《羧酸和取代羧酸》PPT课件.ppt

第十章 羧酸和取代羧酸 羧酸(carboxylic acids)是一类具有酸性的有机化合物，羧基(COOH)是羧酸的官能团。,第一节 羧 酸 一、羧酸的分类和命名,羧酸的系统命名法与醛相似。羧酸习惯上常用希腊字母标位，与羧基直接相连的碳原子为，其余依次为、等。,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称为取代羧酸(substituted carboxylic acids)。,丁酸 2,3-二甲基戊酸或,-二甲基戊酸,2-甲基-3-戊烯酸 2,4-戊二烯酸,3-羧基-3-羟基戊二酸（柠檬酸）,CH3CH2CH2COOH,脂环族和芳香族羧酸命名：把脂环和芳环看作取代基，以脂肪族羧酸作为母体进行命名。,环已基乙酸 顺-1,4-环己烷二甲酸,苯甲酸 邻苯二甲酸,3-苯基丙烯酸-萘乙酸,许多羧酸最初来自天然产物，因此常根据它们的来源命名。HCOOH CH3COOH C6H5COOH HOOCCOOH 蚁酸 醋酸 安息香酸 草酸,C15H31COOH 软脂酸 C17H35COOH 硬脂酸CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 油酸,二、羧酸的物理性质形成双分子氢键缔合体,三、羧酸的结构 羧基中的碳原子是sp2杂化状态，它的3个杂化轨道分别与两个氧原子和一个碳原子(在甲酸中为氢原子)形成三个键，余下一个p轨道与羰基氧原子的p轨道形成键。羧基中羟基氧上有一对孤对电子，它与羰基中的键形成p-共轭体系。,p-共轭导致结构与性质的变化:键长平均化,羧基中羰基和羟基通过p-共轭构成一个整体，故羧基不是羰基和羟基的简单加合,降低了羧基中羰基碳原子的正电性，不利于发生亲核反应，羧基中羰基发生亲核加成反应活性远不如醛酮羰基。,羧基中羟基上氧原子的电子移向羰基，羰基起吸电子的共轭电子效应，羟基中OH键极性增加。羧羟基与醇羟基不同，具有明显酸性。,a-H 的活性 降低,O CR(Ar),O,H,a-H的取代,酸性,四、羧酸的化学性质,(一)酸性 羧酸一般都属于弱酸，比碳酸和苯酚的酸性强。羧酸能分解碳酸氢钠，放出二氧化碳，而酚不能。利用此性质可以区别羧酸与酚类。,分子量大的羧酸难溶于水，但其钾盐或钠盐则易溶于水。医药上常将含羧基而难溶于水的药物制成易溶于水的盐，如将青霉素G制成钾盐供注射用。,高级脂肪酸钠是肥皂的主要成分，高级脂肪酸铵是雪花膏的主要成分。,酸性：羧酸碳酸苯酚水醇,羧酸的酸性与羧酸分子的电子效应、立体效应和溶剂化效应相关 Z为吸电子基，酸性增强 Y为斥电子基，酸性减弱,HCOOH CH3COOH CH3CH2COOHpKa 3.77 4.76 4.88,就电子效应而言，吸电子取代基使酸性增强,供电子取代基使酸性减弱。,O2N CH2COOH C6H5COOHpKa 1.68 4.17,pKa 2.62 2.87 2.90 3.16 4.76,pKa 2.86 4.06 4.52,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,芳香羧酸的情况分析,邻位效应,(二)羧酸衍生物的生成,羧基中的羟基可被卤原子(X)、烃氧基(OR)、酰氧基(OCOR)和氨基(NH2)等取代，产生酰卤(Acyl halide)、酯(Ester)、酸酐(Anhydride)和酰胺(Amide)等羧酸衍生物(derivatives of carboxylic acid)。,1酰卤的生成 羧酸与PCl3、PCl5、SOCl2等化学试剂反应生成酰卤，即羧基中的羟基被卤原子取代。,PCl3适于制备低b.p.酰氯;PCl5适于制备高b.p.酰氯;用SOCl2制备酰氯，产物除酰氯外，都是气体，容易提纯。但所制酰氯与SOCl2的b.p.不应相近。,酰卤具有高度反应活性，广泛应用于药物合成中。,2酸酐的生成 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：,5、6员环的环状酸酐易通过加热相应二元羧酸得到。,3酯的生成 羧酸可与醇生成酯和水，该反应称为酯化反应，酯化反应是可逆反应。,究竟按哪种方式脱水，与羧酸和醇的结构及反应条件有关。