有机化学羧酸.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 羧 酸,第一节 羧酸的分类和命名,第二节 羧酸的物理性质,第三节 羧酸的光谱特征,第四节 羧酸的结构和酸性,第五节 羧酸的制备,第六节 羧酸的反应,本 章 提 纲,第七节 不饱和羧酸和取代羧酸,第一节 羧酸的分类和命名,一元酸 系统命名 普通命名,HCOOH,甲酸 蚁酸,CH,3,COOH,乙酸 醋酸,CH,3,CH,2,COOH,丙酸 初油酸,CH,3,CH,2,CH,2,COOH,丁酸 酪酸,CH,3,(CH,2,),16,COOH,十八,（碳）,酸 硬脂酸,只含有一个羧基的羧酸称为一元酸。最常见的酸，可根据它的来源命名。,Common Names(,Vollhardt,),二元酸 系统命名 普通命名,HOOCCOOH,乙二酸 草酸,HOOCCH,2,COOH,丙二酸 缩苹果酸,HOOC(CH,2,),2,COOH,丁二酸 琥珀酸,(,Z,)-HOOCCH=CHCOOH,顺丁烯二酸 马来酸,(,E,)-HOOCCH=CHCOOH,反丁烯二酸 富马酸,含有二个羧基的羧酸称为二元酸。,Carboxylic acids take,precedence,over other groups:,Include as many functions as possible in stem,(Better than 4-acetylheptanoic acid),第二节 羧酸的物理性质,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，在水中溶解度不大。,液态脂肪酸以二聚体形式存在。所以,羧酸的沸点比相对分子质量相当的烷烃高。,所有的二元酸都是结晶化合物。,第三节 羧酸的光谱特征,1,HNMR,R,2,CHCOO,H,H,：1012,H,CR,2,COOH,H,：22.6,IR,光谱,羧酸中的,C=O,：,单体 二缔合体,RCOOH 17701750cm,-1,1710cm,-1,CH,2,=CHCOOH 1720 cm,-1,1690cm,-1,ArCOOH,1700-1690cm,-,羧酸中的,OH,：,3550 cm,-1,3000 2500cm,-,羧酸中的,C-O,1250 cm,-1,羧酸的光谱性质,C,4,H,8,O,正己烷,乙酸,醇羟基、羧酸羟基、烷基,IR,吸收的比较,乙酸的,NMR,谱,乙酸的,MS,谱,2-,甲基丙酸,NMR,图,2-,甲基丙酸,MS,图,两个碳氧键不等长，部分离域。,两个碳氧键等长，完全离域。,第四节 羧酸的结构和酸性,1.36,1.23,1.27,醇中,C-O,单键键长为,1.43,一 羧酸和羧酸根的结构比较,2,多数的羧酸是弱酸，,p,K,a,约为4-5,（大部分的羧酸是以未解离的分子形式存在）,二,讨论,1,羧酸根比较稳定，所以羧酸的氢能解离而表现出酸性。,3,取代基对羧酸酸性的影响,23200,10,5,5530,10,5,136,10,5,1.75,10,5,Ka,1).,诱导效应对羧酸酸性的影响,取代基的吸电子,(-I,效应,),取代基的供电子,(+I,效应,),2).,共轭效应对羧酸酸性的影响,取代基的吸电子,(-C,效应,),取代基的供电子,(+C,效应,),共轭效应：,X=,OH OCH,3,CH,3,H,Cl,NO,2,pKa,4.57 4.47 4.38 4.20 3.97 3.42,3).,空间效应：,利于,H,+,离解的空间结构酸性强，不利于,H,+,离解的空间结构酸性弱,3.68 4.44,4).,氢键：,分子内的氢键也能使羧酸的酸性增强。