华中科技大学有机化学第十二章羧酸及其衍生物.pptVIP

第十二章 羧酸及其衍生物 分子中含有羧基(-COOH，carboxyI group)的化合物叫做羧酸 (carboxyIic acid)。羧基是羧酸的官能团，除甲酸(HCOOH)外，羧酸 可看作是烃分子中的氢原子被羧基取代的产物。 羧酸及其衍生物广泛存在于自然界，是生命活动的重要物质。 许多羧酸及其衍生物本身就是重要的临床药物、香料和日用化学品等 ，同时它们也是医药工业和其它有机化学工业的原料或中间体。 12.1 羧酸的结构、命名和物理性质 一、羧酸的结构 羧基是羧酸的官能团。羧基的碳原子是sp2杂化，三个sp2杂化轨道分 别与两个氧原子和一个氢原子或烃基碳原子形成键，键角约为120o。羧 基碳原子上余下的p轨道与氧原子上的p轨道平行并在侧面重叠，形成碳氧 键。羟基氧原子上具有末共用电子对的p轨道与碳氧双键共轭(p,-共轭) 。 由于这种共轭，使得羟基氧原子的电子云向羰基移动，结果一方面使 羰基碳原子的电正性减弱，不利于亲核试剂的进攻；另一方面使羟基氧原 子上的电子云密度降低，使氢原子较易离解。 二、羧酸的命名 根据与羧基相连的烃基的种类，可将羧酸分为芳香族羧酸和脂肪 族羧酸、饱和羧酸和不饱和羧酸；根据羧基数目的不同，又可分为 一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸。 羧酸的系统命名原则与醛类似，即选择含有羧基的最长碳链为 主链，从羧基的碳原子开始编号，用阿拉伯数字表示取代基的位次 。简单的羧酸习惯上也使用希腊字母来编号，从羧基相邻碳原子起 ，分别用、字母表示，末端碳原子用表示。 脂肪族二元羧酸的命名原则是选择含有两个羧基的最长碳链为 主链，根据碳原子的数目叫做某二酸例如： 芳香族羧酸或脂环羧酸，一船把碳环作为取代基来命名。例如： 命名不饱和羧酸时，要选择含有羧基和不饱和键的最长碳链为主 链，按碳原子的数目称为某烯酸。当主链碳原子数目大于10时，称为 某碳烯酸。烯键的位置用阿位伯数字或希腊字母表示，也可用大写希 腊字母“”右上角的阿拉伯数字表示。例如： 羧酸分子中去掉羟基后的基团(RCO)叫做酰基(acyl group)，酰基 根据相应的羧酸来命名。例如：CH3CO-乙酰基，C6H5CO-苯甲酰基。 许多羧酸都有根据其来源的俗名，例如甲酸最初来自蚂蚁因而叫做 蚁酸，乙酸是食醋的主要成分，因而叫做醋酸等。 三、羧酸的物理性质 常见的一元羧酸的物理常数见下表。 在室温下，甲酸、乙酸和丙羧是具有刺激性酸味的液体，丁酸至壬 酸是具有不愉快气味的油状液体，C10以上的直链饱和一元羧酸为无味的 蜡状固体。二元羧酸和芳香族羧酸为结晶固体。 羧酸与水分子之间能形成氢键，因而甲酸至丁酸能与水互溶。随着 碳原子数的增加，羧酸在水中的溶解度逐渐减小。C10以上的一元羧酸不 溶于水，但一元脂肪酸都可溶于乙醚、乙醇等有机溶剂。低级的二元羧 酸可溶于水而不溶于乙醚，但水溶性也随碳链的增加而降低。 直链饱和一元羧酸的沸点比分子量相近的醇高。例如甲酸和乙醇的 分子量都是46，沸点分别是100.7和78.3，乙酸和丙醇的分子量都是 60，沸点分别为117.9和97.2。