08羧酸及衍生物

第八章羧酸及其衍生物分子中含有羧基（-COOH）的化合物称为羧酸，羧酸羧基中的羟基被杂原子或基团所取代（如：-OR、-X、-NH2）后的生成物称为羧酸衍生物。第一节羧酸一、羧酸的分类和命名分类饱和脂肪酸不饱和脂肪酸芳香酸一元酸二元酸CH3COOHCH2=CHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCHCOOHCHCOOHCOOH命名1.常用俗名蚁酸HCOOH醋酸CH3COOH2.系统命名法脂肪族羧酸的系统命名原则与醛相同，即选择含有羧基的最长链为主链，从羧基碳原子开始编号。有时也用希腊字母、、……表示取代基的位置。对于脂环族和芳香族羧酸，可把芳环和脂环作为取代基，以脂肪族羧酸来命名。命名二元酸时，应选择同时包含两个羧基的最长碳链为主链，命名为某二酸。CH3CH=CHCHCH2CHCOOHCH3CH2CH34-甲基-2-乙基-5-庚烯酸HCOOHCH3COOHCH2=CHCOOHCH3CH=CCH2COOHCH3CH3CH2CHCHCH2COOHCH3CH3甲酸乙酸3-甲基-3-戊烯酸3，4-二甲基己酸丙烯酸CH2COOHCOOHCOOHCOOHCH2CH2COOHCH=CHCOOH苯甲酸1-萘乙酸邻苯二甲酸3-苯基丙烯酸3-环戊基丙酸CHCH=CCOOHCH2CH3CH32-甲基-4-苯基-2-己烯酸HOOCCH2CCH2COOHOHCOOHCOOHCOOHCOOHCHCH2CH2CH3COOH正丙基丙二酸乙二酸（草酸）3-羟基-3-羧基戊二酸（柠檬酸）二、羧酸的结构RCOOHRCOOHＣ---ＳＰ２杂化Ｏ---ＳＰ２杂化羟基中氧原子含未共用电子对的p轨道羰基中C=O形成键并与p轨道形成p-共轭p由于p-共轭，羧酸盐电子离域，使得键长平均化。例：HCOONa的2个碳氧键键长都是127pm，且负电荷平均分配到2个氧原子上三、羧酸的制备RCH=CHR'RCOOH+R'COOHKMnO4/H+RCH2OHRCHORCOOH[O][O]CH2RKMnO4/H+COOH（一）氧化法（二）格氏试剂合成法（增加一个碳的反应）RMgX+CO2RCOOMgXH+/H2ORCOOH(CH3)3CBr(CH3)3CMgBrMgCO2H+/H2O(CH3)3CCOOH（三）腈水解法RCNH+/H2O或OH-/H2ORCOOH腈水解法只使用于伯卤代烷制备升一级的羧酸，而格氏试剂法适用于伯、仲、叔卤代烷升一级的羧酸。RClOH-RCNNaCN四、羧酸的物理性质甲酸、乙酸、丙酸具有刺激性气味的液体，含有4~9个碳原子的羧酸具有腐败恶臭气味的油状液体，10个碳原子以上的羧酸为无味石蜡状固体；脂肪族二元酸和芳香酸是结晶状固体。羧基是亲水基团，与水成氢键，低级羧酸与水可混溶，随着分子量的加大，溶解度降低。羧酸的沸点比分子量相近的醇还要高。甲酸沸点100.5oC，乙醇沸点78.5oC。RCOHOOHOCR二缔体氢键五、羧酸的化学性质-氢的取代反应脱羧反应羟基被取代COOCHH氢氧键断裂呈酸性（一）酸性羧酸都具有酸性，因为羧基可解离H+。当羧酸的烃基上连有不同的取代基时，其酸性大小不同，吸电子基团（如：Ar-、-CH=CH2、-OH、-OR、-CN、-COOH、-COR、-CHO、-SH、-X、-NO2）可使酸性增强，斥电子基团使酸性下降。取代基的数目越多，距羧基的位置越近，吸电子诱导效应越强，则羧酸的酸性越强。例：Cl3CCOOHCl2CHCOOHClCH2COOHCH3COOHpKa0.081.292.814.75取代基对芳香酸的影响也有同样的规律。在对位由于受诱导、共轭效应的影响，-NO2、-X等使羧酸酸性增强；-CH3、-OCH3等使其酸性减弱。在邻位由于受空间位阻影响比较复杂。在间位取代基的影响不能在共轭体系内传递，影响比较小。COOHCOOHCOOHCOOHCOOHNO2ClCH3OCH3pKa3.423.974.194.384.47羧酸是弱酸，但比苯酚、碳酸的酸性强。