羧酸及其衍生物取代酸

關于羧酸及其衍生物取代酸第一節(jié)羧酸的分類和命名一元酸系統(tǒng)命名普通命名HCOOH甲酸蟻酸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

只含有一個羧基的羧酸稱為一元酸。最常見的酸，可根據它的來源命名。第2頁,共87頁，2024年2月25日，星期天

二元酸系統(tǒng)命名普通命名HOOCCOOH乙二酸草酸HOOCCH2COOH丙二酸縮蘋果酸HOOC(CH2)2COOH丁二酸琥珀酸(Z)-HOOCCH=CHCOOH順丁烯二酸馬來酸(E)-HOOCCH=CHCOOH反丁烯二酸富馬酸含有二個羧基的羧酸稱為二元酸。第3頁,共87頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)羧酸的物理性質低級脂肪酸是液體，可溶于水，具有刺鼻的氣味。中級脂肪酸也是液體，部分地溶于水，具有難聞的氣味。高級脂肪酸是蠟狀固體。無味，在水中溶解度不大。羧酸分子間的氫鍵（鍵能約為14kJ·mol-1）比醇羥基間的氫鍵（鍵能約為5~7kJ·mol-1）更強。分子量較小的液態(tài)脂肪酸以二聚體形式存在。所以羧酸的沸點比相對分子質量相當?shù)耐闊N高。第4頁,共87頁，2024年2月25日，星期天直鏈飽和一元羧酸的熔點隨分子量的增加而呈鋸齒狀變化，偶數(shù)碳原子的羧酸比相鄰兩個奇數(shù)碳原子的羧酸熔點都高。

所有的二元酸都是結晶化合物。第5頁,共87頁，2024年2月25日，星期天兩個碳氧鍵不等長，部分離域。兩個碳氧鍵等長，完全離域。第三節(jié)羧酸的結構和酸性1.36?1.23?1.27?醇中C-O單鍵鍵長為1.43?一羧酸和羧酸根的結構比較第6頁,共87頁，2024年2月25日，星期天2多數(shù)的羧酸是弱酸，pKa約為4-5（大部分的羧酸是以未解離的分子形式存在）二

討論1羧酸根比較穩(wěn)定，所以羧酸的氫能解離而表現(xiàn)出酸性。第7頁,共87頁，2024年2月25日，星期天HCOOHC6H5-COOHCH3COOH

3取代基對羧酸酸性的影響（1）電子效應的影響：吸電子取代基使酸性增大，給電子取代基使酸性減少.

pka

3.374.204.73第8頁,共87頁，2024年2月25日，星期天

利于H+離解的空間結構酸性強，不利于H+離解的空間結構酸性弱.（3）分子內的氫鍵也能使羧酸的酸性增強。（2）空間效應：第9頁,共87頁，2024年2月25日，星期天4芳香羧酸的情況分析取代基具有吸電子共軛效應時，酸性強弱順序為：

鄰>對>間取代基具有給電子共軛效應時，酸性強弱順序為：

鄰>間>對具體分析：鄰位（誘導、共軛、場、氫鍵效應、空間效應均要考慮。）對位（誘導很小、共軛為主。）間位（誘導為主、共軛很小。）

第10頁,共87頁，2024年2月25日，星期天實例誘導吸電子作用大、共軛給電子作用大、氫鍵效應吸電子作用大。鄰位間位對位誘導吸電子作用中、共軛給電子作用小。誘導吸電子作用小、共軛給電子作用大。pka2.98pka4.08pka4.57苯甲酸的pka4.20第11頁,共87頁，2024年2月25日，星期天一羧酸的結構分析二化學性質

第四節(jié)羧酸的反應第12頁,共87頁，2024年2月25日，星期天一羧酸結構分析-活潑H的反應酸性羰基的親核加成，然后再消除（表現(xiàn)為羥基的取代）。羰基的親核加成，還原。第13頁,共87頁，2024年2月25日，星期天二化學性質1.酸堿反應強無機酸>羧酸>碳酸>酚pKa 4~56.3510RCOOH+NaHCO3RCOO-Na++CO2+H2O

羧酸可以和碳酸氫鈉反應ArONa+CO2+H2OArOH+NaHCO3

酚不能和碳酸氫鈉反應第14頁,共87頁，2024年2月25日，星期天*1.羧酸鹽是固體*2.羧酸鹽的溶解度

鈉、鉀、銨鹽可溶于水，重金屬鹽不溶于水。

*3.羧酸根具有堿性和親核性

羧酸鹽能與活潑鹵代烷反應（見下頁）羧酸鹽的若干性質第15頁,共87頁，2024年2月25日，星期天①是SN2反應。②只適用于1oRX和活潑RX。③常用的是鈉鹽。(有時也用Ag鹽，優(yōu)點：速率快。缺點：太貴。)

