第11章 羧酸和取代羧酸

1、第第11 11章章 羧羧 酸和取代羧酸酸和取代羧酸Carboxylic Acid and Substituted Carboxylic Acid n羧酸羧酸(carboxylic acid)是分子中含有羧基是分子中含有羧基(carboxyl) 并且具有并且具有酸性的一类有机化合物。酸性的一类有机化合物。(Ar)R COOHn羧酸分子中烃基上的氢原子被其他官能团取代羧酸分子中烃基上的氢原子被其他官能团取代后的化合物称为后的化合物称为取代羧酸。如羟基酸和酮酸取代羧酸。如羟基酸和酮酸第第1111章章 羧酸和取代羧酸羧酸和取代羧酸COCOOHRCOOHCHOHRHCOOHCH3COOHCH3CH2CO

2、OH 甲酸 蚁酸 乙酸 醋酸 丙酸 初油酸 苯苯甲甲酸酸安安息息香香酸酸3 3- -苯苯基基丙丙烯烯酸酸 肉肉桂桂酸酸COOHCH=CHCOOHCH3CH2CH2COOH 丁酸 酪酸一元羧酸：一元羧酸：methanoic acid acetic acid propanoic acidbutanoic acid benzoic acid 3-phenylpropenoic acid11.1 11.1 羧酸羧酸HOOCCOOHHOOCHHHHCOOHC CC C=顺顺丁丁烯烯二二酸酸 ( (马马来来酸酸) )反反丁丁烯烯二二酸酸 ( (富富马马酸酸) )HOOCCOOHHOOCCH2COOHHOO

3、CCH2CH2COOH乙乙二二酸酸 草草酸酸 丙丙二二酸酸缩缩苹苹果果酸酸 丁丁二二酸酸琥琥 珀珀 酸酸二元羧酸：二元羧酸：oxalic acid propanedioic acid butanedioic acidcis-butenedioic acid trans-butenedioic acid (maleic acid) (fumaric acid) C17H35COOH 硬脂酸硬脂酸 stearicacid C15H31COOH 软脂酸软脂酸 palmic acidCH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 油酸油酸 oleic acid高级脂肪酸高级脂肪酸:高级烯酸在碳数后加

4、高级烯酸在碳数后加“碳碳”字字CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH-(CH2 )7 COOH 9，12 - 十八十八二烯酸二烯酸 或或9，12 - 十八十八二烯酸二烯酸 羟基酸：羟基酸：CH3CHOHCOOHa-羟基丙酸(乳酸) lactic acidHO CHCH2COOH羟基丁二酸(苹果酸) malic acidCOOHHO CHCHCOOH2,3-二羟基丁二酸(酒石酸) tartaric acidCOOHHOHO CCH2COOH3-羧基-3-羟基戊二酸(柠檬酸,枸橼酸) citric acidCOOHCH2COOHHCCH2COOH3-羧基-2-羟基戊二酸(异柠檬酸) isoc

5、itric acidCOOHCH COOHHO俗名使用普遍俗名使用普遍COOHHO 3,4-二羟基苯甲酸HOCOOHHO3,4,5-三羟基苯甲酸(没食子酸) ( gallic acid)HOOHCOOHCOOHCOOHOHOHHO邻羟基苯甲酸(水杨酸) salicylic acid 间羟基苯甲酸m-hydroxybenzoic acid 对羟基苯甲酸p-hydroxybenzoic acid羟基酸：羟基酸：(Ar)RCOOH(Ar)RCOOH(Ar)RCOO_(a)(b)(c)羧基碳原子为羧基碳原子为sp2sp2杂化杂化，分别与烃基的碳原子、羰基的氧，分别与烃基的碳原子、羰基的氧原子和羟基的氧

6、原子形成三个原子和羟基的氧原子形成三个键，三个键，三个键处于键处于同一同一平面平面内。余下的内。余下的p p轨道，既与羰基氧的轨道，既与羰基氧的p p轨道平行重叠轨道平行重叠形成形成键，又与羟基氧原子未共用电子对的键，又与羟基氧原子未共用电子对的p p轨道重叠，轨道重叠，形成形成p-p-共轭体系共轭体系。一、羧酸的结构一、羧酸的结构甲酸的结构：甲酸的结构：H COOH0.124nm0.131nmH COO-0.127nmC=OC O0.1240.10230.1310.143甲醛甲酸甲醇键长发生了平均化，双键变长、单键变短，显然键长发生了平均化，双键变长、单键变短，显然羟基氧与羰基发生了羟基氧与