CH3COOH+NaOHCH3COONaCH3COOH+NaHCO3CH3COONa+CO2鉴别苯甲酸、苯甲醇、对甲基苯酚常用的羧酸盐是钠盐和钾盐，由于具有高极性，因此羧酸盐溶于水，制药工业利用此性质改善药物的水溶性。比较下列羧酸的酸性CH3CHCOOHCH3CCOOHCH2CH2COOHClCH2CH2COOHFFFF(1)(2)(3)(4)（二）羧基中的羟基被取代RC=O+Nu-RCO-RC=O+OH-OHNuNuOHOH的消除羧酸衍生物去掉羟基后剩余的部分RCO-称为酰基。常见的酰基：RCOLL=-X,-OR,-OCR,-NH2OCH3CO乙酰基HOOCCO草酰基CO苯甲酰基1、酰卤的生成羧酸可与PX3、PX5（X=Cl、Br）、SOCl2反应，生成酰卤。RCOHOPCl3RCOClH3PO3RCOHOPCl5RCOClPOCl3HClRCOHOSOCl2RCOClHClSO22、酸酐的生成羧酸在脱水剂（P2O5）作用下或加热，羧基间失水生成酸酐。OOCROOHCRRCOHORCOH2OP2O5或强热具有5员环或6员环的酸酐，可由二元酸加热分子内脱水而得。H2OOOOCOOHCOOHCC+3、酯化反应羧酸与醇在酸催化下反应，生成的一类有机化合物称为酯。这种用酸和醇直接生成酯的反应称为酯化反应。酯化反应是可逆的，为了提高酯的产率，一般用恒沸法或加除水剂除去反应中所产生的水，也可以加入过量廉价的酸或醇，还可以将酯从反应体系里蒸出等。醇或羧酸在反应点附近有大基团存在时，都将使酯化反应速率变慢，甚至不反应。同样，酯的水解反应也是如此。反应速率的规律如下：231OOOCH3OHHCOOHCH3COOHRCH2COOHR3CCOOHR2CHCOOHH2SO4H2O++CH2(CH2)2COOHCH2(CH2)2COOC2H5C2H5OH醇：酸：4、酰胺的生成羧酸与氨或碳酸铵反应生成羧酸的铵盐，然后将铵盐加热失水而得酰胺。CORCOOHRCOONH4RNH2NH3H2O(三)-氢的卤代反应羧酸-碳上的氢原子受羧基吸电子的影响，具有一定的活性，但又较醛、酮的-氢原子活性差些，需要红磷或硫作催化剂才能进行反应。OHHCOC....CH3COOHCH2COOHCHCOOHCl3CCOOHCl2/PCl2/PCl2/PCH2=CHCOOH-OHH+12CH3CHCOOHBrCH3CHCOOHOHCH3CCOOHOCH3CHCOOHNH2CH3CHCOOHCNCH3CHCOOHCOOHNH3H+12-OH/C2H5OHH+12H+2CN-1[O]ClClCl（四）还原反应羧酸在一般条件下与大多数还原剂不反应，但能被强还原剂——氢化锂铝（LiAlH4）还原成醇，分子中的碳碳不饱和键不受影响。RCH2CH=CHCOOHRCH2CH=CHCH2OHLiAlH4（五）脱羧反应脱羧反应：羧酸及其盐中的羧基失去CO2的反应。NaOHNaOHCaOCH3COOHCH4Na2CO3++脂肪酸的位上有吸电子基团（如硝基，卤素，羟基，酰基，氰基和碳碳双键等）时，脱羧反应较易发生。CH2CHCH3CH3COOHCH2CHCH(CH3)2+CO2C二元羧酸随着主链碳原子的数目不同而发生不同的反应。★主链上2个或3个碳：乙二酸、丙二酸受热脱羧生成少一个碳原子的一元羧酸+COOHCOOHCOOHHCO2+COOHCOOHCOOHCO2CH2CH3乙二酸甲酸丙二酸乙酸脂肪二元羧酸的脱水和脱羧反应★主链上4个或5个碳：五元环或六元环最稳定丁二酸、戊二酸受热脱水生成环状酸酐丁二酸丁二酐戊二酸戊二酐COOHCH2COOHCH2CCH2CCH2OOO+H2OCOOHCH2COOHCH2CCH2CCH2OOO+H2OH2CH2C★主链上6个或7个碳：五元环或六元环最稳定己二酸、庚二酸与氢氧化钡共热脱羧脱水，生成环酮己二酸环戊酮COOHCH2COOHCH2+H2OCH2CH2Ba(OH)2CH2CH2CH2CH2CO+CO2COOHCH2COOHCH2CH2CH2Ba(OH)2CH2CH2CH2CH2CH2CH2COH2OCO2++庚二酸环己酮重要的羧酸甲酸HCOHO醛基羧基甲酸既有醛的性质，又有羧酸的性质。