第十一章羧酸及其衍生物

第十一章羧酸及其衍生物第1页，课件共74页，创作于2023年2月教学重点：

一、羧酸的化学性质1羧酸衍生物的生成：（1）形成酰卤的反应；（2）形成酸酐的反应；（3）酯化反应；（4）形成酰胺的反应。2还原反应；3α-H的卤代反应；4脱羧反应；5二元酸的热解反应二、影响羧酸酸性的因素1诱导效应；2共轭效应；3场效应。三、羧酸衍生物的化学性质1水解：（1）碱催化的反应历程；（2）酸催化的反应历程。2醇解；3氨解；4还原反应；5与格式试剂的作用6酰胺的特性：（1）与次卤酸盐反应（霍夫曼降级反应）；（2）脱水反应。7酯缩合反应四、烯酮的化学反应性五、不饱和羧酸、取代羧酸、-酮酸酯的反应性。六、乙酰乙酸酯合成法和丙二酸酯合成法七、迈克尔反应第2页，课件共74页，创作于2023年2月教学难点：

1,邢其毅主编：《基础有机化学》，高等教育出版社，1990出版2,沈同主编：《生物化学》，人民教育出版社，1980出版3．黄宪主编：《有机合成化学》，化学工业出版社，1983出版4.高振衡主编：《物理有机化学》，高等教育出版社1983年版。

主要参考书目：

一、羧酸的α-H的卤代反应二、影响羧酸酸性的因素1诱导效应；2共轭效应；3场效应。三、酰胺与次卤酸盐反应（霍夫曼降级反应）；四、酯缩合反应五、乙酰乙酸酯合成法和丙二酸酯合成法六、迈克尔反应

第3页，课件共74页，创作于2023年2月第一节，羧酸及其衍生物的结构

在羧酸中，羧基的碳原子是sp2杂化，三个sp2杂化轨道分别与一个氧原子，一个羟基的氧原子和一个碳原子（在甲酸中为氢原子）形成三个σ键，键角约为120o；sp2杂化碳原子的P轨道与两个氧原子的P轨道重叠，形成四电子三中心的P—π共轭体系。

由于P—π共轭，使羧基中的C=O双键和C-O单键的键长有均化现象。当变成酸根后，两个碳氧键键长等同

.分子中含有羧基，羧基是羧酸的官能团。

第4页，课件共74页，创作于2023年2月羧酸类药物：

阿司匹林第二节.羧酸的物性

酒石酸马来酸

布洛芬-乙氧基醋酸解热镇痛药,需饭后服用

第5页，课件共74页，创作于2023年2月

二聚体（氢键缔合）第三节，羧酸的化学性质

一，酸性

为什么RCOOH的酸性大于ROH？羧酸酸性的强弱取决于电离后所形成的羧酸根负离子(即共轭碱)的相对稳定性。第6页，课件共74页，创作于2023年2月例2：为什么苯乙酸的酸性大于乙酸？

苯基取代乙酸的α-氢后酸性比乙酸强，

由此，可认为苯基为吸电子基，具有-I效应，但是从甲酸与苯甲酸的PKa分别为

3.77和

4.20来看

，苯环取代甲酸的氢后酸性性降低了，

此时，苯基起的是给电子的作用，

实际上，在苯甲酸中，

羧基-COOH的电负性大于苯基，

由取代基极性常数分别为+6.5和

+1.5证实．对于苯甲酸还在着交叉共轭效应，

即苯基与羧基中的羰基有共轭形式，

而羟基与苯环不能共轭

，

但羟基与羰基也是共轭的

，

故苯环与羰基共轭后，

对羟基只有间接作用，

此作用称为交叉共轭效应，

由于苯甲酸存在着交叉共轭，

将减少其酸的强度

．

然而，苯环既不与羧基中羰基共轭，

亦不与羟基共轭的苯基取代酸，

例如苯己酸，

其酸强度则由苯基的极性常数决定，

即它们具有-I效应．

无疑，苯基

既为电子源又为电子渊．

为此

，若仅用诱导效应或共轭效应来说明苯甲酸与苯乙酸的酸性强弱欠妥

，

导致与实验测得的PKa相悖的结论．现提出负离子稳

定化理论来解释这个疑问.