,p,k,a,2.98,pKa,1,=2.0,pKa,2,=6.5,pKa,1,=3.0,pKa,2,=4.5,5,）,.,场效应,场效应：,是空间静电作用，即取代基在空间产生一个,电场,，对另一个反应中心的影响,-,4,芳香羧酸的情况分析,取代基具有吸电子共轭效应时，酸性强弱顺序为：,邻,对,间,取代基具有给电子共轭效应时，酸性强弱顺序为：,邻,间,对,具体分析：,邻 位（诱导、共轭、场、氢键效应、空间效应,均要考虑。）,对 位（诱导很小、共轭为主。）,间 位（诱导为主、共轭很小。）,实 例,诱导吸电子作用大、,共轭给电子作用大、,氢键效应吸电子作用大。,邻 位 间位 对位,诱导吸电子作用中、共轭给电子作用小,。,诱导吸电子作用小、,共轭给电子作用大。,p,k,a,2.98,p,k,a,4.08,p,k,a,4.57,Ref.,苯甲酸的,p,k,a,4.20,应用：利用羧酸的酸性分离和纯化化合物,1.,氧化法,2.,Grignard,试剂,+CO2,3.,腈类化合物的水解,*,有机锂试剂的羧化,4.,丙二酸酯合成法（见羧酸衍生物）,5.,酚酸的特殊制法 （见取代酸）,第五节 羧酸的制备,氧化法,用什么氧化剂？,氧化剂的选择性？,Grignard,试剂,+CO,2,亲核加成机理,制备比,RX,多一碳的羧酸,腈类化合物的水解（酸性水解和碱性水解）,例：,丁二酸,丙二酸,Strecker,反应,a-,羟基酸,a-,氨基酸,腈的酸催化水解机理：,腈的碱催化水解机理,*,有机锂试剂和,CO,2,的反应,RLi,+CO,2,RCOOLi,RCOOH,RLi,H,2,O,H,2,O,讨论：,(1)(2)(3),同格氏试剂。,(4),（,注意：投料比对产物的影响）,实 例,n,-C,4,H,9,Li/Et,2,O,-50,至,-60,o,C,CO,2,H,2,O,*有机锂化合物的烃基化反应在合成羧酸中的应用,实例一和实例二：从羧酸合成,-,取代羧酸,RCH,2,COOH +2LiN(,i,-C,3,H,7,),2,RRCHCOOH,RCHCOO,-,Li,+,Li,+,RX,H,2,O,实例一,实例二,(CH,3,),2,CHCOOH +2LiN(,i,-C,3,H,7,),2,THF,C,6,H,14,0,o,C,(CH,3,),2,CLiCOOLi,Br(CH,2,),n,Br,H,2,O,LDA/THF,-78,o,C,CH,3,(CH,2,),3,Br,H,2,O,CO,2,-78,o,C,H,2,O,实例三,从一元羧酸合成,二元羧酸,从羧酸合成,取代羧酸,1.,羧酸的酸性,2.,羧基上羟基的取代,3.,羧酸与金属有机试剂的反应,4.,羧酸的还原反应,5.,羧酸,-,氢的反应,6.,羧酸的脱羧,第六节 羧酸的反应,羧酸的结构及化学性质分析,H,有酸性,羰基不饱和,可加成、还原,羰基,a-,H,，有弱酸性，可取代,OH,可被取代,羧基可脱去,CO,2,羧酸的化学性质,羧酸的酸性,几种活泼氢的酸性比较,羧酸,酚,醇,pKa,5,10,16-19,羧酸根负离子的共振式与稳定性,有,两个完全,等价的共振式,吸电子基对羧酸酸性的影响,23200,10,5,5530,10,5,136,10,5,1.75,10,5,Ka,应用：利用羧酸的酸性分离和纯化化合物,羧基上羟基的取代,羧酸衍生物,酰卤,酸酐,酯,酰胺,取代羟基生成羧酸衍生物,羧酸,2.1,形成酰卤,（下册，第,13.6,节）,酰,(,基,),氯,酰,(,基,),溴,比较,:,醇类的卤代,羧酸羟基的卤代与醇类的卤代有相似性,2.2,形成酸酐,（下册，第,13.7,节）,可能机理,:,乙烯酮衍生物,酸酐,强除水剂,分子内二酸的脱水（第,12.14,节）,:,正常反应,:,形成环状酸酐,异常反应,:,形成环状酮,加热反应即发生,2.3,生成酯（酯化反应）,酯化反应特点：,反应需要,H,+,催化，无催化剂时反应很慢。