第十章 羧酸和取代羧酸.ppt

1、1,第十章 羧酸和取代羧酸,第一节 羧 酸,一、结构分类命名,二、物理性质,三、化学性质,第二节 取代羧酸,一、羟基酸,二、羰基酸,2,含有羧基的化合物，称为羧酸(carboxylic acids)。,第十章 羧酸和取代羧酸,烃基上的氢原子被其它原子或基团取代的羧酸称为取代羧酸(substituted carboxylic acids)。,RCOOH,ArCO2H,3,第一节 羧 酸,一、羧酸的结构、分类和命名,(一) 羧酸的结构,羰基和羟基，通过 p-共轭 构成一个整体。所以，羧基并不是羰基和羟基的简单加合。,p- 共轭,4,键长 平均化,p- 共轭 对结构与性质的影响:,122pm,143

2、pm,136pm,123pm,羧基 C 的正电性 降低，亲核反应变难 -H 的活性 降低，诱导效应减弱 羧羟基的酸性 增强，极性增强,5,羧酸根负离子的 p- 共轭,127pm,127pm,负电荷，均分在两个氧原子上； 增强了羧酸根负离子的稳定性； 有利于H+的离去。,键长完全平均化。,6,(二) 羧酸的分类,7,(三) 羧酸的命名,常见的羧酸多用俗名。,HCOOH 甲酸 (蚁酸 Formic acid) CH3COOH 乙酸 (醋酸 Acetic acid) CH3CH2CH2CO2H 丁酸 (酪酸 Butyric acid) HOOC-COOH 乙二酸(草酸 Oxalic acid) HO

3、2CCH2CH2CO2H 丁二酸(琥珀酸 Succinic acid) C6H5CH=CHCO2H 肉桂酸 (Cinnamic acid),8,系统命名法与醛相似。羧基C永远为C-1 ；对于简单的羧酸，也常用 、 等希腊字母表示取代基的位次。,5 4 3 21 g b a,3-甲基戊酸 -甲基戊酸,4 3 2 1 g b a,2-甲基-4-溴丁酸 -甲基-溴丁酸,9,2-甲基-3-丁烯酸,3-硝基-4-氯苯甲酸,邻苯二甲酸(酞酸),反-1,4-环己基二甲酸,-萘甲酸 1-萘甲酸,10,2,2-二甲基丁酸,环丙基甲酸,2,4-二氯苯甲酸,1 2 4 5,3-羧基-4-羟基己二酸,（不讲）,11,

4、己二酸,3-羧甲基,12,二、羧酸的物理性质,1. 性状：常温下，19C饱和一元酸为具有强烈气味的液体; 高级脂肪酸为无味无臭蜡状固体; 二元酸和芳香酸是结晶固体。,2.溶解性：低级脂肪酸易溶于水,但随相对分子质量的增加水溶度降低:甲、乙、丙、丁酸与水互溶, 己酸0.96%, 辛酸0.08%。高级一元酸不溶于水，但能溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。多元酸的水溶性大于相同碳数的一元酸。芳酸的水溶性极微。,13,与相对分子质量相近的其它类型有机化合物相比，羧酸有特别高的沸点。,MW 60 60 58 56 Bp/ 117.9 82.3 56.5-6.9,形成双分子氢键缔合体,14,三、羧酸的化学性

5、质,3.-H 的反应,1. 酸性,2.亲核取代,15,(一) 羧酸的酸性与成盐,Ka: 10-410-5,p- 共轭，增强了羧羟基的极性，增强了其酸性。,p- 共轭，增强了羧酸根负离子的稳定性，有利于H+的离去。,16,酸性比较（pKa）:,酸性强弱，主要影响因素电子效应、立体效应和溶剂化效应。,17,1、脂肪酸 就电子效应而言，吸电子基使酸性增强，供电子基使酸性减弱。,Gw: withdrawing group 吸电子基 增强酸性,Gr: releasing group 供电子基 减弱酸性,吸 增,供 减,18,pKa 3.77 4.76,1.68,pKa 2.62 2.87 2.90 3.

