第10章羧酸.ppt

第10章 羧酸及取代羧酸,羧酸：是分子中含有羧基，并且具有酸性的一类有机化合物。,结构通式：,取代羧酸：羧酸分子中的烃基上的氢被其他原子或原子团取代后的化合物。,羧基,卤代酸,羟基酸,羰基酸,氨基酸,第一节 羧酸,一、分类和命名二、羧酸的结构三、化学性质,一、羧酸的分类和命名,（一）分类,脂肪酸芳香酸,一元酸二元酸多元酸,饱和酸不饱和酸,（二）命名,1、俗名2、系统命名法,一元酸 系统命名 俗名HCOOH 甲酸 蚁酸CH3COOH 乙酸 醋酸CH3CH2COOH 丙酸 初油酸CH3CH2CH2COOH 丁酸 酪酸CH3(CH2)14COOH 十六酸 软脂酸CH3(CH2)16COOH 十八酸 硬脂酸,一些常见的酸，可根据它的来源命名。,1、俗名,二元酸 系统命名 俗名HOOCCOOH 乙二酸 草酸HOOCCH2COOH 丙二酸 缩苹果酸HOOC(CH2)2COOH 丁二酸 琥珀酸(Z)-HOOCCH=CHCOOH 顺丁烯二酸 马来酸(E)-HOOCCH=CHCOOH 反丁烯二酸 富马酸,含有二个羧基的羧酸称为二元酸。,2、系统命名:,CH3CH=CHCOOH 2-丁烯酸HOOCCH2CH=CHCH2COOH 3-己烯二酸,母体为羧酸，从羧基端开始编号，编号为阿拉伯数字或希腊字母,3-甲基丁酸(-甲基丁酸),命名含脂环和芳环的羧酸时，以脂环和芳环做取代基，脂肪酸做母体。,2萘甲酸 3环己基丁酸,反-1,3-环己基二甲酸,4-苯基-4-羟基-2-戊烯酸,高级烯酸在碳数后加“碳”字,CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH-(CH2)7 COOH,9,12-十八碳二烯酸,CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7 COOH,9-十八碳烯酸,二、羧酸的结构,1、不与羰基试剂作用,2、酸性比水强,从形式上来看，羧基由羰基和羟基所组成，但是羧酸没有典型的醛、酮性质，有明显区别于醇的性质。,羧基碳、氧采用sp2杂化3个sp2杂化轨道形成3个键，未杂化的p轨道与羰基O的p轨道形成一个键羟基氧的p电子与键形成p-共轭,官能团羧基的结构特征,p-共轭,羰基中p-共轭形成结果:,(1)键长平均化（CO键增长，CO缩短）(2)羰基碳正电性降低，不利于羰基的亲核加成反应。(3)氧氢键极性增强，表现出明显的酸性。,Na+,甲酸钠结构,_,三、羧酸的物理性质,C1C3 液体，可溶于水，具有刺鼻的气味。C4C9 液体，部分溶于水，具有难闻的气味。C9蜡状固体，无味，在水中溶解度不大。,液态脂肪酸以二聚体形式存在。所以羧酸的沸点比相对分子质量相当的烷烃高。,所有的二元酸都是结晶化合物。,2熔点有一定规律，随着分子中碳原子数目的增加呈锯齿状的变化。乙酸熔点16.6，当室温低于此温度时，立即凝成冰状结晶，故纯乙酸又称为冰醋酸。,3沸点比相应的醇的沸点高。原因：通过氢键形成二聚体。,-H的反应,酸性及成盐,羰基的亲核加成，然后再消除（表现为羟基的取代）,羰基的还原,四、羧酸的化学性质,脱羧反应,二元羧酸热解,酸性：RCOOH H2CO3 C6H5OH H2O,用途：分离、鉴别羧酸与酚增加药物的水溶性，提高药效。,35,pka,6.35,10,15.7,RCOOH+NaHCO3 RCOO-Na+CO2+H2O,（一）酸性(acidity),青霉素,NaOH,主要有电子效应：凡是能使羧基电子云密度降低的基团，OH键的极性增加，酸性增大。