第八章 羧酸及其衍生物.ppt

第 八 章 羧酸及其衍生物 Carboxylic Acids & Their Derivatives,羧酸的分类与命名,分类：可分为一元、二元、多元羧酸 或脂肪酸、芳香酸等 根据来源命名：甲酸又叫蚁酸；乙酸又叫醋酸；苯甲酸又叫安息香酸。 系统命名法:COOH是最优官能团,§8.1 羧 酸,丙烯酸,2-丁烯酸,-苯基丙烯酸,2-环己烯基甲酸,肉桂酸,取代酸,羧酸的结构,由于p-共轭作用，羰基上电子云密度升高，羰基碳 上正电性降低；因此羰基与亲核试剂的反应活性降低。 不能再与HCN等亲核试剂进行加成反应。,羟基O上电子云密度下降，O-H键变弱，容易断裂，电 离出质子（H+），故表现为有一定的酸性,羧酸的物理性质,羧酸是极性分子，能与水形成氢键，故低级一元酸可与水互溶，但随M，在水中的溶解度，从正戊酸开始在水中的溶解度只有3.7 %，C10的羧酸不溶于水。,b.p：,羧酸 M 相同的醇。,IR谱：,OH伸缩振动 二聚体：25003300cm-1(宽而散)； 单体： 3550cm-1(气态或非极性溶 剂的稀溶液)。,芳香族羧酸：16801700cm-1,NMR谱：,RCH2COOH R2CHCOOH,RCOOH,C=O伸缩振动脂肪族羧酸：17001725cm-1,羧酸的化学性质,1.酸性,羟基O上电子云密度下降，O-H键变弱，容易断裂，电离出质子（H+），故表现为有一定的酸性。,p-共轭使羧酸根负离子中氧负离子的负电荷均匀地分散在两个氧原子上,使羧酸根负离子更稳定，容易生成；也使羧酸的酸性增强。,大多数羧酸的酸性pKa值在3.5-5之间，比盐酸、硫酸等无机强酸弱，强于苯酚（pKa=10）、碳酸（pKa=6.3）和醇（pKa=16-19）。 羧酸可分解碳酸氢钠生成二氧化碳，而苯酚则不能。可鉴别羧酸及苯酚。,羧酸的酸性强弱,与分子结构有关 。,Y-CH2COOH 取代基Y 吸电子能力越强，相应的羧 酸酸性也越强。取代基Y供电子能力越强，酸性越弱,吸电子取代基增多时，也使相应羧酸的酸性增加。,HCOOH H3COOH (CH3)2CHCOOH (CH3)3CCOOH,烷基的影响：,pKa 3.75 4.76 4.86 5.05,吸电子取代基离羧基距离越近时，诱导效应增强， 羧酸酸性也增强。当取代基与羧基相距三个碳原子 以上时，诱导效应的影响，就非常小了。 CH3 CH2 CH2COOH Pka 4.81,苯甲酸的酸性：比一般的脂肪酸（甲酸除外）的酸性强。,苯环上取代基对羧酸酸性的影响,取代苯甲酸的酸性与取代基的种类有关， 也与取代基在苯环上的位置有关。取代基在对位时可通过诱导效应或共轭效应影响苯甲酸的酸性，而在间位时则只通过诱导效应起作用。,pKa 3.42 3.49 4.20,取代基处于邻位时，无论这个取代基是吸电子基还是供电子基(NH2除外)，都将使酸性， 产生这种现象的原因较为复杂，诸如立体效应、 氢键等。总称为邻位效应。,值得注意的是：,pKa 4.92 4.39 4.19 3.97 3.42,与取代基对苯酚酸性的影响规律一致,2.羧羟基被取代的反应 （羧酸衍生物的合成）,酰 卤,酰 胺,酯,酸 酐,(1) 酰卤 RCOX 的生成,除HCOOH外，羧酸可PCl3、PCl5、SOCl2作用，羧 酸中的羟基被氯原子取代生成酰氯。如：,亚磷酸不易挥发，故该法适用于制备低沸点酰氯。,磷酰氯沸点较低(105.3)，故适用于制备高沸点酰氯,b.p. 118 75 52 200分解,b.p. 249 197 105.3,该法的副产物均为气体，有利于分离，且产率较高。,(2) 酸酐的生成,选用何种方法，取决于原料、产物与副产物之间的 沸点差(沸点差越大，越容易分离)。酰卤易于水解，故 不能用水洗的方法除去反应中的无机物。,除HCOOH外，羧酸与脱水剂P2O5或(CH3CO)2O共热，两分子羧酸则发生分子间脱水生成酸酐。