《羧酸及其衍生物》PPT课件

第九章羧酸及其衍生物,羧酸,当羰基碳原子与羟基直接相连时成为羧基，分子中含有羧基的物质是羧酸。羟基氧原子上的未共用电子对与羰基的键形成共轭体系，从而使羟基极性加大，羰基碳上电子云密度增高。因此，羧基具有酸性，同时羧基中的羰基碳对亲核试剂的活性降低，不能与HCN、H2NOH等进行加成，羧酸性质并不是酮和醇性质的简单加和。羧酸是一类新的有机化合物。,1命名,根据烃基分类，羧酸可分为脂肪羧酸和芳香羧酸，脂肪羧酸又分为饱和及不饱和羧酸。根据羧基数目，羧酸又分为一元、二元和多元羧酸。羧酸的命名方法有俗名及系统命名。俗名是根据它们的来源命名，如甲酸叫蚁酸，乙酸叫醋酸。羧酸的系统命名法是选择含有羧基的最长碳链作为主链，并从靠近羧基的一端开始编号，羧基碳原子一般编号为1。,羧酸及其衍生物分子中，羧基只能在链的一端。因此，羧酸及其衍生物的同分异构是由碳干异构引起的。,3-甲基-2-丁烯酸3-(4-氯苯基)-丁酸(Z)-丁烯二酸(马来酸),9-十八碳烯酸(油酸)12-羟基-9-十八碳烯酸(蓖麻油酸)或9-十八碳烯酸,2物理性质,10个碳以下的饱和一元羧酸是液体，高级脂肪酸是蜡状固体。脂肪族二元酸和芳香酸都是结晶固体。低级脂肪酸有刺激性气味，丁酸、己酸、癸酸等有难闻酸臭。羧酸分子间能形成氢键，因此羧酸的熔沸点很高。低级羧酸在固态、液态都以二聚形式存在，它们的沸点比分子量相同的醇还要高，甲酸在气态也以二聚体存在。羧酸能与水形成氢键，因此，低级羧酸在水中有较好的溶解度。直链饱和一元羧酸的熔点随碳原子数目增加呈锯齿状增高，含偶数碳原子的酸的熔点高于邻近两个奇数碳原子的酸，这是因为含偶数碳原子的羧酸的晶体排列对称性好。低级羧酸能与水互溶，随着烃基加大，在水中溶解度变小。,二元羧酸都是晶体，极性比一元酸强，它们的熔点比一元酸高，在水中的溶解度也比一元酸大。丁烯二酸的顺反异构体的熔点和溶解度与它们的结构有关。顺丁烯二酸结构有利于形成分子内氢键，而反丁烯二酸结构有利于形成分子间氢键；反式丁烯二酸的对称性比顺式丁烯二酸好，极性较小。因此，反式丁烯二酸的熔点(300)比顺式(140)高，但顺式丁烯二酸的溶解度大。,3化学性质,羧酸是一类特殊的C=O双键化合物。羧基由羰基和羟基两部分组成，羟基的氧原子与羰基碳原子直接成键，并且羟基氧原子与羰基形成p-共轭体系。羧酸羟基O-H键上的电子云由于羰基的吸电子作用而偏向氧原子，质子H+容易离去。另外，离去H+后的-COO-由于形成一个共轭体系，而获得稳定，因此羧酸表现出较强的酸性。,3.1酸性,一元羧酸的酸性一元羧酸是弱酸，在水溶液中，存在如下平衡：羧酸的pKa值一般在45之间，比碳酸(pKa=6.5)的酸性强，它们能与NaOH及NaHCO3发生如下反应：羧酸、碳酸、醇和酚的酸性强弱顺序如下：羧酸碳酸酚醇羧酸盐与强酸反应又可以游离出羧酸。利用羧酸成盐的反应，可分离羧酸和非酸性化合物；可鉴别羧酸；用作表面活性剂。,二元羧酸的酸性二元羧酸可以有两步电离。例如，丙二酸的电离反应为：二元羧酸的Ka1Ka2；二元酸的Ka1大于相同碳原子一元羧酸的Ka，但Ka2小于一元羧酸的Ka；随着碳链增加,Ka1/Ka2的比值变小。,3.2羧基中羟基的取代反应,3.2.1酸酐的生成3.2.2酰卤的生成酰卤是有机合成中的常用试剂，可通过羧酸与三卤化磷、五卤化磷、亚硫酰氯作用来制取。