苏州大学纺织有机化学第九章_羧酸及其衍生物

1、第九章第九章 羧酸羧酸 及其衍生物及其衍生物CHCOOHCH3(CH3)2CHCH2 阿司匹林阿司匹林COOHOCOCH3 一一.命名、物性命名、物性HOOCCH-CHCOOHOH OHC=CHHHOOCCOOH 酒石酸酒石酸 马来酸马来酸 布洛芬布洛芬RCOHO酰基羧基CH3CH2OCH2COOH -乙氧基醋酸乙氧基醋酸第一节第一节 羧酸羧酸CCH3CH3CH=CHCOOH4-甲基甲基-4-苯基苯基-2-戊烯酸戊烯酸 (1R, 3R)-1,3-环己烷二羧酸环己烷二羧酸HCCH2COOHOCH3CCH2COOHO 丙醛酸丙醛酸（3-氧代丙酸或氧代丙酸或3-羰基丙酸）羰基丙酸） 3-丁酮酸丁酮酸

2、（3-氧代丁酸或乙酰乙酸）氧代丁酸或乙酰乙酸）COOHCOOH 羧酸是极性化合物，羧酸是极性化合物， 沸点高于相应分子质量的醇。沸点高于相应分子质量的醇。CH3COOH bp.118oC CH3CH2CH2OH bp. 97oC 二聚体（氢键缔合）二聚体（氢键缔合） 二二. 羧酸的结构与酸性羧酸的结构与酸性CH3COOHOHOCCH3RCOOHsp2RCOOHRCOO-COO 两个碳氧两个碳氧键键长不同键键长不同 四电子三中心的四电子三中心的 分子轨道分子轨道 两个碳氧两个碳氧键键长等同。键键长等同。 RCOOH + H2ORCOO- + H3O+无机酸 RCOOH H2CO3 H2O ROH

3、1-2 4-5 6.4(pka1) 9-10 15.7 16-19 OH羧酸酸性的强弱取决于电离后所形成的羧酸根负离子羧酸酸性的强弱取决于电离后所形成的羧酸根负离子(即即共轭共轭碱碱)的相对稳定性的相对稳定性 。HCOOH CH3COOH ClCH2COOH CH3CH2COOH C6H5COOH3.77 4.74 2.86 4.88 4.20为为什么什么RCOOH的酸性比的酸性比ROH的酸性大的酸性大？三三. 诱导效应、共轭效应对酸性的影响诱导效应、共轭效应对酸性的影响 1. 诱导效应的影响诱导效应的影响GCH2COO- GCH2COO- GCH2COO-诱导效应具有加和性。诱导效应是一种短

4、程效应。诱导效应具有加和性。诱导效应是一种短程效应。ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH2.86 1.26 0.64CH3CH2CHCOOH CH3CHCH2COOH CH2CH2CH2COOH CH3CH2CH2COOHClClCl 2.82 4.41 4.70 4.82 二元羧酸的酸性二元羧酸的酸性HOOCCOOHHOOCCH2COOHpka1 pka2 1.27 4.27 4.21 5.64 HOOC(CH2)nCOOHk1HOOC(CH2)nCOO- + H+HOOC(CH2)nCOO- k2-OOC(CH2)nCOO- + H+ 2. 共轭效应的影响共轭效应的影响

5、COOHCOOHNO2COOHNO2COOHNO22.21 3.49 3.42COOHOHCOOHOHCOOHOH2.98 4.08 4.57 pka 4.20分析分析邻位效应邻位效应 邻位基团对活性中心的影响邻位基团对活性中心的影响HCOOH (3.77) COOH(4.20) 邻位取代基的空间位阻使苯环与邻位取代基的空间位阻使苯环与-COOH的共轭减弱。的共轭减弱。 邻位取代的苯甲酸邻位取代的苯甲酸, (取代基是吸电子基或给电子基取代基是吸电子基或给电子基), 均使均使 酸性增强。酸性增强。C6H5的给电子共轭效应的给电子共轭效应超过了吸电子诱导效应超过了吸电子诱导效应COOHG2.21

6、2.98 pka G= -NO2 -OHCOOHOH-H+OCOHO共轭碱分子内形成氢键，降低了共轭碱的碱性，增强了对应共轭碱分子内形成氢键，降低了共轭碱的碱性，增强了对应试试分析富马酸的分析富马酸的K2大于其顺式异构体马来酸大于其顺式异构体马来酸K2的原因。的原因。CCCOOHHHOOCHCCHCOOHHOOCH富马酸 马来酸通常酸性氢原子参与形成氢键时，其酸性减弱。通常酸性氢原子参与形成氢键时，其酸性减弱。的共轭酸的酸性。的共轭酸的酸性。四四. 羧酸的反应羧酸的反应 1. 羧基氢的反应羧基氢的反应RCOOH + NaOHRCOONa + H2ORCOOH + NaHCO3RCOONa +