,电子效应空间效应溶剂化效应,羧酸酸性强弱的影响因素：取代基的性质、数目及与羧基的相对位置。可用电子效应和场效应来解释。,1、诱导效应的影响,当A为吸电子基团 酸性增强,当D为推电子基团 酸性减弱,pKa：2.662.862.89 3.16,FCH2COOHClCH2COOHBrCH2COOHICH2COOH,CH3COOH,pKa：4.76,（1）吸电子诱导效应使酸性增强,CH3COOH CH3CH2COOH(CH3)3CCOOHpKa：4.76 4.87 5.05,（2）供电子诱导效应使酸性减弱,（3）吸电子基增多酸性增强,ClCH2COOHCl2CHCOOHCl3CCOOH,pKa：2.86 1.29 0.65,（4）取代基的位置距羧基越远，酸性越小,pKa：2.86 4.41 4.70,（二）共扼效应对酸性的影响。,HCOOH,pKa 4.17 3.77,苯甲酸分子中的苯基是吸电子基团，酸性应比甲酸强，但由于苯环大键与羧基形成共轭体系，电子云稍向羧基偏移，因此苯甲酸的酸性比甲酸弱，但比其他脂肪族一元羧酸强。,共轭效应：-C越大，酸性越大（使-COO-负电荷分散）,pKa 3.42 4.47 4.20,二元酸的酸性及场效应,HOOC-COOH,HOOCCH2COOH,CH3COOH,pKa=4.74,pKa1=1.23 pKa2=4.19,pKa1=2.83 pKa2=5.70,酸性：二元酸一元酸,二元酸的pKa1 比 pKa2 大得多。因为羧基有强的吸电子诱导效应，对另一个羧基的离解产生影响，且距离愈近影响愈大。丙二酸一级电离后，羧酸根负离子对另一羧基的影响除诱导效应外，还有场效应。两个因素均使酸性减弱。,场效应,场效应：空间的静电作用，即取代基在空间可以产生一个电场，对另一头的反应中心有影响。,eg.二元酸，其pKa1pKa2 HOOCCH2COOH：pKa1=2.85；pKa2=5.70,取代芳香酸的酸性,a.对位取代：C和I均考虑,（与 相比）,当Y=OH、OCH3、NH2时，+C-I，酸性减弱 当Y=F、Cl、Br、I时，+C-I，故酸性增强 当Y=NO2、CN时，-I与-C方向一致，故酸性增强当Y=烷基时，只有+I，酸性减弱,b.间位取代：共轭受阻，以I为主,（与 相比）,当 Y=CH3、H、OH、F、NO2 pKa=4.27 4.20 4.08 3.86 3.49,c.邻位取代：不管吸电子基还是推电子基(氨基除外)，一般均使酸性增强,当 Y=H、CH3、F、Cl、Br、OH、OCH3、NO2 pKa=4.20 3.91 3.27 2.92 2.85 2.98 4.09 2.21,邻位效应 邻位基团对活性中心的影响,邻位取代基的空间位阻使苯环与-COOH的共轭减弱。,C6H5的给电子共轭效应超过了吸电子诱导效应,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。,总结：芳香羧酸的酸性,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,具体分析：邻 位（诱导、共轭、场、氢键效应、空间效应 均要考虑。）对 位（诱导很小、共轭为主。）间 位（诱导为主、共轭很小。）,羧酸的中和当量（用标准碱滴定）,故：羧酸的相对分子质量=中和当量 X 羧基数目,RCOO-+RX RCOOR+X-,SN2,*3.