羧酸和取代羧酸

羧酸：分子中具有羧基（carboxyl）的化合物；可以看作是烃分子中的氢被羧基取代的衍生物。取代羧酸：羧酸分子中的氢原子被其它原子或原子团取代的化合物。RCOOHArCOOH羧酸和取代羧酸(carboxylicacidsandsubstitutedcarboxylicacids)羧酸或取代羧酸广泛存在于自然界中。主要作为动植物代谢的中间产物、参与动植物的生命过程。部分羧酸和取代羧酸还具有生物活性。羧酸和取代羧酸都是与药物关系十分密切的重要有机酸。有的药物结构本身就是羧酸、取代羧酸或其它衍生物。CHCOOHCH3(CH3)2CHCH2OCCH3COOHOCH2CNHONSCH3CH3COOKO布洛芬（抗炎镇痛药）阿司匹林（解热镇痛药）青霉素G钾（抗菌剂）一、分类和命名1.在分子中选择含羧基的最长碳链为主链，按主链上碳原子的数目称为某酸。（一）、俗名命名（根据其来源命名）：HCOOHCH3COOHCH3CH(OH)COOH蚁酸醋酸乳酸（二）、系统命名：2.主链碳原子从羧基开始编号，用阿拉伯数字或希腊字母表明取代基的位次。3.二取代羧酸命名是取分子中含两个羧基的最长碳链为主链，称为某二酸。CH3CH2CHCH2COOHCH3αβγCH3CH=CHCOOH3-甲基戊酸（β-戊酸）2-丁烯酸（巴豆酸）OHOHOHCOOHHOOCCHCHCOOHC2H5CH33,4,5-三羟基苯甲酸（没食子酸）2-甲基-3-乙基丁二酸二、物理性质RC=OOHHOHHOHRC=OOHC=OOHR羧酸是极性分子，能与水形成氢键，故低级一元酸可与水互溶，但随M↑，在水中的溶解度↓，从正戊酸开始在水中的溶解度只有3.7%，＞C10的羧酸不溶于水。b.p：羧酸＞M相同的醇。m.p：随M↑呈锯齿形上升。偶数碳原子羧酸的m.p＞相邻两个同系物的m.p。三、结构和酸性（一）、结构StructuralFeaturesofFormicAcidRCOOHRC=OOH：ROH：羧酸醇羧酸和醇在结构上只差一个C=O，但其酸性却相差很大。这是因为醇离解生成的RCH2￣负离子中，负电荷是局限在一个氧原子，而羧酸离解后生成的RCOO￣负离子，由于共轭效应的存在，氧原子上的负电荷均匀地分散在两个原子上，更稳定。（二）、酸性由羧酸结构所决定，其最显著的化学性质就是在水中能离解成羧酸根负离子和质子。其酸性强度可用离解常数Ka或它的负对数pKa表示。RCOOHHOHROHHCCHNH3RH相对酸性：＞＞＞＞＞一些化合物的酸碱性强弱次序如下：羧酸及取代羧酸酸性强度规律：(1)诱导效应的影响吸电子诱导效应(－I效应)使酸性↑，其相对强度：A：同族元素——从上到下原子序数依次↑，－I效应依次↓。1.对于脂肪族的一元羧酸，α-碳原子上烃基的数目↑，酸性↓HCOOHCH3COOHCH3CH2COOH(CH3)2CHCOOH(CH3)3CCOOHPKa3.774.744.874.865.052.对于取代羧酸的酸性强度，要考虑以下几个影响因素：CH2COOH＞CH2COOHCH2COOH＞FClBrpKa2.662.862.90B：同周期元素——从左到右电负性依次↑，－I效应依次↑。CH2COOH＞CH2COOHFOHpKa2.663.83C：与碳原子相连的基团不饱和性↑，吸电子能力↑。pKaCCH2COOHCHCHCH2COOH=CH2CH3CH2CH2COOH2.85＞＞4.354.82供电子诱导效应(+I效应)使酸性↓，其相对强度：O＞COO＞＞＞＞C(CH3)3CH(CH3)2CH2CH3CH3SubstituentEffectonAcidityofCarboxylicAcids诱导效应的特点：A.具有加和性＞Cl3CCOOHCl2CHCOOH＞ClCH2COOHpKa0.641.262.86B.