第九章 羧酸和取代羧酸
有机化学 第九章 羧酸及其衍生物取代酸

RCOOH..第九章 羧酸及其衍生物和取代酸(一COOH )官能团的化合物,一元饱和脂肪羧酸的通式为C n H 2n O 2 。
羧基中的羟基被其它原子或基团取代的产物称为羧酸衍生物(如酰卤、酸酐、酯、酰胺等),羧酸烃基上的氢原子被其他原子或基团取代的产物称为取代酸(如卤代酸、羟基酸、羰基酸、氨基酸等)。
羧酸是许多有机化合物氧化的最终产物,常以盐和酯的形式广泛存在于自然界,许多羧酸在生物体的代谢过程中起着重要作用。
羧酸对于人们的日常生活非常重要,也是重要的化工原料和有机合成中间体。
§9-1 羧酸一、羧酸的结构、分类和命名 1、羧酸的结构在羧酸分子中,羧基碳原子是sp 2杂化的,其未参与杂化的p 轨道与一个氧原子的p 轨道形成C=O 中的π键,而羧基中羟基氧原子上的未共用电子对与羧基中的C=O 形成p -π共轭体系,从而使羟基氧原子上的电子向C=O 转移,结果使C=O 和C —O 的键长趋于平均化。
X 光衍射测定结果表明:甲酸分子中C=O 的键长(0.123 nm )比醛、酮分子中C=O 的键长(0.120nm )略长,而C —O 的键长(0.136nm )比醇分子中C —O 的键长(0.143nm )稍短。
RCOOH羧基上的p -π共轭示意图2、羧酸的分类和命名 2.1.羧酸的分类根据分子中烃基的结构,可把羧酸分为脂肪羧酸(饱和脂肪羧酸和不饱和脂肪羧酸)、脂环羧酸(饱和脂环羧酸和不饱和脂环羧酸)、芳香羧酸等;根据分子中羧基的数目,又可把羧酸分为一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸等。
例如:或OOCOOcCOOHHOOC HOOC CH 2COOHCH 2COOHCH 2HOOC CH 3CH C H C OOHCOOH HOOC脂肪羧酸 一元羧酸 脂环羧酸 芳香羧酸二元羧酸多元羧酸2.2.羧酸的命名羧酸的命名方法有俗名和系统命名两种。
俗名是根据羧酸的最初来源的命名。
在下面的举例中,括号中的名称即为该羧酸的俗名。
羧酸及其衍生物和取代酸

O R1 C NH2 NH3
3.氨解:产物为酰胺。
O R1 C Cl NH4Cl
O R1 C O
O C R2 R4 R3 N H O R1 C R4 N R3 +
O R2 C ONH4
O R1 C O R2 R 2 OH
O R1 C NH2 NH3
4.克莱森(Claisen)缩合反应:得到β-羰基酯 例如:
⑷ 酰胺的生成:
O R 1 C OH O O
+
NH3
R 1 C O NH4
△ -H2O
O
R 1 C O─NH2
△ -H2O
R1 C
+H2O N
R 1 C NH2
二元酸也有上述反应。 3.还原:用催化氢化法(H2/Pt)难以还原,LiAlH4可以还原羧基为羟基。
O R C OH LiAlH4 R CH2 OH
O CH2 CH2 C O Cl
PCl5 H3C ( CH 2) 6 COOH H3C ( CH 2) 6 C Cl
⑶ 酯的生成:
O R1 COOH
+
R2 OH
浓 H2SO4
△
R1 C
O
R2
+H2O
上述反应为可逆反应。提高反应速度的措施有两个: a 加入酸作为催化剂; b 升高温度。 提高反应的产率的措施有两个:a 增加反应物醇(一方面是因为副反应主要 来自于醇另一方面是因为醇相对于酸来说较为便宜);b 移去产物,使平衡向 右移动。
名称(俗名) 熔点 沸点 溶解度(克/100克水) PKa
甲酸(蚁酸) 乙酸(醋酸) 苯甲酸(安息香酸) 乙二酸(草酸) 丙二酸(缩苹果酸) 丁二酸(琥珀酸) 顺丁烯二酸(马来酸) 反丁烯二酸(延胡索酸) 邻苯二甲酸(酞酸)
实验九-羧酸和取代羧酸的性质

实验九羧酸和取代羧酸的性质一、实验目的1.验证羧酸和取代羧酸的主要化学性质。
