第十章 羧酸和取代羧酸

1,2-benzenedicarboxylic acid
or o-benzenedicarboxylic acid
取代羧酸：
α-羟基丙酸 （乳酸） α-hydroxy propanoic acid
邻羟基苯甲酸 （水杨酸） o-hydroxybenzoic acid (Salicylic acid)
Z-3-甲基-3-戊烯酸 Z-3-methyl-3-pentenoic acid
芳香羧酸：
苯甲酸 benzoic acid
3,4,5-三羟基苯甲酸 3,4,5-trihydroxybenzoic acid
多元羧酸：
(1R,3R)-1,3-环已烷二羧酸(1R,3R)-1,3cyclohexanedicarboxylic acid 邻苯二甲酸
e. 羟基取代苯甲酸酸性顺序：注意邻位取代
p K :
2.98
4.12
4.54
分子内氢键
f. 甲氧基取代苯甲酸酸性顺序：注意对位取代
pKa: 4.09 电子效应：-I、+C
4.09 -I
4.17
4.47 -I、+C
（3）二元羧酸的酸性
二元羧酸中有两个可解离的氢，电离分两步进行。第一步 电离时，要受另一个羧基吸电子诱导效应的影响，两个羧 基相距愈近，影响愈大。因此，二元羧酸酸性的变化均与 两个羧基的相对距离有关。 例如： 乙二酸: pKa1为 1.23 丙二酸: pKa1为 2.8
二、结构及物理性质
p-π共轭
结构：
sp2杂化
sp2杂化
羧基碳原子为sp2杂化，三个sp2杂化轨道分别与两个氧原
子和另一个碳原子或氢原子形成三个σ键。未参与杂化的p 轨道与氧上的p轨道形成一个π键，羧基是一平面结构，羟 基氧原子上占有未共用电子对的p轨道可与羰基的π键发生 p-π共轭。
物理性质
3-羧基-3-羟基戊二酸 3-carboxy-3-hydroxypentandioic acid 2-氧代丙酸 or 丙酮酸
2-oxopropanoic acid
or Pyruvic acid
酰基 (acyl)：名称可根据相应羧酸来命名。
乙酰基 (acetyl)
2-乙基苯甲酰基 2-ethylbenzoyl
混合酸酐用酰卤和羧酸盐反应：
分子内二酸脱水可形成环状酸酐：
4、生成酰胺 羧酸可以与氨（或胺）反应形成酰胺（amide）。羧酸与 氨（胺）反应首先形成铵盐，然后加热脱水得到酰胺。
思考题：排列下列化合物酸性
D> C>A>B
A> E > C > D > B
思考题：排列下列醇或酸在酸催化下酯化时的速度：
2-(4-异丁基苯基)丙酸 2-(4-isobutyl phenyl)propanoic acid
6-萘基己酸
6-naphthyl hexanoic acid
不饱和羧酸：选择含有羧基和不饱和键在内的最长碳
链为主链，编号时仍然从羧基开始，称“某烯酸”。
2-丁烯酸（巴豆酸） 2-butenoic acid
（1）脂肪族一元羧酸的酸性（主要考虑取代基诱导效应 影响） a. 吸电子基使酸性增强，给电子基使酸性减弱；
G为给电子基：
G为吸电子基：
b. 取代基越多，影响越大（诱导效应具有加和性）；
c. 取代基距离羧基越远，影响越小（诱导效应随距离增 加而减弱）；
d. 取代基的吸电子能力越强，则该酸酸性越强。 一般在元素周期表中，自左至右或从下到上吸电子
α-卤代羧酸
例：
（五）脱羧反应(decarboxylation reaction)
羧酸分子中脱去羧基并释放出CO2的反应。
1、在α-碳上连有吸电子基（如硝基、卤素、酰基、羧基、 氰基和不饱和键等）的羧酸容易发生脱羧反应。
A = -COOH、-CN、-C=O、-NO2、-CX3、-C6H5等 吸电子基团。
b. 碳正离子机理（烷氧键断裂 ） 叔醇具有比较大的空间位阻，并且酸性条件下易生成碳正
离子，发生的是烷氧键断裂，以碳正离子机理反应。
实验表明，光学活性三级醇发生酯化反应得到消旋酯产物， 如：
(S)
(dl)
烷氧键断裂，醇提供羟基：
H+先与醇羟基氧结合； 羧基羰基氧作为亲核试剂，产物酯中所有氧原子来自于 羧酸。
b. 取代基越多，影响越大。
c. 硝基取代时邻位取代的影响比对位、间位取代影响大。
电子效应：-I、-C
-I、-C
-I
诱导效应 共轭效应
诱导效应
d. 邻位取代除-NH2之外，都使酸性增强，这主要是由于邻 位效应引起的。
这里既有诱导效应，也有共轭效
应；主要起作用的是邻位效应。 邻位效应是一种综合作用，包括 电性效应、空间位阻和氢键的影 响等因素。
(-COOH直接与芳环相连)
苯甲酸