7、CO2 + H2O可用于分离提纯；可用于分离提纯； 当当R较大时，称这种盐为较大时，称这种盐为“肥皂肥皂”。 2.羧羟基的取代反应羧羟基的取代反应酰氧键断裂，羟基被取代。酰氧键断裂，羟基被取代。1）酯化）酯化RCOOH + HOR*H+RCOOR + H2O* 酸催化酸催化 反应机制：（反应机制：（酸催化羰基氧原子发生质子化酸催化羰基氧原子发生质子化）RCOOHH+RCOH+OHRCOHOHORH+ROH*RCOH2OHOR+*-H2ORCOH+OR*-H+RCOOR*CH2CH2CH2COOH + CH3CH2OHH2SO4回流CH2CH2CH2COOCH2CH3 + H2O mol: 1

8、: 8 2) 形成酰卤形成酰卤 亚硫酰氯亚硫酰氯(二氯亚砜二氯亚砜) SOCl2，PCl3、PCl5COOH + SOCl2COCl+ SO2 + HCl3 CH3CH2CH2COH + PCl3O3 CH3CH2CH2CCl + H3PO3OCH3(CH2)6CClO+ POCl3 + HClCH3(CH2)6COHO+ PCl5 3) 形成酸酐形成酸酐 羧酸失水。加热、脱水剂：醋酸酐或羧酸失水。加热、脱水剂：醋酸酐或P2O5等。等。RCOOHRCOOHP2O5RCORCOO + H2OCH2COOHCOOH CH3COCCH3O OOOOCH3COONa + CH3CH2CClOCH3CO

9、CCH2CH3O O+ NaCl 4) 形成酰胺形成酰胺RCOOH + NH3RCOONH4-H2ORCNH2OPhCOOH + PhNH2-H2O180190oCPhCONHPh (84%)CH3COOH + (CH3)2NHDCC/THF0oCCH3CON(CH3)23. 羧酸的脱羧反应羧酸的脱羧反应RCCH2COOHORCCH3O+ CO2RCOCH2COOHRCCH2OHRCCH3O-CO2 形成分子内氢键形成分子内氢键 在结构上，两个吸电子基连在同一个碳上的化合物，热力学在结构上，两个吸电子基连在同一个碳上的化合物，热力学 上是不稳定的，加热易脱羧。上是不稳定的，加热易脱羧。HOOC

10、CH2COOHCH3COOH + CO2 通常通常 -碳上连有吸电子基的羧酸，加热容易脱羧。碳上连有吸电子基的羧酸，加热容易脱羧。CH3COCOOH-CO2CH3COHCHCl3 + CO2Cl3CCOOHCH2COOHGa-CO2CH2HG（吸） 5. 羧基被还原羧基被还原 LiAlH4是还原羧酸为醇的最好试剂是还原羧酸为醇的最好试剂COOHCOOHH2PtCH2OH1) LiAiH42) H2ORCOOHLiAlH4(醚)H2ORCH2OH 4. -H的卤代反应的卤代反应 -H活性：羧酸小于醛酮。活性：羧酸小于醛酮。 PCl3、PBr3 或红磷或红磷(P)等催化。等催化。CH3CH2CH2

11、COOH + Br2催化量 PBr3CH3CH2COOH Br2 / PCH3CH2CHCOOHBrCH3CHCOOHBr 第二节第二节 羧酸衍生物羧酸衍生物一一. 结构、命名与物性结构、命名与物性 碳碳-杂原子键具杂原子键具 某些双键性质某些双键性质RCOX R COOCOR R COOR R CONH2(R) RCN 酰卤 酸酐 酯 酰胺 腈 RCOL （X、O、N）sp2 HCNH2 CH3ONH2 HCOCH3 CH3OOHCN: 137.6 147.4ppm CO: 133.4 143.0ppm 酰卤酰卤CH3CH2CHCBrBrOHOOCCClO 2-溴丁酰溴溴丁酰溴 4-( 氯甲

