12羧酸及其衍生物

（CarboxylicAcidsand

theirDerivatives）有機化學返回12羧酸及其衍生物12.1羧酸12.2羧酸衍生物返回12.1羧酸12.1.1羧酸的構造和命名(自學)12.1.2羧酸的物理性質12.1.3羧酸的化學性質12.1.4羥基酸的化學性質返回

羧酸是分子中含有官能團的化合物，通常把這個官能團寫作-COOH，稱為羧基。除甲酸外，羧酸可以看成是烴的羧基衍生物，它的通式為R-COOH。12.1.1羧酸的構造和命名（1）羧酸的構造返回π鍵p、π共軛孤對電子p、π共軛體系返回甲酸的結構Representativebondlengthsinketones,alcoholsandformicacid:C=O121pmC-O143pmLone-pairdonationfromthehydroxyloxygenmakethecarbonylgrouplesselectrophilicthanthatofanaldehydeorketone.（2）羧酸的命名12.1.1羧酸的構造、分類和命名

許多羧酸有俗名，主要是根據其來源命名的。例：

HCOOH蟻酸（甲酸）

CH3COOH醋酸（乙酸）還有草酸、蘋果酸和檸檬酸等。返回

羧酸系統命名法是選擇分子中含羧基的最長碳鏈為主鏈，根據主鏈上碳原子數目稱為某酸。主鏈上碳原子的編號從羧基的碳原子開始，用阿拉伯數字表示（也可以用希臘字母表示，即與羧基直接相連的碳原子為α，其余依次為β、γ……等）。（2）羧酸的命名返回例如：4-甲基己酸或（γ-甲基己酸）返回

脂肪族二元羧酸的命名，是選擇分子中含有兩個羧基的最長碳鏈為主鏈，稱為某二酸。例如：

HOOC-COOH

乙二酸（草酸）HOOC-CH=CH-COOH

丁烯二酸（2）羧酸的命名返回

芳香族羧酸和脂環族羧酸可作為脂肪酸的芳基或脂環基的取代物來命名。例如：苯甲酸benzenecarboxylicacidBenzoicacidα-萘乙酸鄰苯二甲酸1,2-benzenedicarboxylicacidphthalicacid（2）羧酸的命名返回3-苯丙烯酸（β-苯丙烯酸，肉桂酸cinnamicacid）環戊基乙酸返回12.1.2羧酸的物理性質

在室溫下10個碳原子以下的飽和一元羧酸是液體。4～9個碳原子的脂肪酸具有腐敗惡臭、動物的汗液和奶油發酸變壞的氣味。10個碳原子以上的羧酸為石蠟狀固體，揮發性很低，無氣味。

飽和一元羧酸的沸點比相對分子質量相似的醇還要高(最高嗎？)。飽和一元羧酸的熔點隨分子中碳原子數目的增加呈鋸齒狀的變化。

4個碳原子以下的脂肪酸易溶于水，但隨分子量的增高而降低。返回甲酸與水通過氫鍵締合在固態和液態，羧酸主要以二聚體形式存在。低級的羧酸，在氣相時仍以雙分子締合狀態存在。上頁下頁退出返回12.1.3羧酸的化學性質羧酸的主要反應部位：返回（1）酸性（2）羧酸衍生物的生成（3）羧酸的還原（4）脫羧反應（5）羧酸α-氫原子的鹵代反應羧酸在水中有如下平衡：羧酸的酸度強弱，用離解常數Ka表示：

一般羧酸的Ka約在10-4～10-5之間，pKa值在3.5～5之間(pKa=-lgKa)，屬于弱酸。大多數羧酸的酸性比碳酸(pKa=6.5)的酸性強。（1）酸性返回羧酸根負離子的結構兩個碳氧鍵的鍵長相等，為0.127nm0.120nm0.134nm返回結構相同的極限共振式，因此負離子能量低，特別穩定，H易于解離。pKa取代基團對酸性的影響返回pKapKa取代基團對酸性的影響返回芳香酸：間位取代只考慮誘導效應，鄰位和對位取代同時考慮共軛效應和誘導效應。

取代基團對酸性的影響CH3CO2H,4.76pKa4.202.98取代基團對酸性的影響形成分子內氫鍵，有利于羧酸負離子穩定，酸性增加.返回成鹽及有關反應

應用：利用羧酸和其鹽在水中溶解性的不同，羧酸鹽的水溶性很好?？蓪⑵渑c其它一些有機化合物分離提純。羧酸鹽與鹵代烷反應可以合成酯(SN2)