这是由于羧酸分子间能形成比醇分子 间更强的氢键的缘故。实验测得分子量较小的羧酸甲酸、乙酸等，即使 在气态时也以二缔体的形式存在。 10.2 羧酸的化学性质 一、酸性 由于p,-共轭效应的影响，羧基中羟基上的氢易于离解。在羧 酸的水溶液中存在着下列电离平衡： Ka或pKa值的大小反映羧酸酸性的强弱，Ka值越大或pKa值越小 ，酸性越强。一些一元羧酸的pKa值见上表。 电子衍射实验证明，羧酸根负离子中的两个C-O键是完全等同的 ，其键长为126pm左右。因此羧酸根的结构式可用共振式表示为： 由于负电荷分散在共轭体系中，羧酸根负离子与相应的烷氧基 负离子相比有大得多的稳定性，因此羧酸的酸性比醇强得多。但羧 酸仍是一种弱酸，一元饱和脂肪族羧酸的pKa值一般在35之间。 羧酸可与金属氧化物、氢氧化物作用生成盐。 利用羧酸和碱的中和反应，可以定量测定羧酸的含量和羧基的数目。 羧酸的酸性比碳酸强，因而羧酸能与碳酸盐或碳酸氢盐作用形成羧酸盐 并放出二氧化碳。 用强酸酸化羧酸盐可使羧酸游离出来。由于羧酸的碱金属盐都 溶于水，因而可利用这个性质使羧酸与其它不溶于水的中性有机物 分离。一般的酚不溶于NaHCO3溶液，因而可以利用羧酸与 NaHCO3生成水溶性羧酸钠盐而与酚分离。 由于羧酸钠和钾盐的水溶性，制药工业常把含有羧基的药物变 成盐，使不溶于水的药物变成水溶性的。例如青霉素G分子中含有 羧基，一般将它制成钠盐或钾盐供临床注射。 二、羧酸衍生物的生成 羧基中的羰基可以和一些亲核试剂起亲核加成-消去反应，反应的 实际结果相当于羧基中的羟基被亲核基团取代，生成羧酸衍生物。 1. 生成酰卤 酰卤是高度活泼的羧酸衍生物，有机合成中常用酰卤作为酰化剂。 将羧酸转变为酰卤常用的试剂是三氯化磷、五氯化磷和亚硫酰氯(氯化亚 砜)等。 2生成酸酐 除甲酸外，二分子羧酸可脱水形成酸酐。脱水反应一般在较高的温 度下进行，有时可加入适当的脱水剂五氧化二磷或乙酸酐等。例如： 生成酸酐的反应机理是一分子羧酸对另一分子羧酸的亲核加成-消去反应 3生成酯 羧酸和醇或在强酸(硫酸，对甲苯磺酸等)催化下分子间脱水生成酯 ，这个反应叫做酯化反应(esterification)。 酯化反应是可逆反应。为了提高产率，一般采用的方法是增加某一 种反应物的用量，或不断从体系中移去某一种产物。 实验证明，羧酸酯化时生成的水分子中的氧原子一般是来自羧酸的 羟基。例如，用同位素标记的醇与羧酸反应，其结果是同位素标记的氧 原子留在酯分子中。 羧酸和硫醇作用脱去水而不是硫化氢 一般认为酯化反应的机理是醇与羧酸的亲核加成-消去反应。 反应中H+促使酯化反应加速进行。 在整个酯化反应过程中，醇对质子化的羰基亲核加成的一步是反 应速度决定步骤，因此当羧酸和醇的-碳原子上烃基增加时，由于空 间位阻，酯化反应的速度明显降低。 4生成酰胺 羧酸与氨反应得到羧酸的铵盐，将羧酸的铵盐加热可使其脱水得 到酰胺。例如 工业上应用这个反应合成聚酰胺纤维： 三、还原反应 羧酸是许多有机物氧化的最终产物，性质稳定，催化加氢和一般的还 原剂都不能使羧酸还原。但用氢化铝锂可以顺利地将羧酸还原成伯醇。 