第15章羧酸及其衍生物和取代羧酸

1、  第15章羧酸及其衍生物和取代羧酸  羧基与烃基或氢原子连接而成的化合物叫做羧酸。羧酸分子中羧基上的羟基被其它原子或原子团取代的产物叫做羧酸衍生物。羧酸分子中烃基上的氢原子被其它原子团取代的产物叫做取代酸。羧酸、羧酸衍生物及取代羧酸广泛存在于自然界，是生物体的重要代谢物质，在工业、农业、医药和人们的日常生活中有着广泛的应用。 15.1  羧 酸 15.1.1 羧酸的结构和命名1.羧酸的结构羧基(COOH)是羧酸的官能团，通式为RCOOH。羧基中的碳原子是sp2杂化 ，3个sp2杂化轨道分别与烃

2、基中的碳原子和2个氧原子形成3个键，这3个键在同一平面上，羰基碳原子上未参与杂化的p轨道与氧原子的p轨道形成一个键。羧基中羟基氧原子上的未共用电子对与羰基的键形成 P-共轭体系。     在共轭体系中，羟基氧原子的电子云密度降低，增强了OH键的极性，有利于离解H+，从而使羧酸的酸性比醇的酸性强；同时羰基碳原子电子云密度升高，不利于亲核试剂的进攻，使碳氧双键不起醛、酮那样的亲核加成反应。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。   从形式上看羧基是由羰基和羟基组成的基

3、团，但由于共轭作用，使得羧基不是羰基和羟基的简单加合，所以羧基中不存在典型的羰基和羟基的性质，而是两者互相影响的统一体。2.羧酸的分类和命名根据分子中烃基的结构，羧酸可分脂肪酸、环烷酸和芳香酸；根据羧基的数目可分为一元酸、二元酸及多元酸。许多羧酸都有俗名，这些俗名大多是根据其来源或生理功能等而定的，如甲酸最初是从蚂蚁中得到的，故俗名为蚁酸。羧酸的系统命名与醛的命名相似，选择包括羧基碳原子在内的最长碳链为主链，根据主链碳原子数目称为某酸，由羧基碳原子开始用阿拉伯数字给主链编号，或用希腊字母、等从与羧基相邻碳原子开始编号。二元脂肪酸的命名，主链两端必须是羧基。羧酸分子中去掉羟基留下的部分称为酰基，

4、去掉氢留下的部分称为酰氧基，电离出氢离子留下的部分称为羧酸根。对于多官能团的化合物，命名时，究竟哪个官能团为主体决定母体的名称呢?通常是按表15-1所列举的官能团优先次序来确定母体和取代基，最优基团作为母体，其它官能团作为取代基。表15-1一些重要官能团的优先次序官能团名称官能团结构官能团名称官能团结构官能团名称官能团结构羧基磺基酯基酰卤基酰胺基氰基COOHSO3HCOORCOClCONH2CN醛基酮基醇羟基酚羟基巯基氨基CHOCOOHOHSHNH2三键双键烷氧基烷基卤原子硝基CCCCORRXNO2 15.1.2物理性质 羧酸是极性化合物，低级羧酸易溶于水，在水中的溶解度随

5、分子量的增加而降低。高级一元酸不溶于水，多元酸的水溶性大于相同碳原子的一元酸。羧酸的沸点比分子量相近的醇还高，主要原因是这些羧酸分子间可以形成氢键，缔合成较稳定的二聚体和多聚体。饱和一元羧酸和二元羧酸的熔点随着分子中碳原子数目的增加呈锯齿状的变化，即含偶数碳原子的羧酸比相邻的两个含奇数碳原子的羧酸熔点高。如乙酸的熔点为16.6，而相邻的甲酸熔点为8.4，丙酸熔点为-22。15.1.3羧酸的化学性质羧酸的性质可从结构上预测，有以下几类：     1.酸性羧酸具有弱酸性，在水溶液中存在着如下平衡：    &#

