10羧酸及羧酸衍生物

教学目的教学重点教学难点教学安排江西中医药大学药学院药化学科组第十章羧酸及羧酸衍生物一、羧酸的结构、分类和命名第一节羧酸（一）结构分子中含羧基(-COOH)的化合物，通式为RCOOH羧酸的成键形式sp2sp3RCOOH¨sp2p-π共轭甲酸的结构118°108°¨HOCOH¨甲酸的结构动画RCOOHp-π共轭体系COORH羧基碳原子是sp2杂化的，未参与杂化的p轨道与一个氧原子的p轨道形成C=O中的π键，而羧基中羟基氧原子上的未共用电子对与羧基中的C=O形成p-π共轭体系。共轭使键长趋于平均化，也使羧基碳原子上的电子云密度比醛、酮中增高。（二）分类和命名根据烃基结构：脂肪酸和芳香酸；根据烃基饱和程度：饱和、不饱和脂肪酸；根据羧基数目：一元、二元和多元酸。1、分类2、命名(P63)蚁酸醋酸草酸安息香酸（1）俗名：根据来源命名。HCOOHCH3COOHHOOC-COOHCOOH蚁酸：最初是通过蚂蚁蒸馏而得到的；草酸：大部分草本植物中都含有乙二酸的盐；安息香酸：以苯甲酸苄酯的形式存在于安息香胶中。马来酸富马酸HCOOHCOOHHHCOOHHCOOHCHCHCOOHCCOOHHOCH2COOHCH2COOH肉桂酸柠檬酸（2）系统命名54321ωγβαCH2CHCH2CH3CH3COOH3-甲基戊酸β-甲基戊酸①找长链：选择分子中含羧基的最长碳链为主链；②编小号：从羧基开始编号，用阿拉伯数字表示取代基的位次，简单羧酸也常用希腊字母编号，依次为α、β、γ、δ…等，ω则用来表示碳链末端的位置。丁二酸6-2'-氯乙基-7-羟甲基-3-羧基-2-甲氧基壬二酸③脂肪族二元羧酸选择含两个羧基的最长碳链作为主链，根据碳原子数称为“某二酸”，把取代基的位置和名称写在“某二酸”之前。HOOCCOOHCH2OHCH2CH2ClCOOHOCH3COOHHOOC2367④不饱和羧酸选择包含羧基和不饱和键在内的最长碳链为主链，称为某烯酸；不饱和键和取代基的位次均要标明，也可用“Δ”及在右上角标上阿拉伯数字的方法来表明双键的位次。CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOHΔ9-十八碳烯酸9-十八碳烯酸CH3CCHCH3COOH43213-甲基-2-丁烯酸⑤芳香羧酸和脂环羧酸一般把环作为取代基，以脂肪酸为母体。1-萘乙酸α-萘乙酸环戊基甲酸3-苯基丙烯酸（肉桂酸）CH2COOHCHCHCOOHCOOH(1R,3R)-1，3-环己烷二羧酸COOHHOOC⑥酰基羧酸分子中除去羧基中的羟基后所余下的部分称为酰基，根据相应的羧酸来命名。H3CCOCO乙酰基苯甲酰基1、沸点2、熔点随碳原子数的增加而呈锯齿形上升，偶数碳原子的羧酸比相邻两个奇数碳原子的羧酸的熔点高。3、溶解性甲酸至丁酸与水混溶，随碳原子数增加而迅速降低。低级二元酸可溶于水，而芳酸水溶性小。RCOOHHOORC氢键羧酸的沸点高于分子量相当的醇二、羧酸的物理性质RCCOHOH-活泼H的反应酸性羰基的亲核加成，然后再消除(表现为羟基的取代)。羰基的还原三、羧酸的化学性质①p-π共轭增强了O-H键极性，有利于氢的解离——酸性。②p-π共轭降低了羰基碳的正电性，羧基不发生典型羰基的亲核加成反应——-OH易被代，形成羧酸衍生物。③p-π共轭使羧基碳的电子云密度可从羟基氧得补充——α-H活性较醛、酮弱。⑤脱羧反应。④还原反应。①p-π共轭增加氧氢键极性，使易解离。等性共振，稳定作用大；C=O和C-OH键长相等。两个氧带相反电荷，能量高，不稳定。RCOORCOO--RCO+HORCOHO-+OH2（一）酸性1、羧酸根离子的结构②形成负离子后，其p-π共轭作用更强，负电荷平均分配于两个氧原子上，两个C-O键长相等；负电荷通过p-π共轭而得到分散，使负离子更为稳定。羧酸根负离子的结构动画+HCl析出原来的羧酸证明了羧酸的酸性比无机酸弱用于分离羧酸与非酸性化合物羧酸酸性较盐酸、硫酸弱；而较碳酸、苯酚强。