有机化学11羧酸xiu.ppt

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1、第十一章 羧酸及其衍生物,11.1 羧酸的分类和命名 11.2 羧酸的物理性质 11.3 羧酸的结构 11.4 羧酸的化学性质11.5 极化效应11.6 羧酸衍生物的生成11.6.1 还原反应11.6.2 脱羧反应 11.6.3 二元酸的受热反应11.6.4 氢原子的反应,11.7 羧酸的制法11.7.1 羧酸的工业合成11.7.2 伯醇和醛的氧化11.7.3 腈水解11.7.4 Grignard 试剂与二氧化碳作用11.7.5 酚酸的合成11.8羟基酸羟基酸的性质羟基酸的制备11.9 羧酸衍生物,11.10 羧酸衍生物的化学性质11.10.1 酰基上的亲核取代反应11.10.2 酰基上的亲核

2、取代反应机理11.10.3 羧酸衍生物的相对反应活性11.10.4 还原反应11.10.5 与有机金属试剂的反应11.10.6 酰胺氮原子上的反应酰胺的个性,羧酸,取代酸：,氨基酸,卤代酸,羟基酸,11.1 羧酸的分类和命名,(1)分类,(甲)按羧基所连烃基的碳架,乙酸,2-丁烯酸,环戊烷甲酸,苯甲酸,-呋喃甲酸,脂肪族羧酸,脂环族羧酸,芳香族羧酸,杂环族羧酸,(乙)按分子中羧基的数目,甲酸,蚁酸,(2)命名,(甲)俗名,乙酸,醋酸,丁酸,酪酸,十八酸,硬脂酸,(乙)普通命名法,-甲基丁酸,-甲基-戊烯酸,-羟基戊酸,（丙）系统命名法,(A)脂肪族羧酸,母体：,选含羧基的最长连续碳链,不饱和羧

3、酸选含羧基和不饱和键在内的最长连续碳链为主链.,4 3 2 1,18 12 10 9 1,5 4 3 2 1,4-溴丁酸,12-羟基-9-十八碳烯酸,4-丁基-2,4-戊二烯酸,2-甲基-3-乙基丁二酸,(Z)-丁烯二酸,(B)含环羧酸,羧基与环相连:,母体为芳烃(或脂环烃)名称+甲酸.,对甲基苯甲酸,2,4-环戊二烯甲酸,反-1,2-环戊烷二甲酸,羧基与侧链相连:,母体为脂肪酸.,3-苯基丙烯酸,1,2-苯二乙酸,3-环戊基丁酸,英文命名：将烷烃命名的后缀“e”改为“oic acid”,4己烯酸,11.2 羧酸的物理性质,物态：,气味,由于羧酸能与水形成氢键,甲酸至丁酸与水互溶.,比相对分子

4、质量相同的醇的沸点高,因为羧酸分子之间 形成两个氢键,缔合成稳定的二聚体.,例如:,沸点,水溶性,11.3 羧酸的结构,-,P-共轭,大键，键长完全平均化,1.C=O 失去典型的羰基性质羰基碳的电正性减弱。2.O-H键削弱，酸性强。3.,酸性,酰基上的亲核取代反应,还原成 CH2,脱羧反应,H 反应,11.5 极化效应,1 羧酸的酸性,HY:无机酸,由此可把羧酸与中性、碱性化合物及酚分离。,思考题：如何将以下三种化合物进行分离：,2 羧酸的结构与酸性的关系,sp2杂化、p,共轭,影响酸性的因素,当测定条件相同时,羧酸酸性的强弱取决于分子的结构.任何使羧酸根负离子稳定的因素将增加其酸性,反之酸性

