羧酸和取代羧酸

NO2
O HOOCCH2CCOOH
脱羧酶
NO2
O CH3CCOOH + CO2
(六)脂肪族二元羧酸的脱水和脱羧反应
2~3个C COOH
COOH
160～180℃
HCOOH + CO2
HOOCCH2COOH 140～160℃ CH3COOH + CO2
4~5个C
CH2COOH CH2COOH
CH2COOH CH2 CH2COOH
RCOOH + H2O
O RC
O-
RCOO- + H3O+ O-
RC O
1.影响酸性强弱的因素
电子效应；场效应；芳香酸邻位效应
电子效应：
FCH2COOH ClCH2COOH BrCH2COOH ICH2COOH
pKa 2.67
2.87
2.90
3.16
CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH
HOR'
R
C
+
OR' H
OH
（关键步骤）
OH R C OR'
+
OH2
反应速率：
_ H2O R
+
OH C
OR'
O
RC
+ H+
OR'
醇：CH3OH > 1° > 2° > 3° 酸：HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH
B.碳正离子机理（烷氧断键，叔醇）
OH
R3C OH
CH2
C
CH2 CH2
O + CO2
+ H2O
高温
nHOOC(CH2)nCOOH
O
O
O
O
C (CH2)n C O C (CH2)n C O n
(n≥6)
(七)甲酸及草酸的特殊反应
O
O
HC OH [O] HO C OH
CO2 + H2O
COOH + KMnO4 + H2SO4
COOH
K2SO4 + MnSO4 + CO2 + H2O
2-丁烯酸
(3) γ-醇酸和δ-醇酸脱水得 5员或6员环内酯
O
CH2CH2CH2C OH OH
γ-羟基丁酸
βα
γ
O
O + H2O
γ-丁内酯（1,4-丁内酯）
NaOH
OO
CH2CH2CH2COONa OH
γ-羟基丁酸钠（麻醉药）
HOCH2(CH2)3COOH δ-羟基戊酸
CH3
O
O
NaOH
CH3
β-甲基-δ-己内酯 (3-甲基-1,5-己内酯)
（二）羟基酸
NaOH
RCHCOOH
RCHCOO-
H+
RCHCOOH
Cl
OH
OH
RCHO + HCN
OH RCH H3O+
CN
O
O + BrCH2COC2H5
Zn C6H6
OH RCHCOOH
OZnBr CH2COOC2H5
H2O
OH CH2COOC2H5
Note: Reformatsky Reaction；有机锌试剂不与酯反应。
酯化反应机理：
A.亲核加成-消除（酰氧断键，大多数酯化反应）
实验事实：
18
C6H5COOH + HOCH3
H+
18
C6H5COOCH3 + H2O
CH3COOH+ HO
H
C (CH2)5CH3 CH3
H+ CH3COO
H
C (CH2)5CH3 + H2O CH3
O RC
+
H+
OH RC
OH
OH
OH
(1) LiAlH4 , Et2O
(2) H3O+
CH2 CHCH2CH2OH
O2N
1. B2H6/四氢呋喃
COOH
2. H3O+
O2N
CH2OH
Note: 硼氢化钠不能还原羧酸
(四)α–H 的卤代反应
RCH2COOH + X2
P or PX3
RCHCOOH X
机理：
O RCH2COOH PX3 RCH2 C X
四、羧酸的制备
1、氧化法
RCH2OH
[O]
[O]
RCOOH RCHO
RCOOH
2、腈水解
BrCH2CH2Br NaCN NCCH2CH2CN H3O+ HOOCCH2CH2COOH
3、格氏试剂羧化 Br
MgBr
COOH
Mg Et2O
CO2
H3O+
第二节 取代羧酸(Substituted carboxylic acid)
邻基参与效应
(Neighboring group participation)
实 HOOC
-OOC
验 事
NaOH
H C Br Ag2O
+
H
C OH H
实 H3C
H3C
机理：O-
CH3 -AgBr
O
CH3
C CH
CC
O
Br
O OH- H
+
Ag
HOOC
C OH H
H3C 构型保持
O
C O
CH3 CH OH
CN
COOH
二元酸
完成下列转化：CH3CHCH2CHO
CH3
CH3 CH3CHCHCOOH
NH2
