有機(jī)化學(xué)12羧酸及其衍生物

12羧酸及其衍生物

（CarboxylicAcidsand

theirDerivatives）有機(jī)化學(xué)返回12羧酸及其衍生物12.1羧酸12.2羧酸衍生物返回12.1羧酸12.1.1羧酸的構(gòu)造和命名(自學(xué))12.1.2羧酸的物理性質(zhì)12.1.3羧酸的化學(xué)性質(zhì)12.1.4羥基酸的化學(xué)性質(zhì)返回

羧酸是分子中含有官能團(tuán)的化合物，通常把這個(gè)官能團(tuán)寫作-COOH，稱為羧基。除甲酸外，羧酸可以看成是烴的羧基衍生物，它的通式為R-COOH。12.1.1羧酸的構(gòu)造和命名（1）羧酸的構(gòu)造返回π鍵p、π共軛孤對電子p、π共軛體系返回甲酸的結(jié)構(gòu)Representativebondlengthsinketones,alcoholsandformicacid:C=O121pmC-O143pmLone-pairdonationfromthehydroxyloxygenmakethecarbonylgrouplesselectrophilicthanthatofanaldehydeorketone.（2）羧酸的命名12.1.1羧酸的構(gòu)造、分類和命名

許多羧酸有俗名，主要是根據(jù)其來源命名的。例：

HCOOH蟻酸（甲酸）

CH3COOH醋酸（乙酸）還有草酸、蘋果酸和檸檬酸等。返回

羧酸系統(tǒng)命名法是選擇分子中含羧基的最長碳鏈為主鏈，根據(jù)主鏈上碳原子數(shù)目稱為某酸。主鏈上碳原子的編號(hào)從羧基的碳原子開始，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示（也可以用希臘字母表示，即與羧基直接相連的碳原子為α，其余依次為β、γ……等）。（2）羧酸的命名返回例如：4-甲基己酸或（γ-甲基己酸）返回

脂肪族二元羧酸的命名，是選擇分子中含有兩個(gè)羧基的最長碳鏈為主鏈，稱為某二酸。例如：

HOOC-COOH

乙二酸（草酸）HOOC-CH=CH-COOH

丁烯二酸（2）羧酸的命名返回

芳香族羧酸和脂環(huán)族羧酸可作為脂肪酸的芳基或脂環(huán)基的取代物來命名。例如：苯甲酸benzenecarboxylicacidBenzoicacidα-萘乙酸鄰苯二甲酸1,2-benzenedicarboxylicacidphthalicacid（2）羧酸的命名返回3-苯丙烯酸（β-苯丙烯酸，肉桂酸cinnamicacid）環(huán)戊基乙酸返回12.1.2羧酸的物理性質(zhì)

在室溫下10個(gè)碳原子以下的飽和一元羧酸是液體。4～9個(gè)碳原子的脂肪酸具有腐敗惡臭、動(dòng)物的汗液和奶油發(fā)酸變壞的氣味。10個(gè)碳原子以上的羧酸為石蠟狀固體，揮發(fā)性很低，無氣味。

飽和一元羧酸的沸點(diǎn)比相對分子質(zhì)量相似的醇還要高(最高嗎？)。飽和一元羧酸的熔點(diǎn)隨分子中碳原子數(shù)目的增加呈鋸齒狀的變化。

4個(gè)碳原子以下的脂肪酸易溶于水，但隨分子量的增高而降低。返回甲酸與水通過氫鍵締合在固態(tài)和液態(tài)，羧酸主要以二聚體形式存在。低級的羧酸，在氣相時(shí)仍以雙分子締合狀態(tài)存在。上頁下頁退出返回12.1.3羧酸的化學(xué)性質(zhì)羧酸的主要反應(yīng)部位：返回（1）酸性（2）羧酸衍生物的生成（3）羧酸的還原（4）脫羧反應(yīng)（5）羧酸α-氫原子的鹵代反應(yīng)羧酸在水中有如下平衡：羧酸的酸度強(qiáng)弱，用離解常數(shù)Ka表示：

