第十五章羧酸、羧酸衍生物(一)
15 第十四章 羧酸衍生物
+ H O C R'
O 'R C
O 'R C NH2
+
OR'
30
用途：① 酰氯在吡啶存在下酸解可以制备单酐
O
O
例：Cl
CCl
+ Cl
C5H5N
COH
O Cl C 2 O
+
HCl
96%~98%
酰氯和羧酸盐反应可以制备混合酐：
O R C Cl
O O
+
R'COONa
R C O C R'
O R O R'
13
碱性水解： BAc2：碱性双分子酰氧断裂
O R
O R C 'RO OH
OR'
+
OH
慢
R
O C 'RO OH
快
R
O
+
OH
OR'
O
+
R OH
OR'
快
O
+
R O
HOR'
注意：酯的碱性水解是不可逆的；碱既是催化剂又是试剂。
14
酸性水解：
AAc2：酸性双分子酰氧断裂
O
+
R OR'
OH R
OH R C OR' OH2
H
快
OH R OR'
OH R C OR' OH2
+ H2O
慢
OR'
快
R OH
C OR' + OH
H
15
OH R C OR' OH
兰州大学化学化工学院有机化学课件 第15章 羧酸衍生物 酰基的亲核取代和酯缩合反应
NH O
KOH 酸碱反应
N -K+ + H2O O
丁二酰亚胺
丁二酰亚胺 钾盐
15.6 羧酸衍生物与有机金属化合物的反应
O RCW + R'MgX OMgX
R'MgX
OMgX R C W R' OH
H2O -WM gX
O RCR'
R C R' R'
R C R' R'
例1:
MgX + CH3O O O O H2O
CH3COCCH3 + HCOH
O O CH3COCCH3
O 2C6H5COH
O O O C6H5COCC6H5 + 2 CH3COH
15.5 羧酸衍生物的氨解反应
O CH3CW + NH3 O CH3CNH2 + HW
(1) 反应只能碱催化，不能酸催化。 (2) 3o胺不能发生氨解反应。
O O CH3CCl + (C2H5)3N O CH3CN(C2H5)3ClROH
+
OH C(CH3)3
CH3C O18
CH3CO18OH + (CH3)3C+
H2O
(CH3)3COH + H
+
(CH3)C 3COH2
+
关 键 中 间 体
通过同位素跟踪可以证明上述反应机制
6. AAc1酸性水解
具体实例:
CH3 H3C O C OCH3 + H+ CH3 H3C CH3 O C OH + CH3OH CH3
3. 酸性水解（AAc2）
O CH3CO C2H5 + H2O
有机化学-羧酸及其衍生物
O CH3OC
O
H+
COCH3 + 2HOCH2CH2OH -2CH3OH
酯交换
O
O
O HOCH2CH2 OC
O
CH3OC
COCH3
COCH2CH2OH
HOCH2CH2OH
酯交换
O
O
C
C OCH2CH2O n n=80100
( 涤纶 )
16
4、酰胺的反应
酰胺的反应活性更小，需在酸或碱催化下长时间
加热回流才能水解
O
或 其它试剂
R CH
醛
水解反应 醇解反应 胺解反应
还原反应
11
1、酰氯的取代反应
H—OH O
R—C—Cl + H—OR'
H—NH2
O
R—C—OH O
HCl 水解
R—C—OR' + HCl 醇解
O
R—C—NH2 NH4Cl 氨解
(酰氯活性大是个优良的酰基化试剂)
O CH3CCl + CH3CH2CH2OH
RCH2
O CX
O
O
RCH2 C O C R
O RCH2 C OR'CH C
H
有弱酸性
可加成至 饱和
L
可被亲核 试剂取代
L: 离去基团 (Leaving group)
9
一、羧酸衍生物的取代反应
这类反应是羧酸衍生物与羧酸、以及羧酸衍生物 之间的相互转化。
O RCL
HOH
R C OH
