第十二章 羧 酸

第十二章羧酸授课对象：应用化学、化学工程与工艺、制药工程、药学学时安排：3h教材：普通高等教育“十五”国家级规划教材《有机化学》第四版高鸿宾主编2005年5月一、教学目的与要求1、掌握羧酸的结构和命名。2、掌握羧酸的一般化学性质：酸性及羧酸衍生物的生成：酰卤、酸酐、酯和酰胺的生成；α-H的卤代反应；羟基酸的化学性质。2、熟悉二元酸的受热反应。3、了解羧酸的物理性质以及一些常见的羧酸和取代羧酸的结构。二、教学重点1、羧基及羧酸根离子的结构。2、羧酸衍生物的生成，羟基酸的脱水反应。三、教学难点羧酸的酸催化和碱催化酯化反应机理。四、教学方法讲授法。拟具体采用如下教学方法，以突出重点，突破难点。1、通过复习前面学过的电子效应和与醛、酮羰基的比较，帮助学生掌握羧基以及羧酸根离子的结构以及羧酸的一般化学性质。2、精讲多练，适当时候结合习题中的难点讲解。五、教具电脑、投影仪、Powerpoint课件、教鞭。六、教学步骤及时间分配导言：分子中含有羧基（-COOH）的有机化合物，称为羧酸。羧酸分子中的烃基上的氢被其它原子或原子团取代后的化合物，称为取代羧酸。本章只讨论取代羧酸中的羟基酸。12.1羧酸（CarboxylicAcids）RCGOG=-OR（烃氧基）酯G=-OCR（酰氧基）酸酐OG=-NH2（氨基）酰胺G=X（卤素）酰卤一、羧酸的结构、分类和命名（一）羧酸的结构（重点）羧基中的碳原子为sp2杂化，三个杂化轨道分别与两个氧和另一个碳或氢形成3个σ键，未参与杂化的p轨道与一个氧的p轨道形成π键，这个π键与另一个氧的p轨道可以形成p—π共轭。p—π共轭的结果（与醛、酮的羰基碳比较）：①降低了羧基中羰基碳的正电性，所以，羧基一般不能进行亲核加成反应。②增加了羧基中羟基的氧氢键的极性，有利于氢的离解，所以羧酸有明显的酸性。羧酸根负离子中的p—π共轭作用更强，负电荷平均分配在两个氧原子上，因而C-O键完全平均化。（二）分类按烃基不同，分为脂肪酸、脂环酸和芳香酸；按羧基数目，分为一元酸、二元酸和多元酸；按烃基饱和程度，分为饱和酸或不饱和酸等。（三）命名1、结构比较简单的羧酸常用普通命名法。例如：甲酸、乙酸、丙酸等。2、结构复杂的羧酸用系统命名法命名。例如：α-甲基丁酸（2-甲基丁酸）等。3、俗名：羧酸的名称常用俗名。俗名通常根据来源而得。如蚁酸（甲酸）、醋酸（乙酸）、草酸（乙二酸）、苯甲酸（安息香酸）等。酰基：羧酸分子中除去羧基中的羟基后剩下的部分称为酰基。举例说明。羧酸的英文命名（补充内容）：后缀oicacid。写出下列化合物的名称或结构：草酰基、肉桂酸。二、羧酸的物理性质介绍状态、熔点和沸点的变化规律（饱和酸与不饱和酸的区别，单数碳原子与偶数碳原子的区别，与分子量相近的其它化合物比较）练习：下列各组化合物中，哪一个沸点最高？（1）正丁酸、异丁酸（2）丁烷、丙醛、正丙醇、乙酸三、羧酸的化学性质（一）酸性和成盐羧酸具有明显的酸性。饱和一元羧酸是一种弱酸，其pKa为3—5，比碳酸强，所以，它既能与NaOH反应又可以与NaHCO3反应生成羧酸盐。酸性：羧酸碳酸苯酚思考题：如何分离和鉴别苯甲酸和苯酚羧酸的酸性强弱与羧基所连的基团有关，一般来说：若G是吸电子基，氢易离解，酸性增强，取代基的吸电子能力越强酸性越强；若G是斥电子基，氢难离解，酸性降低。同时，取代基对酸性的影响还与取代基的性质、位置及数目有关。例如：酸性强弱顺序：二元酸的酸性比相应的一元酸的酸性强。