一般羧酸的Ka約在10-4～10-5之間，pKa值在3.5～5之間(pKa=-lgKa)，屬于弱酸。大多數(shù)羧酸的酸性比碳酸(pKa=6.5)的酸性強(qiáng)。（1）酸性返回羧酸根負(fù)離子的結(jié)構(gòu)兩個(gè)碳氧鍵的鍵長相等，為0.127nm0.120nm0.134nm返回結(jié)構(gòu)相同的極限共振式，因此負(fù)離子能量低，特別穩(wěn)定，H易于解離。pKa取代基團(tuán)對酸性的影響返回pKapKa取代基團(tuán)對酸性的影響返回芳香酸：間位取代只考慮誘導(dǎo)效應(yīng)，鄰位和對位取代同時(shí)考慮共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)。

取代基團(tuán)對酸性的影響CH3CO2H,4.76pKa4.202.98取代基團(tuán)對酸性的影響形成分子內(nèi)氫鍵，有利于羧酸負(fù)離子穩(wěn)定，酸性增加.返回成鹽及有關(guān)反應(yīng)

應(yīng)用：利用羧酸和其鹽在水中溶解性的不同，羧酸鹽的水溶性很好?？蓪⑵渑c其它一些有機(jī)化合物分離提純。羧酸鹽與鹵代烷反應(yīng)可以合成酯(SN2)

（1）酸性（2）羧酸衍生物的生成

羧酸分別與鹵化磷、羧酸、醇和氨等試劑作用，可使羧基中的羥基分別被鹵素（-X）、酰氧基、烷氧基（-OR）及氨基（-NH2）取代而生成酰鹵、酸酐、酯和酰胺等羧酸衍生物。

分子中的稱為?；?Acyl)。返回或SOCl2酸催化的?；磻?yīng)機(jī)理(以酯的形成為例)：雙分子歷程單分子歷程少量空阻大的羧酸按此?；x子機(jī)理進(jìn)行常見的機(jī)理：加成－消除機(jī)理3oROH按此反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行酯化。由于R3C+易與親核性較強(qiáng)的水結(jié)合，不易與羧酸結(jié)合，故逆向反應(yīng)比正向反應(yīng)易進(jìn)行。所以3oROH的酯化反應(yīng)產(chǎn)率很低。

另一種單分子歷程：碳正離子機(jī)理屬于SN1機(jī)理(CH3)3C-OHH+(CH3)3COH2+-H2O-H+（3）羧酸的還原

羧基中的碳在有機(jī)化合物中處于最高氧化態(tài)，還原較困難。在通常情況下，不易被催化氫化法所還原，但可以被特別強(qiáng)的還原劑如氫化鋁鋰或乙硼烷還原成伯醇。分子中的雙鍵不受影響返回NaBH4不能還原羧酸。（4）脫羧反應(yīng)

羧酸分子中脫去羧基而放出二氧化碳的反應(yīng)稱為脫羧反應(yīng)。如羧酸鹽脫羧，需要比較高的溫度：

返回-碳上帶有吸電子基團(tuán)的一元羧酸易脫羧。丙二酸型化合物的脫羧

原因：除基團(tuán)Y的吸電子作用；還可以經(jīng)環(huán)狀過渡態(tài)機(jī)制脫羧.（5）α-氫原子的鹵代反應(yīng)

飽和一元酸α-碳上的氫原子有一定的活潑性，在一定條件下可被鹵素取代(Hell-Volhard-Zelinsky反應(yīng),HVZ反應(yīng))。返回離子型-鹵代反應(yīng)?？梢杂脕碇苽?羥基酸或-氨基酸，或制備-鹵代酸酯。催化劑的作用是將羧酸轉(zhuǎn)化為酰鹵，酰鹵的α-H具有較高的活性而易于轉(zhuǎn)變?yōu)橄┐际剑瑥亩果u化反應(yīng)發(fā)生。所以用10%~30%的乙酰氯或乙酸酐同樣可以起催化作用。

控制鹵素用量可得一元或多元鹵代酸。碘代酸由α-氯（或溴）代酸與KI反應(yīng)來制備。反應(yīng)機(jī)理(*)RCH2COOHPBr3互變異構(gòu)+Br--HBrRCH2COOH這步反應(yīng)不會(huì)逆轉(zhuǎn)(1)酸性(2)脫水反應(yīng)(3)分解脫羧反應(yīng)12.1.4羥基酸的化學(xué)性質(zhì)（*)（1）酸性pKapKa返回乳酸（2）脫水反應(yīng)-羥基酸分子間脫水生成交酯交酯返回β-羥基酸分子內(nèi)脫水生成α,β-不飽和酸返回γ-和δ-羥基酸γ–丁內(nèi)酯(-lactone)δ–戊內(nèi)酯(δ-lactone)返回重要的大環(huán)內(nèi)酯

羥基和羧基相隔五個(gè)或五個(gè)以上碳原子的羥基酸，受熱后發(fā)生分子間的酯化脫水生成鏈狀結(jié)構(gòu)的聚酯。m返回（3）分解脫羧反應(yīng)返回-羥基酸在合成上可用來使碳鏈縮短，制備少一個(gè)碳的高級醛。R＞C10返回β-羥基酸用堿性高錳酸鉀氧化后，分解生成酮。β返回先氧化，后脫羧。-羥基酸12.2羧酸衍生物12.2.1羧酸衍生物的構(gòu)造和命名(自學(xué))12.2.2羧酸衍生物的物理性質(zhì)12.2.3羧酸衍生物的化學(xué)性質(zhì)返回Naturallyoccurringcarboxylicacidderivatives酰鹵和酰胺常根據(jù)相應(yīng)的酰基來命名。12.2.1羧酸衍生物的構(gòu)造和命名(自學(xué))返回酰胺分子中氮原子上的氫原子被烴基取代后生成的取代酰胺，稱為N-烴基“某”酰胺；返回N-甲基乙酰胺N,N-二甲基甲酰胺

含有酰胺基的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的酰胺，稱為內(nèi)酰胺(與內(nèi)酯比較)。-lactam酯常根據(jù)相應(yīng)的羧酸和醇來命名，“醇”字可省略，叫“某酸某酯”。對于多元醇的酯，一般把“酸”名放在后面，稱為“某醇某酸酯”。返回12.2.2羧酸衍生物的物理性質(zhì)酰鹵和酸酐都是對粘膜有刺激性的物質(zhì)。而大多數(shù)酯卻有令人愉快的香味，自然界中許多花和果的香味就是由酯引起的。大部分酰胺是固體，沒有氣味。酰氯、酸酐和酯的沸點(diǎn)比相對分子質(zhì)量相近的羧酸要低得多，而酰胺的沸點(diǎn)卻比相應(yīng)羧酸要高得多。原因是由于有氫鍵的締合。返回12.2.3羧酸衍生物的化學(xué)性質(zhì)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：酰鹵、酸酐、酯和酰胺的分子都具有?；?，而且酰基都直接與帶有未共用電子對的原子或基團(tuán)相連，分子中存在p-π共軛效應(yīng)。返回（1）親核加成-消除反應(yīng)（2）羧酸衍生物的還原（3）酯縮合反應(yīng)（4）酰胺的特殊反應(yīng)（5）-二羰基化合物的反應(yīng)水解醇解氨解與格氏試劑的反應(yīng)12.2.3羧酸衍生物的化學(xué)性質(zhì)返回親核加成消除反應(yīng)離去基團(tuán)返回親核加成-消除反應(yīng)機(jī)理增強(qiáng)羰基碳的正電性，有利于親核試劑的進(jìn)攻。羰基碳上連接的基團(tuán)過于龐大，在四面體結(jié)構(gòu)中就顯得空間擁擠而不利于反應(yīng)的進(jìn)行。親核試劑的親核性強(qiáng)，對反應(yīng)有利。返回弱親核試劑質(zhì)子化可增強(qiáng)羰基碳的正電性，有利于親核試劑的進(jìn)攻。酸催化可提高反應(yīng)速度。返回強(qiáng)親核試劑容易進(jìn)攻羰基碳原子堿催化可提高反應(yīng)速度，并可使反應(yīng)進(jìn)行完全。返回離去基團(tuán)越易離去，反應(yīng)容易進(jìn)行。離去基團(tuán)的離去性順序：

Cl->RCOO->RO->NH2-返回HCl>RCOOH>ROH(H2O)>NH3①水解

酰氯、酸酐、酯和酰胺都可以與水作用生成相應(yīng)的羧酸：反應(yīng)劇烈熱水中水解酸or堿催化酸堿催化并加熱，長時(shí)間反應(yīng)返回水解反應(yīng)進(jìn)行的難易次序是：

酰氯>酸酐>酯>酰胺酯在酸催化下的水解是酯化反應(yīng)的逆反應(yīng)，水解不完全。酯在堿性溶液中水解，反應(yīng)中生成的酸立即和堿作用生成鹽而從平衡體系中除去，使水解能進(jìn)行到底(皂化)。酰胺在酸性溶液中水解，得到羧酸和銨鹽，在堿作用下水解時(shí)，得到羧酸的鹽并放出氨氣。返回酯在堿催化下的水解稱皂化反應(yīng)油脂高級脂肪酸鈉鹽具有表面活性作用，為肥皂的主要成分。返回②醇解酰氯、酸酐、酯和酰胺都可以與醇作用生成酯。返回

一些難以制備的酯可通過酰氯與醇(酚)的反應(yīng)來合成。

酯的醇解稱酯交換反應(yīng)，可從廉價(jià)的低級醇酯制備高級醇。白蠟高級醇③氨解酰鹵、酸酐和酯與氨作用都生成酰胺。返回

酰胺與胺作用是可逆反應(yīng)，需用過量的胺才可得到N-烷基酰胺。一般來說，高活性羧酸衍生物可以通過親核加成取代反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為較低活性的衍生物；酰鹵常用于制備酸酐、酯和酰胺；酸酐用于制備酯和酰胺；酯交換反應(yīng)、酯與酰胺的相互轉(zhuǎn)化反應(yīng)往往是可逆的，常采用移走產(chǎn)物的方法使平衡移動(dòng)。羧酸是各種形式衍生物相互轉(zhuǎn)化的中心紐帶，酰鹵通過羧酸與二氯亞砜等作用得到，酸酐兩分子羧酸在脫水劑存在下加熱失水得到。

與格氏試劑反應(yīng)的速度：

④與格氏試劑的反應(yīng)＞酮（醛）＞酯＞酰胺酰氯酸酐返回總體上：羰基化合物的親核加成反應(yīng)能力酰鹵>酸酐>醛和酮>酯≈酸>酰胺酰氯與格氏試劑作用可以得到酮或叔醇。酮叔醇返回酸酐與格氏試劑在低溫時(shí)作用也可以得到酮。酯與格氏試劑生成叔醇。返回

酰胺中含有活潑氫，能首先與格氏試劑反應(yīng)，然后再發(fā)生親核加成得到叔醇，由于反應(yīng)需要過量格氏試劑，并長時(shí)間回流，一般不用來進(jìn)行合成。（2）羧酸衍生物的還原多數(shù)羧酸衍生物比羧酸容易還原。常用的還原方法有催化氫化，氫化鋁鋰及醇加金屬鈉等。返回①催化氫化還原

酰氯用活性較低的Pd/C為催化劑，可以還原為醛(Rosenmund還原)。這種條件下，分子中的C=C,NO2,C=O,鹵素均不受影響。

通常催化氫化條件下（H2,RaneyNi），酰氯和酸酐被還原為一級醇酯可以被催化氫化還原為一級醇。

酰胺不被催化氫化還原。返回②氫化鋰鋁還原酰胺被LiAlH4還原為（伯、仲和叔）胺，其它羧酸衍生物均被還原為一級醇。③金屬鈉和無水乙醇：酯的單分子還原(*)

用金屬鈉和無水乙醇將酯還原成一級醇的反應(yīng)稱為Bouveault-Blanc還原。RCOOR1RCH2OH+R1OHNa-無水乙醇Bouveault-Blanc反應(yīng)(布沃-布朗克反應(yīng)，BB反應(yīng))反應(yīng)機(jī)理（*)（3）酯縮合反應(yīng)

