羧酸及其衍生物和取代酸
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)
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)
第十章羧酸及其衍生物和取代酸详解演示文稿

第十七页,共53页。
4、 羧酸的受热分解-脱羧反应
羧酸分子脱去CO2的反应叫脱羧反应,根据羧酸结构不同可以得 到不同产物
(1) 一元羧酸
R – COONa NaOH-CaO
共熔
R - H + Na2CO3
羧酸的α位上有强吸电子基团时,容易脱羧
CCl3 – COOH
△
CHCl3 + CO2↑
R'
浓H2SO4
R
O C
O
△
R' + H2O
CH2COOH 浓H2SO4
OH
CH2
CO O
H3O+
CH2COOH OH
第十六页,共53页。
3、 还原
用LiAlH4可以将羧酸还原为醇,该还原剂不影响化合物中的
不饱和键.
O R C OH
LiAlH4
R CH2 OH 伯伯醇醇
H2C CH CH2 COOH LiAlH4 H2C CH CH2 CH2 OH
⑴ 酰氯、酰胺:将相应的“酸”改为酰氯、酰胺即可。例如:
第二十七页,共53页。
⑵ 酸酐
由相应的酸来命名
两分子酸相同:
O CH3 C
O CH3 C
O
乙酸酐
O CH3 CH2 C
O CH3 CH2 C
O
丙酸酐
O C
O
C O
苯甲酸酐
两分子酸不同:
O CH3 C
O
CH3 CH2 C O
乙(酸)丙(酸)酐
第二十八页,共53页。
3、苯甲酸 安息香酸,苯甲酸钠作为防腐剂. 4、乙二酸 草酸,酸性最强的二元酸.具有很强的配位能力.在定量分析中
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。
有机化学(第二版)答案__赵建庄

另一组答案为: A.
B. H3C CH2 CH2 CH2Br
C. H3C CH 2 CH CH2
10.
氧化后得到的
对称二酮为:
11.
反应式如下:
12. 透视式
纽曼式
第五章 卤代烃习题参考答案
1. (1) 2-甲基-4-氯戊烷 (3) 4-溴-1-环己烯 (5) 2-氯-4-溴甲苯
(2) 2-氯-2-己烯-4-炔 (4) 苄溴(溴化苄,苯溴甲烷) (6) 3,6-二氯-2-甲萘
H+ -H2O
H3C C CH CH 2 CH3 CH3
+ (1) O3
(2) Zn, H2O H3C CH 2 CHO
O H3C C CH3
丙醛可发生银镜反应,丙酮可发生碘仿反应。
第十章 羧酸、羧酸衍生物和取代酸 参考答案
1. (1) 3-甲基丁酸
(2) 3-乙基-3-丁烯酸
(3) 2,3-环氧丁酸
(4) 1,3-(间)苯二甲酸
(5) 2,4-二氯苯氧乙酸
(6) 反-1,2-环丙二甲酸
(7) 4-甲基-2,4-戊二烯酸
(8) 2-甲基丁酸
(9) 3-(间)甲基苯甲酰溴 (10) 乙酸对甲基苯酯
(11) N-甲基-N-乙基甲酰胺 (12) 乙丙酐
(13) 二乙酸乙二酯
(14) γ –丁内酯
(15) 2-甲基-3-丁酮酸
2.
3. (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
4. (1)
(2)
5. (1)
+ CH3I
(2)
O
(3)
(4) 2 H3C C CH3
(5)
(6)
,
有机化学08-羧酸、羧酸衍生物及取代酸

C H 3C H C H C O O H
2-丁烯酸(琥珀酸) 丁烯酸( 丁烯酸 琥珀酸)
2,3-二甲基丁酸 二甲基丁酸
③芳香酸和脂环酸,可把芳环和脂环作为取代基来命名。 芳香酸和脂环酸,可把芳环和脂环作为取代基来命名。
CH CHCOOH
COOH OH
(1) 诱导效应是影响羧酸酸性的主要因素: 诱导效应是影响羧酸酸性的主要因素: 吸电子取代基使O—H键极性增强,较易解离出 +,且 键极性增强, 吸电子取代基使 键极性增强 较易解离出H 吸电子效应使-COO-负离子的电荷更加分散,酸性增强; 负离子的电荷更加分散,酸性增强; 吸电子效应使 供电子取代基使酸性减弱。 供电子取代基使酸性减弱。 -I使酸性增强 X-CH2COOH 使酸性增强 X= F Cl Br I H pKa 2.66 2.86 2.90 3.18 4.76 +I使酸性减弱 使酸性减弱 HCOOH CH3COOH pKa 3.75 4.76 NO2 1.68 N+(CH3)3 1.83
COOH COOH
顺-丁烯二酸
邻苯二甲酸
二元酸
HOOCCOOH HOOCCH2COOH HOOC(CH2)2COOH (Z)-HOOCCH=CHCOOH (E)-HOOCCH=CHCOOH
系统命名
乙二酸 丙二酸 丁二酸 顺-丁烯二酸 丁烯二酸 反-丁烯二酸 丁烯二酸
普通命名
草酸 缩苹果酸 琥珀酸 马来酸 富马酸
二、羧酸的结构
O R C O-H
p-π共轭 共轭