用亚硫酰氯制备酰氯因产物除了酰氯外都是气体，容易分离提纯。,3.2.3酯的生成在强酸催化下，羧酸和醇反应生成酯和水。羧酸与醇反应生成酯的反应叫酯化反应。酯化反应是一个可逆反应并且反应速度很慢。如果将乙酸与乙醇在室温下混合，需要15年才能达到平衡。所以酯化反应需要在酸催化下进行。酸催化的酯化反应与酯的酸性水解反应是可逆过程，它是通过酰氧键断裂方式进行的，酯化反应速度与酸的浓度和醇的浓度有关，它是一个双分子历程。,酸催化的酯化反应历程,3.2.4酰胺的生成羧酸与氨作用生成铵盐，加热后失水生成酰胺。如果继续加热，可进一步失水成腈。腈水解可通过酰胺而转化为羧酸，这实际上是上述反应的逆过程。芳香族羧酸和二元酸同样可以发生上述各种取代反应。二元酸可生成单酰氯、单酯，也可生成双酰氯、双酯。,3.3还原,羧基比较难还原，但用氢化铝锂可将羧酸直接还原成醇。,3.4烃基上的反应,3.4.1-卤代作用羧酸-H的卤代反应比醛酮困难一些，但在少量红磷的作用下，Cl2、Br2可顺利地取代-H生成-卤代羧酸。从-卤代羧酸出发可合成-羟基酸、-氨基酸等。3.4.2芳香环的取代反应芳香羧酸无-H，取代只能发生在苯环上。羧基是间位定位基，发生亲电取代时取代基进入羧基的间位。,3.5二元羧酸的受热反应,不同的二元羧酸，由于羧基的相对位置不同，常表现出不同的反应，产物也不相同。加热条件下，乙二酸和丙二酸发生脱羧反应。丁二酸和戊二酸发生脱水反应形成环状酸酐。己二酸和庚二酸在氢氧化钡存在下发生脱羧和脱水反应生成环酮。在有可能生成环状化合物的条件下，总是比较容易形成五员环或六员环,因为五员环或六员环的有机物比较稳定。,4羧酸的结构对酸性的影响,取代基对脂肪族羧酸酸性的影响与羧基直接或间接相连的原子或原子团，对羧酸的酸性具有不同程度的影响。当电负性比碳大的原子或原子团X取代羧酸烃基中氢原子后，表现出吸电子诱导效应(-I效应)，使化合物酸性增加。吸电子诱导效应既增加羧酸中羟基O-H键的极性，又能分散所形成的负离子中的负电荷，使负离子稳定。因此取代基X的吸电子诱导效应越强，化合物的酸性就越强；反之供电子诱导效应(+I效应)使化合物酸性减小。,例1：比较下列化合物的酸性强弱顺序。Cl3CCOOHCl2CHCOOHClCH2COOHCH3COOH解：氯原子是吸电子基，它连在饱和碳原子上时有吸电子诱导效应，使羧酸酸性增加。且随着氯原子的数目增加，吸电子诱导效应增加，羧酸的酸性也增加，因此这些化合物的酸性强弱顺序为：Cl3CCOOHCl2CHCOOHClCH2COOHCH3COOH例2：由于吸电子能力强弱次序为FClBrI，故一卤代乙酸酸性强弱次序为：FCH2CO2H(pKa=2.66)ClCH2CO2H(pKa=2.86)BrCH2CO2H(pKa=2.89)ICH2CO2H(pKa=3.12)CH3CO2H(pKa=4.74),例3：诱导效应沿键传递，但随着距离的增长而迅速减弱。例如电负性较大的氯原子有吸电子诱导效应，一氯代丁酸酸性随着Cl原子离羧基距离增大而减弱。一氯代丁酸酸性强弱次序为：CH3CH2CHClCO2H(pKa=2.84)CH3CHClCH2CO2H(pKa=4.06)CH2ClCH2CH2CO2H(pKa=4.52)例4：与氢相比，烷基是给电子基，故饱和一元酸的酸性比甲酸弱。