第7页，课件共74页，创作于2023年2月苯甲酸与苯乙酸在水中离解分别形成

前者的稳定性与后者是不同，

前者

的苯环与羧基负离子在同一平面上，形成共轭大π键(П910体系)，由于离域的结果，使电子运动范围扩大了，电荷较分散，从而使体系的能量下降，较稳定，而苯乙酸负离子，由于羧基负离子与苯环被一个亚甲基隔离了，它们不能共平面，因此，羟羧负电荷只能分散到三个原子上(形成П34体系)，即电子运动范围小了，电荷不及苯甲酸负离子分散，所以负离子的稳定性也就不如苯甲酸负离子，其酸度较苯甲酸低．不难看出，作为共轭效应和诱导效应的结果，电荷分散导致更太的稳定性，见下图：

第8页，课件共74页，创作于2023年2月二.影响羧酸的酸性的因素

1.诱导效应

(负离子稳定性提高)(负离子稳定性降低)诱导效应具有加和性。诱导效应是一种短程效应。第9页，课件共74页，创作于2023年2月2.场效应(FieldEffect)通过空间传递的静电作用。

1<2C-Cl极性键负端比正端对氢的静电作用大。抑制羧基氢的电离。第10页，课件共74页，创作于2023年2月3.共轭效应的影响[分析]

邻位取代的苯甲酸(取代基是吸电子基或给电子基)均使酸性增强。第11页，课件共74页，创作于2023年2月4，取代基的位置对苯甲酸的酸性的影响

[1]对位异构体

对位取代苯甲酸的酸性较间位和邻位异构体弱(除NO2外)．由于取代基距羧基较远

，诱导效应很微弱，

起主导作用是共轭效应，

如取代基是硝基时，

由于产生吸电子的π一π共轭效应(-C效应)，

使羧基直接相连苯环上的碳原子电荷密度降低，

带有正电荷

，对羧基上的电子有吸引作用，

故质子易离去，

使其酸性增强(见表1)第12页，课件共74页，创作于2023年2月因此，其酸性较苯甲酸酸性弱．不难看出对于吸电子基团(例如硝基)通过

一C效应作用提高酸度；

给电子基团(例如羟基，甲氧基)则通过+C效应作用降低酸度；烷基是通过超共轭效应作用降低其酸度．这里也可以用负离子稳定化理论解释，

对位取代苯

甲酸在水中离解时，

形成相应的羧基负离子，

若对位

基为给电子时，

可使负电荷更为集中导致稳定性降低

，故酸性较苯甲酸酸性弱

．

反之则反

．

而卤素(F、C1)例外，

因为它们对苯环的影响具有一I和+C效应

，

且一I效应的影响大于

+C效应

，

总的作用结果

导致对位异构体的酸性较苯甲酸酸性强。第13页，课件共74页，创作于2023年2月【2】

间位异构体

由于取代基、苯环和羧基三者不处于一个共轭体系中，因此取代基不会通过共轭效应直接影响羧基，另外取代基距羧基较远，虽诱导效应较弱，但仍足以使其对位碳原子的极化强度有所改变．例如硝基，它与苯环共轭效应(-C)的结果使间位碳原子的电子密度高(即与羧基直接相连的碳原子)，对羧基上的电子的吸引力小，使羧基的离解变弱，故酸性较对位稍低，又因-I作用的结果，酸性却较苯甲酸强．如果是羟基、甲氧基、卤基时，主要是弱的-I效应作用，此外，又因为这些基团与苯环共轭效应(+C)作用使间位碳原子电子去密度低，对羧基上的电子的吸引力较大，使羧基离解，故酸性较对位强.以上讨论对位异构体的酸性，

可由哈密特(Hammett)方程式中取代基的极性常数得到证实．该方程式定量地描述了各种取代苯基酸中酸性与取代基的极性影响是呈正比(直线)关系．

由于间位、对位取代基对羧基只有极性影响，而邻位取代基除极性影响外，还有空间效应．而空间情况的变化的更改，将使之不符合正比关系，

所以Hammett方程式只适合于对位和间位取代苯基酸．兹将部分取代基苯甲酸各取代基的极性常数列于表2第14页，课件共74页，创作于2023年2月表2说明：(1)以未被取代的苯甲酸的离解常数作基准

；（2）极性常数为”负”的．表示为给电子，绝对值愈大，给电子能力愈强；（3）极性常数

为”正”的。表示为吸电子的，绝对值愈大．吸电子能力愈强；（4）间位取代基极性常数主要反映诱导效应．对位取代基性常数反映诱导效应和共轭效应之和．

第15页，课件共74页，创作于2023年2月Hammett方程Hammett方程是L.P.Hammett在1935年考查一系列间位和对位取代的苯衍生物在侧键上的反应关系后建立的。他发现,间位或对位取代苯甲酸的电离常数(Ka)和苯甲酸的电离常数(K°a)之比的对数值是一个常数:LgKa/K°a=ρσ式中K°a——苯甲酸于25℃在水中的电离常数Ka——取代苯甲酸在同样条件下的电离常数σ——取代基常数,它只与取代基的性质有关ρ——Hammett直线的斜率,是常数,称为反应常数。当取代基为吸电基时,吸电基的存在有利于酸的离解,此时Ka>K°a,σ为正值;反之,取代基是供电基时,σ为负值。σ绝对值越大,取代基效应越强。