可采用同位素标记醇的办法来证实。,酯化时，羧酸和醇之间脱水可有两种不同的方式：,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。,在药物合成中常利用酯化反应将药物转变为前药(prodrug)，以改变药物的生物利用度、稳定性等。,赛他洛尔（cetarnolol）为-肾上腺素阻断剂，可治疗 青光眼和降低眼压，由于极性强和脂溶性差，难于透过角膜。丁酰赛他洛尔的脂溶性增高，制成的滴眼剂透过角膜的能力增加了4-6倍，进入眼球后，经酶水解再生成赛他洛尔而起效。,(三)羧酸的还原(补充),4酰胺的生成 羧酸与氨(伯胺、仲胺)反应得到羧酸铵，再将羧酸铵加热，脱去一分子水生成酰胺，即羧基中的羟基被氨基取代。,(四)-氢的卤代反应(补充)羧酸分子中-碳上的氢，受到邻位羰基的影响变得活泼，能被卤素取代，这种情况和醛酮-氢一样。但羧酸-氢的卤代需三卤化磷或红磷等的催化。,(五)脱羧反应 羧酸分子中羧基脱去二氧化碳的反应称为脱羧反应。其反应通式为：一般一元羧酸很难直接脱羧。当羧酸分子中-碳原子上连有吸电子取代基时，如NO2、X、CN，脱羧反应比较容易进行。例如：,(六)二元羧酸受热时的特殊反应 二元羧酸受热时，随着两个羧基间距离不同而发生不同的反应。,1两个羧基直接相连或只间隔一个碳原子，受热发生脱羧反应，生成一元羧酸。,2两个羧基间隔2个或3个碳原子，受热发生脱水反应，生成环酐。,2-甲基戊二酸 2-甲基戊二酸酐,3两个羧基间隔4个或5个碳原子，受热发生脱水脱羧反应，生成环酮。己二酸 环戊酮庚二酸 环己酮,二三脱羧成羧酸 四五脱水成酸酐 六七脱水又脱羧,4两个羧基间隔5个以上碳原子，在高温时发生脱水反应，生成高分子链状酸酐。,五、重要的羧酸1.甲酸HCOOH 2.乙酸CH3COOH 3.过氧乙酸CH3COOOH4.乙二酸HOOCCOOH 5.花生四烯酸花生四烯酸化学学名为5,8,11,14-二十碳四烯酸，CH3(CH2)4CHCHCH2CHCHCH2CHCHCH2CHCH(CH2)3COOH,二十碳五烯酸(EPA,eicosapentaenoic acid)和二十二碳六烯酸(DHA,docosahexaeoic acid)具有降血脂、抑制血小板聚集和延缓血栓形成等功效富含EPA和DHA的鱼油制剂,花生四烯酸在人体内能转化为前列腺素(prostagladin,PG)。,PG能刺激子宫收缩，降低血压，抑制胃酸分泌及尿钠排泄，扩张或松弛气管，抑制血小板凝集，临床上用于抗早孕和引产，是一种有发展前途的控制人类生育的药物，参与细胞代谢，并且与炎症、免疫过敏、心血管等病理过程有关，是一种内源性生理活性物质。,目前已分离出二十多种前列腺素，它们的结构有一个共同的特点，都具有前列腺酸的基本骨架。,PG是一组含有二十个碳原子的不饱和脂肪酸，其基本骨架为一个五碳环和两条侧链，五元环上8-位和12-位侧链互为反式构型。根据五碳环上取代基和双链的位置不同，分为九型(PGA、PGB、PGC、PGD、PGE、PGF、PGG、PGH、PGl)，每型又根据双键的数目分三类(如PGE1、PGE2、PGE3)，表示取代基处于环戊烷平面的下方(用虚线表示)；表示取代基在环戊烷平面的上方(用实线表示)。体内以PGA、PGE、PGF较多。,牛奶中的乳清酸(6-羧基尿嘧啶)能加速残存肌肉细胞的扩展而促进心脏病患者心脏复原。,(2Z)-3-甲基-2-己烯酸几乎存在于目前已被检验的每一个精神分裂患者的汗中，因此可用作诊断该病的一种手段,香草扁桃酸(4-羟基-3-甲氧基苯乙醇酸)用于肾上腺癌的临床化学诊断,大风子酸用于治疗麻风病和其他传染性皮肤病,一、羟基酸,命名：系统命名法，更常用俗名。,羟基酸分子中具有羧基和羟基两种官能团。,(一)分类与命名,分类:醇酸(,);酚酸,俗名:,乳酸(Lactic acid),苹果酸(Malic acid),IUPAC：,2-羟基丙酸,2-羟基丁二酸,第二节 取代羧酸,酒石酸(Tartaric acid),柠檬酸 枸橼酸(Citric acid),2,3-二羟基丁二酸,3-羧基-3-羟基戊二酸,俗名:,IUPAC：,水杨酸(salicylic acid)邻-羟基苯甲酸,没食子酸(gallic acid)3,4,5-三羟基苯甲酸,俗名:,IUPAC：,(二)羟基酸的化学性质,共性：羟基酸具有羟基和羧基的典型反应,相互影响:受热脱水,易于氧化,等,羟基：氧化,卤代,脱水,成酯,等 酚羟基：与FeCl3显色,等 羧基：酸性，成盐，成酯,等,特性：根据羟基和羧基的相对位置不同而有所不同,1羟基酸的酸性,羟基的吸电子诱导效应一般使醇酸比相应的羧酸酸性强。