12、酰氯甲酰 )苯甲酸苯甲酸 酸酐酸酐COCO OCH3COCCH2CH3O OHOOCHOOCCOCOO 苯甲苯甲(酸酸)酐酐 乙丙酐乙丙酐 1,2,3,4-环己烷四羧酸环己烷四羧酸 -1,2-酐酐 酯酯 内酯需标明羟基的位次。内酯需标明羟基的位次。 -氯丙酸苯酯氯丙酸苯酯 - -甲基甲基 -丁内酯丁内酯(3-(3-甲基甲基-4-4-丁内酯丁内酯) )ClCH2CH2COOC6H5OH3COOOOH3COHH3CHOH3CH2CHOOHCH3CH3CH3OOCH3OHCH3OCH3OCH3N(CH3)2HO Erythromycin A (红霉素红霉素) AOOOHOHHCHOHOH2C Vit

13、amin C 酰胺酰胺CH3CH2CHCH2CNHCH3CH3OHCN-CH3OCH3COOHNHCOCH3 N,3-二甲基戊酰胺二甲基戊酰胺 N,N-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺 (DMF) 4-乙酰氨基乙酰氨基-1- 萘羧酸萘羧酸 氮原子上有取代基氮原子上有取代基, 在取代基名称前加在取代基名称前加N标出。标出。 -内酰胺内酰胺 青霉素青霉素 ( penicillin )NHORR-C-NHONOSCH3CH3COOHR=C6H5CH2-(penicillin G)羧酸衍生物的物性羧酸衍生物的物性低级的酰氯和酸酐是有刺鼻气味的液体，高级的为固体；低级的酯具有芳香的气味，可作为香料；十四碳酸以下

14、的甲酯和乙酯均为液体；酰胺除甲酰胺外，由于分子内形成氢键，均是固体；而当酰胺的氮上有取代基时为液体；羧酸衍生物可溶于有机溶剂；酰氯和酸酐不溶于水，低级的遇水分解；酯在水中溶解度很小；低级酰胺可溶于水。R CH C WHO酰基氧的碱性酰基氧的碱性 -H的的活性活性羰基的活性羰基的活性离去基团的碱性和离去性离去基团的碱性和离去性RCH2 C WO羧酸衍生物的结构和反应性能羧酸衍生物的结构和反应性能RCLO+ Nu:-RCLO-NuRCNuO+ L-亲核加成亲核加成消除消除 总结果：亲核取代。总结果：亲核取代。 -H的活性减小（的活性减小（ -H的的 pka 值增大）值增大）羰基的活性减小（取决于综

15、合电子效应）羰基的活性减小（取决于综合电子效应）W的离去能力减小（离去基团的稳定性减小）的离去能力减小（离去基团的稳定性减小）RCH2CX RCH2COCR RCH2CH RCH2CR RCH2COR RCH2CNH2OO OOOOO酰卤酰卤 酸酐酸酐 醛醛 酮酮 酯酯 酰胺酰胺影响反应活性的因素：与羰基相连影响反应活性的因素：与羰基相连的的基团基团(Y) 吸电子能力；吸电子能力；X- RO- H2N-RCOO-OCH3CClOOCH3COCCH3OOCH3COC2H5 + H2OCH3COH + C2H5OHOCH3CNH2CH3C NHClOCH3COHNH3NH3室温室温加热加热长时间回

16、流长时间回流(1)、羧酸衍生物的水解、羧酸衍生物的水解R-C-ClO(R-C)2OOOR-C-OROR-C-NH2水解速度：剧烈放热热水中进行H+orOH-催化，催化剂，高温下长时间回流加热难！CCOOOH3CHH2O,94%COOHCOOHCCH3CH顺-2-甲基丁烯二酸酐顺-2-甲基丁烯二酸OOCH2CH2COOHOH邻羟基苯丙酸内酯邻羟基苯丙酸H2O,NaOH90%,对溴乙酰苯胺对溴苯胺乙酸钾BrH2NBrCH3C-NHOCH3CO-K+O+C2H5OH-H2O,KOH95%例：(2)、 羧酸衍生物的醇解反应羧酸衍生物的醇解反应OCH3CCl + ROHOCH3C-OR + HClOCH

17、3COHOOCH3COCCH3OCH3C-OR+ ROH+OCH3COC2H5 + ROHOCH3C-OR + C2H5OHOCH3CNH2 + ROHOCH3C-OR + NH3CH3C NOCH3C-OR+ ROH+NH4酯交换酯交换酸酸催化为主催化为主酸酸催化催化催化剂催化剂:吡啶、三乙胺、吡啶、三乙胺、N , N-二甲苯胺等弱有机碱反应条件二甲苯胺等弱有机碱反应条件催化剂催化剂催化剂催化剂催化剂催化剂催化剂催化剂催化剂催化剂直接醇解可逆，酯交换难，醇需过量醇解速度：难！R-C-ClO(R-C)2OOOR-C-OROR-C-NH2常用酰基化剂从低级酯制高级酯（如涤纶的生产）酯交换反应CH

