸的酸性比水、醇强，甚至比碳酸的酸性还要强,羧酸和醇在结构上只差一个C=O，但其酸性却相差很 大。这是因为醇离解生成的RCH2O负离子中，负电荷是局限在一个氧原子，而羧酸离解后生成的RCOO 负离子，由于共轭效应的存在，氧原子上的负电荷则均匀地分散在两个原子上，因而稳定容易生成,由羧酸结构所决定，其最显著的化学性质就是在水溶 液中能离解成羧酸根负离子和质子,一些化合物的酸碱性强弱次序如下,2. 影响酸性强度的因素

5、,1) 诱导效应的影响,吸电子诱导效应(I效应)使酸性，其相对强度,同族元素从上到下原子序数依次，电负性依次。故,如,同周期元素从左到右电负性依次,如,与碳原子相连的基团不饱和性，吸电子能力,如,带正电荷或具有配价键的基团为强I基团。如,诱导效应的特点,A. 具有加和性,供电子诱导效应(+I效应)使酸性，其相对强度,芳香酸,酸性：C6H5COOHCH3COOH 芳环上有吸电子基时，ArCOOH酸性增加。例如,芳环上有斥电子基时，ArCOOH酸性减弱。例如,负电荷分散程度：C6H5COOp-CH3-C6H4-COOp-CH3O-C6H4-COO,小结,I效应使RCOOH酸性减弱，-I效应使RCO

6、OH酸性增强。 -I效应强弱次序： NH3NO2CNCOOHFClBrCOOROROHC6H5H +I效应强弱次序： OCOO(CH3)3CCH3CH2CH3H,3. 成盐,应用：用于分离、鉴别,不溶于水的羧酸，既溶于NaOH，又溶于NaHCO3,不溶于水的酚，溶于NaOH，但不溶于NaHCO3,不溶于水的醇，既不溶于NaOH，也不溶于NaHCO3,三、 羧酸衍生物的生成,1) 酰卤的生成,除HCOOH外，羧酸可与PCl3、PCl5、SOCl2作用，羧酸中的羟基被氯原子取代生成酰氯。如,亚磷酸不易挥发，故该法适用于制备低沸点酰氯,磷酰氯沸点较低(105.3)，故适用于制备高沸点酰氯,该法的副产

7、物均为气体，有利于分离，且产率较高,上述方法如何选用，取决于原料、产物与副产物之间 的沸点差(沸点差越大，越容易分离)。但因酰卤易于水解，故不能用水洗的方法除去反应中的无机物,2) 酸酐的生成,除HCOOH外，羧酸与脱水剂P2O5或(CH3CO)2O共 热，两分子羧酸则发生分子间脱水生成酸酐,用乙酸酐作脱水剂不仅价格便宜，而且它易于吸水生 成乙酸，容易除去，故常用来制备较高级的羧酸酐,羧酸的分子间脱水只适用于制备简单酸酐,混合酸酐可用酰卤与羧酸盐一起共热的方法来制备,3) 酯的生成,羧酸与醇在酸催化下作用，脱去一分子水生成酯的反 应，称为酯化反应,酯化反应是典型的可逆反应，为了提高酯的产率，可

8、 根据平衡移动原理，或增加反应物浓度，或减少生成物浓 度，使平衡向右移动,某些二元酸，只需加热即可生成五元环或六元环的酸酐。如,影响酯化反应速率的因素,羧酸结构的影响,羧酸分子中烃基增大，空间位阻，不利于ROH的 进攻，酯化速率。故对同一种醇而言，不同羧酸的反应 活性顺序是,醇的结构的影响,因为在酸性介质中，叔醇易发生消除反应，生成烯烃,4) 酰胺的生成,羧酸与NH3或RNH2、R2NH作用，生成铵盐，然后加 热脱水生成酰胺或N-取代酰胺。如,二元酸的二铵盐受热则发生分子内脱水兼脱氨，生成 五元或六元环状酰亚胺,例,四、 还原反应,羧酸不易被还原。但在强还原剂LiAlH4作用下，羧基 可被还原

9、成羟基，生成相应的1ROH,该法不仅产率高，而且不影响C=C和CC的存在，可用 于不饱和酸的还原,五、 脱羧反应,羧酸或其盐脱去羧基(失去CO2)的反应，称为脱羧反 应。饱和一元羧酸在加热下较难脱羧，但低级羧酸的金属 盐在碱存在下加热则可发生脱羧反应。如,当-碳原子上连有NO2、CN、CO、Cl 等 强吸电子基时则容易脱羧。如,某些芳香族羧酸不但可以脱羧，且比饱和一元酸容易。 如,二元羧酸受热，依两个羧基的相对位置不同，其产物 各异，乙二酸、丙二酸脱羧生成一元酸；丁二酸、戊二酸,脱羧生成酸酐；己二酸、庚二酸则脱羧兼脱水生成酮,六、 - 氢原子的反应,脂肪族羧酸的- 氢原子也可被卤原子取代，但其

