课件：第十一、十二章羧酸及其衍生物.ppt

Chapter 11、12,羧酸及其衍生物,羟基酸,羰基酸,氨基酸,羧基 连在Ar或R上都可,羧酸分子中烃基上的氢被取代后的产物称取代羧酸。,取代羧酸,羧酸衍生物,DHA,DHA怎么补？,DHA，二十二碳六烯酸（docosahexenoic acid ），俗称脑黄金，是一种对人体非常重要的多不饱和脂肪酸，属于Omega-3不饱和脂肪酸家族中的重要成员。DHA是神经系统细胞生长及维持的一种主要元素，是大脑和视网膜的重要构成成分，在人体大脑皮层中含量高达20%，在眼睛视网膜中所占比例最大，约占50%，因此，对胎婴儿智力和视力发育至关重要。,网络疯传可怕隐翅虫,近日，一条关于隐翅虫的消息在网络上疯传：“全球发出警示！隐翅虫，在你身上时绝对不要打，它身上有毒液，接触到皮肤，就死定了！” 专家提示： 若隐翅虫停留在皮肤上，应用嘴吹气将其吹走，然后用清水洗净接触隐翅虫的皮肤。为防止隐翅虫皮炎的发生，要注意保持卫生，清除住宅周边垃圾及杂草等滋生地，夏天要注意关好门窗，熄灭室内灯光。,隐翅虫，因翅膀不可见而得名，属昆虫纲，鞘翅目，隐翅虫科。自然界中的隐翅虫约有250多种，其中，毒隐翅虫体内有强酸性毒液对人有威胁。,乙酸（醋酸）,第一节 羧酸(carboxylic acids),一、羧酸的分类、命名和结构,第一节 羧酸,(一) 羧酸的分类,不管羧基所连接的是脂肪烃基(饱和或不饱和)还是芳基,取代的还是未取代的,羧基的性质基本上是相同的。,饱和一元脂肪酸的通式：CnH2n+1CO2H,（一）分类：,脂肪酸 芳香酸 饱和酸 不饱和酸,一元酸 二元酸 多元酸,(二) 羧酸的命名,脂肪族和芳香族羧酸均以脂肪酸作母体命名。,常见的羧酸多用俗名。,HCOOH 甲酸 (蚁酸 Formic acid) CH3COOH 乙酸 (醋酸 Acetic acid) CH3CH2CH2CO2H 丁酸 (酪酸 Butyric acid) HOOC-COOH 乙二酸(草酸 Oxalic acid) HO2CCH2CH2CO2H 丁二酸(琥珀酸 Succinic acid) C6H5CH=CHCO2H 肉桂酸 (Cinnamic acid),系统命名:,母体为羧酸，从羧基端开始编号，编号为阿拉伯数字或希腊字母(羧基永远作为C-1),5 4 3 2 1 g b a,3-甲基戊酸 -甲基戊酸,4 3 2 1 g b a,2-甲基-4-溴丁酸 -甲基-溴丁酸,3环已基丁酸,苯甲酸（安息香酸）,2-甲基-3-丁烯酸,3-硝基-4-氯苯甲酸,邻苯二甲酸,-萘甲酸 1-萘甲酸,2,4-二氯苯甲酸,（三）结构,羧酸的官能团是羧基(COOH).,羰基和羟基通过 p-共轭 构成一个整体, 故羧基不是羰基和羟基的简单加合。,p- 共轭,136pm,123pm,醇的CO 键长143pm,游离羧酸分子中的 p- 共轭,羧酸根负离子的 p- 共轭,127pm,127pm,136pm,123pm,键长 平均化 羰基的正电性 降低, 亲核加成变难 羟基 H 的酸性 增加 -H 的活性 降低,p- 共轭 导致结构与性质的变化:,122pm,143pm,136pm,123pm,二、 羧酸的物理性质,1物态(material state) C1C3 有刺激性酸味的液体，溶于水。 C4C9 有酸腐臭味的油状液体，难溶于水。 C9 蜡状固体，无气味。 2. 溶解性(solubility) 低级羧酸与水混溶；高级羧酸不溶；一般二元和多元酸易溶。,羧酸的物理性质,3熔点(melting point) 有一定规律，随着分子中碳原子数目的增加呈锯齿状的变化。 乙酸熔点16.6，当室温低于此温度时，立即凝成冰状结晶，故纯乙酸又称为冰醋酸。 4沸点(boiling point) 比相应的醇的沸点高。