[中医中药]人民卫生出版社有机化学 第9章 羧酸及其衍生物.ppt

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1、第九章 羧酸及其衍生物,羧酸RCOOH,取代羧酸烃基R-中H原子被取代,羧酸衍生物羧基-COOH中-OH被取代,酰卤,酯,酸酐,酰胺,卤素,烷氧基,酰氧基,(取代)氨基,羧酸的结构,键长趋于“平均化”,C=O键长比醛酮的（123pm）长,C-O键长比醇（143pm）短,一、羧酸,125pm,136pm,部分离域,p-p共轭,RCOO-,键长完全“平均化”,羧酸的分类与命名,分类,脂肪羧酸,按烃基分,芳香羧酸：Ar-COOH,饱和羧酸：CH3COOH,不饱和羧酸：CH2=CH-COOH,命名,1）习惯命名根据酸的来源命名,酸 系统命名 普通(俗名)命名HCOOH 甲酸 蚁酸CH3COOH 乙酸

2、醋酸CH3CH2COOH 丙酸 初油酸CH3CH2CH2COOH 丁酸 酪酸CH3(CH2)14COOH 十六酸 软脂酸CH3(CH2)16COOH 十八酸 硬脂酸HOOCCOOH 乙二酸 草酸HOOCCH2CH2COOH 丁二酸 琥珀酸PhCOOH 苯甲酸 安息香酸,2）系统命名法,选含有羧基的最长碳链为主链，根据主链的碳原子数目称为某酸，编号从羧基开始（简单取代可用a、b、g、d等表示）。,丁二酸,2-羟基丁酸或a-羟基丁酸,3-甲基-2-丁烯酸,3,4-二甲基-己酸,羧酸分子中除去-COOH中的-OH后称为酰基，可按原来的酸的名称作“某酰基”:,丙酰基,苯甲酰基,对-氯苯甲酸,对-苯二甲

3、酸,a-萘乙酸,DHA二十二碳六烯酸脑黄金,亚油酸（十八碳二烯酸）,ARA二十碳四烯酸花生四烯酸,亚麻酸（十八碳三烯酸),常见的具有生理功能的不饱和脂肪酸（双键全为顺式）,羧酸的物理性质,物态（性状）,C1C3 有酸味的无色液体,C4C9 有腐败酸臭味的油状液体,C10 以上蜡状固体，没有气味,芳香族羧酸(ArCOOH)和脂肪族二元羧酸为结晶的固体.,沸点,液态脂肪酸沸点比相对分子质量相当的醇高（二聚体）。,熔点,饱和一元酸的熔点随碳原子数的增加显锯齿状上升，即含偶数碳原子羧酸的熔点比前后两个相邻的含奇数碳原子酸的熔点要高。,分子对称性高（晶体中排列比较紧密）,CH2,H3C,COOH,CH2

4、,CH2,CH3,CH2,CH2,-5,-35,-22,水溶性,低级及多元酸易溶于水（羧基易与水形成氢键）。,高级羧酸随分子量增大(R)而在水中的溶解度减小。,羧酸的化学性质,碳原子的正电性：,与羰基碳相比，羧基碳原子上的正电性相对降低。,羟基氧的电子云密度：,与醇相比，羧基的羟基氧上电子云密度相对降低。,发生亲核加成的能力降低-氢的活性降低,O-H键极性增强H的酸性增加,酸性,羧酸的酸性比水、醇强，甚至比碳酸的酸性还要强。,两个碳氧键等长，完全平均化，电子完全离域。,羧酸的酸性强弱与羧酸分子的电子效应、立体效应和溶剂化效应相关。,取代基对羧酸酸性的影响,吸电子基使酸性,供电子基使酸性,HCO