2.掌握羧酸及取代羧酸的鉴别方法。
二、实验原理羧酸均有酸性,与碱作用生成羧酸盐。
羧酸的酸性比盐酸和硫酸弱,但比碳酸强,因此可与碳酸钠或碳酸氢钠成盐而溶解。
饱和一元羧酸中甲酸的酸性最强,二元羧酸中草酸的酸性最强。
羧酸和醇在浓硫酸的催化下发生酯化反应,生成有香味的酯。
在适当的条件下羧酸可发生脱羧反应。
甲酸分子中含有醛基,具有还原性,可被高锰酸钾或托伦试剂氧化。
由于两个相邻羧基的相互影响,草酸易发生脱羧反应和被高锰酸钾氧化。
乙酰乙酸乙酯是由酮式和烯醇式两种互变异构体共同组成的混合物,因此它既有酮的性质,如能与2,4-二硝基苯肼反应生成橙色的2,4-二硝基苯腙沉淀,又有烯醇的性质,如能使溴水褪色,与三氯化铁溶液作用发生显色反应等。
三、仪器和药品试管、烧杯、酒精灯、试管夹、带软木塞的导管等。
冰醋酸、草酸、苯甲酸、乙醇、异戊醇、乙酰乙酸乙酯、水杨酸、乙酰水杨酸、乳酸、酒石酸、2mol∙L-1一氯乙酸、2mol∙L-1三氯乙酸、2,4-二硝基苯肼、10%甲酸、10%乙酸、10%草酸、10%苯酚、托伦试剂、5%氢氧化钠溶液、5%盐酸、0.05%高锰酸钾溶液、0.05mol∙L-1三氯化铁溶液、5%碳酸钠溶液、浓硫酸、溴水、饱和石灰水、甲基紫指示剂、pH试纸。
四、实验步骤1.羧酸的酸性(1)用干净的玻棒分别蘸取10%乙酸、10%甲酸、10%草酸、10%苯酚于pH 试纸上,观察和记录其pH并解释之。
(2)在2支试管中分别加入0.1g苯甲酸、水杨酸和1mL水,边摇边逐滴加入5%氢氧化钠溶液至恰好澄清,再逐滴加入5%盐酸溶液,观察和记录反应现象并解释之。
(3)在2支试管中分别加入0.1g苯甲酸、水杨酸,边摇边逐滴加入5%碳酸钠溶液,观察和记录反应现象并解释之。
2.乙酰乙酸乙酯的互变异构现象(1)在试管中加入10滴2,4-二硝基苯肼试剂和3滴10%乙酰乙酸乙酯,观察和记录反应现象并解释之。
羧酸、羧酸衍生物和取代羧酸

O RCHX C X + HX
O RCHX C X + RCH2COOH
O RCHXCOOH + RCH2C X
生成的一卤代物还可以被进一步卤代,直至所有-H的
全部被取代
43
羧酸的化学性质
应用
生成的α-卤代酸可以转化成各种取代酸:
BrCH2-COOH NaOH
BrCH2COONa NaCN NCCH2COONa
酸性
成-消除
(表现为羟基的
取代)
O
RC COH
H
还原成 CH2
α–H 反应
脱羧反应
14
羧酸的化学性质
酸性
在水溶液中
一般羧酸属弱酸,但比碳酸强,所以可以分解碳酸盐, 这个性质可用来区别或分离酚和酸。上述性质可用 来使羧酸与不溶解于水的或易挥发的物质分离
15
羧酸的化学性质
羧酸和醇在结构上只差一个C=O,但其酸性却相差 很大。
诱导效应的特点:
A. 具有加和性
Cl3CCOOH > Cl2CHCOOH > ClCH2COOH
pKa
0.64
1.26
2.86
B. 诱导效应强度与距离成反比,距离↑,诱导效应强度↓
α
CH3CH2CHCOOH
Cl
pKa
2.82
>
βα
CH3CHCH 2COOH
Cl
4.41
>
γ βα
CH2CH2CH2COOH
(3)芳香族羧酸命名,若羧基直接连在苯环上的以苯甲酸 为母体,若羧基连在侧链,则把芳环作为取代基来命名, 编号从羧基所连的碳原子开始
CH CHCOOH
CH3CHCOOH
3苯基丙烯酸(肉桂酸)
《羧酸及取代羧酸》课件

取代羧酸可通过取代基的亲核作用与其他分子发 生反应。
Hale Waihona Puke 羧酸的脱羧反应羧酸可脱去羧基,生成相应的 醛或酮化合物。
羧酸的应用
1 食品工业
羧酸可用作食品酸味剂和抗氧化剂。
2 药物工业
羧酸是制备药物的重要原料,可调控药物的性质和稳定性。
3 洗涤品工业
羧酸可用作洗涤剂的表面活性剂,改善洗涤效果。
什么是取代羧酸?