KMnO4
CH3CHCH2CHO H+ CH3CHCH2COOH
CH3
CH3
Cl2 P
CH3 CH3CHCHCOOH
NH3
CH3 CH3CHCHCOOH
Cl
NH2
（五）脱羧反应
Note: A. α-碳上连有吸电子基的羧酸易脱羧
CHCONH NH2 O
S N
CH3
CH3 COOH
羧酸衍生物制备小结：
O R C NH2
酰胺
OO RCOCR
酸酐
H2N
氨基
O
R C OH
O
RCO
酰氧基
OR'
烷氧基
O
R C OR'
酯
O
X
RC X
卤素
酰卤
(三)还原反应
RCOOH LiAlH4
C2H5OC2H5
H3O+
RCH2OH
CH2
CHCH2COOH
一、羧酸的结构
sp2
p-π共轭
Note：A. C=O和C−O键长趋于平均化； B. 羟基氢易电离； C. 羰基碳正电性降低
二、羧酸的分类和命名
（一）分类
脂肪酸 芳香酸
饱和脂肪酸 不饱和脂肪酸
（二）命名
CH3CH2CH2CHCOOH CH3
2-甲基戊酸 （α-甲基戊酸）
CH2COOH
环戊基乙酸
一元酸 多元酸
第十章 羧酸和取代羧酸
教学内容要求 掌握：* 羧酸的结构特点
羧酸和取代羧酸的命名
* 羧酸的酸性及其影响因素；羧酸衍生
物的生成反应；二元羧酸受热反应 卤代酸、羟基酸的特征反应
了解：
羧酸及其衍生物的物理性质
羧酸的还原反应；脱羧反应；α-氢活 性反应
邻基参与效应
第一节 羧酸(Carboxylic acid)
RCHCH2CH2COOH NaOH/H2O R X
O
O
3.α-卤代酸的水解
NaOH
CH3CHCOOH
CH3CHCOO-
Br
OH
HOOC C Br NaOH
H CH3
COO HO C Br
H CH3
COO
HO C H
CH3
SN2机理，构型翻转
H+ CH3CHCOOH OH
COOH H+ HO C
H CH3
300℃ 300℃
O CH2 C
O
CH2 C O
+ H2O
O
CH2 C
CH2
O + H2O
CH2 C
O
6~7个C
CH2CH2COOH 300℃ CH2CH2COOH
CH2 CH2
C O + CO2
CH2 CH2
+ H2O
CH2CH2COOH CH2
CH2CH2COOH
>7个C
300℃
CH2 CH2
β
γ
α
δ
+ H2O
OO
δ-戊内酯
CH3CHCH2CHCH2COONa OH CH3
β-甲基-δ-羟基己酸钠 (3-甲基-5-羟基己酸钠)
2.氧化反应
三、取代羧酸的制备
（一）卤代酸
Br2
CH3CH2CH2COOH P
CH3CH2CHCOOH Br
RCH CHCOOH + HX
RCHCH2COOH X
氯化亚砜（亚硫酰氯）
3、生成酸酐
O
O
O
O
R
C
OH + HO
C
R P2O5 或强热
R
C
O
C
R
OO
制备混酐：RCOONa + R'COCl
制备环酐：
COOH
RC O CR'
O
O
COOH
O
4、生成酰胺
RCOOH NH3 RCOONH4
O H2O R C NH2
CN OH
酰胺键
请指出氨苄青霉素中的酰胺键
G:
CC
-L
L
G:
CC ba
Nu:
G:
a
CC
构型保持
Nu
b
G:
CC
产物重排
Nu
邻基参与发生的特点：环状中间体生成；
立体化学特征；
反应速率明显加快
G
H2O/C2H5OH
Cl
G:
反式C6H5S
相对反应速率
7000
G +
OH
G OC2H5
H
顺式C6H5S
1
0.16
反式异构体存在邻基参与效应
（二）醇酸的化学性质
OH RCH C X X2
OH RCH C+ X
X
+OH RCH C X -H+
X
O RCH C X RCH2COOH
X
O
O
RCH C OH + RCH2CX X
合成意义：
R CH COOH X
OH- R CH COOH
α-羟基酸
OH
NH3 R CH COOH
α-氨基酸
CN -
NH2 R CH COOH H2O/H+ R CH COOH
知识扩展：酮体与糖尿病
酮体是β-丁酮酸、β-羟基丁酸及丙酮的统称。它是脂肪 酸在肝脏线粒体中氧化分解的产物。β-丁酮酸在脱氢酶的催 化下还原生成β-羟基丁酸； β-丁酮酸经脱羧反应生成丙酮。 丙酮随肺呼吸排出体外，β-丁酮酸、β-羟基丁酸进入血液， 成为肌肉组织，尤其是脑细胞能量的重要来源。健康人体 血液中酮体的浓度约为10mg/L，当饥饿、禁食或胰岛素不 足时酮体的浓度可高达正常健康人体的500倍以上。β-丁酮 酸和β-羟基丁酸都是酸性化合物，血液中酮体的浓度过高将 导致酮体酸中毒。酮体酸中毒常会发生在未治疗的Ⅰ型糖 尿病和血糖控制不好的Ⅱ型糖尿病患者中。通过检测血液 中酮体的水平可以作为Ⅰ型糖尿病辅助诊断的手段以及Ⅱ 型糖尿病患者血糖控制好坏的依据。
