有机化学课件：第九章羧酸及其衍生物

1、第九章 羧酸及其衍生物,2,第八章 羧酸和羧酸衍生物,有机分子中含有羧基的化合物称为羧酸(carboxylic acids)。,第一节 羧酸,RCOOH,ArCO2H,3,第一节 羧 酸,第十章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),一、羧酸的结构、分类和命名,(一) 羧酸的结构 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,4,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,第十章 羧酸和羧酸衍

2、生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),5,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,第十章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),6,(二) 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,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),7,(三) 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

3、名-来源。,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),第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),8,羧酸的系统命名法与醛相似。对于简单的脂肪酸也常用 、 等希腊字母表示取代基的位次；羧基永远作为C-1。,5 4 3 21 g b a,3-甲

4、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,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),d. 脂环族羧酸。简单的在脂环烃后加羧酸二字，复杂的环可作为取代基。,f. 多元羧酸：选择含两个羧基的碳链为主链，按C原子数目称为某二酸。,c. 如有不饱和键角要标明烯（或炔）键的位次。并主链包括双键和叁键。,e.芳香酸可作脂肪酸的芳基取代物命名。,10,2-甲基-3-丁烯酸,3-硝基-4-氯苯甲酸,邻苯二甲酸(酞酸),反-1,4-环己烷二甲酸,-萘甲酸 1-萘甲酸,命名举例：,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),11,二

5、十 四烯酸,己二酸,5,8,11,14-,(花生四烯酸),3-羧甲基,10C 的不饱和酸在碳数后加“碳”字！,碳,命名举例：,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),12,1.,2.,3.,4.,2,2-二甲基丁酸,环丙基甲酸,2,4-二氯苯甲酸,1 2 4 5,3-羧基-4-羟基己二酸,课堂练习: 命名下列化合物,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),13,二、羧酸的物理性质,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(二、物理性质 ),1. 性状：常温下，19C饱和一元酸为具有强烈气味的液体; 高级脂肪酸为无味无臭蜡状固体; 二元酸和芳香酸是结晶固

6、体。,2.溶解性：低级脂肪酸易溶于水,但随相对分子质量的增加水溶度降低:甲、乙、丙、丁酸与水互溶, 己酸0.96%, 辛酸0.08%。高级一元酸不溶于水，但能溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。多元酸的水溶性大于相同碳数的一元酸。芳酸的水溶性极微。,14,与相对分子质量相近的其它类型有机物相比, 羧酸具有特别高的沸点：,MW 60 60 58 56 bp/ 117.9 82.3 56.5-6.9,形成双分子氢键缔合体,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(二、物理性质 ),3熔点：随着C原子的增加呈锯齿状的变化。(偶数C原子酸的熔点比相邻的两个奇数C原子酸的熔点高。),第八章 羧酸和羧酸衍生物

7、第一节 羧酸(二、物理性质 ),4比重：一元羧酸：甲酸、乙酸比重大于1； 其它羧酸的比重小于1。 二元羧酸、芳香羧酸的比重大于1。,16,三、羧酸的化学性质,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),*3.-H 的反应,1. 酸 性,2.亲核取代,17,(一) 羧酸的酸性与成盐,Ka: 10-410-5,可用pH试纸或石蕊试纸检验出其水溶液的酸性。,共轭大键的形成使羧酸根的键长完全平均化, 增加了羧基负离子的稳定性,有助于H+的离解。,127pm,127pm,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),18,羧酸能与碱中和生成羧酸盐和水。利用羧酸与NaHCO3反应

8、放出CO2,可以鉴别、分离苯酚和羧酸。,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),酸：既溶于NaOH，又溶于NaHCO3 鉴别 酚：可溶于NaOH，不溶于NaHCO3 醇：不溶于NaOH，不溶于NaHCO3,19,羧酸盐与强的无机酸作用, 又可转化为原来的羧酸。,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),20,酸性比较（pKa）：,羧酸的酸性强弱与羧酸分子的诱导效应、立体效应和溶剂化效应相关。,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),21,就诱导效应而言，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

9、 供电子基 减弱酸性,Gw: withdrawing group 吸电子基 增强酸性,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),诱导效应对羧酸酸性的影响,+I效应使羧酸酸性减弱，-I效应使羧酸酸性增强。,23,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,诱导效应随距离的增加而迅速下降,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),一卤代酸酸性强度与卤原子电负性大小一致，且具有加合性,24,取代基具有吸电子共轭效应时，酸性强弱顺序为： 邻 对 间 取代基具有供电子共轭效应时，酸性

10、强弱顺序为： 邻 间 对,原因： 邻 位：诱导、共轭、氢键效应、空间效应均要考虑 对 位：诱导效应很弱、共轭效应为主。 间 位：诱导效应为主、共轭效应很弱。,芳香羧酸的情况分析,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),25,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),26,Ka1 5.910-2 1.610-3 6.810-5,Ka2 4.010-5 1.410-6 2.310-6,二元羧酸的酸性与两个羧基的相对距离和在空间的位置有关。,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),二元羧酸酸性比一元羧酸酸性强，且 Pka1 PKa2,28,问题:

11、比较酸性强弱,pKa 3.37 4.20 4.73,HCO2H C6H5-CO2H CH3CO2H,(1),(2),pKa 4.67 2.66 1.24 0.23,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),（二） 羧基中羰基的还原反应,（三）氢原子的取代反应,机理：,应用：,32,(四) 脱羧反应,羧酸失去羧基放出CO2的反应称脱羧反应(decarboxylation)。,几乎所有羧酸或其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,第十章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),二元酸的脱羧,Blanc规则：在可能形成环状化合物的