由于LiAIH4价格昂贵且使用不便，常用间接的方法使羧酸还原 ，即先把羧酸转变成酯然后再用适当的还原剂还原。 四、-卤代反应 脂肪族羧酸中的-氢在红磷的催化下能被卤素取代。例如 五、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(decarboxylation)。 一元羧酸的碱金属盐与碱石灰共热，放出二氧化碳，生成比原羧酸少一个 碳原子的烃。 若-碳原子上连有强吸电子基，脱羧反应很易进行。例如-酮 酸，,-不饱和羧酸等很容易脱羧。 认为它们是经过一环状六中心 的过渡状态，可促使脱羧进行。 羧酸的钙、钡、铅盐强烈加热时，发生部分脱羧反应，生成酮： 六、二元羧酸受热的反应 二元羧酸受热易脱水、脱羧，生成产物的结构取决于两个 羧基的相对位置。无水草酸在加热时脱羧生成甲酸。 丙二酸及烃基取代的丙二酸加热到熔点以上时脱羧生成乙酸或取代乙酸； 丁二酸和戊二酸在单独加热或与乙酐共热时，脱水生成环酐 己二酸和庚二酸受热时同时发生脱水和脱羧，生成较为稳定的 五元环或六元环酮。 庚二酸以上的二元酸，高温时发生分子间的脱水反应，形成高分子 链状聚酐。 七. 失羧卤化 将羧酸与Ag2O反应得羧酸的银盐，然后加等摩尔的溴或碘，在无水四 氯化碳中回流即可失羧，得到溴代或碘代烷（Hunsdiecker反应）。 产率以一级卤代烃高，特别适合用天然的偶数羧酸制备奇数卤代 烷烃。 其反应机理为： 银盐较贵且难以得到无水的，后来有改进的方法 (Cristol反应): 另一方法是将羧酸与四乙酸铅、锂的卤化物(LiCl，LiBr或LiI)一 起反应，即可失羧，得到相应的卤代烷（Kochi反应)。 Kochi反应便宜，对一级，二级，三级卤化烷的产率均好。 10.3 羧酸的合成反应 1. 烯或炔烃的氧化。 2. 醇或醛的氧化。 3. 烷基苯的侧链氧化。 4. 甲基酮的氧化(卤仿反应)。 5. 腈化合物的水解。 6. 格氏试剂与二氧化碳反应。 7. 苯酚钠盐与二氧化碳反应。 9.4 羧酸衍生物的结构与命名 1.羧酸衍生物的结构 羧酸衍生物的结构通式为RCOL （L OR , NH2, NHR , NR2, X, OCOR等)这些化合物都具有酰基(RCO)，因此又称酰基化合物它们的 结构与羧酸相似，都具有羰基的键。并与L的一对未共用电子共扼其电 子共轭与共振式如下： 原子与羰基共轭的大小次序为 NH2ORX，与原子的给电子大小一 致。因此酰卤最活泼，酰胺最不活泼。 2. 羧酸衍生物的命名 羧酸衍生物主要包括酰卤(acid halide)、酸酐(anhydride)、酯 (ester)和酰胺(amide) 酰卤和酰胺按照相应的酰基命名，酸酐根据形成酐的羧酸命名，酯 则按照形成酯的羧酸和醇来命名。例如： 命名含有多官能团的羧酸衍生物时，要先确定主官能团并写出主官 能团为母体的名称，然后把其它官能团作为取代基，连同它们在母体碳 架上的位次写在母体名称之前。 常见羧酸衍生物功能基作为取代基的名称如下： 3. 酸衍生物的物理性质 一些羧酸衍生物的物理性质见下表。 C14以下的直链酰氯、甲酯和乙酯在室温下为液体。壬酸酐以上的酸酐 在室温下是固体。 