《有机化学羧酸》PPT课件.ppt

1、第十四章 羧 酸,第一节 羧酸的分类和命名 第二节 羧酸的物理性质 第三节 羧酸的光谱特征 第四节 羧酸的结构和酸性 第五节 羧酸的制备 第六节 羧酸的反应,本 章 提 纲,第七节 不饱和羧酸和取代羧酸,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（碳）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。,Common Names (Vollhardt),二元酸 系统命名 普通命名 HOOCCOOH

2、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。,Carboxylic acids take precedence over other groups:,Include as many functions as possible in stem,(Better than 4-acetylheptanoic acid),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

3、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。,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。,所有的二元酸都是结晶化合物。,第三节 羧酸的光谱特征,1HNMR,R2CHCOOH H： 1012 HCR2COOH H： 22.6,IR光谱,羧酸中的C=O： 单体 二缔合体 RCOOH 17701750cm-1 1710cm-1 CH2=CHCOOH 1720 cm-1 1690cm-1 ArCOOH 1700-1690cm- 羧酸中的OH： 3550 cm-1 3000 2500cm- 羧酸中的C-O 1250 cm-1,羧酸的光谱

4、性质,C4H8O,正己烷,乙酸,醇羟基、羧酸羟基、烷基IR吸收的比较,乙酸的NMR谱,乙酸的MS谱,2-甲基丙酸NMR图,2-甲基丙酸MS图,两个碳氧键不等长，部分离域。,两个碳氧键等长，完全离域。,第四节 羧酸的结构和酸性,1.36,1.23,1.27,醇中C-O单键键长为1.43,一 羧酸和羧酸根的结构比较,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。,3 取代基对羧酸酸性的影响,1). 诱导效应对羧酸酸性的影响 取代基的吸电子(-I效应) 取代基的供电子(+I效应),2). 共轭效应对羧酸酸

5、性的影响 取代基的吸电子(-C效应) 取代基的供电子(+C效应),共轭效应：,X= OH OCH3 CH3 H Cl NO2 pKa 4.57 4.47 4.38 4.20 3.97 3.42,3). 空间效应：,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,3.68 4.44,4). 氢键：分子内的氢键也能使羧酸的酸性增强。,pka 2.98,pKa1=2.0 pKa2=6.5 pKa1=3.0 pKa2=4.5,5）. 场效应,场效应：是空间静电作用，即取代基在空间产生一个电场，对另一个反应中心的影响,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

6、 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。）,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。,pka 2.98 pka 4.08 pka 4.57,Ref. 苯甲酸的pka 4.20,应用：利用羧酸的酸性分离和纯化化合物,1. 氧化法 2. Grignard试剂 + CO2 3. 腈类化合物的水解 * 有机锂试剂的羧化

7、4. 丙二酸酯合成法（见羧酸衍生物） 5. 酚酸的特殊制法 （见取代酸）,第五节 羧酸的制备,氧化法,用什么氧化剂？ 氧化剂的选择性？,Grignard试剂 + CO2,亲核加成机理,制备比 RX 多一碳的羧酸,腈类化合物的水解（酸性水解和碱性水解）,例：,丁二酸,丙二酸,Strecker反应,a-羟基酸,a-氨基酸,腈的酸催化水解机理：,腈的碱催化水解机理,*有机锂试剂和CO2的反应,讨论： (1)(2)(3)同格氏试剂。(4)（注意：投料比对产物的影响）,实 例,*有机锂化合物的烃基化反应在合成羧酸中的应用,实例一和实例二 ：从羧酸合成-取代羧酸,实例一,实例二,LDA/THF,-78oC

