第十二章 羧酸及其衍生物
§ 12.1羧酸的结构
R O H
O
C
O
O
R
C
..
.
.
..
形式上看,羧基由羰基和羟基组成 。 羟基氧原子的未共用电子对所占据的 p轨道和羰基的 π键形成 p-π共轭 。 羟基氧上电子云密度有所降低,羰基碳上电子云密度有所升高 。
脂肪羧酸,RCOOH 芳香羧酸,ArCOOH
饱和脂肪羧酸 ; 不饱和脂肪羧酸,
根据羧基数目不同:分为一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸。
肥皂,高级脂肪酸的钠盐;
动物油,饱和高级脂肪酸的甘油酯;
植物油,不饱和高级脂肪酸的甘油酯;
食用醋,2%的乙酸水溶液。
§ 12.2 羧酸的分类和命名
§ 12.2.1 羧酸的分类
1,常用俗名,根据他们的来源命名
2,系统命名:
与醛相同。
选择含羧基的最长碳链为主链,编号从羧基开始。
不饱和酸则须包括双 (叁 )键,指明不饱和键的位置,某烯 (炔 )酸。
C H 3 C H C H 2 C O O H C H 3 C H C H C O O H
C H 3
3- 甲 基丁酸
2- 丁烯酸
§ 12.2.2 羧酸的命名
C O O H
C H
3
C H
2
C O O H
C O O H
羧基连在苯环上:以芳甲酸为母体,环上其他基团为取代基;
羧基连在侧链上:以脂肪酸为母体,芳基作为取代基。
 间 甲 苯 甲 酸 α- 萘 乙酸 3-苯基丙烯酸二元酸则的主链包括两个羧基,叫某二酸。脂环羧酸常把脂环烃看作取代基:
C H
3
C H
2
C H
C O O H
C O O H
H O O C C H
2
C H
2
C H
2
C O O H
C O O H
C O O H
C O O H
邻 苯 二甲 酸乙 基丙二酸 戊 二酸环戊基甲酸酰基,羧酸分子中的羧基除去羟基后的基团;
酰氧基,羧酸分子中的羧基除去氢原子后的基团。
CH
3
O
C CH
3
O
O
C
P h C H
2
O
O
CP h C H
2
O
C
苯 乙 酰氧 基苯 乙 酰基乙 酰基 乙 酰氧 基
§ 12.3 羧酸的制法
§ 12.3.1 羧酸的工业合成一、烃的氧化二、由 CO、甲醇或乙醛制备三,Kolbe-Schmitt反应合成酚酸O K
C O
2
O K
C O O K
H
+
O H
C O O K
+
1 8 0 ~ 2 5 0 o C
2,0 2 M P a
§ 12.3.2 伯醇或醛的氧化伯醇先氧化成醛,然后氧化成羧酸。常用的氧化剂有:
重铬酸钾 -硫酸,三氧化铬 -冰乙酸,高锰酸钾,硝酸 等。
C H 3 C H 2 C H 2 C H 2 O H
K M n O 4 / H 2 S O 4
C H 3 C H 2 C H 2 C H O
K M n O 4 / H 2 S O 4
C H 3 C H 2 C H 2 C O O H
C H 2 O H
K M n O 4 / H 2 S O 4
C H O
K M n O 4 / H 2 S O 4
C O O H
C H 3 C H C H C H O
A g N O 3,N H 3
C H 3 C H C H C O O H
§ 12.3.3 腈水解酸,碱催化均可水解:
C H 3 C H 2 C H 2 C H 2 C N K O H
H 2 O
H + C H
3 C H 2 C H 2 C H 2 C O O H
腈是由伯卤代烃、苄卤和烯丙基卤代烃与 NaCN或 KCN反应得来的,仲、叔 卤代烃易失水成烯,芳卤不反应 。
R X N a C N R C N N a X+ E t O H +
§ 12.3.4 格氏试剂与 CO2作用格利雅试剂与干冰,或将 CO2在低温下通入格利雅试剂的干醚溶液中,然后水解,得羧酸:
C H 3 C H 2 C H C H 3
M g C l
+ C O C H 3 C H 2 C H C H 3
C O 2
-
M g
+
C l
H 2 O
H 2 S O 4
C H 3 C H 2 C H C H 3
C O O H
( A r ) R M g X O OC ( A r ) R O M g X
O
C ( A r ) R C O O H
H
3
O +
2
+
干醚
§ 12.2.5芳烃侧链?氢氧化成苯甲酸(或取代苯甲酸)
C H 3
K M n O 4 / N a O H
C O O H
C H 3
CC H 3
C H 3
C H 3