,反应可逆（加大反应物用量或除去水使酯的产率提高）,酯化反应机理的讨论,机理须说明的问题：,a.,反应可逆性,b.,H,+,在,反应中起什么的作用？先作用在哪？,c.,酯中,OR,中氧的来自于酸还是醇？,两种可能的酯化反应机理,(i),通过酰基上的亲核取代,H,+,先与羧基羰基氧结合（增强了羧基的亲电性）,OR,上的氧原子来自于醇,提示：,逆过程为酯的酸性水解机理,(ii),通过烷基碳正离子中间体,H,+,先与醇羟基氧结合,羧基羰基氧作为亲核试剂，,OR,上的氧原子来自于酸,碳正离子中间体,证据：,酸与,烯烃,反应可生成酯,机理,(ii),的关键,碳正离子,研究两种酯化反应机理的实验室方法：,(i),同位素标记法。如：用,RO,18,H,确定烷氧基中氧的来源,(ii),旋光性醇酯化法。,总结：,伯醇、仲醇酯化经机理,(i),。,叔醇酯化经机理,(ii),（,关键：,R,+,稳定，较易生成）,有旋光，,机理,(i),无旋光，,机理,(ii),羟基酸的酯化,形成内酯和交酯,a-,羟基酸,b-,羟基酸,g-,羟基酸,d-,羟基酸,交酯,g-,内酯,d-,内酯,a,b,不饱和酸,2.4,生成酰胺,提示：合成上一般通过羧酸衍生物制备酰胺,（第,13,章）,Cyclic amides:,Imides,from,dioic,acids,or,lactams,fom,amino acids,Imide,formation:,Lactam,formation:,Penicillins,are,lactams,:,ROH stands for,transpeptidase,the enzyme necessary for all cell wall construction.Osmotic pressure in a cell is enormous,10-20,atm,.Penicillin causes literally an explosion.,羧酸与金属有机试剂的反应,与,RMgX,反应,与,RLi,反应,一个制备酮的方法,作为亲核试剂,作为碱,（优先进行）,不溶性盐，,羰基不活泼,难进一步反应,溶解性较好，,可进一步反应,羧酸的还原反应,用,LiAlH,4,还原羧酸至醇,羧基较难被还原,强还原剂可还原至,伯醇,提示：,还原机理：,经过中间体,醛,醛,1,o,醇,合成上应用,制备伯醇,合成上由羧酸制备伯醇，宜先酯化再还原,直接还原羧酸：,LiAlH,4,用量多，,反应开始剧烈，后较慢，,先酯化再还原：,反应较易进行，产率较好，反应条件相对比较温和，,LiAlH,4,用量较少,补充内容：能被,LiAlH,4,还原的化合物及其产物类型,提示：大多数的基团能被,LiAlH,4,还原,其它能还原羧基的试剂,例：,-,NO,2,未受影响,羧酸,a,氢的反应,机理,：,a-,卤代羧酸,P+Br,2,PBr,3,Jakob,Volhard,(1834-1910),Nikolaj,Zelinski,(1861-1953),Carl Magnus von Hell,(1849-1926),Mechanism:,As in the acid catalyzed,halogenation,of,aldehydes,and