从诱导效应考虑也可以解释二元羧酸Ka1和Ka2之间的关系。COOH是吸电子基团，表现为吸电子诱导效应，而COO-是给电子基团，表现为给电子诱导效应。因此，在二元羧酸中，Ka1Ka2，但随着碳链增加，诱导效应减小，Ka1和Ka2之间的差别减小，Ka1/Ka2的比值减小。,取代基对苯甲酸酸性的影响取代苯甲酸分子中取代基的共轭效应和诱导效应往往同时存在，这时取代基对苯甲酸酸性的影响是两种电子效应共同作用的结果。例如，HO，CH3O和H2N取代的苯甲酸，就诱导效应来看是吸电子效应，可使苯甲酸根离子的负电荷分散，增加苯甲酸的酸性。但从共轭效应来看是供电子效应，使苯甲酸根离子的负电荷更集中，降低苯甲酸的酸性。显然，这两种电子效应的作用相反。由于供电子共轭效应大于吸电子诱导效应，因此，两种相反电子效应的综合作用结果使苯甲酸的酸性减弱。卤素F，Cl，Br，I取代的苯甲酸，虽然也存在供电子共轭效应和吸电子诱导效应，但由于供电子共轭效应小于吸电子诱导效应，因此卤素取代苯甲酸的酸性增加。,对于NO2，CN等强吸电子基取代的苯甲酸，却是另外一种情况。这些强吸电子取代基的共轭效应和诱导效应都是吸电子效应，这两种作用都使苯甲酸的酸性增加。例如，对位取代苯甲酸酸性强弱次序如下：,5重要代表物,羧酸在动植物体内有重要作用，在一切生物体内，都含有各种各样的羧酸，包括最简单的甲酸，以及结构复杂有重要生理作用的羧酸。5.1甲酸又称蚁酸。无色有刺激性的液体。腐蚀性极强，使用时避免与皮肤接触。甲酸结构特殊，既有羧基结构，又有醛基结构，因此有酸性和还原性。能发生银镜反应，也能使高锰酸钾褪色。甲酸可作消毒或防腐剂，在工业上用作还原剂和橡胶凝聚剂，也用来合成酯和某些染料。5.2乙酸俗称醋酸。无色有刺激性液体。无水乙酸又称冰醋酸。乙酸是重要的化工原料，可以合成许多有机物，如醋酸纤维、醋酐、醋酸酯，是染料工业、香料工业、制药工业、塑料工业不可缺少的原料。,5.3苯甲酸俗名安息香酸。白色结晶，易升华，微溶于水，其钠盐是温和的防腐剂，用于药物和食品中。5.4乙二酸俗名草酸。无色晶体。除具有一般羧酸性质以外，还有还原性，能被高锰酸钾氧化。在定量分析中常用草酸来滴定高锰酸钾。草酸可以和许多金属生成络离子，可用来除去铁锈或蓝墨水的痕迹。5.5丁二酸俗称琥珀酸。无色晶体，加热易失水成环状内酐。在合成上是制备五员杂环及醇酸树脂的原料。在医药上有抗痉挛、祛痰及利尿的作用。5.6邻苯二甲酸及对苯二甲酸邻苯二甲酸是白色晶体，不溶于水。它及其酐是制造染料、合成树脂、增塑剂的重要原料。对苯二甲酸也为白色晶体，微溶于水。是制造涤纶树脂（的确良）的主要原料。,5.7丁烯二酸丁烯二酸有顺式及反式两种几何异构体。顺丁烯二酸俗称马来酸，用于合成树脂，并作油脂的防腐剂。反丁烯二酸俗称富马酸。顺反异构体在物理性质上有较大差距。顺式熔点低，在水中溶解度大，酸性强，此外，热稳定性差，偶极矩大。反式异构体结构比较对称，偶极矩小，分子内能低，热稳定性高。顺丁烯二酸和反丁烯二酸结构中的诱导效应和场效应（通过空间传递的诱导效应）如上图。,比较（1）与（3）可以看出，在顺、反丁烯二酸分子中，羧基均对另一羧基氢存在I效应，但在顺丁烯二酸（1）结构中存在一个羧基对另一个羧基的F效应（吸电子的场效应），而反丁烯二酸（2）不存在F效应，因此，顺式异构体的Ka1值比反式异构体的大。