羧酸根具有碱性和亲核性 羧酸盐能与活泼卤代烷反应，生成羧酸酯,是SN2反应。只适用于1o RX和活泼RX。常用的是钠盐。(有时也用Ag盐，优点：速率快。缺点：太贵。)体系中双键不受影响。,+CH3COO-Na+,HOAc 120oC,二、羧基中羟基的取代反应羧酸衍生物的生成,生成酰卤生成酸酐生成酯生成酰胺,bp:200,bp:107,bp:76,1、生成酰卤(acyl halide),酰卤易水解，不能用水洗的方法除去反应中的无机物,一般采用蒸馏法分离精制产物,卤化剂的选择,b.p=118,b.p=52,b.p=200,b.p=107,b.p=249,b.p=198,b.p=211,b.p=76,b.p=92（2KPa）,2、生成酸酐,条件：脱水剂（P2O5、乙酰氯、乙酸酐）或强热。,6080,混合酸酐的制备,羧酸盐与酰氯反应：,2CH3COOH,P2O5,乙酸酐,邻苯二甲酸酐,3、生成酰胺,反应是可逆的，加热、脱水有利于正反应，为了使正反应顺利进行，常采用苯、甲苯带水的方式除去反应体系中产生的水。,室温,-H2O,酰胺键,应用实例：尼龙66的合成,nHOOC(CH2)4COOH+nH2N(CH2)6NH2,270oC 1MPa,+nH2O,己二酸,己二胺,常制成圆柱状粒料，作塑料用的聚酰胺分子量一般为1.5万2万。各种聚酰胺的共同特点是耐燃，抗张强度高（达104千帕），耐磨，电绝缘性好,4、生成酯（ester）酯化反应,羧酸与醇在酸的催化作用下失去一分子水而生成酯的反应称为酯化反应。,（常用的催化剂有磷酸、硫酸、苯磺酸等）,问题：如何提高产率哪个反应物脱羟基,CH3COOH+C2H5OH CH3COOC2H5+H2O,投料 1：1 产率 67%1：10 97%,酯化反应是一个可逆的反应，为了使正反应有利，通常采用的手段是：使原料之一过量。不断移走产物（例如除水，乙酸乙酯、乙 酸、水可形成三元恒沸物 bp 70.4）,H+,酯化反应机制的证明,同位素跟踪实验,羧酸与光活性醇的反应实验所证实。,R,R,构型不变,酯化反应的机理,*（1）加成-消除机理,双分子反应一步活化能较高,质子转移,加成,消除,四面体正离子,-H2O,-H+,按加成-消除机制进行反应，是酰氧键断裂,酸脱羟基,醇脱氢,1OROH，2OROH酯化时按加成-消除机制进行，且反应速率为：,由于反应中间体为四面体结构，空间位阻为影响反应速度的主要因素。反应速度特点为酸或醇的烃基体积小、数目少，速度快。,酸相同时：CH3OHRCH2OHR2CHOH,醇相同时：HCOOHCH3COOHRCH2COOH R2CHCOOHR3CCOOH,对伯醇和仲醇来说:酸脱羟基,醇脱氢,但对叔醇来说则例外,叔醇脱羟基,羧酸脱氢,碳正离子,（2）碳正离子机制,叔醇空间位阻大,该反应机制从同位素方法中得到了证明。,3oROH按此反应机制进行酯化。由于R3C+易与碱性较强的水结合，不易与羧酸结合，故逆向反应比正向反应易进行。所以3oROH的酯化 反应产率很低。,*2 碳正离子机制,属于SN1机制,该反应机制从同位素方法中得到了证明。,(CH3)3C-OH,H+,(CH3)3COH2,+,-H2O,-H+,按SN1机制进行反应，是烷氧键断裂,+(CH3)3COH,+H2O,仅有少量空阻大的羧酸按此反应机理进行。,（3）酰基正离子机制,H2SO4(浓),-H+,属于SN1机制。,78%,三、羧酸的还原反应,还原剂：四氢铝锂（LiAlH4）、乙硼烷（B2H6）,RCOOH,RCH2OH,LiAlH4,or B2H6,H2O,特点：*1.