有机化学：第10章羧酸和取代羧酸

羧酸是分子中含有羧基羧酸是分子中含有羧基(-COOH) 的一类有的一类有机化合物。机化合物。结构通式：结构通式： 羧酸分子中的烃基上的氢被其它原子或羧酸分子中的烃基上的氢被其它原子或基团取代后的化合物，称为取代羧酸。基团取代后的化合物，称为取代羧酸。第第10章章 羧酸和取代羧酸羧酸和取代羧酸RCOOHRCH(CH2)nCOOHOHR CO(CH2)nCOOH羟基酸羟基酸酮酸酮酸一一、羧酸羧酸（一）羧酸的分类和命名（一）羧酸的分类和命名脂肪酸脂肪酸芳香酸芳香酸饱和酸饱和酸不饱和酸不饱和酸一元酸一元酸（二元酸）（二元酸）多元酸多元酸CH3COOHCOOHHOOCCH=CHCOOHCH3CH2CH2COOH羧酸有时根据其来源用俗名进行命名羧酸有时根据其来源用俗名进行命名CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH HCOOH蚁酸蚁酸CH3COOH醋酸醋酸油酸油酸草酸草酸琥珀酸琥珀酸HOOCCOOHHOOCCH2CH2COOHCOOH安息香酸安息香酸3-己烯二酸己烯二酸CH3CH=CHCOOH2-丁烯酸丁烯酸HOOCCH2CH=CHCH2COOH3-甲基丁酸甲基丁酸(-甲基丁酸甲基丁酸)CH3CHCH2COOHCH3 命名含脂环和芳环的羧酸时，以脂环和命名含脂环和芳环的羧酸时，以脂环和芳环作取代基，脂肪酸作母体芳环作取代基，脂肪酸作母体4环已基戊酸环已基戊酸CH2CH2COOH 高级烯酸在碳数后加高级烯酸在碳数后加“”字字 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH-(CH2 )7 COOH9，12 - 十八十八二烯酸二烯酸3苯基丙酸苯基丙酸CHCH2CH2COOHCH3.（二）羧酸的结构（二）羧酸的结构3条杂化轨道形成条杂化轨道形成3个个键，未参与杂化的键，未参与杂化的pz轨道轨道 与羰基与羰基O的的p轨道形成一个轨道形成一个键键羧基碳采用羧基碳采用sp2杂化杂化羟基氧的羟基氧的p电子与电子与键形成键形成p-共轭共轭RCOOH.:CROOHp-共轭共轭p- 共轭的后果共轭的后果：键长平均化键长平均化甲酸的甲酸的C=O 123pm醛的醛的C=O 122pm甲酸的甲酸的C- -O 136pm醇的醇的C- -O 143pmHCOO-Na+127pm127pm（三）羧酸的物理性质（三）羧酸的物理性质 羧酸的沸点比相对分子质量相近的醇的沸点要高，羧酸的沸点比相对分子质量相近的醇的沸点要高，因为两个羧酸分子之间能通过两个氢键相互结合，因为两个羧酸分子之间能通过两个氢键相互结合，形成二缔合体。形成二缔合体。氧氢键极性增强，表现出明显的酸性氧氢键极性增强，表现出明显的酸性羰基不典型，不利于羰基的亲核加成反应羰基不典型，不利于羰基的亲核加成反应RCOOHHOCOR（四）羧酸的化学性质（四）羧酸的化学性质1、羧酸的酸性与成盐羧酸的酸性与成盐 HCOOH+ H2OHCOO-+H3O+RCOOH+ NaOHRCOONa+ H2ORCOOH+RCOONa+H2ONaHCO3+CO2一般羧酸的一般羧酸的pKa为为35， 酸性：酸性： RCOOH H2CO3 ArOH H2O6.51015.7pKa2RCOOH+2RCOONa+ H2O+CO2Na2CO3增加药物的水溶性，提高药效增加药物的水溶性，提高药效分离、鉴别羧酸与酚分离、鉴别羧酸与酚用途：用途：问题问题: 分离苯甲酸，苯甲醇和苯酚的混合物。分离苯甲酸，苯甲醇和苯酚的混合物。