18、2=CH-C-OCH3O+ CH3CH2CH2CH2OHH+,94%+ CH3OHOCH2=CH-C-OCH2CH2CH2CH3高级醇酯低级醇酯CH3CN + C2H5OHCH3COOC2H5HCl,H2O腈的醇解例：2(CH3C)2O +OOHHOOCCH3CH3COOO+ 2CH3COOHH2SO493%常用酰基化试剂酚酯(3)、 羧酸衍生物的氨（胺）解（碱催化）羧酸衍生物的氨（胺）解（碱催化）(1) 反应只能碱催化，不能酸催化。反应只能碱催化，不能酸催化。(2) 不溶于水的酰卤可用不溶于水的酰卤可用NaOH水溶液催化，溶于水水溶液催化，溶于水 的酰卤须用有机碱催化。的酰卤须用有机碱催化。

19、(3) 3o胺不能发生酰基化反应。胺不能发生酰基化反应。CH3CW + NH3 CH3CNH2 + HWOOCH3CCl + (C2H5)3N CH3CN(C2H5)3Cl- OO+H2OROHCH3COH + (C2H5)3N HCl OCH3COR + (C2H5)3N HCl O(4) 酰基上的亲核取代反应机理酰基上的亲核取代反应机理 该反应历程可用下式表示： (1)R-COLsp 杂化2Nu进攻时障碍小+ Nu-亲核加成R-C-LO-Nu(2)NuR-C LO-NuOR-C+ L-消除反应Nu(亲核试剂) ：H2O (HO-)ROHNH3、L（离去基团）-Cl-O-CRO-OR-NH2

20、：酰氧基烷氧基氨基、 反应是分步完成的：反应是分步完成的：先亲核加成，后消除，最先亲核加成，后消除，最终生成取代产物。终生成取代产物。(5) 酰基化试剂的相对活性酰基化试剂的相对活性 水解、醇解、氨解的实验事实证明，羧酸衍生物酰化活性大小的顺序为：酰氯酸酐酯酰胺。Why? 该反应是亲核加成该反应是亲核加成-消除机理。消除机理。 R-COLp-共轭使羰基碳上正电密度降低使C-L具有部分双键性质不利于酰基化反应发生-Cl-O-C-RO-O-R-NH2p-共轭的强度：第三周期元素电负性：O N酰基是吸电子基烃基是斥电子基即酰氯的羰基碳最正。即酰氯的羰基碳最正。 活性：酰氯酸酐酯酰胺活性：酰氯酸酐酯酰

21、胺 L愈易离去，越有利于第二步反应（消除反应） 酸性：HCl RCOOH ROH NH3 pKa：2.2 45 1619 34 离去能力：ClOCOROR NH2 活性：酰氯酸酐酯酰胺活性：酰氯酸酐酯酰胺 RCClORCOHO SOCl2 or PX3 or PX5H2ORCOCRO ORCOOHor RCOONaRCNH2ORCORORCNRCOROROHNH3(R)6) 羧酸衍生物的相互转化羧酸衍生物的相互转化 2. 羧酸衍生物的还原反应羧酸衍生物的还原反应C15H31CClOLiAlH4 H2OC15H31CH2OHOOOLiAlH4 H2OCH2OHCH2OH1) LiAlH4酰卤、酸

22、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。CH3CH=CHCH2COOCH31) LiAlH42) H2OCH3CH=CHCH2CH2OH + CH3OHCN(CH3)2OLiAlH4 H2OCH2N(CH3)2CH2CNLiAlH4 H2OCH2CH2NH2 2) Na-ROH 酯酯 伯醇伯醇CH3CHCHCH2CH2COOC2H5NaC2H5OHCH3CHCHCH2CH2CH2OH3) 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COH3、 羧酸衍生物与格式试剂的反应羧酸衍生物与格式试剂