6、160;  乙酸的离解常数Ka为1.75×10-5，pKa4.76；甲酸的Ka=2.1×10-4 ,  pKa =3.75；其他一元酸的Ka在1.11.8×10-5之间, pKa在4.75之间。比碳酸（ pKa1=6.73）和苯酚（pKa9.96）的酸性强，因此羧酸与碱中和生成羧酸盐和水，能分解碳酸盐和碳酸氢盐生成二氧化碳，利用这个性质可以鉴别、分离酚类和羧酸类化合物。     羧酸的酸性受烃基的影响。如果烃基上连吸电子基团，由于吸电子诱导效应（

7、因某一原子或基团的电负性而引起电子云沿着分子链向某一方向移动的效应称为诱导效应，吸电子诱导效应记作I，斥电子诱导效应记作I），羧基中OH键的极性加大，更易解离出H+，酸性增强。基团的电负性愈大，取代基数目愈多，距羧基的位置愈近，吸电子诱导将就愈强，则使羧酸的酸性愈强。羧基是吸电子基团，因此低级二元羧酸的酸性比饱和一元酸强，特别是乙二酸pKa11.46，其酸性比磷酸pKa11.59还要强。相反烃基上若连斥电子基团，斥电子效应就使酸性减弱。FCH2COOH ClCH2COOH  BrCH2COOH  ICH2COOH  CH3C

8、OOH   pKa值     2.66        2.86           2.89         3.16        4.76 

9、60;        Cl3CH2COOH    Cl2CHCOOH    ClCCOOHpKa值      0.65            1.29         &

10、#160;2.86   取代基对芳香酸酸性的影响也有同样的规律。对位上是第一类定位基时，酸性减弱；是第二类定位基时，酸性增强。邻位取代基的影响因受位阻影响比较复杂，间位取代基的影响不能在共轭体系内传递，影响较小。对硝苯甲酸对氯苯甲酸对甲基苯甲酸对甲氧基苯甲酸pKa值3.423.974.384.47    2.羧基上的羟基（OH）的取代反应    羧酸分子中羧基上的OH可被一系列原子或原子团取代生成羧酸的衍生物。      （1

11、）酯化反应  酯化反应是可逆反应，Kc4，一般只有2/3的转化率。为了提高酯的产率可增加反应物的浓度（一般是加过量的醇）或及时移走低沸点的酯或水，使平衡向右移动。羧酸和醇的结构对酯化反应速度影响很大。一般说来，-碳上没有侧链的脂肪酸与伯醇的酯化反应最快。这是由于-碳上的侧链能在空间阻碍醇对羧基碳原子的进攻，侧链愈多阻力愈大，反应就愈难进行。酯化反应可按两种方式进行     验证：            H2

12、O中无O18，说明反应为酰氧断裂。（2）酰卤的生成羧酸与PX3、PX5、SOCl2作用则生成酰卤。通常用羧酸与亚硫酰氯反应制备酰氯，因为反应产物除酰氯外，副产物都是气体，非常容易与反应体系分离，而且亚硫酰氯的价格较低。酰卤是一类具有高度反应活性的化合物，在有机合成、制药工业中常用作提供酰基的试剂，即作为酰化剂来使用。（3）酸酐的生成羧酸在脱水剂作用下加热，脱水生成酸酐。     因乙酐能较迅速的与水反应，且价格便宜，生成的乙酸也易除去，因此，常用乙酐作为制备酸酐的脱水剂。1,4和1,5二元酸不需要任何脱水剂，加热就能脱水生成环状（五元或六元）酸

13、酐。             （4）酰胺的生成在羧酸中通入氨气或加入碳酸铵，可得到羧酸铵盐，铵盐热解失水而生成酰胺。3.脱羧反应羧酸在一定条件下受热可发生脱羧反应，无水醋酸钠和碱石灰混合后加强热生成甲烷，是实验室制取甲烷的方法。  一元羧酸的碳原子上连有强吸电子集团时，易发生脱羧。乙二酸、丙二酸受热脱羧生成一元酸       丁二酸、戊二酸受热脱水（不脱羧）生成环状酸酐