7、羰基发生了p p共轭。共轭。H C12-12-43OO甲酸根形成了三中心四电子的甲酸根形成了三中心四电子的键键二、羧酸的物理性质二、羧酸的物理性质1.1.状态状态C C1 1 C C3 3是具有强烈酸味和刺激性的水状液体。是具有强烈酸味和刺激性的水状液体。C C4 4 C C9 9是具有腐臭酸味的油状液体。是具有腐臭酸味的油状液体。C C1010是无味的蜡状固体。是无味的蜡状固体。 羧酸的沸点高于分子量相当的醇是因为它能够羧酸的沸点高于分子量相当的醇是因为它能够形成分子间的双氢键缔合体。形成分子间的双氢键缔合体。R CC RO H OO H O.2.2.沸点沸点CH3CH2OHHCOOH CH

8、3CH2CH2OH CH3COOH分分 子子 量量：沸沸点点( (0 0C C) )：464660607810197118RCCOHOH酸酸性性羧羧羟羟基基被被取取代代（加加成成. .消消除除）的的反反应应( (羧羧酸酸转转化化为为其其衍衍生生物物的的）还还原原反反应应脱羧反应-H被取代的反应三、羧酸的化学性质三、羧酸的化学性质羧酸主要的化学性质羧酸主要的化学性质羧酸的酸性与成盐；羧酸的酸性与成盐； 羧酸衍生物的生成；羧酸衍生物的生成； 脱羧反应脱羧反应 （一）羧酸的酸性与成盐（一）羧酸的酸性与成盐RCO2HH2CO3ROHOHpka103.556.416COOHOH+ NaHCO3 酸性：酸

9、性： RCOOH H2CO3 ArOH ROHRCOOHH2ORCOO-H3O+COONaOH+ CO2 + H2ORCOOH+H2ORCOO12-12-+H3O+.为什么羧酸的酸性比醇强？为什么羧酸的酸性比醇强？羧基中的碳原子与两个氧原子形成了共轭体系，羧基中的碳原子与两个氧原子形成了共轭体系，p-p-共轭效应使共轭效应使O OH H键的电子云密度降低，故羧键的电子云密度降低，故羧基中羟基上的氢易于离解。基中羟基上的氢易于离解。羧酸根负离子比烃基负离子或酚氧负离子更稳定。羧酸根负离子比烃基负离子或酚氧负离子更稳定。 （一）羧酸的酸性与成盐（一）羧酸的酸性与成盐影响酸性强度的因素影响酸性强度的

10、因素：凡是能使羧基电子云密度降低的基团，羧基凡是能使羧基电子云密度降低的基团，羧基的极性增加，酸性增大。反之亦然。的极性增加，酸性增大。反之亦然。诱导效应的影响：诱导效应的影响：AHCOO当当A为吸电子基团为吸电子基团 酸性增强酸性增强DCOOH 当当D为推电子基团为推电子基团 酸性减弱酸性减弱 （一）羧酸的酸性与成盐（一）羧酸的酸性与成盐酸性强弱的排列次序：酸性强弱的排列次序：pKa 4.82 2.86 4.41 FCH2COOH ClCH2COOH BrCH2COOH ICH2COOHpKa 2.67 2.87 2.90 3.16CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl

11、3CCOOHpKa 4.76 2.87 1.36 0.63CH3CH2CH2COOH CH3CH2CH (Cl) COOH CH3CH (Cl) CH2COOH （一）羧酸的酸性与成盐（一）羧酸的酸性与成盐共轭效应对酸性的影响：共轭效应对酸性的影响：n苯甲酸苯甲酸 苯基是苯基是-I基团，酸性应比甲酸强，但由于苯基团，酸性应比甲酸强，但由于苯环大环大键与羧基形成共轭体系键与羧基形成共轭体系+C，电子云稍向羧基，电子云稍向羧基偏移，因此苯甲酸的酸性比甲酸弱，但比其它脂肪偏移，因此苯甲酸的酸性比甲酸弱，但比其它脂肪族一元羧酸强。族一元羧酸强。COOH1 23酸酸:HCOOH CH3COOH RCH2