原因： 通过氢键形成二聚体,三、羧酸的化学性质,*3.-H 的反应,1. 酸 性,2.亲核取代,羧酸主要的化学性质,1、羧酸的酸性与成盐 2、羧酸衍生物的生成 3、脱羧反应,（一）羧酸的酸性与成盐,一般一元羧酸的pKa为35， 酸性： RCOOH H2CO3 ArOH(酚),可用pH试纸或石蕊试纸检验出其水溶液的酸性。,羧酸能与碱中和生成羧酸盐和水。利用羧酸与NaHCO3反应放出CO2,可以鉴别、分离苯酚和羧酸。,羧酸盐与强的无机酸作用, 又可转化为原来的羧酸。,就电子效应而言，吸电子取代基使酸性增强, 供电子取代基使酸性减弱。,Gr: releasing group 供电子基 减弱酸性,Gw: withdrawing group 吸电子基 增强酸性,pKa 3.77 4.76,1.68,pKa 2.62 2.87 2.90 3.16 4.76,pKa 2.86 4.06 4.52,CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH pKa 4.76 2.87 1.36 0.63,(二) 羧酸衍生物的生成,羧基中的 OH 被其它原子或基团取代后生成的化合物称羧酸衍生物(derivatives of carboxylic acid)。,酰基,离去基,酰卤(Acyl halide),酸酐(Anhydride),酯(Ester),酰胺(Amide),1酰卤的生成,mp. 112 ,bp. 197 ,bp. 77 ,分子量小的羧酸生成酰卤时用PX3；分子量大的用PX5.,bp. 200oC,bp. 105oC,卤化剂：PCl3、PCl5、SOCl2,2酸酐的生成,羧酸(除甲酸外)在脱水剂(如乙酰氯、乙酸酐、P2O5等)作用下或加热，分子间失去一分子水生成酸酐(acid anhydride)。,甲酸与脱水剂共热，分解为一氧化碳和水：,酐键,马来酸,马来酸酐,5、6元环的环状酸酐易通过加热相应二元羧酸得到。,3酯的生成,羧酸与醇在酸催化下加热反应生成酯(ester)和水，这个反应称为酯化反应(esterification)。同样条件下，酯水解又可生成羧酸和醇。所以酯化反应是可逆反应。,苯甲酸甲酯 (85-95%),乙酸乙酯,增加反应物之一，或不断从反应体系中移去一种生成物,可促使平衡右移,提高酯的收率。,酯键,问题: 解释酯化反应的活性顺序,CH3OH CH3CH2OH (CH3)2CH-OH (CH3)3C-OH,不同醇的酯化反应由易到难:,不同酸的酯化反应由易到难:,HCO2H CH3CO2H (CH3)2CHCO2H (CH3)3CCO2H,酸或醇的烃基体积小、数目少，速度快。,4酰胺的生成,羧酸与氨(或胺)反应首先形成铵盐, 然后加热脱水得到酰胺 (amide)。,酰胺键,酰胺是一类很重要的化合物, 很多药物和化工产品的分子中都含有酰胺键 。,(三) 二元羧酸的热解反应,几乎所有羧酸盐类在强烈的条件下都可脱羧:,若 -C 上有强吸电子基，则易脱羧。,丙二酸,乙酸,羧酸失去羧基放出CO2的反应,丁二酸和戊二酸加热脱水,己二酸和庚二酸受热脱水和二氧化碳,小结：,乙、丙二酸 酸 + CO2 丁、戊二酸 环酐 + H2O 己、庚二酸 环酮 + H2O+CO2,二元羧酸热解产物与碳链长度有关：,几种常见的羧酸,甲酸(formic acid) 草酸(dicarboxyl) 乙酸(acetic acid) 苯甲酸(benzoic acid),甲酸的结构,醛基,羧基,甲酸,甲酸既具有一般羧酸的通性，还具有还原性。能和托伦试剂、高锰酸钾等试剂反应,HCOOH+KMnO4+H2SO4 CO2+H2O+K2SO4+MnSO4 HCOOH + 托伦试剂 CO2+Ag,二元酸，有还原性，能使高锰酸钾溶液褪色，但不与托伦试剂反应。