第九章羧酸及其衍生物

198第9章羧酸及其衍生物本章重点介绍羧酸及其衍生物的结构、分类和命名；羧酸的酸性及其影响因素；羧酸衍生物的形成及其机制；二元羧酸的某些特征反应；羧酸衍生物的亲核取代反应及其机制；碳酰胺及其衍生物的性质。分子中含有羧基（或简写为-COOH）的化合物称为羧酸（carboxylicacid)，其通式为RCOOH（甲酸R=H）。羧基（carboxyl)是羧酸的官能团，它是有机化合物中同一个碳原子上的最高氧化形式，因此羧酸对一般氧化剂是稳定的。羧酸羧基中的羟基被其它原子或基团取代后生成的化合物称为羧酸衍生物（carboxylicacidderivative）。重要的羧酸衍生物有酰卤、酸酐、酯和酰胺。羧酸及其衍生物广泛存在于动植物体内，它们与人类生活密切相关。日常生活中，洗涤用的肥皂是高级脂肪酸的钠盐；食用醋是含有2%乙酸的水溶液；食用油是羧酸甘油酯。在生物体内，某些羧酸是动植物代谢的重要物质，它们参与了动植物的生命过程，具有重要生理活性；某些羧酸衍生物是许多昆虫幼虫的激素，能控制昆虫的发育。在医药工业上，羧酸常用作合成药物的原料或中间体，有些药物本身就是羧酸或其衍生物，因此羧酸及其衍生物是一类与医药关系十分密切的有机物。你在学习完本章节后，应能回答以下问题：1．羧酸的分类和命名方法有几种？2．羧基中存在着什么电子效应？羧酸在性质上如何反映出羧基结构中存在着这种电子效应的？3．羧酸的酸性强弱取决于哪些因素，有何规律？4．什么叫酯化反应？不同结构的醇与羧酸酯化反应的机制是否相同？可否写出反应机制？5．不同的二元酸受热时所发生的反应有何差异？6．羧酸衍生物的水解、醇解和氨解属于什么反应类型，反应机制如何？它们的活性次序如何？7．什么叫酰化反应，什么叫酰化剂？8．什么类型的酯才能进行Claisen酯缩合反应？9．缩二脲反应可用于鉴别含有什么结构的化合物？9．1羧酸的结构、分类和命名COOH1999．1．1羧酸的结构羧基中的碳原子与醛、酮中的羰基一样，也是sp2杂化，它的三个sp2杂化轨道分别与两个氧原子和另一个碳原子或氢原子形成三个σ键，这三个σ键在同一平面上，键角约120°。羧基碳原子未参与杂化的p轨道与一个氧原子的p轨道形成一个π键，同时羟基氧原子上的p电子对与π键形成p-π共轭体系。其结构可表示如下：(Ar)RCOOH(Ar)RCOOH(b)(a)由于p-π共轭的影响，使羧基中的键长部分平均化。例如，X-光衍射和电子衍射证明，在甲酸分子中C=O键长为123pm，较醛、酮羰基键长120pm略有所增长，C—O单键键长为136pm，较醇中的C—O键长143pm短些。当羧基离解为负离子后，带负电荷的氧更容易提供电子，从而增强了p-π共轭作用，使负电荷完全均等地分布在两个氧上，两根C—O键的键长完全相等，均为127pm，没有双键与单键的差别。9．1．2分类和命名羧酸根据羧基所连接的烃基不同，分为脂肪酸、脂环酸和芳香酸；根据分子中所含羧基的数目，可分为一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸；依据烃基饱和与否，可分为饱和羧酸和不饱和羧酸；不饱和羧酸又可分为烯酸和炔酸。1．俗名命名许多羧酸存在于天然物质中，一些俗名常根据其来源而得，如甲酸又称蚁酸（formicacid），最初由蒸馏蚂蚁得到；乙酸称为醋酸（aceticacid），它最初从酿制的食用醋中得到；丁酸俗称酪酸（butyricacid），奶酪的特殊气味就有丁酸味。柠檬酸（citricacid）、苹果酸（malicacid）和酒石酸（tartaricAcid）各来自柠檬、苹果和酿制葡萄酒时所形成的酒石中。乙二酸又称为草酸，因在大部分植物和草中都含有草酸盐。油脂水解所得到的软脂酸（palmicacid）、硬脂酸（stearicacid）和油酸（oleicacid）等则是根据它们的物态而命名的。由此可见，俗名较重要，在学习中要注意记忆。2．系统命名羧酸的系统命名与醛相同，选择含有羧基的最长碳链作为主链，从羧基碳原子开始用阿拉伯数字编号。