12、条件下，总是比较容易 形成五元或六元环状化合物(即五、六元环易形成)。,35,(五) 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),第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),36,1酰卤的生成,mp. 112 ,bp. 197 ,bp. 77 ,酰卤具有高度反应活性，广泛应用于药物合成中。,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),37,2酸酐的生成,

13、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,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),39,3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,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性

14、质 ),40,4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 。,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),41,第二节 羧 酸 衍 生 物,一、 羧酸衍生物的命名,二、 羧酸衍生物的结构,三、 羧酸衍生物的性质,医学生学习的意义？,巴比妥类药物,镇静、催眠和麻醉作用，作用于中枢神经类药物，有成瘾性。,44,第二节 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)。,

15、取代羧酸,羧酸衍生物,酰卤 酸酐 酯 酰胺,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物,45,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。,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物,46,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,第八章 羧酸和羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物,47,第一节 羧酸衍生物的命名,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的命名（一、酰卤）,一、酰卤的命名,常见

16、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,？,48,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的命名（二、酸酐）,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,49,邻苯二甲酸酐 Phthalic anhydride,丙酸苯甲酸酐 benzoic propanoic an

17、hydride,2-甲基丁二酸酐 2-Methylbutanedioic anhydride,？,？,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的命名（二、酸酐）,50,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的命名（三、酯）,三、酯的命名,一元醇的酯：某酸某(醇)酯 多元醇的酯：某醇某酸酯,乙酸乙酯 Ethyl acetate,乙酸苄酯 benzyl acetate,丁二酸二甲酯 dimethyl butanedioate,51,乙二醇二乙酸酯 Ethylene diacetate,内酯的命名：将相应的“酸”变为“内酯”, 用希腊字母、等标明原羟基的位置。,4-甲基-戊内酯,-戊内酯,？,？,-己

18、内酯,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的命名（三、酯）,52,四、酰胺的命名,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的命名（四、酰胺）,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),53,环状的酰胺称为内酰胺(Lactam)。,亚酰胺(imide)的命名似酰胺。,邻苯二甲酰亚胺Phthalimide,-己内酰胺 -

19、Hexanolactam,？,？,N-甲基-N-乙基丙酰胺 N-Ethyl-N-methylpropanamide,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的命名（四、酰胺）,内酰胺的命名与内酯相似。,54,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的结构,第二节 羧酸衍生物的结构,酰卤 酸酐 酯类 酰胺,55,苯甲酰氯,酸酐键,乙酸酐,酰氯键,乙酸乙酯,酯键,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的结构,56,147pm,p-共轭,139pm 有部分双键性质,p-p 共轭体系，酰胺中N原子几乎无碱性,仲、叔酰胺能以Z和E两种构象存在,通常 Z 构象占优势。,第八章 羧酸衍生物 第二节 羧酸衍生物的

20、结构,57,第八章 羧酸衍生物 第三节 羧酸衍生物的性质（一、物理性质）,第三节 羧酸衍生物的性质,一、物理性质,酰卤 具刺激气味的液体低于相应酸 酸酐 具刺激气味的液体低于相应酸 酯 具愉快气味的液体低于相应酸 酰胺 多为固体高于相应酸,性状 沸点溶解性,均能溶于苯,乙醚,丙酮等有机溶剂，6C的酰胺能溶于水(与水形成氢键),酰胺由于分子间可以通过氨基上的H原子形成氢键而缔合，故沸点很高, 一般多为固体；,58,二、化学性质,第八章 羧酸衍生物 第三节 羧酸衍生物的性质（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

21、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。,59,H :OH H :OR H :NH2 H :NHR H :NR2,反应结果是离去基团 L 被亲核试剂 Nu 所取代,故这类反应称为酰基的亲核取代反应, 也称为酰化反应或酰基转移反应。,第八章 羧酸衍生物 第三节 羧酸衍生物的性质（二、化学性质）,60,羧酸衍生物可以在酸性和碱性条件下与许多亲核试剂发生酰基亲核取代反应。 在取代过程中经历了亲核加成和消除反应两个步骤。,:L- = Cl-,Br-; RCOO-; RO-; H2N-,RHN-,R2N-,羧酸衍生物在碱性条件下的亲核取代反应通式,加成,消去,第八章

22、 羧酸衍生物 第三节 羧酸衍生物的性质（二、化学性质）,61,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,第八章 羧酸衍生物 第三节 羧酸衍生物的性质（二、化学性质）,62,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、酯和酰胺；酸酐很容易转化为酯和酰胺;酯能转化为酰胺;而酰胺仅能被水解成羧酸。,第八章 羧酸衍生物 第三节 羧酸衍生物的性质（二、化学性质）,63,(一) 水解 (hydrolysis) 生成相应的羧酸,HOH,很快,快,H+ /OH-,H+ /OH-, ,酰卤与水立即反应。酸酐在热水中反应较快。酯需要 碱或无机酸催化并加热才水解(酸催化时反应可逆，碱催化可完全水解 皂化反应)。酰胺水解较酯更困难。,第八章 羧酸衍生物 第三节 羧酸衍生物的性质（二、化学性质）,64,第八章 羧酸衍生物 第三节 羧酸衍生物的性质（二、化学性质）,65,(二) 醇解 (alcoholysis) 生成相应的酯,H O-R,酰卤 与醇、酚很快反应用于制备常法难以合成的酯 酸酐 可与绝大多