生物有机化学

生物有机化学作为有机化学向生命科学渗透过程中形成的一个新的学科分支，近20年来取得了令人瞩目的迅速发展。生物有机化学的研究几乎涉及到生命科学的所有前沿领域，已经成为现代生命科学研究中的重要组成部分。同时，生物有机化学的研究成果，又极大地丰富和发展了传统的有机化学。CCOOOHOHCOCOO§11-1羧酸及其衍生物的结构和物理性质一、羧酸及其衍生物的结构二、羧酸及其衍生物的物理性质§11-2羧酸的化学性质一、酸性二、羧酸衍生物的生成三、还原反应四、脱羧反应五、-氢的卤代内容提要§11-3羧酸衍生物的化学性质一、加成－消除反应二、还原反应三、与金属有机物的反应四、羧酸衍生物的特性§11-4羟基酸和羰基酸一、羟基酸二、羰基酸第十一章羧酸及其衍生物§11-1结构与物理性质一、结构(p305)1.羧酸(Carboxylicacid)的结构羧基中的碳原子呈sp2杂化态，碳氧双键的成键方式与醛酮分子中的羰基相同，即一个键和一个键。除此以外，键还与羟基氧原子的孤电子对形成p~π共轭体系。以甲酸为例：20.143nmROH0.122nmOCO-HCOH++0.126nm0.126nmOHCO0.131nmOHHCO0.125nm2.羧酸衍生物(Carboxylicacidderivatives)的结构ClRCOOCRORCOR'ORCONH2RCO酰卤(Acylhalide)酸酐(Anhydride)酯(Ester)酰胺(Amide)CH3COCl0.178nmCH3Cl0.178nmCH3COCCH3O0.140nmOCH3CH2OH0.143nmHCOCH3O0.1334nmCH3OH0.143nmHCNH2O0.1376nmCH3NH20.1474nm比较而言，在四种羧酸衍生物中：酰氯主要表现为Cl的-I效应，与羰基的+C效应很弱；酸酐分子中两个羰基竞争中间氧原子上的孤电子对，+C效应大于酰氯；酯分子中氧原子与羰基的+C效应大于酸酐，+C-I，C—O键具有某些双键的性质；酰胺分子中氮原子的电负性小于氧原子，C—N键明显具有某些双键的性质。2.结构与性质(1)羧酸羧酸的性质决不是羰基和羟基这两个基团性质的简单加合，二者之间相互影响的结果，使羧酸具有独特的化学性质。p~π共轭的结果，使氧原子上的电子密度向羰基偏移，增大了O—H键的极性，使氧氢键的断裂比醇容易，酸性增强；C—OH键极性减弱，羟基的取代比醇困难，不能发生醇的分子内、分子间脱水；羰基碳原子电子密度增强，不利于亲核加成反应，并使-H比醛酮难取代，不被高锰酸钾等强氧化剂氧化。其化学反应示意如下：酸性羟基被取代脱羧和还原-H的取代RCHCOHHO(2)羧酸衍生物与羧酸类似，羧酸衍生物虽然也含有羰基，但由于分子中羰基碳原子与一个离去基团直接相连，其羰基的反应活性小于醛酮，与亲核试剂的反应属加成—消除，其结果是离去基团被亲核试剂取代。离去基团的离去倾向越大，与亲核试剂的加成—消除反应速率越快。所以，各类羧酸衍生物反应活性次序如下：酰氯酸酐酯酰胺二、物理性质(p305)1.一元羧酸的物理性质羧基是极性基团，羧酸是极性分子，羧酸分子间能形成两个氢键，缔合成稳定的二聚体，能与水分子形成氢键。(1)b.p.高于相应的醇；—COOH数目↑→b.p.↑；碳原子数目↑→b.p.↑。(2)m.p.变化趋势：碳原子数目↑→m.p.↑；一元羧酸与烷烃类似，偶数碳对称性高，晶格排列紧密，m.p.高于相邻的两个奇数碳的羧酸(3)S/H2O大于相应的醇；—COOH数目↑→S↑；碳原子数目↑→S↓。(4)dHCOOH和CH3COOH的d1。2.二元羧酸的物理性质1.m.p.2.S3.丁烯二酸顺反异构脂肪族饱和二元羧酸的熔点和溶解度m.p.S丁烯二酸顺反异构体的物理性质名称顺丁烯二酸反丁烯二酸m.p/℃130.5287S(g/100gH2O)790.7pKa11.93pKa26.54.5/C·m003.