C=O碳原子为sp2杂化; C=O碳的p轨道与C=O氧的p轨道平行,相互重叠形成π键; -OH氧p轨道上的孤对电子与C=O的π键形成π34大π键, -OH中氧上电子云密度降低, C=O中碳原子正电性下降。 氧上电子云密度降低, 碳原子正电性下降。
有机化学10第10章 羧酸及其衍生物

• 取代基的供电子(+I效应)强弱次序:
•注意: 与苯环、1,3-丁二烯和烯烃的-,p-共轭效应比较: 共轭效应是指在共轭体系中原子间的一种相互影响,这种 影响造成分子更加稳定,内能更小,键长趋于平均化。 共 轭效应常与诱导效应同时存在,共同起作用。(苯的定位)
有机化合物酸性的强弱主要受其结构的电子效应、杂 化、氢键、空间效应和溶剂的影响。 1. 羧酸的酸性 (1) 脂肪族羧酸
CH3
KMnO 4 / NaOH
COOH
KMnO 4 / NaOH
C2 H5
CH3
K2Cr2O 7 / H2SO 4
COOH
NO2
NO2
CH(CH3)2
Na2Cr2O 7 / H2SO 4
COOH
COOH (CH2)6CH3
CH3
KMnO 4 / NaOH
COOH
侧链是叔烷 基,很难氧 化,强氧化 剂时环发生 破裂。
• 羧酸的沸点高于质量相近的醇——双分子缔合
O H O CH3 C O H O C CH3
R O H O R H O H O R R H
10.4 羧酸的化学性质
-H取 代反应
H C
O C O
C=O 基亲核加成 O H 键断裂而
呈酸性
R
H
脱羧反应
H
OH被取代反应
羧酸的化学反应包括: (1) O—H键的酸性; (2) —H取代反应 (3) —OH基取代反应; (4) C=O亲核加成 (5) 脱羧反应
第十章 羧酸及其衍生物、取代羧酸
(一)羧酸
10.1 羧酸的结构、分类和命名
——羧酸的分子中都含有羧基官能团
10.1.1 羧酸的结构
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RCO
+H
酸性
p ~π共轭→RCOO-稳定性↑→[H+]↑
酸性
C2H5OH H2O PhOH H2CO3 CH3COOH
pKa 15.9 15.7
10
6.5
4.7
编辑课件
17
(2)成盐 RCOOH + NaOH → RCOONa + H2O RCOOH + Na2CO3 → RCOONa + H2CO3 RCOOH + NaHCO3 → RCOONa + H2CO3
羧酸在自然界中的分布很广
酒石酸
乙酸
柠檬酸
甲酸
苹果酸
丁酸
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1
内容提要
§9-1 分类和命名
一、分类
二、羧酸衍生物
二、命名
(一)结构与性质
§9-2 理化性质
(二)物理性质
一、羧酸 (一)结构与性质 (二)物理性质
(三)化学性质 (四)重要个别化合物
(三)化学性质
(四)重要个别化合物
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2
三、取代酸 (一)羟基酸的性质 (二)羰基酸的性质 (三)乙酰乙酸乙酯及互变异构现象 (四)重要个别化合物
O
0.126nm
H CO
0.126nm
羧酸显酸性并且酸性较水和醇强
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13
从表面上看,羧基是由羰基和羟基直接相 连而成,但实质上羧酸的性质决不是这两个基 团性质的简单加合,二者之间相互影响的结果, 使羧酸具有独特的化学性质。 p ~π共轭的结 果,使氧原子上的电子密度向羰基偏移,增大 了O—H键的极性,使氧氢键的断裂比醇容易, 酸性增强;C—OH键极性减弱,羟基的取代比 醇困难;羰基碳原子电子密度增强,不利于亲 核加成反应,并使-H比醛酮难取代,且不被 高锰酸钾等强氧化剂氧化。其化学反应示意如 下:
例2. 利用机层
OH
OH COOH
OH
OH
通入稀HCl 溶液
分离 水层
有机层 分离
水层
COONa ONa
通入CO2气体
COOH
COONa
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19
沉淀
(3)一元羧酸 HCOOH﹥ArCOOH﹥RCOOH
(4)多元羧酸 羧基个数↑→ 酸性↑ (5)烃基上有吸电子基的脂肪族羧酸
3-甲基丁酸;异戊酸; β-甲基丁酸;异缬草酸
3-环己基丙酸
COOH COOH
1,2-苯二甲酸
CH2 COOH
CH2 COOH
丁二酸 琥珀酸
§9-2 理化性质
(一)结构与性质
O HO
RC
CR
OH O
羧酸的二聚体
1. 沸点(b.p.)高于相应的醇 —COOH数目↑→ b.p. ↑ 碳原子数目↑→ b.p. ↑
10.2.2 羧酸的主要化学反应
羟基被取代
O
α
R CH C O H
脱羧和还原 酸性
H
-H的取代
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15
羧酸的酸性
O
1. CH3 C OH 乙酸
F
O
3. F
F OH
三氟乙酸
O
O
2.