在堿性試劑的存在下，酯分子中α-H為酯基所活化，與另一分子酯失去一分子醇得到β-酮酸酯，稱為酯縮合反應(yīng)。β-酮酸酯返回

乙酸乙酯在金屬鈉或乙醇鈉的作用下，發(fā)生酯縮合反應(yīng)，生成乙酰乙酸乙酯。此反應(yīng)稱為克萊森(Claisen)縮合反應(yīng)。乙酰乙酸乙酯,Ethylacetoacetate(Ethyl3-oxobutanoate)返回與Aldol反應(yīng)的對比Claisen縮合反應(yīng)機(jī)理Dieckmann縮合(分子內(nèi)的酯縮合反應(yīng)）①酸堿性羰基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，以及p、π共軛效應(yīng)，使氮原子上的電子云密度降低，減弱了它接受質(zhì)子的能力，故堿性比氨弱。酰胺水溶液呈中性。N-H鍵的電子云向氮原子偏移，氫原子變得較為活潑。返回（4）酰胺的特殊性質(zhì)

當(dāng)?shù)油瑫r(shí)連接兩個(gè)?；甚啺窌r(shí)，化合物不僅沒有堿性，N-H反而表現(xiàn)出明顯的酸性，可與KOH或NaOH成鹽。丁二酰亞胺返回②脫水反應(yīng)酰胺與強(qiáng)的脫水劑，如P2O5、SOCl2

等一起加熱，則脫水生成腈，這是制備腈的方法之一。（4）酰胺的特殊性質(zhì)返回③Hofmann降級反應(yīng)(Hofmanndegradation)

在堿性溶液中，酰胺與溴或氯作用，脫去羰基生成伯胺的反應(yīng)。在有機(jī)合成中用于從酰胺制備減少一個(gè)碳原子的胺。（4）酰胺的特殊性質(zhì)返回特點(diǎn)：重排反應(yīng)，如果酰胺的-位是手性碳，反應(yīng)后，其構(gòu)型保持不變。異氰酸酯胺基甲酸?；舜?nitrene，氮烯)重排反應(yīng)機(jī)理(*)(5)-二羰基化合物的反應(yīng)

-二羰基化合物（1,3-二羰基化合物）由于具有活潑的亞甲基，而被稱為活潑亞甲基化合物，它們在堿的作用下，容易形成碳負(fù)離子（烯醇負(fù)離子），可以作為親核試劑進(jìn)攻帶正電荷的碳，如鹵代烴、酰鹵或者羰基，發(fā)生C-C偶聯(lián)反應(yīng)。1.以4個(gè)碳原子以下的有機(jī)物為原料合成2.從乙酸乙酯出發(fā)合成1.2.含多個(gè)活化基團(tuán)時(shí)α氫的pKa值(在DMSO或環(huán)己胺中)

化合物pKaCH3NO2CH2(NO2)2CH(NO2)3

10.213.57強(qiáng)酸CH3COCH3CH2(COCH3)2CH(COCH3)3

2095.85CH3SO2CH3CH2(SO2CH3)2CH(SO2CH3)3

23140CH3CNCH2(CN)2CH(CN)32511.20CH3C6H5CH2(C6H5)2CH(C6H5)3

413431.51.與鹵代烴反應(yīng)（活潑亞甲基化合物的烷基化）2.與酰鹵反應(yīng)（活潑亞甲基化合物的?；└映Ｓ迷贜aOH的稀溶液中皂化，然后脫羧。乙酰乙酸乙酯先烷基化，再皂化脫羧，可以得到取代的丙酮（甲基某基酮）。“三乙”先?；僭砘擊?，可以得到其它-二羰基化合物。進(jìn)一步的分解及在合成上的用途丙二酸二乙酯先烷基化，再分解，可以得到取代的乙酸。在NaOH的濃溶液中發(fā)生酯縮合的逆反應(yīng)乙酰乙酸乙酯先烷基化，再在濃堿中分解，可以得到取代的乙酸，與丙二酸酯方法的產(chǎn)物類似，丙二酸酯法更為常用。3.與羰基的反應(yīng)（Michanel加成）Knoevenagel縮合，也是-二羰基化合物與羰基的反應(yīng)（加成＋消除）

3.與羰基的反應(yīng)（Knoevenagel縮合）在弱堿催化下，醛酮與活潑亞甲基