ketones,this needs,enolization,of RCH,2,COOH.However,the COOH group is too stable to,enolize,sufficiently,hence it requires,activation,to RCH,2,C(O)Br.,p,K,a,16!,Detailed mechanisms of steps 2 and 3:,a-,卤代羧酸在合成上的应用,(i),制备,a-,卤代酯,（制备,Reformatsky,试剂的原料）,(ii),制备,a-,氨基酸或,a-,羟基酸,Reformatsky,试剂,酯难直接卤代,（,P616,，第,13.18,节）,亲核取代,羧酸的脱羧,通过羧酸钠盐脱羧,b-,羰基,酸或,b,g-,烯基酸,的脱羧,注意比较产物与原料的双键的位置,提示：羧基的位有不饱和基团时易发生脱羧,!,产率一般较低,b-,羰基酸,b,g-,烯基酸,b-,羰基酸 和,b,g-,烯基酸,的脱羧机理,桥头碳难成平面型,实验证据：,b-,羰基酸,六员环过渡态,b,g-,烯基酸,b-,羰基酸的脱羧在合成中的应用,例：,合成难点,:,位置选择性不好,反应较难操作,用,b-,羰基酯进行反应,双,活化位,酯基的作用,:,活化、,定位,Hunsdiecker,反应,适用于制备伯溴代烷,反应机理（自由基机理）,第七节 不饱和羧酸和取代羧酸,一 不饱和羧酸,二 卤代酸,三,醇 酸,四,酚 酸,五,羰 基 酸,一 不饱和羧酸,不饱和羧酸包括烯酸和炔酸，就是分子内含有烯键和炔键的羧酸。分子内含有两类官能团，即：,C=C,，,CC,和,COOH,.,根据不饱和键和羧基相对位置的不同，不饱和羧酸可分为,-,和,-,不饱和羧酸,等，我们主要讨论,羧基和烯键直接相连的,-,不饱和羧酸,。,1.,不饱和羧酸的结构,交叉共轭体系,(,共轭和,P,共轭,),由于羟基氧原子上的,P,电子已与,C=O,共轭，使其不再与烯键共轭，而使稳定性增加的不是十分显著。,-,不饱和羧酸,酯,-,不饱和羧酸酯,H,f,(KJ/mol),-387.7,-,389.4,一些,-,不饱和羧酸,有顺反异构体：,反式比顺式能更紧密地排列在晶格中，所以其熔点较高。,(,巴豆酸,m.p,.72,),(,异巴豆酸,m.p,.15,),(,肉桂酸,m.p,.133,),(,异肉桂酸,m.p,.68,),2.,不饱和羧酸的制备：,（,1,）,.,水解法,（,2,）,.,卤代酸酯去卤化氢,（,3,）,.,芳香醛酮的缩合反应：类似于羟醛缩和反应,Perkin,反应，,Knoevenagel,反应，,Witting,反应,参见缩合反应,3.,不饱和羧酸的反应,分子中含有共轭双键体系，容易起,1,4,加成,反应和,Diels-Alder,反应,（,1,）共轭加成反应：,（,2,）,.,Diels-Alde,r,反应：,4.,不饱和羧酸的用途,丁炔二酸,是良好的亲二烯体，可以用来合成结构特殊的化合物。,二 卤代酸,本节只讨论卤素在碳链上的卤代酸。卤代酸我们并不陌生。例如：,ClCH,2,COOH,是工业上常用的合成中间体；杀鼠剂（已禁用）,FCH,2,COONa,(FCH,2,CONH,2,),等。,人们习惯于用希腊字母来表示卤素在碳链上的位置。如：,-,卤代酸,。,卤素在羧基另一端的，称为,-,卤代酸。