10、反 应活性要比醛、酮低的多，通常要在少量红磷存在下方可 进行。该反应成为Hell-Volhard-Zelinsky反应,卤代酸中的卤原子与卤代烃中的卤原子相似，可以进 行亲核取代反应和消除反应。如,酸性,羧酸衍生物的生成,1. 酰卤的生成,2. 酸酐的生成,3. 酯的生成,4. 酰胺的生成,还 原 反 应,脱 羧 反 应,如,氢原子的反应,第二节 羟基酸,一. 羟基酸的命名 习惯命名法,乳酸,酒石酸,苹果酸,柠檬酸,水杨酸,没食子酸,羟基酸的命名,系统命名法,2-羟基丙酸,2,3-二羟基丁二酸,2-羟基丁二酸,3-羧基-3-羟基戊二酸,2-羟基苯甲酸,3,4,5-三羟基苯甲酸,二.羟基酸的物理

11、性质,与羧酸相比，羟基酸比羧酸多一个或多个羟基，其分子间可形成更多的氢键，故其沸点和水溶性都大于相应的羧酸,三. 羟基酸的化学性质,1. 羟基酸的酸性 因为羟基是吸电子基团，具有吸电子的诱导效应，故其酸性大于同碳羧酸。对于结构不同的羟基酸，其酸性随OH与COOH距离的增大而减弱。 -羟基酸-羟基酸-羟基酸羧酸,酸性：卤代酸羟基酸羧酸,2.羟基酸的脱水反应,不同的羟基酸，失水反应的产物不同,由以上反应知，共轭体系、五元环、六元环稳定。许多内酯存在于自然界，有些是天然香精的主要成分。例如,羟基与羧基相距更远时，发生分子间失水,3. 羟基酸的分解脱羧反应,RCHCOOH,OH,RCHO + HCOO

12、H,RCOOH + CO2 + H2O,稀H2SO4,KMnO4,H2SO4,羧酸衍生物的含义 羧酸衍生物系指酰卤、酸酐、酯、酰胺，它们经简单水解后都得到羧酸,取代酸(如氨基酸、羟基酸、卤代酸等)通常不属于羧酸衍生物,第三节 羧酸衍生物,一、羧酸衍生物的命名方法,酰卤、酸酐一般由相应的羧酸来命名。 通常将羧酸分子中羧基去掉羟基后所剩下的部分叫酰基,乙酰氯,2-甲基丙酰溴,对甲基苯甲酰氯,乙酸酐,乙酸丙酸酐,邻苯二甲酸酐,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,酯是根据形成它的羧酸和醇来命名，称为“某酸某酯,乙酸甲酯,对甲基苯

13、甲酸乙酯,苯甲酸苯甲酯,乙酸苯酯,丙二酸二甲酯,乙酸异丙酯,内酯,戊内酯,内酯命名时，用内酯二字代替酸字并标明羟基的位置,酰胺的命名,CH3-C-NH2,O,CH3-C-NHCH3,O,CH3-C-N,O,CH3,CH3,乙酰胺,苯甲酰胺,N-甲基乙酰胺,N，N-二甲基乙酰胺,命名时把羧酸名称放在前面将相应的酸字改为酰胺,内酰胺,丁内酰胺,氨基丁酸,二、羧酸衍生物的物理性质,1. 沸点(b.p,酰卤 、酸酐、酯 M 相近的羧酸,原因：酰卤 、酸酐、酯 没有分子间的氢键缔合作用,酰胺,相应的羧酸,原因：酰胺的氨基上的氢原子可在分子间形成较强的氢键,显然，随着酰胺的氨基上的氢原子被取代，分子间的

14、氢键缔合作用将逐渐削弱，以致不能发生氢键缔合，其沸 点必然,酰胺 N - 一取代酰胺 N - 二取代酰胺,如,2. 溶解度,酰卤、酸酐和酯不溶于水，但低级酰卤、酸酐遇水则分解,低级酰胺 溶于水，随着M，溶解度,3. 物态： 酰氯、酸酐：分子间无氢键作用，挥发性强，有刺鼻气味的液体。 酯：低级酯是有酯香味的液体。高级脂肪酸的高级脂肪醇酯为固体，俗称“蜡”。 酰胺：分子间氢键作用强，一般为固体，但DMF或DEF为液体，是常用的非质子性溶剂,三、羧酸衍生物的化学性质 一、 酰基上的亲核取代(加成-消去)反应,反应的结果是L基团被取代，故称为亲核取代反应,1) 水解,如,2) 醇解,酰卤、酸酐与醇或酚

15、作用，生成相应的酯。如,羧酸与醇的酯化反应是可逆反应，若将羧酸转化成酰 卤，然后再与醇反应，虽然经过两步反应，但酯化效果却 很好。特别是空间位阻较大的脂肪酸或反应性弱的芳香族 酰卤与叔醇或酚的酯化，效果较好。如,酯与醇作用，仍生成酯，故又称为酯交换反应。该反 应可用于从低沸点酯制备高沸点酯。如,3) 氨解,酰卤、酸酐和酯均可与氨或胺作用，生成相应的酰胺,如,二、 还原反应,1) LiAlH4还原,四种羧酸衍生物均可被LiAlH4还原，其还原产物除酰胺还原得到相应的胺外，酰氯、酸酐和酯还原均得到相应的伯醇。如,3) Rosenmund还原,酰卤在Pd/BaSO4催化剂存在下，进行常压加氢，可 使

16、酰卤还原成响应的醛，称为Rosenmund还原,在反应中加入适量的喹啉S或硫脲等做为“抑制剂”降低催化剂的活性，以使反应停留在生成醛的阶段,2) 用金属钠-醇还原Bouveault-Blanc反应,酯与金属钠在醇溶液中加热回流，可被还原成伯醇,三、 与Grignard试剂作用,四种羧酸衍生物均可与Grignard试剂作用，生成相应 的叔醇。然而，在合成中用途比较大的是酯和酰卤(尤其 是酯)与Grignard试剂的作用,比较反应活性,结构对称的叔醇,结论：反应可以停留在生成酮的阶段,结构对称的叔醇,比较反应活性,结论：反应难以停留在生成酮的阶段,四、 酰胺氮原子上的反应,1) 酰胺的酸碱性,N原

17、子上的未共用电子对与羰基处于p,-共轭体系，使得N原子上的电子云密度，从而减弱了它接受质子的能力，因此其碱性,NH3 RCONH2,酰胺虽具有碱性，但其碱性很弱，除很强的酸如：氯 化氢气体外，其他酸很难与之形成稳定的盐，即便与HCl (气体)形成的盐一旦遇水则又水解为酰胺和盐酸,由于p,-共轭效应导致N原子上的电子云 密度，NH键必然受到诱导效应的影响， 使H原子解离的趋势，而表现出一定的酸性,但其酸性也很弱，其酸性大体与醇相当。因此，一般可以认为酰胺是中性化合物，它不能使石蕊变色,酰亚胺化合物由于受两个羰基的影响， N上的H原子的酸性将明显增强,因此，酰亚胺化合物可与强碱作用，生成稳定的盐,

18、综上所述,2) 脱水反应,酰胺在脱水剂P2O5、SOCl2等存在下共热或高温加热， 则发生分子内脱水，生成腈。如,3) Hofmann降解反应,酰胺与Cl2或Br2在碱溶液中作用，则脱去羰基生成伯 胺，该反应通常称为Hofmann降解反应,该反应是减少一个碳原子的反应，不但产率较高，而且产品较为纯净,第四节 -二羰基化合物,凡两个羰基中间被一个碳原子隔开的化合物均称为 -二羰基化合物。如,一、酮式-烯醇式互变异构,但-二羰基化合物的烯醇式结构却具有一定的稳定 性,实验事实：以乙酰乙酸乙酯为例,具有羰基的性质可与HCN、NaHSO3作用； 可与NH2OH、C6H5NHNH2作用；还原可生成-羟基

19、 酸酯,表现出的其它性质,可使溴水褪色证明有不饱和键存在,能与金属钠作用，放出H2,能与CH3COCl作用生成酯,说明有醇羟基存在,能与FeCl3水溶液作用呈现出紫红色说明具有烯 醇式结构,实验事实表明：在乙酰乙酸乙酯中存在着酮式和烯醇 式的互变异构，并形成一个平衡体系,那么，同为烯醇式结构，为什么在乙酰乙酸乙酯中就 可以稳定的存在呢,其原因是,1. 该烯醇式结构能通过分子内氢 键的缔合形成一个稳定的六元环,2. 烯醇式的羟基氧原子上的未共 用电子对与碳碳双键、碳氧双键处于 共轭体系，发生了电子的离域，使体系能量降低而趋于稳 定,影响烯醇式含量的因素,1. 活泼亚甲基上连有I基团，烯醇式含量，连有 +I基团，烯醇式含量。如,2. 烯醇式含量与溶剂有关，在极性溶剂(如：水或质 子性溶剂)中烯醇式含量，而在非极性溶剂中烯醇式含 量。 如,这是因为在极性溶剂中，酮式或烯醇式均易与水形成分子间氢键，从而减少了烯醇式形成分子内氢键的几率；而在非极性溶剂中则有利于烯醇式分子内氢键的形成,下列数据说明了结构对烯醇式含量的影响,例比较下列