5、减弱.,这里,主要讨论诱导效应的影响.,(A)诱导效应的表示,标准,-I 效应,X的电负性大于H,吸电子.,Y的电负性小于H,供电子.,+I 效应,取代基诱导效应对酸性的影响,_,_,吸电基使负离子稳定,供电基使负离子不稳定,酸性增强,酸性减弱,吸电基:,不同原子,不同数目,pKa:2.86 4.0 4.52,不同距离,低,低,低,吸电子原子愈多，负电荷分散程度愈大，负离子愈稳定，酸性愈强。吸电子原子距离羧基愈近，负电荷分散程度愈大，酸性愈强。,结论：,二元酸:,pKa1 1.20 2.9 4.2,pKa1pKa2,举例:,诱导效应,场效应,吸电基,供电基,有两个解离常数,=5.7,诱导效应和

6、场效应均导致第二个羧基的酸性减弱。,供电子基,氢键,场效应：通过空间传递的电子效应。,羧酸根的场效应不利于羧酸的第二次解离。,场效应有时与诱导效应作用相反：,场效应起主要作用时,邻位酸 间位酸和对位酸,酸性：,11.6 羧酸衍生物的生成,(1)酰卤的生成,试剂:,(2)酸酐的生成,2 分子羧酸经分子间脱水制得酸酐,用于大分子对称的酸酐合成,二元酸加热经分子内脱水生成五、六元环酐,邻苯二甲酸 邻苯二甲酸酐(100%),脱水剂:P2O5、乙酸酐,羧酸的钠盐与酰氯共热制得酸酐,混合酸酐的生成,羧酸盐与卤代烃经亲核取代反应,(95%),羧酸 醇 酯,第三步 质子转移与脱水：,第四步 脱质子：,(4)酰

7、胺的生成,羧酸与氨或胺共热脱水制得酰胺,N苯基苯甲酰胺(82%),11.6.2 脱羧反应(decarboxylation),当-碳原子上连有吸电基时,如,易加热脱羧,从羧酸或其盐的分子中脱去羧基(失去二氧化碳)的反应,称为脱羧反应.,羧酸的碱金属盐:,与碱石灰共熔融脱羧生成烃:,Kolbe合成法,电解羧酸盐水溶液,在阳极发生偶联,生成烃.,此反应是应用电解法制备有机化合物的一个实例.,己二酸 环戊酮,Blanc 规律：容易形成五元环或六元环化合物。,二元酸的受热反应,二元酸加热的产物：,11.6.4 氢原子的反应,HellVolhardZelinsky 反应脂肪酸在P或PX3 作用下与Br2或

8、Cl2反应生成卤代羧酸,4甲基戊酸 4甲基2溴戊酸(64%),反应机理:,卤代酸中X原子可进行亲核取代反应和消除反应：,羧酸的化学性质1 羧酸的酸性和诱导效应；2 羧酸衍生物的生成；3 羰基的还原反应；4 脱羧反应；5 二元酸的受热反应；6氢原子的反应,11.7 羧酸的制法11.7.1 羧酸的工业合成11.7.2 伯醇和醛的氧化11.7.3 腈水解11.7.4 Grignard 试剂与二氧化碳作用11.7.5 酚酸的合成,11.7.1 羧酸的工业合成,(1)烃的氧化,烷烃的氧化：,(2)由一氧化碳、甲醇或醛制备CO与NaOH水溶液作用，生成HCOOH:,丙醛氧化法：,甲醇法：,11.7.2 伯

9、醇和醛的氧化制备同碳数的羧酸,Grignard 试剂的羧化作用(carbonation),反应特点:RX RCOOH；增长1个C的碳链；限制：底物分子中不能含有OH,NH2,SH 或C=O等基团,11.7.4 Grignard 试剂与CO2作用,11.7.3 腈水解,11.7.5 酚酸的合成,KolbeSchmitt 反应,酚钠、CO2,(对羟基苯甲酸),水杨酸(邻羟基苯甲酸),11.8羟基酸,2-羟基丙酸,2-羟基苯甲酸(水杨酸),乙酰水杨酸,特征:,分子内氢键水杨酸,例如,羟基酸的性质,1酸性羟基的吸电子诱导效应，使酸性增大。,2脱水羟基酸脱水生成环酯或不饱和酸,（1）生成交酯,分子间脱水