14、0;        己二酸、庚二酸受热既脱水又脱羧生成环酮，     4.-H的卤代反应羧基和羰基一样，能使-H活化，但羧基的致活作用比羰基小，所以羧酸的-H需在少量红磷、硫等催化剂存在下被溴或氯取代生成卤代酸。   控制条件，反应可停留在一取代阶段。例如：   -卤代酸很活泼，常用来制备-羟基酸和-氨基酸。5.羧酸的还原羧酸很难被还原，只能用强还原剂氢化铝锂（LiAlH4）才能将其还原为相应的伯醇。H2/

15、Ni、NaBH4等都不能使羧酸还原。氢化铝锂可还原羧基而不还原碳碳双键，所以氢化铝锂可将不饱和酸还原为不饱和醇。15.1.4重要的羧酸 1.甲酸 甲酸俗名蚁酸，存在于蚂蚁等昆虫体和荨麻中。甲酸是无色有刺激性的液体，酸性和腐蚀性均较强，易溶于水。甲酸的羧基直接与氢原子相连，因而表现出与其他同系物不同的某些性质，如易脱水，脱羧及有还原性等。甲酸能使高锰酸钾褪色，也能发生银镜反应，这些反应常用于鉴定甲酸。甲酸在工业可用作还原剂和橡胶的凝聚剂，也可用作消毒剂和防腐剂。2.乙酸乙酸俗名醋酸，是食醋的主要成分，一般食醋中约含68%的乙酸。乙酸广泛存在于自然界，它常以盐的形式存在于植物果

16、实和液汁中。乙酸无色有刺激性气味的液体，沸点118，熔点16.6，由于乙酸在16以下能结成冰状固体，因此纯乙酸又叫冰醋酸。乙酸能与水按任何比例混溶，也可溶于乙醇、乙醚和其它有机溶剂。乙酸是人类最早使用的食品调料，同时也是重要的工业原料，它可以用来合成乙酸酐、乙酸酯等，又可用于生产醋酸纤维、胶卷、喷漆、溶剂、香料等。3.乙二酸乙二酸常存在于许多草本植物及藻类中，因而俗称草酸。草酸是无色柱状结晶，常含两分子结晶水，加热到100就失去结晶水得无水草酸。草酸易溶于水而不溶于乙醚等有机溶剂。草酸加热至150以上，即分解脱羧生成二氧化碳和甲酸。草酸除具有一般羧酸的性质外，还有还原性，易被氧化。例如能与高锰

17、酸钾反应，在分析中常用草酸钠来标定高锰酸钾溶液的浓度。5HOOCCOOH2KMnO43H2SO4K2SO42MnSO410CO28H2O草酸能把高价铁还原成易溶于水的低价铁盐，因而可用来洗涤铁锈或蓝墨水的污渍。此外，工业上也常用草酸作漂白剂，用以漂白麦草、硬脂酸等。 15.2 羧酸衍生物 15.2.1羧酸衍生物的结构和命名1.羧酸衍生物的结构羧酸衍生物是羧酸分子中的羟基被取代后的产物，重要的羧酸衍生物有酰卤，酸酐，酯，酰胺。羧酸衍生物在结构上的共同特点是都含有酰基（      ），酰基与其所连的基团都能形

18、成P-共轭体系，通常p电子是朝着双键方向转移，呈供电子效应（称之为C效应）。      2.羧酸衍生物的命名酰卤和酰胺根据酰基称为某酰某。     酸酐的命名是在相应羧酸的名称之后加一“酐”字。例如：    酯的命名是根据形成它的酸和醇称为某酸某酯。例如：    15.2.2羧酸衍生物的物理性质室温时，酰氯、酸酐和酯大多是液体。低级酰氯有强烈刺激性气味，低级酸酐有不愉快的气味，而低级酯常有果香味。如乙酸异戊