RCOOH
OO
O
RC O C R HOR'
R C OR' RCOOH
羧酸及衍生物
H HOOC
H
chrysanthemic acid (pyrethrin)
二、物理性质（physical properities）
沸 点：
CH3CH2CH2OH CH 3CO OH
2OH
HCOO H
+ H2O
COOH 230℃ COOH
丁二 酸 酐 二 丁 CO 酸 酐 O
KMnO4 H2SO4
O
COOH COOH
P2O5
O
O + H2OFra bibliotek⑷ 酰卤 (acyl halide)的生成：
O R C O OH + Cl S Cl 亚硫酰氯 氯化亚砜 O
R
C
Cl + HCl + SO2
卤化试剂：PCl3, PCl5, SOCl2, PBr3
COOH
A-CH2-COOH
加热 ，碱
CH
ACH3 + CO2
在结构上，两个吸电子基连在同一个碳上的 化合物，热力学上是不稳定的，受热易脱羧。
HOOCCH2COOH
CH3COOH + CO2
当-碳上连有吸电子基团时，羧酸受热易发生脱 羧反应。
O O CH3 C C O H
-CO2
O CH3 C H
合成题：
COOH CH2Br
解：
COOH 1).LiAlH4 2).H3O+
HBr CH2Br
CH2OH
4. 脱羧反应（decarboxylation）
—羧酸失去羧基的反应，即脱去一分子CO2。
兰州大学化学化工学院有机化学课件 第15章 羧酸衍生物 酰基的亲核取代和酯缩合反应
15.1 酰基亲核取代反应活性及机理 15.2 羧酸衍生物的水解反应 15.3 羧酸衍生物的醇解反应 15.4 羧酸衍生物的酸解反应 15.5 羧酸衍生物的氨解反应 15.6 羧酸衍生物与有机金属化合物的反应 15.7 羧酸衍生物的还原反应 15.8 羧酸衍生物的制备 15.9 克莱森（Claisen）缩合反应 15.10 羧酸衍生物的光谱性质
H Nu R
OH C Nu W
RCW
-W -
H -H+
O RCNu
RCNu
这是一个可逆反应，要使反应向右方进行，其条件是： （1）羰基的活性 O O
RCW > RCNu
（2）离去基团的活性：W - > Nu （3）改变影响平衡移动的其它因素。
羧酸衍生物的活性比较
O O O O RCH2CH O RCH2CR' O RCH2COR' O RCH2CNH2
注意：3oROH的水解用新的机理来解释（AAl1）。
5. 3o醇酯的酸性水解历程（AAl1）
反应式
O CH3CO18-C(CH3)3 + H2O
O 反 H+ CH3C O18 C(CH3)3 应 OH 机 SN1 CH3C+ O18 C(CH3)3 理
H+
CH3CO18OH + (CH3)3C-OH
LiAlH4
加成
+ RCH=NR2
LiAlH4
RCH2NR2 (叔胺)
4. 酯的还原
(1) 酯的单分子还原：鲍维特-勃朗克(Bouveault-Blanc)还原。 定义：用金属钠和无水乙醇将酯还原成一级醇
的反应称为鲍维特-勃朗克还原。
有机化学——羧酸衍生物
CH 3COCC H 3
O CH 3COC 2H 5 + H 2O O CH 3COH + C 2H 5OH
HCl
O
CH 3 COH
}
}
室温
加热 长时间回流
O CH 3CNH 2
CH 3 C N
NH3 NH3
请同学考虑：
反应是否需要催化剂？需要什么催化剂？为什么？
亚硝酸在酰胺制酸中的作用
CH 3C SN1
O
18
C(CH 3)3
CH 3CO 18OH
关键 中间 体
(CH 3)3COH + H
+
(CH 3)C 3COH 2
+
通过同位素跟踪可以证明上述反应机制
*5 酯水解的应用
A 制备羧酸和醇 B 测定酯的结构