8、,CH3(CH2)3Br,H2O,CO2,-78oC,H2O,实例三,从一元羧酸合成二元羧酸,从羧酸合成取代羧酸,1. 羧酸的酸性 2. 羧基上羟基的取代 3. 羧酸与金属有机试剂的反应 4. 羧酸的还原反应 5. 羧酸 - 氢的反应 6. 羧酸的脱羧,第六节 羧酸的反应,羧酸的结构及化学性质分析,H有酸性,羰基不饱和, 可加成、还原,羧酸的化学性质,羧酸的酸性,几种活泼氢的酸性比较,羧酸,酚,醇,pKa, 5, 10, 16-19,羧酸根负离子的共振式与稳定性,有两个完全 等价的共振式,吸电子基对羧酸酸性的影响,应用：利用羧酸的酸性分离和纯化化合物,羧基上羟基的取代,羧酸衍生物,酰卤,酸酐,

9、酯,酰胺,取代羟基生成羧酸衍生物,羧酸,2.1 形成酰卤（下册，第13.6节）,酰(基)氯,酰(基)溴,比较: 醇类的卤代,羧酸羟基的卤代与醇类的卤代有相似性,2.2 形成酸酐（下册，第13.7节）,可能机理:,乙烯酮衍生物,酸酐,强除水剂,分子内二酸的脱水（第12.14节）:,正常反应: 形成环状酸酐,异常反应: 形成环状酮,加热反应即发生,2.3 生成酯（酯化反应）,酯化反应特点： 反应需要 H+ 催化，无催化剂时反应很慢。 反应可逆（加大反应物用量或除去水使酯的产率提高）,酯化反应机理的讨论 机理须说明的问题： a. 反应可逆性 b. H+ 在反应中起什么的作用？先作用在哪？ c. 酯中

10、OR中氧的来自于酸还是醇？,两种可能的酯化反应机理,(i) 通过酰基上的亲核取代,H+先与羧基羰基氧结合（增强了羧基的亲电性） OR 上的氧原子来自于醇,提示：逆过程为酯的酸性水解机理,(ii) 通过烷基碳正离子中间体,H+先与醇羟基氧结合 羧基羰基氧作为亲核试剂，OR上的氧原子来自于酸,碳正离子中间体证据：酸与烯烃反应可生成酯,机理 (ii)的关键 碳正离子,研究两种酯化反应机理的实验室方法： (i) 同位素标记法。如：用RO18H确定烷氧基中氧的来源 (ii) 旋光性醇酯化法。,总结： 伯醇、仲醇酯化经机理 (i)。 叔醇酯化经机理(ii) （关键 ：R+ 稳定，较易生成）,有旋光，机理(

11、i),无旋光，机理(ii),羟基酸的酯化形成内酯和交酯,a-羟基酸,b-羟基酸,g-羟基酸,d-羟基酸,交酯,g - 内酯,d - 内酯,a, b不饱和酸,2.4 生成酰胺,提示：合成上一般通过羧酸衍生物制备酰胺（第13章）,Cyclic amides: Imides from dioic acids, or lactams fom amino acids,Imide formation:,Lactam formation:,Penicillins are lactams:,ROH stands for transpeptidase, the enzyme necessary for all

12、cell wall construction. Osmotic pressure in a cell is enormous, 10-20 atm. Penicillin causes literally an explosion.,羧酸与金属有机试剂的反应,与RMgX反应,与RLi反应,一个制备酮的方法,作为亲核试剂,作为碱 （优先进行）,不溶性盐， 羰基不活泼,难进一步反应,溶解性较好， 可进一步反应,羧酸的还原反应,用 LiAlH4 还原羧酸至醇,还原机理：经过中间体醛,醛,1o醇,合成上应用 制备伯醇,合成上由羧酸制备伯醇，宜先酯化再还原,补充内容：能被LiAlH4还原的化合物及其产物

13、类型,提示：大多数的基团能被LiAlH4还原,其它能还原羧基的试剂,例：,-NO2未受影响,羧酸 a 氢的反应,机理：,a-卤代羧酸,P + Br2 PBr3,Jakob Volhard (1834-1910),Nikolaj Zelinski (1861-1953),Carl Magnus von Hell (1849-1926),Mechanism:,As in the acid catalyzed halogenation of aldehydes and ketones, this needs enolization of RCH2COOH. However, the COOH gro