（1）酸性（2）羧酸衍生物的生成

羧酸分別與鹵化磷、羧酸、醇和氨等試劑作用，可使羧基中的羥基分別被鹵素（-X）、酰氧基、烷氧基（-OR）及氨基（-NH2）取代而生成酰鹵、酸酐、酯和酰胺等羧酸衍生物。

分子中的稱為?；?Acyl)。返回或SOCl2酸催化的?；磻獧C理(以酯的形成為例)：雙分子歷程單分子歷程少量空阻大的羧酸按此酰基正離子機理進行常見的機理：加成－消除機理3oROH按此反應機理進行酯化。由于R3C+易與親核性較強的水結合，不易與羧酸結合，故逆向反應比正向反應易進行。所以3oROH的酯化反應產率很低。

另一種單分子歷程：碳正離子機理屬于SN1機理(CH3)3C-OHH+(CH3)3COH2+-H2O-H+（3）羧酸的還原

羧基中的碳在有機化合物中處于最高氧化態，還原較困難。在通常情況下，不易被催化氫化法所還原，但可以被特別強的還原劑如氫化鋁鋰或乙硼烷還原成伯醇。分子中的雙鍵不受影響返回NaBH4不能還原羧酸。（4）脫羧反應

羧酸分子中脫去羧基而放出二氧化碳的反應稱為脫羧反應。如羧酸鹽脫羧，需要比較高的溫度：

返回-碳上帶有吸電子基團的一元羧酸易脫羧。丙二酸型化合物的脫羧

原因：除基團Y的吸電子作用；還可以經環狀過渡態機制脫羧.（5）α-氫原子的鹵代反應

飽和一元酸α-碳上的氫原子有一定的活潑性，在一定條件下可被鹵素取代(Hell-Volhard-Zelinsky反應,HVZ反應)。返回離子型-鹵代反應。可以用來制備-羥基酸或-氨基酸，或制備-鹵代酸酯。催化劑的作用是將羧酸轉化為酰鹵，酰鹵的α-H具有較高的活性而易于轉變為烯醇式，從而使鹵化反應發生。所以用10%~30%的乙酰氯或乙酸酐同樣可以起催化作用。

控制鹵素用量可得一元或多元鹵代酸。碘代酸由α-氯（或溴）代酸與KI反應來制備。反應機理(*)RCH2COOHPBr3互變異構+Br--HBrRCH2COOH這步反應不會逆轉(1)酸性(2)脫水反應(3)分解脫羧反應12.1.4羥基酸的化學性質（*)（1）酸性pKapKa返回乳酸（2）脫水反應-羥基酸分子間脫水生成交酯交酯返回β-羥基酸分子內脫水生成α,β-不飽和酸返回γ-和δ-羥基酸γ–丁內酯(-lactone)δ–戊內酯(δ-lactone)返回重要的大環內酯

羥基和羧基相隔五個或五個以上碳原子的羥基酸，受熱后發生分子間的酯化脫水生成鏈狀結構的聚酯。m返回（3）分解脫羧反應返回-羥基酸在合成上可用來使碳鏈縮短，制備少一個碳的高級醛。R＞C10返回β-羥基酸用堿性高錳酸鉀氧化后，分解生成酮。β返回先氧化，后脫羧。-羥基酸12.2羧酸衍生物12.2.1羧酸衍生物的構造和命名(自學)12.2.2羧酸衍生物的物理性質12.2.3羧酸衍生物的化學性質返回Naturallyoccurringcarboxylicacidderivatives酰鹵和酰胺常根據相應的?；鶃砻?2.2.1羧酸衍生物的構造和命名(自學)返回酰胺分子中氮原子上的氫原子被烴基取代后生成的取代酰胺，稱為N-烴基“某”酰胺；返回N-甲基乙酰胺N,N-二甲基甲酰胺

