第八章 羧酸及其衍生物

第八章羧酸及其衍生物

一、学习要求

1．羧酸是有机化合物酸性物质的代表，应掌握其结构和性质的关系及命名。

2．掌握羧酸衍生物的结构和化学性质。

3．了解羧酸衍生物的酰基取代反应机制。

4．了解羧酸及其衍生物的分类方法和在医药卫生保健事业中的重要性。

二、本章要点

（一）羧酸

1．分子中含有羧基的有机化合物称为羧酸，常用R（Ar）COOH通式表示。羧基中的羰基碳原子为SP 2杂化，羰基与羟基的氧原子形成P-π共轭效应，使羟基中氢氧键极增大，以及使羧酸根负离子键长平均化，羧酸根的负电荷得以分散而稳定。

2．命名羧酸常用俗名和IUPAC法 IUPAC法是选包含羧基在内的最长碳链作母体名称，然后对碳链进行编号，将取代基、双键或叁键的位置编号和名称写在母体名称前。

3．物理性质常温下，低碳羧酸为液体，高级饱和羧酸为蜡状固体，二元羧酸和芳香酸为晶体。由于氢键使低级羧酸产生缔合现象，影响其水溶性、沸点等物理性质。

4．化学性质羧基中羰基和羟基氧的P-π共轭效应不利于羰基发生亲核加成反应，但增加了羟基中氢氧键的极性，有利于氢的解离。

（1）酸性：羧酸的酸性较常见的无机酸弱，但强于苯酚。羧酸分子中的烃基上连有吸电子基团，则酸性增强；连有供电子基团，则酸性减弱。

（2）羧酸衍生物的生成：羧基中的羟基被卤素、烃氧基、酰氧基和氨基取代后的产物称为羧酸衍生物。它们分别是酰卤（RCOX）、酯（RCOOR’）、

酸酐(RCO —O —OCR ’)和酰胺（RCONH 2）。其中酯化反应的机制：羧酸与1o醇成酯是醇脱氢，羧酸脱羟基；与3o醇成酯是醇脱羟基，酸脱氢；与2o醇成酯上述两种情况兼有，倾向何种方式主要取决于结构因素。α-碳原子上有烃基的醇、酸都会降低酯化反应速率。

（3）脱羧反应：体内一元羧酸的脱羧是在酶催化下进行。普通条件下一元羧酸难以失去羧基，需要变成相应的盐，并在碱石灰和高温条件下才能失去羧基变成少一个碳原子的烃。

（4）二元羧酸的热分解反应：二元羧酸加强热时，乙二酸和丙二酸失去CO 2，生成少一个碳原子的酸；丁二酸和戊二酸分子内失水，生成环酐；己二酸和庚二酸失去H 2O 和CO 2，生成少一个碳原子的环酮；辛二酸及含8个碳原子以上的二元羧酸失水生成聚酐。

（二） 羧酸酸衍生物

1．结构和命名 羧酸衍生物的结构特点是均含有酰基，因此它们又称为酰基化合物，其通式用

表示。酰卤和酰胺的命名是根据酰基的名称而称为某酰卤、某酰胺；酯的命名是先酸后醇即某酸某醇酯；酸酐的名称是生成酸酐的酸后加酐，即某酸酐。

2．化学性质

（1）亲核取代反应及反应机制：羧酸衍生物的典型化学性质是水解、醇解和氨解，其取代产物可以看作羧酸衍生物中的酰基取代了水、醇（酚）中羟基氢原子和氨（伯、仲胺）中氮上的氢原子，形成羧酸、酯和酰胺，其反应通式为：

+

H 2O

O OH

NH 2NH 3

OR ’R ’OH

R C O

R

C O R

C

R

C L

+

+R C

L

O O R C

L O R(Ar)

C

O L

L (X OCOR ’OR ’NH 2)

、、、

羧酸衍生物的活性顺序是酰卤>酸酐>酯>酰胺。根据活性顺序，可以由一种羧酸衍生物制备另一种羧酸衍生物，酰基也从一种化合物转移到另一种化合物中，因此这类反应又称酰化反应或酰基转移反应。

酰基亲核取代反应分两步进行，即亲核试剂首先与羰基发生亲核加成反应，形成带负电荷的四面体结构，然后发生消除反应恢复碳氧双键的取代产物。反应通式如下：

羧酸衍生物的亲核取代反应是可逆反应，可以控制条件使反应朝一个方向进行。

（2）还原反应：羧酸衍生物比相应的酸易被还原，常用还原剂为LiAlH 4。酰卤、酸酐和酯还原成1o醇，酰胺还原成胺。

（3）酯缩合反应：人体内酶催化下发生酯缩合反应，合成出人体需要的物质（如柠檬酸等）。

三、问题参考答案

问题8-1 命名下列化合物：

解： （1）3－对氯苯基丁酸 （2）环己基甲酸

（3）油酸（9－十八碳烯酸） （4）邻苯二甲酸

问题8-2 按沸点由低到高排出下列化合物的顺序：

（1）甲醇 （2）甲酸 （3）乙醇 （4）乙酸

(1)Cl CHCH 2COOH

CH 3

COOH

(2)

