中南大学医学类专业有机化学教案08羧酸及其衍生物、取代羧酸

第八章羧酸及其衍生物、取代羧酸Carboxylicacids,thederivativesandsubstitutedcarboxylicacids授课对象：临床医学、口腔专业学时安排：7h教材：医科大学化学下册陈启元梁逸曾主编2004年1月教学目的与要求：1.掌握羧酸的结构和命名、羧酸衍生物的结构和命名、羟基酸和羰基酸的命名。2.掌握羧酸的一般化学性质，羟基酸和酮酸的特殊性质。3.掌握酰基的亲核取代反应：水解、醇解和氨解以及亲核取代的反应机理。4.掌握Claisen酯缩合反应。5.掌握酮式和烯醇式的互变异构现象。6.熟悉二元酸的受热反应。7.熟悉羧酸的物理性质以及一些常见的羧酸和取代羧酸的结构。8.熟悉尿素的性质、丙二酰脲的结构和互变异构。9.了解羧酸衍生物的物理性质、α-酮酸的氨基化反、胍的结构及性质教学重点：1.羧基及羧酸根离子的结构。2.羧酸衍生物的生成，醇酸的脱水反应。3.酮式和烯醇式的互变异构现象。4.羧酸衍生物的亲核取代反应及亲核取代的反应机理。5.Claisen酯缩合反应。教学难点：1.羧酸的酯化反应机理；2.酮式和烯醇式的互变异构现象。3.羧酸衍生物的亲核取代反应的反应机理。4.Claisen酯缩合反应。教学方法：讲授法。拟具体采用如下教学方法，以突出重点，突破难点。1.通过复习前面学过的电子效应和与醛、酮的羰基的比较，帮助学生掌握羧基以及羧酸根离子的结构以及羧酸的一般化学性质；通过分析影响羧酸衍生物“三解”反应活性的因素，帮助学生掌握羧酸衍生物的“三解”反应及反应机理。2.采取层层设问，环环紧扣的分析方法，帮助学生理解酮式和烯醇式的互变异构现象以及分子中存在烯醇式结构的必要条件。3.精讲多练，帮助学生理解Claisen酯缩合反应，掌握Claisen酯缩合反应在有机合成中的应用。4.适当时候将习题中的难点结合讲解。教具：电脑、投影仪、Powerpoint课件、教鞭。教学步骤及时间分配：导言：分子中含有羧基（-COOH）的有机化合物，称为羧酸。羧酸分子中的烃基上的氢被其它原子或原子团取代后的化合物，称为取代羧酸。本章将只讨论取代羧酸中的羟基酸和羰基酸。羧酸衍生物是指羧酸分子中羧基上的羟基被其他原子或基团取代后所生成的产物[从复习羧酸衍生物的生成引出结构通式]。通式为：设问：你学过那些反应可得到羧酸？如何由乙醛制备2-羟基丙酸和丙酮酸？第一节羧酸（CarboxylicAcids120分钟）一、羧酸的结构、分类和命名（一）羧酸的结构（重点）羧基中的碳原子为sp2杂化，三个杂化轨道分别与两个氧和另一个碳或氢形成3个σ键，未参与杂化的p轨道与一个氧的p轨道形成π键，这个π键与另一个氧的p轨道可以形成p—π共轭。p—π共轭的结果（与醛、酮的羰基碳比较）：①降低了羧基中羰基碳的正电性，所以，羧基一般不能进行亲核加成反应。②增加了羧基中羟基的氧氢键的极性，有利于氢的离解，所以羧酸有明显的酸性。羧酸根负离子中的p—π共轭作用更强，负电荷均匀分配在两个氧原子上，因而C-O键完全平均化。（二）分类按烃基不同，分为脂肪酸、脂环酸和芳香酸；按羧基数目，分为一元酸、二元酸和多元酸；RCGOG=-OR（烃氧基）酯G=-OCR（酰氧基）酸酐OG=-NH2（氨基）酰胺G=X（卤素）酰卤按烃基饱和程度，分为饱和酸或不饱和酸等。（三）命名1.结构比较简单的羧酸常用普通命名法。例如：甲酸、乙酸、丙酸等。2.结构复杂的羧酸用系统命名法命名。例如：α-甲基丁酸（2-甲基丁酸）等。3.俗名：羧酸的名称常用俗名。俗名通常根据来源而得。如蚁酸（甲酸）、醋酸（乙酸）、草酸（乙二酸）、苯甲酸（安息香酸）等。酰基：羧酸分子中除去羧基中的羟基后剩下的部分称为酰基。举例说明。羧酸的英文命名（补充内容）：后缀oicacid。写出下列化合物的名称或结构：草酰基、肉桂酸。二、羧酸的物理性质介绍状态、熔点和沸点的变化规律（饱和酸与不饱和酸的区别，单数碳原子与偶数碳原子的区别，与分子量相近的其它化合物比较）练习：下列各组化合物中，哪一个沸点最高？