含有酰胺基的環狀結構的酰胺，稱為內酰胺(與內酯比較)。-lactam酯常根據相應的羧酸和醇來命名，“醇”字可省略，叫“某酸某酯”。對于多元醇的酯，一般把“酸”名放在后面，稱為“某醇某酸酯”。返回12.2.2羧酸衍生物的物理性質酰鹵和酸酐都是對粘膜有刺激性的物質。而大多數酯卻有令人愉快的香味，自然界中許多花和果的香味就是由酯引起的。大部分酰胺是固體，沒有氣味。酰氯、酸酐和酯的沸點比相對分子質量相近的羧酸要低得多，而酰胺的沸點卻比相應羧酸要高得多。原因是由于有氫鍵的締合。返回12.2.3羧酸衍生物的化學性質

結構特點：酰鹵、酸酐、酯和酰胺的分子都具有?；?，而且酰基都直接與帶有未共用電子對的原子或基團相連，分子中存在p-π共軛效應。返回（1）親核加成-消除反應（2）羧酸衍生物的還原（3）酯縮合反應（4）酰胺的特殊反應（5）-二羰基化合物的反應水解醇解氨解與格氏試劑的反應12.2.3羧酸衍生物的化學性質返回親核加成消除反應離去基團返回親核加成-消除反應機理增強羰基碳的正電性，有利于親核試劑的進攻。羰基碳上連接的基團過于龐大，在四面體結構中就顯得空間擁擠而不利于反應的進行。親核試劑的親核性強，對反應有利。返回弱親核試劑質子化可增強羰基碳的正電性，有利于親核試劑的進攻。酸催化可提高反應速度。返回強親核試劑容易進攻羰基碳原子堿催化可提高反應速度，并可使反應進行完全。返回離去基團越易離去，反應容易進行。離去基團的離去性順序：

Cl->RCOO->RO->NH2-返回HCl>RCOOH>ROH(H2O)>NH3①水解

酰氯、酸酐、酯和酰胺都可以與水作用生成相應的羧酸：反應劇烈熱水中水解酸or堿催化酸堿催化并加熱，長時間反應返回水解反應進行的難易次序是：

酰氯>酸酐>酯>酰胺酯在酸催化下的水解是酯化反應的逆反應，水解不完全。酯在堿性溶液中水解，反應中生成的酸立即和堿作用生成鹽而從平衡體系中除去，使水解能進行到底(皂化)。酰胺在酸性溶液中水解，得到羧酸和銨鹽，在堿作用下水解時，得到羧酸的鹽并放出氨氣。返回酯在堿催化下的水解稱皂化反應油脂高級脂肪酸鈉鹽具有表面活性作用，為肥皂的主要成分。返回②醇解酰氯、酸酐、酯和酰胺都可以與醇作用生成酯。返回

一些難以制備的酯可通過酰氯與醇(酚)的反應來合成。

酯的醇解稱酯交換反應，可從廉價的低級醇酯制備高級醇。白蠟高級醇③氨解酰鹵、酸酐和酯與氨作用都生成酰胺。返回

酰胺與胺作用是可逆反應，需用過量的胺才可得到N-烷基酰胺。一般來說，高活性羧酸衍生物可以通過親核加成取代反應直接轉化為較低活性的衍生物；酰鹵常用于制備酸酐、酯和酰胺；酸酐用于制備酯和酰胺；酯交換反應、酯與酰胺的相互轉化反應往往是可逆的，常采用移走產物的方法使平衡移動。羧酸是各種形式衍生物相互轉化的中心紐帶，酰鹵通過羧酸與二氯亞砜等作用得到，酸酐兩分子羧酸在脫水劑存在下加熱失水得到。

與格氏試劑反應的速度：

④與格氏試劑的反應＞酮（醛）＞酯＞酰胺酰氯酸酐返回總體上：羰基化合物的親核加成反應能力酰鹵>酸酐>醛和酮>酯≈酸>酰胺酰氯與格氏試劑作用可以得到酮或叔醇。酮叔醇返回酸酐與格氏試劑在低溫時作用也可以得到酮。酯與格氏試劑生成叔醇。返回

酰胺中含有活潑氫，能首先與格氏試劑反應，然后再發生親核加成得到叔醇，由于反應需要過量格氏試劑，并長時間回流，一般不用來進行合成。（2）羧酸衍生物的還原多數羧酸衍生物比羧酸容易還原。常用的還原方法有催化氫化，氫化鋁鋰及醇加金屬鈉等。返回①催化氫化還原