5、OH CH3COOH C6H5COOH CCl3COOH pKa 3.77 4.76 4.20 0.63,(-I,+C),分子内的氢键也能使羧酸的酸性增强。,利于H+离解的空间结构酸性增强，反之酸性减弱。,芳香羧酸的情况分析,G具有吸电子共轭效应时，酸性顺序：邻 对 间 G具有供电子共轭效应时，酸性顺序：邻 间 对,诱导为主、共轭很小,诱导、共轭、氢键效应、空间效应（邻位效应）,诱导很小、共轭为主,诱导吸电子作用大、共轭供电子作用大、氢键效应吸电子作用大。,邻 位 间位 对位,诱导吸电子作用中、共轭供电子作用小。,诱导吸电子作用小、共轭供电子作用大。,pKa 2.98 4.08 4.57,pK

6、a 3.42 3.97 4.20 4.47,对位取代基吸电子效应越强，酸性越强。,二元羧酸的酸性与两个羧基的相对距离有关，由于离解是分两步进行的，第一步电离要受另一个羧基-I效应的影响，两个羧基相距越近影响越大。,酸性顺序：乙二酸 丙二酸 丁二酸,羧酸(pKa 3.55)能与NaOH、NaHCO3等碱反应生成盐。,鉴别、分离苯酚和羧酸。,羧酸的碱金属盐都易溶于水，与强酸作用重新生成酸。,医药上常将水溶性差的药物转变成盐，增加其水溶性。如含有羧基的青霉素和氨苄青霉素水溶性极差，转变成钾盐或钠盐后水溶性增大，便于临床使用。,高级脂肪酸的钠盐或钾盐是肥皂的主要成分，镁盐用于医药工业，钙盐用于油墨工业

7、等。,Na,羧酸分子中羧基中的羟基(-OH)在一定条件下可被卤素(-X)、酰氧基(-OCOR)、烷氧基(-OR)或氨基(-NH2)取代，分别生成酰卤、酸酐、酯或酰胺等羧酸衍生物。,羟基被取代生成羧酸衍生物,羧酸与三卤化磷、五卤化磷、二氯亚砜等反应生成酰卤。,酰卤的生成,酰卤具有很高的反应活性，广泛应用于有机和药物合成。,（200分解）,（bp 107）,（bp 77）,SOCl2、PCl3、PCl5及酰氯(芳香酰氯除外)都是很活泼的试剂，遇水容易分解或水解，反应需在无水条件下进行。,(bp 197),(bp 80),or PCl5,酸酐的生成,羧酸在加热或脱水剂(如P2O5)作用下，分子间脱水

8、生成酸酐。,如果能生成稳定的五、六元环酸酐的二元羧酸，更易脱水，只须加热而不用脱水剂。,丁二酸酐,邻苯二甲酸酐,戊二酸酐,酯的生成（酯化反应）,醇与羧酸在无机酸催化和加热条件下反应制得酯。,常用的催化剂有硫酸、苯磺酸等。,酯化反应是可逆的，所以在反应中需要采取一些措施（原料过量或除去产物）、来促使反应向右进行，提高产率。,投料：1：1 产率：67%1：10 97%,己二酸二乙酯9597%,分水装置：甲苯和水可形成恒沸物，随着甲苯不断被蒸出，水也被带出。,酯化反应的脱水途径：,酰氧键断裂,烷氧键断裂,加成-消除反应历程,碳正离子反应历程,（主要）,（叔醇）,加成-消除反应历程,加成,慢,快,快,

9、快,消除,质子转移,快,伯醇和绝大多数仲醇酯化按加成-消除机制进行，反应速率：CH3OHRCH2OHR2CHOHHCOOHCH3COOHRCH2COOHR2CHCOOHR3CCOOH,sp2,sp3,空间位阻对反应速度的影响极大！,？,叔醇的酯化也要产生一个四面体结构的中间体，空间位阻大，反应产率很低。,碳正离子反应历程,慢,快,快,快,sp2,sp3,叔醇,酯化反应机制的证明,酰胺的生成,羧酸与氨（胺）加热可得酰胺。,酰胺可以由羧酸、酯、酸酐、酰卤与氨（胺）作用制备。,N-苯基苯甲酰胺,脱羧反应羧酸失去-COOH放出CO2的反应。一般羧基直接加热不容易脱羧，但羧酸的钠盐与碱石灰共热就可失去羧

10、基生成烃。,脱羧反应,几乎所有羧酸或其盐类在强烈条件下都可脱羧。,当a-碳原子上连有-NO2、-CN、-CO-、-X 等强吸电基时，会使羧基变得不稳定而容易脱羧。,二元羧酸的热分解反应,脱羧：,二元羧酸受热分解，根据两个羧基相对位置的不同，可分别发生脱水、脱羧或既脱水又脱羧等反应。,乙二酸,丙二酸,脱水：,丁二酸,邻苯二甲酸,戊二酸,脱水+脱羧：,己二酸,环戊酮,庚二酸,环己酮,大于7个碳原子的直链二元羧酸加热时产生高分子的聚酐：,（n 6）,具有a-H的羧酸在少量红磷或三卤化磷存在下，与卤素发生反应，得到a-卤代酸。,a-H的反应,一氯乙酸,二氯乙酸,三氯乙酸,二、取代羧酸,取代羧酸烃基R-

11、中H原子被取代,羟基酸,醇酸（羟基与脂肪烃基相连）,酚酸（羟基与芳环相连）,羟基酸的系统命名是以羧酸为母体，羟基为取代基，并标明位置。,2-羟基丙酸(乳酸),羟基丁二酸(苹果酸),2,3-二羟基丁二酸(酒石酸),3-羧基-3-羟基戊二酸(柠檬酸),3-羧基-2-羟基戊二酸(异柠檬酸),羟基酸的命名,邻-羟基苯甲酸(水杨酸),间-羟基苯甲酸,3,4,5-三羟基苯甲酸（没食子酸）,3,4-二羟基苯甲酸（原儿茶酸）,对-羟基苯甲酸,羟基酸具有羟基和羧酸双功能基团。与羟基相连的碳通常是手性碳，醇酸通常具有旋光性；羟基与羧基均可与水形成氢键，故羟基酸在水中溶解性比相应的醇或酸都高。醇酸多为粘稠液体或晶体

12、，酚酸都是晶体。,羟基酸的物理性质,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特性：根据羟基和羧基的相对位置不同而有所不同,生物体内代谢产物中很多羟基酸在酶催化下也可发生类似反应。,酸性,醇酸中羟基的-I效应多数情况下会使羧酸酸性增强，因此一般醇酸酸性强于相应的羧酸。羟基离羧基越近，酸性增加越大，反之越小，甚至无影响。,pKa 4.76 3.83,pKa 4.86 3.87 4.51,pKa 4.76 2.87 1.36 0.63,pKa 2.86 4.06 4.52,pKa 3.77 4.76 4.86 5.05,酚酸的酸性受诱导效应、共轭效应和邻位效应的影响，其酸性随羟基与羧基

13、的相对位置不同而表现出明显的差异。,pKa 4.2 2.98 4.08 4.57,氧化反应,a-醇酸分子中的羟基因受羧基-I效应的影响，比醇分子中的羟基容易被氧化。,Tollens试剂不氧化醇，却能将a-羟基酸氧化成a-酮酸。,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。,a-羟基酸的分解反应,a-羟基酸与稀H2SO4共热，羧基和a-碳原子间的键断裂，生成少一个碳原子的醛（或酮）和甲酸。,脱水反应,醇酸分子中，两个官能团之间的相互影响使其热稳定性较差，遇热时很容易脱水，随着羟基位置的不同，其脱水方式也不一样。,a-羟基酸分子间脱水成交酯,六元环交酯,分子间的酯化反应,b-羟基酸