即：Ka1,反Ka2,顺顺丁烯二酸由于两个羧基相距较近，受热易失水形成分子内酸酐（顺酐），而反式异构体形成分子内酸酐则必须先转化为内能较高的顺式异构体，故需要300以上的高温。,第九章羧酸及其衍生物,羧酸衍生物,羧酸分子中羧基上的羟基被其它原子或原子团取代后生成的化合物，称为羧酸衍生物，通常所指的羧酸衍生物有酰氯、酸酐、酰胺、酯和腈。除腈以外的羧酸衍生物都含有酰基。,1命名,羧酸衍生物的名称可简单地从相应的羧酸名称获得。例如：酸酰氯酸酐酰胺腈酯CH3COOHCH3COCl(CH3CO)2OCH3CONH2CH3CNCH3COOCH3乙酸乙酰氯乙酐乙酰胺乙腈乙酸甲酯另外，还有一些较复杂的衍生物的命名。例如：,马来酐,乙丙酐,环己(基)甲酸甲酯,N,N-二甲基乙酰胺,N-甲基邻苯二甲酰亚胺,原甲酸三乙酯,己内酰胺,己内酯,2物理性质,酰氯和酸酐都是对粘膜有刺激性的物质。大多数酯有令人愉快的香气。在羧酸衍生物中，酰胺分子间可以通过氢键而形成高度缔合分子，酰胺的沸点高于相应羧酸。随着氮原子上的氢被烃基取代，氮取代酰胺的缔合程度减小，沸点降低。但是氮取代酰胺仍可以通过偶极缔合而形成缔合分子。因此，N,N一二取代酰胺的沸点仍高于相应羧酸。酰氯、酯的沸点比羧酸低；酸酐的沸点比相应的羧酸沸点高。酰氯和酸酐遇水则分解为酸。酯由于没有缔合性能所以在水中的溶解度比相应的酸低。低级酰胺易溶于水。,3化学性质,3.1水解羧酸衍生物与水发生的亲核取代反应也叫羧酸衍生物的水解反应。羧酸衍生物的水解反应产物是羧酸。酰氯遇水激烈水解，乙酰氯的蒸汽能被空气中所含的水分水解而产生烟雾。随着酰氯分子量加大，水解速度减慢。芳香族酰氯水解速度较慢，加热或加碱催化能使水解速度加快。酸酐的水解速度比酰氯小。酸酐的水解不需要酸碱作催化剂，但需要加热。酯和酰胺的水解需要酸或碱作催化剂，并且需要加热。N-取代酰胺和N，N-二取代酰胺的水解更困难。,酰胺在酸性溶液中水解，得到羧酸和铵盐，在碱作用下水解时，则得羧酸盐并放出氨。酯的水解反应历程酯水解反应的历程研究得很多。酯水解反应为：大多数酯在酸性或碱性溶液中水解都是酰氧键断裂，而且是双分子反应历程。,酯的水解反应历程,酯的碱性水解酯的水解反应是由亲核试剂OH-进攻酯基上带有部分正电荷的碳。将含有O18的酯水解，有产物RO18H生成。这说明，酯的水解反应是按酰氧键断裂方式进行的。酯水解反应不是SN2历程，而是加成-消除过程。首先是亲核加成生成一个四面体中间体，然后再消去ROH生成RCOOH。,碱催化酯水解反应是酰氧键断裂的双分子亲核加成-消除反应历程。用BAC2表示。反应的最后一步是不可逆的，因为RCOOH的酸性比ROH强得多。因此，整个碱催化酯水解反应是不可逆的，是可以进行到底的。酯的碱性水解也叫皂化反应。RCOOR中R的吸电子性使反应速度加快。例如：碱催化酯水解反应速度从小到大次序是：CH3COOCH3ClCH2COOCH3Cl2CHCOOCH3CH3COCOOCH3Cl3CCOOCH3。