K M n O 4 / N a O H
C O O H
CC H 3
C H 3
C H 3
§ 12.4 物理性质
§ 12.4.1 状态和气味,
十个碳原子以下的饱和一元羧酸为液体;
高级脂肪酸 ( C10以上 ) 为蜡状固体;
脂肪二元羧酸和芳香酸为结晶形固体 。
C1-C3刺激性酸味; C4-C6腐败气味 。
§ 12.4.2 溶解性,
低级脂肪酸易溶于水,极性,与水形成分子间的氢键 。
随着碳原子数增加,羧基所占比重减小,水溶性逐渐降低 。
§ 12.4.3 溶沸点羧酸熔沸点比分子量相近的其他化合物高许多,因为,分子间可以形成两个氢键 ——二聚体 R
O
O H
R
O
OH
R
O
O H
H
O
H
OH
H
O H
H
H
O
H
C C
………
………
C
………
………
§ 12.5 羧酸的波谱性质
§ 12.5,1,红外,
O-H伸缩振动,3560-3500( 单体 ) 3000-2500( 二聚体 )
C=O伸缩振动,1720
C-O伸缩振动,1250
§ 12.5,1,核磁,
-COOH,10.5-13
§ 12.6 化学性质
§ 12.6,1,羧酸的酸性和极化效应,
羧酸可看作水分子中的氢被酰基取代:
由于羰基的 π键与羟基氧上未共用电子对形成 p—π共轭 。 羟基氧上电子云密度有 所降低,羟基中的氢氧键就比水分子中氢氧键要弱,
氢更容易离解 。 表现出酸的通性,其酸性比碳酸还强,但与无机酸比还是弱酸 。
R O H
O
C
酰基烃基对羧酸 酸性的影响,-I效应越大,酸性越强
F > Cl > Br > I,
由于诱导效应随距离增大而迅速减弱,故取代基距离羧基越远,
酸性越弱。 2-氯丁酸 > 3-氯丁酸 > 4-氯丁酸取代苯甲酸:吸电子基 > 供电子基特别,-OH; -OCH3在间位,只有 -I效应,酸性增强;
在对位,+C大于 -I效应,酸性减弱;
所有邻位取代苯甲酸酸性大于苯甲酸。
间羟基苯甲酸 > 邻羟基苯甲酸 > 苯甲酸 > 对羟基苯甲酸
R C O O H + M g O ( R C O O ) 2 M g
R C O O H + N a O H R C O O N a
R C O O H + N a C O
3 R C O O N a C O 2
+ H 2 O
+ H 2 O
2
+ + H 2 O2
羧酸的钠盐,钾盐均溶于水,故可用此法分离提纯羧酸 。 二元羧酸也可分两步电离,但第二步电离要困难得多,可形成酸性盐和中性盐 。
甲酸的酸性比其他羧酸要强的多,因为烃基的给电子效应,
羟基上氧电子云密度有所增大,氢更难离解。
R O H
O
P C l
5
R O H
O
P C l
3
R Cl
O
R Cl
O
P O C l
3
H
3
P O
3
R O H
O
R Cl
O
S O C l
2
S O
2
C +
C + C
C + + H C l
+
酰氯
C
+
C + H C l+
3 3
§ 12.6,2.羧酸衍生物的生成,
羟基可被酸根 (RCOO- ),卤素,烷氧基 (-OR)或氨基 (-NH2)取代:
一、酰氯的生成:常用的是酰氯,羧酸和 SOCl2,PCl5或 PCl3制得:
R O H
O
R O H
O
P
2
O
5
R
O
O
R
O
C
C
C
C
+ H 2 O
酸酐二.酸酐的生成:脱水剂 P2O5存在下加热,分子间脱去一分子水:
O H
O
O
O H
O
O
O
H
H
O H
O
O
O H
O
O
O
+ H
2
O
+ H
2
O
2 30
o
C
1 50
o
C
95%
100&
两羧基相隔 2-3个碳原子的二元酸,不需要任何脱水剂,加热脱水:
三.酯的生成和酯化化反应机理:
强酸催化下,羧酸与醇分子间脱去一分子水成酯,反应可逆。同位素标记得知,水是由 羧酸的 OH和 醇的 H形成的:
R O H
O
CH
3
O H
O
R O
O
O R ' R '
H O C H
2
C H
3
H
+
CH
3
O
O C H
2
C H
3
HC +
C +
C + H 2 O
浓 硫 酸
18
C
18
+ H 2 O
平衡反应,提高产率方法,1.便宜的酸或醇过量;
2.油水分离器,苯和水为共沸混合物,蒸去水。
R O H
O
H
+
R O H
O H+
R ' O H
R
O H
O H
+
O R '
H
R
O H
2
O H
+
O R '
R O R '
O H+
R O R '
O
H
+
C C,.
..
C
..