(3)

CH 3(CH 2)7CH=CH(CH 2)7COOH

(4)

COOH COOH

R C

L

+O R C

R C L

Nu

Nu

O -Nu -L -

+

O

解：（1）＜（3）＜（2）＜（4）

问题 8-3按熔点由低到高排出下列化合物的顺序：

（1）乙酸 （2）丙二酸 （3）丁二酸 （4）丙酸 解：（4）＜（1）＜（2）＜（3）

问题 8-4按酸性强弱排出下列化合物的酸性顺序：

（1）草酸 （2）己二酸 （3）丁二酸 （4）丙二酸 （5）甲酸 解：（1）＞（4）＞（5）＞（3）＞（2）

问题 8-5偏苯三酸酐是合成牙科材料 — 偶联剂4－META 的原料之一。试以苯为原料，其他试剂任选，合成偏苯三酸酐酰氯

解：

问题 8-6氨苄青霉素和叶酸的结构式分别为：

标出它们分子中的酰胺键和羧基。

ClOC

O CH 3

COOH

HOOC

COOH

COOH

CH 3

CH 3

O O

O

O

O O

ClOC

[O]

CH

C

NH 2O NH N

S

O

CH 3CH 3COONa N N

N

N OH H 2N

CH 2NH

C O

NH

CH 2CH 2COOH

COOH

（氨苄青霉素）

（叶酸）

解：

问题 8-7按由易到难排出下列化合物的脱羧顺序：

（1） （2） （3） （4）

解：（1）＞（3）＞（4）＞（2） 问题 8-8命名下列化合物：

（4） （5）

解：（1）苯乙酸苯酯 （2）环己基甲酰氯

（3）乙－2－甲基丙酐或乙异丁酐 （4）对－溴苯甲酰胺 （5）N －甲基－N －苯基苯甲酰胺 （6）γ-戊内酰胺

问题 8-9完成下列反应式：

（2）

N O

H 3C

H

(6)

O O

O

+C 2H 5OH

CH C

NH 2O NH N

S

O

CH 3CH 3COONa N N

N

N OH H 2N

CH 2NH

C O

NH CH 2CH 2COOH

COOH

O 2N

COOH

2

NO 2

Br

COOH

NO

2

COOH

COOH

CONH 2

CON

CH 3

Br CH 2COO

(1)

COCl (2)

CH 3

C

O

CH(CH 3)2

C

O O

(3)

CH 3 C OH + HOCH 2CH 2N(CH 3)3OH

O

+

_酶

（1）

解： （1） CH 3COOCH 2CH 2N +(CH 3)3OH －

(3)

问题8-10完成下列反应式：

解：

四．习题参考解答

1．命名下列化合物：

H 3COOCCH 2

COOH

HOOCCH 2COOH+CH 3OH

,H 3COOCCH 2COCl

H 2O

(3)

SOCl 2

4

(1)COOCH 3

LiAlH 4

(2)

(3)CH 3CONHCH 4

CH 3CH 2NHCH 3

(3)

CH 3OH

,

CH 2OH

(2)

CH 2OH

,

(1)

COCl

COOH COOC 2H 5

(2)

解：（1）3－甲基－2－丁烯酸 （2）m-苯二甲酸

（3）9,12-十八碳二烯酸（亚油酸） （4）p-甲氧基苯甲酸 （5）β－苯基丁酸 （6）苯乙酰氯 （7）丙酐 （8）环己基甲酸乙酯 （9）N,N-二甲基对甲基苯甲酰胺 （10）δ－己内酰胺 2．写出下列化合物的结构式：

（1）草酸 （2）马来酸 （3）富马酸 （4）甲基丙烯酸甲酯 （5）S-α-氨基丙酰胺 （6）α-萘乙酰氯 解：（1）HOOCCOOH

CH 2

COOCH 3

CH 3

C (4)

CONH 2H 2N

H

C CH 3

(5)H

H

COOH

C C

(2)

HOOC

COOH H H C C

(3)

（1）

CH 3C

CH 3

CHCOOH

O

CH （2）

COOH

COOH

（3）)2CH 3(CH 2)3(CH 2CH

(CH 2)7COOH

（4）

COOH

CH 3O

（5）

CHCH 2COOH CH 3

（6）

CH 2

C

Cl （7）

(CH 3CH 2CO)2O

（8）

COOCH 2CH 3（9）CH

3

CON(CH 3)2

（10）

4．完成下列反应式：

解：

CH 3C O

O C

O

CH 3COOH

OH +

(1)