10、 羟基脱氢 羧基脱-OH,羟基酸,(2)不饱和酸分子内脱水碳的羟基与碳的氢脱水,（3）生成环内酯,1，4位脱水 内酯（五元环）1，5位脱水内酯（六元环）,（4）脱羧-羟基酸脱羧得羰基物或酸（均少一个碳）,C-C键断裂且OH被氧化为C=O,C-C键断裂且OH被氧化为C=O,羟基酸的制备 卤代烃，羟基腈水解,OH,11.9 羧酸衍生物：,L:卤原子(X),酰氧基(),烷氧基(OR),氨基(NH2,NHR,NR2),酰卤,酸酐,酯,酰胺,腈(nitrile),图11.9.1 乙酰氯的分子球棍模型,图11.9.2 乙酸酐的分子球棍模型,图11.9.3 乙酸乙酯的分子球棍模型,图11.9.4 乙酰胺的分

11、子球棍模型,11.9.1 羧酸衍生物的命名,酰卤和酰胺:,根据相应的酰基命名.,乙酰氯,环己烷甲酰氯,对苯二甲酰二氯,N,N-二甲基 甲酰胺,N-乙基丁二酰亚胺,邻苯二甲酰胺,-己内酰胺,酸酐,相应酸名+酐,丙(酸)酐,乙酸苯甲酸酐,邻苯二甲酸酐,酯,氯乙酸异戊酯,丁炔二酸二乙酯,-萘甲酸乙烯酯,酸名+醇烃基名+酯,乙(酸)酐(acetic anhydride),甲乙(酸)酐(acetic formic anhydride),乙酸乙酯(ethyl acetate),苯甲酸乙酯(ethyl benzoate),分子中含有,结构的环状化合物,内酰胺,己内酰胺,羧酸衍生物的反应部位：,发生反应部位,

12、-氢原子,羰基,亲核取代反应,还原反应,与Grignard试剂的反应,=,O,11.10 羧酸衍生物的化学性质,11.10.1 酰基上的亲核取代反应,反应通式：,(1)水解,水解,(2)醇解,酰氯酸酐,醇或酚,酯,丙烯酸甲酯 丁醇,丙烯酸丁酯(94%),(3)氨解,11.10.2 酰基上的亲核取代反应机理,在碱性或中性的介质中：,L:X-,OR,NH2,NHR-,NR2,皂化反应(saponification)机理：,第一步：氢氧根负离子与羰基的加成,第二步：离去基团离去，恢复羰基结构,第三步：质子转移，生成醇和羧酸盐,11.10.3 羧酸衍生物的相对反应活性,活性顺序,理论解释,离去基团（L

13、）碱性低稳定，易离去1.活性取决于L离去难易,酸碱理论,2.酰基碳的电正性,11.10.4 还原反应(1)用氢化铝锂还原,保留C C,C C,用LiAlH(OR)3还原：,(2)用金属钠 醇还原 保留C O Bouveault-Blanc 还原法酯用金属钠-醇（乙醇、丁醇、戊醇）还原成伯醇,工业上制备不饱和醇的唯一途径,1 mol RMgX，低温，生成酮,叔醇,11.10.6 酰胺氮原子上的反应酰胺的个性,(1)酰胺的酸碱性,(3)Hofmann 降解反应,制备少一个C原子的伯胺，产率较高，产品较纯。,酰胺与溴或氯在碱溶液中作用,脱去羰基生成伯胺的反应.,第二步：N溴代酰胺失去质子后，重排成

14、异氰酸酯：,异氰酸酯,羧酸及其衍生物的相互转化,羧酸衍生物的化学性质1 酰基上的亲核取代反应水解(2)醇解(3)氨解2 酰基上的亲核取代反应机理3 羧酸衍生物的相对反应活性,4 还原反应用氢化铝锂还原(2)用金属钠 醇还原(3)Rosenmund 还原5 与有机金属试剂的反应6 酰胺氮原子上的反应酰胺的个性 酰胺的酸碱性(2)酰胺脱水(3)Hofmann 降解反应,11.11 二羰基化合物,11.11.1 酮烯醇互变异构11.11.2 乙酰乙酸乙酯的合成及其应用丙二酸酯的合成及其应用11.11.4Knoevenagel 缩合11.11.5 Michael 加成其它含活泼亚甲基的化合物,二羰基化