12、COOH R2CHCOOH : :OHOOHHRC = OR-COC(CH3)3R COC(CH3)3+ +C(CH3)3+H+(CH3)3COH(CH3)3C+18-H2O18(CH3)3COH218叔碳正离子叔碳正离子1.1.生成酯生成酯（esterification）OOOCH3CH3OCOCH2CH(CH3)2OCOCH3问题：问题：二氢山米丁（二氢山米丁（dihydrosamidindihydrosamidin）是扩张冠状）是扩张冠状动脉的药物。试指出分子中含有的动脉的药物。试指出分子中含有的酯键酯键和和手性碳手性碳。OOOCH3CH3OCOCH2CH(CH3)2OCOCH3*1.1

13、.生成酯生成酯（esterification） 2. 2. 生成酰胺（生成酰胺（amideamide） 酰胺键酰胺键CONHHNCOCH3乙酰苯胺乙酰苯胺羧酸与氨或胺作用，首先生成铵盐，然后加热脱水羧酸与氨或胺作用，首先生成铵盐，然后加热脱水生成酰胺：生成酰胺： RC OHONH3RCOO -NH4+RCNH2OH2O+（肽键）（肽键）思考：思考：氨苄青霉素的结构式如下，试标出氨苄青霉素的结构式如下，试标出其分子中的其分子中的酰胺键酰胺键。CHNH2CNHONSOCOONaCH3CH3 2. 2. 生成酰胺（生成酰胺（amideamide） 3.3.生成酸酐生成酸酐(acid anhydrid

14、e)H2O+230oC100%COOHCOOHOOORCOORC OHOO C ROHCROH2O+P2O5+对于能形成五六元环的二元羧酸加热后则易失水成酐对于能形成五六元环的二元羧酸加热后则易失水成酐H2O300oCCOOHCOOHOOO但己二酸和庚二酸受热的产物不是酸酐但己二酸和庚二酸受热的产物不是酸酐CH2CH2COOHCH2CH2COOHO + CO2 + H2OCH2CH2COOHCH2CH2COOHO + CO2 + H2OH2C3.3.生成酸酐生成酸酐(acid anhydride)常用卤化剂：常用卤化剂：PClPCl3 3 PClPCl5 5 SOClSOCl2 23CH3CO

15、OHCH3CClH3PO3OPCl3bP1187652200分分解解蒸蒸出出0 0C C0 0C C0 0C C0 0C C34.4.酰卤的生成酰卤的生成 （acyl halide or acid halide ）选用选用PXPX3 3 还是还是PXPX5 5，取决于产物与反应物、副产物是否易分离。取决于产物与反应物、副产物是否易分离。SO2OOSOCl2HClR C OHR C Cl适于制备高沸点酰氯，因其副产物均是气体，产品较纯。适于制备高沸点酰氯，因其副产物均是气体，产品较纯。 PCl50C0C0C0C249160197107升华bP蒸出COOH+COCl + POCl3 + HClHO

16、2CCH2CO2H+ H2O + CO2OHOOCCH2CH2CHCOOHCOOHOOO练习练习1：结构特点：结构特点：含有双官能团，这些官能团既独立存在，含有双官能团，这些官能团既独立存在，又相互影响，化合物的性质就既具有各又相互影响，化合物的性质就既具有各单官能团的性质，又有相互影响的特性，单官能团的性质，又有相互影响的特性，这节主要学习它们的这节主要学习它们的特性特性。RCHCOOH OH一、羟基酸的化学性质一、羟基酸的化学性质11.2 11.2 取代羧酸取代羧酸（一）酸性（一）酸性 n羟基具有吸电子诱导效应，使羟基具有吸电子诱导效应，使酸性增强。酸性增强。CH3CH2COOHCH3CH

17、COOHOHCH2CH2COOHOH pKa = 4.87 3.87 4.51酚酸的酸性与酚羟基和羧基的相对位置有关。酚酸的酸性与酚羟基和羧基的相对位置有关。 COOHCOOHOHCOOHOHCOOHHO pKa=4.17 3.0 4.12 4.54（一）酸性（一）酸性 酚酸：酸性由位置决定。酚酸：酸性由位置决定。 +C -I 分子内氢键，分子内氢键， -I -I 增加了羧基中增加了羧基中 氧氢键极性。氧氢键极性。COOHOH. .OCOHHCHOOOHO（一）酸性（一）酸性 （二）醇酸的氧化反应（二）醇酸的氧化反应CH2CHCH2COOHOHCH2CCH2COOHOOCH3CHCH2COOH