甲酯、乙酯和酰氯的沸点比相应的羧酸低，酸酐和酰胺的沸点比相应 的羧酸高。除甲酰胺外，其它的酰胺RCONH2在室温下都是固体。 具有氢键给予体(N-H)和氢键受体(C=O)的酰胺可以通过氢键互相缔合 ： 在N-取代酰胺分子中，由于氮原子上一个氢原子被烃基取代， 使缔合程度减小，沸点降低。N,N-二取代酰胺分子中没有N-H键 ，不能通过氢键缔合，因而沸点进一步降低。例如甲酰胺、N-甲 基甲酰胺和N,N-二甲基甲酰胺的沸点分别为210.5、185和 153。 羧酸衍生物能溶于一般有机溶剂。低级的酰卤和酸酐极易被水解，酯一般不 溶于水。酰胺能与水分子缔合，因而低级酰胺能溶于水，如甲酰胺、N-甲基甲酰 胺、N,N-二甲基甲酰胺能与水互溶。 低级的酰氯和酸酐都有刺激性气味。酯常有愉快的水果香味，例如乙酸异戊酯 有香焦香味，丙酸异丙酯有梅子味，因此酯类是重要的香科。 10.5 羧酸衍生物的反应 按酸衍生物的反应主要有羰基的亲核加成消除反应、涉及-氢的反 应、酯的热裂消除反应与涉及酰胺氮上氢的反应。 1羧基中羰基的亲核加成与消除反应 羧酸及其衍生物(酯、酰胺、酰氯、酸酐)间不仅可以相互转化，而且 可以转化成醛、酮等。 所有这些反应都可以归纳为羧酸及其衍生物的取代反应(或称为置换反应) 羧酸衍生物羰基的亲核加成与消除反应的历程和羧酸的酯化 反历程相同。首先亲核试剂加到羰基碳上，形成含负氧离子的中间 体，然后消除一个基团，得到取代(置换)产物。如： 离去基团碱性碱性越小越容易离去，反应越容易向生成产 物方向进行。羧酸衍生物离去基团的碱性顺序是： 羧酸衍生物的稳定性与L给电子共轭效应大小有关。若给电子共轭 效应大，则羧酸衍生物偶极共振式的稳定性增加，化合物稳定。 因此从按酸衍生物稳定性与离去基团的碱性可以推断它的 亲核加成与消除反应的活性顺序 (1)水解反应 所有羧酸衍生物都能水解成羧酸。 酰卤和酸酐由于本身稳定性差，离去基因X-和RCOO-碱性很弱，所 以都很活泼。当分子量不大时，与水反应很激烈；随着分子量增大，在 水中溶解度降低，反应逐渐减慢。 酯、酰胺、腈由于自身稳定较高，与水反应很慢，但在强酸或强碱作 用下，可加快水解反应。反应历程如下： 酰卤与酸酐的水解反应不需酸碱作用即可迅速进行，加入叔胺的目的 在于除去反应产生的HX等，减少副反应，当然也有促进反应的作用。它 们的反应历程与上述相同。 但是对空间位阻特别大的化合物如2,4,6-三甲基苯甲酸乙酯， 按一般酸碱催化水解是不行的，而是将其加在浓硫酸中、溶解后再 加水水解。它不是按上述历程进行，而是按类似SN1机理先形成羰 基正碳离子再与水作用得羧酸 在油脂工业中常用碱(NaOH)来水解饱和的长链羧酸酯，得到饱 和的长链羧酸钠盐用以制肥皂，所以酯的碱性水解又称为皂化。 (2)醇解反应 羧酸衍生物与醇反应得酯。酰氯、酸酐与醇、酚反应得到酯 酯与醇的反应又称为酯交换反应，这个反应也需在酸或碱催化下加 热得到新的酯和新的醇。反应是可逆的，常用除去某一产物或增大其中 一个反应物使平衡向右移动。这里碱催化的碱不能用碱的水溶液。 伯醇的酯交换反应的容易进行，上面的就是工业生产中的实际例子 。该反应用于叔醇与酚，则不成功。 酰胺与醇的反应在强酸作用下，生成酯与铵盐。