CH 2OOCR CHOOCR' CH 2OOCR'' NaOH H+ CH 2OH CHOH CH 2OH + RCOOH R'COOH R''COOH
RCW
-W -
-H + RCNu
OH
O RCNu
O O
这是一个可逆反应，要使反应向右方进行，其条件是： （1）羰基的活性
RCW > RCNu
（2）离去基团的活性
W -> Nu -
（3）改变影响平衡移 动的其它因素。
二 羧酸及其衍生物的转换关系概貌
芳烃 氧化 酸酐
羧酸
酰卤 RX + NaCN
H2O
酸酐 酯 酯 酰胺
*2. 酸性水解
O CH 3CO 18C 2H 5 + H 2O
羧酸及其衍生物
羧酸及其衍生物羧酸及其衍生物Ⅰ 目的要求羧酸是含有羧基(―COOH)的含氧有机化合物，我们平常所说的有机酸就是指的这类化合物。
所谓羧酸衍生物，包括的化合物种类很多，诸如羧酸盐类、酰卤类、酯类(包括内酯、交酯、聚酯等)、酸酐类、酰胺类(包括酰亚胺、内酰胺)等都是羧酸衍生物，有人甚至把腈类也包括在羧酸衍生物的范围之内。
其实，比较常见的而又比较重要的是酰卤、酸酐、酯和酰胺这四类化合物。
羧酸盐与一般无机酸盐在键价类型上没大区别，不作专门介绍。
至于腈类，将放在含氮化合物中加以介绍。
这四类化合物都是羧酸分子中，因酰基转移而产生的衍生物，所以又叫羧酸的酰基衍生物。
羧酸及其衍生物RCOL(L：－OH、－X、－OOCR′、－OR′、－NH2)在许多重要天然产物的构成以及在生物代谢过程中均占有重要地位。
本章将以饱和一元脂肪酸为重点，讨论羧酸及其衍生物的结构和性质。
鉴于乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯在有机合成上的重要地位，本章作概括介绍。
希望学生在此基础上，探讨设计合成路线的一般方法。
本章学习的具体要求1、掌握羧酸的结构与性质之间的关系。
2、掌握羧酸衍生物的主要化学性质。
3、了解羧酸衍生物的亲核取代反应机理。
4、掌握羧酸与羧酸衍生物之间相互转变条件。
5、了解卤代酸、羟基酸的特性。
6、掌握乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯的制法、性质和在有机合成上的应用。
这也是本章的重点之一。
Ⅱ 学习提要(一)羧酸一、概述羧酸往往有俗名，希望学生有所了解，尽可能记忆一些，脂肪酸的系统命名原则和醛相β α同。
γCH3－CH－CH2－COOH2 14 3 OH 芳香酸命名是把芳环视作取代基。
76羧酸的沸点比分子量相近的其它有机物高，这是由于羧酸能以氢键缔合。
同时，即使在气态时，羧酸也是双分子缔合的，所以羧酸的沸点比分子量相近的醇还要高。
二、羧酸结构和化学性质亲核取代O 还原R－C－C－O－H α-H反应H 脱羧酸性1、酸性?E O O O +?R－C H + R－C R－C E EO－H O OO O NaOH/Na2CO3/ NaHCO3H2O + R－C E R－C EH+ O－Na O－H应用：①鉴别：与酚不同，与非酸性物质不同。
羧酸衍生物-有机化学
/
HCl
水解反应的活性次序是： 酰卤 > 酸酐 > 酯 > 酰胺 [提示]
羧酸衍生物易水解，在使用和保存含有该类结构 的药物时应注意防止水解失效。某些易水解的药物， 如含有酰胺结构的氨苄西林钠注射剂，都是在临用 时再加水配成注射液。许多酯类和酰胺类药物在一 定的pH范围内较稳定，配成水溶液时，必须控制溶 液的pH。羧酸衍生物类药物的注射剂消毒灭菌时， 应注意控制温度和时间。
酮式
O H
烯醇式
O
CH3 C CH C OC2H5
★ 凡是具有 H-C-C=O 基本结构的化合物都可能 发生酮式-烯醇式互变异构现象。 ★互变异构现象在其它化合物中也常见。 例如：
H O C N OH C N