6、16 4.76,pKa 2.86 4.06 4.52,19,pKa 4.35 4.17 3.42,(1),2、芳香酸,20,CH2=CHCH=CHCH=CHNO2,d-,d-,d-,d+,d+,d+,其吸电子共轭效应通过共轭体系，交替传递到终端。,21,CH3-是供电子基，主要发生供电子共轭效应，其酸性小于苯甲酸。NO2-是吸电子基，主要发生 吸电子共轭效应，其酸性大于苯甲酸。,22,(2) HCOOH C6H5COOH CH3COOH,pKa 3.77 4.17 4.76,苯环大键与羧基构成共轭体系，主要发生供电子共轭效应（+C），电子云向羧基偏移，减弱了羧羟基的极性。,同一基团的若干种作用

7、相反时，其主要作用决定最终结果。,23,HCOOH C6H5COOH CH3COOH,pKa 3.77 4.17 4.76,在苯甲酸分子中，羧基与sp2 杂化的碳原子相连；而在乙酸中，与sp3杂化的碳原子相连。前者的S成分多，吸电子能力强，增强了羧羟基的极性，使其酸性较强。,24,(3),pKa 4.17 3.89 2.21,邻位基团的存在，产生空间位阻；使羧基与苯环的共平面性减少，即羧基碳氧双键上电子不能与苯环上电子很好的共轭；从而使苯基的供电子共轭效应减弱，使羧羟基的极性增强，其酸性大于苯甲酸。,邻位效应：邻位基团对活性中心的影响。,25,pKa 4.17 3.89 2.21,影响因素多，

8、其作用一致或相反；主要因素决定最终结果。,26,Ka1 5.910-2 1.610-3 6.810-5,Ka2 4.010-5 1.410-6 2.310-6,3、二元酸 酸性与两个羧基的相对距离有关。,低级二元羧酸的酸性，相对于同碳原子数的一元羧酸的酸性，强一些。,27,练习: 比较酸性强弱,pKa 3.77 4.17 4.76,HCOOH C6H5-COOH CH3COOH,(1),(2),pKa 4. 76 2.66 1.24 0.23,28,羧酸能与碱中和生成羧酸盐和水。利用羧酸与NaHCO3反应放出CO2,可以鉴别、分离苯酚和羧酸。,4、成盐,与无机酸相比，RCOOH仍为弱酸：,氨苄

9、青霉素 （氨苄西林）,应用：,1. 区别和分离酚与羧酸,2.羧酸盐在制药上的应用,30,(二) 羧酸衍生物的生成,羧羟基被其它原子或原子团取代后，生成的化合物，称为羧酸衍生物(derivatives of carboxylic acid)。,酰基,离去基团,酰卤(Acyl halide),酸酐(Anhydride),酯(Ester),酰胺(Amide),31,1、酰卤的生成,酰卤具有高度反应活性，广泛应用于药物合成中。,苯甲酰氯,32,2、酸酐的生成,羧酸(除甲酸外)在脱水剂(乙酰氯、乙酐、P2O5)作用下或加热，分子间失去一分子水，生成酸酐(acid anhydride)。,甲酸与脱水剂共热

10、，分解为一氧化碳和水：,酐键,33,马来酸,马来酸酐,五、六元环的酸酐，可通过加热相应二元羧酸得到。,34,3、酯(ester)的生成,羧酸与醇在酸催化下加热反应生成酯和水，称为酯化反应(esterification)。同样条件下，酯水解又可生成羧酸和醇。所以，酯化反应是可逆反应。,苯甲酸甲酯 (85-95%),乙酸乙酯,酯键,35,通常，伯醇、仲醇与羧酸的酯化反应，按酸脱羟基醇脱氢的方式生成酯。,36,四面体中间体,羧酸和醇的结构对酯化难易的影响很大。通常， 羧酸或醇分子中，烃基的空间位阻加大，都会使酯化 反应速度变慢。 活性顺序：,对醇：CH3OH RCH2OH R2CHOH R3COH,