由于铵盐是稳定的 ，所以该反应是不可逆的。由于酰胺比酯更稳定，离去基团NH3的碱性 比醇强，所以与醇在碱(醇钠)作用下生成酯是困难的。 许多酰胺与醇的作用在生物体内显示出重要的生理活性，如辅酶 NADP中的尼古丁酰胺盐可将吸人体内的乙醇氧化成乙酸，起到解除乙 醇中毒的作用。我们熟知的青霉素分子中就含有-丙内酰胺环，它的抗 菌作用就是-内酰胺环的酰胺键与细胞壁上丝氨酸的羟基作用，使酰胺 键断裂形成新的碳氧键(相当于酯)，使转肽酶失活，达到抑制细胞壁的 合成而使生长中的细菌死亡，其基本化学过程如下： (3)与氨(胺)的反应 羧酸衍生物与NH3，RNH2(伯胺)，R2NH(仲胺)反应生成相应的酰胺。与 叔胺R3N反应得不到酰胺。 酰氯和酸酐与氨或胺(伯胺或仲胺）生成酰胺和铵盐。为减少反应物胺的 消耗量，常在反应体系中加入碱(如NaOH)，就可用等摩尔的胺与酰氯、酸 酐反应。 酯与氨、伯胺或仲胺反应得到酰胺和醇，反应条件比较温和，特别 是那些难以制备酰氯或酸酐的羧酸，可用此法合成酰胺。如： 酰胺可与伯胺及仲胺的铵盐加热发生交换反应，由于RNH2，R2NH 碱性大于NH3，所以酰胺的交换反应可用来制备N-取代酰胺，如： 腈在三氯化铝作用下可与氨发生加成反应生成脒。 (4)羧酸与羧酸衍生物发生交换反应 用来制备酸酐 由高沸点酰氯制低沸点酰氯 制备纯净的二元酸单酯 常利用酰胺或尿素来与羧酸反应制酰胺。 (5)与金属氢化物的反应及其他还原反应 氢化铝锂可以还原酰氯、酸酐、酯成为伯醇，还原酰氯、腈为胺。 反应是以亲核加成与消除历程进行： L不为胺基。 对于酰胺，其反应历程有些不同，离去基团不是NH2-，而是氧化物。 硼氢化钠NaBH4的还原活性较LiAIH4低，只能还原酰氯与酸 酐，不能还原羧酸与其他羧酸衍生物。 二硼烷(BH3)2不能还原最活泼的酰氯，但却能还原羧酸与其他羧 酸衍生物。 NaBH4与LiAIH4不能还原烯与炔，但二硼烷却可以。 用部分中毒的铂催化剂，可将酰氯还原成醛而不影响酯基（ Rosenmund还原）。 在实验室还可用金属钠与醇来还原酯为醇，用二氯化锡与氯 化氢在乙醚或乙酸乙酯中还原芳香酯为醛。 （6）与有机金属化合物的反应 有机金属化合物是一种强亲核试剂，与羧酸衍生物可发生羰基的亲核 加成与消除反应生成酮，有的金属有机化合物还可进一步反应得到醇， 而且反应不可逆。 烃基锂还可与羧酸反应，再经水解得到酮，这是格氏试剂所不及的。 2羧酸衍生物-氢的酸性与涉及-氢的酰基化与烷基化 -氢的酸性与涉及-氢的缩合反应是有机合成中很重要的内容，因为它 可形成碳碳键，是合成碳骨架很重要的反应。 (1)羧酸衍生物-氢的酸性 羧酸衍生物与醛、酮类似，它们的-氢也具有弱酸性其pKa值如下 若用二异丙基胺化锂(LDA)与乙酸乙酯反应，同时在低温(-78) 下防止酯的烯醇负离子继续反应，几乎可将酯全部转化成酯的烯醇 负离子。 （2）克莱森(Claisen)酯缩合反应 含一个-氢的酯用醇钠处理，不利于产物形成，因为第三步产物中 没有比乙醇酸性强的-氢。 若用比醇钠更强的碱，如三苯甲基钠、氨基化钠、二异丙基胺化钠 (LDA)等，则可使反应成为有利于产物的反应，这样异丁酸乙酯也可以 进行Claisen缩合。 