反应不能得到醛，因为醛在此条件下比酸更易还原。*2.用LiAlH4还原时，常用无水乙醚、四氢呋喃做溶剂。*3.NaBH4不能还原羧酸。,LiAlH4不还原孤立的C=C,B2H6能还原孤立的C=C。,用LiAlH4还原和用乙硼烷还原的区别,CH2=CH-CH2-COOH,CH2=CH-CH2-CH2OH,CH2=CH-CH2-COOH,CH3CH2CH2CH2OH,B2H6,H2O,H2O,LiAlH4,四、-H的卤代,赫尔-乌尔哈-泽林斯基（Hell-Volhard-Zelinsky）反应特点：a-H活泼性不如醛酮（P-共扼造成），反应需催化剂(红P或PCl3)，反应可以逐级进行。,羧酸的-H可在少量红磷、硫等催化剂存在下被溴或氯取代生成卤代酸。,催化剂的作用是将羧酸转化为酰卤，酰卤的-H具有较高的活性而易于转变为烯醇式，从而使卤化反应发生。所以用10%30%的乙酰氯或乙酸酐同样可以起催化作用。,控制卤素用量可得一元或多元卤代酸。碘代酸由-氯（或溴）代酸与KI反应来制备。,2、反应机理,RCH2COOH,PBr3,互变异构,+Br-,-HBr,RCH2COOH,这步反应不会逆转,卤代酸是制备其它-取代酸的母体，可与OH-、NH3、CN-反应。,单纯的羧酸不易脱羧，在以下的条件下可以进行的。（1）加热（2）碱性条件（3）加热和碱性条件共存,（1）反应一般式,A-CH2-COOH,ACH3+CO2,碱加热,五、脱羧反应（羧酸脱去羧基中CO2的反应。）,实验室制备甲烷的方法,当A为吸电子基团，如：A=COOH、CN、C=O、NO2、CX3、C6H5、COR等时，脱羧反应极易进行。,*环 状 过 渡 态 机 理,（2）酮酸脱羧及其机理,当-碳与不饱和键相连时，一般都通过环状过渡态机理脱羧。,-CO2,互变异构,（2）连有强吸电子基的芳香酸不需要催化剂，在H2O中加热即可脱羧。,3 芳香羧酸脱羧,（1）一般芳香羧酸脱羧需要用石灰或Cu做催化剂。,喹啉,（六）二元羧酸热解,二元羧酸对热较敏感，当单独加热或脱水剂共热时，随着两个羧基之间距离的不同而发生脱羧、脱水或两者兼有的分解反应。,1、乙二酸、丙二酸受热脱羧生成一元酸,2、丁二酸、戊二酸受热脱水生成环状酸酐,3、己二酸、庚二酸受热脱水且脱羧生成环酮,小结：,乙、丙二酸 一元酸+CO2 丁、戊二酸 环酐+H2O己、庚二酸 环酮+CO2+H2O,二元羧酸热解产物与碳链长度有关,脱水时，加脱水剂：Ag2O、P2O5、乙酰氯、乙酸酐、三氯氧磷等脱羧时，加碱：Ba(OH)2、Ca(OH)2等,（七）几种常见的羧酸,甲酸草酸不饱和脂肪酸,1、甲酸,甲酸既具有一般羧酸的通性，还具有还原性，能和托伦试剂、高锰酸钾等试剂反应,HCOOH+KMnO4+H2SO4CO2+H2O+K2SO4+MnSO4 HCOOH+托伦试剂 CO2+Ag,2、草酸,二元酸，有还原性，能使高锰酸钾溶液褪色，但不与托伦试剂反应。另外，它还能与许多金属形成络合物，能除铁锈和蓝墨水。,HOOCCOOH+KMnO4+H2SO4CO2+H2O+K2SO4+MnSO4,3、不饱和脂肪酸,不饱和脂肪酸是分子中含有重键的羧酸，在人体中发挥重要的生理作用。其中亚油酸、亚麻酸、和花生四烯酸是人体内不能自身合成必须由食物供给，称为必需脂肪酸。,亚油酸：9,12十八碳二烯酸,亚麻酸：9,12,15十八碳三烯酸,花生四烯酸：5,8,11,14二十碳四烯酸,氧化反应 1）1o醇、醛和芳烃的氧化 2）烯烃、炔烃的氧化断裂 3）甲基酮的卤仿反应,10.5 羧酸的制备,特点：产物比反应物卤代烷多一个碳，与RCN 同。