第九章羧酸及其衍生物.

1第九章羧酸及其衍生物2羧酸可看成是烃分子中的氢原子被羧基（-COOH）取代而生成的化合物。其通式为RCOOH。羧酸的官能团是羧基。RCOHO酰基羧基羧酸是许多有机物氧化的最后产物，它在自然界普遍存在(以酯的形式)，在工业、农业、医药和人们的日常生活中有着广泛的应用。羧酸化合物的简介3一、羧酸的结构、分类、命名1、结构第一节羧酸羧基中羟基氧上的孤电子对与羰基的C=O双键发生了p-共轭，使羧基中电子的活动范围增大，从而产生特殊性质。4由于形成了一个富电子的大体系，羧基中电子密度趋于平均化，导致氢原子的电离活性增加。因此其性质显著区别于醛(酮)和醇。2、分类1o按烃基的种类可分为：a.脂肪族羧酸：饱和羧酸、不饱和羧酸b.脂环族羧酸c.芳香酸2o按羧基数目可分为：一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸。5a.含羧基的最长碳链。b.编号，从羧基C原子开始编号。c.如有不饱和键角要标明烯（或炔）键的位次。并主链包括双键和叁键。d.脂环族羧酸。简单的在脂环烃后加羧酸二字，复杂的环可作为取代基。3、命名2o系统命名法1o俗名6e.芳香酸可作脂肪酸的芳基取代物命名。f.多元羧酸：选择含两个羧基的碳链为主链，按C原子数目称为某二酸。78二、羧酸的物理性质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。物态：C1~C3有刺激性酸味的液体，溶于水。C4~C9有酸腐臭味的油状液体(丁酸为脚臭味)，难溶于水。C9腊状固体，无气味。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↓，正戊酸在水中的溶解度只有3.7%，＞C10的羧酸不溶于水。9三、羧酸的化学性质10羧酸的酸性比水、醇强，甚至比碳酸的酸性还要强。羧酸离解后生成的RCOO-负离子，由于共轭效应的存在，氧原子上的负电荷则均匀地分散在两个原子上，因而稳定容易生成。1、酸性111°吸电子诱导效应使酸性增强。2°供电子诱导效应使酸性减弱。3°吸电子基团增多酸性增强。1、诱导效应影响羧酸酸性强度的因素122、共轭效应4°吸电子基团的位置距羧基越远，酸性越小。共轭效应具有传递性吸电子共轭效应：-NO2，-CN，-COOH，-CHO，-COR供电子共轭效应：-NH2，-NR2，-NHCOR，-OH，-OR，-OCOR13(1)酯化反应1o酯化反应是可逆反应，一般只有2/3的转化率。提高酯化率的方法：a增加反应物的浓度(一般是加过量的醇)。b移走低沸点的酯或水。2o酯化反应的活性次序：酸相同时CH3OHRCH2OHR2CHOHR3COH醇相同时HCOOHCH3COOHRCH2COOHR2CHCOOHR3CCOOH2、羧基上的羟基(OH)的取代反应羧基上的OH可被一系列原子或原子团取代生成羧酸的衍生物。14成酯方式酯化时，羧酸和醇之间脱水可有两种不同的方式：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：A.伯醇和仲醇与羧酸的酯化是按酰氧键断裂进行的。B.叔醇与羧酸的酯化是按烷氧键断裂进行的。15亚磷酸不易挥发，故该法适用于制备低沸点酰氯。磷酰氯沸点较低(105.3℃)，故适用于制备高沸点酰氯。该法的副产物均为气体，有利于分离，且产率较高。(2)酰卤的生成羧酸与PX3、PX5、SOCl2作用则生成酰卤。16因乙酐能较迅速的与水反应，且价格便宜，生成的乙酸又易除去，因此，常用乙酐作为制备酸酐的脱水剂。1,4和1,5二元酸不需要任何脱水剂，加热就能脱水生成环状（五元或六元）酸酐。(3)酸酐的生成羧酸在脱水剂作用下加热，脱水生成酸酐。17二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。(4)酰胺的生成在羧酸中通入氨气，可得到羧酸铵盐，铵盐热解失水而生成酰胺。羧酸可以与RNH2、R2NH反应直接生成酰胺。183、脱羧反应羧酸在一定条件下受热可发生脱羧反应。