23、的反应CH3OMgX+OOOH2OCH3OCOCH2CH2COOHeg 1:4 酰氨氮原子上的反应酰氨氮原子上的反应 (1) 酰胺的酸碱性酰胺的酸碱性酰胺一般被认为是中性的。但有时酰胺可表现出弱碱性和弱酸性： CH3CONH2 + HClCH3CONH2 HClH2OCH3CONH2 + HCl乙醚极弱的碱性CH3CONH2 + HgO(CH3CONH)2Hg + H2OH2O分解乙醚极弱的酸性酰亚胺分子中氮原子上的氢具有微弱的酸性： COOHCOOHCCOONHKOH乙醇CCOON-K+RXCCOONRH2O/H+COOHCOOH+ RNH2邻苯二甲酰亚胺N烷基邻苯二甲酰亚胺活泼氢（伯胺）N

24、H3（G abriel合 成法，制伯胺的特殊方法）CH3CNH2ONH OONH OOpka 15.1 9.62 8.3(2) 酰胺脱水酰胺脱水 这是合成腈最常用的方法之一。例如： R-C-NH2 R-CN + H2OP2O5O腈CH3CH2CH2CH2CHCONH2CH2CH3SOCl2,苯，75-80 C86%-94%。CH3CH2CH2CH2CHCNCH2CH3R-C-NH2 R-CN + H2OSOCl2O腈(3) Hofmann降解反应降解反应 例如： R-C-NH2 + NaOBr + NaOHRNH2 + Na2CO3 + NaBr + H2OO（Hofmann降解，制少一个碳的

25、伯胺!产率高，产品纯!)(CH3)3CCH2CNH2 + Br2 + 4NaOH(CH3)3CCH2NH2 O94%+ 2NaBr + Na2CO3 + 2H2OHofmann(霍夫曼霍夫曼)降解反应机理降解反应机理 酰胺在碱性溶液中与卤素作用，失去二氧化碳，重排得一级胺。酰胺在碱性溶液中与卤素作用，失去二氧化碳，重排得一级胺。RCNH2OBr2OH-RCNHBrOOH-H2OR-C-NOBr-Br-RCONRNCOH2ORNHCOOH-CO2RNH2(CH3)3CCH2CONH2Br2NaOH(CH3)3CCH2NH2Br2NaOHO + 2NH3OOCH2CH2CCOONH4ONH2H2N

26、CH2CH2COO- 凡有酯参与的缩合反应统称凡有酯参与的缩合反应统称Claisen酯缩合反应。酯缩合反应。 两分子酯在碱作用下失去一分子醇形成两分子酯在碱作用下失去一分子醇形成 -羰基酯羰基酯。5. 酯缩合酯缩合 (Claisen酯缩合酯缩合)反应反应 1) 酯缩合酯缩合 2 RCH2COOR1) C2H5ONa2) H+RCH2CCHCOORROC2H5O- RCHCOC2H5O-RCH=COC2H5 + C2H5OHO-RCH2COC2H5O RCH2COC2H5O+ RCHCOC2H5ORCH2C CHCOOC2H5O-OC2H5R-RCH2CCHCOOC2H5 + C2H5O-ORR

27、CH2C-CCOOC2H5O R-RCH2C=CCOOC2H5 + C2H5OHO-RH+RCH2CCHCOOC2H5OR2 CH3CH2CHCOOC2H5CH31) (C6H5)3CNa2) H+CH3CH2CHCCCOOC2H5OCH3CH3CH2CH3 酮式酮式-烯醇式互变异构烯醇式互变异构 （具有酮和烯醇的双重反应性）（具有酮和烯醇的双重反应性）CH3CCH2COOC2H5OCH3COCHCOOC2H5HOCCHCOHCH3OC2H592.5% 7.5%CH3CH2OCCH2COCH2CH3OOCH3CH2OCCHCOCH2CH3OHO99.9% 0.1%CH3CCH2CCH3OOCH

28、3CCHOHCCH3O24% 76%四四. 乙酰乙酸乙酯的性质及应用乙酰乙酸乙酯的性质及应用 在合成上的应用在合成上的应用CH3CCH2COOC2H5OC2H5ONaCH3CCHCOOC2H5O-CH3CH2CH2BrCH3CCHCOOC2H5OCH2CH2CH31) C2H5ONa2) CH3ICH3CCCOOC2H5OCH2CH2CH3CH31) 稀OH-2）H+ 3）1) 浓OH-2）H+ 3）ABCH3CCHCH2CH2CH3 BOCH3CH3COOH + CH3CHCOOHCH2CH2CH3A一、一、 油脂油脂 (1) 结构和组成结构和组成油脂是高级脂肪酸与甘油所形成的酯。自然界中油脂一般以混合甘油酯存在： CH2CH2CH-O-C-RO-O-C-RO-O-C-ROR,R,R可以相同，也可不同R,R,R可以饱和，也可不