,2、腈的水解,反应式 RX+NaCN RCN RCOOH,H2OH+or HO-,醇,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反应制二元酸时，卤代酸应先制成羧酸盐。,ClCH2COOH ClCH2COONa NCCH2COONa HOOCCH2COOH,NaOH,NaCN,NaOHH2O,H+,(1)1oRX、2oRX较好，3oRX需在加压条件下反应（否则易消除）(2)ArI、ArBr易制成格氏试剂、ArCl较难。(3)产物比RX多一个碳原子。,3、格氏试剂法,RX RMgX RCOOMgX RCOOH,CO2,H2O,Mg 无水醚,讨 论,4、丙二酸酯合成法（第十二章）,芳香醛和酸酐在相应盐存在下进行亲核加成，然后失去一分子羧酸，生成芳基，不饱和酸，称为柏琴反应。,5、通过羰基化合物的缩合反应,1）、柏琴（Perkin）反应,一般芳基和羧基处于反式,应用：,肉桂酸,香豆素,2）、克脑文格尔（Knoevenagel）反应,芳香醛或脂肪醛在弱碱催化下与具有活泼亚甲基的化合物（丙二酸、丙二酸酯）的缩合反应，称为克脑文格尔反应。,第二节 取代羧酸,羧酸分子中烃基上的氢原子被其他官能团取代后的化合物称为取代羧酸。,常有卤代酸、羟基酸、氧代酸和氨基酸等,，,取代羧酸,羧酸的衍生物,取代羧酸,各官能团的特征反应,官能团之间相互影响的性质。,1、-卤代酸的反应,R-CH-COOH,Br,R-CH-COOH,R-CH-COOH,R-CH-COONa,R-CH(COOH)2,NaOH,H2O,H+,NH3,NaHCO3,NaCN,OH,NH2,CN,H3O+,H+,（一）卤代酸,2、-卤代酸的反应,有-H，在碱作用下，生成,-不饱和酸,无-H，在碱性CCl4溶液中，生成-丙内酯，在碱水中，-丙内酯开环。,CH3CH2CHBrCH2COOH,CH3CH2CH=CHCOOH,CH3CH2CH=CHCOONa,NaOH-H2O,H+,邻近基团的参与,1、许多反应比理想的速度快得多；2、构型既不翻转也不消旋。(构型完全保持)。,实验事实：,例如：,S乳酸盐构型完全保持,S2溴丙酸盐,这一实验现象无法用SN2、SN1及离子对机理解释。,由于环状中间体的生成，使得亲核试剂只能从溴离子脱离的方向引入，手性碳原子的构型再一次发生了翻转。经过两次翻转，结果是100%保持原来的构型不变。在有机反应中邻基参与的现象很普遍。,邻基参与的类型：1、具有未公用电子对的邻基参与（1）氧参与（3）氮参与（2）硫参与（4）卤素参与2、具有电子的邻基参与（1）碳-碳双键的参与（2）苯基参与3、环丙基作为邻基的参与4、碳-碳单键作为邻基的参与,Step 1,Step 2,有利于一边进攻,两边都可以进攻,亲核试剂不进攻，成环反应,（二）羟基酸,羟基酸,羟基酸,羟基酸,HOOCCH(OH)CH(OH)COOH,CH3CH(OH)COOH,常见的羟基酸(hydroxy acid),乳酸,酒石酸,柠檬酸,HOOCCH2CHOHCOOH,苹果酸,羟基：O,-H2O,成酯等 羧基：酸性，成酯等 酚酸：FeCl3 相互影响的特性:,-H2O、脱羧,1、化学性质,（1）氧化反应,-羟基酸可被Tollens试剂氧化成-酮酸,（2）羟基酸加热脱水反应,随着羟基位置不同，脱水方式也不同。