有机化学羧酸

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
O
OH H O
邻位
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。
COOH
OH
间位
诱导吸电子作用中、
O R C OH
SOCl2 PCl3 PCl5
O R C Cl
酰(基)氯
O R C OH
PBr3
O R C Br
酰(基)溴
比较: 醇类的卤代
R OH
SOCl2 PBr3
R Cl R Br
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）
O 2 RCH2 C OH
P2O5
强除水剂
(ii) 通过烷基碳正离子中间体
H HOR'
H2O R'
- H2O
R'
O
R C OH
O R' R C OH
OR' R C O+
OR' R C OH
H2O
H3O
➢ 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
机理 (ii)的关键 ——碳正离子
O R C OH + R'
O R C OR'
碳正离子中间体证据：酸与烯烃反应可生成酯
O
H3C
H
R C OH +
C CH2
H3C
O
CH3
R C O C CH3
CH3
H
-H
O
H3C
R C OH
OH
CH3
C CH3
R C O C CH3
H3C
CH3
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RO18H确定烷氧基中氧的来源
NCCH2CH2CN
H2O H+
HOOCCH2CH2COOH
丁二酸
(1) NaOH NCCH2COONa (2) H2O / H+
HOOCCH2COOH
丙二酸
C3H7CHO
HCN
OH C3H7CH CN
H2O, HCl
OH C3H7CH COOH
a-羟基酸
C3H7CHO
HCN (NH4)2CO3
NH2 C3H7CH CN
腈的碱催化水解机理
RC N OH
RC O
加成
H OH RC N
HO
OH H
NH
OH R C NH2
O
R C NH
O H OH
OH 加成
R C NH2 O
消除
O R C OH + NH2
O R C O + NH3
*有机锂试剂和CO2的反应
RLi + CO2
RCOOLi H2O RCOOH
RLi
R
二缔合体 ~1710cm-1 ~1690cm-1
1700-1690cm3000 ~2500cm-
羧酸的光谱性质
醇羟基、羧酸羟基、烷基IR吸收的比较
C4H8O
正己烷
乙酸
乙酸的NMR谱
乙酸的MS谱
2-甲基丙酸NMR图
2-甲基丙酸MS图
第四节 羧酸的结构和酸性 一 羧酸和羧酸根的结构比较
两个碳氧键
(Z)-HOOCCH=CHCOOH 顺丁烯二酸
(E)-HOOCCH=CHCOOH 反丁烯二酸
普通命名 草酸 缩苹果酸 琥珀酸 马来酸 富马酸
含有二个羧基的羧酸称为二元酸。
Include as many functions as possible in stem
(Better than 4-acetylheptanoic acid)
a-羟基酸 -羟基酸
HOOC
COOH
CH CH
pKa1=2.0 pKa2=6.5
pka 2.98
5）. 场效应
HOOC CH CH COOH
pKa1=3.0 pKa2=4.5
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
δ-
δ＋
Cl
H
O
CC C O
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
共轭给电子作用小。
COOH
OH
对位
诱导吸电子作用小、 共轭给电子作用大。
pka 2.98
pka 4.08
pka 4.57
Ref. 苯甲酸的pka 4.20
应用：利用羧酸的酸性分离和纯化化合物
混合物
R CO2H +
非酸性化合物
OH 有机溶剂萃取
水相 有机相
H+ R CO2
非酸性化合物
R CO2H
第五节 羧酸的制备
Carboxylic acids take precedence over other groups:
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。
(ii) 旋光性醇酯化法。
R1
O
C* OH + HO C R H
R3
R2
R1
O
* R3 C O C R
R2
有旋光，机理(i)
R1
O
() R3 C O C R
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）
R2
无旋光，机理(ii)
羟基酸的酯化——形成内酯和交酯
OLi CR
H2O
O R-C-R
OLi
讨论： (1)(2)(3)同格氏试剂。(4)（注意：投料比对产物的影响）
实例
C2H5
I
C=C
CH3Hale Waihona Puke Baidu
H
n-C4H9Li/Et2O -50 至 -60oC
C2H5
Li
C=C
CH3
H
CO2
H2O
C2H5
COOH
C=C
CH3
H
*有机锂化合物的烃基化反应在合成羧酸中的应用 实例一
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）
1. 氧化法
O RCH
R
H
CC
H
R
R CH2OH O
R C CH3
[O]
O
R C OH
➢ 用什么氧化剂？ ➢ 氧化剂的选择性？
2. Grignard试剂 + CO2
O RCH2 C O
O C CH2R +
H2O
酸酐
➢ 可能机理:
乙烯酮衍生物
O
P2O5
RCH C OH
-H2O H
OH
RHC C O
O RCH2 C OH O
RHC C O C CH2R
RHC
O
OH
C O C CH2R
RCH2
O
O
C O C CH2R
分子内二酸的脱水（第12.14节）:
COOH
COOH
O
1.23Å
不等长，部
O
分离域。
HC
HC OH
1.36Å
OH