體系中雙鍵不受影響。RCOO-+R’XRCOOR’+X-SN2+CH3COO-Na+HOAc120oC討論第16頁,共87頁，2024年2月25日，星期天2.羧酸中α-H的取代反應

——赫爾-烏爾哈-澤林斯基反應

在三氯化磷或三溴化磷等催化劑的作用下，鹵素取代羧酸α-H的反應稱為赫爾-烏爾哈-澤林斯基反應。RCH2COOH+Br2PBr3-HBrRCHCOOHBr（1）定義第17頁,共87頁，2024年2月25日，星期天催化劑的作用是將羧酸轉化為酰鹵，酰鹵的α-H具有較高的活性而易于轉變?yōu)橄┐际?，從而使鹵化反應發(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反應來制備。（2）反應機理RCH2COOHPBr3互變異構+Br--HBrRCH2COOH這步反應不會逆轉第18頁,共87頁，2024年2月25日，星期天3.酯化反應

（1）定義：羧酸與醇在酸的催化作用下失去一分子水而生成酯的反應稱為酯化反應。CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O投料1：1產率67% 1：1097%H+（常用的催化劑有鹽酸、硫酸、苯磺酸等）第19頁,共87頁，2024年2月25日，星期天

①使原料之一過量。②不斷移走產物（例如除水，乙酸乙酯、乙酸、水可形成三元恒沸物bp70.4℃）酯化反應是一個可逆的反應，為了使正反應有利，通常采用的手段是：第20頁,共87頁，2024年2月25日，星期天（2）酯化反應的機制*1加成--消除機制雙分子反應一步活化能較高質子轉移加成消除四面體正離子-H2O-H+按加成--消除機制進行反應，是酰氧鍵斷裂第21頁,共87頁，2024年2月25日，星期天1OROH，2OROH酯化時按加成--消除機制進行，

且反應速率為：

CH3OH>RCH2OH>R2CHOH

HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH第22頁,共87頁，2024年2月25日，星期天該反應機制已為：①同位素跟蹤實驗②羧酸與光活性醇的反應實驗所證實。酯化反應機制的證明第23頁,共87頁，2024年2月25日，星期天①

3oROH按此反應機制進行酯化。②

由于R3C+易與堿性較強的水結合，不易與羧酸結合，故逆向反應比正向反應易進行。所以3oROH的酯化反應產率很低。*2碳正離子機制屬于SN1機制該反應機制也從同位素方法中得到了證明。(CH3)3C-OHH+(CH3)3COH2+-H2O-H+按SN1機制進行反應，是烷氧鍵斷裂+(CH3)3COH+H2O第24頁,共87頁，2024年2月25日，星期天4.形成酰胺和腈的反應

反應是可逆的，加熱、脫水有利于正反應，為了使正反應順利進行，常采用苯、甲苯帶水的方式除去反應體系中產生的水。

室溫-H2OP2O5RCN+H2O第25頁,共87頁，2024年2月25日，星期天二元羧酸與氨共熱脫水，可生成酰亞胺。例如：第26頁,共87頁，2024年2月25日，星期天應用實例：尼龍66的合成nHO2C(CH2)4COOH+nH2N(CH2)6NH2270oC1MPa+nH2O第27頁,共87頁，2024年2月25日，星期天羧酸與三鹵化磷、五鹵化磷或亞硫酰氯等反應，羧基中的羥基可被鹵素取代生成酰鹵。5.酰鹵的生成

第28頁,共87頁，2024年2月25日，星期天6.酸酐的生成

一元羧酸在脫水劑五氧化二磷或乙酸酐作用下，兩分子羧酸受熱脫去一分子水生成酸酐。某些二元羧酸分子內脫水生成內酐（一般生成五、六員環(huán)）例如：第29頁,共87頁，2024年2月25日，星期天7.羧酸的還原羧酸能用LiAlH4和B2H6還原RCOOHRCH2OHLiAlH4orB2H6H2O先酯化再還原，反應較易進行，產率較好，反應條件相對比較溫和，LiAlH4用量較少第30頁,共87頁，2024年2月25日，星期天*1.反應不能得到醛，因為醛在此條件下比酸更易還原。*2.用LiAlH4還原時，常用無水乙醚、四氫呋喃做溶劑。*3.用釕作催化劑時，也可以用催化氫化法還原。(1)用LiAlH4還原反應機理RCOOH+LiAlH4RCOOLi+H2+AlH3-LiOAlH2R-CH=OAlH3RCH2OAlH2RCH2OHH2O第31頁,共87頁，2024年2月25日，星期天（2）用乙硼烷還原RCOOH+BH3反應機理乙硼烷與羰基化合物的反應活性順序-BH2(OH)RCHOBH3RCH2OBH2H2ORCH2OH-COOH>C=O>-CN>-COOR>-COCl第32頁,共87頁，2024年2月25日，星期天LiAlH4不還原孤立的C=C,B2H6能還原孤立的C=C。用LiAlH4還原和用乙硼烷還原的區(qū)別CH2=CH-CH2-COOHCH2=CH-CH2-CH2OHCH2=CH-CH2-COOHCH3CH2CH2CH2OHB2H6H2OH2OLiAlH4第33頁,共87頁，2024年2月25日，星期天8.脫羧反應羧酸在適當條件下，一般都能發(fā)生脫羧反應RCOOHRCOOXRCOOMRCOO?-CO2R?R?R-R能提供X?的試劑①X2②RX（1）.特殊條件下的脫羧反應它們的反應過程可歸結為：第34頁,共87頁，2024年2月25日，星期天珀脫法特殊脫羧反應柯爾伯法漢斯狄克法克利斯脫法

柯齊法適用范圍反應名稱反應式2CH3COONaC2H6+CO2+NaOH+H22H2O電解RCH2COOHRCH2COOAgRCH2BrAgNO3KOHBr2CCl4

RCH2COOHRCH2COOHgRCH2BrHgOBr2CCl4

RCOOHRCOOPb(OAc)3Pb(OAc)4I2LiClC6H6

RClRCOOHRIPb(OAc)4I2Cl4光

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

CH3OOC(CH2)4Br實例CH3OHH+AgNO3KOH第36頁,共87頁，2024年2月25日，星期天（2）.通常的脫羧反應

一般的脫羧反應不用特殊的催化劑，而是在以下的條件下進行的。（a）加熱（b）堿性條件（c）加熱和堿性條件共存（A）反應一般式A-CH2-COOHACH3+CO2當A為吸電子基團，如：A=COOH，CN，C=O，NO2，CX3，C6H5等時。失羧反應極易進行。加熱堿第37頁,共87頁，2024年2月25日，星期天*1環(huán)狀過渡態(tài)機理（B）機理當α-碳與不飽和鍵相連時，一般都通過環(huán)狀過渡態(tài)機理失羧。

-CO2互變異構第38頁,共87頁，2024年2月25日，星期天實例*1HOOCCH2COOHCH3COOH+CO2

*2O2NCH2COOH

O2NCH3+

CO2

*3NCCH2COOHNCCH3+

CO2

*4CH2=CH-CH2COOH

CH2=CHCH3+CO2

*5RCH=CH-CH2COOHRCH2CH=CH2+CO2

第39頁,共87頁，2024年2月25日，星期天

酸性很強的酸易通過負離子機理脫羧。*2羧酸負離子機理Cl3CCOOH-H+H2O

Cl3C-+CO2+H+Cl3CH強酸,在水中完全電離（pka=6.6)第40頁,共87頁，2024年2月25日，星期天實例第41頁,共87頁，2024年2月25日，星期天（b）強的芳香酸不需要催化劑，在H2O中加熱即可脫羧。(3)芳香羧酸脫羧的幾點說明（a）羧基鄰對位有給電子基團的芳香羧酸，在強酸作用下按負離子機理脫羧。（c）一般芳香羧酸脫羧需要用石灰或Cu做催化劑。第42頁,共87頁，2024年2月25日，星期天9.二元羧酸受熱后的反應失羰(-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℃辛二酸以上為分子間失水柏朗克規(guī)則甲酸、

-羥基酸、-羰基酸受熱均發(fā)生失羰反應。第43頁,共87頁，2024年2月25日，星期天失水要加失水劑:Ag2O、P2O5、乙酰氯、乙酸酐、三氯氧磷等失羧要加堿：Ba(OH)2、Ca(OH)2等第44頁,共87頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)羧酸衍生物一.羧酸衍生物的物理性質二.羧酸衍生物的化學性質第45頁,共87頁，2024年2月25日，星期天一、物理性質物態(tài)及水溶解性：酰氯、酸酐：分子間無氫鍵作用，揮發(fā)性強，有刺鼻氣味的液體。沸點隨著相對分子質量↑而↑。遇水水解。酯：酯不溶于水。低級酯是有酯香味的液體。高級脂肪酸的高級脂肪醇酯為固體，俗稱“蠟”。酰胺：分子間氫鍵作用強，一般為固體，但DMF或DEF為液體，是常用的非質子性溶劑。低級酰胺可溶于水，隨著分子量↑，水溶解度↓。沸點：酰鹵、酸酐、酯、腈的沸點低于羧酸；伯酰胺的沸點高于羧酸。第46頁,共87頁，2024年2月25日，星期天(三)羧酸衍生物的化學性質

(1)

