有机化学-羧酸及取代羧酸

有机药化教研室编制第一节羧酸1、分类与命名2、物理性质3、化学性质4、羧酸的制备5、二元羧酸6、典型化合物内容提要•羧基（carboxylicgroup）：•羧酸（carboxylicacid）：（甲酸中的为H）。OCOHRCOOHR乙酸的球棒模型药物中的羧酸类化合物CHCOOHOH扁桃酸H2NCOOHOH抗结核病药PAS(CH3)2CHCH2CHCOOHCH3NSCH3COONaCH2CONHCH3消炎镇痛药布洛芬抗生素青霉素G钠ORCOHOArCOHOCOHORR'R羧基(carboxyl)RCOHO酰基(acyl)（一）羧酸的分类一、羧酸的分类和命名第一节羧酸脂肪酸饱和脂肪酸不饱和脂肪酸芳香酸羧酸饱和烷基RCOHOArCOHOCOHORR'R芳基RCOHOArCOHOCOHORR'R1.按羧基所连烃基分类2.按羧基数目分类3.按羧基所连的烃基的饱和与否分类为饱和酸和不饱和酸（二）羧酸的命名俗名法根据其来源命名例如：HCOOHCH3COOHCH3(CH2)14COOHCH3(CH2)16COOH……甲酸乙酸十六酸十八酸蚁酸醋酸软脂酸硬脂酸COOHH3CCOOHOHOCOOHCH2CH2COOH反-2-丁烯酸邻羟基苯甲酸呋喃甲酸苯丙酸3-苯基丙酸富马酸水杨酸糠酸CH2COOHCH2COOHCCHHCCOOHCH2COOHHOCH2COOHCOOHCOOHCOOHCOOHOHOH3COCHCOOHCH2COOHH2NCH2(CH2)9COOHBr(末端)丁二酸琥珀酸顺丁烯二酸马来酸3-羟基-3-羧基戊二酸柠檬酸邻苯二甲酸-羰基丁酸-氨基丁二酸-溴代十一碳酸乙酰乙酸系统命名将相应的烃名改为某酸，羧基始终编为1；若主链含烯键——某烯酸；C10——某碳烯酸；羧基直接连接在环上的：烃名＋羧酸——脂肪酸；烃名＋甲酸——芳香酸4-甲基戊酸4-Methylpentanoicacid3-甲基-6-乙基辛二酸3-Ethyl-6-methyloctanedioicacid3-溴环己烷羧酸3-Bromocyclohexanecarboxylicacid1-环戊烯羧酸1-Cyclopentenecarboxylicacid不饱和羧酸的命名：选取包含羧基碳原子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。应特别注意的是，当主链碳原子数大于10时，在中文小写数字后要加一个“碳”字。此外，除前面章节所述方法外，也可用大写希腊字母“△”及在右上角标上阿拉伯数字的方法来表明双键的位置。3－丁烯酸△3－丁烯酸CH2=CHCHCH2COOHCH2CH2CH33－丙基－4－戊烯酸3－丙基－△4－戊烯酸CH2=CHCH2COOH十八碳－9－烯酸△9－十八碳烯酸CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH物理性质低级脂肪酸(C1～C3)——液体溶于水中级脂肪酸(C4～C9)——油状液体部分溶于水高级脂肪酸(C10)——蜡状固体不溶于水；多元酸和芳香酸常温下为固体大多数羧酸在固态和液态时以二聚体形式存在，b.p.比相应的醇高。羧酸的二缔合体根据X光对蒸气密度的测定，低级羧酸(甲酸、乙酸等)在蒸气状态时还保持双分子缔合。羧酸与水形成氢键熔点其变化规律是随羧酸碳原子数增加呈锯齿形上升。偶数碳原子的羧酸比它前后相邻的两个同系物的熔点高。奇偶效应直链饱和一元羧酸的熔点比重甲酸、乙酸的比重大于1，其他羧酸的比重都小于1。二元羧酸和芳香族羧酸的比重都大于1。三、化学性质羧基是由羰基和羟基相连而成复合官能团。羧基的碳原子为sp2杂化，三个sp2杂化轨道分别与羰基的氧原子，羟基的氧原子和一个烃基的碳原子(或一个氢原子)形成三个s键，这三个s键在同一平面上，键角约为120°，羧基碳原子的p轨道与羰基氧原子的p轨道形成一个p键。另外，羧基中的羟基氧原子有一对未共用电子，它和羰基的p键形成p－p共轭体系。