取代羧酸是指羧酸分子中的一个或多个氢被其他原子或基团取代的化合物,具有类似羧酸的化学性质,但性质 和用途也有所不同。
不同的取代基赋予取代羧酸不同的功能,影响其在化学和生物领域的应用。
取代羧酸的物性质
溶解性
取代羧酸的溶解性依赖于取 代基的性质和溶剂的性质。
熔点和沸点
取代羧酸的熔点和沸点受取 代基和羧酸的影响。
分子构型
取代羧酸的立体构型由取代 基的空间位阻决定。
取代羧酸的化学性质
酸性 还原性
亲核性
取代羧酸可通过脱质子反应表现出酸的性质。
羧酸的物理性质
• 羧酸通常呈液体或固体,具有特定的熔点和沸点。 • 具有酸性,可以与碱发生中和反应。 • 一些羧酸具有特殊的气味,例如柠檬酸和醋酸。
羧酸的化学性质
羧酸的酯化反应
羧酸与醇反应生成酯,常用于 有机合成和食品调味中。
羧酸的酰氯化反应
羧酸与酰氯反应生成酰氯,用 作有机合成中的重要中间体。
取代羧酸的命名方式
取代羧酸的命名方式与羧酸类似,根据取代基的种类和位置进行命名。例如,“氨基乙酸”代表乙酸的一个氨基 取代物。
取代羧酸的化学特性
1
取代基的电子效应
取代羧酸

O
+ R C H CO2
O
+ R C COOH 浓 H2SO4 RCOOH CO
酮与羧酸不易被氧化,但丙酮酸很容易被氧化.
CH3 C COOH Fe2+ , H2O2 O
+ CH3COOH CO2
3.β-酮酸
(1)酮式分解
β-酮酸相当于羧酸的α碳上连有吸电子基,不稳 定,在稍高于室温时即脱羧生成酮,因此称为酮 式分解。
1.醇酸的分类和命名
根据羟基和羧基的相对位置不同,醇酸分为α-羟基酸、 β-羟基酸、ץ-羟基酸等.
醇酸的命名方法以羧酸为母体, 羟基作为取代基,主链从 羧基碳开始编号.
醇酸除可按系统命名法命名外,大多常用俗名.
CH3C*HCOOH OH
α-羟基丙酸
2-羟基丙酸
CH3CHCH2COOH OH
β-羟基丁酸 3-羟基丁酸
OHRCH ຫໍສະໝຸດ OH2+OH C OH
4.氧化反应(α-羟基酸、β-羟基酸的氧化) α-羟基酸中羟基比醇中羟基易被氧化.托伦试剂
不能氧化醇,但能氧化醇酸.
O
O
R CH COOH
R C COOH
OH
O R CH CH2 COOH
OH
O RCCH 2COOH
二.酚酸 酚酸是芳香族羧酸芳环上的氢原子被羟基取
1.酸性
酚酸的三个羟基苯甲酸异构体,羟基处于对位时, 羟基显示对羟基的供电子效应(+C﹥-I),使其酸 性较苯甲酸弱;羟基处于羧基的间位时, -I ﹥+C, 但总体吸电子效应小,故酸性较苯甲酸增加不大; 羟基处于邻位时,因空间位阻在一定程度上排挤 羧基,使它不能与苯环共面,减少了苯环的Л电子 云向羧基的偏移,羧基中的羟基氢易电离,另一方 面形成分子内氢键,增强了羧基中O-H间极性,有 利于氢原子电离,离解后通过形成氢键,减少羧基
有机化学第九章羧酸和取代羧酸

5
第一节 羧 酸
一、羧酸的结构
123pm
O
O 122pm
RC
··O ·· 136pm
H
C
H
H
O H
143pm
CH3
p-π 共轭 导致结构与性质的变化:
键长 —— 平均化
羰基的正电性 —— 降低,亲核加成变难
羟基 H 的酸性 —— 增加
6
α-H 的活性 —— 降低
第一节 羧 酸
CH2CH2COOH 300℃
H2C CH2
C O + H2O + CO2
CH2CH2COOH Ba(OH)2 H2C CH2
CH2CH2COOH CH2
CH2CH2COOH
300℃ Ba(OH)2
CH2 CH2
CH2
CH2 C
CH2
O + H2O + CO2
含八个以上碳原子的脂肪族二元羧酸受热时发生分子间脱水,生成酸酐。
C2H5OH
浓H2SO4
O
酯键
110~120℃ CH3C-O-C2H5 H2O
乙酸乙酯
O
H2SO4
O
C6H5-C—OH + H O-CH3 C6H5-C—O-CH3 +H2O
苯甲酸甲酯 (85-95%)
增加反应物之一,或不断从反应体系中移去一种生成物,可促使平衡右移,提高酯 的收率。
23
第一节 羧 酸
IUPAC: 2-羟基丙酸
HO CH COOH CH2 COOH
苹果酸 (Malic acid)
2-羟基丁二酸
32
第二节 取代羧酸
HO CH COOH HO CH COOH
羧酸和取代羧酸

−CH3
4.34
钝化
−CN
3.55 −OCH3 4.46
活化 基团
基团
−CHO
3.75
−OH
4.48
−Cl
4.0
−H
4.19
有机化学(第9版)
三、化学性质
(一)酸性与成盐反应
3. 二元酸:其酸性与两个羧基的相对距离和空间位置有关,低级二元酸的
pKa2 >pKa1。
二元酸
pKa1
HOOCCOOH
1.46
一、羟基酸
(三)化学性质
3. 醇酸的脱水反应:δ、γ-羟基酸加热失水生成内酯。
有机化学(第9版)
一、羟基酸
(三)化学性质
4. 酚酸的脱羧反应:邻位或对位的酚酸加热至熔点以上时,易分解脱羧形成 相应的酚。
有机化学(第9版)
二、酮酸
(一)命名
2-氧丙酸 (α-丙酮酸) 2-oxopropanoic acid
HOOCCH2COOH HOOCCH2CH2COOH HOOC(CH2)3COOH HOOC(CH2)4COOH
2.80 4.17 4.33 4.4
有机化学(第9版)
三、化学性质
(一)酸性与成盐反应
4. 成盐:羧酸可与NaOH、NaHCO3、Na2CO3等碱反应成盐。
有机化学(第9版)
三、化学性质
(malic acid)
3-羧基-3-羟基戊二酸 (柠檬酸) 2-hydroxypropane-1,2,3-
tricarboxylic acid (citric acid)
有机化学(第9版)
一、羟基酸
(二)物理性质
醇酸比相应的羧酸或醇更易溶于水,酚酸为晶体,多以盐、酯等形式存在 于植物中,大多微溶于水。羟基酸的熔点比相同碳原子数的羧酸高。
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三、羧酸的制备
(一)油脂水解
CH2OCOR'' CHOCOR' + H2O CH2OCOR CH2OH Cat RCOOH + R'COOH + R''COOH + CHOH CH2OH