,-醇酸脱水成交酯-醇酸脱水成共轭烯酸-醇酸脱水成内酯,-醇酸脱水成交酯,丙交酯,-醇酸脱水成共轭烯酸,2-戊烯酸,或 醇酸脱水成内酯,-戊内酯,-戊内酯,碱性条件下，内酯不稳定，开环形成相应的羟基酸盐,-羟基酸与硫酸或酸性高锰酸钾共热，分解脱羧生成醛或酮。,减少碳链的反应。,3）脱羧反应,邻位或对位羟基酚酸受热易脱羧生成苯酚和二氧化碳。,2、制备,（1）卤代酸水解,（2）氰醇水解 制-羟基酸,（3）雷福尔马茨基反应 制备-羟基酸的方法,-卤代酸酯在锌粉作用下与醛、酮反应，生成-羟基酸酯，-羟基酸酯水解生成-羟基酸。,（三）酮 酸,酮酸的分类 酮酸的命名酮酸的性质,1、酮酸的分类,根据酮基和羧基的相对位置不同，酮酸可分为a、b、g 酮酸。,2、酮酸的命名,酮酸常用普通命名来命名。以羧酸为母体，酮基为取代基，,CH3COCOOH 丙酮酸HOOCCOCH2COOH 丁酮二酸(草酰乙酸）CH3COCH2COOH 3-丁酮酸（乙酰乙酸）（b-丁酮酸）,3、酮酸的性质,酮酸具有酮和酸一些性质外，还有一些特殊的性质,(1)、酸性,由于羰基氧吸电子能力强于羟基，因此酮酸的酸性强于相应的醇酸，更强于相应的羧酸。,（2）-酮酸的氨基化反应,-酮酸与氨在催化剂作用下可氨化生成-氨基酸,（3）-酮酸的氧化反应,-酮酸能被弱氧化剂氧化,较强氧化剂则可使丙酮酸氧化成草酸,-酮酸加热分解反应,与稀硫酸共热脱羧生成醛；,与浓硫酸共热脱羰生成羧酸,（4）-酮酸的分解反应,1）酮式分解（生成酮）,b-酮酸比a-酮酸更易脱羧，微热即发生脱羧反应，生成酮，并放出CO2。,b-酮酸分子易脱羧是由于酮基氧的I效应，以及酮基氧原子与羧基中的氢原子形成分子内的氢键的形成。,2）酸式分解（生成羧酸盐）,浓,与浓碱作用发生酸式分解,二、卤代酸的反应,1、-卤代酸的反应,R-CH-COOH,Br,R-CH-COOH,R-CH-COOH,R-CH-COONa,R-CH(COOH)2,NaOH,H2O,H+,NH3,NaHCO3,NaCN,OH,NH2,CN,H3O+,H+,2、-卤代酸的反应,3-卤代酸的反应,有-H，在碱作用下，生成,-不饱和酸,反应机制：(请学生自己完成）,无-H，在碱性CCl4溶液中，生成-丙内酯，在碱水中，-丙内酯开环。,CH3CH2CHBrCH2COOH,CH3CH2CH=CHCOOH,CH3CH2CH=CHCOONa,NaOH-H2O,H+,三、羟基酸的合成,1.-羟基酸的合成（1）由羰基化合物加HCN，然后水解合成。（2）由-卤代酸合成。,浓,在Ag2O存在下，用稀碱作用，构型保持。,浓碱作用下，构型翻转。,浓,-,-,实 例,2、-羟基酸的合成,(1)醛-羟基醛-羟基酸(2)-氯醇与NaCN反应，再水解。(3)用瑞佛尔马斯基反应，然后将酯基水解。(4)用-羰基酯还原，水解合成。,羟醛缩合,选择性氧化,将二元酸单酯的酯基还原成醇,3、-羟基酸的合成,HOOC(CH2)nCOOC2H5,HOOC(CH2)nCH2OH,Na+C2H5OH,or LiBH4,H2O,（1）-羟基酸,1、羟基酸的受热反应（在H+中进行）,四、羟基酸的反应,交酯,分 子 间 的 酯 化 反 应,-羟基酸,-羟基酸,*若无-H，则形成-丙内酯,-羟基酸,-羟基酸,(C9)在极稀溶液内，可形成大环内酯。,-丁内酯,-戊内酯,（2）分 子 内 的 酯 化 反 应,2、聚合（分 子 间 的 酯 化 反 应）,nHO(CH2)8COOH,Sb2O3,聚 酯,