因为R的吸电子性大小次序是：CH3CH2ClCHCl2CH3COOCH(CH3)2CH3COOC(CH3)3；CH3COOC2H5CH3CH2COOC2H5(CH3)2CHCOOC2H5(CH3)3CCOOC2H5,酯的酸性水解反应酯的酸性水解反应与酯化反应是可逆进行的，一般酸催化酯水解反应是通过酰氧键断裂方式进行的，水解速度与酸的浓度和酯的浓度有关，是一个双分子历程，用AAC2表示。酯的酸性水解反应对立体效应较敏感。随着R或R的体积加大，酯的水解反应速度减慢。例如：盐酸催化下，酯水解反应速度大小次序为：CH3COOCH3CH3COOCH2CH3CH3COOCH(CH3)2,酯的酸性水解反应对电子效应不太敏感。当R为供电子基时，虽不利于H2O进攻，但有利于H+进攻。H+与羰基氧原子结合形成正离子以后，有利于亲核试剂H2O的进攻；当R为吸电子基时，有利于亲核试剂H2O的进攻。其它羧酸衍生物的水解反应类似于酯水解反应历程。,3.2醇解羧酸衍生物与醇发生的亲核取代反应也叫醇解反应。羧酸衍生物的醇解反应与水解反应相类似，醇解反应的产物是酯。醇解反应一般在酸碱催化下进行，以增加反应速度。酯的醇解反应也叫酯交换反应。,酯交换反应可用于合成难合成的或不能用直接法合成的酯，如酚酯和烯醇酯。例如：酯交换反应可用于工业生产中。例如合成生产涤纶的原料对苯二甲酸二(乙二醇)酯。,3.3氨解羧酸衍生物与氨(胺)发生的亲核取代反应叫氨解反应。氨解反应的产物是酰胺。羧酸衍生物的氨解反应也是加成-消除过程。酰卤与氨(胺)迅速反应，有时甚至猛烈反应，生成酰胺和HCl，而HCl与未反应的氨(胺)生成盐，降低反应产率。为了提高反应产率，常加入过量的氨或吡啶、无机碱以除去生成的HCl。,酸酐与氨(胺)反应不需要催化剂就能进行，生成酰胺和羧酸。环状酸酐与氨(胺)反应得到的酰胺羧酸易脱水为环状酰亚胺。例如：酯的氨解要在碱性催化剂存在下才能反应，而酰胺的氨解比较困难，一般不能用于合成。,羧酸及羧酸衍生物的亲核取代反应机理,羧酸和羧酸衍生物与亲核试剂发生亲核取代的一般过程如下：羧酸及其衍生物与亲核试剂反应的总结果是一个亲核试剂Nu-取代了L-，是一个亲核取代反应。反应分两步，第一步是亲核加成反应，第二步是消除，其历程是加成-消除机理。总的反应速度与两步反应有关，哪一步是决定反应速度的步骤取决于亲核试剂和羧酸及其衍生物的性质。但一般第一步是决定反应速度步骤。在反应过程中，羰基碳原子的轨道杂化经过了从sp2sp3sp2变化的过程。,影响羧酸或羧酸衍生物亲核取代反应活性的因素,羧酸或羧酸衍生物与亲核试剂的反应就其结果来说是亲核取代反应。但是，羧酸和羧酸衍生物与亲核试剂的取代反应，也还是经历了羰基与亲核试剂的加成步骤。因此，凡能够促进亲核加成的因素，可以增加反应速率。所不同的是，对于羧酸或羧酸衍生物与亲核试剂的反应，能够促进消除过程的因素也可以增加反应速率。因此，总的反应速率是亲核加成和消除两个过程的综合结果。,立体因素的影响：当羰基上取代基和亲核试剂Nu-的体积加大时，对反应不利。对于羧酸或羧酸衍生物与亲核试剂进行的亲核取代反应，电子效应比立体因素的影响更大，并且还受到消除步骤的制约，单独考虑立体因素的影响可能与综合结果不一致。但对于同一类化合物与相同的亲核试剂的反应或者相同的化合物与同一类亲核试剂的反应，例如不同羧酸酯的水解或者同一羧酸与不同醇的酯化反应，遵循上述讨论的规则。