11、对酸：HCO2H CH3CO2H RCH2CO2H R2CHCO2H R3CCO2H,叔醇的酯化反应经实验证实是按照烷氧断裂的方式进行的：,即：,38,4、酰胺的生成,羧酸与氨(或胺)反应首先形成铵盐， 然后加热脱水得到酰胺 (amide)。,酰胺键,39,(三) 乙二酸及丙二酸的脱羧反应,羧酸失去羧基，放出CO2的反应，称为脱羧反应。,几乎所有羧酸或其盐类在强烈的条件下都可脱羧:,若 -C 上，连有吸电子基，则易脱羧。,丙二酸,乙酸,应用：体内脂肪酸和氨基酸的脱羧是在脱羧酶化下进行的,四、 重要的羧酸,1.甲酸（蚁酸） （1）甲酸酸性其它饱和一元酸 （2）甲酸能被托伦试剂和费林试剂氧化，也易

12、被高锰酸钾氧化而使高锰酸钾褪色。利用这些性质定性鉴别甲酸。 （3）甲酸与浓硫酸共热分解生成CO和H2O，这是实验室制备少量CO的方法之一。,2.乙酸 3.丙烯酸,4.乙二酸（草酸） （1）制备,（2）化学性质 易脱羧： 具有还原性，易被KMnO4氧化。 5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4K2SO4+2MnSO4+10CO2+8H2O 此反应用于标定KMnO4的浓度。 能与多种金属离子形成络合物。 在纺织、印染、服装工业中广泛用于除铁迹。,42,第二节 取代羧酸,烃基上的氢，被取代后的产物称为取代羧酸。,取代羧酸,羧酸衍生物,43,一、羟基酸,命名：系统命名法，更常用俗名。,羟基酸分子中

13、具有羧基和羟基两种官能团。,(一) 分类与命名,分类: 醇酸(,); 酚酸,IUPAC：,2-羟基丙酸,2-羟基丁二酸,俗名:,乳酸(Lactic acid),苹果酸 (Malic acid),44,2,3-二羟基丁二酸,3-羧基-3-羟基戊二酸,IUPAC：,2-羟基苯甲酸 水杨酸(salicylic acid),3,4,5-三羟基苯甲酸 没食子酸(gallic acid),IUPAC：,俗名:,酒石酸(Tartaric acid),柠檬酸 枸橼酸(Citric acid),俗名:,45,(二) 羟基酸的物理性质,醇酸：一般是粘稠状液体或晶体。由于分子中 的羟基和羧基都能与水形成分子间氢键，

14、因此醇酸比相应的羧酸或醇更易溶于水。 酚酸：都为晶体，大多微溶于水。 羟基酸的熔点比相同碳原子数的羧酸高。,46,(三) 羟基酸的化学性质,共性：具有羟基和羧基各自的典型性质。 羟基：氧化，卤代，脱水，成酯 酚羟基：与FeCl3显色 羧基：酸性，成盐，成酯,特性：因羟基和羧基的相对位置不同，而有所不同。 相互影响：受热脱水，易氧化，等,47,1羟基酸的酸性,pKa4.883.834.51,羟基的吸电子诱导效应，一般使醇酸酸性比相应的羧酸强。 羟基越靠近羧基，其酸性就越强。,醇酸：,48,pKa 2.98 4.20 4.57,酚酸：与邻位效应、诱导效应、共轭效应等有关,49,羧羰基氧与邻位羟基氢

