羧酸及其衍生物取代酸

关于羧酸及其衍生物取代酸第一节羧酸的分类和命名一元酸系统命名普通命名HCOOH甲酸蚁酸CH3COOH乙酸醋酸CH3CH2COOH丙酸初油酸CH3CH2CH2COOH丁酸酪酸CH3(CH2)16COOH十八酸硬脂酸

只含有一个羧基的羧酸称为一元酸。最常见的酸，可根据它的来源命名。第2页,共87页，2024年2月25日，星期天

二元酸系统命名普通命名HOOCCOOH乙二酸草酸HOOCCH2COOH丙二酸缩苹果酸HOOC(CH2)2COOH丁二酸琥珀酸(Z)-HOOCCH=CHCOOH顺丁烯二酸马来酸(E)-HOOCCH=CHCOOH反丁烯二酸富马酸含有二个羧基的羧酸称为二元酸。第3页,共87页，2024年2月25日，星期天第二节羧酸的物理性质低级脂肪酸是液体，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。高级脂肪酸是蜡状固体。无味，在水中溶解度不大。羧酸分子间的氢键（键能约为14kJ·mol-1）比醇羟基间的氢键（键能约为5~7kJ·mol-1）更强。分子量较小的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烷烃高。第4页,共87页，2024年2月25日，星期天直链饱和一元羧酸的熔点随分子量的增加而呈锯齿状变化，偶数碳原子的羧酸比相邻两个奇数碳原子的羧酸熔点都高。

所有的二元酸都是结晶化合物。第5页,共87页，2024年2月25日，星期天两个碳氧键不等长，部分离域。两个碳氧键等长，完全离域。第三节羧酸的结构和酸性1.36Å1.23Å1.27Å醇中C-O单键键长为1.43Å一羧酸和羧酸根的结构比较第6页,共87页，2024年2月25日，星期天2多数的羧酸是弱酸，pKa约为4-5（大部分的羧酸是以未解离的分子形式存在）二

讨论1羧酸根比较稳定，所以羧酸的氢能解离而表现出酸性。第7页,共87页，2024年2月25日，星期天HCOOHC6H5-COOHCH3COOH

3取代基对羧酸酸性的影响（1）电子效应的影响：吸电子取代基使酸性增大，给电子取代基使酸性减少.

pka

3.374.204.73第8页,共87页，2024年2月25日，星期天

利于H+离解的空间结构酸性强，不利于H+离解的空间结构酸性弱.（3）分子内的氢键也能使羧酸的酸性增强。（2）空间效应：第9页,共87页，2024年2月25日，星期天4芳香羧酸的情况分析取代基具有吸电子共轭效应时，酸性强弱顺序为：

邻>对>间取代基具有给电子共轭效应时，酸性强弱顺序为：

邻>间>对具体分析：邻位（诱导、共轭、场、氢键效应、空间效应均要考虑。）对位（诱导很小、共轭为主。）间位（诱导为主、共轭很小。）

第10页,共87页，2024年2月25日，星期天实例诱导吸电子作用大、共轭给电子作用大、氢键效应吸电子作用大。邻位间位对位诱导吸电子作用中、共轭给电子作用小。诱导吸电子作用小、共轭给电子作用大。pka2.98pka4.08pka4.57苯甲酸的pka4.20第11页,共87页，2024年2月25日，星期天一羧酸的结构分析二化学性质

第四节羧酸的反应第12页,共87页，2024年2月25日，星期天一羧酸结构分析-活泼H的反应酸性羰基的亲核加成，然后再消除（表现为羟基的取代）。羰基的亲核加成，还原。第13页,共87页，2024年2月25日，星期天二化学性质1.酸碱反应强无机酸>羧酸>碳酸>酚pKa 4~56.3510RCOOH+NaHCO3RCOO-Na++CO2+H2O

羧酸可以和碳酸氢钠反应ArONa+CO2+H2OArOH+NaHCO3

酚不能和碳酸氢钠反应第14页,共87页，2024年2月25日，星期天*1.羧酸盐是固体*2.羧酸盐的溶解度

钠、钾、銨盐可溶于水，重金属盐不溶于水。

*3.羧酸根具有碱性和亲核性

羧酸盐能与活泼卤代烷反应（见下页）羧酸盐的若干性质第15页,共87页，2024年2月25日，星期天①是SN2反应。②只适用于1oRX和活泼RX。③常用的是钠盐。(有时也用Ag盐，优点：速率快。缺点：太贵。)

体系中双键不受影响。RCOO-+R’XRCOOR’+X-SN2+CH3COO-Na+HOAc120oC讨论第16页,共87页，2024年2月25日，星期天2.羧酸中α-H的取代反应

——赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应

在三氯化磷或三溴化磷等催化剂的作用下，卤素取代羧酸α-H的反应称为赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应。RCH2COOH+Br2PBr3-HBrRCHCOOHBr（1）定义第17页,共87页，2024年2月25日，星期天催化剂的作用是将羧酸转化为酰卤，酰卤的α-H具有较高的活性而易于转变为烯醇式，从而使卤化反应发生。所以用10%~30%的乙酰氯或乙酸酐同样可以起催化作用。

控制卤素用量可得一元或多元卤代酸。碘代酸由α-氯（或溴）代酸与KI反应来制备。（2）反应机理RCH2COOHPBr3互变异构+Br--HBrRCH2COOH这步反应不会逆转第18页,共87页，2024年2月25日，星期天3.酯化反应

（1）定义：羧酸与醇在酸的催化作用下失去一分子水而生成酯的反应称为酯化反应。CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O投料1：1产率67% 1：1097%H+（常用的催化剂有盐酸、硫酸、苯磺酸等）第19页,共87页，2024年2月25日，星期天

①使原料之一过量。②不断移走产物（例如除水，乙酸乙酯、乙酸、水可形成三元恒沸物bp70.4℃）酯化反应是一个可逆的反应，为了使正反应有利，通常采用的手段是：第20页,共87页，2024年2月25日，星期天（2）酯化反应的机制*1加成--消除机制双分子反应一步活化能较高质子转移加成消除四面体正离子-H2O-H+按加成--消除机制进行反应，是酰氧键断裂第21页,共87页，2024年2月25日，星期天1OROH，2OROH酯化时按加成--消除机制进行，

且反应速率为：

CH3OH>RCH2OH>R2CHOH

HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH第22页,共87页，2024年2月25日，星期天该反应机制已为：①同位素跟踪实验②羧酸与光活性醇的反应实验所证实。酯化反应机制的证明第23页,共87页，2024年2月25日，星期天①

3oROH按此反应机制进行酯化。②

由于R3C+易与碱性较强的水结合，不易与羧酸结合，故逆向反应比正向反应易进行。所以3oROH的酯化反应产率很低。*2碳正离子机制属于SN1机制该反应机制也从同位素方法中得到了证明。(CH3)3C-OHH+(CH3)3COH2+-H2O-H+按SN1机制进行反应，是烷氧键断裂+(CH3)3COH+H2O第24页,共87页，2024年2月25日，星期天4.形成酰胺和腈的反应

反应是可逆的，加热、脱水有利于正反应，为了使正反应顺利进行，常采用苯、甲苯带水的方式除去反应体系中产生的水。

室温-H2OP2O5RCN+H2O第25页,共87页，2024年2月25日，星期天二元羧酸与氨共热脱水，可生成酰亚胺。例如：第26页,共87页，2024年2月25日，星期天应用实例：尼龙66的合成nHO2C(CH2)4COOH+nH2N(CH2)6NH2270oC1MPa+nH2O第27页,共87页，2024年2月25日，星期天羧酸与三卤化磷、五卤化磷或亚硫酰氯等反应，羧基中的羟基可被卤素取代生成酰卤。5.酰卤的生成

第28页,共87页，2024年2月25日，星期天6.酸酐的生成

一元羧酸在脱水剂五氧化二磷或乙酸酐作用下，两分子羧酸受热脱去一分子水生成酸酐。某些二元羧酸分子内脱水生成内酐（一般生成五、六员环）例如：第29页,共87页，2024年2月25日，星期天7.羧酸的还原羧酸能用LiAlH4和B2H6还原RCOOHRCH2OHLiAlH4orB2H6H2O先酯化再还原，反应较易进行，产率较好，反应条件相对比较温和，LiAlH4用量较少第30页,共87页，2024年2月25日，星期天*1.反应不能得到醛，因为醛在此条件下比酸更易还原。*2.用LiAlH4还原时，常用无水乙醚、四氢呋喃做溶剂。*3.用钌作催化剂时，也可以用催化氢化法还原。(1)用LiAlH4还原反应机理RCOOH+LiAlH4RCOOLi+H2+AlH3-LiOAlH2R-CH=OAlH3RCH2OAlH2RCH2OHH2O第31页,共87页，2024年2月25日，星期天（2）用乙硼烷还原RCOOH+BH3反应机理乙硼烷与羰基化合物的反应活性顺序-BH2(OH)RCHOBH3RCH2OBH2H2ORCH2OH-COOH>C=O>-CN>-COOR>-COCl第32页,共87页，2024年2月25日，星期天LiAlH4不还原孤立的C=C,B2H6能还原孤立的C=C。用LiAlH4还原和用乙硼烷还原的区别CH2=CH-CH2-COOHCH2=CH-CH2-CH2OHCH2=CH-CH2-COOHCH3CH2CH2CH2OHB2H6H2OH2OLiAlH4第33页,共87页，2024年2月25日，星期天8.脱羧反应羧酸在适当条件下，一般都能发生脱羧反应RCOOHRCOOXRCOOMRCOO•-CO2R•R•R-R能提供X•的试剂①X2②RX（1）.特殊条件下的脱羧反应它们的反应过程可归结为：第34页,共87页，2024年2月25日，星期天珀脱法特殊脱羧反应柯尔伯法汉斯狄克法克利斯脱法

