《有机化学》第十一章 羧酸及其衍生物的结构与性质

第十一章羧酸及其衍生物的结构与性质
引言
羧基（）是羧酸的官能团，是由羰基和羟基组成的。

由于羰基的碳氧双键与羟基氧原子的共轭效应的作用，使羟基中氧原子电子向羰基转移，羟基的氢易离解而显酸性。

羧基中羟基也能被其它基团取代生成羧酸衍生物。

羧基是吸电子基，α－H具有活性，可以被卤代。

此外羧酸还能被还原和发生脱羧反应。

这里所讨论的羧酸衍生物主要是指羧基中羟基被取代后生成的酰卤（），酸酐
（），酯（），酰胺（）以及由酰胺脱水后生成的产物腈（）。

在羧酸衍生物中羰基与卤素，酰胺基，烷氧基和氨基相连，由于卤素，氧原子和氮原子的负电性以及孤对电子的作用，使羰基碳上正电性不同，因此它们发生亲核反应性质也有差别。

羧酸衍生物还能发生还原反应。

11.1 羧酸的酸性
羧酸是弱酸，能与强碱反应生成盐：
羧酸酸性的强弱与所连的基团有关，连吸电子基团的羧酸酸性较强，而连供电子基团的酸性相对较弱。

如下列化合物酸性强弱顺序为：
11.2 羧酸衍生物的生成
羧基中的羟基被卤素、酰胺基、烷氧基和氨基取代形成酰卤、酸酐、酯和酰胺等羧酸衍生物。

1、酰卤的形成
羧酸与SO2Cl，PCl5，PCl3等氯化剂直接反应生成酰卤：
因为POCl3沸点低易除去，此法可制备高沸点的酰氯。

H3PO3沸点高，可制备低沸点的酰氯。

该法产生的SO2，HCl易除去，因此生成的酰氯纯度高，后处理容易。

2、酸酐的形成
羧酸在脱水剂（如乙酰氯、乙酸酐）存在下加热，失去一分子水而生成酸酐。

二元酸可以分子内脱水生成二酸酐：
3、酯化反应
羧酸和醇在催化剂（H2SO4、HCl或苯磺酸等）作用下回流生成酯：
酯化反应由多种机理，在大多数情况下，是羧酸中羟基与醇中羟基氢结合生成水，表观上看是一种亲核取代反应，实际上是一个亲核加成－消除反应的机理：
决定反应速度的一步是亲核加成，因此羧基中碳的正电性以及羧基所连的基团大小核亲核试剂
R'OH中R'体积大小都影响反应的速度，下列羧酸与甲醇酯化反应的相对速度的快慢顺序为：
4、形成酰胺的反应
羧酸与氨立即反应生成盐，在加热条件下，脱水生成酰胺，生成酰胺的反应是可逆的，如果把生成的水从反应体系中除去，反应可趋于完全。

11.3 羧酸的α-H卤代反应
羧基中羟基未共用p电子对与羰基形成p-π共轭作用，降低了羰基的正电性，使羧基的吸电子性比醛酮中羰基要弱。

因此羧酸中α－H的活性比醛酮中α－H活性差，但在催化（红磷或卤化磷）作用下，α－H可以顺利被取代：
如果控制卤素用量，可得到一元卤代酸：
常用的氯代乙酸使在碘的催化作用下，乙酸与氯气作用产生的：
11.4 羧酸衍生物的亲核加成－取代反应
和醛酮一样，羧酸及其衍生物中羰基能发生亲核取代加成反应，所不同的是羧酸及其衍生物的加成产物中碳原子连由多个吸电子基团，容易继续反应消除一个吸电子基团，生成另一种羰基衍生物，从表观上看类似一种亲核取代反应。

可用下列通式表示：
该反应分两步进行的：
第一步是亲核加成反应，决定整个反应的速度。

在相同亲核试剂的情况下，羧酸衍生物亲核取代反应的速度取决于羰基碳的正电荷的高低，其中L基团的供电子共轭效应和吸电子诱导效应影响羰基碳的正电荷。

在
中，离去基团的供电子共轭效应强弱顺序为：
吸电子的诱导效应正好相反：
两种电子效应结果一致，因此L吸电子性的强弱顺序为：
所以羧酸衍生物的亲核反应的活性强弱顺序为：
亲核试剂Nuˉ通常指H2O、ROH和氨（胺），与此发生的反应也相应称为羧酸衍生物的水解、醇解、氨解。

