有机化学：第十三章羧酸和衍生物

1、有机化学：第十三章羧酸和有机化学：第十三章羧酸和衍生物衍生物羧酸：羧酸： 分子中含有羧基（分子中含有羧基（-COOH）的有机化合物。除甲酸外都）的有机化合物。除甲酸外都可以看作烃分子中的氢原子被羧基取代的烃衍生物。可以看作烃分子中的氢原子被羧基取代的烃衍生物。自然界中存在形式自然界中存在形式以游离态、羧酸盐或羧酸衍生物的形式。以游离态、羧酸盐或羧酸衍生物的形式。取代羧酸：取代羧酸： 羧酸分子中烃基上的的氢原子被其他原子或原子团羧酸分子中烃基上的的氢原子被其他原子或原子团取代后的化合物。取代后的化合物。RCOHOArCOHOor羧酸衍生物：羧酸中羧基上的羟基被取代后的产物。RCOX酰卤酰卤RCO

2、OCRO酸酐酸酐RCOOR酯酯RCONH2(R)酰胺酰胺 羧酸是许多有机化合物氧化的最终产物，常以盐和酯的羧酸是许多有机化合物氧化的最终产物，常以盐和酯的形式广泛存在于自然界，许多羧酸在生物体的代谢过程中起形式广泛存在于自然界，许多羧酸在生物体的代谢过程中起着重要作用。羧酸对于人们的日常生活非常重要，也是重要着重要作用。羧酸对于人们的日常生活非常重要，也是重要的化工原料和有机合成中间体。的化工原料和有机合成中间体。 阿司匹林 （解热镇痛药）青霉素青霉素G G钠钠COOHOCCH3ONOCH2CONHSCH3CH3COONaH2NCOO CH2NC2H5C2H5HCH2+Cl-盐酸普鲁卡因盐酸普

3、鲁卡因扑热息痛扑热息痛OHNHCOCH3一、一、 羧酸的结构、分类和命名羧酸的结构、分类和命名（一）羧酸的结构（一）羧酸的结构两个碳氧键两个碳氧键不等长，部不等长，部分离域。分离域。两个碳氧键两个碳氧键等长，完全等长，完全离域。离域。羧酸和羧酸根的结构比较羧酸和羧酸根的结构比较（二）羧酸的分类和命名（二）羧酸的分类和命名按按R R不同分类：脂肪、脂环、芳香羧酸不同分类：脂肪、脂环、芳香羧酸HCOOHCH3(CH2)16COOHCOOHCOOHCH2COOH 分类分类按按-COOH-COOH多少分类多少分类: : 一元酸和多元酸一元酸和多元酸CH2COOHCH2COOHCOOHCOOHCCHCO

4、OHHHOOCCCHCOOHHHOOC 命名命名俗名俗名HCOOH 蚁酸蚁酸 Formic acidCH3COOH 醋酸醋酸 Acetic acidHOOCCOOH 草酸草酸 Oxalic acidHOOCC2H4COOH 琥珀酸琥珀酸 Succinic acid C6H5COOH 安息香酸安息香酸 Benzoic acid系统命名（与醛的命名相同）系统命名（与醛的命名相同）（1）选主链：选择含有羧基在内的最长碳链作为主链。）选主链：选择含有羧基在内的最长碳链作为主链。（2）编号：从羧基碳原子开始用阿拉伯数字编号，按所含碳原）编号：从羧基碳原子开始用阿拉伯数字编号，按所含碳原子数目称为某酸，取

5、代基名称及位次写在某酸之前。子数目称为某酸，取代基名称及位次写在某酸之前。（3）简单的酸酸，常用希腊字母表明取代基的位置，从羧基相）简单的酸酸，常用希腊字母表明取代基的位置，从羧基相邻碳原子开始编号为邻碳原子开始编号为 ，依次为，依次为 、 、 等，将编号写在取代基名等，将编号写在取代基名称前面。称前面。 - -环己基丁酸环己基丁酸(4-(4-环己基丁酸）环己基丁酸）CH2CH2CH2COOHCH3CH2CHCH2COOHCH3 - -甲基戊酸甲基戊酸(3-(3-甲基戊酸甲基戊酸) )CH3CHCOOHCOOHC2H5邻乙基苯甲酸邻乙基苯甲酸2-2-苯基丙酸苯基丙酸二、二、 羧酸的物理性质羧酸

