1、第十一章 羧酸及其衍生物,11.1、羧酸的结构、分类和命名,羧 基 (carboxyl),(一) 羧酸,羰基中的碳原子、氧原子是sp2杂化，通式：,酰 基 (acyl),有银镜反应,一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸,羧酸的命名,选取含羧基碳原子在内的最长碳链主链从靠近羧基的一端开始编号有银镜反应取代基、重键的位置用阿拉伯数字标出也可从与羧基碳相连的碳原子用希腊字母（、）编 号 脂肪族二元酸选两个羧基碳原子在内的最长链为主链，称某二酸。 芳香族羧酸：羧基与苯环支链相连，以脂肪族为母体，芳基做取代基；羧基与苯环相连，苯甲酸为母体，环上其他基团为取代基。,反-2-丁烯酸,邻羟基苯甲酸,-呋喃甲酸,3-苯
2、基丙酸,巴豆酸,水杨酸,3-硝基苯甲酸（或间-）,3-甲基-2-丁烯酸,顺丁烯二酸,马来酸,丁二酸,琥珀酸,-甲基戊酸（3-甲基戊酸）,11.2 羧酸制备方法,氧化法,用什么氧化剂？氧化剂的选择性？,芳烃侧链氧化,卤仿反应,塑化剂也是一种被广泛使用的增塑剂，在塑料加工中添加这种物质，可以使其柔韧性增强，容易加工.,邻苯二甲酸（2乙基己基）二酯,塑化剂,Grignard试剂与 CO2作用,亲核加成机理：,制备比 RX 多一碳的羧酸,O干醚 H2ORMgX + CO2 - RC O MgX - RCOOH低温 注：ArI、ArBr易制成格氏试剂、ArCl较难。 将格利雅试剂倒在干冰中 或将CO2在
3、低温下通入格利雅试剂的干醚溶液中（低温可避免羧盐继续与RMgX反应生成叔醇），待CO2不再被吸收后，把所得的混合物水解，便得羧酸。,讨 论,腈类化合物的水解（酸性水解和碱性水解）,反应注意事项1 应用于一级RX制腈，产率很好。2 芳香卤代烷不易制成芳腈。3 如用卤代酸与NaCN反应制二元酸，卤代酸应先制成羧酸盐,11.3 羧酸的物理性质,脂肪族饱和一元羧酸中，甲酸、乙酸、丙酸是具有刺激性臭味的液体，直链的正丁酸至正壬酸是具有腐败气味的油状液体，癸酸以上的正构羧酸是无臭的固体。脂肪族二元羧酸和芳香族羧酸都是结晶固体。在饱和一元羧酸中，由于羧基是一个亲水基团，甲酸至丁酸都可与水混溶。从戊酸开始，随
4、相对分子质量增加，水溶性迅速降低，六碳以上羧酸难溶于水，癸酸以上的不溶于水。但脂肪族一元羧酸一般都能溶解于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂中。低级的饱和二元羧酸也可溶于水，并随碳链的增长而溶解度降低。芳酸的水溶性极微。,分子中有两个部位可形成H-键，常以二聚体存在。,b.p很高（比M相近的醇高）例： M甲酸 = M乙醇b.p 100.7 78.5与水形成H-键 易溶于水C1C4 的酸与水混溶，R增大，水溶性,羧酸的结构及化学性质分析,H有酸性,羰基不饱和, 可加成、还原,11.4羧酸的化学性质,羧酸的酸性,几种活泼氢的酸性比较,羧酸,酚,醇,pKa,5,10,16-19,H2CO3,6.37,羧酸呈
5、明显的弱酸性。在水溶液中，羧基中的氢氧键断裂 ，离解出的氢离子能与水结合成为水合氢离子。 RCOOH + H2O = RCOO + H3O+一般羧酸的PKa约在内4一5之间，属于弱酸,应用：利用酸性分离和提纯羧酸,六碳以上羧酸一般水中溶解度较小，但它们的碱金属盐在水中通常呈离子状态，故能溶解于水。实验室分离提存羧酸可在碱性水溶液中萃取羧酸，而后水层酸化析出羧酸。 羧酸比碳酸的酸性（PKa=6.5）要强些。苯酚比碳酸酸性弱。碱性溶液中通入CO2,苯酚析出，而羧酸仍以盐的形式存在于水溶液中。因此这个这个性质可用来区别或分离酚和羧酸。,酸性解释：羧酸根负离子的共振杂化体，由于主要是由两个结构和能量完