二元酸的酸性与两个羧基的相对距离有关。二元酸的酸性顺序为：草酸丙二酸丁二酸。指出：诱导效应具有加和性。[注：讲解以上酸性强弱时，最好先列出结构，引导学生分析，最后给出数据]。练习题：按酸性由强到弱排序（1）乙酸（2）甲酸（3）苯甲酸（4）草酸（二）羧酸衍生物的生成（重点）羧酸衍生物：羧基上的羟基被其它原子或原子团取代后的化合物。它们是酰卤、酸酐、酯和酰胺。1、酰卤的生成羧酸与PX3、PX5或SOCl2（氯化亚砜）反应生成酰卤。最常用的是SOCl2（氯化亚砜），因为两种副产物都是气体，能自动逸去，而且过量的低沸点SOCl2（氯化亚砜）易通过蒸馏除去，使产物较纯。酰卤是一类具有高度反应活性的化合物，广泛应用于药物和有机合成中。2、酸酐的生成羧酸与脱水剂共热可以脱去一分子水形成酸酐。常用的脱水剂有P2O5、乙酰氯和乙酸酐。有些二元酸不需要脱水剂只要加热即可脱水成环状酸酐。此外，还可以用羧酸盐与酰卤作用制备混合酸酐。GCOOHGCOOHFCH2COOHClCH2COOHBrCH2COOHICH2COOHpKa2.672.872.903.16pKaCH2CH2CH2COOHClCH3CHCH2COOHCH3CH2CHCOOHClCl2.864.414.70ClCH2COOHpKa2.87Cl2CHCOOHCl3CCOOH0.651.29练习题：3、酯的生成羧酸与醇在酸催化下生成酯和水，这一反应叫酯化反应。酯化反应是可逆反应，反应速度很慢，一般需要在强酸催化下加热进行。为了提高产率，一般采取过量其中一种廉价的反应物，或者不断除去反应过程中产生的水，使反应平衡偏向生成产物的方向移动。反应机理：同位素标记法实验证实：不同类型的醇生成酯的机理不同。①羧酸与伯醇和绝大多数仲醇反应生成酯时，醇脱氢酸脱羟基；②与叔醇反应时则是醇脱羟基酸脱氢。[逐步讲解两种反应机理]强调：空间位阻对反应速度的影响很大。不论醇或羧酸，在反应点附近有取代基时，都使反应速度变慢，甚至不反应（因中间体为四面体结构，较拥挤）。思考题：解释下列酯化反应中醇或酸的活性规律：（1）酸一定时：甲醇乙醇异丙醇叔丁醇（2）醇一定时：甲酸乙酸丙酸2-甲基丙酸4、酰胺的生成羧酸与氨或胺反应生成羧酸的铵盐，进一步加热失水可得酰胺。酰卤、酸酐和酯进行氨解都可以得到酰胺（下一章讨论）。酰胺是一类很重要的化合物，很多药物分子中都有酰胺键。（三）还原反应饱和羧酸在通常情况下，几乎和所有的化学还原剂不起作用。但可以被特别强的还原剂—氢化铝锂(LiAlH4)还原成伯醇。LiAlH4(CH3)3CCOOH(CH3)3CCH2OH（四）脱羧反应羧酸失去羧基放出二氧化碳的反应称为脱羧反应。COONaH3CNaOH(CaO)H3C如果羧酸的α-碳上连有强吸电子基（如羰基、卤素等），则脱羧反应更容行。（六）α-氢的卤代反应CH3CH2COOHBr2,PCH2CHCOOHBrCH2CCOOHBrBrBr2,P（七）二元酸的受热反应羧酸失去羧基放出CO2的反应称为脱羧反应。饱和一元酸较稳定，一般不发生脱羧反应。但很多实验说明羧酸的α-位上有吸电子基存在时，易发生脱羧反应，如三氯乙酸。对于二元酸而言，两个羧基(CH3CO)2OCOOHCOOHOOO间的距离不同，产物也不同。1、乙二酸和丙二酸乙二酸和丙二酸加热时，易脱羧生成少一个碳的一元羧酸。如：2、丁二酸和戊二酸丁二酸和戊二酸与脱水剂共热时，则易脱水生成环状酸酐。