诱导效应强度与距离成反比，距离↑，诱导效应强度↓。CH3CH2CHCOOH＞CH3CHCH2COOH＞CH2CH2CH2COOHClClClααβαβγpKa2.824.414.70(2)场效应的影响场效应实际上是一种空间的静电作用，即：取代基在空间可以产生一个电场，这个电场将影响到另一端的反应中心。丁烯二酸有顺式和反式两个异构体，其酸性为：CCC=OOHC=OOHHHCCC=OOHC=OHHHOpKa1pKa21.93.06.54.5场效应与空间距离有关，距离愈远，这种作用愈弱。事实上要区别诱导效应和场效应也是比较困难的，因为这两种效应往往同时存在，且作用方向又往往相同。(3)邻位效应的影响取代苯甲酸的酸性不仅与取代基的种类有关，而且与取代基在苯环上的位置有关。如：pKa3.423.494.20CN==OOOHOC=OHON=OOC=OHOIC作用方向一致使↑H+I只有C无＞＞+C电子转移方向值得注意的是：当取代基处于邻位时，无论这个取代基是吸电子基还是供电子基(－NH2除外)，都将使酸性↑。显然，当芳环上的对位和间位上连有吸电子基时，酸性↑；连有给电子基时，酸性↓。产生这种现象的原因较为复杂，诸如立体效应、氢键等。总称为邻位效应。COOHN=OOC=OHO=COOH=CH3两个基团空间距离较近，互相排斥，破坏了共轭，-C↓。两个基团空间距离较近，互相排斥，破坏了共轭，+C↓。pKa2.214.203.91四、化学反应RCC=OOHHH酸性羟基被取代αα-H卤代脱羧反应（一）、成盐反应RCOOH+NaHCO3RCOONa++CO2+H2O应用：用于分离、鉴别。如：苯甲酸对甲苯酚NaHCO3水溶液溶解：苯甲酸钠不溶：对甲苯酚过滤滤液滤饼：对甲苯酚H+过滤苯甲酸晶体（二）、羧基中羟基的取代反应1.生成酰卤RC=OLOHRC=O(L=XOCOROR'NH2、、、)除HCOOH外，羧酸可与PCl3、PCl5、SOCl2作用，羧酸中的羟基被氯原子取代生成酰氯。如：3CH3COOH+PCl33CH3COCl+H3PO3b.p118℃75℃52℃200℃分解+PCl5+POCl3COOHCOCl+HCl亚磷酸不易挥发，故该法适用于制备低沸点酰氯。b.p249℃197℃105.3℃磷酰氯沸点较低(105.3℃)，故适用于制备高沸点酰氯。NO2COOH+SOCl2NO2COCl+SO2+HCl该法的副产物均为气体，有利于分离，且产率较高。上述方法如何选用，取决于原料、产物与副产物之间的沸点差(沸点差越大，越容易分离)。但因酰卤易于水解，故不能用水洗的方法除去反应中的无机物。2.生成酸酐除HCOOH外，羧酸与脱水剂[P2O5或(CH3CO)2O]共热，两分子羧酸则发生分子间脱水生成酸酐。RC=OOH+HOC=ORP2O5△RC=OC=ORO+H2O羧酸的分子间脱水只适用于制备简单酸酐。混合酸酐可用酰卤与羧酸盐一起共热的方法来制备。RC=OX+NaOC=OR’△RC=OC=OR’O+NaX某些二元酸，只需加热即可生成五元环或六元环的酸酐。如：CC==OOOHOH△CC==OOO邻苯二甲酸酐3.酯化反应羧酸与醇在酸催化下作用，脱去一分子水生成酯的反应，称为酯化反应。RCOOH+R’OHH+RCOOR’+H2O酯化时，羧酸和醇之间脱水可有两种不同的方式：RC=OOHHOR'酰氧键断裂RC=OOHHOR'烷氧键断裂究竟按哪种方式脱水，与羧酸和醇的结构及反应条件有关。经同位素标记醇的办法证实：伯醇和仲醇与羧酸的酯化是按酰氧键断裂进行的。A.脱水方式RC=OOHHOR'18+H+RC=OOR’18+H2O叔醇与羧酸的酯化是按烷氧键断裂进行的。+H++H2ORC=OOHHOCR'318RC=O18OCR’3C.