（1）正丁酸、异丁酸（2）丁烷、丙醛、正丙醇、乙酸三、羧酸的化学性质（一）酸性和成盐羧酸具有明显的酸性。饱和一元羧酸是一种弱酸，其pKa为3—5，比碳酸强，所以，它既能与NaOH反应又可以与NaHCO3反应生成羧酸盐。酸性：羧酸碳酸苯酚思考题：如何分离和鉴别苯甲酸和苯酚羧酸的酸性强弱与羧基所连的基团有关，一般来说：若G是吸电子基，氢易离解，酸性增强，取代基的吸电子能力越强酸性越强；若G是斥电子基，氢难离解，酸性降低。同时，取代基对酸性的影响还与取代基的性质、位置及数目有关。例如：酸性强弱顺序：GCOOHGCOOHFCH2COOHClCH2COOHBrCH2COOHICH2COOHpKa2.672.872.903.16pKaCH2CH2CH2COOHClCH3CHCH2COOHCH3CH2CHCOOHClCl2.864.414.70二元酸的酸性比相应的一元酸的酸性强。二元酸的酸性与两个羧基的相对距离有关。二元酸的酸性顺序为：草酸丙二酸丁二酸。指出：诱导效应具有加合性。[注：讲解以上酸性强弱时，最好先列出结构，引导学生分析，最后给出数据]。练习题：按酸性由强到弱排序（1）乙酸（2）甲酸（3）苯甲酸（4）草酸（二）羧酸衍生物的生成（重点）羧酸衍生物：羧基上的羟基被其它原子或原子团取代后的化合物。它们是酰卤、酸酐、酯和酰胺。1.酰卤的生成羧酸与PX3、PX5或SOCl2（氯化亚砜）反应生成酰卤。最常用的是SOCl2（氯化亚砜），因为两种副产物都是气体，能自动逸去，而且过量的低沸点SOCl2（氯化亚砜）易通过蒸馏除去，使产物较纯。酰卤是一类具有高度反应活性的化合物，广泛应用于药物和有机合成中。2.酸酐的生成羧酸与脱水剂共热可以脱去一分子水形成酸酐。常用的脱水剂有P2O5、乙酰氯和乙酸酐。有些二元酸不需要脱水剂只要加热即可脱水成环状酸酐。此外，还可以用羧酸盐与酰卤作用制备混合酸酐。练习题：3.酯的生成羧酸与醇在酸催化下生成酯和水，这一反应叫酯化反应。酯化反应是个可逆反应，反应速度很慢，一般需要在强酸催化下加热进行。为了提高产率，一般采取过量其中一种廉价的反应物，或者，在反应过程中不断的除去反应中产生的水，使反应平衡偏向产物这边。反应机理：同位素标记法实验证实：不同类型的醇生成酯的机理不同。①羧酸与伯醇和绝大多数仲醇反应生成酯时，醇脱氢酸脱羟基；②与叔醇反应时则是醇脱羟基酸脱氢。[逐步讲解两种反应机理]强调：空间位阻对反应速度的影响很大。不论醇或羧酸，在反应点附近有取代基时，都使反应速度变慢，甚至不反应（因中间体为四面体结构，较拥挤）。ClCH2COOHpKa2.87Cl2CHCOOHCl3CCOOH0.651.29(CH3CO)2OCOOHCOOHOOO思考题：解释下列酯化反应中醇或酸的活性规律：（1）酸一定时：甲醇乙醇异丙醇叔丁醇（2）醇一定时：甲酸乙酸丙酸2-甲基丙酸4.酰胺的生成羧酸与氨或胺反应生成羧酸的铵盐，进一步加热失水可得酰胺。酰卤、酸酐和酯进行氨解都可以得到酰胺（下一章讨论）。酰胺是一类很重要的化合物，很多药物分子中都有酰胺键。（三）还原反应饱和羧酸在通常情况下，几乎和所有的化学还原剂不起作用。但可以被特别强的还原剂—氢化铝锂(LiAlH4)还原成伯醇。LiAlH4(CH3)3CCOOH(CH3)3CCH2OH（四）脱羧反应羧酸失去羧基放出二氧化碳的反应称为脱羧反应。COONaH3CNaOH(CaO)H3C如果羧酸的α-碳上连有强吸电子基（如羰基、卤素等），则脱羧反应更容行。（五）α-氢的卤代反应CH3CH2COOHBr2,PCH2CHCOOHBrCH2CCOOHBrBrBr2,P（六）二元酸的受热反应羧酸失去羧基放出CO2的反应称为脱羧反应。饱和一元酸较稳定，一般不发生脱羧反应。但很多实验说明羧酸的α-位上有吸电子基存在时，易发生脱羧反应，如三氯乙酸。对于二元酸而言，两个羧基间的距离不同，产物也不同。1.