14、up is too stable to enolize sufficiently, hence it requires activation to RCH2C(O)Br.,pKa 16!,Detailed mechanisms of steps 2 and 3:,a-卤代羧酸在合成上的应用,(i) 制备a-卤代酯（制备Reformatsky试剂的原料）,(ii) 制备 a-氨基酸或 a-羟基酸,Reformatsky试剂,酯难直接卤代,（P616，第13.18节）,亲核取代,羧酸的脱羧,通过羧酸钠盐脱羧,b-羰基酸或 b, g-烯基酸的脱羧,注意比较产物与原料的双键的位置,提示：羧基的位有不饱

15、和基团时易发生脱羧!,产率一般较低,b-羰基酸,b, g-烯基酸,b-羰基酸 和 b, g-烯基酸的脱羧机理,桥头碳难成平面型,实验证据：,b-羰基酸,六员环过渡态,b, g-烯基酸,b-羰基酸的脱羧在合成中的应用,例：,合成难点: 位置选择性不好 反应较难操作,用b-羰基酯进行反应,双活化位,酯基的作用: 活化、 定位,Hunsdiecker 反应,适用于制备伯溴代烷,反应机理（自由基机理）,第七节 不饱和羧酸和取代羧酸,一 不饱和羧酸 二 卤代酸 三 醇 酸 四 酚 酸 五 羰 基 酸,一 不饱和羧酸,不饱和羧酸包括烯酸和炔酸， 就是分子内含有烯键和炔键的羧酸。分子内含有两类官能团，即：C

16、=C ，CC 和 COOH.,根据不饱和键和羧基相对位置的不同， 不饱和羧酸可分为,- 和,-不饱和羧酸等， 我们主要讨论羧基和烯键直接相连的 , -不饱和羧酸。,1. 不饱和羧酸的结构,交叉共轭体系 (, 共轭和 P,共轭),由于羟基氧原子上的P 电子已与 C=O 共轭，使其不再与烯键共轭，而使稳定性增加的不是十分显著。,一些 , -不饱和羧酸有顺反异构体：,反式比顺式能更紧密地排列在晶格中，所以其熔点较高。,2. 不饱和羧酸的制备：,（1）. 水解法,（2）. 卤代酸酯去卤化氢,（3）. 芳香醛酮的缩合反应：类似于羟醛缩和反应,Perkin 反应，Knoevenagel反应， Wittin

17、g 反应 参见缩合反应,3. 不饱和羧酸的反应,分子中含有共轭双键体系，容易起1, 4 加成反应和 Diels-Alder 反应,（1） 共轭加成反应：,（2）. Diels-Alder 反应：,4. 不饱和羧酸的用途,丁炔二酸是良好的亲二烯体，可以用来合成结构特殊的化合物。,二 卤代酸,本节只讨论卤素在碳链上的卤代酸。卤代酸我们并不陌生。例如：ClCH2COOH 是工业上常用的合成中间体；杀鼠剂（已禁用） FCH2COONa, (FCH2CONH2) 等。,人们习惯于用希腊字母来表示卤素在碳链上的位置。如： ,- 卤代酸。卤素在羧基另一端的，称为- 卤代酸。,1. 卤代酸的合成,（1）. -

18、 卤代酸的合成：,1). Hell-Volhard-Zelinski 反应：,反应是通过酰卤进行的,2).,（2）. - 卤代酸的合成：,1）-卤代酸的合成 (赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应),（3）小节,2） -卤代酸的合成,3） 、等卤代酸的合成 (二元羧酸的单酯用汉斯狄克反应）,2. 卤代酸的反应,卤代酸具有卤代烃和羧酸的双重反应，彼此又相互影响。由于卤素的影响，卤代酸的酸性比相应的羧酸强。 - C 上卤原子的累积使羧基更容易失去；在羧基的影响下，卤原子的性质也有一些变化，卤素更容易被取代。 如：,五元环内酯最稳定,双分子亲核取代,（1） -卤代酸的反应（复习邻基参与）,在Ag2O存在下，用