第16页，课件共74页，创作于2023年2月Hammett还发现,间和对位取代苯甲酸酯和苯甲酸酯水解常数之比的对数值与σ值有很好的直线关系。即以取代苯甲酸酯和苯甲酸酯水解常数之比的对数(lgKh/K°h)为纵坐标,以δ(即lgKa/K°a)为横坐标作图,得到一条直线,如图1:式中K°a为苯甲酸乙酯的水解常数,Ka为取代苯甲酸乙酯的水解常数。ρ是Hammett直线的斜率,是常数,称为反应常数。反应常数ρ值取决于反应的类型和条件。对于不同的反应,将出现不同的情况。一种反应的ρ值大于0,此时吸电基使反应加速;一种是ρ值小于0,此时供电基使反应加速;一种是ρ值接近0,此时各种取代基(供电基或吸电基)均对反应影响不大。

第17页，课件共74页，创作于2023年2月Hammett方程的应用

一，确定σ和ρ值,求算一些未知反应的热力学或动力学参数(K及k)例：在25℃水溶液中,肉桂酸的电离反应的反应常数ρ=+0.47,电离常数KH=3.65×10-5,取代基的σP-NO2=0.78,σm-Me=-0.069;则其对位硝化和间位甲基衍生物的电离常数可由哈梅特方程求之,即log(KP-NO2/KH)=ρ·σP-NO2=0.47×0.78=0.37,则KP-NO2=8.49×10-5;且log(Km-Me/KH)=ρ·σm-Me=0.47×(-0.069)=-0.032,即Km-Me=3.39×10-5与未取代的肉桂酸相比,对位硝化衍生物的电离常数增大了,间位甲基衍生物的电离常数略有减小.第18页，课件共74页，创作于2023年2月二，在推断反应机理上的应用

例如,实验测得在51℃过氯甲醇溶液中,苯基三甲基硅烷对位取代衍生物的酸性水解反应的相对速率logfP(即log(kP/kH))及取代常数σP和σ+P分别为:该酸性水解反应的实验反应常数为-4.32.我们利用哈梅特方程来求出这一反应的理论反应常数,并分析该水解反应发生在哪一个化学键上.第19页，课件共74页，创作于2023年2月由实验数据,作logfP~σP和logfP~σ+P图,如图1所示可见,logfP~σ+P很好地符合亲电取代反应哈梅特方程的线性关系,由其直线斜率可求得反应常数ρ+=-4.41,与实验值相符.因此,可以认为该水解反应可能是发生在芳核上的亲电取代反应而不是发生在支链上的取代反应.推断其反应机理,可能是质子先加成到与硅烷基相连的芳核碳原子上,然后在硅-芳基的化学键上发生断裂而水解,反应机理见图2.第20页，课件共74页，创作于2023年2月【3】

邻位异构体

表1的数据表明，邻位取代基不管是给电子基(如甲基基)还是吸电子基(如硝基)都使酸性较相应的间对位异构体的酸性增强．这由于它们具有邻位效应的缘故，包括电子效应和立体位阻效应．溶剂效应、氢键的影响等．立体位阻效应上由于邻位取代基占据一定的空间．

在一定程度上排挤了羧基．使羧基偏离苯环平面

．导致苯环难与羧基中羰基产生共轭效应．

减少了苯环电子云向羧基偏移，使羧基中羟基的氢原子易离解，故酸性增强．若邻位取代基本身的体积愈大，影响也愈大

．例如邻叔丁基苯甲酸的酸性大约是对位酸性强度的十倍H由于是处于邻位，与羧基距离较近，若取代基是电负性较大的吸电子基团时，表现出较间、对位强的一I效应(如F、C1、N等)，而硝基除了具有一I效应和一c效应外，还有空问诱导效应(场效应)，使离解后带负电荷的氧与硝基是正电性的氮，