酰氯用活性較低的Pd/C為催化劑，可以還原為醛(Rosenmund還原)。這種條件下，分子中的C=C,NO2,C=O,鹵素均不受影響。

通常催化氫化條件下（H2,RaneyNi），酰氯和酸酐被還原為一級醇酯可以被催化氫化還原為一級醇。

酰胺不被催化氫化還原。返回②氫化鋰鋁還原酰胺被LiAlH4還原為（伯、仲和叔）胺，其它羧酸衍生物均被還原為一級醇。③金屬鈉和無水乙醇：酯的單分子還原(*)

用金屬鈉和無水乙醇將酯還原成一級醇的反應稱為Bouveault-Blanc還原。RCOOR1RCH2OH+R1OHNa-無水乙醇Bouveault-Blanc反應(布沃-布朗克反應，BB反應)反應機理（*)（3）酯縮合反應

在堿性試劑的存在下，酯分子中α-H為酯基所活化，與另一分子酯失去一分子醇得到β-酮酸酯，稱為酯縮合反應。β-酮酸酯返回

乙酸乙酯在金屬鈉或乙醇鈉的作用下，發生酯縮合反應，生成乙酰乙酸乙酯。此反應稱為克萊森(Claisen)縮合反應。乙酰乙酸乙酯,Ethylacetoacetate(Ethyl3-oxobutanoate)返回與Aldol反應的對比Claisen縮合反應機理Dieckmann縮合(分子內的酯縮合反應）①酸堿性羰基的吸電子誘導效應，以及p、π共軛效應，使氮原子上的電子云密度降低，減弱了它接受質子的能力，故堿性比氨弱。酰胺水溶液呈中性。N-H鍵的電子云向氮原子偏移，氫原子變得較為活潑。返回（4）酰胺的特殊性質

當氮原子同時連接兩個酰基生成酰亞胺時，化合物不僅沒有堿性，N-H反而表現出明顯的酸性，可與KOH或NaOH成鹽。丁二酰亞胺返回②脫水反應酰胺與強的脫水劑，如P2O5、SOCl2

等一起加熱，則脫水生成腈，這是制備腈的方法之一。（4）酰胺的特殊性質返回③Hofmann降級反應(Hofmanndegradation)

在堿性溶液中，酰胺與溴或氯作用，脫去羰基生成伯胺的反應。在有機合成中用于從酰胺制備減少一個碳原子的胺。（4）酰胺的特殊性質返回特點：重排反應，如果酰胺的-位是手性碳，反應后，其構型保持不變。異氰酸酯胺基甲酸?；舜?nitrene，氮烯)重排反應機理(*)(5)-二羰基化合物的反應

-二羰基化合物（1,3-二羰基化合物）由于具有活潑的亞甲基，而被稱為活潑亞甲基化合物，它們在堿的作用下，容易形成碳負離子（烯醇負離子），可以作為親核試劑進攻帶正電荷的碳，如鹵代烴、酰鹵或者羰基，發生C-C偶聯反應。1.以4個碳原子以下的有機物為原料合成2.從乙酸乙酯出發合成1.2.含多個活化基團時α氫的pKa值(在DMSO或環己胺中)

化合物pKaCH3NO2CH2(NO2)2CH(NO2)3

10.213.57強酸CH3COCH3CH2(COCH3)2CH(COCH3)3

2095.85CH3SO2CH3CH2(SO2CH3)2CH(SO2CH3)3

23140CH3CNCH2(CN)2CH(CN)32511.20CH3C6H5CH2(C6H5)2CH(C6H5)3

413431.51.與鹵代烴反應（活潑亞甲基化合物的烷基化）2.與酰鹵反應（活潑亞甲基化合物的?；└映Ｓ迷贜aOH的稀溶液中皂化，然后脫羧。乙酰乙酸乙酯先烷基化，再皂化脫羧，可以得到取代的丙酮（甲基某基酮）?！叭摇毕弱；僭砘擊龋梢缘玫狡渌?二羰基化合物。進一步的分解及在合成上的用途丙二酸二乙酯先烷基化，再分解，可以得到取代的乙酸。在NaOH的濃溶液中發生酯縮合的逆反應乙酰乙酸乙酯先烷基化，再在濃堿中分解，可以得到取代的乙酸，與丙二酸酯方法的產物類似，丙二酸酯法更為常用。3.與羰基的反應（Michanel加成）Knoevenagel縮合，也是-二羰基化合物與羰基的反應（加成＋消除）

3.與羰基的反應（Knoevenagel縮合）在弱堿催化下，醛酮與活潑亞甲基