S H C N
SH C N
第十章
羧酸衍生物
（carboxylic acid derivatives） 指羧酸分子中的羟基被其他原子或基 团取代后所生成的化合物。 包括 酰卤(acylhalide) 酸酐(anhydride) 酯(ester) 酰胺（amide）等，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
它们的结构通式如下：
O R C O O R C OH R C O R C O R C NH2
CH3 C Cl ＋ H2O
O
O
CH3 C OH ＋ HCl↑
加热
CH3 CH3
C O C O ＋ H2O 2 CH3COOH
加热 酸碱 加热 回流
O R C OR ＋ H2O
O R C NH2 ＋ H2O
NaOH
/
O
NaOH
R C ONa ＋ ROH
O R C O R C ONa ＋ NH3↑ OH ＋ NH4Cl
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第十五章羧酸、羧酸衍生物（一）一、羧酸[教学目的]：1、熟悉羧酸的命名和分类2、掌握羧酸的物理性质和化学性质[教学重点和难点]：酸的化学性质羧酸衍生物的生成脱羧反应羧酸的酸性[课堂组织]：羧酸（carboxylic acids）的官能团是羧基（carboxyl group），，简写为-COOH 或-CO2H。
羧酸结构中最简单的是一元羧酸，其它羧酸的结构与其相似。
一元羧酸的通式为RCO2H，其中R为氢或烃基。
两分子羧酸容易通过氢键缔合成二缔合体：在固态、液态和中等压力的气态下一元羧酸主要以二缔合体的形式存在，在稀溶液中或高温蒸汽中二缔合体离解。
一元羧酸二缔合体用物理方法测定的键长、键角平均值为：C=O 123pm，∠OCO 122-123°，C-O 136pm，O-H…O 260-270pm在甲酸（）分子中，所有的原子在同一平面内。
可以认为羧基碳原子为杂化。
一元羧酸的分子轨道模型见图（a）羧酸在水溶液中电离成羧酸根负离子：羧酸根中两个C-O键是等同的，其键长在126pm左右（用羧酸盐测定）。
因此，在羧酸根中羧基碳原子P电子和两个氧原子上的p电子是共轭的，可用共振式表示：羧酸根中的负电荷平均分配在两个氧原子上。
羧酸根的分子轨道模型见图（b）。
羧酸分子中羟基氧原子上的孤电子对也与羰基上的电子共轭，其结构可用共振式表示：几个经典结构式中正负电荷分离的能量较高，在共振杂化体中的贡献较小。
羧酸分子中碳-氧双键的键长与醛酮分子中的碳-氧双键相近。
15．1羧酸15．1．1命名根据羧酸分子中所含羧基的数目可分为一元羧酸（monocarboxylic acids）、二元羧酸（dicarboxylic acids）等；根据烃基的结构不同，又可分为饱和羧酸、不饱和羧酸或芳香酸；根据不饱和羧酸中不饱和键与羧基的位置不同，又可分为共轭羧酸和非共轭羧酸等。
在系统命名法中含碳链的羧酸是以含羧基的最长碳链为主链，从羧基碳原子开始进行编号，根据主链上碳原子的数目称为某酸，以此作为母体，然后在母体名称的前面加上取代基的名称和位置。
例如：含碳环的羧酸则是将环作为取代基命名。
例如：许多羧酸存在于天然产物中，因此，还有历史上流传下来的反映其来源的习惯名。
例如：甲酸、乙酸和苯甲酸又分别称为蚁酸、醋酸和安息酸。
在习惯名中，支链羧酸的碳链是从与羧基相邻的碳原子开始，依次用希腊字母α,β,γ,δ……等进行编号。
例如：二元酸则依据连接两个羧基碳链的长度称为某二酸，取代基应让其编号尽可能小，例如：按羧基的数目分按烷基的结构分按羟基的位置分15．1．2物理性质低级脂肪酸是液体，可溶于水，具有刺鼻的气味；中级脂肪酸也是液体，部分地溶于水，具有难闻的气味；高级脂肪酸是蜡状固体，无味，不溶于水。