6、全相同的共振结构组成，所以要比羧酸的稳定性大得多。,羧基负离子中的C-O键和C=O键并无不同,甲酸HCOOH,C-O,C=O,0.120nm,0.134nm,0.127nm,0.127nm,甲酸根HCOO,诱导效应具有加和性。诱导效应是一种短程效应。,HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH (CH3)3CCOOH pKa值 3.75 4.76 4.87 5.05,pKa,HCOOH 3.75,pKa值, CH3COOH,取代基具有吸电子共轭效应时，酸性强弱顺序为：,邻 对 间取代基具有给电子共轭效应时，酸性强弱顺序为：邻 间 对邻 位（诱导、共轭、场、氢键效应、空间效应均要考虑） 对
7、 位（诱导很小、共轭为主） 间 位（诱导为主、共轭很小）,共轭碱分子内形成氢键，降低了共轭碱的碱性，增强了对应的共轭酸的酸性,2. 羧酸 a-氢的卤代反应（赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应 ）：脂肪羧酸中a - 氢比其它碳原子的氢活泼，可与氯或溴作用，生成a-卤代酸。但反应较慢，如在日光或红磷催化下,a -氢可逐步被卤素取代。,2CH3COOH + C2 - CCH2COOH - C2CHCOOH少量红P 少量红PC2- - 3 C COOH少量红P 磷的作用是首先与卤素生成卤化磷，卤化磷与羧酸作用成为酰卤，酰卤的烯醇式互变异物体与卤素容易发生反应，所生成的-卤代酰卤再与羧酸作用就得到卤代酸,a-卤
8、代羧酸在合成上的应用,制备a-卤代酯（制备Reformatsky试剂的原料）,Reformatsky试剂,酯难直接卤代,a-卤代酸的卤素象在卤代烷中一样，可发生亲核取代 反应，转变为-CN、-NH2、-OH等，由此得到各种a-取代酸；也可发生消除反应得到，-不饱和酸。 在合成上很重要。,制备 a-氨基酸或 a-羟基酸,亲核取代,3. 羧酸衍生物的生成,羧酸衍生物,酰卤,酸酐,酯,酰胺,取代羟基生成羧酸衍生物,羧酸,羧酸的还原反应,用 LiAlH4 还原羧酸至醇,1o醇,无水乙醚 RCOOH + LiAl H4 RC H2OH水解,大多数的基团能被LiAlH4还原,能被LiAlH4还原的化合物及
9、其产物类型,合成上应用 制备伯醇,合成上由羧酸制备伯醇，宜先酯化再还原,注：R中若有双键存在时，还原剂对双键无影响,硼烷也是一个非常有用的还原羧基的还原剂,反应条件温和,选择性好.而且对硝基、酯基等官能团没有影响,5. 脱羧反应,羧酸一般是很稳定的，但在一定条件下可放出CO2 ，称为脱羧。因副产物多，该反应一般不用来制备烷烃,-卤代羧酸,提示：位C上有强吸电子基的一元羧酸不稳定，容易脱羧,b-羰基酸,提示：羧基的位有不饱和基团时易发生脱羧!,COOH 二元酸酸性更强|CH2 CO2 + CH3 COOH| COOH 丙二酸脱羧反应在有机合成中有很多应用 芳香酸比脂肪酸脱羧容易也同理：,羧基是一