(二)有机物氧化法 1.醇或醛氧化
CH3CH2CH2OH
CH3OCH2CH2OH
Na2Cr2O7 H2SO4 HNO3
O R C OH + HO O C R P2O5 O R C O O C R + H2O
O COOH COOH C O + C O H2O
(3)酯的生成
RCOOH + HOR' H+ RCOOR' + H2O
CH3COOH + HOC2H5
RCOOH + H OR' CH3 RCOOH + HO C* H (CH2)5CH3
+OH R C 4
18
酯化速度是伯醇>仲醇>叔醇, HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH >R3CCOOH
:
H+ OR'
18
OR'
(4)酰胺的生成
RCOOH + NH3 ( 或 (NH4)2CO3 ) C6H5COOH + C6H5NH2 180~190℃ RCOO-NH4+ RCONH2 + H2O
CH2COOH CH2COOH
4.21
COOH
pKa 1.27
COOH
2.83
(2)共轭效应
O C pKa 4.17 OH O CH2 C 4.31 OH O (CH2)2 C 4.66 OH HCOOH 3.77
表9-3 取代苯甲酸的pKa
o H CH3 F Cl Br I OH OCH3 NO2 4.18 3.91 3.27 2.92 2.85 2.86 2.98 4.09 2.21 m 4.18 4.27 3.86 3.83 3.81 3.85 4.08 4.09 3.49 p 4.18 4.38 4.14 3.97 3.97 4.02 4.57 4.47 3.42
C6H5CONHC6H5 + H2O 84%
3. 羧基的还原反应
RCOOH + H2 Cu , 400℃ 300Mpa Pt RCH2OH + H2O CH3CH2CH2COOH
CH2=CHCH2COOH + H2
CH3CH2CHCOOH CH3 CH2=CHCH2COOH
LiAlH4 LiAlH4
CH3CH2COOH
CH3OCH2COOH
65%
62%
n-C6H13CHO
KMnO4 H2SO4
n-C6H13COOH
78%
2.烷基苯氧化
CH3 Cl
(CH3)3C CH3
KMnO4
COOH Cl
(CH3)3C COOH
Cr (VI) or KMnO4
3.烯烃的氧化
RCH=CH2
RCH=CHR'
[O]
O CH2 CH2 C C O CH2 CH2 OH OH O C C O OH OH H3C O O + H2O O O O + H2O O
H3C HC
(3)两个羧基间隔4~5个碳原子:受热既脱羧又脱水,生成 五元或六元环酮。
O CH2 CH2 CH2 CH2 C C O H2C CH2 CH2 CH2 CH2 OH
第九章 羧酸和取代羧酸
第一节 羧酸
COOH
(CH3)2CHCH2
CHCOOH CH3
OCOCH3
布洛芬(芬必得 )
阿司匹林
O 羧基 酰基 R C OH
一、 羧酸的结构、分类和命名
(一)羧酸的结构
. . C O .. O H C O .. O H
图9-1 羧基中p-π共轭示意图
O C .. OC O O O C O O
COOH OH 邻羟基苯甲酸(水杨酸)
对羟基苯丙烯酸(香豆酸)
3,4,5 三羟基苯甲酸 (没食子酸)
(二)醇酸 1.性质
(1)酸性
OH CH3(CH2)2COOH pKa 4.88 CH3CH2CHCOOH 3.87 OH CH3CHCH2COOH 4.22 Cl CH3CH2CHCOOH 2.84
RCOOH
脱 羧 酶
R-H + CO2 ↑
6.二元羧酸的特殊热分解反应
(1)两个羧基间隔0~1个碳原子:受热发生脱羧,生成一元羧酸。
HOOC COOH HOOC CH2 COOH HCOOH + CO2 ↑ CH3COOH + CO2 ↑
(2)两个羧基间隔2~3个碳原子:受热发生脱水,生成五元或六元环酐。
O