RCOOH++RCOONaOH2NaOH/NaHCO32、成盐及应用Question课堂思考题：用简便的化学方法分离下列三种化合物：蒸出乙醚C若取代基不利于负电荷分散，羧酸根负离子不稳——酸性减弱。3、影响酸性的因素若取代基有利于负电荷分散，羧酸根负离子稳定——酸性增强。（1）诱导效应RCHCYOHOY=-X、-NO2、-CN、-OH等电负性大的基团。正诱导效应(+I)相对强弱：-C(CH3)3＞-CH(CH3)2＞-C2H5＞-CH3＞H负诱导效应(-I)相对强弱：-NO2＞-CN＞-COOH＞-F＞-Cl＞-Br＞-I＞碳碳叁键＞-OCH3＞-Ph＞碳碳双键＞H①取代基负诱导效应越强，取代基数目越多，对酸性影响就越大。②取代基离羧基越近，对酸性影响越大。③不同杂化态的s成份增加时，吸电子能力增强，对酸性影响越大。FCH2COOH＞ClCH2COOH＞BrCH2COOH＞ICH2COOHCl3CCH2COOH＞Cl2CHCH2COOH＞ClCH2CH2COOHCH2CHCOOHClCH3ClCH2CH2CH2COOHCH3CHCH2ClCOOH＞＞＞＞CCH2COOHCHCH3CH2CH2COOHCH2CHCH2COOH④二元酸的酸性二元酸的一级解离较饱和一元羧酸强。——受第一个羧基的负诱导效应(-I)的影响。二元酸的二级解离较难。——第一个羧基解离后形成的负离子产生(+I)的影响。共轭体系中有-NO2、-CN、-COOH、-CHO、-COR等，产生π-π共轭(-C)，与-I方向一致。共轭体系中有-NH2、-OH、-OR、-OCOR、-X等，产生p-π共轭(+C)，与-I方向相反。（2）共轭效应只有-Ph对-COOH的弱-IHCOOHCOOH＜CH2COOHCH3COOH≈-Ph与-COOH产生π-π共轭(-C)1）共轭效应对羧酸酸性的影响①间位：共轭受阻，只有弱的诱导效应。COHOO2NCOHOCH3OCOHO＞＞pKa3.54.094.172）苯环上取代基对芳酸酸性的影响很强-I强-I较弱+I较强-I＞＞＞＞COOHCOOHNO2COOHClCOOHOCH3COOHCH3Question课堂思考题：比较下列化合物酸性的强弱②对位¨CN+OHOOO-COHOCH3OCOHOpKa3.44.174.47＞＞很强-I和-C强-I＞+C较弱+I-I＜+C＞＞＞＞COOHCH3COOHNO2COOHClCOOHCOOHOCH3Question课堂思考题：比较下列化合物酸性的强弱③邻位邻位效应：取代基处于邻位而表现出来的特殊效应。除-NH2外，邻位-CH3、-X、-OH、-NO2取代的苯甲酸的酸性都强于间位或对位取代的苯甲酸。（a）邻位取代基所占空间愈大，对酸性影响愈大。（b）取代基吸电性愈强，酸性增强愈大。COOHC(CH3)3COOHClCOOHCH3CH3COOHCH3＞＞＞pKa2.893.213.463.91（c）邻羟基苯甲酸的酸性较其间位或对位异构体强。-1/2-1/2COOOHHCHOHOO分子内氢键增强了O-H极性，使氢易于解离。负离子也由于分子内氢键而稳定（d）邻硝基苯甲酸的酸性比其间位或对位异构体强得多。除电性效应和立体效应外，还有场效应。（3）场效应任何一个带电粒子(包括极性共价键和极性分子)，在其空间都存在静电场，在这个静电场中的任一个带电体都要受静电力的作用，这就是场效应的本质。诱导效应——通过原子链传递的静电作用。(依赖于键的特性)场效应——直接通过空间传递的静电作用。(依赖于分子几何形象，大小与距离平方成反比)场效应与诱导效应方向相反场效应场效应与诱导效应方向一致-1/2-1/2-COON+OOCCH2OOCOOH-羧酸和醇作用生成酯和水的反应称酯化反应。（1）反应特点:①反应可逆(酯化和水解都不能进行完全)。②反应速度慢，催化剂同时加速酯化和水解反应。增大产率：①增加反应物；②减少生成物。