一、羧酸衍生物的分类和命名1.酰卤结构命名：由酰基和卤素原子两部分组成。例：R-C-XOX=F.Cl.Br.ICH2=CH-C-ClOCH3-C-ClO-C-BrO乙酰氯苯甲酰溴丙烯酰溴第二节羧酸衍生物2.酸酐结构:命名：根据水解后所得的羧酸来命名。R-C-O-C-ROOCH3COCH3COOCH3COCH3CH2COOCH2COCH2COOCOCOO乙酐乙丙酐丁二酐邻苯二甲酸酐3.酯结构命名：按照“某酸某酯”来命名。R-C-O-ROCH3COCH2CH3OCOCH2CH3OCH2=CHCOCH3O乙酸乙酯丙烯酸甲酯苯甲酸乙酯COOC2H5COOC2H5COOHCOOC2H5COOCH3COOC2H5乙二酸二乙酯乙二酸甲乙酯乙二酸氢乙酯4.酰胺结构二、物理性质酰氯是大多数具有强烈的刺激性气味无色液体或低熔点固体，无氢键缔和，沸点比相应分子量的羧酸低。低级酸酐是具有强烈的刺激性气味无色液体，高级酸酐为无色固体，无氢键缔和，沸点比相应分子量的羧酸低。低级酯具有水果香味的无色液体，相对密度比水小，难溶于水易溶于乙醇和乙醚中，其本身即是有机溶剂。R-C-NH2O三、化学性质由于羧酸衍生物中都含有酰基，酰基上又都是极性基团，因此具有相似的化学性质——亲核取代反应。R-C-LO+Nu-L-+[]R-C-LO-NuR-C-NuO羧酸衍生物的反应活性顺序为：酰氯酸酐酯酰胺。离去基团越易离去，反应速度越快。酰氯，酸酐，酯，酰胺参与反应时的离去基团分别是Cl-，RCOO-，RO-，NH2-，同周期的元素组成的基团，碱性越弱越易离去，所以它们离去的可能性是Cl-RCOO-RO-NH2-1.水解R-C-Cl+H-OHR-C-OH+HClOOR-C-O-CR+H-OHR-C-OH+RCOOHOOOR-C-OR'+H-OHR-C-OH+R'OHOOR-C-NH2+H-OHR-C-OH+NH3OO2.醇解R-C-Cl+H-OR'R-C-OR'+HClOOR-C-O-CR'+H-OR''R-C-OR''+RC'OOHOOOR-C-OR'+H-OR''R-C-OR''+R'OHOO在有机合成中应用广泛（1）合成酚酯、叔醇酯。（2）应用酯交换，可生成另一种酯。CH3C-Cl+HO-CH3C-O-+HClOONaOHCH3C-Cl+HO-CH3C-O-+HClOOC(CH3)C(CH3)吡啶CH2OOCC11H23CHOOCC11H23CH2OOCC11H23CH2OHCHOHCH2OH+CH3OHC11H23COOCH3H2SO4+3.氨解R-C-Cl+H-NH2R-C-NH2+HClOOR-C-O-CR'+H-NH2R-C-NH2+R'COOHOOOR-C-OR'+H-NH2R-C-NH2+R'OHOO*丙二酸二乙酯及其在有机合成中的应用ClCH2CONaCH2CONaCH2OOCNNaCNC2H5OHH2SO4COOC2H5COOC2H5COOC2H5COOC2H5CH2RXR'X乙醇钠乙醇钠COOC2H5COOC2H5CHRCOOC2H5COOC2H5CRR'COOC2H5COOC2H5CHRCOOHCOOHCHRCOONaCOONaCHROH-/H2OH+RCH2COOH-CO2COOC2H5COOC2H5CH2乙醇钠ClCH3COCOOC2H5COOC2H5CHCH3COOH-/H2OCOONaCOONaCHCH3COCOOHCOOHCHCH3COH+-CO2CH3COCOOHCH2COOC2H5COOC2H5CRR'COOHCOOHCR'RCOONaCOONaCR'ROH-/H2OH+CH2COOH-CO2RR'一羟基乙酸二羟基乙酸