在空间相互作用使羧基负

离子更加稳定，使酸性增强，

第21页，课件共74页，创作于2023年2月氢键的影响也使酸性增强，

例如邻羟基苯甲酸

离解一个质子后，共轭碱中的OH一和COO一基团之间形成分子内氢键．

稳定了负离子，从而提高了酸度

．

如图6所示．

值得一提的是，物质的酸性强弱．除了受物质本身的结构、电子效应、立体位阻效应、杂化效应、氢键的影响外，还与溶剂的种类和溶剂化作用等多种因素有关

．

第22页，课件共74页，创作于2023年2月邻位基团对活性中心的影响

邻位取代基的空间位阻使苯环与-COOH的共轭减弱。苯基与羧基共轭具给电子共轭效应形成分子内氢键,使羧基负离子稳定.第23页，课件共74页，创作于2023年2月

试比较苯甲酸/对甲氧基苯甲酸/间甲氧基苯甲酸酸性强弱。取代苯甲酸酸性强弱的判定

以苯甲酸为标准物进行比较时，

根据诱导效应(I)和共轭效应(c)的影响，

取代基可分为四

种类型。(见表1)。

取代基的位置不同时，电子效应的影响(见表2)。

第24页，课件共74页，创作于2023年2月第25页，课件共74页，创作于2023年2月例题：

按酸性由强到弱的顺序排列下述各组化合物

例题l中由于取代基的位置都一样(对位)，所以只需分析出取代基的性质即可判定(用表1)。

-NO2属第二类取代基．I与C效应一致，

故(2)的酸性最强。-OCH3，属第四类取代基，I与C效应相反，且+C>-I，总的结果减弱了酸的离解，故(3)的酸性最弱．一Cl属第三类取代基，

I与C效应相反且+C<-I．

总结果使苯环上

电子云密度降低，

特别是邻对位，但由于+C取代部分抵消了-I．所以(4)的酸性强于(1)而弱于(2)，综上所述，

例题

l的酸性由强

到弱的顺序是：

(2)>(4)>(1)>(3)。

第26页，课件共74页，创作于2023年2月例题

3中，

由于取代基不同，且取代基位置也不同，

故要综合分析，全面考虑

-CH3是第一类定位基，在邻位时，电子效应是+I，

+c。

但由于空间阻碍作用，

破坏了羧基和苯环的共轭，

所以无论取代基性质如何均使酸性增强，

故(2)的酸性强于(1)。-NO2：

是第二类定位基．

在间

位时电子教应是一I，

而共轭效应受到阻碍，

有利于羧酸的离解

故(3)的酸性强于(2)。

-OCH3；

是第四类定位基，

在对位时电子效应是一I，

+c，

I与

c效应相反且+c>-I，

总结果使苯环对

位碳原子电子云密度升高，

故(4)的酸性弱于(1)，

综上所述．例题

3的酸性由强到弱的顺序是：

(3)>(2)>(1)>(4)。

例题

2中，

由于取代基都一样(-C1)，

所以只需分析出取代基位置不同时电子效应和空间

效应的影响即可判定(用表2)-Cl在邻位时，由于氯原子与羧基两个基困距离很近，

空间位阻作用使得羧基碳氧双键上的P电子不能与苯环上的P电子很好的共轭，故不能供给羧基电子，且-Cl在邻位时，

-I效应比间位和对位的大，

所以(2)的酸性最强。

当-C1在间位时，共轭效应受到阻碍，诱导效应起主导作用，有利于羧酸的离解，

但--C1在间位时

诱导效应没有在

邻位的影响大，

故（3）

的酸性弱于(2)。当-C1在对位时，

即有一I效应，

也有+c效应，

两个效应的结果是-I>+C，

故(4)的酸性强于(1)但弱于(3)，综上所述，

例题2的酸性由强到弱的顺序是

：

(2)>(3)>(4)>(1)。

第27页，课件共74页，创作于2023年2月试分析富马酸的k2大于其顺式异构体马来酸k2的原因。

酸性氢原子参与形成氢键时，其酸性减弱。场效应。第28页，课件共74页，创作于2023年2月三.羧基的反应

1.羧基氢的反应可用于分离提纯；当R较大时,称这种盐为“肥皂”。

2.羧羟基的取代反应

酰氧键断裂，羟基被取代。1)酯化

酸催化第29页，课件共74页，创作于2023年2月

反应机制：（酸催化羰基氧原子发生质子化）反应物mol:1:8

第30页，课件共74页，创作于2023年2月2)形成酰卤

亚硫酰氯(二氯亚砜)SOCl2，PCl3、PCl5第31页，课件共74页，创作于2023年2月3)形成酸酐

羧酸失水。加热、脱水剂：醋酸酐或P2O5等。

混合酸酐第32页，课件共74页，创作于2023年2月4)形成酰胺四.羧基被还原

LiAlH4是还原羧酸为醇的最好试剂第33页，课件共74页，创作于2023年2月五.羧酸的脱羧反应

形成分子内氢键1，一元酸的脱羧反应

在结构上，

两个吸电子基连在同一个碳上的化合物，热力学上不稳定，加热易脱去一小分子。第34页，课件共74页，创作于2023年2月

通常-碳上连有吸电子基的羧酸，加热容易脱羧。第35页，课件共74页，创作于2023年2月2.二元羧酸的热分解反应Blanc规则：在可能形成环状化合物的条件下,总是比(布朗克)较容易形成五元或六元环状化合物(即五、六元环容易形成)。