芳香酸是结晶固体，在水中溶解度不大。
羧酸的沸点比分子量相当的烷烃、卤代烃的沸点要高，甚至比相近分子量的醇的沸点还高，这是因为羧酸中羰基氧的电负性较强，使电子偏移氧，可以接近质子，形成二缔合体：二缔合体有较高的稳定性。
在固态及液态时，羧酸以二缔合的形式存在，甚至在气态，分子量较小的羧酸如甲酸、乙酸亦以二缔合体存在，这些均已通过冰点降低法测定了分子量以及从X光衍射得到证明。
所有二元酸都是结晶化合物，低级的溶于水，随分子量增加，在水中的溶解度减少，在脂肪二元酸系列中有这样一个规律，单数碳原子的二元酸比少一个碳的双数碳原子的二元酸溶解度大，熔点低。
15．1．3化学性质羧酸是由羟基和羰基组成的，羧基是羧酸的官能团，因此要讨论羧酸的性质，必须先剖析羧基的结构。
故羧基的结构为一 P-π共轭体系。
当羧基电离成负离子后，氧原子上带一个负电荷，更有利于共轭，故羧酸易离解成负离子。
例如：由于共轭作用，使得羧基不是羰基和羟基的简单加合，所以羧基中既不存在典型的羰基，也不存在着典型的羟基，而是两者互相影响的统一体。
羧酸的性质可从结构上预测，有以下几类： 1、酸性羧酸具有弱酸性，在水溶液中存在着如下平衡：乙酸的离解常数K a 为1.75×10-5 甲酸的K a =2.1×10-4 , p Ka =3.75其他一元酸的K a 在1.1~1.8×10-5之间, p Ka 在4.7~5之间。
可见羧酸的酸性小于无机酸而大于碳酸（H 2CO 3 p Ka1=6.73）。
C形式上看羧基是由一个 和一个 组成实质上并非两者的简单组合OHO H 醛酮中醇中键长键长（甲酸）电子衍射实验证明0.122nm 0.143nm0.1245nm0.1312nm R sp 2共轭体系P-πR C O OH R C O O RH C O OH H H 0.127nmR C H 羟基被取代的反应的反应αH 羟基断裂呈酸性RCOOHRCOO + H +故羧酸能与碱作用成盐，也可分解碳酸盐。
此性质可用于醇、酚、酸的鉴别和分离，不溶于水的羧酸既溶于NaOH 也溶于NaHCO 3，不溶于水的酚能溶于NaOH 不溶于NaHCO 3，不溶于水的醇既不溶于NaOH 也溶于NaHCO 3。
RCOOH + NH 4OH RCOONH 4 + H 2O高级脂肪酸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。
2．羧基中羟基的取代反应羧基上的OH 原子团可被一系列原子或原子团取代生成羧酸的衍生物。
羧酸分子中消去OH 基后的剩下的部分（）称为酰基。
（1）酸酐的生成酸酐在脱水剂作用下加热，脱水生成酸酐。
因乙酐能较迅速的与水反应，且价格便宜，生成的乙酸有易除去，因此，常用乙酐作为制备酸酐的脱水剂。
1,4和1,5二元酸不需要任何脱水剂，加热就能脱手生成环状（五元或六元）酸酐。
例如：RCOOH + NaOHRCOONa + H 2ORCOOH + Na 2CO 32O NaHCO 3RCOOH用于区别酸和其它化合物2O C R'O 酯酰胺酰卤酸酐R O R C O OH+R C O OH R C OO C R O + H 2O 2COOH + (CH 3CO)2O CO ( )2O + CH 3COOH乙酐（脱水剂）C C O OHO OH 150℃CC O O + H 2O COOH COOHC C OO℃顺丁烯二酸酐95%邻苯二甲酸酐~100%+ H 2OH 2CCH 2CH 2COOH COOHH 2CCH 2CH 2C CO O O℃戊二酸酐+ H 2O（2）酰卤的生成羧酸与PX 3、PX 5、SOCl 2作用则生成酰卤。
见P 364三种方法中，方法3的产物纯、易分离，因而产率高。
是一种合成酰卤的好方法。