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。一元羧酸的α碳原子上连有-NO2、-C≡N、-CO-、-Cl等强吸电子基团时，则易发生脱羧。羧酸蒸汽在钍、锰或镁的氧化物催化下，发生气相双分子脱羧生成对称酮。19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，通常要在少量红磷、硫等催化剂存在下方可进行。α-卤代酸很活泼，可以进行亲核取代反应和消除反应。如：控制条件，反应可停留在一取代阶段。4、α-H的卤代反应20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。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。羧酸在高温、高压下也可以催化加氢还原成醇。常用的催化剂为：Cu、Zn或亚铬酸镍。5、羧酸的还原21四、羧酸的来源和制备来源：羧酸广泛存在于自然界中，常见的羧酸几乎都有俗名。自然界的羧酸大都以酯的形式存在于油、脂、蜡中。油、脂、蜡水解后可以得到多种羧酸的混合物。1、氧化法(1)烃的氧化22(2)伯醇或醛的氧化——制备同碳数的羧酸(3)甲基酮氧化——制备减少一个碳原子的羧酸232、Grignard试剂与CO2作用——制备增加一个碳原子的羧酸1o、2o、3oRX都可使用,但乙烯式卤代烃难反应。3、水解法(1)腈的水解——制备增加一个碳原子的羧酸此法仅适用于1oRX（2o、3oRX与NaCN作用易发生消除反应）。24(3)通过乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯合成各种羧酸。(2)羧酸衍生物的水解通过油脂和羧酸衍生物的水解得羧酸，及副产物甘油和醇。25五、二元羧酸1、物理性质(1)物态二元羧酸都是固态晶体，熔点比相近分子量的一元羧酸高得多。(2)溶解度比相应的一元酸大，易溶于乙醇，难溶于其它有机溶剂。262、二元羧酸的化学性质(1)具有羧酸的通性对酸性而言pKa1pKa2(2)二元羧酸受热反应的规律Blanck规则(布朗克)：在可能形成环状化合物的条件下，总是比较容易形成五元或六元环状化合物。A.乙二酸、丙二酸受热脱羧生成一元酸27B.丁二酸、戊二酸受热脱水(不脱羧)生成环状酸酐C.己二酸、庚二酸受热既脱水又脱羧生成环酮28一、羧酸衍生物的结构和命名1、结构羧酸羧基上的OH可被一系列原子或原子团取代生成羧酸的衍生物。酰基与其所连的基团都能形成P-π共轭体系。第二节羧酸衍生物2、命名1o酰卤和酰胺的命名根据酰基称为某酰某。292o酸酐的命名是在相应羧酸的名称之后加一“酐”字。3o酯的命名是根据形成它的酸和醇称为某酸某酯。30二、羧酸衍生物的物理性质酰胺＞＞相应的羧酸原因：酰胺的氨基上的氢原子可在分子间形成较强的氢键。1.沸点(b.p)：酰卤、酸酐、酯＜M相近的羧酸，原因：酰卤、酸酐、酯没有分子间的氢键缔合作用。31显然，随着酰胺的氨基上的氢原子被取代，分子间的氢键缔合作用将逐渐削弱，以致不能发生氢键缔合，其沸点必然↓。酰胺＞N-一取代酰胺＞N-二取代酰胺2.溶解度酰卤、酸酐和酯不溶于水，但低级酰卤、酸酐遇水则分解。低级酰胺溶于水，随着M↑，溶解度↓。321、酰基上的亲核取代(加成-消去)反应反应的净结果是L基团被取代，故称为亲核取代反应。三、羧酸衍生物的化学性质电子效应：羧酸衍生物的反应活性顺序为：33特点：a.产物均有羧酸生成。b.活性：酰卤〉酸酐〉酯〉酰胺(1)、水解34特点：a.醇解产物是酯。b.反应活性：酰卤〉酸酐〉酯〉酰胺c.酰氯和酸酐是活泼的酰基化剂。d.酯的醇解为酯交换。(2)、醇解35酯与醇作用，仍生成酯，故又称为酯交换反应。该反应可用于从低沸点酯制备高沸点酯。如：36特点：a.产物是酰胺。b.反应活性:酰卤〉酸酐〉酯〉酰胺(3)、氨解氨解可使用氨或有机胺。