C
C C
H
2
O
慢快快
+
快快快慢快酯化反应的机理,
立体障碍越大,酯化反应越慢。
四.酰胺的生成:羧酸与氨反应生成羧酸的铵盐,铵盐加热失去一分子水成酰胺,若继续加热,可进一步失水成腈,腈水解又得到羧酸,为逆反应:
R O H
O
N H
3
R O N H
4
O
R N H
2
O
NR
R C N R N H
2
O
R O N H
4
O
C + C
H
2
O
C
H
2
O
C
+ H 2 O C
H
2
O
C
§ 12.6.3 碳基的还原反应:
羧基中的 C是最高氧化态,强还原剂才能将其还原为醇:
R O H
O
L i A l H
4
R C H
2
O H
CH
2
C H ( C H
2
)
4
C O O H L i A l H 4 CH
2
C H ( C H
2
)
4
C H
2
O H
C
+
干醚
H
2
O


83%
强还原剂氢化铝锂可将羧酸还原为醇,碳碳双键不受影响。
§ 12.6,4 脱羧反应:
羧酸的无水碱金属盐与碱石灰(氢氧化钠,氧化钠)共热,
从羧基脱去 CO2生成烃:
CH3-COONa + NaOH(CaO) → CH 4 + Na2CO3
α –碳上有强拉电子基的羧酸或羧酸盐加热易脱羧。
CCl3COOH → Cl3CH + CO2 ↓
CCl3COONa → Cl3CH + NaHCO3↓
CH3-COONaNaOH(CaO) →CH4+ Na2CO3
CH3-COONa+NaOH(CaO) →CH4+ Na2CO3C H 3 C
O
C H
2
C O O H C H
3
C
O
C H
3
+
C O
2
O
C O O H
C
2
H
5
O
C
2
H
5
+ C O
2
C H
3
C H
C O O H
C O O H
C H
3
C H
2
C O O H + C O
2
§ 12.6,5 二元羧酸的受热脱水
1、乙二酸和丙二酸受热,脱羧
C O O H
C O O H
C O
2 H C O O H
C O O H
C O O H
C O
2 C H 3 C O O H
+
+
2、丁二酸和戊二酸受热,分子内脱水
C H
2
C O O H
C H
2
C O O H
O
O
O
CH
2
C H
2
C O O H
C H
2
C O O H
O
O
O
+ H 2 O
+ H 2 O
所有 β位有羰基的羧酸加热,都会脱羧:
C H
C O O H
C O O H
R C O
2 R C H 2 C O O H
R C H
2
C O O H
O
C C O
2 R C H 3
O
C
+
+
3、己二酸,庚二酸在 Ba(OH)2存在下加热,脱水且脱羧
C H
2
C H
2
C O O H
C H
2
C H
2
C O O H
O
CH
2
C H
2
C H
2
C O O H
C H
2
C H
2
C O O H
O
+ H 2 O
+ H
2
O
§ 12.6,6 烃基上的反应:
一,α -卤代作用:脂肪羧酸中的 α-H和醛酮一样比较活泼,
在光照或红 磷的催化下,可以被卤素取代。如:
C H 3 C O O H C l 2 C l C H 2 C O O H C l 2 C H C O O H C l 3 C C O O H
C l 2 C l 2
+ 日光日光 日光一 氯 乙 酸 二氯 乙 酸 三 氯 乙 酸
α-氢被氯取代后,由于氯原子的吸电子效应,使得 O-H间电子云密度降低,酸性更强。故 α-卤代酸中卤原子数越多,酸性越强。
二.芳香环的取代反应:羧基是间位定位基,取代基进入间位:
C O O H
Br
C O O H
B r
2
F e B r
3
C O O H
+ C l
2
F e
加 热
C O O H
C l
/
§ 12.7 羟基 酸
C H
2
C O O HC H C O O HCH
3
O H
OH C H
2
C H
C H
2
C O O H
C O O H
OH
C H
C H
2
C O O H
C O O H
OH
OH
C H
C H
C O O H
C O O H
OH
C H C O O H
C H C O O H
C O O H
C H C O O H
OH C
乳酸 3- 羟基丙酸
β- 羟基酸2- 羟基丙酸羟基酸α-
苹果酸羟基丁二酸酒石酸
2,3 - 二羟基丁二酸柠檬酸
2- 羟基 - 1,2,3 - 丙三羧酸异柠檬酸
1- 羟基 - 1,2,3 - 丙三羧酸常用俗名,系统命名时:含羟基和羧基的最长碳链为主链,从离羟基最近的羧基开始编号,也可用 α,β,γ 等表示羟基的位置:
§ 12.7.1 酸性羟基的吸电子效应,羟基酸比相应的羧酸酸性强,诱导效应随距离增长而减弱,故羟基离羧基越远酸性越弱。
§ 12.7.2 脱水反应
α —羟基酸分子间失水成 交酯 ;
β —羟基酸分子内失水成 α,β —不饱和酸 ;
γ —羟基酸分子内失水成 内酯,
O H
C H O H OH
C HOH
R
R
O
O
C H O
C HO
O O
R
R
R C H C H
2
C O O H
O H
R C H C H C O O H
R C H C H
2
C O
O H
C H
2
O H
O
C H
2
C H
H
R
O
C
C C C
交酯
C
C
2
内酯
§ 12.7.3 α -羟基酸的分解
C H C O O HR
O H
H 2 S O 4
R C H O H C O O H

+
O O O
On - C
5
H
1 1
茉 莉 内 酯 γ- 壬 内 酯 椰 子 醛内酯在自然界和生物体内广泛存在,并且有非常重要的作用: