有机化学12羧酸及其衍生物

12羧酸及其衍生物

（CarboxylicAcidsand

theirDerivatives）有机化学返回12羧酸及其衍生物12.1羧酸12.2羧酸衍生物返回12.1羧酸12.1.1羧酸的构造和命名(自学)12.1.2羧酸的物理性质12.1.3羧酸的化学性质12.1.4羟基酸的化学性质返回

羧酸是分子中含有官能团的化合物，通常把这个官能团写作-COOH，称为羧基。除甲酸外，羧酸可以看成是烃的羧基衍生物，它的通式为R-COOH。12.1.1羧酸的构造和命名（1）羧酸的构造返回π键p、π共轭孤对电子p、π共轭体系返回甲酸的结构Representativebondlengthsinketones,alcoholsandformicacid:C=O121pmC-O143pmLone-pairdonationfromthehydroxyloxygenmakethecarbonylgrouplesselectrophilicthanthatofanaldehydeorketone.（2）羧酸的命名12.1.1羧酸的构造、分类和命名

许多羧酸有俗名，主要是根据其来源命名的。例：

HCOOH蚁酸（甲酸）

CH3COOH醋酸（乙酸）还有草酸、苹果酸和柠檬酸等。返回

羧酸系统命名法是选择分子中含羧基的最长碳链为主链，根据主链上碳原子数目称为某酸。主链上碳原子的编号从羧基的碳原子开始，用阿拉伯数字表示（也可以用希腊字母表示，即与羧基直接相连的碳原子为α，其余依次为β、γ……等）。（2）羧酸的命名返回例如：4-甲基己酸或（γ-甲基己酸）返回

脂肪族二元羧酸的命名，是选择分子中含有两个羧基的最长碳链为主链，称为某二酸。例如：

HOOC-COOH

乙二酸（草酸）HOOC-CH=CH-COOH

丁烯二酸（2）羧酸的命名返回

芳香族羧酸和脂环族羧酸可作为脂肪酸的芳基或脂环基的取代物来命名。例如：苯甲酸benzenecarboxylicacidBenzoicacidα-萘乙酸邻苯二甲酸1,2-benzenedicarboxylicacidphthalicacid（2）羧酸的命名返回3-苯丙烯酸（β-苯丙烯酸，肉桂酸cinnamicacid）环戊基乙酸返回12.1.2羧酸的物理性质

在室温下10个碳原子以下的饱和一元羧酸是液体。4～9个碳原子的脂肪酸具有腐败恶臭、动物的汗液和奶油发酸变坏的气味。10个碳原子以上的羧酸为石蜡状固体，挥发性很低，无气味。

饱和一元羧酸的沸点比相对分子质量相似的醇还要高(最高吗？)。饱和一元羧酸的熔点随分子中碳原子数目的增加呈锯齿状的变化。

4个碳原子以下的脂肪酸易溶于水，但随分子量的增高而降低。返回甲酸与水通过氢键缔合在固态和液态，羧酸主要以二聚体形式存在。低级的羧酸，在气相时仍以双分子缔合状态存在。上页下页退出返回12.1.3羧酸的化学性质羧酸的主要反应部位：返回（1）酸性（2）羧酸衍生物的生成（3）羧酸的还原（4）脱羧反应（5）羧酸α-氢原子的卤代反应羧酸在水中有如下平衡：羧酸的酸度强弱，用离解常数Ka表示：

一般羧酸的Ka约在10-4～10-5之间，pKa值在3.5～5之间(pKa=-lgKa)，属于弱酸。大多数羧酸的酸性比碳酸(pKa=6.5)的酸性强。（1）酸性返回羧酸根负离子的结构两个碳氧键的键长相等，为0.127nm0.120nm0.134nm返回结构相同的极限共振式，因此负离子能量低，特别稳定，H易于解离。pKa取代基团对酸性的影响返回pKapKa取代基团对酸性的影响返回芳香酸：间位取代只考虑诱导效应，邻位和对位取代同时考虑共轭效应和诱导效应。

取代基团对酸性的影响CH3CO2H,4.76pKa4.202.98取代基团对酸性的影响形成分子内氢键，有利于羧酸负离子稳定，酸性增加.返回成盐及有关反应

应用：利用羧酸和其盐在水中溶解性的不同，羧酸盐的水溶性很好。可将其与其它一些有机化合物分离提纯。羧酸盐与卤代烷反应可以合成酯(SN2)

（1）酸性（2）羧酸衍生物的生成

羧酸分别与卤化磷、羧酸、醇和氨等试剂作用，可使羧基中的羟基分别被卤素（-X）、酰氧基、烷氧基（-OR）及氨基（-NH2）取代而生成酰卤、酸酐、酯和酰胺等羧酸衍生物。

分子中的称为酰基(Acyl)。返回或SOCl2酸催化的酰化反应机理(以酯的形成为例)：双分子历程单分子历程少量空阻大的羧酸按此酰基正离子机理进行常见的机理：加成－消除机理3oROH按此反应机理进行酯化。由于R3C+易与亲核性较强的水结合，不易与羧酸结合，故逆向反应比正向反应易进行。所以3oROH的酯化反应产率很低。

另一种单分子历程：碳正离子机理属于SN1机理(CH3)3C-OHH+(CH3)3COH2+-H2O-H+（3）羧酸的还原

羧基中的碳在有机化合物中处于最高氧化态，还原较困难。在通常情况下，不易被催化氢化法所还原，但可以被特别强的还原剂如氢化铝锂或乙硼烷还原成伯醇。分子中的双键不受影响返回NaBH4不能还原羧酸。（4）脱羧反应

羧酸分子中脱去羧基而放出二氧化碳的反应称为脱羧反应。如羧酸盐脱羧，需要比较高的温度：

返回-碳上带有吸电子基团的一元羧酸易脱羧。丙二酸型化合物的脱羧

原因：除基团Y的吸电子作用；还可以经环状过渡态机制脱羧.（5）α-氢原子的卤代反应

饱和一元酸α-碳上的氢原子有一定的活泼性，在一定条件下可被卤素取代(Hell-Volhard-Zelinsky反应,HVZ反应)。返回离子型-卤代反应。可以用来制备-羟基酸或-氨基酸，或制备-卤代酸酯。催化剂的作用是将羧酸转化为酰卤，酰卤的α-H具有较高的活性而易于转变为烯醇式，从而使卤化反应发生。所以用10%~30%的乙酰氯或乙酸酐同样可以起催化作用。

控制卤素用量可得一元或多元卤代酸。碘代酸由α-氯（或溴）代酸与KI反应来制备。反应机理(*)RCH2COOHPBr3互变异构+Br--HBrRCH2COOH这步反应不会逆转(1)酸性(2)脱水反应(3)分解脱羧反应12.1.4羟基酸的化学性质（*)（1）酸性pKapKa返回乳酸（2）脱水反应-羟基酸分子间脱水生成交酯交酯返回β-羟基酸分子内脱水生成α,β-不饱和酸返回γ-和δ-羟基酸γ–丁内酯(-lactone)δ–戊内酯(δ-lactone)返回重要的大环内酯

羟基和羧基相隔五个或五个以上碳原子的羟基酸，受热后发生分子间的酯化脱水生成链状结构的聚酯。m返回（3）分解脱羧反应返回-羟基酸在合成上可用来使碳链缩短，制备少一个碳的高级醛。R＞C10返回β-羟基酸用碱性高锰酸钾氧化后，分解生成酮。β返回先氧化，后脱羧。-羟基酸12.2羧酸衍生物12.2.1羧酸衍生物的构造和命名(自学)12.2.2羧酸衍生物的物理性质12.2.3羧酸衍生物的化学性质返回Naturallyoccurringcarboxylicacidderivatives酰卤和酰胺常根据相应的酰基来命名。12.2.1羧酸衍生物的构造和命名(自学)返回酰胺分子中氮原子上的氢原子被烃基取代后生成的取代酰胺，称为N-烃基“某”酰胺；返回N-甲基乙酰胺N,N-二甲基甲酰胺

含有酰胺基的环状结构的酰胺，称为内酰胺(与内酯比较)。-lactam酯常根据相应的羧酸和醇来命名，“醇”字可省略，叫“某酸某酯”。对于多元醇的酯，一般把“酸”名放在后面，称为“某醇某酸酯”。返回12.2.2羧酸衍生物的物理性质酰卤和酸酐都是对粘膜有刺激性的物质。而大多数酯却有令人愉快的香味，自然界中许多花和果的香味就是由酯引起的。大部分酰胺是固体，没有气味。酰氯、酸酐和酯的沸点比相对分子质量相近的羧酸要低得多，而酰胺的沸点却比相应羧酸要高得多。原因是由于有氢键的缔合。返回12.2.3羧酸衍生物的化学性质

结构特点：酰卤、酸酐、酯和酰胺的分子都具有酰基，而且酰基都直接与带有未共用电子对的原子或基团相连，分子中存在p-π共轭效应。返回（1）亲核加成-消除反应（2）羧酸衍生物的还原（3）酯缩合反应（4）酰胺的特殊反应（5）-二羰基化合物的反应水解醇解氨解与格氏试剂的反应12.2.3羧酸衍生物的化学性质返回亲核加成消除反应离去基团返回亲核加成-消除反应机理增强羰基碳的正电性，有利于亲核试剂的进攻。羰基碳上连接的基团过于庞大，在四面体结构中就显得空间拥挤而不利于反应的进行。亲核试剂的亲核性强，对反应有利。返回弱亲核试剂质子化可增强羰基碳的正电性，有利于亲核试剂的进攻。酸催化可提高反应速度。返回强亲核试剂容易进攻羰基碳原子碱催化可提高反应速度，并可使反应进行完全。返回离去基团越易离去，反应容易进行。离去基团的离去性顺序：

Cl->RCOO->RO->NH2-返回HCl>RCOOH>ROH(H2O)>NH3①水解

酰氯、酸酐、酯和酰胺都可以与水作用生成相应的羧酸：反应剧烈热水中水解酸or碱催化酸碱催化并加热，长时间反应返回水解反应进行的难易次序是：

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，水解不完全。酯在碱性溶液中水解，反应中生成的酸立即和碱作用生成盐而从平衡体系中除去，使水解能进行到底(皂化)。酰胺在酸性溶液中水解，得到羧酸和铵盐，在碱作用下水解时，得到羧酸的盐并放出氨气。返回酯在碱催化下的水解称皂化反应油脂高级脂肪酸钠盐具有表面活性作用，为肥皂的主要成分。返回②醇解酰氯、酸酐、酯和酰胺都可以与醇作用生成酯。返回

一些难以制备的酯可通过酰氯与醇(酚)的反应来合成。

酯的醇解称酯交换反应，可从廉价的低级醇酯制备高级醇。白蜡高级醇③氨解酰卤、酸酐和酯与氨作用都生成酰胺。返回

酰胺与胺作用是可逆反应，需用过量的胺才可得到N-烷基酰胺。一般来说，高活性羧酸衍生物可以通过亲核加成取代反应直接转化为较低活性的衍生物；酰卤常用于制备酸酐、酯和酰胺；酸酐用于制备酯和酰胺；酯交换反应、酯与酰胺的相互转化反应往往是可逆的，常采用移走产物的方法使平衡移动。羧酸是各种形式衍生物相互转化的中心纽带，酰卤通过羧酸与二氯亚砜等作用得到，酸酐两分子羧酸在脱水剂存在下加热失水得到。

与格氏试剂反应的速度：

④与格氏试剂的反应＞酮（醛）＞酯＞酰胺酰氯酸酐返回总体上：羰基化合物的亲核加成反应能力酰卤>酸酐>醛和酮>酯≈酸>酰胺酰氯与格氏试剂作用可以得到酮或叔醇。酮叔醇返回酸酐与格氏试剂在低温时作用也可以得到酮。酯与格氏试剂生成叔醇。返回

酰胺中含有活泼氢，能首先与格氏试剂反应，然后再发生亲核加成得到叔醇，由于反应需要过量格氏试剂，并长时间回流，一般不用来进行合成。（2）羧酸衍生物的还原多数羧酸衍生物比羧酸容易还原。常用的还原方法有催化氢化，氢化铝锂及醇加金属钠等。返回①催化氢化还原

酰氯用活性较低的Pd/C为催化剂，可以还原为醛(Rosenmund还原)。这种条件下，分子中的C=C,NO2,C=O,卤素均不受影响。

通常催化氢化条件下（H2,RaneyNi），酰氯和酸酐被还原为一级醇酯可以被催化氢化还原为一级醇。

酰胺不被催化氢化还原。返回②氢化锂铝还原酰胺被LiAlH4还原为（伯、仲和叔）胺，其它羧酸衍生物均被还原为一级醇。③金属钠和无水乙醇：酯的单分子还原(*)

用金属钠和无水乙醇将酯还原成一级醇的反应称为Bouveault-Blanc还原。RCOOR1RCH2OH+R1OHNa-无水乙醇Bouveault-Blanc反应(布沃-布朗克反应，BB反应)反应机理（*)（3）酯缩合反应

在碱性试剂的存在下，酯分子中α-H为酯基所活化，与另一分子酯失去一分子醇得到β-酮酸酯，称为酯缩合反应。β-酮酸酯返回

乙酸乙酯在金属钠或乙醇钠的作用下，发生酯缩合反应，生成乙酰乙酸乙酯。此反应称为克莱森(Claisen)缩合反应。乙酰乙酸乙酯,Ethylacetoacetate(Ethyl3-oxobutanoate)返回与Aldol反应的对比Claisen缩合反应机理Dieckmann缩合(分子内的酯缩合反应）①酸碱性羰基的吸电子诱导效应，以及p、π共轭效应，使氮原子上的电子云密度降低，减弱了它接受质子的能力，故碱性比氨弱。酰胺水溶液呈中性。N-H键的电子云向氮原子偏移，氢原子变得较为活泼。返回（4）酰胺的特殊性质

当氮原子同时连接两个酰基生成酰亚胺时，化合物不仅没有碱性，N-H反而表现出明显的酸性，可与KOH或NaOH成盐。丁二酰亚胺返回②脱水反应酰胺与强的脱水剂，如P2O5、SOCl2

等一起加热，则脱水生成腈，这是制备腈的方法之一。（4）酰胺的特殊性质返回③Hofmann降级反应(Hofmanndegradation)

在碱性溶液中，酰胺与溴或氯作用，脱去羰基生成伯胺的反应。在有机合成中用于从酰胺制备减少一个碳原子的胺。（4）酰胺的特殊性质返回特点：重排反应，如果酰胺的-位是手性碳，反应后，其构型保持不变。异氰酸酯胺基甲酸酰基乃春(nitrene，氮烯)重排反应机理(*)(5)-二羰基化合物的反应

-二羰基化合物（1,3-二羰基化合物）由于具有活泼的亚甲基，而被称为活泼亚甲基化合物，它们在碱的作用下，容易形成碳负离子（烯醇负离子），可以作为亲核试剂进攻带正电荷的碳，如卤代烃、酰卤或者羰基，发生C-C偶联反应。1.以4个碳原子以下的有机物为原料合成2.从乙酸乙酯出发合成1.2.含多个活化基团时α氢的pKa值(在DMSO或环己胺中)

化合物pKaCH3NO2CH2(NO2)2CH(NO2)3

10.213.57强酸CH3COCH3CH2(COCH3)2CH(COCH3)3

2095.85CH3SO2CH3CH2(SO2CH3)2CH(SO2CH3)3

23140CH3CNCH2(CN)2CH(CN)32511.20CH3C6H5CH2(C6H5)2CH(C6H5)3

413431.51.与卤代烃反应（活泼亚甲基化合物的烷基化）2.与酰卤反应（活泼亚甲基化合物的酰基化）更加常用在NaOH的稀溶液中皂化，然后脱羧。乙酰乙酸乙酯先烷基化，再皂化脱羧，可以得到取代的丙酮（甲基某基酮）。“三乙”先酰基化，再皂化脱羧，可以得到其它-二羰基化合物。进一步的分解及在合成上的用途丙二酸二乙酯先烷基化，再分解，可以得到取代的乙酸。在NaOH的浓溶液中发生酯缩合的逆反应乙酰乙酸乙酯先烷基化，再在浓碱中分解，可以得到取代的乙酸，与丙二酸酯方法的产物类似，丙二酸酯法更为常用。3.与羰基的反应（Michanel加成）Knoevenagel缩合，也是-二羰基化合物与羰基的反应（加成＋消除）

3.与羰基的反应（Knoevenagel缩合）在弱碱催化下，醛酮与活泼亚甲基