乙二酸和丙二酸乙二酸和丙二酸加热时，易脱羧生成少一个碳的一元羧酸。如：2.丁二酸和戊二酸丁二酸和戊二酸与脱水剂共热时，则易脱水生成环状酸酐。如：3.己二酸和庚二酸己二酸和庚二酸与氢氧化钡共热时，既失水又脱羧，生成环酮：HOOC-COOH-CO2HCOOHH2CH2CCOOHCOOHH2CH2CCCOOO/-H2OH2CH2C(CH3CO)2O-H2O,-CO2H2CH2CCCOOHOOHH2CH2CH2CCH2CBa(OH)2/H2CH2CO注意：二元酸的受热反应的一般规律——五员环、六员环容易形成。（七）常见的羧酸（自学）第二节羧酸衍生物（120分钟）一、羧酸衍生物的结构和命名酰卤的命名：在酰基的名称后面加上卤素的名称。例如：乙酰氯、苯甲酰溴等。酸酐的命名：以酐为母体，前面加上酸的名称。例如：乙酸酐、乙丙酸酐、2-甲基丁二酸酐、邻苯二甲酸酐等。酯的命名：根据水解生成的羧酸和醇命名，叫某酸某酯，多元醇酯叫某醇某酸酯。例如：乙酸乙酯、丙三醇三乙酸酯（甘油三乙酸酯）、γ-甲基-δ戊内酯、乙二酸氢乙酯、乙二酸甲乙酯等。酰胺的命名：根据分子中的酰基来命名，称某酰胺。例如：苯甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、邻苯二甲酰亚胺等羧酸衍生物的英文命名（补充内容）练习题：命名或写化合物的结构（苯甲酸苄酯、N-甲基-N-苯基乙酰胺）二、羧酸衍生物的物理性质1.简要介绍酰卤、酸酐和酯的稳定性、状态。酰卤易水解。酯有香味用于调配食品和化妆品香精。2.羧酸衍生物与相应羧酸沸点比较。卤、酸酐和酯的沸点比相对分子质量相近的羧酸低（分子间不能形成氢键），酰胺分子间能形成强氢键，沸点比相应羧酸高。三、羧酸衍生物的化学性质（重点）（一）亲核取代反应（难点）从结构上看，羧酸衍生物分子中都有酰基，而且酰基都连着一个能被其他原子取代的负性基团，结构相似，因而具有相似的化学性质。其反应通式为：R—CO—G+HNuR—CO—Nu+HG羧酸衍生物的亲核取代反应一般分两步进行。首先是亲核试剂在羰基碳上加成，形成四面体中间体，然后再消除一个负离子，总的结果是取代。这种亲核取代反应可以在碱或酸催化下进行，反应机理稍有不同的。（1）碱催化的反应历程RCOGRCONuGNu+亲核加成消除反应慢快RCONu+G（2）酸催化的反应历程亲核试剂：OH－、ROH、NH3、NH2R等亲核取代活性顺序：酰卤酸酐酯酰胺分析：亲核取代反应的活性与离去基团的碱性有关。碱性越弱越易离去。显然。G越易离去，亲核取代反应越容易进行。离去基团的碱性顺序是：（可从共轭酸的酸性强弱反推）离去基团的离去顺序是：酰化剂：能够提供酰基的化合物。酰化反应：有机分子中活泼氢被酰基取代的反应，通常指醇（酚）或氨（胺及）中的氢原子被酰基取代的反应。又称酰基转移反应。应用：保护氨基和酚羟基；降低药物的水溶性或毒性；药物的致活基团。思考题：（1）排出下列羧酸衍生物的水解活性顺序A、苯乙酸甲酯B、苯乙酰溴C、苯乙酰胺D、苯乙酸酐（2）排出下列化合物的氨解活性顺序A、对氯苯甲酰氯B、对甲基苯甲酰氯C、苯甲酰氯D、对硝基苯甲酰氯（提示：从羰基碳的正电性考虑，正电性越大，越有利于亲核取代）1.水解反应产物：酰卤、酸酐、酯和酰胺均可以水解生成羧酸。活性：酰卤最容易水解；酸酐活性较酰卤差些，在热水中反应较快；酯较稳定，需要碱或酸催化才能进行反应；酰胺比酯更稳定，需浓度较大的强碱并长时间加热才能反应。注意：酯和酰胺的水解有实际意义，而酰卤、酸酐的水解应避免。2.醇解反应羧酸衍生物与醇反应生成酯，称为羧酸衍生物的醇解。酰卤与醇很快反应成酯，利用这个反应来制备某些醇或酚不与羧酸直接生成的酯。举例说明（如乙酸苯酯的制备）。酸酐可以与所有的醇或酚反应，生成酯和羧。酯的醇解反应生成新的酯和醇，所以酯的醇解又称为酯交换反应。有机合成中常利用酯交换反应从低级醇制备高级醇。RCONuRCOGRCOHNuGNu+RCOHNu-GH+RCOHG-H+NH2RORCOOXNH2RORCOOX