,草酸,乙二酸常用于分析化学中标定KMnO4,乙酸（醋酸）酸度调节剂 苯甲酸 俗名安息香酸，其钠盐常 用作食品和药物的防腐剂。,练习：,1、 鉴别：甲酸、苯甲酸、苯甲醛、苯甲醇。,由乙酰辅酶A和草酰乙酸缩合成有三个羧基的柠檬酸, 柠檬酸经一系列反应, 经过氧化脱羧, 经-酮戊二酸、琥珀酸, 再降解成草酰乙酸。 实质是把乙酰辅酶A的乙酰基转变成两分子的CO2 , 并释放出大量的能量。,三羧酸循环,三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle； citric acid cycle; Krebs cycle ),Krebs，Hans Adolf,三羧酸循环： 体内物质糖、脂肪或氨基酸有氧氧化的主要过程。通过生成的乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成三羧酸（柠檬酸）开始，再通过一系列氧化步骤产生CO2、NADH及FADH2，最后仍生成草酰乙酸，进行再循环，从而为细胞提供了降解乙酰基而提供产生能量的基础。,糖尿病人，糖类物质利用受阻或长期不能进食，机体所需能量不能从糖的氧化取得，于是大量动用脂肪提供能量，脂肪酸大量氧化，生成的酮体超过了肝外组织所能利用的限度，导致血液中酮体堆积，导致酮症酸中毒，临床上称为酮血症。,酮血症,第二节 取代羧酸,羧酸分子中烃基上的氢原子被其他官能团取代后的化合物称为取代羧酸,常见的取代羧酸：有卤代酸、羟基酸、氧 代酸（酮酸和醛酸）和氨基酸等,C,O,O,H,C,H,O,H,R,卤代羧酸,羟基酸,氨基酸,醛酸,酮酸,羟基酸和羰基酸（也叫氧代酸）,本节主要讨论羟基酸和酮酸,一、羟基酸,命名：系统命名法，更常用俗名。,羟基酸分子中具有羧基和羟基两种官能团。,(一) 分类与命名,分类: 醇酸(,); 酚酸,俗名:,乳酸(Lactic acid),苹果酸 (Malic acid),IUPAC：,2-羟基丙酸,2-羟基丁二酸,酒石酸(Tartaric acid),柠檬酸 枸橼酸(Citric acid),2,3-二羟基丁二酸,3-羧基-3-羟基戊二酸,俗名:,IUPAC：,水杨酸(salicylic acid) 邻羟基苯甲酸,没食子酸(gallic acid) 3,4,5-三羟基苯甲酸,俗名:,IUPAC：,(三) 羟基酸的化学性质,共性：羟基酸具有羟基和羧基的典型反应 特性：根据羟基和羧基的相对位置不同而有所不同,羟基：氧化, 卤代, 脱水, 成酯, 等 酚羟基：与FeCl3显色, 等 羧基：酸性，成盐，成酯, 等 相互影响: 受热脱水, 易于氧化, 等,1羟基酸的酸性,羟基的吸电子诱导效应一般使醇酸比相应的羧酸酸性强。醇酸的羟基越靠近羧基, 其酸性就越强。,pKa 4.88 3.83 4.51,2醇酸的氧化反应,受羧基吸电子效应的影响，醇酸分子中的羟基比醇的羟基容易被氧化。例如：稀硝酸一般不能氧化醇，但却能氧化醇酸生成醛酸、酮酸或二元酸；Tollens 试剂不与醇反应，却能将-羟基酸氧化成-酮酸。,3醇酸的脱水反应,脱水方式因羟基和羧基的相对位置不同而异 。,（1）-醇酸的脱水：受热后，两个醇酸分子间的羟基和羧基交叉脱水，生成较稳定的六元环交酯(lactide)。,-羟基丙酸,丙交酯,交酯多为结晶物质,在酸或碱存在下易水解成原来的醇酸。,（2）-醇酸的脱水：由于-羟基和羧基的相互影响，-醇酸分子中的-氢原子很活泼，受热时容易与-羟基脱水，生成,-不饱和羧酸。,（3）、-醇酸的脱水：-醇酸分子中的羟基和羧基在常温下可自动脱水,生成稳定的五元环内酯(lactone)。,游离的-醇酸很难存在,通常以-醇酸盐的形式保存。