苯甲酸苯甲醇苯酚NaOH水溶液水层醇层（苯甲醇）溶液晶体（苯酚）通CO2H+晶体（苯甲酸）答案：答案：酸性影响因素酸性影响因素主要为电子效应主要为电子效应当当A为吸电子基团，为吸电子基团，酸性增强酸性增强当当D为推电子基团，为推电子基团， 酸性减弱酸性减弱COOAHCOODH问题问题: 乙酸中也含有乙酸中也含有CH3CO基团，但不发生碘仿反应。基团，但不发生碘仿反应。为什么？为什么？ 答案：乙酸在答案：乙酸在NaOI条件下，形成条件下，形成CH3COO- -，负氧离，负氧离子与羰基共轭，电子均匀化的结果，降低了羰基的极子与羰基共轭，电子均匀化的结果，降低了羰基的极性，因此性，因此-氢活泼性降低，不能发生碘仿反应。氢活泼性降低，不能发生碘仿反应。 CH2FCOOH CH2ClCOOH CH2BrCOOH酸性排列顺序：酸性排列顺序： CH3CHClCOOH CH2ClCH2COOHHCOOH C6H5COOH CH3COOH C2H5COOHCOOH-C6H5: -I 使酸性增强使酸性增强+C 使酸性减弱使酸性减弱 HOOC(CH2)nCOOH CH3(CH2)nCOOH问题问题: 你认为二元酸你认为二元酸 中哪一个中哪一个H的酸性较强？为什么？的酸性较强？为什么？ 答案：答案： 中中Hb的酸性最强。因为的酸性最强。因为Cl对羧基氢的酸性影对羧基氢的酸性影响主要通过吸电子诱导效应，而诱导效应为响主要通过吸电子诱导效应，而诱导效应为近程效应，随着距离增大而递减。吸电子作近程效应，随着距离增大而递减。吸电子作用越强，酸性越强。因此用越强，酸性越强。因此Ha的酸性不及的酸性不及Hb的酸性强。的酸性强。 HOOCCH2CH2CHCH2COOHClabHOOCCH2CH2CHCH2COOHClab邻位效应邻位效应COOHNO2COOHNO2COOHNO2COOH4.202.213.493.42pKa连间位定位基时，酸性：连间位定位基时，酸性：对位取代对位取代 间位取代间位取代连邻对位定位基时，酸性：连邻对位定位基时，酸性：间位取代对位取代间位取代对位取代空间拥挤，共轭消除空间拥挤，共轭消除形成氢键，形成氢键， 酸性增强酸性增强COOHCOOHOHCOOHOHCOOHOH4.203.004.124.54pKaOCCOHOOHOO-H+H+邻位效应的解释：邻位效应的解释：二元羧酸的酸性二元羧酸的酸性 同碳数一元羧酸的酸性同碳数一元羧酸的酸性二元羧酸的酸性顺序：二元羧酸的酸性顺序：草酸（乙二酸）丙二酸草酸（乙二酸）丙二酸 丁二酸丁二酸HOOC(CH2)nCOOH二元羧酸的酸性二元羧酸的酸性-I2、-氢的反应氢的反应羧酸中由于羧基吸电子诱导作用，使羧酸中由于羧基吸电子诱导作用，使-H-H活化，但是羧基中存在活化，但是羧基中存在p-p-共轭，羧基碳共轭，羧基碳上的正电性较醛、酮羰基碳上的低，使羧上的正电性较醛、酮羰基碳上的低，使羧基对基对-H-H的致活作用减小，所以羧酸的的致活作用减小，所以羧酸的- -H H卤代反应需要加入卤代反应需要加入少量红磷（少量红磷（P P）作催化作催化剂才能顺利进行。剂才能顺利进行。3、脱羧反应、脱羧反应羧酸脱去羧基中羧酸脱去羧基中CO2的反应的反应 一元羧酸不易脱羧，但当烃基中含有吸电子的基一元羧酸不易脱羧，但当烃基中含有吸电子的基团时易脱羧。吸电子基团吸电子能力越强，越易脱羧。团时易脱羧。吸电子基团吸电子能力越强，越易脱羧。+ CO2CHCl3Cl3CCOOHCH3COONaNaOH ，CaOCH4+ CO2有多个有多个-H-H，可逐步被取代。，可逐步被取代。