R'OHRCOOH++RCOOR'OH2酯化水解1、酯的生成（二）羧基上羟基的取代反应（2）反应历程:①伯、仲醇：亲核加成—消除历程醇中羟基上的氢与羧酸中的羟基结合脱水生成酯，反应中羧酸的酰氧键断裂。RCOHORCOHO+HH+RCOR'O--H+RCOHO+HOHR'OHR'¨RCO+H2OR'OH:RCOR'O+H--H2O加成消除②叔醇：碳正离子历程醇中羟基与羧基中羟基上的氢结合脱水，反应中醇的烷氧键断裂。R'COCR3O--H+R3COHR3CO+H2H+--H2OR3C+R'COHOR'COCR3O+H:SN1历程由于R3C+易与碱性较强的水结合，不易与羧酸结合，逆向反应比正向反应易进行，所以3oROH的酯化反应产率很低。③两个邻位取代的苯甲酸：酰基正离子历程(补)酰基正离子的碳是sp杂化，为直线型结构并与苯环共平面，醇分子可从平面的上方或下方进攻酰基碳而发生酯化。CH3CH3CH3C-OHOCH3CH3CH3C-OH2O+CH3CH3CH3C-OCH3OCH3CH3CH3C-OCH3O+HH2SO4(浓)78%CH3CH3CH3CO+CH3CH3CH3CO+-H+CH3OH（3）羧酸和醇的结构对酯化反应速率的影响①羧酸α-C上支链愈多，基团愈大，酯化反应速率愈慢。②伯、仲醇：空阻越小，反应速率越快。CH3OH＞RCH2OH＞R2CHOHHCOOHCH3COOHRCH2COOHR2CHCOOHR3CCOOH2、酰卤的生成RCOHORCClO33PCl3H3PO3++RCOHORCClOPOCl3++PCl5RCOHORCClOSO2++SOCl2ClH+沸点(75℃)亚磷酸(200℃分解)制备低沸点酰氯沸点(162℃)沸点(107℃)制备高沸点酰氯沸点(79℃)两种情况均适用生成酰卤的反应历程RCO-HClCl-OH+PCl3RCOOPCl2RCOOPCl2ClRCOCl+HOPCl22RCOOHH3PO3b.p.75℃200℃分解RCO-HClOH+PCl5RCOOPCl3ClRCOOPCl3ClClRCOCl+OPCl3b.p.162℃b.p.107℃借助分馏法除去ClClRCO+SClClO-HClOHRCOOSClORCOOSClOClRCOCl+SO2+Cl3、成酸酐反应△RCOOCR'OR'COClRCOONaNaCl++或或RCOHORCOHORCOORCO(CH3CO)2OCH3COClP2O5H2O+OHCOOHCOCOCOO△1,4-和1,5-二元羧酸分子内脱水生成环状酸酐4、酰胺的生成（1）特点：反应可逆，除水可使反应趋于完全。（2）历程：RCNH2O--H2ORCOHN+H3O-RCO+H2NH2O-RCOOHNH3RCOONH4RCNH2OOH2+△△RCONH4O+RCOHONH3¨羧酸中羰基由于p-π共轭效应的结果，难被一般还原剂或催化氢化还原，但LiAlH4或乙硼烷在四氢呋喃中能顺利使羧酸还原成伯醇。CH2CHCOOHCH2CHCH2OHLiAlH4Et2OH3O+LiAlH4不还原孤立的C=C,B2H6还能还原孤立的C=C。（三）还原反应(补)*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.用钌作催化剂时，也可以用催化氢化法还原。RCOOH+LiAlH4RCOOLi+H2+AlH3OR-COLiAlH2HOR-CHAlH2HR-CHOAlH2O-Li+-LiOAlH2R-CH=OAlH3RCH2OAlH2RCH2OHH2O用LiAlH4还原的反应历程RCOOH+BH3乙硼烷与羰基化合物的反应活性顺序：OR-COHBH2HR-CH-OHOBH2-BH2(OH)RCHOBH3OR-CHBH2HRCH2OBH2H2ORCH2OH-COOHC=O-CN-COOR-COCl用乙硼烷还原的反应历程p-π共轭使α-H的活性小于醛、酮，难于直接卤代。（四）α-氢的反应赫尔-佛尔哈德-泽林斯基(Hell-Volhard-Zelinsky)反应RCH2COOHRCHCOOHR-C-COOHBr