6、的物理性质 羧酸的沸点随着相对分子质量的增加而升高。液态脂肪酸以二羧酸的沸点随着相对分子质量的增加而升高。液态脂肪酸以二聚体形式存在。所以羧酸的沸点比相对分子质量相当的醇要高。聚体形式存在。所以羧酸的沸点比相对分子质量相当的醇要高。 所有的二元酸都是结晶化合物。所有的二元酸都是结晶化合物。 常温下，低级脂肪酸是液体，可溶于水，具有刺鼻的气味。常温下，低级脂肪酸是液体，可溶于水，具有刺鼻的气味。中级脂肪酸也是液体，部分地溶于水，具有难闻的气味。中级脂肪酸也是液体，部分地溶于水，具有难闻的气味。 高级脂高级脂肪酸是蜡状固体，无味，在水中溶解度不大。肪酸是蜡状固体，无味，在水中溶解度不大。CROOH

7、HOCO.R三、三、 羧酸的化学反应羧酸的化学反应R C O HO酸性酸性羟基的取代羟基的取代羰基的亲核加羰基的亲核加成，还原。成，还原。H+RCOOHRCOO+-（一）羧酸的酸性与成盐（一）羧酸的酸性与成盐CROCROOOP-P- 共轭共轭 羧酸羧酸 pKapKa：4 45 5（碳酸（碳酸 6.35, 6.35, 苯酚苯酚 1010） H2ORCOOHRCOONa+NaOH+H2ORCOOHRCOONa+NaHCO3+CO2+ （鉴别羧酸和酚）（鉴别羧酸和酚）1. 1. 吸电子基使酸性增大。吸电子基使酸性增大。2.2.吸电子基吸电子基(-X)(-X)离离COOHCOOH越近，酸性越大。越近，

8、酸性越大。3. 3. 给电子基使酸性降低。给电子基使酸性降低。其它基团对酸性的影响其它基团对酸性的影响: :COOHCH2COOHNO2COOHClCOOH pKa 3.40 4.03 4.20 4.31 （甲酸（甲酸pKa=3.75; 乙酸）乙酸） 取代基具有吸电子效应时，酸性强弱顺序为：取代基具有吸电子效应时，酸性强弱顺序为： 邻邻 对对 间间取代基具有给电子效应时，酸性强弱顺序为：取代基具有给电子效应时，酸性强弱顺序为： 邻邻 间间 对对具体分析：具体分析： 邻邻 位（诱导、共轭、氢键效应、空间效应位（诱导、共轭、氢键效应、空间效应 均要考虑。）均要考虑。） 对对 位（诱导很小、共轭为主

9、。）位（诱导很小、共轭为主。） 间间 位（诱导为主、共轭很小。）位（诱导为主、共轭很小。） 芳环上取代基位置的不同对酸性的影响芳环上取代基位置的不同对酸性的影响: :COOHOHCOOHCOOHOHOHCOOHNO2COOHCOOHNO2NO2二元羧酸的酸性比较二元羧酸的酸性比较: :1. 1. 两个羧基的距离越短两个羧基的距离越短, ,酸性越强。酸性越强。2.2.一般二元羧酸的酸性大于一元羧酸。一般二元羧酸的酸性大于一元羧酸。 草酸草酸 丙二酸丙二酸 丁二酸丁二酸（二）羧酸的还原（二）羧酸的还原 羧酸在一般条件下不易被还原，只能被强烈的还原剂羧酸在一般条件下不易被还原，只能被强烈的还原剂还原