乙酸的电子云模型乙酸的球棒模型羧酸官能团的结构分析苯甲酸的电子云模型p-π共轭1.羟基对羰基产生的+C效应降低了羰基碳原子的亲核性2.羰基对羟基的－C效应降低氧原子上电子云密度，增强了O-H键的极性，3.羟基对羰基+C效应削弱了羧基的－I效应，使α-H的活性下降。羧基分子中的p-π共轭对各结构部位的影响CCOOHHδ+δ-亲核加成活性：羧基酮基醛基OH的酸性:羧基酚羟基醇羟基α－H的活性：羧基酮基醛基羧酸的结构及化学性质分析羰基－H，有弱酸性，可取代H有酸性羰基不饱和,可加成、还原OH可被取代羧基可脱去CO2CHCOOHRHRCOOHB:RCOORCOORCOO几种活泼氢的酸性比较RCOOHArOHROH羧酸酚醇pKa～5～10～16－19羧酸根负离子的离域性与稳定性（一）羧酸的酸性（OH键的离解）羧基负离子比RCH2O-稳定乙酸:Ka=1.75×10-5,pKa=4.76甲酸:Ka=2.1×10-4,pKa=3.75其他一元羧酸的Ka在1.1～1.8×10-5之间,pKa在4.7－5之间羧酸的酸性强弱用解离常数Ka或pKa表示。Ka愈大（或pKa愈小），其酸性就越强：由于ph的吸电子效应,芳香酸的酸性一般较相应的的脂肪酸要强CH3—COOHph—COOHpKa4.764.19（1）饱和脂肪酸：碳原子数越多（支化度愈高），酸性越小。（2）芳香酸的酸性较同碳原子的脂肪酸要强。（3）同碳数的二元酸比一元酸强。pKaHCl、H2SO-7苦味酸0.17H3PO40-0.3羧酸3-5H2CO36.37酚10-11RSH12环戊二烯15H2O15.7ROH16-19HC≡CH25RH50不同类型化合物酸性的相对次序鉴别分离羧酸盐的性质1.羧酸盐是离子化合物2.羧酸碱金属盐的水溶度羧酸应用：分离、提纯、鉴别提高药物的水溶性羧酸衍生物酰卤酸酐酯酰胺RCOOHRCOXRCOORCOOR'RCONH2(R)CRO羧酸（二）羟基的取代反应——羧酸衍生物的生成COZZ=X、OR、OCOR、NH2(R)；Z=H、C1.酯的生成(酯化反应)酯化反应特点：(1)反应需要H+催化，无催化剂时反应很慢。(2)反应可逆(加大反应物用量或除去水可提高酯的产率)酯化反应机理的讨论的问题：a.反应可逆性b.H+在反应中起什么的作用？c.酯中OR｀中O的来自于酸还是醇？RCOOR'RCOOHHOR'H2O++H+酯化反应脱水的方式：RCOOR'RCOOHHOR'H2O++H+HOR'RCOOR'RCOOHHOR'H2O++H+HOR'(Ⅰ)型酯化(Ⅱ)型酯化酰氧键断裂脱水烷氧键断裂脱水(1)Ⅰ型酯化(酰氧键的断裂—酸去羟基醇去氢)注意：逆反应为酯的酸性水解机理RCOOR'RCOOHHOR'-H2OHRCOHOH亲核加成RCOHOHHOR'RCOHOHOR'HRCOOR'RCOHOHHH2O+H3OH+先与羧基羰基氧结合（增强了羧基的亲电性）OR'上的氧原子来自于醇限速步骤通过酰基上的亲核加成Ⅰ型酯化的证据(a)同位素标记法(无H218O生成)C2H5SHSC2H5(无H2S生成)(b)动力学证据酯化反应相对速率HCO2HCH3CO2HRCH2CO2HR2CHCO2HR3CCO2HCH3OHC2H5OH1。ROH　2。ROH（　3。ROH）(2)Ⅱ型酯化(烷氧键的断裂—醇去羟基酸去氢)通过烷基碳正离子中间体H+先与醇羟基氧结合羧基中羟基氧作为亲核试剂，OR'上的氧原子来自于酸HOR'H2OR'-H2OR'RCOOHRCOOHR'RCOOR'RCOOR'HHH2O+H3OHOR'H2OR'-H2OR'RCOOHRCOOHR'RCOOR'RCOOR'HHH2O+H3OⅡ型酯化的证据(a)同位素标记法(有H218O生成)(有H2S生成)RCOOH+HO18Bu-tRCOBu-t+H218OORCOOH+HSBu-tRCOBu-t+H2SOHAHA结论：伯醇、仲醇经机理(Ⅰ)酯化叔醇经机理(Ⅱ)酯化(关键：R+稳定，较易生成)3.