,用乙酸酐作脱水剂不仅价格便宜，而且它易于吸水 生成乙酸，容易除去，故常用来制备高沸点的羧酸酐。,羧酸的分子间脱水只适用于制备简单酸酐。,混合酸酐可用酰卤与羧酸盐一起共热的方法来制备。,某些二元酸，只需加热即可分子内脱水生成五元 环或六元环 的酸酐。如：,(3) 酯的生成,羧酸与醇在酸催化下作用，脱去一分子水生成酯的反应，称为酯化反应。,酯化反应是典型的可逆反应，为了提高酯的产率， 可根据平衡移动原理，或增加反应物浓度，或减少生成物浓度，使平衡向右移动。,脱水方式,酯化时，羧酸和醇之间脱水可有两种不同的方式：,脱水方式取决于与羧酸和醇的结构及反应条件。,经同位素标记醇的办法证实：伯醇和仲醇与羧酸的酯化是按酰氧键断裂进行的。,叔醇与羧酸的酯化是按烷氧键断裂进行的。,羧酸结构的影响： 羧酸分子中烃基增大，空间位阻，不利于ROH的进攻，酯化速率。故对同一种醇言，不同羧酸的反应活性顺序是：,影响酯化反应速率的因素,醇的结构的影响：,在酸性介质中，叔醇易发生消除反应，生成烯烃。,空间位阻较大的脂肪羧酸或反应性弱的芳香族羧酸，或叔醇和酚的酯化，先将羧酸转化为酰卤，酯化效果较好。,(4) 酰胺的生成,羧酸与NH3或RNH2、R2NH作用，生成铵盐， 然后加热脱水生成酰胺或N-取代酰胺。如：,3.脱羧反应,羧酸或其盐脱去羧基(失去CO2 ) 的反应 脂肪一元羧酸难于脱羧。如果羧酸的-碳上连有较强 吸电基时，加热至100-200，脱羧反应较易进行；,-酮酸和-二元羧酸的脱羧反应在有机 合成中有广泛的应用,4.-氢的卤代反应,羧基与羰基相似，能使-氢活化，但活化作用比羰基小,羧酸的-氢活性较低。其卤代 一般要在少量红磷存在下进行。,-卤代酸是一种重要的取代酸，它可以发生与卤代烃相似的亲核取代或消去反应，从而转变成其它的取代酸。,BrCH2COOH,NCCH2COOH,-氰基乙酸,CH3COOH,HOOCCH2COOH,又如：,5.羧基的还原反应,羧酸很难发生还原反应（催化加氢不能）。 只有还原能力特别强的试剂（如氢化铝锂） 可使羧酸还原成伯醇，但不会影响分子中 的碳-碳双键。,羧酸的来源和制备,天然油脂水解可得到高级脂肪酸及甘油。,羧酸的合成方法 1.氧化法 1).烯烃的氧化,2).芳环侧链的氧化,4).伯醇和醛的氧化:常用的氧化剂有 KMnO4/H2SO4, K2Cr2O7/H2SO4,3).萘环的氧化开环 ： KMnO4(K2Cr2O7)/H2SO4,2.腈水解,腈在酸性或碱性溶液中可水解成羧酸 。,腈可用伯、仲卤代烷与氰化钠(钾)反应得到，再经水解后可以得到比原来的卤代烃多一个碳原子的羧酸。,3.格氏试剂与干冰反应,格氏试剂与干冰（CO2）的加成产物，水解后可以得到羧酸。,由卤代烃通过制备格氏试剂再得到比原来卤代烃多一个碳原子的羧酸。对卤代烃的结构无限制。,不能用腈水解的方法?,4.甲基酮的卤仿反应 制备减少一个碳原子的羧酸,将下列化合物按酸性增强的顺序排列： a. CH3CH2CHBrCO2H b. CH3CHBrCH2CO2H c. CH3CH2CH2CO2H d. CH3CH2CH2CH2OH e. C6H5OH f. H2CO3 g. Br3CCO2H h. H2O,§8.2 取 代 酸,羧酸分子中烃基上的氢原子被其它原子或基团取代的化合物。 卤代酸、羟基酸、羰基酸及氨基酸等是重要的取代酸。 取代酸是多官能团化合物。取代酸往往还表现出一些新的特性。,一、羟基酸：含有羟基的羧酸,羟基酸可分为醇酸和酚酸。,羟基连在羧酸的饱和碳原子上称为醇酸，根据羟基与羧基的位置关系，可称为-，-， 羟基酸。羟基连在羧酸碳链的末端称为-羟基酸。 羟基在芳环上的芳香族羧酸称为酚酸。,1.羟基酸的制法,-羟基酸可由-卤代酸水解制备,-羟基酸也可由羟基氰水解,-羟基酸可由瑞弗马斯基（Reformasky）反应制备。