18、OHHNO3稀稀CH3CCH2COOHO -丁酮酸丁酮酸 - -羟基酸可被羟基酸可被TollensTollens试剂氧化成试剂氧化成-酮酸酮酸 丙酮酸CH3COCOOHTollensCH3CHCOOHOH -丁酮二酸HOOCCH2COCOOHTollensHOOCCH2CH COOHOH（二）醇酸的氧化反应（二）醇酸的氧化反应1.-1.-醇酸脱水成交酯醇酸脱水成交酯丙交酯丙交酯 -2H2OOHOCH3COCHH+HOHOCOCHCH3OH3CCH3OOO（三）醇酸加热脱水反应（三）醇酸加热脱水反应随着羟基位置不同，脱水方式也不同。随着羟基位置不同，脱水方式也不同。2.-2.-醇酸脱水成共轭烯酸

19、醇酸脱水成共轭烯酸 2-戊烯酸CH3CH2CHCH2COOHOHCH3CH2CH=CHCOOHH2OCOOHOHCOOH + H2O( (三三) ) 醇酸加热脱水反应醇酸加热脱水反应3.3.， - -醇酸脱水成内酯醇酸脱水成内酯-戊内酯戊内酯H2O+OOCH3CHCH2CH2COOHOHH2O+OOCH2CH2CH2CH2COOHOH-戊内酯戊内酯（三）醇酸加热脱水反应（三）醇酸加热脱水反应 g-g-醇酸比醇酸比d-d-醇酸醇酸更易脱水更易脱水，通常室温下即可失水成通常室温下即可失水成内酯，因此游离的内酯，因此游离的-醇酸醇酸很难存在，通常以很难存在，通常以- 醇酸醇酸盐的形式保存。盐的形式保

20、存。 OO+ NaOHHOCH2CH2CH2COONa g-g-羟基丁酸钠具有麻醉作用及术后苏醒快的羟基丁酸钠具有麻醉作用及术后苏醒快的特点特点，适用于呼吸功能不全患者的麻醉。，适用于呼吸功能不全患者的麻醉。（三）醇酸加热脱水反应（三）醇酸加热脱水反应小结：小结：醇酸脱水与羟基的位置有关醇酸脱水与羟基的位置有关v-醇酸脱水醇酸脱水成交酯成交酯v-醇酸脱水成醇酸脱水成共轭烯酸共轭烯酸v、-醇酸脱水成醇酸脱水成内酯内酯v为什么？为什么？（三）醇酸加热脱水反应（三）醇酸加热脱水反应（四）酚酸的脱羧反应（四）酚酸的脱羧反应 n邻位或对位羟基羧酸受热易脱羧生成苯酚邻位或对位羟基羧酸受热易脱羧生成苯酚和二

21、氧化碳。和二氧化碳。OHCOOH200220OH+ CO2COOHOH200220OH+ CO2n根据酮基和羧基的相对位置不同，酮酸可分为根据酮基和羧基的相对位置不同，酮酸可分为、酮酸酮酸。-丙酮酸丙酮酸 -丁酮酸丁酮酸二、酮酸的化学性质二、酮酸的化学性质CH3CCOOHOCH3CCH2COOHOCH3COCOOHa-丙酮酸CH3COCH2COOH-丁酮酸HOOCCOCH2COOH丁酮二酸（草酰乙酸） 酮酸的命名也是以酮酸的命名也是以羧酸为母体，酮基作取代基羧酸为母体，酮基作取代基 （一）（一） 酸性酸性 n由于羰基氧吸电子能力强于羟基，因此酮酸的酸性由于羰基氧吸电子能力强于羟基，因此酮酸的酸

22、性强于相应的醇酸，更强于相应的羧酸。强于相应的醇酸，更强于相应的羧酸。 HOCH2CH2COOHCH3CH2COOHCH3CHOHCOOHCH3COCH2COOHCH3COCOOHv酮酸具有酮和酸一些性质外，还有一些酮酸具有酮和酸一些性质外，还有一些特殊的性质。特殊的性质。 pKa 2.49（二）（二）-酮酸的氨基化反应酮酸的氨基化反应-酮酸与氨在催化剂（如生物体内的酶）作用下酮酸与氨在催化剂（如生物体内的酶）作用下可转变成可转变成-氨基酸，称为氨基酸，称为-酮酸的氨基化反应。酮酸的氨基化反应。COCOOHH3C酶NH3CNHCOOHH3CHCHNH3H3CCOO生物体内，生物体内，-酮酸与酮

