有机化学：第11章羧酸和取代羧酸

1、第十章羧酸和取代羧酸 ROH O C O O R C . . . . . 形式上看，羧基由形式上看，羧基由 羰基和羟基组成。羰基和羟基组成。 羟基氧原子的未共羟基氧原子的未共 用电子对所占据的用电子对所占据的p 轨道和羰基的轨道和羰基的键形键形 成成p-共轭。羟基氧共轭。羟基氧 上电子云密度有所上电子云密度有所 降低，羰基碳上电降低，羰基碳上电 子云密度有所升高。子云密度有所升高。 3 羧酸可看成是烃分子中的氢原子被羧基（羧酸可看成是烃分子中的氢原子被羧基（-COOH-COOH）取代）取代 而生成的化合物。其通式为而生成的化合物。其通式为RCOOHRCOOH。羧酸的官能团是羧基。羧酸的官能团是

2、羧基。 CHCOOH CH3 (CH3)2CHCH2 COOH OCOCH3 RCOH O 酰基 羧基 布洛芬阿司匹林 羧酸是许多有机物氧化的最后产物，它在自然界普遍存在羧酸是许多有机物氧化的最后产物，它在自然界普遍存在 （以酯的形式），在工业、农业、医药和人们的日常生活（以酯的形式），在工业、农业、医药和人们的日常生活 中有着广泛的应用。中有着广泛的应用。 肥皂：高级脂肪酸的钠盐；肥皂：高级脂肪酸的钠盐； 动物油：饱和高级脂肪酸的甘油酯；动物油：饱和高级脂肪酸的甘油酯； 植物油：不饱和高级脂肪酸的甘油酯；植物油：不饱和高级脂肪酸的甘油酯； 食用醋：食用醋：2%的乙酸水溶液。的乙酸水溶液。 5

3、 羧酸的分类和命名羧酸的分类和命名 二二 三 一一 羧酸的命羧酸的命 名和化学名和化学 性质性质 羟基酸的羟基酸的 命名和化命名和化 学性质学性质 酮酸的命酮酸的命 名和化学名和化学 性质性质 本章主要内容本章主要内容 一、羧酸的命名和化学性质一、羧酸的命名和化学性质 1. 命名（与醛相同）命名（与醛相同） 官能团官能团 COOH 羧基羧基COH O 6-羟基己酸羟基己酸（- 羟基己酸羟基己酸） 丁二酸丁二酸（琥珀酸）（琥珀酸） CH2COOH CH2COOH HOCH2(CH2)4COOH 9 HOOCCH-CHCOOH OH OH C=C HH HOOCCOOH 酒石酸酒石酸 马来酸马来酸

4、 1、俗名、俗名 2、系统命名法、系统命名法 a含羧基的最长碳链。含羧基的最长碳链。 b编号。从羧基编号。从羧基C原子开始编号。（用阿拉伯数字或希原子开始编号。（用阿拉伯数字或希 腊字母。）腊字母。） c. 如有不饱和键角要标明烯（或炔）键的位次。并主链如有不饱和键角要标明烯（或炔）键的位次。并主链 包括双键和叁键。包括双键和叁键。 d. 脂环族羧酸。简单的在脂环烃后加羧酸二字，复杂的脂环族羧酸。简单的在脂环烃后加羧酸二字，复杂的 环可作为取代基。环可作为取代基。 10 COOH CH2CH2CH2COOH 环已基甲酸4环已基丁酸 COOH CH2CH2CH2COOH 4苯基丁酸 苯甲酸 e.

5、芳香酸可作脂肪酸的芳基取代物命名。芳香酸可作脂肪酸的芳基取代物命名。 f.多元羧酸：选择含两个羧基的碳链为主链，按多元羧酸：选择含两个羧基的碳链为主链，按C原子原子 数目称为某二酸。数目称为某二酸。 3-对氯苯基丁酸对氯苯基丁酸ClCHCH2COOH CH3 顺顺-9-十八碳烯酸十八碳烯酸（油酸油酸） 10 9 (Z)-9-十八碳烯酸十八碳烯酸 CC HH CH3(CH2)7(CH2)7COOH 顺顺-丁烯二酸丁烯二酸（马来酸马来酸） C C COOH H COOH H 反反-丁烯二酸丁烯二酸（富马酸富马酸） C C H HCOOH HOOC 13 CH 3CH2OCH2COOH -乙氧基醋酸

6、乙氧基醋酸 CCH3 CH3 CH=CHCOOH COOH COOH 4-甲基甲基-4-苯基苯基-2-戊烯酸戊烯酸 (1R, 3R)-1,3-环己烷二羧酸环己烷二羧酸 HCCH2COOH O CH3CCH2COOH O 丙醛酸丙醛酸 （3-氧代丙酸或氧代丙酸或3-羰基丙酸）羰基丙酸） 3-丁酮酸丁酮酸 （3-氧代丁酸或乙酰乙酸）氧代丁酸或乙酰乙酸） 状态：状态： 19个个C液体液体，高级，高级固体固体 沸点：沸点：比相对分子质量相近的醇比相对分子质量相近的醇高得多高得多 甲酸甲酸(Mr=46) 乙醇乙醇(Mr=46) b.p.() 100.5 78.3 O C O H R O C O H R

7、O C O H R 多聚体多聚体 2. 物理性质物理性质 HO CR O C OOH R二聚体二聚体 羧酸的化学性质羧酸的化学性质 结构与反应性结构与反应性 R CH H C O H O - + . Nu . . II亲核加成-消除 = 取代（OH） III-H反应 IV失羧反应 I酸性反应 羧酸的羧酸的酸性酸性 RCOOH RCOO- + H+pKa 35 sp2 p-共轭降低羰基碳原子的正共轭降低羰基碳原子的正 电性，不利于亲核加成电性，不利于亲核加成 有利于氢原子的有利于氢原子的 离解离解酸性酸性 3. 化学性质化学性质 (1) 酸性与成盐酸性与成盐 Lewis结构式结构式 游离羧酸游离

8、羧酸 稳定的羧酸根负离子稳定的羧酸根负离子 123pm 136pm 127pm 127pm H R R RC O O H - 17 R C O OH R C O O R C O O H C O OH H C O O H C O O 0.127nm 0.127nm 当羧基电离成负离子后，氧原子上带一个负电荷，更有当羧基电离成负离子后，氧原子上带一个负电荷，更有 利于共轭，故羧酸易离解成负离子利于共轭，故羧酸易离解成负离子 由于共轭作用，使得羧基不是羰基和羟基的简单加合，由于共轭作用，使得羧基不是羰基和羟基的简单加合， 所以羧基中既不存在典型的羰基，也不存在着典型的羟基，所以羧基中既不存在典型的羰

9、基，也不存在着典型的羟基， 而是两者互相影响的统一体。而是两者互相影响的统一体。 18 RCOOHRCOO+H+ 羧酸的酸性比水、醇强，甚至比碳酸的酸性还要强。羧酸的酸性比水、醇强，甚至比碳酸的酸性还要强。 pKa RCOOH 45 (甲酸除外) H2OROHH2CO3 15.716196.38 羧酸离解后生成的羧酸离解后生成的RCOO RCOO 负离子，由于共轭效应 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。上，因而稳定容易生成。 RC O O 1 2 1 2 RC = O O RC O O =

10、RC O O 1 2 1 2 RCOOHHOHROHHC CHNH 3 RH相对酸性： 19 电子效应对酸性的影响电子效应对酸性的影响 1吸电子诱导效应使酸性增强。吸电子诱导效应使酸性增强。 FCH2COOH ClCH2COOH BrCH2COOH ICH2COOH CH3COOH pKa值值 2.66 2.86 2.89 3.16 4.76 2供电子供电子诱导效应诱导效应使酸性减弱。使酸性减弱。 CH3COOH CH3CH2COOH (CH3)3CCOOH pKa值值 4.76 4.87 5.05 3吸电子基增多酸性增强。吸电子基增多酸性增强。 ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3

11、CCOOH pKa值值 2.86 1.29 0.65 1）诱导效应）诱导效应 a. Acetic acid b. Trichloroacetic acid 21 2) 共轭效应共轭效应 当羧基能与其他基团共轭时当羧基能与其他基团共轭时,则酸性增强则酸性增强 4吸电子基的位置距羧基越远，酸性越小。吸电子基的位置距羧基越远，酸性越小。 4.81 CH3CH2CHCOOHCH3CHCH2COOHCH2CH2CH2COOH CH3CH2CH2COOH 4.06 4.52 PKa 2.80 ClCl Cl P 共轭体系 共轭体系 超共轭体系 共轭体系 CH3COOH RCOOH H2CO3 H2O RO

12、H 1-2 4-5 6.4(pka1) 9-10 15.7 16-19 OH RC O OH 酰氧基酰氧基 酸酐酸酐 OC O RRC O OC O R 卤原子卤原子 X酰卤酰卤CXR O OR 烷氧基烷氧基 酯酯 RC O OR 氨基氨基 酰胺酰胺NH2RC O NH2 (2) 羧酸衍生物的生成羧酸衍生物的生成 CR O 酰基酰基 三氯化磷三氯化磷亚磷酸亚磷酸 RC O OHRC O Cl +PCl3H3PO3 回流回流 R C O OH PCl5R C O ClPOCl3 HCl+ 五氯化磷五氯化磷三氯氧磷三氯氧磷 回流回流 RC O OHRC O ClSOCl2SO2HCl+ 氯化亚砜（

13、亚硫酰氯）氯化亚砜（亚硫酰氯） 回流回流 酰卤的生成酰卤的生成 R O O H Cl S Cl O R O O+ H SO- Cl Cl R O O+ H S Cl O Cl- O+ H S Cl O R Cl O- R O Cl O H S Cl O + HCl + SO2 A Mechanism for the Reaction: RC O OHHOC O RRC O OCR O P2O5 或强热 H2O+ COC OO 酐键酐键 COOH COOH 180 + H2O C C O O O 酸酐的生成酸酐的生成 RCOOH + HOR RCOOR + H2O CO O 酯键酯键 酯的生成酯

14、的生成 H+ 1、2醇的酯化醇的酯化完整反应历程可以表示如下完整反应历程可以表示如下： R C O OH + H+ R C +OH OH R C OH OH +OHR - H+ R C OH OH OR slow fast 加成 消除 R C +OH OR + -OH - H+ R C O OR + H2O HO R . . 3醇的酯化醇的酯化 R3COH + H+R3COH2 +slow R3C+ + H2O + +CR3 fast - H+ RC O OHRC O H O CR3RC O O CR3 + . 进一步研究发现：进一步研究发现： NNH2 CHCONH O S CH3 CH3

15、COOH COONa 请指出氨苄青霉素中的酰胺键请指出氨苄青霉素中的酰胺键 想一想想一想 RCOOHRCOONH4RCNH2 O NH3H2O CN OH 酰胺键酰胺键 COOHH2NCONH+ H2O N-苯基苯甲酰胺苯基苯甲酰胺 酰胺的生成酰胺的生成 DCC-Promoted Amide Synthesis: R O OH C6H11 N C N C6H11 (DCC) R CO+ OH C N N- C6H11 C6H11 R CO O+H C N N- C6H11 C6H11 R CO O C N NH C6H11 C6H11 RNH2 R COC N NH C6H11 C6H11 N

16、 H2+O- R OC HN HN C6H11 C6H11 R O NHR + O N H Amide with nitrogen atom bearing one or two hydrogen: can form strong hydrogen bond, higher melting and boiling points N,N-disubstituted amide: no strong hydrogen bond, lower melting and boiling points O N H hydrogen bond COOH COOH 160180 HCOOH + CO2 (3)