,BrZnCH2R亲核性比Grignard试剂小，不活泼,不会进攻酯中的羰基。不能用Mg，因为生成BrMgCH2R 要与酯基反应，所以不能生成 BrMgCH2COOC2H5,BrCH2COOC2H5,BrZnCH2COOC2H5,2.羟基酸的性质,由于分子中羟基和羧基均能与水形成氢键，所以羟基酸在水中溶解度比相应羧酸大。 羟基酸兼有醇和羧酸的性质，同时两个基团互相影响，又使羟基酸具有一些特性。,1).羟基酸的酸性,比母体羧酸酸性强。 羟基距羧基距离越近酸性越强。,2).脱水反应: -OH位置不同，脱水产物也不同,-羟基酸受热时，在两分子间酯化脱水生成六元环交酯,-羟基酸在加热时发生分子内脱水， 生成，-不饱和羧酸,-或-羟基酸受热时，生成比较稳定的 五元或六元环内酯。,二、氨基酸,氨基取代羧酸分子中烃基上的氢形成的取代酸;分子中含有氨基和羧基两种官能团。,P450,氨基酸命名,氨基酸的系统命名是把氨基作为取代基，羧酸作为母体，称为氨基某酸。,氨基酸按分子中所含NH2和COOH的相对位置， 可将其分为：,其中最重要的是-氨基酸，是构成蛋白质的基本单元。,2. 碱性氨基酸：,分子中NH2和COOH的数目相等。如,分子中NH2数目 COOH数目。如,3. 酸性氨基酸：,分子中COOH数目 NH2 数目。如：,1. 中性氨基酸：,这20多种-氨基酸又可分为：, 蛋白质水解得到的天然氨基酸，其构型均为L 型。,除甘氨酸H2NCH2COOH外，其他的氨基酸的-碳原子都 是手性碳，因而都具有旋光性。其构型与甘油醛的关系是：,氨基酸的结构特点：,氨基酸的性质,氨基酸都是无色结晶固体，一般熔点在200以上，多数氨基酸能溶于水，而不溶于非极性有机溶剂。 氨基酸是既含有氨基，又含有羧基的双（或多）官能团化合物，-NH2和-COOH除各自表现其碱性或酸性外，还具有它们相互影响而产生的特性。,氨基酸在一般情况下以内盐的形式存在，这是氨基酸具有高熔点和能溶于水的根本原因。 在强酸性溶液中则以正离子存在，在强碱性溶液中则以负离子存在。,氨基酸在溶液 中存 在下列平衡：,内盐,氨基酸的制备,以含羧基的化合物为原料，引入氨基,§8.3 羧酸衍生物,羧酸衍生物的通式是,分别称为酰卤、酸酐、酯和酰胺，又称酰基化合物。,一、羧酸衍生物的命名,1.酰卤：将相应的“酸”改为“酰卤”即可,乙酰氯,丙烯酰溴,苯甲酰氯,2.酸酐：a.两分子酸相同，将相应的“酸”改为“酸酐”,乙酸酐,顺甲基丁烯 二酸酐,苯甲酸酐,邻苯二甲酸酐,b.两分子酸不同,乙(酸)丙(酸)酐,3.酰胺：a.-NH2上无取代基，将相应的“酸”改为“酰胺”,乙酰胺,酰胺：b.-NH2上有取代基，则称“ N-某代某酰胺 ”,N-甲基苯甲酰胺,N,N-二甲基甲酰胺,DMF 非质子极性溶剂,N-溴代丁二酰亚胺,NBS,4.酯：由来源命名，称为“某酸某酯”,若醇是多元醇，则将羧酸名称放在后面，称为“某醇某酸酯”,乙二醇二乙酸酯,二、羧酸衍生物的结构,羧酸衍生物的结构与羧酸类似，酰基碳为sp2杂化,Cl ,O , N 等原子都有孤对电子，可与CO 形成 P-共轭体系；羰基受到影响，故与醛酮的性质不同。,L基团不同，与羰基的p-共轭效应和-I效应的程度不同，羧酸衍生物的性质也就有所不同。,羧酸衍生物有类似的结构 ，性质上也有相似之处,1. 酰基上的亲核取代(亲核加成-消去)反应,三、羧酸衍生物的化学性质,连有两个吸电基 团（L与Nu）,+,-,羰基碳原子连有吸电基团，使反应活性；反之反应活性； 离去基团的稳定性，易于离去，反应活性 。,反应活性：取决于羰基碳原子的正电性和离去基团的稳定性,-Cl和酯基的强-I效应和弱+C效应， -I +C，使羰基C的正电性增加 ；故酰氯和酸酐的活性较高，其中酰氯的反应活性最高。 - NH2的弱-I效应和强+C效应， -I +C使羰基C的正电性降低，且-NH2难于离去，故酰胺的反应活性最低。,(1) 水解,酰氯和低级酸酐在空气中吸湿即可水解。,酯与酰胺需要加入碱或酸作催化剂，加热才能水解。,(2) 醇解：产物为酯,很难反应,H+,酰卤、酸酐很容易醇解，生成其它方法难以得到的酯,酯与醇作用，生成新的酯和新的醇，故又称为酯交换 反应。该反应为可逆反应，一般适用于从低沸点酯制备 高沸点酯。如：,(3) 氨解：,酰卤、酸酐和酯均可与氨或胺作用， 生成相应的酰胺或N-取代酰胺,酰氯和酸酐在水解、醇解、氨解中反应活性都很强。通过反应，在其他分子中引入了酰基，因此酰氯、酸酐都是常用的酰基化试剂。如：,2、 与Grignard试剂作用,四种羧酸衍生物均可与Grignard试剂作用， 生成相应的叔醇；常用的是酯和酰卤 (尤其是酯)。,酰氯与格氏试剂反应的活性大于酮 ；为什么？,当温度升高，又有过量的格氏试剂存在时， 则生成的酮会继续与格氏试剂反应生成叔醇。,低温下酰氯与等摩尔格氏试剂反应， 可停留在酮的阶段。,酯与格氏试剂反应活性低于酮，一般不停留在生 成酮的阶段， 而直接生成叔醇,3、还原反应 羧酸衍生物一般比羧酸容易被还原,催化氢化 ：酰卤、酸酐、酯还原成伯醇 酰胺还原成胺; 同时还原碳碳不饱和键,金属氢化物还原羧酸衍生物,氢化铝锂 (LiAlH4 )可将酰氯、酸酐和酯还原成伯醇，将酰胺还原为胺。 氢化铝锂 (LiAlH4 )不会还原分子中的碳-碳双键；但其它不饱和基团,包括 -COOH 皆可被还原。 硼氢化钠(NaBH4) 一般只能还原酰氯/醛酮/-NO2。,罗森门德（Rosenmund）还原法 ： 酰氯在Pd-BaSO4的催化下加氢可被还原成醛，具有高度的选择性。,酰胺虽有碱性，但碱性很弱，很难与酸形成稳 定的盐。一般可以认为酰胺是中性化合物。,4、 酰胺氮原子上的反应,(1) 酰胺的酸碱性,N原子上的未共用电子对与羰基形成 p,-共轭体系，使得N原子上的电子云密度， 碱性减弱。,NH3 RCONH2,(2) 脱水反应 酰胺在脱水剂P2O5、SOCl2等存在下共热或高温加热，则发生分子内脱水，生成腈。这是制备腈的常用方法如：,N原子上未取代酰胺与次卤酸钠（氯或溴的碱溶液）反应，脱去羰基生成少一个碳原子的伯胺。是制备伯胺的重要方法。,(3) Hofmann降解反应,该反应是减少一个碳原子的反应,四、蜡和油脂,(一) 蜡：,主要成分C16以上的高级脂肪酸的高级饱和一元醇酯。,蜡和油脂都是直链高级脂肪酸酯。,广泛存在于自然界中，如植物的茎叶和果实的外部、昆虫的外壳和动物的毛皮以及鸟类的羽毛中,C15H31COOC30H61,C15H31COOC16H33,蜂蜡,鲸蜡,软脂酸三十烷醇酯,用途：制造蜡模、蜡纸、上光剂和软膏的基子等。,注意：石蜡与蜡尽管其物态、物性相似，但其化学组成不同，石蜡不是高级脂肪酸的高级饱和一元醇酯，而是C20以上的高级烷烃的化合物。,(二) 油脂,油脂包括油和脂肪。,油常温下为液体，如：豆油、桐油和花生油等。,脂肪常温下为固体或半固体，如：牛油、猪油等。,油脂的主要成分都是直链高级脂肪酸 的甘油三酯。,甘油端,一般情况下： 不饱和酸的甘油酯多，则是液体，为油； 饱和酸的甘油酯多，则是固体，为脂。,1. 皂化反应与皂化值,将油脂与NaOH溶液共热，可水解生成甘油和 高级脂肪酸的钠盐。如：,油脂的碱性水解称为皂化。,皂化值：工业上把1g油脂完全皂化所需的KOH的 质量(单位：mg)，称为皂化值。皂化值反映出油 脂的平均相对分子质量。,2. 加成反应与碘值,含有不饱和酸的油脂，分子中的碳碳双键 可与H2或X2加成。,如：将液体油在200以上、0.10.3MPa下， 以Ni为催化剂进行催化加氢，使其固化成脂， 称为油的氢化或油的硬化。,碘值：100g油脂所能吸收的碘的质量(单位：mg)， 称为碘值。碘值，说明油脂的不饱和程度。,