第36页，课件共74页，创作于2023年2月第37页，课件共74页，创作于2023年2月六.

-H的卤代反应

-H活性:羧酸小于醛酮。催化剂:PCl3、PBr3红磷(P)等。为什么在羧酸卤代时加入少量红磷能加速卤代反应的进行？

第38页，课件共74页，创作于2023年2月七.羧酸的制备

1.氧化反应

1)1o醇、醛和芳烃的氧化

2)烯烃、炔烃的氧化断裂

3)甲基酮的卤仿反应

2.Grignard试剂与CO2反应3.水解反应第39页，课件共74页，创作于2023年2月4，微生物发酵工艺制备羧酸

十三碳二元酸(简称DCA13)，是一种重要的化工原料，特别是合成T型香料和尼龙1313工程塑料的重要原料目前，由于其在自然界中不单独存在，用化学方法难以合成，从菜子油中提出甘油芥酸再经臭氧氧化的方法，受农田和气候限制，产品纯度低国内外大多利用微生物胞内酶特异的氧化能力将石油副产物正十三碳烷烃转化为十三碳二元酸。

成本高，不如化学法合成。

第40页，课件共74页，创作于2023年2月第四节，羧酸衍生物的化学性质

一.结构

碳-杂原子键具某些双键性质第41页，课件共74页，创作于2023年2月1.的活泼性一.羧酸衍生物中主要反应基团性能的比较

2.羰基氧的碱性

酯或酰胺酸催化时,H+加到羰基氧上还是加到烷氧基氧上或氨基氮上？第42页，课件共74页，创作于2023年2月

p-共轭电荷转移。羰基氧具有一定的碱性，易接受质子。质子化发生在羰基氧上。

羰基与烷氧基不发生p-共轭,质子化发生在哪个原子上？第43页，课件共74页，创作于2023年2月3.羧羰基的亲核取代反应活性影响反应活性的因素：1)反应物稳定化程度；第44页，课件共74页，创作于2023年2月

3)与羰基相连基团(Y)的离去能力；

离去基团的离去能力：羧酸衍生物亲核取代反应活性顺序：二.羧酸衍生物的反应

1.亲核取代2)中间体稳定性程度亲核加成—消除总结果：亲核取代。第45页，课件共74页，创作于2023年2月1)水解（形成羧酸）

酸、碱催化。第46页，课件共74页，创作于2023年2月酯水解反应，键的断裂发生在酰氧键还是烷氧键？大多数2o和

1o醇的羧酸酯水解发生酰氧键断裂；

3o醇的羧酸酯水解发生烷氧键断裂。酸催化：第47页，课件共74页，创作于2023年2月

碱催化：3o醇的羧酸酯水解：SN1机制试写出化合物(A)和(B)在酸催化下用H2O18水解的产物,

并预测产物有否光学活性。第48页，课件共74页，创作于2023年2月2)醇解

（形成酯）（与中间体的稳定性有关）第49页，课件共74页，创作于2023年2月

酯的醇解（酯交换）

3)氨(胺)解

（形成酰胺）头孢噻吩第50页，课件共74页，创作于2023年2月4)羧酸衍生物的相互转化第51页，课件共74页，创作于2023年2月2.羧酸衍生物的还原反应

LiAlH4酰卤、酸酐和酯被还原成伯醇;酰胺和腈被还原成胺。第52页，课件共74页，创作于2023年2月3.酯的热消除（产物：烯和羧酸）

经过环状过渡态顺式消除(酰氧基与-H同时离去)第53页，课件共74页，创作于2023年2月产物以酸性大、位阻小的-H消除为主。

4.Reformatsky,S.(瑞福马斯基)反应

-羟基酸酯

醛或酮、-卤代酸酯、锌，在惰性溶剂中反应。第54页，课件共74页，创作于2023年2月

2-甲基-3-苯基-3-羟基丙酸乙酯第55页，课件共74页，创作于2023年2月