15、合物：,二酮(,-diketone),酮酸酯(-keto ester),丙二酸二酯(malonic ester),均有活泼亚甲基,11.11 酮烯醇互变异构(keto and enol tautomerism),由分子内的原子或基团连接的位置不同而产生的异构互变异构,（1）酸和碱对酮烯醇平衡的影响,酸催化的酮烯醇互变异构：,碱催化的酮烯醇互变异构：,（2）化合物的结构对酮烯醇平衡的影响,酮式 烯醇式,乙醛,(100)(很少),丙酮,(99%)(1.510-4%),环己酮,(98.8%)(1.2%),乙酰乙酸乙酯(丁酮酸乙酯)：,(ethyl acetoacetate),烯醇式,分子内氢键，形成

16、六元环而稳定,烯醇负离子(enolate ion),二羰基化合物的酸性：,烯醇负离子共轭体系,亲核试剂,11.11.1 酮烯醇互变异构(1)酸和碱对酮烯醇平衡的影响(2)化合物的结构对酮烯醇平衡的影响,11.11.2 乙酰乙酸乙酯的合成及其应用(1)乙酰乙酸乙酯的合成,乙酸乙酯 乙酰乙酸乙酯(三乙)(75%)(三氧代丁酸乙酯),Claisen 酯缩合反应,Claisen 酯缩合反应机理：,第一步 碱进攻H，产生烯醇负离子：,第二步 烯醇负离子对另一酯分子的亲核加成：,第三步 离去基团的消除，恢复羰基结构：,第四步 酮酸酯脱质子：,第五步 碳负离子的质子化(酸化)：,反应特点：底物：含有两个氢的

17、酯 酮酸酯的去质子与酸化 CC键的生成 生成含两个官能团的产物分子,含一个氢原子的酯缩合反应,交错 Claisen酯缩合反应,RCH2COOR,甲酸酯 碳酸酯 草酸酯 苯甲酸酯,无-氢,有-氢,无-氢,有-氢,分子内酯缩合Dieckmann condensation,二元酯 五元或六元环状酮酸酯,己二酸乙酯 2氧代环戊甲酸乙酯,乙酰乙酸乙酯的工业制法：,二乙烯酮,(2)乙酰乙酸乙酯的性质,酮式分解：在稀碱或 稀酸的作用下 酮酸加热脱羧生成酮,羰基酸受热分解的机理：,酸式分解：与浓碱共热，CC键断裂 得2分子羧酸盐,反应机理：,烷基化反应:,碳负离子与RX作用,RX:伯、仲卤代烷,(3)乙酰乙酸

18、乙酯在合成上的应用,合成甲基酮或烷基取代羧酸,烷基化 酮式分解或酸式分解,二酮的合成：,.乙酰乙酸乙酯的合成及其应用.乙酰乙酸乙酯的合成.乙酰乙酸乙酯的性质.乙酰乙酸乙酯在合成上应用,11.11.3 丙二酸酯的合成及其应用,(1)丙二酸二乙酯的合成及其应用,丙二酸二乙酯的合成：,pKa=13,二元羧酸的合成,环烷酸的合成,36元环,11.11.4 Knoevenagel 缩合,醛、酮与含活泼氢的化合物在弱碱（胺、吡啶、哌啶）作用下发生缩合反应,Michael 加成,含活泼氢的化合物与,不饱和化合物进行共轭加成（1，4-加成）,2环己烯酮 3氧代环己基丙二酸二乙酯,(90%),丙烯腈 2,4戊二酮,4乙酰基5氧代己腈(77%),(65%),Robinson 环化反应,11.11.6 其它含活泼亚甲基的化合物,烷基化反应：,Michael 加成反应：,2甲基丙烯酸乙酯,氰基乙酸乙酯,2甲基4氰基戊二酸二乙酯,