?；系挠H核取代(甲)水解

第47頁,共87頁，2024年2月25日，星期天

低級的酰鹵遇水迅速反應，高級的酰鹵因在水中溶解度較小，水解反應速度較慢。多數(shù)酸酐因不溶于水，在冷水中緩慢水解，在熱水中迅速反應。

酯的水解只有在酸或堿的催化下進行。

酯的堿性水解反應也稱為皂化反應。水解條件：第48頁,共87頁，2024年2月25日，星期天例：第49頁,共87頁，2024年2月25日，星期天腈水解可得到羧酸，這是制備羧酸的方法之一：小心控制條件，可使腈部分水解得到酰胺：例：第50頁,共87頁，2024年2月25日，星期天

(乙)醇解

酯的醇解反應也叫酯交換反應

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

例：第53頁,共87頁，2024年2月25日，星期天N-未取代的酰胺與胺反應生成N-取代酰胺。例如：

第54頁,共87頁，2024年2月25日，星期天

水解、醇解、氨解的結果是在HOH、HOR、HNH2等分子中引入?；?，因而酰氯、酸酐是常用的?；噭?。酯?；芰^弱，酰胺的酰化能力最弱，一般不用作?；噭?。第55頁,共87頁，2024年2月25日，星期天(丁)?；系挠H核取代反應機理

反應是分步完成的：先親核加成，后消除，最終生成取代產物。第56頁,共87頁，2024年2月25日，星期天(戊)?；噭┑南鄬钚?/p>

水解、醇解、氨解的實驗事實證明，羧酸衍生物酰化活性大小的順序為：酰氯＞酸酐＞酯＞酰胺.該反應是親核加成-消除機理。

第57頁,共87頁，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頁,共87頁，2024年2月25日，星期天②

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

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

第59頁,共87頁，2024年2月25日，星期天(2)還原反應

(甲)用氫化鋁鋰還原

四氫鋁鋰的還原性很強，可以還原羧酸及羧酸衍生物。除酰胺和腈被還原成相應的胺外，酰鹵、酸酐和酯均被還原成相應的伯醇。例如：第60頁,共87頁，2024年2月25日，星期天第61頁,共87頁，2024年2月25日，星期天酯與金屬鈉在醇溶液中加熱回流，可被還原為相應的伯醇：

(乙)用金屬鈉-醇還原第62頁,共87頁，2024年2月25日，星期天(丙)Rosenmund還原

酰氯經催化氫化還原為伯醇：

若采用Rosenmund還原，可使酰氯還原為醛：

第63頁,共87頁，2024年2月25日，星期天其中的BaSO4、喹啉-硫都具有抑制作用，使反應停留在生成醛的階段。Rosenmund還原是制備醛的一種好方法。例：

第64頁,共87頁，2024年2月25日，星期天(3)酰氨氮原子上的反應

(甲)酰胺的酸堿性

酰胺一般被認為是中性的。但有時酰胺可表現(xiàn)出弱堿性和弱酸性：

第65頁,共87頁，2024年2月25日，星期天酰亞胺分子中氮原子上的氫具有微弱的酸性：

第66頁,共87頁，2024年2月25日，星期天(乙)酰胺脫水

這是合成腈最常用的方法之一。例如：

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

例如：

手性碳構型不變!第68頁,共87頁，2024年2月25日，星期天Hofmann降解反應機理第69頁,共87頁，2024年2月25日，星期天（4）酯縮合反應

酯分子中的α-H原子由于受到酯基的影響變得較活潑，用醇鈉等強堿處理時，兩分子的酯脫去一分子醇生成β-酮酸酯，這個反應稱為克來森（Claisen）酯縮合反應。乙酰乙酸乙酯

第70頁,共87頁，2024年2月25日，星期天反應機理先強堿奪取α-H原子形成負碳離子，負碳離子向另一分子酯羰基進行親核加成，再失去一個烷氧基負離子生成β-酮酸酯

第71頁,共87頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)羥基酸的性質一、分類與命名羥基酸的命名一般以俗名（括號中的名稱）為主2–羥基丙酸（乳酸）2,3–二羥基丁二酸（酒石酸）羥基丁二酸（蘋果酸）3–羥基–3–羧基戊二酸（檸檬酸）鄰羥基苯甲酸（水楊酸）3，4，5–三羥基苯甲酸（沒食子酸）第72頁,共87頁，2024年2月25日，星期天（1）酸性

pKa4.753.834.884.513.87羥基離羧基越近，其酸性越強

第73頁,共87頁，2024年2月25日，星期天（a）α-羥基酸（2）羥基酸的受熱反應（在H+中進行）交酯分子間的酯化反應第74頁,共87頁，2024年2月25日，星期天ω-羥基酸β-羥基酸*若無α-H，則形成β-丙內酯γ-羥基酸δ-羥基酸(C>9)在極稀溶液內，可形成大環(huán)內酯。γ-丁內酯δ-戊內酯（b）分子內的酯化反應第