酯水解反应的速率大小次序如下：CH3COOCH3CH3COOC2H5CH3COOC3H7HCOOCH3CH3COOCH3CH3CH2COOCH3羧酸酯化反应的速率大小次序如下：乙酸与不同醇的反应:CH3OHC2H5OHC3H7OH不同羧酸与乙醇的反应:HCOOHCH3COOHCH3CH2COOH,羧酸衍生物中离去基团L对反应活性的影响羧酸和羧酸衍生物RCOL中，L分别为羟基(-OH)，卤素(-X)，酰氧基（-OCOR），烷氧基(-OR)和氨基(-NH2)。L作为离去基团，经历了羧酸及其衍生物与亲核试剂反应的加成和消除两个步骤。因此，羧酸及其衍生物RCOL中L对它们与亲核试剂反应的影响是L对两步反应影响的综合结果。对羧酸及其衍生物与亲核试剂反应的第一步的影响因素与对醛酮亲核加成反应的影响因素是相同的：吸电子作用使羰基碳原子更活泼而有利于反应；大的基团的存在会阻碍反应，因为中间产物的四面体结构比反应物的平面结构更拥挤。羧酸及其衍生物RCOL中L对它们与亲核试剂第一步反应的影响主要是电子效应的影响。,羧酸衍生物所对应的L吸电子诱导效应大小顺序为：ClOCORORNH2L的孤电子对与羰基C=O的键形成p-共轭体系，表现为供电子共轭效应。结果使羰基碳原子的正电性降低，导致羧酸衍生物进行亲核加成反应的活性降低。p-共轭作用越强，羧酸衍生物进行亲核加成反应的活性越低。原子半径和电负性大小越接近的两个原子所形成的共轭越有效，加成反应活性越小。因此，与碳原子形成共轭体系的能力大小次序为：NOCl。综合考虑羧酸衍生物RCOL中的供电子共轭效应+C和吸电子诱导效应I，羧酸衍生物RCOL与亲核试剂第一步加成反应活性大小顺序为：RCOCl(RCO)2ORCOORRCONH2。,羧酸衍生物RCOL中的L是RCOL与亲核试剂进行亲核加成-消除反应中第二步反应的离去基团。如果L的离去倾向越大，则越容易离去，反应活性就越大。L离去以后的存在形式是负离子L-。因此，L的离去倾向由L-的稳定性决定。L-作为一种Lewis碱，碱性越弱越稳定，相应地，L的离去倾向就越大。L-碱性大小顺序为：NH2-RO-RCOO-Cl-。因此，离去基团L的离去倾向大小顺序为：NH2RORCOORRCONH2酰氯酸酐酯酰胺,3.4酯缩合反应,羧酸酯分子中的-碳上的氢被酯基所活化，在碱的作用下，两分子酯失去一分子醇，得到-酮酸酯，这个反应称为Claisen酯缩合反应其反应过程如下Claisen缩合反应是一个可逆反应。在实验中，产物为CH3COCHCOOC2H5Na。这是因为产物乙酰乙酸乙酯的-H酸性比乙醇强，只有将反应液酸化后，才能得到产物乙酰乙酸乙酯。,+C2H5OH,如果用两个都具有-H的不同酯缩合，产物会有4个，无合成价值，但如果两个酯中，只有一个有-H，则可以通过控制反应条件，得到单一的产物。通过这个反应，在酯的-位引入了一个酯基或一个醛基，在有机合成上很有意义。酯缩合反应也可以在分子内进行，形成环酯，这种分子内的酯缩合反应又称为Dieckmann反应。这是合成五员环、六员环的一个重要方法。,3.5酰胺的酸碱性,酰胺分子中N原子p轨道上的孤电子对与羰基的键形成p-共轭体系。共轭的结果使N原子上电子云密度降低，酸性增加，碱性减弱。酰胺虽能与强酸成盐，但不稳定，遇水即分解。相反，RCONH2的酸性比NH3强。二酰亚胺(RCO)2NH的酸性比酰胺强，能与