酰卤的生成酰(基)氯比较:醇类的卤代羧酸羟基的卤代与醇类的卤代有相似性RCOOHRCOClSOCl2PCl3PCl5RCOOHPBr3RCOBrROHSOCl2RClPBr3RBr低沸点的酰氯用PC13；高沸点的酰氯则用PC15；SOCl2法合成时副产物都是气体，因此对上述两种情况都可采用。+SO2↑＋HCl↑H3PO3POCl3+HCl↑2.酸酐的生成RCH2COOHRCH2COOCCH2ROP2O52+H2O强除水剂酸酐4.酰胺的生成注意：合成上一般通过活泼的羧酸衍生物（酰氯或酸酐）来制备酰胺RCOOHNH3R'NH2RCOONH4RCONH2RCOONH3R-H2ORCONHR100oC180~190oC-H2OR'NH2RCONHR'RCOClRCOOCRORCOOHSOCl2P2O51.通过脂肪羧酸钠盐脱羧RCOOH(1)NaOH(2)RHCO2+产率一般较低(三)羧酸的脱羧反应-碳上连有吸电子基团较易脱羧CClClClＣＯＯＨＣＨＣｌ3+CO23.β-位有不饱和基团时易发生脱羧-酮酸或,g-烯酸的脱羧ROHOOR'RROR'RHCO2+COOHRRCO2+Hg注意比较产物与原料的双键的位置二元羧酸热解规律柏郎克规则2-3C二元酸脱羧---------生成少一个碳原子的一元酸4-5C二元羧酸脱水----------生成环状酸酐6-7C二元羧酸脱水和脱羧-----生成少一个碳原子的环酮8C及以上的二元羧酸分子间脱水---------------形成高分子的酸酐二元羧酸的热解反应℃CO＋H2O△150℃升华200℃正常反应:形成环状酸酐COOHCOOHOOOCOOHCOOHOOO+H2O+H2O(2)4-5C的二元羧酸受热则脱水生成环状（5-6元）酸酐加热反应即发生常用的脱水剂：AcCl、Ac2O、PCl5、POCl3、P2O5等(3)6-7C的二元羧酸受热发生脱水并脱羧生成环酮（5-6元）形成少一个碳的环酮COOHCOOHCOOHCOOH+H2OO+CO2O+H2O+CO2加热反应即发生典型化合物(自学)完成下列反应+HOOCCH2COOHCH3COOHCO2。150CCOOHCOOHOOOCOOHCOOHOOO+CO2OOOCCCOOHCOOHCOOHCOOHOOOCOOHCOOH-卤代羧酸RHCCOOHHX2/PorSRHCCOOHXX=Br,Cl(四)羧酸－H的反应——Hell－Volhard－ZelinskyReaction(H-V-Z反应，赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应)第二节取代羧酸一、分类和命名羧酸分子中烃基上的氢原子被其他原子或基团取代而成的化合物——取代羧酸根据取代基的种类可分为卤代酸羟基酸羰基酸(氧代酸)氨基酸醇酸酚酸醛酸酮酸取代羧酸CH2COOHClCH3CHCOOHOHClCOOHCH3CCOOHOCH3CHCOOHNH2取代酸的系统命名法是以羧酸为母体，卤素、羟基、氨基或氧原子等为作为取代基。取代基的位置可用阿拉伯数字或希腊字母表示。羰基酸也可用酮酸或醛酸为母体命名。一些从天然界得到的取代酸也常用俗名。例：CH2CH2COOHIClCH2CH2CH2COOHBrCOOH3-溴苯甲酸(对-溴苯甲酸)3-碘丙酸(-碘丙酸)4-氯丁酸(g－氯丁酸或－氯丁酸)乙酰乙酸草酰乙酸H2NCH2COOHCH2CHCOOHNH2H2NCOOH4-氨基苯甲酸对-氨基苯甲酸氨基乙酸(甘氨酸)-氨基--苯基丙酸(苯丙氨酸)二、取代酸的酸性酸性强弱与分子结构有关。使羧酸负离子稳定性加强的因素可使酸性增强；反之，任何能使羧酸负离子稳定性减弱的因素则使酸性减弱。这些因素包括诱导效应、共轭效应(即电性效应)和立体效应。吸电子取代基提高羧酸负离子稳定性给电子取代基降低羧酸负离子稳定性吸电子（－I效应和－C效应）取代基使酸性增强；给电子（＋I效应和+C效应）取代基使酸性减弱共轭效应的影响－NO2、－CN、－CO2H