10、还原( (LiAlH4) )或高温高压下催化剂加氢。或高温高压下催化剂加氢。CH3COOH + LiAlH41)无水乙醚2）水解CH3CH2OHCH3OCH3OCOOH+ LiAlH41)无水乙醚2）水解CH3OCH3OCH2OH（三）羧酸衍生物的生成（三）羧酸衍生物的生成COROHCORXCOCORORCORORCORNH2 酰卤酰卤 酸酐酸酐羧酸酯羧酸酯 酰胺酰胺 1. 1. 酰卤的生成酰卤的生成 羧酸与羧酸与PX3 、PCl5(X=Cl、Br)、SOCl2反应反应 注：注：HX不能与羧酸反应生成酰卤不能与羧酸反应生成酰卤 。CH3COOH + PCl33CH3COCl + H3PO33+

11、PCl5+ POCl3COOHCOCl+ClH(CH3)2CHCH2COOH+SOCl2(CH3)2CHCH2COCl+SO2+ClH 应用：酰卤的反应活性比较高，广泛应于药物合成中应用：酰卤的反应活性比较高，广泛应于药物合成中 。2. 2. 酸酐的生成酸酐的生成 用用P P2 2O O5 5作脱水剂制备酸酐作脱水剂制备酸酐 H2O+COCH3OHCOHOCH3P2O5COCOCH3OCH3用低沸点酸酐作脱水剂制备较高沸点的酸酐用低沸点酸酐作脱水剂制备较高沸点的酸酐+(CH3CO)2O+COOHCO)2O2 CH3COOH2(能形成五元、六元环酸酐的二元羧酸可直接加热制备酸酐能形成五元、六元环

12、酸酐的二元羧酸可直接加热制备酸酐OHOHOO180。COOOCH2CH2COOHCH2COOHH2O3000COOO3.酯的生成酯的生成反应条件：无水反应条件：无水HCl、浓、浓H2SO4、苯磺酸。、苯磺酸。H2O+HOR+COROHCORORH+H2O+H+COOHCOH+OCH3O CH318184. 4. 酰胺的生成酰胺的生成 RCOOHNH3RCOONH4H2OCONH2R 酰胺是一类重要的化合物，许多药物和化工产品中都酰胺是一类重要的化合物，许多药物和化工产品中都含有酰胺键。含有酰胺键。 （四）（四） 羧酸的脱羧反应羧酸的脱羧反应羧酸失去羧基放出羧酸失去羧基放出CO2的反应称为脱羧反

13、应。的反应称为脱羧反应。RCOOHCO2RH（难）（难） CH3COOHCH3COONaCaOCH4,NaOH+Na2CO3NaOHCaO,（较易）（较易）COOHCOOH140160CH3COOHCO2CH2COOHCOOHCH3CH2COOHCO2CH3CH -C-C连有吸电子基时，较易脱羧。连有吸电子基时，较易脱羧。CCl3COOHCCl3H + CO2OC2H5COOHOC2H5二元羧酸受热后，易于脱水、脱羧，生成产物的结构二元羧酸受热后，易于脱水、脱羧，生成产物的结构取决于两个羧基的位置。取决于两个羧基的位置。v1、C2 C3 的羧酸的羧酸v2、C4 C5的羧酸的羧酸v3、C6 C7

14、 的羧酸的羧酸COOHCOOHHCOOH + CO2COOHCOOHCH2CH2CH2CH2+ H2O + CO2OCOOHCOOHCH2CH2OOO+ H2O + CO2（五）（五） 羧酸的羧酸的-H -H 的氯代反应的氯代反应 重要的一元羧酸重要的一元羧酸乙二酸、己二酸、邻苯二甲酸乙二酸、己二酸、邻苯二甲酸 P319 重要的二元羧酸重要的二元羧酸 甲酸、乙酸、丙烯酸甲酸、乙酸、丙烯酸 P3171 1、酰卤和酰胺：按酰基命名、酰卤和酰胺：按酰基命名CH3COCl乙酰氯苯甲酰溴CONH2苯甲酰胺COBr邻邻苯苯二二甲甲酰酰亚亚胺胺CNHCOOCNHCOO第二节：羧酸衍生物第二节：羧酸衍生物一、

15、羧酸衍生物的命名一、羧酸衍生物的命名CH3COHNCH3N-甲甲基基乙乙酰酰胺胺CH3CONC2H5CH3CH3CONC2H5CH3N- -甲甲基基- -N- -乙乙基基乙乙酰酰胺胺 若酰胺氮原子上连有取代基，在取代基前面加字母若酰胺氮原子上连有取代基，在取代基前面加字母“N”N”，表示取代基的位置。表示取代基的位置。 环状内酰胺则用希腊字母标明原氨基的位置，并在环状内酰胺则用希腊字母标明原氨基的位置，并在“酰酰”字前加字前加“内内”字。字。-己内酰胺己内酰胺NHH3CONHOH3C4-甲基甲基-戊内酰胺戊内酰胺2、酸酐：在相对应的羧酸名称后加、酸酐：在相对应的羧酸名称后加“酐酐”，“酸酸”字

16、可以省字可以省略，为某酐。相同羧酸形成的酸酐，略，为某酐。相同羧酸形成的酸酐，“二二”字可以省略；不同字可以省略；不同羧酸形成的酸酐，简单羧酸写在前面，复杂的写在后面。羧酸形成的酸酐，简单羧酸写在前面，复杂的写在后面。CH3COOCCH3O 乙酸酐乙酸酐CH3COOCCH2CH3O 乙丙酸酐乙丙酸酐COCOOCCOOO 邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 苯甲酸酐苯甲酸酐3 3、酯：按水解生成的酸和醇命名，先酸后醇。通常、酯：按水解生成的酸和醇命名，先酸后醇。通常“醇醇”字字省略。省略。CH3COOC2H5 乙酸乙酯乙酸乙酯C2H5OCCOOHO 乙二酸氢乙酯乙二酸氢乙酯COC2H5O 苯甲酸乙酯苯甲酸

17、乙酯二元羧酸与一元醇生成的酯有中性和酸性酯。二元羧酸与一元醇生成的酯有中性和酸性酯。CO2CH2CH3CO2CH2CH3 乙二酸二乙酯乙二酸二乙酯OH3CO 3- 3-甲基甲基- - -丁内酯丁内酯CO2CH3CO2CH2CH3 乙二酸甲乙酯乙二酸甲乙酯CO2CH3CO2CH2CH3 邻苯二甲酸甲乙酯邻苯二甲酸甲乙酯环状内酯则用希腊字母标明原羟基的位置，并在环状内酯则用希腊字母标明原羟基的位置，并在“酯酯”字前字前加加“内内”字。字。二、二、 羧酸衍生物的性质羧酸衍生物的性质1、物理性质、物理性质1.1.气味；气味； 2.2.溶解性；溶解性； 3.3.熔沸点熔沸点2、化学性质、化学性质结构结构

18、。.。.。 。.CRL平面O L L为负性基团为负性基团, ,作为其相应酸的酸性越强，其活性作为其相应酸的酸性越强，其活性越大。越大。故其反应活性顺序一般：酰卤酸酐酯酰胺(1) 酰基的亲核取代反应酰基的亲核取代反应 羧酸衍生物的主要化学性质是可以发生水解、醇解和氨解，羧酸衍生物的主要化学性质是可以发生水解、醇解和氨解，其产物是羧酸衍生物中的酰基取代了水、醇、氨中的氢原子，形其产物是羧酸衍生物中的酰基取代了水、醇、氨中的氢原子，形成羧酸、酯、酰胺等取代产物。成羧酸、酯、酰胺等取代产物。 水解反应水解反应 所有羧酸衍生物都能发生水解生成相应的羧酸。反应所有羧酸衍生物都能发生水解生成相应的羧酸。反应

19、活性：酰卤活性：酰卤 酸酐酸酐 酯酯 酰胺。酰胺。CH3CClOCH3COOH + HCl+ H2OCH3COCOCH32CH3COOH+ H2OORCOOR+ H2OH+ or OH-RCOOH + ROHRCONH2+ H2OOH-RCOOH + NH3 醇解反应醇解反应 羧酸衍生物与醇反应生成酯，称为羧酸衍生物的醇解。羧酸衍生物与醇反应生成酯，称为羧酸衍生物的醇解。 酰卤与醇很快反应生成酯，利用这个反应来制备某些醇或酰卤与醇很快反应生成酯，利用这个反应来制备某些醇或酚不能与羧酸直接生成的酯。酚不能与羧酸直接生成的酯。 用途：用途：CH3CClO+ (CH3)3COHEt2O胺CH3COC

20、(CH3)3O 该反应应用范围较为广泛，酸酐可以与所有的醇或酚反应，生该反应应用范围较为广泛，酸酐可以与所有的醇或酚反应，生成酯和羧酸。成酯和羧酸。CH3COOCOCH3HOPh+H2SO4CH3COOPh CH3COOH+RCOOR ROH+RCOOR ROH+H+ 酯在酸存在下发生醇解反应，生成新的酯和醇，所以酯的醇解又称酯在酸存在下发生醇解反应，生成新的酯和醇，所以酯的醇解又称酯交换反应。有机合成中常用来从低级醇制备高级醇。酯交换反应。有机合成中常用来从低级醇制备高级醇。 ROH+RCOOR + NH3RCONH2氨解反应氨解反应 酰卤、酸酐、酯和酰胺与氨作用生成酰胺的反应称为酰卤、酸酐

21、、酯和酰胺与氨作用生成酰胺的反应称为氨解反应。氨解反应。 由于氨（或胺）的亲核性比水强，因此氨解比水解容易进行。由于氨（或胺）的亲核性比水强，因此氨解比水解容易进行。RCXO NH3+(RNH2、R2NH)RCNH2O+ HX(NHR、NR2)CH3COOCOCH3H2NPh+CH3COHNPh + CH3COOHRCOOR + NH2RRCONHR + ROHRCONH2+ H2NRRCONHR+ NH3 + CH3COCl + HClNH2NHCOCH3与格氏试剂反应与格氏试剂反应 酰卤、酸酐、酯和酰胺都可以与酰卤、酸酐、酯和酰胺都可以与格氏试剂反应格氏试剂反应生成叔醇。生成叔醇。CORO

22、C2H5RMgXCOMgXROC2H5RH2OCORR1,RMgX2,H2OCOHRRRRCOCl + RMgX(1mol) RCOMgXClRH2ORCOR产率不高羧酸衍生物的还原反应羧酸衍生物的还原反应A LiAlH4 酰卤、酸酐和酯被还原成伯醇酰卤、酸酐和酯被还原成伯醇;酰胺和腈被还原成胺。酰胺和腈被还原成胺。C15H31CClOLiAlH4 H2OC15H31CH2OHOOOLiAlH4 H2OCH2OHCH2OHCH3CH=CHCH2COOCH31) LiAlH42) H2OCH3CH=CHCH2CH2OH + CH3OHCN(CH3)2OLiAlH4 H2OCH2N(CH3)2CH

23、2CNLiAlH4 H2OCH2CH2NH2B Na-ROH 酯酯伯醇伯醇CH3CHCHCH2CH2COOC2H5NaC2H5OHCH3CHCHCH2CH2CH2OHC Rosenmund(罗森孟罗森孟)还原法还原法 酰氯酰氯醛醛COClH2 , pd-BaSO4硫 喹啉COH Hofmann(霍夫曼霍夫曼)降解反应降解反应RCNH2ONaOH + Br2RNH2RCNH2OBr2OH-RCNHBrOOH-H2OR-C-NOBr-Br-RCONRNCOH2ORNHCOOH-CO2RNH2Br2NaOHO + 2NH3OOCH2CH2CCOONH4ONH2H2NCH2CH2COO-(二二) 酰基

24、亲核取代反应的机制酰基亲核取代反应的机制CORL HNu+CORNu 羧酸衍生物的水解、醇解和氨（胺）解反应都是发生在羧酸衍生物的水解、醇解和氨（胺）解反应都是发生在酰基碳上的亲核取代反应，其过程是先发生亲核加成，然后消除酰基碳上的亲核取代反应，其过程是先发生亲核加成，然后消除HLHL，其反应通式为：，其反应通式为： HL+ 式中：式中：HNu代表亲核试剂，如代表亲核试剂，如H2O、ROH、NH3等等 ；L代表离去基团，如代表离去基团，如X、OCOR、OR、NH2、NHR、NR2等。等。CORL+Nu-加成CRLO-NuCORNu L-+ 第二步，中间体发生消除反应，形成恢复碳氧双键的取第二步

25、，中间体发生消除反应，形成恢复碳氧双键的取代产物。代产物。 酰基的亲核取代反应分两步进行：酰基的亲核取代反应分两步进行： 第一步，亲核试剂进攻酰基碳，发生亲核加成反应，形第一步，亲核试剂进攻酰基碳，发生亲核加成反应，形成带负电荷的四面体结构的中间体：成带负电荷的四面体结构的中间体： 酰基的亲核取代反应速率，受其分子中的电子效应和空间酰基的亲核取代反应速率，受其分子中的电子效应和空间效应的影响。第一步，亲核加成形成四面体结构的中间体时，效应的影响。第一步，亲核加成形成四面体结构的中间体时，若烃基上有能使中间体稳定，且体积又小的基团存在，则有利若烃基上有能使中间体稳定，且体积又小的基团存在，则有利

26、于亲核加成反应，反应速率就快；反之，不利于加成，反应速于亲核加成反应，反应速率就快；反之，不利于加成，反应速率就慢。第二步消除反应的速率取决于离去基团的碱性，碱性率就慢。第二步消除反应的速率取决于离去基团的碱性，碱性越弱，越利于离去基团离去，反应越易进行。越弱，越利于离去基团离去，反应越易进行。 基团离去顺序：X OCOR OR NH2 羧酸衍生物的水解、醇解和氨（胺）解反应的活性顺序：羧酸衍生物的水解、醇解和氨（胺）解反应的活性顺序：酰卤酰卤 酸酐酸酐 酯酯 酰胺。酰胺。1、 酯的碱性水解酯的碱性水解COROR+OH-加成CRORO-OH消去+ RO-CORO- HOR+ 此反应的第一步是此

27、反应的第一步是OH进攻酰基的羰基碳，形成带负电荷进攻酰基的羰基碳，形成带负电荷的四面体结构的中间体，然后削去烷氧基，羧基质子转移形成的四面体结构的中间体，然后削去烷氧基，羧基质子转移形成醇和负离子。醇和负离子。 反应速率取决于带负电荷的四面体结构中间体的反应速率取决于带负电荷的四面体结构中间体的稳定性，若烃基上有能分散负电荷的吸电子基，则中间体稳定，稳定性，若烃基上有能分散负电荷的吸电子基，则中间体稳定，反应速率就快。反应速率就快。COROH酯的碱性水解是酰氧断裂CH3CH2COOCH3CH2COONa + C2H5OH1818C2H5 NaOH+ 空间因素对中间体的稳定性影响也很大，酰基碳上取代基空间因素对中间体的稳定性影响也很大，酰基碳上取代基多、多、 体积大和烷氧基体积大都使中间体稳定性降低，而反应速体积大和烷氧基体积大都使中间体稳定性降低，而反应速率变慢。率变慢。2、 酯的酸性水解酯的酸性水解+H+RCOOR质子化RCOHOR+H2 2ORCOHOROH2质子转移RCOHOROHHROH消去RCOHOHHRCOOH三、碳酸衍生物三、碳酸衍生物COHOOHCOH2NOHCOClOH 碳酸是两个羟