,2,3,二溴丁酸,-,二溴丁酸,4,溴丁酸,-,溴丁酸,1.,卤代酸的合成,（,1,）,.,-,卤代酸,的合成,：,1).,Hell-,Volhard-Zelinski,反应：,反应是通过酰卤进行的,2).,（,2,）,.,-,卤代酸的合成：,1,）,-,卤代酸的合成,(,赫尔,-,乌尔哈,-,泽林斯基反应,),（,3,）小节,2,）,-,卤代酸的合成,3,）,、,等,卤代酸的合成,(,二元羧酸的单酯用汉斯狄克反应）,RCH=CH-COOH +,HBr,RCHCH,2,COOH,Br,2.,卤代酸的反应,卤代酸具有卤代烃和羧酸的双重反应，彼此又相互影响。由于卤素的影响，卤代酸的酸性比相应的羧酸,强,。,-,C,上卤原子的累积使,羧基更容易失去,；在羧基的影响下，卤原子的性质也有一些变化，,卤素更容易被取代,。,如：,五元环内酯最稳定,双分子亲核取代,（,1,）,-,卤代酸的反应（复习邻基参与）,R-CH-COOH,Br,R-CH-COOH,NaOH,H,2,O,H,+,OH,R-CH-,COONa,R-CH(COOH),2,NaHCO,3,NaCN,CN,H,3,O,+,R-CH-COOH,NH,3,NH,2,H,+,在,Ag,2,O,存在下，用稀碱作用，构型保持。,浓碱作用下，构型翻转。,实 例,-,-,浓,（,2,）,-,卤代酸的反应,（,3,）,-,卤代酸的反应（略）,有,-H,，,在碱作用下，生成,-,不饱和酸,反应机制,：（,请学生自己完成）,无,-H,，,在碱性,CCl,4,溶液中，生成,-,丙内酯,，在碱水中，,-,丙内酯开环。,CH,3,CH,2,CH,Br,C,H,2,COOH,CH,3,CH,2,CH=CHCOOH,CH,3,CH,2,CH=,CHCOONa,NaOH-H,2,O,H,+,（,4,）*,-,卤代羧酸在合成上的应用,(i),制备,a-,卤代酯,（制备,Reformatsky,试剂的原料）,(ii),制备,a-,氨基酸或,a-,羟基酸,Reformatsky,试剂,酯难直接卤代,亲核取代,三 醇 酸,羧酸分子中饱和碳原子上有羟基的酸成为醇酸。除,IUPAC,的命名法则外，,醇酸可根据羟基与羧基的相对位置称为,-,-,和,-,羟基酸,。与卤代酸一样，羟基连在碳链末端时，称为,羟基酸。由于许多醇酸做为生化过程的中间体而存在于天然产物中，所以，在生物科学中，以,俗名命名,也很常见。,2-,羟基丙酸,-,羟基丙酸,乳酸,3-,羟基,-3-,羧基戊二酸,-,羟基,-,-,羧基戊二酸,柠檬酸,1.,醇酸的合成,（小节）,（,1,）,.,二元醇的控制氧化,（,2,）,.,卤代酸的水解,（,3,）,.,羟基睛的水解,分子中同时含有,-OH,和,-CN,如何制备？,（,5,）,.,环酮的氧化,练习,（,4,）,.,Reformatsky,反应,（合成,-,羟基酸酯和,-,羟基酸的重要方法）,参见羧酸衍生物,将二元酸单酯的酯基还原成醇,（,6,）,.,-,羟基酸的合成,HOOC(CH,2,),n,COOC,2,H,5,HOOC(CH,2,),n,CH,2,OH,Na+C,2,H,5,OH,or LiBH,4,H,2,O,1,),醛,（羟醛缩和）,-,羟基醛,（选择性氧化）,-,羟基酸,2,)-,氯醇与,NaCN,反应，再水解。,3,),用瑞佛尔马斯基反应，然后将酯基水解。,4,),用,-,羰基酯还原，水解合成。,（,7,）,.,-,羟基酸的合成,（,8,）,.,-,羟基酸的合成（总结）,1,）由羰基化合物加,HCN,，然后水解合成。,2,）由,-,卤代酸合成。,3,）,分子内的发生,Cannizzaro,反应。,4,）,二苯乙醇酸重排,（参见缩合反应）,2.,醇酸的性质和反应,（,1,）酸性：,醇酸含有羟基和羧基两种官能团，由于羟基具有,吸电子效,应,并能生成,氢键,，醇酸的酸性较母体羧酸,强,，水溶性也较大。