简单的羧酸，习惯上从羧基相邻的碳原子开始，以α、β、γ、δ等希腊字母标示位次，ω则常用于表示碳链末端的位置。一元羧酸的英文名称用-oicacid代替相应烃基中的字尾e，二元羧酸用-dioicacid。200CH3CH=CHCOOH3-甲基戊酸2，4-二甲基已酸2-丁烯酸（巴豆酸）β-甲基戊酸α，γ-二甲基已酸α-丁烯酸3-methylpentanoicacid2，4-dimethylhexanoicacid2-butenoicacid脂肪族二元羧酸的命名，选分子中含有两个羧基的最长碳链作为主链。称为某二酸，英文词末加“dioic”。例如：丁二酸顺-丁烯二酸顺-十八碳-9-烯酸（琥珀酸）（马来酸）（油酸）butandioicacidcis-2-butendioicacidcis-9-octadecenoicacid脂环族和芳香族羧酸，以脂肪酸为母体，把脂环和芳环作为取代基来命名。例如：环已基甲酸3-环戊基丙酸苯甲酸cyclohexanecarboxylicacid3-cyclopentylpropanoicacidbenzoicacid邻苯二甲酸3-苯基丙烯酸（肉桂酸）1-萘乙酸β-苯基丙烯酸α-萘乙酸1,2-benzenedicarboxylicacid3-phenylpropenoicacid1-naphthylaceticacid脂类中的脂肪酸在系统命名时，与一元羧酸的系统命名法基本相同，不同之处是主链的编号有三种编码体系，并且系统名称可用简写符号表示（详见第14章14．1）。问题9-1命名下列化合物。1．2．3．4．CH3CH2CHCH2COOHCH354321αβγδCH3CH2CHCH2CHCOOHCH3CH3654321αβγδCH2COOHCH2COOHCCCOOHHHHOOCCC（CH2）7COOHHHCH3（CH2）7COOHCH2CH2COOHCOOHCH=CHCOOHCH2COOHCOOHCOOHCH3CHCH3CCOOHCH3CH3CH3CCCHCHCH2CH2COOHCH3CHCH2CH2CHCH3COOHCOOHCOOHOCH3NO22019．2羧酸的物理性质在直链饱和一元羧酸中，含有1～3个碳原子的羧酸为具有剌激性酸味的液体；含有4～9个碳原子的羧酸是有腐败气味的油状液体；高级脂肪酸为无味蜡状固体。脂肪族二元羧酸和芳香族羧酸都是结晶固体。含有1～4个碳原子的一元脂肪羧酸在室温下与水互溶，这是由于羧基可与水形成氢键的原因，但随着羧酸碳链的增长，水溶性很快减小。高级脂肪酸不溶于水，但一元脂肪酸都可溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。低级的二元脂肪酸可溶于水而不溶于乙醚，水溶性也随碳链的增长而降低。直链饱和一元脂肪酸的熔点随碳链的增长呈锯齿形上升，即含偶数碳原子羧酸的熔点比前后相邻奇数碳原子羧酸的熔点要高一点，原因是在晶体中羧酸分子的碳链呈锯齿状排列，只有含偶数碳原子的链端甲基和羧基分处于链的两侧时，才具有较高的对称性，分子在晶格中排列较紧密，分子间的吸引力较大，因而具有较高熔点。羧酸的沸点比相对分子质量相近的醇、醛、酮要高。例如：甲酸相对分子质量为46，沸点100.7℃，而相对分子质量同为46的乙醇沸点为78℃，相对分子质量为44的乙醛沸点仅为21℃。羧酸沸点较高的原因在于一元羧酸分子间能通过两个氢键互相结合，形成缔合的二聚体分子。