37RCClORCOHOSOCl2orPX3orPX5H2ORCOCROORCOOHorRCOONaRCNH2ORCOR'ORCNRCOROR'OHNH3(R)羧酸衍生物的相互转化382、还原反应(1)、LiAlH4还原四种羧酸衍生物均可被LiAlH4还原，其还原产物除酰胺还原得到相应的胺外，酰卤、酸酐和酯还原均得到相应的伯醇。392oRosenmund还原酰卤在Pd/BaSO4催化剂存在下，进行常压加氢，可使酰卤还原成相应的醛，称为Rosenmund还原。在反应中加入适量的喹啉–S或硫脲等作为“抑制剂”可降低催化剂的活性，以使反应停留在生成醛的阶段。(2)、催化还原1o催化加氢40(3)、用金属钠-醇还原酯与金属钠在醇溶液中加热回流，可被还原成伯醇。各类含羰基化合物的还原产物和还原情况比较如下：羧酸及其衍生物还原的顺序(由易到难):酰氯〉酯〉羧酸名称结构NaBH4/乙醇LiAlH4/乙醚H2/催化羧酸RCOOH(-)RCH2OH(-)酰氯RCOClRCH2OHRCH2OHRCH2OH酯RCOOR’(-)RCH2OH,R’OHRCH2OH,R’OH酰胺RCONH2(-)RCH2NH2RCH2NH2（难）取代酰胺RCONHR(-)RCH2NHRRCH2NHR酮R2COR2CHOHR2CHOHR2CHOH醛RCHORCH2OHRCH2OHRCH2OH413、羧酸衍生物与格氏试剂反应四种羧酸衍生物均可与Grignard试剂作用，生成相应的叔醇。然而，在合成中用途比较大的是酯和酰卤(尤其是酯)与Grignard试剂的作用。a.低温且控制R`MgX不过量可用来制备酮。b.R`MgX过量，则主要产物为三级醇。结构对称的叔醇⑴酰氯与格氏试剂的反应比较反应活性：42（2）酯与格氏试剂的反应反应活性：a.可制得两个烃基相同的叔醇。b.反应难停留在酮的阶段，因为酮与格试剂反应比酯快。43例如：要合成3-甲基-3-戊醇，可有如下几种方法。444、酯的缩合反应(克莱森缩合)羧酸酯的特性：由于酯分子中羧基的吸电子作用，导致-H具有酸性。在强碱的作用下，使得两分子的酯缩合并脱去一分子醇，得到-羰基酯，并且碳链得到增长，称为克莱森缩合反应。45交叉酯缩合：一般要求某一个酯无-H465、酰胺的特殊反应⑴酸碱性47⑶Hofmam降解反应可制备少一个C原子的伯胺。注意：N-取代的酰胺不能发生脱水反应和Hofmann降解反应。⑵脱水反应酰胺脱水实验室制备腈的一种方法。酰胺、铵盐和腈的关系：48R-C-NH2OR-C-NHBrO+Br2+NaOHNaOBr+HBrC=O和Br两个吸电子基团使N上H的酸性更强OH-R-CNBrO同步进行C=N形成Br-脱去R-迁移-Br-O=C=N-R异腈酸酯H2ORNH2+CO2Hofmann降解反应的反应历程：49第三节取代羧酸取代酸是指具有两种或两种以上官能团的有机物，既具有羧酸的性质，又具有取代基的性质，同时还表现出两者相互影响所具有的特殊性质。一、卤代酸1、性质主要表现为：对羧酸酸性的影响。最重要的是-卤代酸。2、利用羧酸-H卤代反应制备，一般利用卤素单质在红P催化条件下制得-卤代酸。制备羟基酸或,-不饱和酸制备二元羧酸50二、羟基羧酸1、羟基酸的命名较多使用俗名5152(1)羟基腈水解A.-羟基腈水解2、羟基酸的制备B.-羟基腈水解53(2)卤代酸水解：只适合制备α-羟基酸(3)瑞福尔马茨基反应：只适合制备-羟基酸反应在惰性溶剂中进行，首先生成有机锌试剂，再和醛或酮加成、水解得到-羟基酸。54A.-羟基酸分子间脱水生成交酯(1)脱水反应3、羟基酸的化学性质B.-羟基酸分子内脱水生成,-不饱和酸C.,-羟基酸分子内脱水生成环状内酯55(2).氧化、分解脱羧反应:主要生成醛、酮或羧酸(3)酸性：羟基强的吸电子效应，使酸性增强。56三、羰基酸羰基酸性质活泼，以和羰基酸性质特殊。其余基本上表现出各自官能团的单独性质。它们的主要性质是分解反应。羰基酸的脱羧57由于分子中两个羰基处于间位，中间相隔一个亚甲基-CH2-。羰基的强吸电子作用，使得-H很强的活泼性和酸性。因此，-二羰基化合物具有特殊的化学反应和重要的有机合成价值。-二羰基化合物酸性581、乙酰乙酸乙酯的结构和性质以上性质说明乙酰乙酸乙酯具有