19、酯有浓厚的香蕉味，俗称香蕉水。酰氯、酸酐、酯分子间不能通过氢键而缔合，它们的沸点比相应羧酸低。酰氯和酸酐遇水分解为酸，酯由于没有缔合性能，所以在水中溶解度比相应的酸低，酰胺则易溶于水。15.2.3 羧酸衍生物的化学性质   1.水解反应四种羧酸衍生物在化学性质上的一个主要共性是都能水解生成相应的羧酸。但反应的活性不同，酰氯和酸酐容易水解，尤其酰氯的作用更快。酯和酰胺的水解都需要酸或碱作催化剂，并且还要加热。水解的活性次序是：酰氯酸酐酯酰胺酯在酸催化下的水解，是酯化反应的逆反应，但水解不完全；在碱作用下水解时，产生的酸可与碱生成盐而破坏平衡体系，所以在足够

20、碱的存在下，水解可以进行到底。酯在碱溶液中的水解反应又叫皂化反应。   2.醇解和氨解酰氯、酸酐和酯都能进行醇解和氨解反应，所得主要产物分别为酯和酰胺。因为酯的醇解生成另一种酯和醇，这种反应称为酯交换反应。此反应在有机合成中可用于从低级醇酯制取高级醇酯（反应后蒸出低级醇）。水解、醇解和氨解反应，对于水、醇和氨来说，是其中的活泼氢原子被酰基所取代的反应。这种在化合物分子中引入酰基的反应称为酰化反应，所用试剂叫酰化剂。羧酸衍生物都可用作酰化试剂，但实际应用常选酰氯和酸酐。羧酸衍生物的酰化能力强弱顺序为：酰卤酸酐酯酰胺酰化反应可应用于药物的合成和结构修饰，如在药物分子中

21、引入酰基，可降低毒性，提高药效。有机合成中，为了保护反应物分子中的羟基、氨基等基团在反应中免遭破坏，可先把它们酰化，待反应结束后，再水解恢复成原来的羟基和氨基。在人体代谢过程中，有些变化也属于酰化反应。3.酰胺的化学性质（1）酸碱性酰胺的碱性很弱，接近于中性。（因氮原子上的未共用电子对与碳氧双键形成P-共轭）。酰亚胺显弱酸性（例如，邻苯二甲酰亚胺，能与强碱的水溶液生成盐）。      （2）与亚硝酸的反应酰胺与亚硝酸反应，氨基被羟基取代，生成相应的羧酸，同时放出氮气。    （3）霍夫曼（Hof

22、mann）降级反应   酰胺与次卤酸钠的碱溶液作用，脱去羧基生成比原来少一个碳的胺的反应，称为霍夫曼降级反应。      例如：     霍夫曼降级反应是制备纯伯胺的好方法。15.2.4重要的羧酸衍生物1.乙酰氯乙酰氯是无色有刺激性气味的液体，沸点52，遇水即剧烈水解，半放出大量的热，空气中的水分就能使它水解生成氯化氢而冒白烟。乙酰氯是常用的乙酰化试剂。2.乙酸酐又名醋酐，是具有刺激气味的无色液体，沸点159.6，易溶于乙醚和苯等有机溶剂。乙酐容易燃烧，易

23、水解生成乙酸。纯乙酸酐为中性化合物，是良好的溶剂，也是重要的乙酰化试剂，用于醋酸纤维、染料、医药和香料的生产中。3.乙酸乙酯乙酸乙酯为无色可燃性的液体，有水果香味，熔点-83.6，沸点71，微溶于水，溶于乙醇、乙醚和氯仿等有机溶剂。乙酸乙酯易燃，易发生水解反应和皂化反应。其蒸气形成爆炸性混合物，爆炸极限为2.211.2%（体积）。其用作清漆、人造革、硝酸纤维素塑料等的溶剂，也用于制染料、药物、香料。4.乙酰乙酸乙酯为无色液体，有令人愉快的香味，稍溶于水，易溶于有机溶剂。乙酰乙酸乙酯是由酮式和烯醇式互变异构体的混合物组成的平衡体系，其中酮式占93%，烯醇式占7%。乙酰乙酸乙酯与三氯化铁反应显紫色

24、，说明分子中具有烯醇型结构；可使溴水褪色，说明分子中含有碳碳双键。向刚刚滴过溴水的乙酰乙酸乙酯中，再接着加三氯化铁试液不会显色。但片刻后会出现紫色，证明有一部分酮式转变为烯醇式，二者之间存在动态平衡。互变异构现象是指两种或两种以上异构体之间相互转变，并以动态平衡而同时存在的现象。具有这种关系的异构体叫互变异构体。5.脲脲也叫尿素，最初由尿中取得。它是哺乳动物内蛋白质代谢的取终产物。成人每天可随尿排出约30g脲。尿素是白色结晶，熔点152，易溶于水和乙醇，强热时分解成氨和二氧化碳。它除可用作肥料外，还用于合成药物、农药、塑料等。尿素是碳酸的二酰胺，由于含两个氨基，所以显碱性，但碱性很弱，不能用石

25、蕊试纸检验。尿素能与硝酸或草酸生成不溶性盐，利用这种性质可从尿液中分离尿素。尿素在化学性质上与酰胺相似，如在酸、碱或脲酶作用下，可水解为氨和二氧化碳。尿素与亚硝酸作用定量放出氮气，可从氮气体积测定尿素含量。将尿素缓慢加热至熔点以上，则两分子尿素间失去一分子氨，生成缩二脲。缩二脲在碱性溶液中与稀硫酸铜溶液作用，呈现紫红色，这种颜色反应叫做缩二脲反应。凡分子中含有两个以上肽键的化合物，如多肽、蛋白质等都有缩二脲反应。 15.3 取代羧酸 羧酸分子中烃基上的氢原子被其他原子或原子团取代后形成的化合物称为取代酸。取代酸有卤代酸、羟基酸、氨基酸、羰基酸等，其中卤代酸、氨基酸

26、将在有关章节中讨论，这里只讨论羟基酸和羰基酸。15.3.1羟基酸1.羟基酸的分类和命名 分子中含有羧基和羟基的化合物称为羟基酸。羟基酸可分为醇酸和酚酸，羟基连接在脂肪烃基上的属醇酸，连接在芳香烃基上的属酚酸。醇酸是以羧酸为母体，羟基作为取代基来命名的。母体主链碳原子的编号可用阿拉伯数字或希腊字母表示。前者应从羧基碳原子开始，后者应从与羧酸相邻的碳原子开始。酚酸是以芳香酸为母体，羟基为取代基来命名的。自然界存在的羟基酸常按其来源而采用俗名。2.羟基酸的性质（1）酸性羟基连在脂肪烃基上时，由于羟基是吸电子基团，因此醇酸的酸性比相应的羧酸强，羟基距羧基越近，对酸性的影响就越大。CH3CH（

27、OH）COOHHOCH2CH2COOHCH3CH2COOHPKa3.874.504.88在酚酸中，由于羟基与芳环之间既有吸电子诱导效应又有供电子共轭效应，所以几种酚酸异构体的酸性强弱有所不同。羟基处于羧基的邻位时，其氢原子能与羧基氧原子形成分子内氢键，降低了羧基中羟基氧原子的电子云密度，使氢原子更易解离，同时也使形成的羧酸负离子稳定化。这是邻羟基苯甲酸酸性增强的主要原因。（2）醇酸的分解反应-羟基酸与稀硫酸一起加热，则分解为醛（或酮）和甲酸。（3）醇酸的脱水反应：-羟基酸受热时，两分子间相互酯化，生成交酯。     -羟基酸受热发生分子内脱水，

28、主要生成-不饱和羧酸。   -和-羟基酸受热，生成五元和六元环内酯。         羟基与羧基间的距离大于四个碳原子时，受热则生成长链的高分子聚酯。-和-羟基酸还有羟基被氧化后再脱羧的性质。（4）酚酸的脱羧反应：羟基处于邻对位的酚酸，对热不稳定，当加热到熔点以上时，则脱去羧基生成相应的酚。 3.重要的羟基酸（1）乳酸（-羟基丙酸）乳酸最初是从酸牛奶中获得的，为无色粘稠液体，有很强的吸湿性和酸味，溶于水、乙醇、甘油和乙醚，不溶于氯仿和油脂。人体运动时由于氧气供应不足

29、，肌肉中的糖类代谢就能产生乳酸。工业上由糖经乳酸菌发酵而制得。乳酸具有消毒防腐作用，临床上乳酸钙用来治疗佝偻病等一般缺钙症，乳酸钠用作酸中毒的解毒剂，此外化学工业、食品工业中也大量使用乳酸。（2）酒石酸（2，3-二羟基丁二酸）酒石酸或其盐广泛存在于自然界。葡萄发酵制酒时，析出的酒石酸主要是无色半透明结晶粉末，熔点170，易溶于水，不溶于有机溶剂。酒石酸有很强的酸味，常用于配制饮料，酒石酸锑钾曾用于治疗血吸虫病，酒石酸钾钠用于配制斐林试剂。（3）苹果酸（-羟基丁二酸）苹果酸最初从苹果中取得，因此而得名。它广泛存在于未成熟的果实中，也存在于一些植物的叶子中。自然界产生的苹果酸是左旋体，它是无色结晶

30、，熔点100，易溶于水和乙醇。苹果酸是糖代谢的中间产物，在酶的催化下脱氢生成草酰乙酸。苹果酸在食品工业中用作酸味剂。苹果酸钠为白色粉末，易溶于水，可作为禁盐病人的食盐代用品。（4）柠檬酸（3-羟基-3-羧基戊二酸）又名枸橼酸，广泛存在于植物果实中，柠檬和柑橘类的果实中含量尤富。它是无色结晶，熔点153，带有一分子结晶水的柠檬酸熔点是100。柠檬酸常用于配制清凉饮料和作糖果的调味剂，其镁盐是温和的泻药，柠檬酸铁铵用作补血剂，柠檬酸钠为抗凝血剂。柠檬酸加热至150，分子内脱水而成顺乌头酸，顺乌头酸加水又可变回为柠檬酸或异柠檬酸。生物体内，在顺乌头酸酶的催化下，也有上述柠檬酸和异柠檬酸相互转化，在糖

31、、脂肪、蛋白质的代谢中，都要经过这个过程。（5）乙酰水杨酸俗称阿司匹林，为白色针状结晶，熔点155，微溶于水，易溶于乙醇、乙醚及氯仿。它可用水杨酸和乙酐（或乙酰氯）在少量硫酸存在下制得。乙酰水杨酸分子中无游离的酚羟基，故其纯品与三氯化铁不显色。但在潮湿的空气中，其易水解为水杨酸和乙酸，因此应密闭于干燥处贮存。15.3.2羰基酸1.羰基酸的分类和命名分子中既含有羰基又含有羧基的化合物称为羰基酸。根据所含的是醛基还是酮基，将其分为醛酸和酮酸。还可根据羰基与羧基的相对位置，分为-、-、-羰基酸等。羰基酸的命名与醇酸相似，也是以羧酸为母体，羰基的位次用阿拉伯数字或希腊字母表示。2.羰基酸的性质-酮酸与稀硫酸共热时，脱羧生成醛；与浓硫酸共热时，脱羰生成少一个碳原子的羧酸。-酮酸在高于室温的情况下，即脱去羧基生成酮，此反应称为酮式分解。          -酮酸与浓碱共热时，-和-碳原子间的键发生断裂，生成两分子羧酸盐，此反应称为酸式分解。-酮酸很容易被氧化，托伦试剂就能将其氧化成羧酸和二氧化碳。3.重要的羰基酸（1）乙