一元酸 Monocarboxylic acid 根 据 羧 基 数 目
乙酸
二元酸 Dicarboxylic acid
草酸
多元酸 Polycarboxylic acid
2-羟基-1, 2, 3-丙三羧酸 柠檬酸
卤代酸 根 据 烃 基 上 取 代 基 不 同
ω-溴十一二酸
2、生成酰卤
羧基中的羟基被卤素取代的产物称为酰卤（acyl halide），
其中最重要的是酰氯（很活泼，容易水解）。
负产物为气体，易分离
亚磷酸200 oC 分解
三氯氧磷bp 107 oC
3、生成酸酐 羧酸在脱水剂（如乙酰氯、乙酸酐、P2O5等）存在下加热， 发生分子间脱水生成酸酐（anhyride）。
A >C>B
完成下列反应式：
（三）还原反应 羧基较难被还原，不能被催化氢化和NaBH4还原； 强还原剂（LiAlH4）可还原至伯醇（不饱和键不受影
响）。
（四）羧酸 α-H的反应 羧酸 α-H较醛、酮α-H活性差，卤代时需加少量催化剂（P或
PX3）。
赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应 (Hell-Volhard-Zelinsky-reaction):
p-π共轭，负电荷分散
取代基 R会影响羧酸根负离子稳定性，进而影响相应羧酸 酸性！
3、取代基对羧酸酸性的影响
多数羧酸是弱酸，大部分以未解离的分子形式存在，例如 乙酸在水中：
0.1mol/L的乙酸仅有1.3%离解。 羧酸的酸性强弱受碳链上取代基影响，取代 基的性质、数 目、以及取代基在碳链上的位置等都对羧酸酸性产生影响。 实质：考虑生成羧酸根负离子稳定性！即：若烃基上的取 代基有利于负电荷分散，羧酸根负离子稳定，酸性增强； 反之则会使酸性减弱。
例：β-酮酸易脱羧：
例：三氯乙酸易脱羧：
2、羧基直接与羰基相连的α-酮酸和乙二酸也易发生脱羧反 应。
1、物态： C1~C3：有刺激性酸味的液体，溶于水。 C4~C9：有酸腐臭味的油状液体，难溶于水。 > C9：腊状固体，无气味。
2、沸点： 羧酸分子间可以形成氢键。 液态可能有二聚（缔合）体存在。 羧酸的沸点比分子量相近的醇的沸点高得多。 甲酸沸点（100.5 oC ）> 乙醇沸点（78.3 oC）； 乙酸沸点（118 oC ）>丙醇沸点（97.2 oC ）。
羧酸的沸点通常随分子量增大而升高。
二聚体
3、水溶性：
羧酸与水也能形成很强的氢键，所以丁酸比同数碳原子 的丁醇在水中的溶解度要大一些。 在饱和一元羧酸中，甲酸至丁酸可与水混溶；其它羧酸 随碳链的增长，憎水的烃基愈来愈大，水溶性迅速降低。 高级一元羧酸不溶于水，而溶于有机溶剂中。 多元酸的水溶性大于同数碳原子的一元羧酸；而芳香羧
取代基对羧酸酸性影响的一般规律： 给电子基使羧酸酸性减弱; 吸电子基使羧酸酸性增强。
吸电子诱导效应：
NO2 > CN > F > Cl > Br > I > C≡CH > OCH3 > OH > C > C6H5 > CH=CH2 > H 给电子诱导效应： (CH3)3C > (CH3)2CH > CH3CH2 > CH3 > H
能力依次增强；烃基的C原子在杂化时 S 成分越多，
吸电子能力越强。
H3C CH2COOH H2C CHCH2COOH HC CCH2COOH
C 原子的吸电子能力：
sp＞sp2 ＞sp3
（2）芳香族一元羧酸的酸性 pKa = 4.17 a. 取代基位于间位和对位时，一般吸电子基使酸性增强， 给电子基使酸性减弱。
4、成盐反应
应用: a. 用于羧酸的分离和纯化； b. 用于羧酸与苯酚的鉴别、分离； c. 改变药物的水溶性。
应用举例：分离、鉴别
不溶于水的羧酸，既溶于NaOH，又溶于NaHCO3； 不溶于水的酚，溶于NaOH，但不溶于NaHCO3；
不溶于水的醇，既不溶于NaOH，也不溶于NaHCO3。
（二）羧基中羟基的取代反应 在一定条件下，羧酸分子中羧基上的羟基可以被卤素(X)、 酰氧基（RCOO-）、烷氧基（RO-）或氨基（-NH2）所
取代，分别得到酰卤（acylhalide ）、酸酐（anhydride） 、
酯（ester）和酰胺（amide）等羧酸衍生物。 酰卤 酸酐
酯
酰胺
1、酯化反应 (esterification) 羧酸与醇在酸催化下反应生成酯（ester）和水的反应。 在同样条件下，酯和水也可作用生成羧酸和醇，称酯的水 解反应。所以酯化反应是可逆反应。
酸催化下反应速度加快；常用的催化剂有硫酸，氯化氢 或苯磺酸等。 可逆反应，加大反应物用量(一般以醇为溶剂) 或除水以 提高产率。
酯化反应机理： 主要有两种反应机理：