10、个强的吸电子基团,Blanc (布朗克)规则：在可能形成环状化合物的条件下，总是比较容易形成五元或六元环状化合物(即五、六元环容易形成),11.5 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、氨基酸将在有关章节中讨论，这里只讨论羟基酸 1.羟基酸的分类与命名 2. -羟基羧酸的合成,3.羟基酸合成 Reformatsky,S. (瑞福马斯基)反应 将醛或酮与溴代酸酯的混合物在惰性溶剂（如醚、苯）中与锌粉作用，溴代酸酯就先生成有机锌化合物。所得到的有机锌化合物与醛或酮羰基发生亲核加成后再水解，就生成羟基酸
11、酯。酯再水解，就得到羟基酸。这个合成反应称为雷福尔马茨基反应。(类似格式试剂的反应）,脂肪族或芳香族醛、酮都可发生这一反应，但空间阻碍太大时， 与 C=O基反应可能发生困难。这个反应不能用镁代替锌，因镁太活泼，可与酯基中的 C=O发生反应。有机锌试剂比较稳定，只与醛、酮中的羰基反应，而不与酯基反应。,其它生产-羟基酸的方法,4.羟基酸的反应,，-羟基酸,(二） 羧酸衍生物,酰卤,酸酐,酯,酰胺,羧酸,类型,1. 酰氯和酰胺根据酰基来命名（去掉“酸“字）,2. 酸酐和酯根据水解后生成的酸（和醇）来命名：,11.6羧酸衍生物的命名,CH2 O CO CH3 CH2 O C OCH3 乙二醇二乙酸酯
12、 多元醇的酯的命名一般是酸名放在后面， 称为某醇某酸酯,13.7羧酸及其衍生物的物理性质,羧酸衍生物的分子中都含有 C=O基，它们都是极性的化合物。低级的酰卤和酸酐都是有刺激性臭味的无色液体，高级的为白色固体。酰卤的沸点较相应的羧酸低，因为酰卤的分子中没有羟基，不能通过氢键缔合。酸酐的沸点较相对分子质量的羧酸低，但比相应的羧酸高。酯的沸点相应的酸和醇都要低，而与含同碳数的醛或酮差不多。低级的酯微溶于水，但酯均易溶于有机溶剂，具挥发性的酯有香味，许多花、果的香味就是由于它们存在的缘故。高级酯是蜡状固体。酰胺的氨基上的氢原子可在分子间形成氢键： 因此，酰胺的沸点比相应的羧高。当氨基上的氢原子被烃基
13、取代后，就不能发生氢键缔合而使沸点降低。除甲酰胺外，其他酰胺都是结晶固体。低级酰胺可溶于水。N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺能与水和大多数有机溶剂以及许多无机液体混溶，它们都是合成纤维的优良溶剂。,11.8羧酸衍生物化学性质,L：可被亲核试剂取代,羰基：可加成至饱和,a-H：有弱酸性,离去基团 (Leaving group),性质分析,1.酰基碳上的亲核取代（加成-消除）反应 通式,SP,SP,SP,SP,2.羧酸衍生物的水解、醇解、氨解的反应,水解:酰卤很容易水解(甚至在冷水中）。酐酸也容易水解，但分子量较大的酰氯和酸酐因溶解度小而水解缓慢。若加热或加入互溶的溶剂使之成为均相，反应
14、也可很快进行(RCO) 2O H2O - RCOOH 酯的水解比酰氯或酸酐困难，需酸催化或在碱溶液中加热进行完全。H+或OH一 RCOOR/ H2O - RCOOH R/OH 酰胺水解更困难，需要在酸或碱溶液中加热回流(N-烷基酰胺则更困难) 由于酰胺在水溶液中的稳定性，常用水作溶剂对它进行重结晶。O O H+或OH一 NH4Cl( H+催化）R CNH2 H2O - R C一OH + 长时间回流 NH3 (OH一溶液中）,人们对酯的水解历程研究的最多，酯在酸催化下水解是酯化反应的逆反应，故水解作用不完全，但在强碱溶液中，生成羧酸盐，使平衡向右进行到底，所以酯水解通常在碱性溶液中进行。,NaO