17、 乙二酸及丙二酸的脱羧反应乙二酸及丙二酸的脱羧反应 140160 CH3COOH + CO2HOOCCH2COOH two reasons: O OO R -keto acid H - CO2 OH RCH3 O R EnolKetone avoid an anion intermediate (1) (2) O O-O R acylacetate ion - CO2 O R - CH- O- R Resonence-stabilized anion HA CH3 O R Ketone OH OO HO RR malonic acid 100-150oC OH O + CO2 R R DO N

18、OT form anhydride OH OH O O Cyclic Anhydride: 300oC O O O + H2O Succinic anhydride Succinic acid OH OH O O 230oC O O O + H2O Phthalic anhydride Phthalic acid (100%) 取代羧酸取代羧酸 卤代酸卤代酸 羟基酸羟基酸 醇酸醇酸 酚酸酚酸 羰基酸羰基酸 醛酸醛酸 酮酸酮酸 氨基酸氨基酸 二、羟基酸的命名和化学性质二、羟基酸的命名和化学性质 46 自然界中的羟基酸自然界中的羟基酸 乳酸：乳酸： 结构：结构： 存在：酸牛奶（外消旋）、蔗糖发酵（

19、左旋的）、肌肉中（右旋的）。存在：酸牛奶（外消旋）、蔗糖发酵（左旋的）、肌肉中（右旋的）。 用途：具有很强的吸湿性；工业上作除钙剂（钙盐不溶于水）；食品用途：具有很强的吸湿性；工业上作除钙剂（钙盐不溶于水）；食品 工业中作增酸剂；钙盐可补钙。工业中作增酸剂；钙盐可补钙。 苹果酸（苹果酸（-羟基酸）羟基酸） 结构：结构： 存在：未成熟的果实内；植物的叶子中；自然界中存在的是左旋体。存在：未成熟的果实内；植物的叶子中；自然界中存在的是左旋体。 用途：制药和食品工业。用途：制药和食品工业。 H3C H C OH COOH H2C H CHOCOOH COOH 3-羧基羧基-2-羟基戊二酸羟基戊二酸

20、（异柠檬酸（异柠檬酸 或或 异枸橼酸）异枸橼酸） HOCHCOOH CHCOOH CH2COOH （柠檬酸（柠檬酸 或或 枸橼酸）枸橼酸） jyun 3-羧基羧基-3-羟基戊二酸羟基戊二酸 HOC CH2COOH CH2COOH COOH 记！记！ HO COOH H HOH COOH 2S,3S-2,3-二羟基丁二酸二羟基丁二酸 （2S,3S-酒石酸）酒石酸） 1. 命名命名 COOH HO 3,4,5-三羟基苯甲酸三羟基苯甲酸 （没食子酸没食子酸） OH COOH OH HO 顺顺-3-羟基环己烷甲酸羟基环己烷甲酸 pKa3.83 4.51 4.76 强强弱弱 HOCH2COOH HOCH

21、2CH2COOH CH3COOH 2. 化学性质化学性质 (1) 醇酸的酸性醇酸的酸性 HOCH2COOHOHCCOOHHOOCCOOH 稀稀HNO3稀稀HNO3 CH3CHCH2COOH OH CH3CCH2COOH O 稀稀HNO3 CH3CHCOOH OH CH3CCOOH O Ag+ Tollens试剂试剂 -羟基酸羟基酸-酮酸酮酸 与稀硝酸作用与稀硝酸作用 与与Tollens试剂作用试剂作用 (2) 醇酸的氧化反应醇酸的氧化反应 -醇酸醇酸 交酯交酯 - H2O CH3CH C O OH OH OH CHCH3CHO O O O OO CH3 H3C -2H2O -羟基丙酸羟基丙酸丙