羧酸衍生物的物理性质酰卤、酸酐和酯各自的分子间不能缔合，m.p.和b.p.和在水中的溶解度低于相应的羧酸，低级酰卤遇水可发生水解反应。唯独氮上的氢没被取代的酰胺，分子间形成氢键的能力比羧酸强，m.p.、b.p.和在水中的溶解度高于相应的羧酸。§11-2羧酸的化学性质一、酸性(p307)1.成盐RCOOH+NaOH→RCOONa+H2ORCOOH+Na2CO3→RCOONa+H2CO3RCOOH+NaHCO3→RCOONa+H2CO3强酸强碱弱碱弱酸p~π共轭→RCOO-稳定性↑→[H+]↑RCOOH+H2ORCOO+H3O+2.各类化合物酸性比较RCOOHH2CO3ArOHH2OROHRCCH3.一元羧酸酸性比较HCOOH﹥ArCOOH﹥RCOOH4.多元羧酸酸性比较(1)羧基个数↑→酸性↑二元羧酸①Ka1二元羧酸的Ka1一元羧酸Ka碳链↑→Ka1↓②Ka2二元羧酸的Ka2一元羧酸Ka(2)丁烯二酸4.烃基上有吸电子基的脂肪族羧酸酸性比较吸电子基吸电子能力↑吸电子基个数↑吸电子基与羧基之间的距离↓→酸性↑15.芳香族羧酸酸性比较例1：对位取代的芳香族羧酸酸性次序例2：邻位效应（orthoeffect）例3：苯二甲酸三个异构体的酸性见p309COOHNO2COOHBrCOOHCOOHCH3COOHOCH3COOHNO2COOHNO2COOHCOOHNO2邻位有场效应COOHCH3COOHCH3COOHCOOHCH3邻位有立体效应COOHOHCOOHOHCOOHCOOHOH邻位有氢键的作用p-：—OH为邻对位致活基→—OH的+C效应使苯环对位电子密度显著增大→—COO-稳定性↓→酸性↓m-：苯环间位电子密度增大不明显,对—COOH的影响主要是-I效应→酸性↑o-：—OH的+C效应对—COOH的影响与p-相同，但分子内氢键的形成→—COO-稳定性→酸性。COHOO-OH↓或液体（m.p.=25.5℃)ONaCOONaOHOHCOOHNaOH/H2O有机相水相应用举例利用酸碱性的差异分离有机化合物CO2有机相水相OH↓COONa稀HCl↓COOHONaCOONa二、羧酸衍生物的生成(p309)1.酰氯的生成SOCl2PCl5PCl3RCOClRCOOH2.酸酐的生成OORCOCRP2O5ORCOH+HOCRO反应试剂的选择见p30910OOOHHCCHCCOH顺丁烯二酸HCCHCCOOO+H2O顺丁烯二酸酐CH2CH2COOHCH2COHOOOO戊二酸戊二酸酐CCOOOHOHCOCOO邻苯二甲酸酐3.酯的生成H2SO4ORCOR'RCOH+HOR'O(1)反应机理10快酸催化酯化反应机理1加成－消除AAc2H+RCOHOR'OHRCOHOH慢RCOR'OHOHHRCOR'OHOHH+快H+RCOR'OHOH2快H2ORCOR'OH快H+RCOR'O快C6H5C18OCH3+H2OOC6H5COH+H18OCH3OH+一般情况下，一元羧酸与1ROH或2ROH酯化反应机理为酸催化双分子酰氧断裂(AAc2)。用同位素示踪法可证实该反应机理：酸催化酯化反应机理2SN1AAl1。证据：CH3COCPh3+H218OOH+CH3COH+H18OCPh3O在酸性条件下能形成稳定碳正离子的3ROH，与一元羧酸的酯化反应机理为酸催化单分子烷氧断裂(AAl1)CH3COOH+CPh3CH3COOCPh3H218OCPh3H+H18OCPh3快+CPh3+H218O慢反应定速步骤快上述反应是酸催化后的SN1历程，而3ROH的酯化则是逆反应。由于3正离子易与碱性较强的水结合，容易形成3ROH而不利于形成酯，所以酯化产率很低。(2)反应活性ROH的反应活性：CH3OH1°2°3°同一类ROH：M↑→反应速率↓RCOOH的反应活性：直链脂肪族芳香族脂肪族RCOOH：-位有支链↑→反应速率↓4.