15、，形成分子内氢键；使羧羰基氧上的电子，向邻位羟基氢偏移；导致羧羟基的极性增强，使羧基氢更容易离去。,羧基负离子，仍与邻位羟基氢形成氢键；使体系更稳定，也有利于羧基氢的离去。,50,对位：主要表现为+C 效应，使酸性减弱。,51,2醇酸的氧化反应,受羧基吸电子效应的影响，醇酸中的醇羟基，比醇分子中的羟基，更容易被氧化。,52,3醇酸的脱水反应 （热稳定性差，易脱水）,脱水方式因羟基和羧基的相对位置不同而异 。,（1）-醇酸的脱水：受热后，两分子间的羟基和羧基交叉脱水，生成较稳定的六元环交酯。,-羟基丙酸,丙交酯,53,（2）-醇酸的脱水：由于-羟基和羧基的共同影响，-H很活泼；受热时容易与-羟基

16、脱水，生成,-不饱和羧酸。,54,（3）、-醇酸的脱水：-醇酸的羟基和羧基，在室温下可自动脱水，生成稳定的五元环内酯。,55,-醇酸发生分子内的脱水反应，生成六元环内酯，条件强烈些。,-戊内酯易开环, 常温即可水解, 生成-戊醇酸。,应用 内酯在酸、碱存在下发生水解反应，在碱存在下，则生成稳定的羟基酸盐。,羟基丁酸钠具有麻醉作用，但不影响基础代谢和呼吸，故经常将它用于呼吸功能不全的患者手术时的麻醉剂。,57,4酚酸的脱羧反应,o-或 p-羟基苯甲酸，加热至熔点以上时，易脱羧。,生物体内的羟基酸,1.乳酸,存在于酸牛奶、肌肉等中, 具有很强的吸湿性； 工业上作除钙剂(钙盐不溶于水)；食品工业中作

17、增酸剂；钙盐可补钙.,2.酒石酸,存在于多种水果中. 可用作酸味剂, 其锑钾盐有抗血吸虫作用.,3.柠檬酸,存在于多种植物的果实中及动物组织与体液中, 为无色晶体. 可用于食品工业的调味品(有酸味)也用于制药业.,4.水杨酸,水杨酸及其衍生物有杀菌防腐、镇痛解热和抗风湿作用, 乙酰水杨酸就是熟知的解热镇痛药阿司匹林. 阿司匹灵有解热、镇痛作用，能抑制血小板凝聚，防止血栓的形成.,5. 苹果酸,存在于植物的未成熟的果实及叶子中, 用于制药和食品工业.,60,二、酮 酸,羰基酸：同时具有羧基和羰基两种官能团的化合物。分为醛酸和酮酸。,(一) 酮酸的命名,以羧酸为母体，酮基为取代基；其位次用阿拉伯数

18、字或希腊字母表示；酮基也可称为氧代。,乙醛酸,-丙酮酸,2-氧代丙酸,61,-丁酮酸 3-氧代丁酸,CH3COCH2CH2COOH,-戊酮酸 4-氧代戊酸,丁酮二酸 草酰乙酸,-戊酮二酸 2-氧代戊二酸,62,酮酸除了具有酮的通性和羧酸的通性外，-酮酸 和 -酮酸 还具有一些特殊的性质。,(二) 酮酸的化学性质,1酸性,酮酸的酸性强于相应的醇酸，更强于相应的羧酸。,pKa2.49 3.513.86,pKa4.51 4.88,63,2脱羧反应,-酮酸在稀硫酸作用下，受热脱羧，生成少一个碳原子的醛。,-酮酸更易脱羧，通常只能在低温下保存。,由于-酮酸脱羧产物是酮，故称为酮式分解。,64,由于羧基受

19、羰基的影响；也由于形成六元环的分子内氢键，而使脱羧更容易:,65,酸式分解:-酮酸与浓碱共热，分解为两分子羧酸盐。,问题: 完成下列反应,66,-羟基丁酸、-丁酮酸和丙酮，三者在医学上称为酮体。,-羟基丁酸 -丁酮酸 丙酮,血中正常分布：70% 30% 微量,血中酮体正常参考值：350mg/L,酮血症：3000mg/L,用化学方法区分下列各组化合物:,思考题,1.甲酸、乙酸、草酸 2.乙醇、乙醛、乙酸 3.丙醛、丙酮、正丙醇、异丙醇、正丙醚、丙酸,解：,1.甲酸与Tollens试剂作用出现银镜，草酸受热放出CO2. 2.乙醛与Tollens试剂作用出现银镜，乙酸与Na2CO3放出CO2. 3.