(2)

O

CH 2C

OCH 3+H 2O

(3)

O

C

Cl

+

CH 3NH 2

(4)CHCOOH 300

℃

(5)

CH 3COOH

+

(CH 3)3C

18

OH

18

OH

(6)

O

C

+

CH 3OH

(7)

CH 3CHCH 2COOH

+PCl

3

(1)

3

CH 3COOH

+

(2)

CH 3COO -CH 3OH

+C

O

NHCH 3

(3)

HC CH C

C

O O

O +H 2O

(4)

(5)

O

CH 3

H 218O

+

OC(CH 3)3

O

H 218O

+

OCH 3

(6)

CH 2COCl

(6)

4．用化学方法鉴别下列各组化合物：

（1）①甲酸②乙酸③丙醛 （2）①苯甲酸②苄醇③苯酚 （3）①乙醇②乙醚②乙酸 （4）①丁二酸②丁二酸二甲酯③草酸

5．按要求排序：

（1）排出下列化合物与乙醇反应的速率顺序：

(CH 3CO)2O CH 3COOC 2H 5 CH 3COCl CH 3CONH 2 （2）排出下列化合物接受亲核试剂的能力顺序：

C 6H 5COOCH 3 (C 6H 5CO)2O C 6H 5CONH 2 C 6H 5COCl （3）排出下列化合物氨解反应的速率次序：

（4）按酸性由强到弱排出下列化合物的顺序：

(7)

CH 3CHCH 2COCl COCl

HO

,

O 2,COCl H 3C

,

COCl

A.①②

③

( ) B.

①NaHCO 3( )

使澄清石灰水浑浊

(1)

解：

A.①

②

③

( ) B.

①NaHCO 3( )

使澄清石灰水浑浊

(2)FeCl 3

( )

紫色

②

NaHCO 3A.①

②

③

( ) B.①( )

浑浊

(4)( )②

通入石灰水

CO

使澄清石灰水浑浊

A.①

②

③

( ) B.

①3

CO ( )

使澄清石灰水浑浊

(3)( )②

2CHI 黄色

乙酸、甲酸、苯甲酸、丙酸、戊酸

解： （1）CH 3COCl ＞(CH 3CO)2O ＞CH 3COOC 2H 5＞CH 3CONH 2

（2）C 6H 5COCl ＞(C 6H 5CO)2O ＞C 6H 5COOCH 3 ＞C 6H 5CONH 2

（

3）

（4）甲酸＞苯甲酸＞乙酸＞丙酸＞戊酸

6．由苯甲酸制备苯甲酰氯，为什么氯化剂不能选用PCl 3？

解：

苯甲酰氯的沸点为197℃，亚磷酸的沸点为200℃，由于苯甲酰氯和副产物亚磷酸沸点基本一致，给分离纯化苯甲酰氯造成困难。

7．如何分离p-甲基苯甲酸与p-甲基苯酚混合物？

解：

8．化合物A 在酸性水溶液中加热，生成化合物B （C 5H 10O 3），B 与NaHCO 3作用放出气体，与 CrO 3/乙酐作用生成C （C 5H 8O 3）。B 在室温条件下不稳定，失水后又生成A 。试推测A 、B 和C 的结构式。

解：A 为

B 为

C 为

9．含一个手性碳的化合物A 和B ，分子式都为C 5H 8O 4。A 、B 加热失水

H 3CH 3CHCH 2CH 2COOH

CH 3CO

CH 2CH 2COOH

>

>

>

CH 3

COCl

COCl

COCl

COCl NO 2

COOH +PCl 3

CO Cl +H 3PO 3

p-甲基苯酚p-甲基苯甲酸

NaHCO 3/H 2O

不溶物滤除水溶液

固行物为H +

p-甲基苯酚p-甲基苯甲酸

生成分子式为C 5H 6O 3的一对对映体C 和D ，C 和D 与过量甲醇回流得到分子式为C 6H 10O 4的二对对映体E 和F ，F 的质量多于E 。试写出A 、B 、C 、D 、E 和F 的结构式。

解：

（四川大学 陈洪超）

COOH

COOH

H H H

CH 3A 为

；

CH 3COOH

COOH

H H H

B 为

；

H 3C 为

；3

D 为

；COOCH 3

CH 2COOH

COOCH 3

CH 2COOH

H H

CH 3CH 3

E 为；

；CH 2COOCH 3

COOH

H

CH 3

F 为

；H CH 2COOCH 3COOH

CH 3；