羟基,离羧基越近，其酸性越强。,p,Ka,：,4.86,3.87,4.51,（,2,）,与醛的反应：,-,和,-,醇酸,与醛一起加热，生成环状化合物,相当于生成缩醛,-,羟基酸,-,羟基酸,*若无,-H,，,则形成,-,丙内酯,-,羟基酸,-,羟基酸,(C9),在极稀溶液内，可形成大环内酯。,-,丁内,酯,-,戊内,酯,（,3,）,.,脱 水 反 应*,1,）分 子 内,2,）,分 子 间,n,HO(CH,2,),8,COOH,Sb,2,O,3,聚 酯,ii.,-,醇酸,：两分子相互酯化，生成六元环交酯,i.,生成聚酯,（,4,）,-,醇酸的降解,（合成比原料少一个碳原子的醛酮）,？,3.,醇酸的用途,乳酸,苹果酸,酒石酸,柠檬酸,四 酚 酸,羟,基和羧基连在芳环上的羟基酸称为酚酸。命名时酚酸以芳香酸为母体，羟基作为取代基。,酸性的比较：,羟基和羧基邻位效应；共轭,碱能生成分子内氢键，其稳,定性增加。,p,Ka,=2.69,1.,酚酸的合成：,Kolbe-Schmidt,反应,2.,酚酸的反应,脱羧反应,酰化反应,阿斯匹林,五,.,羰 基 酸,羰基酸是分子中同时含有羰基和羧基的一类化合物。,1.,羰基酸的分类和命名,根据羰基的结构，羰基酸可分为,醛酸,和,酮酸,；按照羰基,和羧基的相对位置，酮酸又可分为,-,酮酸和,-,酮酸。,羰基酸的普通命名，是,选择包括羰基和羧基的最长链为主,链，,称为“某酮（醛）酸”。若是酮酸，需用阿拉伯数字或希腊,字母,标记羰基的位置,（习惯上多用希腊字母）。也可用酰基,命名，称为“某酰某酸”。例如：,-,丁酮酸,乙酰乙酸,乙醛酸,2.,羰基酸的化学性质,（,1,）,.,-,酮酸,：,丙酮酸是最简单的,-,酮酸,-,酮酸的特征反应,人体内，丙酮酸在缺氧时，在酶的作用下会发生还原反应生成乳酸（微生物发酵产生的酒精，是由丙酮酸脱羧生成的乙醛还原所得）。,（,2,）,.,-,酮酸,最简单的,-,酮酸是,乙酰乙酸,。,-,酮酸是不稳定的化合物，,容易脱羧成酮。,-,酮酸酯是稳定的，在合成上有重要的用途。,（,3,）,-,羰基酸的脱羧在合成中的应用,例：,合成难点,:,位置选择性不好,反应较难操作,用,b-,羰基酯进行反应,双,活化位,酯基的作用,:,活化、,定位,两只鼠姑娘在路上相遇：,“哎，我最近交了个男朋友！”,“是吗？快拿照片给我看看！”,拿出一张蝙蝠的照片来。,“呀，怎么这么丑哇！”,开心一笑,!,“,丑是丑了点儿，可他是个飞行员呐！,”,本章,重点,1,羧酸的结构特征、命名、物性,2,不同羧酸酸性大小的比较,3,羧酸的反应 酰化反应、脱羧反应、还原反应,4,一元羧酸的制备方法,5,二元羧酸的命名和反应,（,1,）,3-,甲基丁酸乙酯 （,4,）,3-,甲基丁腈,（,2,）,3-,甲基丁酰胺 （,5,）,3-,甲基,-1-,丁醇,（,3,）,3-,甲基丁酰氯 （,6,）,2-,溴,-3-,甲基丁酸,1.,如何将,3-,甲基丁酸转变成下列产物？,练习,2,写出下列反应的产物：,3,写出下列反应的产物：,4,如何实现下列转化：,5,由指定原料合成下列化合物,C,9,H,10,O,3,.,max.3400-2500(b.),1700,1600,860cm-1,H:1.6(t.3H),4.3(q.2H),7.1(d.2H),8.2(d,2H),8.2(d.2H),10.0(b.1H),6,推测下列化合物的结构,（,1,）甲酸 乙酸 乙醛 （,2,）乙酸 草酸 丙二酸,7,用化学方法鉴别下列各组化合物,答案：,（,1,）,（,2,）,1,2,3,4,5,6,