20、,68,1. 羧酸的结构 羰基与羟基通过 p-共轭构成整体 2. 羧酸的命名 俗名； 系统命名(似醛) 3. 羧酸的性质 酸性; 生成羧酸衍生物; 脱羧 4. 羟基酸酸性；氧化；脱水；酚酸脱羧 5. 酮酸 酸性； 脱羧,本,章,要,点,Byebye！,乙酸乙酯的制备,一、实验目的,1、熟悉和掌握酯化反应的特点。 2、掌握酯的制备方法。,二、实验原理,在浓硫酸催化下，乙酸和乙醇生成乙酸乙酯： 羧酸酯可由羧酸和醇在催化剂存在下直接酯化来进行制备，酸催化的直接酯化和实验室制备羧酸酯是最重要的方法，常用的催化剂有硫酸、氯化氢和对甲磺酸等。一般采用加入过量的乙酸，以便使乙醇转化完全，避免由于乙醇和水及乙

21、酸乙酯形成二元或三元恒沸物给分离带来困难。,三、主要仪器与试剂,仪器：培养皿， 烧杯， 圆底烧瓶， 空气冷凝管，球形冷凝器。 试剂：1.5mL 浓硫酸， 4.6mL 乙醇， 2.9mL冰醋酸，饱和碳酸钠，饱和 氯化钙及饱和氯化钠水溶液， 无水硫酸钠,乙酸乙酯的制备反应装置图,四、实验流程和装置,冰醋酸，乙醇 浓H2SO4,回流,水浴加热,蒸馏,水浴加热,粗乙酸乙酯,饱和碳酸钠,有机相,洗涤,饱和NaCl 饱和CaCl22,干燥,无水Na2SO4,蒸馏,7378C,乙酸乙酯,五、实验步骤,25mL 2.9mL冰醋酸 4.6mL乙醇,慢慢加入1.5mL浓硫酸振摇,循环水,回流30min,粗乙酸乙酯

22、,循环水,粗乙酸乙酯,饱和碳酸钠水溶液,不在产生气泡,有机相,2mL饱和食盐水,洗涤,2mL饱和氯化钙,洗涤两次,有机相,无水MgSO4,干燥,初步纯化的乙酸乙酯,五、实验步骤,六、实验关键及注意事项,1、控制反应温度在120125，控制浓 硫酸滴加速度。 2、洗涤时注意放气，有机层用饱和NaCl洗涤后，尽量将水相分干净。 3、干燥后的粗产品进行蒸馏，收集65 71馏分。,七、思考题,1、酯化反应有什么特点,本实验如何创造条件使酯化反应尽量向生成物方向进行？ 2、本实验有哪些可能副反应？ 3、如果采用醋酸过量是否可以，为什么？,阿司匹林的制备,实验目的,1了解酰化反应及乙酰化物的制备方法。 2掌握减压过滤、重结晶等基本操作。,实验原理,阿司匹林（学名乙酰水杨酸）为白色针状或片状晶体，能溶解于温水之中，口服后在肠内开始分解为水杨酸、有退热止痛作用。 通常由水杨酸和醋酐在浓硫酸催化下酰化制取乙酰水杨酸。 水杨酸具有酚羟基，能与三氯化铁试剂呈现颜色反应，此性质可作为阿司匹林的纯度检验。,器材与药品,1器材 锥形瓶（100mL，干