柯齐法适用范围反应名称反应式2CH3COONaC2H6+CO2+NaOH+H22H2O电解RCH2COOHRCH2COOAgRCH2BrAgNO3KOHBr2CCl4

RCH2COOHRCH2COOHgRCH2BrHgOBr2CCl4

RCOOHRCOOPb(OAc)3Pb(OAc)4I2LiClC6H6

RClRCOOHRIPb(OAc)4I2Cl4光

10C左右的羧酸产率1oRX最好，2oRX之,3oRX最低。产率1oRX最好产率1o、2o、3oRX均很好。第35页,共87页，2024年2月25日，星期天HOOC(CH2)4COOHCH3OOC(CH2)4COOAgBr2CCl4

CH3OOC(CH2)4Br实例CH3OHH+AgNO3KOH第36页,共87页，2024年2月25日，星期天（2）.通常的脱羧反应

一般的脱羧反应不用特殊的催化剂，而是在以下的条件下进行的。（a）加热（b）碱性条件（c）加热和碱性条件共存（A）反应一般式A-CH2-COOHACH3+CO2当A为吸电子基团，如：A=COOH，CN，C=O，NO2，CX3，C6H5等时。失羧反应极易进行。加热碱第37页,共87页，2024年2月25日，星期天*1环状过渡态机理（B）机理当α-碳与不饱和键相连时，一般都通过环状过渡态机理失羧。

-CO2互变异构第38页,共87页，2024年2月25日，星期天实例*1HOOCCH2COOHCH3COOH+CO2

*2O2NCH2COOH

O2NCH3+

CO2

*3NCCH2COOHNCCH3+

CO2

*4CH2=CH-CH2COOH

CH2=CHCH3+CO2

*5RCH=CH-CH2COOHRCH2CH=CH2+CO2

第39页,共87页，2024年2月25日，星期天

酸性很强的酸易通过负离子机理脱羧。*2羧酸负离子机理Cl3CCOOH-H+H2O

Cl3C-+CO2+H+Cl3CH强酸,在水中完全电离（pka=6.6)第40页,共87页，2024年2月25日，星期天实例第41页,共87页，2024年2月25日，星期天（b）强的芳香酸不需要催化剂，在H2O中加热即可脱羧。(3)芳香羧酸脱羧的几点说明（a）羧基邻对位有给电子基团的芳香羧酸，在强酸作用下按负离子机理脱羧。（c）一般芳香羧酸脱羧需要用石灰或Cu做催化剂。第42页,共87页，2024年2月25日，星期天9.二元羧酸受热后的反应失羰(-CO)

失羧(-CO2)乙二酸、丙二酸（失羧）~160℃丁二酸、戊二酸（失水）~300℃已二酸、庚二酸（失羧、失水）~300℃辛二酸以上为分子间失水柏朗克规则甲酸、

-羟基酸、-羰基酸受热均发生失羰反应。第43页,共87页，2024年2月25日，星期天失水要加失水剂:Ag2O、P2O5、乙酰氯、乙酸酐、三氯氧磷等失羧要加碱：Ba(OH)2、Ca(OH)2等第44页,共87页，2024年2月25日，星期天第五节羧酸衍生物一.羧酸衍生物的物理性质二.羧酸衍生物的化学性质第45页,共87页，2024年2月25日，星期天一、物理性质物态及水溶解性：酰氯、酸酐：分子间无氢键作用，挥发性强，有刺鼻气味的液体。沸点随着相对分子质量↑而↑。遇水水解。酯：酯不溶于水。低级酯是有酯香味的液体。高级脂肪酸的高级脂肪醇酯为固体，俗称“蜡”。酰胺：分子间氢键作用强，一般为固体，但DMF或DEF为液体，是常用的非质子性溶剂。低级酰胺可溶于水，随着分子量↑，水溶解度↓。沸点：酰卤、酸酐、酯、腈的沸点低于羧酸；伯酰胺的沸点高于羧酸。第46页,共87页，2024年2月25日，星期天(三)羧酸衍生物的化学性质

(1)