如：H2CH2CCOOHCOOHH2CH2CCCOOO/-H2OH2CH2C(CH3CO)2O3、己二酸和庚二酸己二酸和庚二酸与氢氧化钡共热时，既失水又脱羧，生成环酮：-H2O,-CO2H2CH2CCCOOHOOHH2CH2CH2CCH2CBa(OH)2/H2CH2CO注意：二元酸的受热反应的一般规律——五员环、六员环容易形成。（四）常见的羧酸（自学）第二节取代羧酸（SubstitutedCarboxylicAcids）根据取代原子或原子团的不同，取代羧酸可分为卤代羧酸、羟基酸、羰基酸（醛酸和酮酸）以及氨基酸。本节主要讨论羟基酸。一、羟基酸的命名羟基连在脂肪烃基上的羟基酸称为醇酸，羟基连在芳环上的羟基酸称为酚酸。醇酸的系统命名是以羧酸为母体，羟基为取代基，并用阿拉伯数字或希腊字母等标明羟基的位置。一些醇酸常用俗名。酚酸的命名是以芳酸为母体，并根据羟基在芳环上的位置给出相应的名称。举例说明。一些重要羟基酸的俗名：乳酸、酒石酸、柠檬酸、丙酮酸、草酰乙酸、水杨酸。二、羟基酸的性质1、物理性质（自学）2、化学性质羟基酸属于多官能团化合物，它们即有醇、酚和羧酸的通性，而且还具有分子中不同官能团相互影响的一些特殊性质。（1）酸性HOOC-COOH-CO2HCOOH醇酸中，羟基是吸电子基，所以会增强羧基的酸性。但这种诱导效应随距离的增大而迅速减弱（但比卤代酸弱）。酚酸的酸性则受诱导效应、共轭效应和邻位效应的影响，其酸性与相对位置有关。为什么邻羟基苯甲酸酸性较强，而对羟基苯甲酸则较弱呢？分析：利用电子效应、邻位效应和分子内氢键的形成进行分析，引导学生理解。一般来说，不论是钝化基团还是活化基团（氨基除外）在邻位时，都能使苯甲酸的酸性增强。这种特殊影响叫邻位效应。（2）脱水反应醇酸对热不稳定，加热时易发生脱水反应，脱水产物与羟基和羧基的相对位置有关。α-醇酸脱水----交酯（形成六员环）。交酯与其他酯一样，与酸或碱共热时，易分解成原来的醇酸。如丙交酯的形成。β-醇酸脱水----α,β-不饱和酸（形成共轭体系）γ-醇酸和δ-醇酸脱水----内酯（形成五元或六元环）内酯也具有一般酯的性质，也可以发生水解、氨解、醇解等反应。（详见下章）。强调：醇酸的脱水规律——形成共轭体系或五元或六元环状结构。（3）分解反应α-羟基酸与稀硫酸共热，羧基和α-碳原子之间的键断裂，生成一分子醛（或酮）和一分子甲酸。（4）氧化反应比较：醇分子中的羟基和醇酸分子中的羟基的氧化性能的不同。α-醇酸分子中的羟基因受羧基的-I的影响，比醇中的羟基容易氧化。例如，稀硝酸一般不能氧化醇，但却能氧化醇酸生成醛酸、酮酸或二元酸。Tollens试剂不与醇反应，却能将α-羟基酸氧化成α-酮酸。（5）酚酸的脱羧反应（补充）羟基在羧基邻、对位的酚酸加热至熔点以上时，分解成相应的酚和二氧化碳。人体内糖、油脂和蛋白质等物质代谢产生的羟基酸，在酶催化下也能发生前述的氧化、脱水等化学反应总结（10分钟）：①羧酸、取代羧酸的酸性强弱比较。②二元羧酸的受热反应和醇酸的脱水反应思考题：比较下列化合物碱性的强弱1、CH3CH2CCOOClClCH3CH2CHCOOClCH3CH2CHCOOCH3COOOHCOOCH3COONO22、点做习题：P442-444(七)、(八)、(九)、(十)、(十一)、(十二)、(十三)参考资料:①《基础有机化学》（第二版）邢其毅主编高等教育出版社②《有机化学》（第三版）廖清江主编人民卫生出版社课后记:1、课时安排基本合理2、本章的难点是羧酸的酸催化和碱催化酯化反应机理。