酰胺的生成H2ORCNH2ORCOHNH3RCONH4OO25℃CONH4CONH4OOCNHCOO邻苯二甲酰亚胺三、还原反应(p313)RCOOHRCH2OH2.H3O+1.LiAlH4/Et2ORCHCHCOOHRCHCHCH2OH1.LiAlH4/Et2O2.H3O+四、脱羧反应(p313)1.一元羧酸CH3COONa+NaOHCH4+Na2CO3CaOOCH3CCH3+CaCO3OOCH3COCaOCCH32.二元羧酸(1)C2、C3二元酸脱羧例：HCOOH+CO2HOOCCOOH(3)C6、C7二元酸分子内脱水、脱羧例：O+H2O+CO2CH2CH2CH2CH2CH2OHCCOHOOBaOHOOCCH2COOHCH3COOH+CO2RCH2COOHX2少量PRCHXCOOHX2少量PRCX2COOHRCH2COXPX3NH3(过量)H2NCH2COOH五、-H的反应(p314)15Cl2CH3COOH少量PClCH2COOHNaCN/NaOHNCCH2COOHH3O+HOOCCH2COOH上述反应称为Hell-Volhard-Zelinsky反应。反应需加少量的红磷或少量的PCl3：RCHCClORCHCClHOHClCl+CHCClOHRClCHCCl+HClROClCHCCl+RCH2COHROOClCHCOH+RCH2CClROO§11-3羧酸衍生物的化学反应(p315)一、加成－消除反应羧酸衍生物的加成—消除反应有：水解，醇解和氨解等反应——羧酸衍生物的共性。水解反应则是羧酸衍生物生成反应的逆反应。RCAO+Nu-RCNuO+A-AO-RCNuORCClOORCOCRORCOR'ORCNH2RCOOH+HCl(室温)RCOOH+RCOOH（加热）RCOO-+ROH（OH-/加热）RCOOH+NH4+（H+/回流）RCOO-+NH3（OH-/回流）1.水解反应＋H2O应用实例酯的生成和水解在有机合成中常用与羟基的保护。CH2CH2OHCH2CH2OHNO2(CH3CO)2OCH2CH2OCCH3OHNO3H2SO4CH2CH2OCCH3NO2OH2O/OHRCOOR+HCl（室温）RCOOR+RCOOH（）RCOOR+ROH(酯交换H+/)RCOOR+NH3(BF3/)ORCClOORCOCRORCOR'ORCNH22.醇解(alcoholysis)+ROH利用羧酸衍生物的醇解反应制备难以合成或不能直接酯化合成的酯应用实例1酰氯的醇解CH3CCl+OCH3CH3HOEt2OC5H5NCH3CH3CH3COO+C5H5NHCl乙酸-3,5-二甲基苯酯（76%）应用实例2酸酐的醇解OOO+CH3OHHOC(CH2)2COCH3OOCOCOO+C2H5OHArSO3HCOC2H5COC2H5OO邻苯二甲酸二乙酯丁二酸一甲酯应用实例3酯的醇解CH3COCCH2OCH3+O,12hp-CH3C6H4SO3HOCCH3O+CH3CCH3O乙酸-1-环己烯酯乙酸-1-丙烯-2-酯COOCH3COOCH3+HOCH2CH2OHRONaCOOCH2CH2OHCOOCH2CH2OH+CH3OH工业上用于合成生产聚酯的单体对苯二甲酸二乙二酯3.氨解(ammonolysis)+NH3RCONH2+HClRCONH2+RCOONH4RCONH2+ROHORCClOORCOCRORCOR'ORCNH2利用羧酸衍生物的氨解反应制备酰胺，N-取代酰胺和N,N-二取代酰胺。应用实例1酰氯的氨解C6H5CCl+OHNOH-C6H5CNO+HClN-苯甲酰基六氢吡啶应用实例2酸酐的氨解(CH3C)2OO+NH2CH(CH3)2NHCOCH3CH(CH3)2COCOOCH3NH2CNHCH3COHOOCNCH3COOH2ON-甲基-2-羧基苯甲酰胺N-甲基邻苯二甲酰亚胺CH3OCOC2H5+C6H5NH2ONaHDMSOCH3OCNHC6H5O应用实例3酯的氨解4-甲氧基苯甲酸乙酯N-乙基-4-甲氧基苯甲酰胺羧酸与其衍生物的相互转化RCOOHPCl3ORCClH2OP2O5