23、酸与-氨基酸在各种转氨酶的作用下氨基酸在各种转氨酶的作用下可以发生相互转换，产生新的可以发生相互转换，产生新的-酮酸与酮酸与-氨基酸。如：氨基酸。如：COCOOHH3CCHNH3H3CCOOHOOCCH2CH2CCOOHOOCCH2CH2CHCOONH3谷氨酸+ 丙酮酸谷丙转氨酶（GPT）O+ 戊酮酸丙氨酸（四）酮酸的分解反应（四）酮酸的分解反应 1. a-1. a-酮酸的分解酮酸的分解 a-a-酮酸与稀硫酸共热发生脱羧反应，生成少一酮酸与稀硫酸共热发生脱羧反应，生成少一个碳原子的醛。个碳原子的醛。CH3CCOOHO稀硫酸浓硫酸CH3COH+ CO2CH3COOH+ CO脱羧脱羰（三）酮酸的氧

24、化反应（自学）（三）酮酸的氧化反应（自学） 2. -2. -酮酸的分解酮酸的分解 比比a-a-酮酸更易脱羧酮酸更易脱羧，微热即发生，微热即发生脱羧反应，生成酮，并放出脱羧反应，生成酮，并放出COCO2 2。 -酮酸分子易脱羧是由于酮酸分子易脱羧是由于酮基氧的酮基氧的-I效应效应，以及酮基氧，以及酮基氧原子与羧基中的氢原子形成分子内的氢键的形成。原子与羧基中的氢原子形成分子内的氢键的形成。RCOCH2COOHRCOCH3 + CO2RCOCOOHRCOCOOH-CO2D:RCOHCH2RCOCH3烯醇式（四）酮酸的分解反应（四）酮酸的分解反应 在体内，脂肪和蛋白质代谢的中间产物为某些在体内，脂肪

25、和蛋白质代谢的中间产物为某些醇酸和酮酸醇酸和酮酸它们在各种酶的催化下，发生一系列反应（它们在各种酶的催化下，发生一系列反应（氧化、脱羧氧化、脱羧及脱水及脱水等），为生命活动提供物质基础。等），为生命活动提供物质基础。三、醇酸和酮酸的体内化学过程三、醇酸和酮酸的体内化学过程柠檬酸的合成：柠檬酸的合成：在代谢中作为酰基的载体，在代谢中作为酰基的载体，这些酰基连接在辅酶这些酰基连接在辅酶A的巯基上。的巯基上。 水解酶H2OCH3COSCoA乙酰辅酶AHOOCCH2CCOOHO柠檬酸合酶HOOCCOHCH2COOHCH2CSCoAOHOOCCOHCH2COOHCH2COOH脂肪酸的脂肪酸的-氧化：氧化

26、：RCH2CH2COOH + HSCoA + ATP脂酰CoA合成酶Mg2+RCH2CH2COSCoA + AMP+ PPi脂酰CoA腺苷酸 焦磷酸脂肪酸RCH2CH2COSCoA脂酰CoA脱氢酶CCRHHCOSCoA脂酰CoA水合酶-H2+H2ORCHCH2COSCoAOH脂酰CoA脱氢酶-羰RCCH2COSCoAO脂酰CoA硫解酶-酮CH3COSCoA+ RCOSCoA-H2硫解柠檬酸是体内糖、脂肪和蛋白质代谢过程的中间产物柠檬酸是体内糖、脂肪和蛋白质代谢过程的中间产物。柠檬酸与柠檬酸与-酮戊二酸的转变过程：酮戊二酸的转变过程：异柠檬酸氧化酶草酰琥珀酸HOOCCH2CHCHCOOH-CO2HOOCCH2CH2CCOOHO-酮戊二酸COOHHOOCCH2CHCCOOHCOOHOOHHOOCCH2CCH2COOHCOOHOH柠檬酸酶-H2OCCCOOHHHOOCHOOCH2C顺乌头酸酶+H2O医学上酮体的概念医学上酮体的概念: :n- -羟基丁酸、羟基丁酸、- -丁酮酸丁酮酸和和丙酮丙酮，在医学，在医学上称为上称为酮体酮体。它是脂肪酸在肝中不完全氧。它是脂肪酸在肝中不完全氧化的产物。正常人的血液中酮体的含量低化的产物。正常人的血液中酮体的含量低于