一些常见羧酸的物理性质见表9-1RCOHOHOOCR表9-1一些常见羧酸的物理性质化合物名称熔点/℃沸点/℃溶解度/g·(100gH2O)-1pKa1甲酸（蚁酸）formicacid8.4100.5∞3.77乙酸（醋酸）aceticacid7.0118∞4.74丙酸（初油酸）propionicacid-22141∞4.88丁酸（酪酸）butyricacid-5162.5∞4.82戊酸（缬草酸）valericcid-34.51873.74.85己酸（羊油酸）caproicacid-1.52050.44.85庚酸（毒水芹酸）enanthicacid-8223.50.2444.89辛酸（羊脂酸）caprylicacid162390.0684.85壬酸（天竺葵酸）pelargonicacid152540.0264.96十六酸（软脂酸）palmitinicacid63390不溶十八酸（硬脂酸）stearicacid70383不溶6.37丙烯酸（败脂酸）acrylicacid13141∞4.263-苯丙烯酸（肉桂酸）cinnamiccid1333000.14.33202苯甲酸（安息酸）benzoiccid1222490.344.19乙二酸（草酸）oxalicacid1891008.61.27丙二酸（缩苹果酸）malonicacid13514073.52.85丁二酸（琥珀酸）succiniccid1852355.84.169．3羧酸的化学性质羧酸的化学性质由羧基官能团所引起。从结构式的形式上看，羧基是由羰基与羟基组成，但实际上羟基氧原子的未用p电子对与羰基形成了p-π共轭体系，所以羧基的化学性质就不是羰基和羟基化学性质的简单加和，而是显示其本身特性。比如羰基不易与亲核试剂发生反应；羟基氢易离解呈现酸性；烃基受羧基的影响，使得α-氢易发生取代反应。根据羧酸分子结构中键断裂方式不同，羧酸可发生不同的化学：RHCOCOHH脱羧α-H取代O-H键断后成酸性羟基被取代的反应9．3．1羧酸的酸性羧酸在水溶液中离解出质子而呈酸性，可与碱作用生成盐。羧基中的p-π共轭的作用，降低了羟基氧原子上的电子云密度，引起了O-H键的极性增大，从而有利于羟基质子的离解；羧酸离解形成的负离子，也通过p-π共轭体系分散负电荷，而使羧基负离子得以稳定，因此羧酸就较易离解出质子生成更稳定的羧酸根负离子而显酸性。常见饱和一元羧酸的酸性比无机强酸的酸性弱，但比碳酸和苯酚的酸性强。无机强酸一元羧酸碳酸苯酚pKa1～33.5～56.3810羧酸可使碳酸氢钠分解放出CO2，而酚不与碳酸氢钠作用，在实验室中常利用这个性质来鉴别羧酸和酚。羧酸盐遇强酸则游离出羧酸，利用此性质可分离、精制羧酸。羧酸的钾盐或钠盐易溶于水，医药上常将水溶性差的含羧基药物制成可溶性羧酸盐，以便制成水剂使用，如含有羧基的青霉素G就是制成钠盐或钾盐供临床使用的抗生素。RCOOHRCOO-+H+RCOOH+NaOHRCOONa+H2ORCOOH+NaHCO3RCOONa+H2O+CO2RCOONa+HClRCOOH+NaCl203羧酸的酸性强弱与羧基相连基团的有关，能使羧基电子云密度下降的基团将增加其酸性；使羧基电子云密度上升的基团将减弱其酸性。例如：CH3COOHClCH2COOHCl2CHCOOHCl3CCOOHpKa4.742.861.260.64饱和脂肪族一元羧酸中，甲酸的酸性最强，从乙酸开始，因烷基的斥电子诱导效应，羧酸的酸性减弱。例如：HCOOHCH3COOHCH3CH2COOH(CH3)2CHCOOH(CH3)3CCOOHpKa3.774.744.884.855.02脂肪族二元羧酸的酸性与两个羧基的相对距离有关，两个羧基的相对距离越近，羧基吸电子的诱导效应影响越大，酸性也越强；反之，酸性就弱。例如：COOHCH2COOHCOOHCOOHCH2CH2COOHCOOHCH2COOHCH2CH2COOHCH2COOHCH2CH2COOHCH2pKa1.272.854.164.334.43问题9-2将下列化合物的酸性由强至弱排列。1．乙醇、乙酸、丙二酸、乙二酸2．丙酸α-溴丙酸、α，α-二溴丙酸、α-氟丙酸9．3．2羧基中的羟基被取代的反应羧基中的羟基可被卤素、酰氧基、烷氧基或氨基取代，分别生成酰卤、酸酐、酯或酰胺等羧酸衍生物。1．形成酰卤的反应酰氯是最常用的酰卤，它可由羧酸与五氯化磷、三氯化磷或氯化亚砜等卤化剂作用制得。用氯化亚砜卤代剂制取酰氯较易提纯处理，因副产物SO2和HCl是气体易于挥发，而过量的低沸点SOCl2可通过蒸馏除去，所得的酰卤较纯，此法应用较广。由于酰卤很活泼，容易水解，所以分离精制酰卤