22、交酯丙交酯 + O O OOH2O +CH2COOH OH 2 H + OH -或 乙交酯乙交酯羟基乙酸羟基乙酸 (3) 醇酸的脱水反应醇酸的脱水反应 -醇酸醇酸 ,-不饱和酸不饱和酸 - H2O -醇酸和醇酸和-醇酸醇酸 5元或元或6元环内酯元环内酯 - H2O CH3CHCHCOOH OHH CH3CHCHCOOHH2O+ -羟基丁酸羟基丁酸 2-丁烯酸丁烯酸 微热微热 CH2CH2CO CH2OHOH O OH2O+ -羟基丁酸羟基丁酸 -丁内酯（丁内酯（1,4-丁内酯）丁内酯） 室温室温 HOCH2(CH2)3COOH -羟基戊酸羟基戊酸 O O H2O+ -戊内酯戊内酯 多发生于羟基

23、在羧基邻位或对位的酚酸多发生于羟基在羧基邻位或对位的酚酸 COOH OHOH CO2+ 200220 OH COOH OHHO OH OHHO CO2+ 200 (4) 酚酸的脱羧反应酚酸的脱羧反应 常见的酰基：常见的酰基：CH3COOHCH3CO HOOC COOHHOOC CO 乙酸乙酸乙酰基乙酰基 草酸草酸草酰基草酰基 丁酮二酸丁酮二酸HOOCCH2CCOOH O C CH2COOHCH3 O -丁酮酸丁酮酸 （乙酰乙酸）（乙酰乙酸） （草酰乙酸）（草酰乙酸） 三、酮酸三、酮酸的命名和化学性质的命名和化学性质 1. 命名命名 强强弱弱 COCOOH 对苯甲酰苯甲酸对苯甲酰苯甲酸 酮酸酮酸

24、 醇酸醇酸 醇酸醇酸 羧酸羧酸 CH3CCOOH O CH3CHCOOH OH CH3CH2COOHHOCH2CH2COOH 草酰琥珀酸草酰琥珀酸 OCCOOH CHCOOH CH2COOH pKa2.49 3.86 4.51 4.88 2. 化学性质化学性质 (1) 酸性酸性 RC O COOHRCHOCO2 + 稀稀H2SO4 -酮酸酮酸 -酮酸酮酸 酮式分解酮式分解 酸式分解酸式分解 RCOCH2COOHRCOCH3CO2+ 常温或微热常温或微热 (2) 脱羧反应脱羧反应 RCOCH2COOHRCOONaCH3COONa+2NaOH two reasons: O OO R -keto a

25、cid H - CO2 OH RCH3 O R EnolKetone avoid an anion intermediate (1) (2) O O-O R acylacetate ion - CO2 O R - CH- O- R Resonence-stabilized anion HA CH3 O R Ketone 想一想想一想 OHCCH2CH2COOH HOOCOHOOCO COOH HOOCCCHCH2COOH OCOOH CO2 脱羧酶 草酰琥珀酸草酰琥珀酸 CO2 脱羧酶 氧化酶氧化酶 HOOCCH2CH2COOH 琥珀酸琥珀酸 HOOCCCH2CH2COOH O -酮戊二酸酮戊

26、二酸 CH3COCH2COOHCH3COCH3 CO2 丙酮丙酮 酮体酮体 正常人的血液正常人的血液 3g.L-1 晚期：酮症酸中毒晚期：酮症酸中毒 酮体酮体 -羟基丁酸、羟基丁酸、-丁酮酸和丙酮丁酮酸和丙酮 CH3COCH2COOHCH3CHCH2COOH OH -羟基丁酸羟基丁酸 -丁酮酸丁酮酸 （乙酰乙酸）（乙酰乙酸） 酶酶 酮体酮体 -羟基丁酸、羟基丁酸、-丁酮酸和丙酮丁酮酸和丙酮 酮体是脂肪酸分解代谢过程中的产物，仅在酮体是脂肪酸分解代谢过程中的产物，仅在 肝内形成，它包括肝内形成，它包括-羟丁酸、乙酰乙酸和丙酮，羟丁酸、乙酰乙酸和丙酮， 正常成人正常成人2424小时尿内含量分别为小