醇中C-O单键键长为1.43Å
两个碳氧
O
键等长，
完全离域。 H C
H
O
O
C O-
1.27Å
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。
2 多数的羧酸是弱酸，pKa约为4-5（大部分的羧酸是以 未解离的分子形式存在）
3 取代基对羧酸酸性的影响
共轭效应：
X= OH OCH3 CH3 H Cl NO2 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
CH3
COOH
CH CH
3.68
CH3 CH CH COOH
4.44
4). 氢键：分子内的氢键也能使羧酸的酸性增强。
O B:
R C OH
O RC
O
O RC
O
有两个完全 等价的共振式
O RC
O
吸电子基对羧酸酸性的影响
Cl
Cl
H
Cl C CO2H Cl C CO2H Cl C CO2H
Cl
H
H
H
H C CO2H
H
Ka 23200×10－5
5530×10－5
136×10－5
1.75×10－5
应用：利用羧酸的酸性分离和纯化化合物
RCH2COOH + 2LiN(i-C3H7)2
R’X
H2O RR’CHCOOH
RCHCOO-Li+
Li+
实例二
(CH3)2CHCOOH + 2LiN(i-C3H7)2 THF, C6H14, 0oC
(CH3)2CLiCOOLi Br(CH2)nBr
CH2 CH2 H2O HOOCC(CH2)nCCOOH
H2O, HCl
Strecker反应
NH2 C3H7CH COOH
a-氨基酸
腈的酸催化水解机理：
H+ R CN
加成 R C NH
H2O
R C NH H2O
R C NH2 HO
H2O
R C NH2 HO
加成
H2O R C NH2
HO
HO R C NH3
HO
消除
OH
NH3
R C OH
O R C OH + NH4
提示：逆过程为酯 的酸性水解机理
O
H
R C OH
OH R C OH
OH R C OH
OH 亲核加成
R C OH
HOR' H2O H
O
R C OR'
HOR' OH
R C OH OR' H
- H2O
O R C OR' + H3O
➢ 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
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
系统命名 甲酸 乙酸 丙酸 丁酸
十八（碳）酸
普通命名 蚁酸 醋酸 初油酸 酪酸 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
HOOCCOOH
乙二酸
HOOCCH2COOH
丙二酸
HOOC(CH2)2COOH
丁二酸
羧酸的化学性质 羧酸的结构及化学性质分析
羰基不饱和, 可加成、还原
O
R CH C H
羧基可脱去 CO2
OH
H有酸性
羰基 a-H，有弱 酸性，可取代
OH 可被取代
1. 羧酸的酸性
几种活泼氢的酸性比较
R COOH
羧酸 pKa ~ 5
ArOH 酚
~ 10
ROH
醇 ~ 16-19
羧酸根负离子的共振式与稳定性
混合物
R CO2H +
非酸性化合物
OH 有机溶剂萃取
水相 有机相
H+ R CO2
非酸性化合物
R CO2H
2. 羧基上羟基的取代
取代羟基生成羧酸衍生物
O R C OH
羧酸
O RC X
O
O
R C O CR
O R C OR'
O R C NH2(R)
羧酸衍生物
酰卤 酸酐 酯 酰胺
2.1 形成酰卤（下册，第13.6节）
CH2 CH2
实例一和实例二 ：从羧酸合成a-取代羧酸
实例三
从一元羧酸合 成二元羧酸
CH3 COOH
LDA/THF -78oC
CO2
-78oC
H2O
CH2Li
CH2COOH COOH
COOLi
CH3(CH2)3Br H2O
CH2(CH2)3CH3 COOH
从羧酸合成 取代羧酸
第六节 羧酸的反应
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 a- 氢的反应 6. 羧酸的脱羧
第十四章 羧 酸
本章提纲
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 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 HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3CH2CH2COOH CH3(CH2)16COOH
COOH COOH
O O + H2O
O O
O + H2O O
正常反应: 形成环状酸酐
加热反应即发生
COOH COOH
COOH COOH
O + H2O + CO2 O + H2O + CO2
异常反应: 形成环状酮
2.3 生成酯（酯化反应）
O
H+
O
R C OH + HOR'
R C OR' + H2O
第三节 羧酸的光谱特征
1HNMR IR光谱
R2CHCOOH HCR2COOH
羧酸中的C=O： RCOOH CH2=CHCOOH ArCOOH 羧酸中的OH： 羧酸中的C-O
单体 1770~1750cm-1
~ 1720 cm-1
~ 3550 cm-1 ~ 1250 cm-1
H： 10~12 H： 2~2.6
Cl
Cl
H
Cl C CO2H Cl C CO2H Cl C CO2H
Cl
H
H
H
H C CO2H
H
Ka 23200×10－5
5530×10－5
136×10－5
1.75×10－5
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)
Mg
CO2
H2O
RX
RMgX
(RCO2)2Mg
RCO2H
制备比 RX 多一碳的羧酸
➢亲核加成机理
MgX O
R
C
O
O H2O
R C O MgX
O R C OH
3. 腈类化合物的水解（酸性水解和碱性水解）
R CN
H
H2O,
OH
H
H2O
R COOH
例：
2 NaCN BrCH2CH2Br
NaCN ClCH2COONa