,(麻醉剂),-醇酸发生分子内的脱水反应，生成六元环-内酯，但没有五元环内酯那样容易生成。,小结：,醇酸脱水与羟基的位置有关 -醇酸脱水成交酯 -醇酸脱水成共轭烯酸 、-醇酸脱水成内酯,二、酮 酸,羰基酸是分子中具有羧基和羰基两种官能团的化合物。可分为醛酸和酮酸。根据酮基和羧基的相对位置不同，酮酸可分为、 酮酸。,乙醛酸,-丙酮酸（丙酮酸）,-丁酮酸,(一) 酮酸的命名,以羧酸为母体, 酮基作取代基, 酮基的位次用阿拉伯数字或希腊字母标明。 酮基也可称为氧代。,CH3COCH2CH2COOH,-戊酮酸 (4-戊酮酸),丁酮二酸(草酰乙酸),-酮戊二酸 2-氧代戊二酸,酮酸除了具有酮的通性和羧酸的通性外，-酮酸 和 -酮酸 还具有一些特殊的性质。,(二) 酮酸的化学性质,1酸性,酮酸的酸性强于相应的醇酸，更强于相应的羧酸。,pKa 2.49 3.51 3.86,pKa 4.51 4.88,2脱羧反应,-酮酸在稀硫酸作用下，受热发生脱羧反应，生成少一个碳原子的醛。,-酮酸比-酮酸更易脱羧, 通常-酮酸只能在低温下保存。,问题: 完成下列反应,-羟基丁酸、-丁酮酸和丙酮, 三者在医学上称为酮体。,-羟基丁酸 -丁酮酸 丙酮,血中正常分布：70% 30% 微量,血中酮体正常参考值：350mg/L,酮血症：3000mg/L,思考题,医学上将-羟基丁酸、-丁酮酸和丙酮三者统称为酮体。血中酮体含量增加，会从尿中排出。 医学上是如何确诊酮症酸中毒（酮体超标）？,临床检测尿酮体,取新鲜尿液5ml,于试管内,加亚硝酰铁氰化钠250mg,再加冰乙酸0.5ml,反复振荡使其溶解,混全均匀,沿管壁缓慢加入280g/L的氢氧化铵溶液,使之与尿液形成界面,静置后观察结果:,十分钟后无紫色环出现为阴性 十分钟内只出现淡紫色环为弱阳性 十分钟内慢慢出现紫色环为阳性(+) 较快出现紫色环(+) 立即出现紫色环(+),乙酰乙酸乙酯及其性质：,三酮式-烯醇式互变异构,酮式(93%),烯醇式（7%）,与FeCl3 Br2水 Na反应,与羟氨 苯肼 HCN NaHSO3 反应,乙酰乙酸乙酯的性质： 能与氰氢酸、饱和亚硫酸氢钠、羟胺和苯肼等发生加成反应； 用稀碱水解生成-丁酮酸盐和乙醇； 能使溴水褪色； 与FeCl3作用显紫红色。,互变异构现象,酮式（93%） 烯醇式（7%）,互变异构现象：同分异构体之间能以一定的比例平衡存在，并能相互转化。,互变异构的普遍性,互变异构是有机化合物中比较普遍存在的现象，从理论上讲，凡有 基本结构的化合物都可能有酮型和烯醇型两种互变异构体存在。但是由于化合物结构的差异，烯醇酮型所占比例亦不同。,丙酮,酮式 烯醇式（0.00025%）,乙酰丙酮（2,4-戊二酮）,酮式（20%） 烯醇（80%）,化合物形成稳定的烯醇式结构的条件,（1）酮式结构的亚甲基受两个相邻极性基团的影响，使其氢原子易于质子化。 （2）形成的烯醇式结构中，共轭体系有所延伸 （3）烯醇式结构可形成分子内氢键,以乙酰乙酸乙酯为例：,重要的羟基酸和酮酸,乳酸 是人体中糖代谢的中间产物 苹果酸 是体内糖代谢过程中的中间产物 柠檬酸 是人体内糖、脂肪和蛋白质代谢的中间产物，是糖有氧氧化过程中三羧酸循环的起始物。临床上，柠檬酸铁铵是常用补血药，柠檬酸钠常用作抗凝血剂,4. 水杨酸 具有清热、解毒和杀菌作用，其酒精溶液可用于治疗因霉菌感染而引起的皮肤病。乙酰水杨酸（俗名：阿司匹林），用作解热镇痛药，是APC的组分之一。,1、水杨酸是无色针状晶体，易升华，并能随水蒸气挥发。 2、水杨酸原本是皮肤医学的用品，临床上，各种浓度的水杨酸被广泛安全使用，甚至号称皮肤医学的利器。 3、水杨酸本身具有杀菌能力，其钠盐可用作食品等的防腐剂，水杨酸也是制备药物的原料。,理论联系实际,5. 