OH O C C O
Ba(OH)2
+ H2O
OH OH Ba(OH)2
O
+ H2 O
(4)两个羧基间隔5个碳原子以上:在高温时发生分子间脱 水反应,生成高分子链状酸酐。
O 2n HOOC(CH2)4COOH 300℃ HO [ C O ( CH2 )4 C O O C ( CH2 )4 O ]n C OH
CH 3
BrCH2(CH2)9COOH
CH2 C COOH
α─甲基丙烯酸
ω─溴代十一碳酸
系统命名法:一元羧酸命名与醛相似。
CH3CHCH2CH2CH2CHCOOH CH3 CH2CH3
CH3CH CHCHCOOH CH3
6—甲基—2—乙基庚酸 HOOCCH2COOH
2—甲基—3—戊烯酸
HOOC CH2 CH CH2 COOH
CH 3CH 2CHCOOH pKa Cl 2.82
CH 3CHCH2COOH Cl 4.41
CH 2CH 2CH 2COOH Cl 4.70
CH 3CH 2CH 2COOH 4.82
ClCH 2COOH pKa 2.86
COOH
Cl2CHCOOH 1.26
COOH
Cl3CCOOH 0.64
H2C
O RCOOH + Cl S Cl HCl
R Cl
C O S O R
C Cl + SO2
CH3CH2CH2COOH + SOCl2
CH3CH2CH2COCl 83%
O2N
+ HCl ↑ + SO2 ↑
O2N
COOH + PCl5
COCl + POCl3 + HCl ↑ 90~96%
(2)酸酐的生成
COOH
丙二酸
3—羧基戊二酸
俗名:通常根据其来源命名
脂环族和芳香族羧酸的命名常以脂肪族羧酸做母体, 而把脂环和芳环看作取代基:
COOH
CH2COOH
CH2COOH
NO2
环己基乙酸
β—萘乙酸
间硝基苯甲酸
COOH COOH
COOH OH
1,2—环己基二甲酸
邻羟基苯甲酸(水杨酸)
二、羧酸的性质
(一)物理性质
MgX CO2 H2O H+
COOH
(四)氰化物的水解
BrCH2CH2Br NaCN NC(CH2)2CN H2O H+ HOOC(CH2)2COOH
(五)其它方法
其它还可采用酯的水解、酰胺水解及乙酰 乙酸乙酯等方法来制备羧酸:
第二节
取代羧酸
一、取代羧酸的结构和分类
羟基酸 取代羧酸 氨基酸 卤代酸 羰基酸 醇酸 酚酸 醛酸 酮酸
二、羟基酸 (一)羟基酸的命名
CH3CHCOOH OH α 羟基丙酸(乳酸) HOOCCHCH2COOH OH 2 羟基丁二酸(苹果酸) HOOCCHCHCOOH HO OH 2,3 二羟基丁二酸(酒石酸)
COOH HOOCCH2CCH2COOH OH 3 羧基 3 羟基戊二酸(柠檬酸)
HO HO CH=CHCOOH HO HO COOH
Br_Zn_CHR_COOC2H5
有机锌化合物与格氏试剂性质相似,但没有格氏试剂活泼, 能与醛、酮反应,但不与酯反应
(三)酚酸 1.性质
(1)酸性
COOH COOH OH OH pKa 4.17 3.00 4.12 4.54 COOH HO COOH
P
P
ClCH2COOH
Cl2CHCOOH
Cl2CHCOOH+ Cl2
P
Cl3CCOOH
(2)芳环上的取代
COOH COOH
Br2/Fe
Br
5.脱羧反应
CH3COONa + NaOH (S)
Cl3CCOOH CH3COCH2COOH C6H5CH=CHCOOH
热 熔
CH4 ↑ + Na2CO3
CHCl3 + CO2 ↑ CH3COCH3 + CO2 ↑ C6H5CH=CH2 + CO2 ↑
2.羧酸衍生物的生成
O R C Cl O R C O O C R O R C OR O R C NH2
酰卤 (1)酰卤的生成
PCl3 RCOOH + PCl5 SOCl2
酸酐
酯
酰胺
H3PO3 (亚磷酸) RCOCl +
O
+ HCl ↑ HCl ↑ + SO2 ↑ POCl3
O
(1) (2) (3)
O C
α-氢的反应
羧基的还原反应
C O H
酸的反应
H
亲核试剂进攻发生酯化等反应 (羟基取代反应)