14、分子内脱水成烯（a,b-不饱和羧酸）,g-和d-羟基酸分子内脱水成内酯,g-羟基丁酸钠（麻醉剂）,羟基与羧基相隔5个及以上碳原子的醇酸加热时，分子间脱水生成聚酯。,（n 5）,穿心莲内酯（抗菌消炎药）,酚酸的脱羧反应,羟基在羧基邻、对位的酚酸加热至熔点以上时，分解成相应的酚和二氧化碳。,200-220,200,酮酸（羰基酸）,醛酸,酮酸,酮酸是一类在生物体内拥有重要作用的有机酸，在氨基酸新陈代谢和维持氧化还原状态的过程中它起一个中心作用（在生物体内，醛酸显得不是太重要）。,酮酸的分类和命名,酮酸的命名以羧酸为母体，酮羰基作为取代基(氧代)，或以羰基与羧基的相对位置命名为,等酮酸。,a-丙酮酸2

15、-氧代丙酸,b-丁酮酸3-氧代丁酸,丁酮二酸2-氧代丁二酸,酮酸的化学性质,具有酮的性质，如可以被还原成羟基，可与羰基试剂反应生成相应的产物；具有羧酸的性质，羧基可与碱成盐，与醇成酯等。,羰基在不同位置时候的酮酸具有一些特殊性质。,羰基的-I效应比羟基强，会使酮酸酸性强于醇酸，更强于相应的羧酸。羰基离羧基越近，酸性增加越大。,酸性,pKa 2.49 3.51 3.86 4.51 4.88,脱羧反应,a-酮酸与稀H2SO4共热脱羧生成少一个碳原子的醛。,b-酮酸更不稳定，受微热即容易失羧生成酮（酮式分解）。,a-酮酸的氧化反应,a-酮酸可与弱氧化剂反应，生成少一个碳原子的羧酸并放出CO2。,To

16、llens试剂,酶催化下醇酸和酮酸的相互转化,b-羟基丁酸,苹果酸,草酰乙酸,苹果酸脱氢酶,乙酰乙酸,b-羟基丁酸脱氢酶,羧酸及取代羧酸作业：,P146-147 10-310-10,羧酸分子中羧基上羟基被-X、-OCOR、-OR、-NH2、-NHR和-NR2取代后所产生的化合物统称为羧酸衍生物。,三、羧酸衍生物,酰卤,酯,酸酐,酰胺,卤素,烷氧基,酰氧基,(取代)氨基,羧酸衍生物的结构与命名,酰基的命名根据相应羧酸的名称命名为“某酰基”。,酰卤,乙酰氯,苯甲酰氯,2-溴丁酰溴,酰基+卤素组成，命名为酰基名称后加卤素“某酰卤”。,酰胺,乙酰胺,苯甲酰胺,N-乙基乙酰胺,N,N-二甲基乙酰胺,邻苯

17、二甲酰胺,酰基+胺基组成，命名为“某酰胺”，若氮上有取代基，在取代基名称前加N-标出。,d-己内酰胺,RR，简单低级酸在前，复杂高级酸在后，加上“酐”字。,酸酐,R=R，命名在酸字后加“酐”字。,乙酸酐,苯甲酸酐,甲乙酐,乙丙酐,酰基+酰氧基组成，命名为“某(酸)酐”。,丁二酸酐,邻苯二甲酸酐,环酐，在二元酸的名称后加“酐”。,酯,乙酸乙酯,苯甲酸乙酯,乙酸苯酯,乙二醇二乙酸酯,草酸单甲酯,草酸甲乙酯,酰基+烷氧基组成，以相应的酸和醇命名“某酸某(醇)酯”。,内酯命名时，用内酯二字代替酸字并标明位置。,g-戊内酯,d-己内酯,羧酸衍生物的物理性质,羧酸衍生物分子中都含有C=O键，都是极性的化合