丙酮酸 是动植物体内糖、脂肪和蛋白质代谢的中间产物，在酶的催化作用下能转变成氨基酸或柠檬酸等，是一个重要的生物活性中间体。,6. 丁酮酸 又名乙酰乙酸，是生物体内脂肪代谢的中间产物。 丁酮酸 、羟基丁酸、丙酮总称为酮体，血液中只存在少量酮体。当代谢发生障碍时，血中酮体含量增加，从尿中排出，此为糖尿病的病症。可对患者的尿液进行检测。晚期病人血液中酮体含量增加，血液酸性增大，易发生酸中毒和昏迷等症状。,1下列化合物中酸性最强的是：( ) A、CH3CH2COOH B、,C、H2O D、CH3CH2-OH,A,2. 下列物质即可与碳酸钠反应，又能发生银镜反应的是：( ) A. 醋酸 B. 甲酸 C. 苯甲酸 D.苯甲醛,B,3、下列化合物中，不属于羧酸衍生物的是： ( ),C,A、环状交酯 B、内酯 C、 不饱和酸 D、放出CO2,C,用化学方法鉴别,水杨酸 苯甲酸 苯甲醇,苯酚 对甲基苯甲酸 水杨酸,第三节 羧酸衍生物,羧基中的-OH被其它原子或基团取代后所生成的化合物，称为羧酸衍生物(carboxylic acid derivatives)。,取代羧酸,羧酸衍生物,酰卤 酸酐 酯 酰胺,酰 基 acyl group,离去基 Leaving group,酰基是含氧酸分子中去掉酸性 -OH 后余下的基团。分羧酸的酰基、磺酰基、无机含氧酸的酰基三类。,根据相应的酸命名酰基:“某酸”,“某酰基”,乙 酸 acetic acid,苯甲酸 benzoic acid,苯磺酸,苯磺酰基,乙酰基(acetyl),苯甲酰基 benzoyl,（一）酰卤的命名,常见的为酰氯和酰溴：“酰基名”“卤素名”,乙酰溴 acetyl bromide,苯甲酰氯 benzoyl chloride,环己基甲酰氯,Cyclohexanecarbonyl chloride,？,丙烯酰氯,？,一、羧酸衍生物的命名,（二）酸酐的命名,酸酐分为单酐和混酐,单酐：“羧酸名”“酐”,混酐：“简单羧酸名”“复杂羧酸名”“酐”,乙（酸）酐 acetic anhydride,苯甲酸酐 benzoic anhydride,乙丙酐 乙酸丙酸酐,邻苯二甲酸酐 Phthalic anhydride,丙酸苯甲酸酐 benzoic propanoic anhydride,2-甲基丁二酸酐 2-Methylbutanedioic anhydride,？,？,（三）酯的命名,规则：羧酸名称+醇名称+酯，醇字常省略。,例如：,乙酸乙酯 Ethyl acetate,乙酸苄酯 benzyl acetate,乙二酸单乙酯,邻苯二甲酸甲乙酯,（四）酰胺的命名,伯酰胺,仲酰胺,叔酰胺,伯酰胺：“酰基名” + “胺”,仲酰胺：“N-某基” + “酰基名” + “胺”,叔酰胺：N,N-二某基某酰胺; N-某基-N-某基某酰胺,乙酰胺 Acetamide,N-甲基苯甲酰胺 N-Methylbenzamide,N,N-二甲基甲酰胺 N,N-Dimethylformamide (DMF),乙酰苯胺,邻苯二甲酰亚胺,亚酰胺(imide)的命名似酰胺。,N-苯基乙酰胺,N-甲基乙酰胺,N-甲基-N-乙基乙酰胺,二、化学性质,d-,d+,d-,电负性基团,p 键,Lewis 碱: 亲电试剂进攻位点,结构相似:酰基都连着一个能被其他基团取代的负性原子或基团，因而具有相似的化学性质。,亲核取代：水解、醇解、氨解。,羧酸衍生物分子中的电子效应和空间效应影响酰基的亲核取代反应速率。,SN,E,羰基的正电性越强、位阻越小, 越有利于亲核加成,离去基碱性越弱, 基团越易离去, 越有利于消去,离去基的离去能力：X- RCO2- RO- NH2-,羧酸衍生物酰化反应活性: 酰卤 酸酐 酯 酰胺,酰卤和酸酐是优良的酰化剂。,一般来说，高活性的羧酸衍生物易转化为低活性的羧酸衍生物。酰卤很容易转化为酸酐、酯和酰