27、时尿内含量分别为25mg,9mg25mg,9mg和和3mg3mg， 因含量少，用一般方法无法检出。因含量少，用一般方法无法检出。 尿内出现酮体，是代谢性酸中毒的表现。阳尿内出现酮体，是代谢性酸中毒的表现。阳 性见于糖尿病酮症酸中毒、严重的妊娠中毒性休性见于糖尿病酮症酸中毒、严重的妊娠中毒性休 克，还可见于中毒（如：磷、乙醚、氯仿等）、克，还可见于中毒（如：磷、乙醚、氯仿等）、 热性病（如：伤寒、麻疹、猩红热、肺炎、败血热性病（如：伤寒、麻疹、猩红热、肺炎、败血 症、急性风湿热、急性粟粒性结核等）及惊厥时症、急性风湿热、急性粟粒性结核等）及惊厥时 。另外，分娩后以及摄入多量脂肪和蛋白质、重。另外

28、，分娩后以及摄入多量脂肪和蛋白质、重 症不能进食（如食道癌等）或进食而不摄入糖类症不能进食（如食道癌等）或进食而不摄入糖类 时，均可因体内缺乏，大量分解脂肪而致尿中酮时，均可因体内缺乏，大量分解脂肪而致尿中酮 体阳性。体阳性。 前列腺素的生理功能前列腺素的生理功能 基本骨架基本骨架: : 前列腺前列腺( (烷烷) )酸酸 R R 10 1917 1513 11 9 753 1 COOH 如如: : PGAPGDPGEPGF O R1 R2 R1 R2 OH O O R2 R1 OH R2 OH OH R1 前列腺素前列腺素 PG 前列腺素的生理功能前列腺素的生理功能 前列腺素的生理作用极为广泛

29、。（前列腺素的生理作用极为广泛。（1）对生殖系统作）对生殖系统作 用：作用于下丘脑的黄体生成素释放激素的神经内分用：作用于下丘脑的黄体生成素释放激素的神经内分 泌细胞，增加黄体生成素释放激素释放，再刺激垂体泌细胞，增加黄体生成素释放激素释放，再刺激垂体 前叶黄体生成素和卵泡刺激素分泌，从而使睾丸激素前叶黄体生成素和卵泡刺激素分泌，从而使睾丸激素 分泌增加。前列腺素也能直接刺激睾丸间质细胞分泌分泌增加。前列腺素也能直接刺激睾丸间质细胞分泌 。可增加大鼠睾丸重量、核糖核酸含量、透明质酸酶。可增加大鼠睾丸重量、核糖核酸含量、透明质酸酶 活性和精子数量，增加精子活动。前列腺素维持雄性活性和精子数量，增

30、加精子活动。前列腺素维持雄性 生殖器官平滑肌收缩，被认为与射精作用有关。精液生殖器官平滑肌收缩，被认为与射精作用有关。精液 中中PG使子宫颈肌松弛，促进精子在雌性动物生殖道使子宫颈肌松弛，促进精子在雌性动物生殖道 中运行，有利于受精。但大量前列腺素，对雄性生殖中运行，有利于受精。但大量前列腺素，对雄性生殖 机能有抑制作用。（机能有抑制作用。（2）对血管和支气管平滑肌的作）对血管和支气管平滑肌的作 用：不同的前列腺素对血管平滑肌和支气管平滑肌的用：不同的前列腺素对血管平滑肌和支气管平滑肌的 作用效应不同。前列腺素作用效应不同。前列腺素E和前列腺素和前列腺素F能使血管平滑能使血管平滑 肌松弛，从而减少血流的外周阻力，降低血压。肌松弛，从而减少血流的外周阻力，降低血压。 （3）对胃肠道的作用：可引起平滑肌收缩，抑制胃）对胃肠道的作用：可引起平滑肌收缩，抑制胃 酸分泌，防止强酸、强碱、无水酒精等对胃粘膜侵蚀酸分泌，防止强酸、强碱、无水酒精等对胃粘膜侵蚀 ，具细胞保护作用。对小肠、结肠、胰腺等也具保护，具细胞保护作