例如：m-NO 2C 6H 4COOH + SOCl 2 m-NO 2C 6H 4COCl + SO 2 + HCl90% CH 3COOH + SOCl 2 CH 3COCl + SO 2 + HCl100%（3）酯的生成a 、酯化反应是可逆反应，Kc ≈4，一般只有2/3的转化率。
提高酯化率的方法：a 增加反应物的浓度（一般是加过量的醇） b 移走低沸点的酯或水 b 、酯化反应的活性次序：酸相同时 CH 3OH > RCH 2OH > R 2CHOH > R 3COH醇相同时 HCOOH > CH 3COOH > RCH 2COOH > R 2CHCOOH > R 3CCOOHc 、成酯方式ⅠⅡ 验证：H 2O 中无O 18，说明反应为酰氧断裂。
d 、酯化反应历程1°、2°醇为酰氧断裂历程，3°醇（叔醇）为烷氧断裂历程。
（5） 羧酸与醇的结构对酯化速度的影响：对酸：HCOOH > 1°RCOOH > 2°RCOOH > 3°RCOOH 对醇：1°ROH > 2°ROH > 3°ROH （6）酰胺的生成在羧酸中通入氨气或加入碳酸铵，可得到羧酸铵盐，铵盐热解失水而生成酰胺。
Δ3．还原羧酸中的羰基在烃基的影响下，其活性降低，在一般情况下不起醛酮中羰基所特有的加成反应，醛酮中的羰基容易被还原，而羧酸只能用还原能力特别强的试剂还原。
羧酸与氢化铝锂在乙醚中迅速反应，生成伯醇，产率较高。
RCOOH +R'OH RCOOR' + H 2OHR O O R'HH 2O R C O O R'+R C O H H 2OR O OR'+酰氧断裂烷氧断裂R C O H O H O R'H H 2OR C O O R'++1818CH 3COOH + NH 3CH 3COONH 4CH 3CONH 2 + H 2O Δ硼氢化钠不能使羧基还原成伯醇基，但甲硼烷在四氢呋喃溶液中和室温下能使羧酸还原为伯醇，而分子中同时存在的酯基则不还原。
4．烃基上的反应 （1）α-卤代作用醛酮分子中的α-氢容易被溴取代，反应是通过烯醇式进行的。
而羧酸的烯醇式含量极少，难以进行在醛、酮中类似的反应过程，但在羧酸中加以少量三氯α 控制条件，反应可停留在一取代阶段。
例如：α-卤代酸很活泼，常用来制备α-羟基酸和α-氨基酸。
（2）芳香环的取代反应 羟基属于间位定位基，所以芳香羧酸在进行苯环上的亲电取代反应时，取代基应主要进入羧基的间位。
如：COOH23COOHBr二、羧酸衍生物[教学目的]：掌握衍生物的性质及互变构现象，掌握取代酸的性质。
[教学重点和难点]：羧酸衍生物的性质酯缩合反应 乙酰乙酸乙酯的互变异构 [课堂组织]：15．2羧酸的衍生物酰氯、酸酐、酯和酰胺都是羧酸分子中的羟基被不同的集团取代的产物，统称为羧酸的衍生物。
它们在化学性质上有很多的相似之处。
酯、酰氯、酸酐和酰胺分子中都含有羰基，可用通式表示为：日光日光 日光 CH 3COOH 2ClCH 2COOH Cl 23CCOOH+CH 3CH 2CH 2CH 2COOH + Br 2CH 3CH 2CH 2CHCOOH + HBr 2℃80%L 中与羰基碳原子直接相连的原子（O ，N ，Cl ）上都有孤电子对，它与羰基上的π电子共轭，因此，羧酸衍生物的结构最好用共振式表示。
电荷分离的经典结构式在共振杂化体中的贡献大小，与L 的性质有关。
在酯、酰氯、酸酐和酰胺分子中，与羰基碳原子直接相连的三个原子和碳原子在同一平面内。
15．2．1命名酰卤和酰胺根据酰基称为某酰某。
酸酐的命名是在相应羧酸的名称之后加一“酐”字。
例如：酯的命名是根据形成它的酸和醇称为某酸某酯。
例如：15．2．2物理性质最简单的酰氯为乙酰氯，沸点：52℃，甲酰氯在-60℃以上是不稳定的，立即分解为一氧化碳和氯化氢，但甲酰氯是已知化合物，其沸点为 -26℃。