当用两种不同的含-氢的酯进行克莱森酯缩合时，得到4种缩合 产物，由于分离困难，无实用价值。但可以选用一个有-氢的酯与 另一个无-氢的酯进行交叉酯缩合反应，若控制得当、可主要得到 一种混合酯的缩合产物。如： 当将具有-氢的酯与酮一起用强碱处理时，所得主要产物是酮的烯醇 负离子与酯发生亲核加成消除反应形成-碳酰化的酮: -二酮。这是由于 酮的- 氢(pKa19)比酯的- 酸性(pKa25)大，同时生成的-二酮也是4种 可能产物中酸性最大的(pKa9)，所以在4种可能的缩合方式中，按上述方 式进行是平衡最有利的。 若将具有-氢的酯单独与强碱如LDA在低温(-78)下处理，得到酯 的烯醇负离子，然后加入酮或酰氯，可分别得到酮的亲核加成产物和酰 氯的亲核加成与消除产物。如： 具有-氢的腈、羧酸盐与N,N-二取代酰胺在适当的强碱(如三 苯甲基钠、LDA 、金属钠)的作用下形成-负碳离子，可与酯发生 亲核加成与消除反应，得到-碳原子上的酰基化产物。 (3) 具有-氢的酯、腈、羧酸盐在强碱作用下，与卤代烷发生烷基化反应 3酯的热裂消除反应 酯以气相或液相通过充填玻璃球的300500高温的反应管， 可以发生消除反应，形成烯与羧酸。该反应是合成烯的一种方法。 现认为该反应历程是协同反应，经过六中心环状过渡状态进行的。 若有两种以上消除反应的方向，则形成两种以上烯的比例与 酯基旁两种以上氢数目的比例基本相同。如： 该反应的立体化学与E2反式消除不同，它是顺式消除，即消除时反 应物分子处于纽曼投影式的重叠式构象，消除的氢和羧基在同侧。这一 结论被下列反应所证实： 由于两个苯环重叠在一起，空间位阻太大，必须按交错重叠顺式消 除，所以得到的产物均为反-1,2-二苯乙烯, 但一个消除的是CH3COOD, 另一为CH3COOH。 4涉及酰胺氮上氢的反应 酰胺由于其羰基吸引电子，氮上氢的酸性(如乙酰胺的氮上氢的pKa为 17)比氨(pKa34)强，与醇相近，所以酰胺可以用醇钠处理，得到酰胺盐： 而酰亚胺由于有2个羰基吸电子，氮上氢的酸性更强，比碳酸高 (pKa6.35), 所以邻苯二甲酰亚胺可用K2CO3处理，得到邻苯二甲酰亚 胺的钾盐： 酰胺用醇钠处理可得到亲核性较强的酰胺氮负离子，它可与酯、卤代 烷发生氮上的酰化与烷基化反应得到N-酰基、N-烷基的酰胺。Gabriel 反应就是酰胺氮上烷基化反应的典型代表，也是实验室制备伯胺的重要 方法。 由于酰胺羰基吸电子，酰胺氨基的碱性与亲核性都比胺低，不能与 强酸形成铵盐，而是质子与酰胺羰基氧结合成佯盐，也较胺难以酰基化 及烷基化，但可以与酰氯发生酰化形成酰亚胺。 由于酰胺氮上氢的活泼性，酰胺可以用强脱水剂如P2O5， SOCl2或酸酐脱水形成腈，这是实验室制备腈的一种方法。 酰胺用溴或氯与碱水溶液处理、可以发生降解失去羰基得到胺 。此反应为霍夫曼(Hofmann)重排。其历程如下： 实验证明这一重排是分子内重排，而且R的迁移和Br的离去是 协同进行的。如下面的反应： 10.6 类 脂 用极性很小的溶剂如乙醚、氯仿、石油醚或苯等萃取生物组织时，常 有部分物质被溶解，这部分被溶