控制条件和用量，可以得到控制条件和用量，可以得到产率较高的一卤代酸产物。产率较高的一卤代酸产物。 答案：答案：（1）（2）（3）（4）芳香酸脱羧较脂肪酸容易芳香酸脱羧较脂肪酸容易O2NNO2NO2COOHO2NNO2NO2+ CO2问题问题: : 比较下列化合物脱羧反应的难易顺序：比较下列化合物脱羧反应的难易顺序：CH3CHCH2COOHNO21.2.CH3CHCH2COOHF3.CH3CHCH2COOHCl4.CH3CHCH2COOHBrHOOCCH2COOH140160+ CO2CH3COOH4 4、羧酸的还原、羧酸的还原选择性还原选择性还原COOHLiAlH4无水乙醚CH2OHH2OLiAlH4无水乙醚CH2=CHCH2COOHH2OCH2=CHCH2CH2OH5、羧酸衍生物的生成羧酸衍生物的生成 羧酸衍生物羧酸衍生物RCOOHLRCOL乙酰基乙酰基 酰基酰基CH3CORCO苯甲酰基苯甲酰基 草草(一一)酰基酰基 草二酰基草二酰基 COHOOCCOCCOO酯化反应的特点酯化反应的特点: 反应速度慢反应速度慢,常需加入催化剂常需加入催化剂H2SO4。 可逆反应，增大反应物浓度或移去产物，可促可逆反应，增大反应物浓度或移去产物，可促使平衡移动，提高酯的产率。使平衡移动，提高酯的产率。（1）酯的生成）酯的生成酯化反应酯化反应酯键酯键易水解易水解CH3COOH + HOC2H5H+CH3COOC2H5+ H2O酯COORR 羧基和醇羟基之间的脱水有两种方式：羧基和醇羟基之间的脱水有两种方式：RCOOH + HORRCOOR+ H2OH+RCOOR+H2OH+RCOO+ HORH 羧酸与伯醇和仲醇成酯时，绝大多数是按羧酸与伯醇和仲醇成酯时，绝大多数是按式进行的式进行的 C6H5COOH + HOCH318C6H5COOCH3+H2OH+18机理：机理：CH3COOHH+CH3COHOH+HOC2H5CH3COHOHOC2H5H+CH3COHOH2OC2H5+CH3COC2H5OH+-H2O-H+CH3COC2H5O反应速度特点为酸或醇的烃基体积小、数目少，反应速度特点为酸或醇的烃基体积小、数目少，速度快。速度快。叔醇与羧酸的酯化是按方式叔醇与羧酸的酯化是按方式进行的进行的 醇醇: CH3OH 1 2酸酸: HCOOH CH3COOH RCH2COOH R2CHCOOH R3CCOOHR3C OHH+R3C+OH2-H2OR3C+RCOOHR COHOCR3+-H+R COOCR3H2O+ H+R3OH（2）酸酐的生成）酸酐的生成 五元环或六元环的环状酸酐则可由相应的二元羧酸加热，五元环或六元环的环状酸酐则可由相应的二元羧酸加热，分子内失水而得，不需要脱水剂。分子内失水而得，不需要脱水剂。 一元羧酸形成酸酐需在脱水剂存在下加热进行。一元羧酸形成酸酐需在脱水剂存在下加热进行。RCOOHHOCOR+P2O5RCOOCROH2O+酸酐H2OCOOHCOOHCCOOO+乙、丙二酸乙、丙二酸 酸酸 + CO2 二元羧酸热解产物与碳链长度有关：二元羧酸热解产物与碳链长度有关： 己、庚二酸己、庚二酸 环酮环酮 + H2O 丁、戊二酸丁、戊二酸 环酐环酐 + H2O+ CO2HOOCCH2COOHCH3COOH1 16 60 0 1 18 80 0+ CO2HOOCCOOHHCOOH1 16 60 0 1 18 80 0加热反应即发生加热反应即发生COOHCOOHOOOCOOHCOOHOOO+H2O+H2O COOHCOOHCOOHCOOH+H2OO+CO2O +H2O+CO2 （3）酰胺的生成）酰胺的生成酰胺键酰胺键易水解易水解+ NH3RCOOHRCOONH4+ H2O酰胺RCONH2+ NH2RRCOOHRCOONH3R+H2ORCONHRN-取代酰胺RCOOH + NH3RCO-OHNH3+RCOHNH2OHRCNH2O-H2O（4）酰卤的生成）酰卤的生成RCOOH +H3PO3PCl3RCOCl酰氯亚磷酸RCOOH + POCl3PCl5RCOCl+ HCl磷酰氯 酰卤是一类非常活泼的化合物，广泛应用于药物酰卤是一类非常活泼的化合物，广泛应用于药物和有机合成中。和有机合成中。RCOOH + SO2SOCl2RCOCl+ HCl亚硫酰氯二、取代羧酸二、取代羧酸取代羧酸取代羧酸G：-OH、-NH2、-X等等羟基酸羟基酸酮酸酮酸RCHH(CH2)nCOOHGRCHG(CH2)nCOOHRCHOH(CH2)nCOOHRCO(CH2)nCOOHO1、羟基酸的分类、羟基酸的分类（一）羟基酸（一）羟基酸醇酸醇酸乳酸乳酸柠檬酸柠檬酸CH3CHOHCOOHCH2COOHCCOOHHOCH2COOH酚酸酚酸2、羟基酸的命名、羟基酸的命名常用俗名常用俗名水杨酸水杨酸HOOCCH2CH(OH)COOH苹果酸苹果酸COOHOH 羟基酸的系统命名法是以羧酸为母体，以羟基为羟基酸的系统命名法是以羧酸为母体，以羟基为取代基，并用希腊或阿拉伯数字表示羟基的位置。取代基，并用希腊或阿拉伯数字表示羟基的位置。3-羧基羧基-3-羟基戊二酸羟基戊二酸CH2COOHCCOOHHOCH2COOH2，3-二二 羟基丁二酸羟基丁二酸 （酒石酸）（酒石酸） 邻羟基苯甲酸邻羟基苯甲酸2-羟基环己基甲酸羟基环己基甲酸COOHOHCOOHOH3、化学性质化学性质氧化氧化, -H2O, 成酯等成酯等酸性，成酯等酸性，成酯等FeCl3呈色呈色RCHOH(CH2)nCOOHCOOHOHHOOCCHCHCOOHOHOH 醇酸加热脱水反应醇酸加热脱水反应随着羟基位置不同，脱水方式也不同。随着羟基位置不同，脱水方式也不同。 - -醇酸醇酸受热两分子间脱水生成交酯受热两分子间脱水生成交酯CH3COHCOOHCCOHOHOCH3HH+OOOOCH3CH3+丙交酯2H2OH2O/H+或OH-* - -醇酸醇酸受热分子内脱水生成受热分子内脱水生成,- -不饱和酸不饱和酸,-不饱和羧酸不饱和羧酸 CH3CHCHCOOHOH H+ H2OCH3CH=CHCOOHHOOCCH2CHCOOHOH+HOOCCH=CHCOOHH2O g g ， - -醇酸醇酸受热分子内脱水生成内酯受热分子内脱水生成内酯CH2CH2CH2OHCOOHOO+H2O-丁内酯(1,4-丁内酯)CH2CH2CH2OHCH2COHOH2OOO+-戊内酯醇酸脱水与羟基的位置有关醇酸脱水与羟基的位置有关 *-醇酸脱水成交酯醇酸脱水成交酯 *-醇酸脱水成共轭烯酸醇酸脱水成共轭烯酸 * * * g g ，-醇酸脱水成内酯醇酸脱水成内酯ROOH ROOH OH2OOOORROHH+ROOH OOOHORROH g g H+OOH g gROHH+OOR（二）酮酸（二）酮酸酮酸常用普通命名法来命名。以羧酸为母体，酮酸常用普通命名法来命名。以羧酸为母体，酮基为取代基酮基为取代基根据酮基和羧基的相对位置不同，酮酸可分根据酮基和羧基的相对位置不同，酮酸可分为为 、 、g g 酮酮酸酸 3-丁酮酸（乙酰乙酸）丁酮酸（乙酰乙酸）CH3COCOOH丙酮酸丙酮酸HOOCCOCH2COOH丁酮二酸丁酮二酸 (草酰乙酸草酰乙酸 ） CH3COCH2COOH （-丁酮酸丁酮酸）（-丁酮酸丁酮酸）酮酸的化学性质酮酸的化学性质羰基试剂、还原羰基试剂、还原R=CH3，HCN、NaHSO3、碘仿、碘仿酯化、成盐酯化、成盐RCCH2OCOOH1.1. - -酮酸的分解反应酮酸的分解反应RCOCOOH稀H2SO4RCOH+ CO2RCOCOOH2.