醇酸的羟基越靠近羧基,其酸性就越强。,pKa4.883.834.51,酚酸的酸性与电子效应、共轭效应和邻位效应等相关，其酸性随羟基与羧基的相对位置不同而表现出明显的差异。,pKa 3.00 4.12 4.17 4.54,对位-OH主要表现+C 效应,间位-OH主要表现为-I 效应,邻位-OH:+C效应及分子内氢键.后者使酸性明显增强,2醇酸的氧化反应,受羧基吸电子效应的影响，醇酸分子中的羟基比醇的羟基容易被氧化。例如：稀硝酸一般不能氧化醇，但却能氧化醇酸生成醛酸、酮酸或二元酸；Tollens 试剂不与醇反应，却能将-羟基酸氧化成-酮酸。,3醇酸的脱水反应,脱水方式因羟基和羧基的相对位置不同而异。,（1）-醇酸的脱水：受热后，两个醇酸分子间的羟基和羧基交叉脱水，生成较稳定的六元环交酯(lactide)。,-羟基丙酸,丙交酯,交酯多为结晶物质,在酸或碱存在下易水解成原来的醇酸。,（2）-醇酸的脱水：由于-羟基和羧基的相互影响，-醇酸分子中的-氢原子很活泼，受热时容易与-羟基脱水，生成,-不饱和羧酸。,（3）、-醇酸的脱水：-醇酸分子中的羟基和羧基在常温下可自动脱水,生成稳定的五元环内酯(lactone)。,游离的-醇酸很难存在,通常以-醇酸盐的形式保存。,(麻醉剂),内酯的化学性质与酯相似。许多内酯化合物具有消炎、抗菌、抗肿瘤活性，如中草穿心莲等。,Erythromycin A(红霉素)A,Vitamin C,4酚酸的脱羧反应,o-或p-羟基苯甲酸的特性：加热到熔点以上时发生脱羧,三、重要的羟基酸(一)乳酸 乳酸 丙酮酸工业上乳酸由糖经乳酸杆菌发酵制得。葡萄糖 乳酸(二)酒石酸酒石酸学名2,3-二羟基丁二酸。(三)柠檬酸柠檬酸又名枸橼酸，学名3-羧基-3-羟基戊二酸。,柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸,草酰琥珀酸-酮戊二酸,-羟基酸脱水,羟基酸氧化,-酮酸脱羧,加水,生化中三羧酸循环的一部分，Krebs cycle or citric cycle,(五)水杨酸水杨酸又叫柳酸，学名邻羟基苯甲酸。乙酰水杨酸(acetylsalicylic acid)俗名为阿司匹林(Aspirin)，水杨酸与乙酐在磷酸存在下共热而生成乙酰水杨酸。,阿司匹林具有解热、镇痛、抗血栓形成及抗风湿的作用，刺激性较水杨酸小，是内服退热镇痛药。,(四)苹果酸羟基丁二酸,可供药用的其他水杨酸衍生物有：,冬青油.可止痛,亦用作牙膏、糖果等的香精.,水杨酸苯酯(Salol).肠道和尿道消毒剂,对-氨基水杨酸钠(PAS-Na).用于治疗各种结核病。,二、酮 酸,羰基酸是分子中具有羧基和羰基两种官能团的化合物。可分为醛酸和酮酸。根据酮基和羧基的相对位置不同，酮酸可分为、酮酸。,乙醛酸,-丙酮酸,-丁酮酸(或乙酰乙酸),(一)酮酸的命名,以羧酸为母体,酮基作取代基,酮基的位次用阿拉伯数字或希腊字母标明。酮基也可称为氧代。,CH3COCH2CH2COOH,-戊酮酸(4-戊酮酸),-酮丁二酸(草酰乙酸),-酮戊二酸2-氧代戊二酸,酮酸除了具有酮的通性和羧酸的通性外，-酮酸 和-酮酸 还具有一些特殊的性质。,(二)酮酸的化学性质,1酸性,酮酸的酸性强于相应的醇酸，更强于相应的羧酸。,pKa2.49 3.513.86,pKa4.51 4.88,2脱羧反应,-酮酸在稀硫酸作用下，受热发生脱羧反应，生成少一个碳原子的醛。,-酮酸比-酮酸更易脱羧,通常-酮酸只能在低温下保存。,-酮酸由于羧基受-羰基的影响,同时也由于形成6员环的分子内氢键而使脱羧更加容易:,由于-酮酸脱羧产物是酮，故称为酮式分解。,-酮酸与浓碱共热，分解为两分子羧酸盐，称为酸式分解。,问题:完成下列反应,酮体-丁酮酸、-羟基丁酸和丙酮三者在医学上统称为酮体(ketone bodies)。血中酮体正常值：350mg/L；酮血症：3000mg/L.,