酰基上的亲核取代(甲)水解

第47页,共87页，2024年2月25日，星期天

低级的酰卤遇水迅速反应，高级的酰卤因在水中溶解度较小，水解反应速度较慢。多数酸酐因不溶于水，在冷水中缓慢水解，在热水中迅速反应。

酯的水解只有在酸或碱的催化下进行。

酯的碱性水解反应也称为皂化反应。水解条件：第48页,共87页，2024年2月25日，星期天例：第49页,共87页，2024年2月25日，星期天腈水解可得到羧酸，这是制备羧酸的方法之一：小心控制条件，可使腈部分水解得到酰胺：例：第50页,共87页，2024年2月25日，星期天

(乙)醇解

酯的醇解反应也叫酯交换反应

第51页,共87页，2024年2月25日，星期天例：第52页,共87页，2024年2月25日，星期天(丙)氨解

例：第53页,共87页，2024年2月25日，星期天N-未取代的酰胺与胺反应生成N-取代酰胺。例如：

第54页,共87页，2024年2月25日，星期天

水解、醇解、氨解的结果是在HOH、HOR、HNH2等分子中引入酰基，因而酰氯、酸酐是常用的酰基化试剂。酯酰化能力较弱，酰胺的酰化能力最弱，一般不用作酰基化试剂。第55页,共87页，2024年2月25日，星期天(丁)酰基上的亲核取代反应机理

反应是分步完成的：先亲核加成，后消除，最终生成取代产物。第56页,共87页，2024年2月25日，星期天(戊)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.该反应是亲核加成-消除机理。

第57页,共87页，2024年2月25日，星期天①即酰氯的羰基碳最正。∴活性：酰氯＞酸酐＞酯＞酰胺

第58页,共87页，2024年2月25日，星期天②

L－愈易离去，越有利于第二步反应（消除反应）酸性：HCl＞RCOOH＞ROH＞NH3pKa：～2.24～516～1934

离去能力：Cl－＞－OCOR＞－OR’＞－NH2∴活性：酰氯＞酸酐＞酯＞酰胺

第59页,共87页，2024年2月25日，星期天(2)还原反应

(甲)用氢化铝锂还原

四氢铝锂的还原性很强，可以还原羧酸及羧酸衍生物。除酰胺和腈被还原成相应的胺外，酰卤、酸酐和酯均被还原成相应的伯醇。例如：第60页,共87页，2024年2月25日，星期天第61页,共87页，2024年2月25日，星期天酯与金属钠在醇溶液中加热回流，可被还原为相应的伯醇：

(乙)用金属钠-醇还原第62页,共87页，2024年2月25日，星期天(丙)Rosenmund还原

酰氯经催化氢化还原为伯醇：

若采用Rosenmund还原，可使酰氯还原为醛：

第63页,共87页，2024年2月25日，星期天其中的BaSO4、喹啉-硫都具有抑制作用，使反应停留在生成醛的阶段。Rosenmund还原是制备醛的一种好方法。例：

第64页,共87页，2024年2月25日，星期天(3)酰氨氮原子上的反应

(甲)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：

第65页,共87页，2024年2月25日，星期天酰亚胺分子中氮原子上的氢具有微弱的酸性：

第66页,共87页，2024年2月25日，星期天(乙)酰胺脱水

这是合成腈最常用的方法之一。例如：

第67页,共87页，2024年2月25日，星期天(丙)Hofmann降解反应

例如：

手性碳构型不变!第68页,共87页，2024年2月25日，星期天Hofmann降解反应机理第69页,共87页，2024年2月25日，星期天（4）酯缩合反应

酯分子中的α-H原子由于受到酯基的影响变得较活泼，用醇钠等强碱处理时，两分子的酯脱去一分子醇生成β-酮酸酯，这个反应称为克来森（Claisen）酯缩合反应。乙酰乙酸乙酯

第70页,共87页，2024年2月25日，星期天反应机理先强碱夺取α-H原子形成负碳离子，负碳离子向另一分子酯羰基进行亲核加成，再失去一个烷氧基负离子生成β-酮酸酯

第71页,共87页，2024年2月25日，星期天第五节羟基酸的性质一、分类与命名羟基酸的命名一般以俗名（括号中的名称）为主2–羟基丙酸（乳酸）2,3–二羟基丁二酸（酒石酸）羟基丁二酸（苹果酸）3–羟基–3–羧基戊二酸（柠檬酸）邻羟基苯甲酸（水杨酸）3，4，5–三羟基苯甲酸（没食子酸）第72页,共87页，2024年2月25日，星期天（1）酸性

pKa4.753.834.884.513.87羟基离羧基越近，其酸性越强

第73页,共87页，2024年2月25日，星期天（a）α-羟基酸（2）羟基酸的受热反应（在H+中进行）交酯分子间的酯化反应第74页,共87页，2024年2月25日，星期天ω-羟基酸β-羟基酸*若无α-H，则形成β-丙内酯γ-羟基酸δ-羟基酸(C>9)在极稀溶液内，可形成大环内酯。γ-丁内酯δ-戊内酯（b）分子内的酯化反应第