-酮酸的分解反应酮酸的分解反应 酮式分解酮式分解 -酮酸的酮式分解酮酸的酮式分解 RCOCH2COOHRCOCH3+ CO2RCOCH3-CO2R C=OOH烯醇式RCOCH2COOHCH3CCH2COOHO-丁酮酸脱羧酶CH3CCH3O+ CO2酮体酮体CH3CHCH2COOHOH-羟基丁酸还原酶-酮酸的酸式分解酮酸的酸式分解 乙酰乙酰辅酶乙酰乙酰辅酶ARCCH2COOHO+ NaOHRCOONa + CH3COONa + H2OCH3CCH2COOHO硫激酶CH3COCH2COSCoA硫解酶HSCoACH3COSCoA2CO2 + H2O-HSCoA三羧酸循环乙酰辅酶乙酰辅酶A（三）酮式烯醇式互变异构现象（三）酮式烯醇式互变异构现象乙酰乙酸乙酯乙酰乙酸乙酯与与HCN、饱和、饱和NaHSO3 羰基试剂反应羰基试剂反应碘仿反应碘仿反应使溴水褪色使溴水褪色与与FeCl3作用，显紫红色作用，显紫红色与与Na作用，放出作用，放出H2烯醇的典型反应烯醇的典型反应甲基酮的典型反应甲基酮的典型反应CH3CCH2OCOOC2H5实验事实：实验事实：乙酰乙酸乙酯乙酰乙酸乙酯紫色紫色紫色消失紫色消失紫色紫色紫色消失紫色消失紫色紫色FeCl3Br2放放置置Br2放放置置CH3CCH2OCOOC2H5酮式： 92.5%烯醇式：7.5%CH3CCHOHCOOC2H5 互变异构现象互变异构现象：同分异构体之间能以一定的比例：同分异构体之间能以一定的比例平衡存在，并能相互转化。平衡存在，并能相互转化。CH3CCHOHCOCH3CH3CCH2OCOCH3CH2COHCH3CH3COCH3C6H5CCHOHCOCH3C6H5CH2COCOCH3以乙酰乙酸乙酯为例：以乙酰乙酸乙酯为例： 能形成比较稳定的烯醇式结构的条件：能形成比较稳定的烯醇式结构的条件： CH3CCH2OCOOC2H5CH3CCHOCOOC2H5-H+CH3CCHO-COOC2H5+H+CH3CCHOHCOOC2H5OCCH3CHCHOOC2H5 酮式结构的亚甲基上连有两个吸电子基团，使酮式结构的亚甲基上连有两个吸电子基团，使其上的氢原子有一定的酸性；其上的氢原子有一定的酸性； 形成的烯醇式结构中，共轭体系有所延伸，使形成的烯醇式结构中，共轭体系有所延伸，使体系内能降低，稳定性增加；体系内能降低，稳定性增加； 烯醇式结构可形成分子内氢键，构成六元环，增烯醇式结构可形成分子内氢键，构成六元环，增强烯醇式的稳定性。强烯醇式的稳定性。 CH3CCHCOOC2H5OHCH3CCH2OCOOC2H5-HBr消除CH3CCHCOOC2H5OBr亲电加成CH3CCHCOOC2H5OHBrBrBr2问题：问题： 将下列化合物按着烯醇式含量由高到低将下列化合物按着烯醇式含量由高到低 排列成序：排列成序：答案答案： （3）、（）、（2）、（）、（1）。）。OOCOOC2H5OO（1）（2）（3）作业：P273P2731、2、3、4、5如何比较烯醇式含量由高到低如何比较烯醇式含量由高到低 CH2COHCH3CH3COCH3CH3CCHOHCOCH3CH3CCH2OCOCH3CH3CCH2OCOOC2H5CH3CH2COCOOC2H50.00025%80%7.5%.H3COCCH2OCOOC2H5C6H5CCH2OCOOC2H5C6H5CHCOCOOC2H5CH3