19、稀碱作用，构型保持。,浓碱作用下，构型翻转。,实 例,（2）-卤代酸的反应,（3） -卤代酸的反应（略）,有 -H，在碱作用下，生成 ,-不饱和酸,反应机制：（请学生自己完成）,无 -H，在碱性CCl4溶液中，生成-丙内酯， 在碱水中，-丙内酯开环。,（4）* -卤代羧酸在合成上的应用,(i) 制备a-卤代酯（制备Reformatsky试剂的原料）,(ii) 制备 a-氨基酸或 a-羟基酸,Reformatsky试剂,酯难直接卤代,亲核取代,三 醇 酸,羧酸分子中饱和碳原子上有羟基的酸成为醇酸。除IUPAC 的命名法则外，醇酸可根据羟基与羧基的相对位置称为-,- 和- 羟基酸。与卤代酸一样，羟

20、基连在碳链末端时，称为羟基酸。由于许多醇酸做为生化过程的中间体而存在于天然产物中，所以，在生物科学中，以俗名命名也很常见。,2-羟基丙酸 - 羟基丙酸 乳酸,3-羟基-3-羧基戊二酸 -羟基-羧基戊二酸 柠檬酸,1. 醇酸的合成（小节）,（1）. 二元醇的控制氧化,（2）. 卤代酸的水解,（3）. 羟基睛的水解,分子中同时含有-OH 和-CN, 如何制备？,（5）. 环酮的氧化,练习,（4）. Reformatsky 反应 （合成- 羟基酸酯和- 羟基酸的重要方法） 参见羧酸衍生物,将二元酸单酯的酯基还原成醇,（6）. -羟基酸的合成,1) 醛 （羟醛缩和）-羟基醛 （选择性氧化）-羟基酸 2

21、) -氯醇与NaCN反应，再水解。 3) 用瑞佛尔马斯基反应，然后将酯基水解。 4) 用-羰基酯还原，水解合成。,（7）. -羟基酸的合成,（8）. -羟基酸的合成（总结）,1） 由羰基化合物加HCN，然后水解合成。,2） 由-卤代酸合成。,3）分子内的发生Cannizzaro反应。,4） 二苯乙醇酸重排（参见缩合反应）,2. 醇酸的性质和反应,（1）酸性：醇酸含有羟基和羧基两种官能团，由于羟基具有吸电子效 应并能生成氢键，醇酸的酸性较母体羧酸强，水溶性也较大。羟基 离羧基越近，其酸性越强。,（2） 与醛的反应： - 和- 醇酸与醛一起加热，生成环状化合物,相当于生成缩醛,-羟基酸,-羟基酸,

22、*若无-H，则形成-丙内酯,-羟基酸,-羟基酸,(C9)在极稀溶液内，可形成大环内酯。, -丁内酯,-戊内酯,（3）. 脱 水 反 应*,1）分 子 内,2） 分 子 间,ii.- 醇酸：两分子相互酯化，生成六元环交酯,i. 生成聚酯,（4） - 醇酸的降解（合成比原料少一个碳原子的醛酮）,？,3. 醇酸的用途,四 酚 酸,羟基和羧基连在芳环上的羟基酸称为酚酸。命名时酚酸以芳香酸为母体，羟基作为取代基。,酸性的比较：,羟基和羧基邻位效应；共轭 碱能生成分子内氢键，其稳 定性增加。,pKa = 2.69,1. 酚酸的合成：Kolbe-Schmidt 反应,2. 酚酸的反应,脱羧反应,酰化反应,阿斯匹林,五. 羰 基 酸,羰基酸是分子中同时含有羰基和羧基的一类化合物。,1. 羰基酸的分类和命名,根据羰基的结构，羰基酸可分为醛酸和酮酸；按照羰基 和羧基的相对位置，酮酸又可分为- 酮酸和- 酮酸。,羰基酸的普通命名，是选择包括羰基和羧基的最长链为主 链，称为“某酮（醛）酸”。若是酮酸，需用阿拉伯数字或希腊 字母标记羰基的位置（习惯上多用希腊字母）。也可用酰基 命名，称为“某酰某酸”。例如：,-丁酮酸, 乙酰乙酸,乙醛酸,2. 羰基酸