影响酯化反应速率的因素羧酸结构的影响：羧酸分子中烃基增大，空间位阻↑，不利于ROH的进攻，酯化速率↓。故对同一种醇而言，不同羧酸的反应活性顺序是：HCOOH＞CH3COOH＞RCH2COOH＞R2CHCOOH＞R3CCOOH醇的结构的影响：CH3OH＞1°ROH＞＞2°ROH3°ROH4.生成酰胺羧酸与NH3或RNH2、R2NH作用，生成铵盐，然后加热脱水生成酰胺或N-取代酰胺。如：C6H5COOH+H2NC6H5C6H5COONH3+C6H5190℃C6H5CNHC6H5=OH2ON-苯基苯架酰胺二元酸的二铵盐受热则发生分子内脱水兼脱氨，生成五元或六元环状酰亚胺。CH2COONH4CH2COONH4300℃NH==OO（三）、还原反应羧酸不易被还原。但在强还原剂LiAlH4作用下，羧基可被还原成羟基，生成相应的1°ROH(CH3)3CCOOH①②LiAlH4H3O+(CH3)3CCH2OH该法不仅产率高，而且不影响C=C和C≡C的存在，可用于不饱和酸的还原。（四）、α-氢的反应脂肪族羧酸的α-氢原子也可被卤原子取代，但其反应活性要比醛、酮低的多，要在少量红磷存在下进行。称为Hell-Volhard-Zelinsky反应。CH3CH2COOHBr2/PCH3CHCOOHBrBr2/PCH3CCOOHBrBr卤代酸中的卤原子与卤代烃中的卤原子相似，可以进行亲核取代反应和消除反应。如：BrCH2COOHNaOHBrCH2COONaNaCNNCCH2COONaH3O+CH2(COOH)2NH3(过量)NH4BrH2NCH2COOH（五）、α-氢的反应羧酸或其盐脱去羧基(失去CO2)的反应，称为脱羧反应。饱和一元羧酸在加热下较难脱羧，但低级羧酸的金属盐在碱存在下加热则可发生脱羧反应。如：CH3COONa++NaOHCaO△CH4+Na2CO3CH3C=OOCH3CO=OCa△CH3C=OCH3+CaCO3当α-碳原子上连有－NO2、－C≡N、－CO－、－Cl等强吸电子基时则容易脱羧。如：Cl3CCOOH△CHCl3+CO2C=OCH2COOHC=OCH3△+CO2某些芳香族羧酸不但可以脱羧，且比饱和一元酸容易。如：△O2NNO2NO2COOHO2NNO2NO2+CO2二元羧酸受热，依两个羧基的相对位置不同，其产物各异，两个羧基直接相连在同一碳原子上如乙二酸、丙二酸脱羧生成一元酸；两个羧基间隔两个或三个碳原子的如丁二酸、戊二酸脱羧生成酸酐；两个羧基间隔四个或五个碳原子的如己二酸、庚二酸则脱羧兼脱水生成酮。HOOCCH2COOH△CH3COOH+CO2CH2COOHCH2COOH△O==OOCH2CH2COOHCH2CH2COOH△=O+CO2+CO2+H2O五、制备（一）从烃制备——烃的氧化法CH3CH2CH2CH3+O2醋酸钴90~100℃CH3COOH+57%CH3+O2钴盐或锰盐165℃COOH+H2O(二)伯醇或醛的氧化——制备同碳数的羧酸：(CH3)3CCHC(CH3)3CH2OHK2Cr2O7,H2SO4(CH3)3CCHC(CH3)3COOHCH3CH2CHO+O2丙酸锰CH3CH2COOH(三)甲基酮氧化——制备减少一个碳原子的羧酸：(CH3)3CCH2CCH3=O①②Br2.NaOHH3O+(CH3)3CCH2COOH+CHBr3(四)Grignard试剂与CO2作用——制备增加一个碳原子的羧酸：(CH3)3CMgBr+OCO==(CH3)3CCO=OMgBrH3O+(CH3)3CCOOHMgBr①CO2②H3O+COOH(五)Kolbe-Schmitt反应——制备增加一个碳原子的酚酸：ONaCO2COOH+150~160℃0.5MPaOHCOONaH3O+OH(六)腈的水解：H2O,H2SO4CH3CNCH3COOH