OH
OH
草酸
1. 羧酸为什么显酸性?
2.酸性强弱受什么因 素影响?
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16
羧基是一个
O
有机整体
O
R C OH
(3)脂环酸和芳香酸 把碳环作为取代基。若碳环上 有几个羧基时,应标明羧基的相对位置。
(4)多元酸 选择含羧基碳最多的最长碳链为主链, 称为“某几酸”。与多元醛的命名相似。
H
COOH
CC
(E)-2-丁烯酸(巴豆酸)
CH3
H
C3 H (C2)H 5CH2C CH H OH
C 2)7C HO (COH
二、化学性质 (Chemical properties)
O RC
OH
p-π共轭体系
O H C OH
Question: 羧酸的性质是不是酮和醇性 质的简单加和?
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12
O H C OH
O H+ +H C O-
醇 醛/酮 羧酸
C OH 0.143nm
0.131nm
CO
0.122nm 0.125nm
O R C OH + H+
+
OH
OH
R C OH (= R C OH ) +
吸电子基吸电子能力↑ 吸电子基个数↑ 吸电子基与羧基之间的距离↓
→ 酸性↑
HCOOH ﹥ CH3COOH ﹥ (CH3)3CCOOH
pKa 3.77
4.76
5.05
Cl3CCOOH﹥Cl2CHCOOH﹥ClCH2COOH
pKa 0.65
1.29
2.86
﹥ CH3COOH
4.76
CH3CH2CHClCOOH﹥CH3CHClCH2COOH
pKa
2.86
4.00
﹥ Cl(CH2)3COOH﹥CH3(CH2)2COOH
4.52
4.82
(6)芳香族羧酸 酸性次序同酚。 例:对位取代的芳香族羧酸酸性次序
COOH
COOH
COOH
NO 2
Br
COOH
COOH
CH 3
OCH 3
2.取代反应(羧酸衍生物的生成) (1)酰氯的生成
RCOOH (2)酸酐的生成
2. 熔点(m.p.) 碳原子数目↑→ m.p. ↑
O RC
O
H
O
HH
O
羧酸与水形成的氢键
HH
H O
H 3. S/H2O 大于相应的醇; —COOH数目↑→ S↑; 碳原子数目↑→ S↓
羧基是极性基团,羧酸是极性分子,羧酸 分子间能形成两个氢键,缔合成稳定的二聚体, 能与水分子形成氢键。
羧基中的碳原子呈sp2杂化态,碳氧双键的 成键方式与醛酮分子中的羰基相同,即一个 键和一个键。除此以外, 键还与羟基氧原子 的孤电子对形成p ~π共轭体系。以甲酸为例:
12-羟基-9-十八碳烯酸(蓖麻醇酸)
COOH
CH2COOH
苯甲酸(安息香酸) 1-萘乙酸(α-萘乙酸)
HOOC C
H
CHCOOH(失水(Z苹)-丁果烯酸二或酸马来酸)
H C
HOOC
CHCOOH(延胡(E羧)-丁酸烯或二富酸马酸)
CH3 4
CH 3
CH2 2
COOH 1
CH3
CH2CH2COOH
PCl3 PCl5 RCOCl SOC2l
O
O
R C OH+ H OC R P2O5
O
O
RCO CR
(3)酯的生成 1°,2°ROH:氧氢键断
O
O
H2SO4
R C OH+ H OR'
R C OR'
3°ROH:碳氧键断
O
O
H + R C OH+H OR '
R CO R ' +H 2O
叔 醇
酯化反应的机理属于加成— 消除机理:
编辑课件
3
第十章 羧酸及其衍生物和取代酸
§10-1 羧酸(Carboxylic acid) 的分类和命名
一、分类
脂肪酸 脂环酸 芳香酸
一元酸 二元酸 多元酸
二、命名(系统命名法和俗名)
(1)饱和脂肪酸 选择含羧基碳的最长碳链为主链。 与醛基相似羧基总在第一位。
(2)不饱和脂肪酸 择含羧基碳和不饱和碳在内的 最长碳链为主链。称为“某” 烯酸。与不饱和醛的 命名相似。