15、H RCOOR/ H2O - RCOONa + R/OHCH2OCOR 皂化反应 （R-COONa 肥皂）| 加热 CHOCOR + 3NaOH - 3R-COONa + CH2OH-CHOH-CH2OH | CH2OCOR,碘值：不饱和脂肪酸甘油酯的碳碳双键也可以和碘发生加成反应。,脂肪酸一般并不以以游离的形式存在于人体或食物中，我们平常说的脂肪酸是指三酰甘油酯.,常见的R-有：8-十七碳烯基。 R-COOH为油酸 正十五烷基。R-COOH为软脂酸。 正十七烷基。R-COOH为硬脂酸。,醇解,O O R 一C 一Cl R/OH R一C一OR/ HCl(RCO) 2O R/OH RCOOR/
16、不易制得的酯和酰胺可通过酰卤或酸酐来制取酰卤和酸酐与酚反应可制备酚酯 (RCO) 2O PhOH - RCOOPh环状酸酐醇解后得到二元酸的单酯，而过量醇存在下则得到二酯,酯交换反应,酯的醇解比较困难，必需在酸或碱催化下进行，反应生成另一种醇，叫酯交换反应。反应是可逆的，用过量醇或将产物移出反应体系可得到较高产率的酯，反应常将低级醇的酯转化为高级醇的酯。H+或OHRCOOR/ R/OH - RCOO R/ R/ OH,氨解 （氨本身即为碱，氨解不需要加入酸或碱为催化剂）,酰卤和酸酐与氨的反应相当快，酰氯遇冷的氨水即可反应。O O R 一C 一Cl NH3H2O R一C一 NH 2 HCl(RC
17、O) 2O NH3H2O RCONH2酯需要在无水的条件下，用过量的氨才反应RCOOR/ NH3 （过量） ROONH2 + R/OH,羧酸及羧酸衍生物之间的转化,酰卤和酸酐较活泼，酯、酰胺不活泼。一般以活泼衍生物制不活泼衍生物。,3. 羧酸衍生物与RMgX的反应,酰氯、酸酐、酯,酮,叔醇,取代,酮是中间产物，但羧酸衍生物羰基的活性大多小于酮羰基，反应很难停留在酮的阶段， 该类反应一般仅有酯的反应有合成意义，这是制叔醇的方法。,4. 羧酸衍生物的还原反应,LiAlH4 还原,酰氯，酸酐，酯,胺,伯 醇,酰胺,注意：酰胺的还原有特殊性：,取代,羧酸衍生物的催化氢化还原（两个典型的例子）,Rose
18、nmund 还原,(i) 酰氯选择性还原至醛,(ii) 酯还原至醇（工业化）,使Pd催化剂活性减弱（催化剂中毒）,酯的金属钠还原（鲍维特-勃朗克反应）,伯 醇,酯与金属钠在乙醇溶液中加热回流,酯的还原比较容易，多种方法可采用，往往羧酸通过酯还原成醇。,5.酯缩合反应,具有-活泼氢的酯，在碱的作用下,两分子酯相互作用，生成-羰基酯,同时失去一分子醇的反应。 (1)克莱森缩合反应,(2)混合酯缩合,(3)酮酯缩合 酮的-H比酯的-H 活泼，因此当酮与酯进行缩合时，通常由酮生成的负离子，对酯羰基进攻，得到-羰基酮 ( Pka 乙酸乙酯：25；丙酮:20),(4) Dieckmann缩合分子内酯缩合反应 二元酸酯若分子中的酯基被四个以上的碳原子隔开时，就发生分子中的酯缩合反应，形成五员环或六元环的酯，这种环化酯缩合反应称为狄克曼酯缩合。,缩合产物经酸性水解后，生成-羰基酸，-羰基酸受热容易脱羧，最后产物是环酮。,(5) 分子内酮酯缩合：,发生分子内酯缩合或酮酯缩合时, 总是倾向于形成五元环、六元环,