18、物。,低级酯具有令人愉快的香味，常作香料。许多花、果的香味是由于羧酸酯而引起的。C14 酸以下的甲酯和乙酯为液体。,低级酰卤和酸酐都是具有对粘膜有刺激性臭味的液体，高级的为固体。,酰胺除甲酰胺外，由于分子内形成氢键，均是固体；而当酰胺的氮上有取代基时为液体。,性状,乙酸异戊酯 香蕉香味,正戊酸异戊酯苹果香味,正丁酸正丁酯菠萝香味,酰卤、酸酐和酯由于不存在分子间氢键，沸点比相应的酸低得多，而酰胺却有较高的沸点（如果胺基上氢被烃基取代后，由于缔合程度减小而使沸点降低）。,沸点,bp 195,bp 182,bp 153,羧酸衍生物可溶于有机溶剂；酰氯和酸酐不溶于水，低级的遇水分解；酯在水中溶解度很小

19、；低级酰胺可溶于水。,溶解性,-H的活性减小（-H的 pKa 值增大）,羰基的活性减小（取决于综合电子效应）,L的离去能力减小（离去基团的稳定性减小）,.,羧酸衍生物的化学性质,水解,（羧酸衍生物水解都生成相应的羧酸）,酰基的亲核取代反应,（反应猛烈）,（热水立即反应）,（加热、加酸、碱催化剂）,（长时间加热回流、且加酸、碱催化剂）,醇解,（羧酸衍生物都可以与醇作用生成相应的酯）,（很快反应，碱可催化）,（在酸、碱存在下）酯交换反应,（碱催化下与过量的醇）,（很快反应）,氨(胺)解,酰氯、酸酐、酯与氨作用生成酰胺。,7074%,酰基的亲核取代反应的机制,羧酸衍生物的水解、醇解、氨解的反应历程相

20、似，均属于亲核取代反应。,（酰基转移反应）,加成,消除,亲核试剂(Nu-)：HOH,HOR,NH3,NH2R,NHR2,离去基团(L)：-X,-OCOR,-OR,-NH2,负离子四面体中间体,酯的碱催化水解历程,慢,反应活性：酰氯 酸酐 酯 酰胺,立体效应：烃基，空间拥挤，反应速度。,电子效应：吸电子能力，加成反应,-Cl-OCOR-OR-NH2,L-的碱性：-Cl-OCOR-OR-NH2（离去能力相反）,反应速度：R=-CH3-C2H5-CH(CH3)2-C(CH3)3,酯的酸催化水解历程,正离子四面体中间体,慢,电子效应影响相对较小，空间效应影响明显。此机制适用于伯、仲醇的酯水解。,叔醇形

21、成的酯酸催化水解：,SN1,CH3COOR CH3COOH+ROH,H3O+,R-CH3-CH2CH3-CH(CH3)2-C(CH3)3-CH2C6H5-C6H5相对速率,1 0.97 0.53 1.15 0.96 0.69,羧酸衍生物的a-H与醛酮一样有弱酸性。,酯的缩合反应,克莱森（Claisen)缩合（也叫酯缩合反应）,酯分子的a-H 在强碱性条件下（通常是醇钠）与另一分子酯缩合失去醇得到b-酮酸酯。,酯的自身缩合：,CH3COOCH2CH3+NaOEt,-CH2COOCH2CH3,CH3COOCH2CH3,CH3COCH2COOCH2CH3+CH3CH2O-,乙酸乙酯,乙酰乙酸乙酯,如果两个不同的酯都有-H 也可以发生酯缩合反应，理论上可以得到四种产物，在制备上没有很大价值。,如果两个酯中只是一个有-H，另一个酯无-H，通过控制反应条件也可得一个主要的产物，有合成意义。,C2H5ONa,自身缩合产物（次）,交叉缩合产物（主）79%,酯的交叉缩合：,HCOOCH2CH3+CH3COOCH2CH3,HCOCH2COOCH2CH3+CH3COCH2COOCH2CH3,羧酸衍生物作业：,P159-161 11-411-10,