碳负离子有强的亲核性，也常与羧酸衍生物发生亲核加成反应。

11.4.1 水解反应
酰氯水解最快，室温下，能与空气中水发生反应，形成酸雾（冒白烟），酸酐加热就能水解，酯需要酸碱作催化剂，加热条件可以水解，而酰胺则需要长时间加热回流。

在水解反应中，酯的水解反应应用广泛，其机理研究比较清楚，无论酸催化剂还是碱催化剂，其反应速度都与酸或碱有关。

酯基所连的取代基空间效应对水解速度影响较大
11.4.2 醇解反应
酰卤的醇解常用来制备用其它方法难制备的羧酸酯：
环状酸酐醇（或酚）解，可以得到二元酸的单酯：
酰卤、酸酐的醇解反应又称为醇的酰化反应。

酯的醇解称为酯交换反应，在有机合成中，常用低级醇酯通过酯交换反应，使低级醇蒸出来生成不易挥发醇的酯。

11.4.3 氨解反应
由于氨（胺）具有碱性，其亲核性比水强，故氨解反应比水解反应更容易进行，不需酸或碱的催化。

酰卤或酸酐与胺的反应又称胺的酰化反应.
酯的氨解为放热反应，为了避免分子中其它活泼基团受到影响，常需冷却法应混合物以缓和反应。

11.4.4 其它亲核加成反应
（1）与有机金属化合物的反应
酰卤、酸酐、酯均能与格氏试剂作用生成酮，酮易与格氏试剂进一步反应生成叔醇：
甲酸酯与格氏试剂作用，可得到对称的仲醇：
酯还能与有机锂反应，若空间位阻大，反应会停留在生成酮的阶段：
二烃基酮锂和有机镉与酮的反应速度较慢，活性最强的酰卤与有机镉反应制备酮，但酯、酰胺不发生反应：
（2）酯缩合反应
酯基是吸电子取代基，α－H具有活性，在碱性条件下，以质子形式离去，生成碳负离子，是强的亲核试剂，与另一分子酯发生亲核加成反应：
加成产物消除一个烷氧基，生成β－酮酯，该反应也称为Claisen缩合。

二元羧酸酯的缩合称为Dieckmann缩合。

11.5羧酸的脱羧反应
11.5.1 一元羧酸的脱羧反应
羧酸仲羧基比较稳定，在特殊条件下，和烃基含有取代基时，可发生脱羧反应，羧酸盐与碱石灰（NaOH+CaO）共热可脱羧：
长链脂肪酸的脱羧反应往往需要高温，且产率低。

当α－碳原子上有吸电子取代基时（如硝基、卤素、酰基和氰基等）容易脱羧：
羧酸的银盐与卤素在无水惰性溶剂仲回流，失去CO2，生成少一个碳原子的卤代烃，该反应称为Hunsdicker 反应。

羧酸与四醋酸铅与氯化锂反应，脱去CO2生成卤代烃，该反应称为Kochi反应。

11.5.2 二元羧酸的脱羧反应
二元羧酸对热稳定，加热或与脱水剂（乙酸酐、乙酰氯、五氯化二磷等）共热时，易发生脱羧或脱水反应。

乙二酸和丙二酸加热脱羧：
而丁二酸和戊二酸则发生脱水法应生成五元环和六元环的环状酸酐：
己二酸及庚二酸加热脱羧的同时脱水，生成五元环和六元环的环酮：
七个碳以上的二元酸，在高温时发生分子间脱水，生成高分子量的酸酐。

11.6 羧酸及衍生物的还原反应
羧酸很难用催化氢化法还原，但LiAlH4能顺利地将羧酸还原为伯醇：
LiAlH4是强还原剂，但不还原双键。

乙硼烷也可以将羧酸还原为一级醇。

乙硼烷也能还原双键，故反应物上存在的双键也会被还原。

羧酸衍生物比羧酸易被还原。

酰卤、酯、酸酐被还原生成伯醇，酰胺生成伯胺。

用降低了活性的钯催化剂（Pd/BaSO4）可选择性地氢化还原生成醛，此反应称为Rosemund反应。

用化学试剂和催化氢化均可使酯还原。