012第十二章羧酸及其衍生物

第十二章羧酸及其衍生物12.1羧酸的结构、命名和物理性质

一、羧酸的结构

二、羧酸的命名三、羧酸的物理性质12.2羧酸的化学性质

一、酸性

二、羧酸衍生物的生成三、羧酸的还原

四、α-卤代反应五、二元羧酸受热的反应*12.3羧酸的制法

一、氧化法

二、水解法三、由格利雅试剂制备12.4羧酸衍生物的命名和物理性质

一、羧酸衍生物的命名

二、羧酸衍生物的物理性质12.5羧酸衍生物的反应

一、亲核加成—消去反应

二、羧酸衍生物的还原12.6酰胺的特殊性质一、酸碱性

二、霍夫曼(Hofmann)重排

三、脱水反应

12.7

重要的羧酸和衍生物*一、甲酸

*二、乙酸

*三、乙二酸

四、碳酸酯*12.8

磺酸及其衍生物

一、磺酸的物理性质

二、磺酸的化学性质

羧酸(carboxylicacid)：分子中含有羧基(-COOH或-CO2H,carboxygroup)的化合物。第十二章羧酸及其衍生物羧基是羧酸的官能团，除甲酸(HCOOH)外，羧酸可看作是烃分子中的氢原子被羧基取代的产物。12.1羧酸的结构、命名和物理性质

一、羧酸的结构

二、羧酸的命名根据烃基种类—脂肪族羧酸、芳香族羧酸；饱和羧酸、不饱和羧酸；根据羧基数目—一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸；根据天然来源—蚁酸、醋酸、苹果酸、酒石酸······羧酸的分类：RCOOH羧酸的系统命名原则：选择含有羧基的最长碳链为主链，从羧基的碳原子开始编号，用阿拉伯数字或希腊字母表示取代基的位次。用英文命名时，英文后缀为-oicacid。一些羧酸常使用俗名。CH3CH2CH2COOH(CH3)2CHCH2COOH3-甲基丁酸(3-methylbutanoicacid)β-甲基丁酸(β-methylbutanoicacid)异戊酸(isovalericacid)丁酸(butanoicacid)酪酸(butyricacid)2-羟基丁酸(2-hydroxybutanoicacid)α-羟基丁酸(α-hydroxybutyricacid)

6-氯己酸(6-chlorohexanoicacid)ω-氯己酸(ω-chlorocaproicacid)脂肪族二元羧酸的系统命名：选择含有两个羧基的最长碳链为主链，根据碳原子的数目叫做某二酸(dioicacid)：乙二酸(ethanedioicacid)草酸(oxalicacid)2-甲基丁二酸(2-methylbutanedioicacid)2-甲基琥珀酸(2-methylsuccinicacid)当羧基直接与环状母体氢化物相连时，直接在母体名称后加甲酸(benzenecarboxylicacid)：苯甲酸(benzenecarboxylicacid)(benzoicacid)苯-1,2-二甲酸(benzene-1,2-dicarboxylicacid)邻苯二甲酸or酞酸(o-phthalicacid)环戊(烷)甲酸cyclopenanecarboxylicacid不饱和羧酸的命名：按主链碳原子的数目称为某烯酸。当主链碳原子数目大于10时，称为某碳烯酸：CH2＝CH-CH2-COOHC6H5CH＝CH-COOH丁-3-烯酸(but-3-enoicacid)3-苯基丙烯酸(3-phenylpropenoicacid)(肉桂酸cinnamylicacid)(9Z,12Z)-十八碳-9,12-二烯酸(9Z,12Z)-octadeca-9,12-dienoicacid(亚油酸linoleicacid)羧酸分子中去掉羟基后的基(RC=O)叫做酰基(acylgroup)，酰基根据相应的羧酸来命名。将原来羧酸的“酸”字改为“酰基”，英文后缀从“-oicacid”或“icacid”改为“oyl”或“yl”：甲酸(-carboxylicacid)

甲酰基(-carbonyl)例如：乙酰基(acetyl)、丁酰基(butanoyl)、苯甲酰基(benzoyl)、环戊(烷)甲酰基(cyclopentanecarbonyl)。

三、羧酸的物理性质低级羧酸是具有臭味的液体，高级羧酸是无味固体；羧酸的沸点高于质量相近的醇——双分子缔合；因为氢键的存在，低级羧酸溶于水，但高级羧酸不溶于水，能溶于乙醇，乙醚等有机溶剂。直链饱和一元羧酸的熔点随碳原子数目增加呈锯齿状上升。12.2羧酸的化学性质

一、酸性0.126nm0.126nmpKa值越小，酸性越强羧酸钠和钾盐的水溶性，制药工业常把含有羧基的药物变成盐，使不溶于水的药物变成水溶性的。羧酸可与金属氧化物、氢氧化物作用生成盐：羧酸的酸性比碳酸强，因而羧酸能与碳酸盐或碳酸氢盐作用形成羧酸盐：用强酸如盐酸酸化羧酸盐可使羧酸游离出来。可用于分离鉴定。

二、羧酸衍生物的生成1、生成酰卤

亲核加成-消除反应(nucleophilicaddition-elimination)酰基碳上的亲核取代反应(acylnuclephilicsubstitution)：有机合成中常用的酰化剂(acylatingagent)：三氯化磷五氯化磷亚硫酰氯(氯化亚砜thionylchloride)

2、生成酸酐

机理：脱水剂可以是五氧化二磷或乙酸酐：

3、生成酯酯化反应(esterification)：羧酸和醇或在强酸（如硫酸，对甲苯磺酸等）催化下分子间脱水生成酯的反应。酯化是可逆反应：为了提高产率，一般采用的方法是增加某一种反应物的用量，或不断从体系中移去某一种产物。实际上有时两种方法同时使用。酯化反应机理：大多是亲核加成—消除

4、生成酰胺己二酸hexanedioicacid(adipicacid)己二胺hexane-1,6-diamine尼龙-66Nylon-66聚酰胺(polyamide)纤维：三、羧酸的还原羧酸性质稳定，除了氢化铝锂外，催化加氢和一般的还原剂都不能使羧酸还原。硼烷(BH3)的四氢呋喃(THF)或二甲硫醚(BMS)溶液也易将羧酸、醛酮还原为醇，并且在同样条件下不还原硝基、酯基等。四、α-卤代反应五、二元羧酸受热的反应二元羧酸受热易脱水、脱羧，生成产物的结构取决于两个羧基的相对位置：草酸丙二酸脱羧得一元酸反应生成环状化合物时，一般容易生成五元或六元环。丁二酸(butanedioicacid)脱水得环状酸酐丁二酸酐(butanedioicanhydride)戊二酸(pentanedioicacid)戊二酸酐(pentanedioicanhydride)同时脱水、脱羧得环酮己二酸庚二酸庚二酸以上二元酸，高温分子间脱水，形成高分子链状聚酐。12.3羧酸的制法

一、氧化法羧酸自然界来源丰富，高级脂肪酸主要由动植物的油脂水解得到，其它羧酸一般以石油为原料制备。甲基酮通过卤仿反应氧化成少一个碳原子羧酸(第十章)；烷基苯的氧化常用于芳香族羧酸的合成(第六章)；烯烃的氧化也是制备羧酸的重要方法(第三章）。醛和伯醇可氧化为碳原子数相同的羧酸：

二、水解法腈可在酸性或碱性条件下水解：腈可由卤代烃与CN—起亲核取代反应得到，因此，从卤代烃出发通过腈水解可以合成比卤代烃多一个碳原子的羧酸。三、由格利雅试剂制备实际操作时可将二氧化碳气体通入格利雅试剂的溶液中，保持反应温度在-10～10℃左右，也可将格利雅试剂倒在干冰上：12.4羧酸衍生物的命名和物理性质

一、羧酸衍生物的命名羧酸衍生物主要包括酰卤(acylhalide)、酸酐(anhydride)、酯(ester)和酰胺(amide)。酰卤和酰胺按照相应的酰基命名，酸酐根据形成酐的羧酸命名，酯则按照形成酯的羧酸和醇来命名：丙酰氯propanoylchloridepropionylchloride丁酰溴butanoylbromidebutyrylbromide乙(酸)酐ethanoicanhydrideaceticanhydride苯甲酸酐benzoicanhydride丁二酸酐butanedioicanhydridesuccinicanhydride苯甲酸乙酯ethylbenzoate

N,N-二甲基甲酰胺

N,N-dimethylformamide(DMF)丙酰胺propanamidepropionamide

甲酸乙酯methylmethanoatemethylformate乙丙酸酐aceticpropionicanhydride命名含有多官能团的羧酸衍生物时，要先确定主官能团(见第9章)并写出主官能团为母体的名称，然后把其它官能团作为取代基，连同它们在母体碳架上的位次写在母体名称之前：甲氧羰基methoxycarbonyl乙氧羰基ethoxycarbonyl苄氧羰基benzyloxycarbonyl叔丁氧羰基t-butoxycarbonyl乙酰氨基(乙酰胺基)acetylamino(acetylamido)苯甲酰氨基(苯甲酰胺基)Benzoylamino(benzamido)苄氧羰基氨基benzyloxycarbonylamino甲酰氧基formyloxy乙酰氧基acetoxy氨基羰基(氨基甲酰基)Aminocarbonyl(carbamoyl)氯羰基chlorocarbonyl4-氨基甲酰基己酰氯4-carbamoylhexanoylchloride对乙酰氨基苯甲酸乙酯ethylp-acetylamidobenzoate4-乙酰氨基萘-1-甲酸4-acetylaminonaphthalene-1-carboxylicacid2-((3-甲氧羰基)环己基)乙酸2-((3-methoxycarbonyl)cyclohexyl)aceticacid

二、羧酸衍生物的物理性质酰卤的沸点较相应的羧酸低（无氢键缔合）；酸酐的沸点较相对分子量的羧酸低，但比相应的羧酸高；酯的沸点比相应的酸和醇都要低（与同碳数的醛酮差不多）；低级的酰氯和酸酐是有刺鼻气味的液体，高级的为固体；低级的酯具有芳香的气味，可作为香料；十四碳酸以下的甲酯和乙酯均为液体；酰胺除甲酰胺外，由于分子内形成氢键，均是固体；而当酰胺的氮上有取代基时,低级酰胺为液体；羧酸衍生物可溶于有机溶剂；酰氯和酸酐不溶于水，低级的遇水分解；酯在水中溶解度很小；低级酰胺可溶于水。12.5羧酸衍生物的反应

一、亲核加成—消除反应(addition-elimination)1、亲核加成-消除反应的机理和羧酸衍生物的反应活性酰氯，酸酐，酯，酰胺四面体中间体吸电子诱导效应(-I)：-X>-OCOR'>-OR>NH2给电子共轭效应(+C)-X<-OCOR'<-OR<NH2羧酸衍生物的亲核加成-消去反应的活性次序为：酰卤>酰酐>酯>酰胺酸或碱都可以催化羧酸衍生物的亲核加成-消去反应。

2、水解(hydrolysis)室温即可室温剧烈需酸或碱催化需酸或碱催化并长时间加热碱催化酯水解的机理：内酰胺(lactam)水解生成ω-氨基羧酸：己内酰胺caprolactam6-氨基己酸6-aminohexanoicacid(尼龙-66的原料)尼龙6(棉纶)

3、醇解(alcoholysis)酰氯和酸酐是重要的酰基化试剂：酯交换反应(transesterification)：酯醇解得到一个新的酯和一个新的醇的反应，是可逆反应。对苯二甲酸二甲酯dimethylbezene-1,4-dicarboxylatedimethylterephthalate乙二醇对苯二甲酸二(2-羟基乙基)酯bis(2-hydroxyethyl)benzene-1,4-dicarboxylatebis(2-hydroxethyl)terephthalate聚酯(polyester)涤纶(terylent)的原料生物体内的酯交换反应：胆碱choline(含有醇羟基)乙酰辅酶AacetylcoenzymeA(硫代羧酸酯)乙酰胆碱acetylcholine(新的酯)辅酶ACoenzymeA(新的酯)尿素urea氨基甲酸甲酯methylcarbamate

4、氨解(ammonolysis)

氨解反应比水解和醇解更容易进行；酰氯和酰酐的氨解反应比较激烈。酯的氨解比较温和。合成药物非那西汀：合成聚酰亚胺(polyimide)材料：

二、羧酸衍生物的还原酰氯的罗逊蒙德(Rosenmund)还原：用Lindlar催化剂酯的还原：常用Na＋CH3CH2OH，还原成两分子醇：

2-萘甲酰氯2-naphthoylchloride

2-萘甲醛

2-naphthaldehyde氢化铝锂还原酰氯、酸酐、酯为醇：氢化铝锂还原酰胺为胺：

苯甲酰氯benzoylchloride

苄醇benzylalcohol

苯甲酸乙酯ethylbenzoate

乙醇ethanol

苄醇benzylalcohol

N-甲基-N-苯基乙酰胺N-methyl-N-phenylacetamide

N-乙基-N-甲基苯胺N-ethyl-N-methylaniline硼烷的四氢呋喃或二甲硫醚溶液也可将酰胺和腈还原成相应的胺。12.6酰胺的特殊性质

一、酸碱性酰胺是中性化合物。酰亚胺：邻苯二甲酸酐phthalicanhydride邻苯二甲酰亚胺phthalimide酰亚胺具有酸性：pKa7.4加布里(Gabriel)反应：邻苯二甲酰亚胺负离子是一种亲核试剂，与卤代烃作用可在氮原子上导入一个烷基，肼解后可得到纯的伯胺(RNH2)。

二、霍夫曼(Hofmann)重排制备少一个碳原子的伯胺：壬酰胺nonanamide辛-1-胺octan-1-amine间溴苯甲酰胺m-bromobenzamide间溴苯胺m-bromoaniline丁二酰亚胺succinimide3-氨基丙酸3-aminopropanoicacid

机理：氮烯(nitrene)异氰酸酯isocyanate重排

三、脱水反应酰胺与强脱水剂(如P2O5、POCl3等)共热可脱水生成腈：己酰胺hexanamide己腈hexanenitrile腈分子中的氰基是高度极化的，因而腈具有较大的偶极矩和较高沸点，例如乙腈的偶极矩为4.03D，沸点为81.6℃。乙腈能与水互溶，是一种常用的非质子性极性溶剂。12.7重要的羧酸和碳酸酯

一、甲酸醛基羧基甲酸又称蚁酸，无色液体，沸点100.5℃，熔点8.4℃，与水互溶。除具一般羧酸性质，还具醛的性质：甲酸是重要的化工原料，也是纺织工业中的印染还原剂，医药上的消毒剂和防腐剂。

二、乙酸乙酸又称醋酸，是食醋的主要成份。无色有刺激性气味的液体，沸点118℃，熔点16.6℃，纯乙酸在16℃以下能结成似冰状的固体，因此常称为冰醋酸。

工业生产乙酸采用甲醇羰基合成法：乙酸用于制造乙酐，乙酸酯，醋酸纤维等，也是医药工业和其它有机化学工业不可缺少的原料。

三、乙二酸俗名草酸，含两分子结晶水，加热至100℃时失去结晶水而得无水草酸。草酸易溶于水，不溶于乙醚等有机溶剂。草酸是酸性最强的饱和二元羧酸。它除具有一般羧酸的性质外，还具有还原性，能还原高锰酸钾。因此，分析化学上常用草酸钠来标定高锰酸钾溶液的浓度。高价的铁盐可被草酸还原成易溶于水的低价铁盐，因此，可用草酸除去铁锈或蓝墨水的污迹。草酸以盐的形式广泛存在于植物的细胞壁中。工业上以甲酸钠为原料合成草酸。用硝酸氧化淀粉也可以得到草酸。四、碳酸酯碳酸分子中的两个羟基被氯、氨基、烷氧基取代，分别形成光气(phosgene)，尿素(urea)和碳酸酯(carbonate)。碳酸光气尿素碳酸酯环碳酸酯最重要的碳酸酯是碳酸二甲酯(dimethylcarbonate)、碳酸二乙酯(diethylcarbonate)和碳酸二苯酯(diphenylcarbonate)。碳酸二甲酯和碳酸二乙酯用氧化羰基化合成方法合成：碳酸二甲酯和碳酸二乙酯无毒，是绿色化工原料。它们可用做甲(乙)氧羰基化试剂代替剧毒的光气：4-甲基苯-1,3-二胺4-methylbenzene-1,3-diamine碳酸二甲酯2,4-二异氰氧基-1-甲基苯2,4-diisocyanato-1-methylbenzene合成聚氨酯(PLL)的重要原料可代替有毒的硫酸二甲(乙)酯进行甲(乙)基化反应：苯乙腈2-phenylacetonitrile2-苯基丙腈2-phenylpropanenitrile碳酸二苯酯，可通过酯交换得到，可和双酚A缩聚制备碳酸酯(polycarbonate，PC)：聚碳酸酯(PC)合成过程中的甲醇和苯酚可循环使用，没有废物的排放。最重要的环碳酸酯是(环)碳酸乙-1,2-叉基酯(即碳酸亚乙基酯ethylenecarbonate)和(环)碳酸-1,3-丙叉酯(碳酸丙烯酯propylenecarbonate)，也可以通过酯交换得到：丙-1,3-二醇propane-1,3-diol碳酸丙-1,3-叉基酯propane-1,3-diylcarbonate1,3-二氧杂环己烷-2-酮1,3-dioxan-2-one碳酸二乙酯乙二醇ethyleneglycol碳酸乙-1,2-叉基酯ethane-1,2-diylcarbonate1,3-二氧杂环戊烷-2-酮1,3-dioxolan-2-on