COOH HOOCCH2CCH2COOH
OH
3-羧基-3-羟基戊二酸（柠檬酸） 2-羟基丙烷-1,2,3-三羧酸
HOOCCCH2CH2COOH α-酮戊二酸 O
二、取代羧酸的化学性质
（一）卤代酸的化学性质
1. β-卤代酸的消除反应
RCHCH2COOH NaOH/H2O X
RCH CHCOOH
2. γ-,δ-卤代酸的成酯反应
CH2COOH
β-萘乙酸
CH3CH2CHCOOH CH CH2
2-乙基-3-丁烯酸
H
COOH
CC
H3C
H
(E)-2-丁烯酸（巴豆酸）
O RC
酰基
C6H5CH CHCOOH
3-苯基丙烯酸（肉桂酸）
COOH
COOH
(1R,3R)-1,3-环己烷二羧酸
O
CH3
C
对甲基苯甲酰基
三、羧酸的化学性质
(一)酸性
COOH NO2
pKa
2.21
COOH OH
pKa 3.00
COOH
NO2
3.40
COOH
OH
4.12
COOH NO2
3.46
COOH
4.17
COOH
4.17
COOH
OH
4.54
2.羧酸酸性的应用：成盐；成酯；手性分子拆分
S CHCONH
NH2
N
O
羧酸的碱金属盐易溶于水
CH3 CH3
COOHNa
氨苄青霉素 （氨苄西林）
1.受热脱水反应 (1) α-醇酸脱水得交酯
H3C OH HO O
+ O OH HO CH3
α-羟基丙酸
H3C O O
O O CH3
丙交酯
O
O
O
O
乙交酯
H2O H+ or OH-
CH2COOH OH
羟基乙酸
(2) β-醇酸脱水得 α,β-不饱和酸
CH3CH CHCOOH
OH H
β-羟基丁酸
CH3CH CHCOOH + H2O
一、取代羧酸的分类和命名
CH3CHCH2COOH OH
β-羟基丁酸
O CH3CCOOH 丙酮酸（α-氧代丙酸）
CH3SCH2CH2CHCOOH NH2
2-氨基-4-甲硫基丁酸
COOH H OH
CH2COOH
源自文库(R)-2-羟基丁二酸（苹果酸）
OH HOOCCHCHCOOH
OH
2,3-二羟基丁二酸（酒石酸）
C2H5
CH2Cl + CH3COONa CH3COOH
C2H5
O CH2OCCH3
(乙酸对乙基苄酯)
(外消旋体)
(非对映异构体)
(二)羧基中羟基的取代反应
1、酯化反
应 通式： RCOOH + R'OH
H+
RCOOR' + H2O
Note:酯化反应为可逆反应
思考题
1.增大反应收率的方法？ 2.对药物生物利用度的影响？
H+
+
_ H2O
R3C OH2
R3C+ O
C R'
+
OH
O
R' C O CR3
R' C OCR3 + H+
C.酰基正离子机理（部分取代芳酸）
CH3
O C OH
CH3
H2SO4 CH3
O
+
C OH2 CH3 H2O
．． O
C+
CH3
CH3
CH3
CH3
O+
C CH3
CH3OH
CH3
H O +OCH3
C
CH3
CH3
CH3
HSO4-
CH3
O
C OCH3 CH3
CH3
CH3
CH3
2、生成酰卤
O
O
R C OH + PCl3
三氯化磷
O
R C Cl + H3PO3
亚磷酸
O
R C OH + PCl5
五氯化磷
O
R C Cl + POCl3 + HCl
三氯氧磷
O
R C OH + SOCl2
R C Cl + SO2 + HCl
pKa 4.76
2.87
1.36
0.36
pKa
COOH COOH
1.46
CH2COOH CH2COOH
4.17
CH2CH2COOH CH2CH2COOH
4.43
场效应(Field effect)：
H Cl H Cl HO
O
pKa=6.07
Cl H Cl H
HO O
pKa=5.69
芳香酸邻位效应：
B.邻、对位连有吸电子基的芳酸易脱羧
O
△
CH3CCH2COOH
RCHCOOH H2SO4 OH α-羟基酸
O CH3CCH3 + CO2
β-酮酸易脱羧
RCHO + HCOOH
CH3CCOOH Ag(NH3)2+ O
α-酮酸
CH3COO- + CO2
COOH
O2N
NO2
H2O
O2N
△
NO2 + CO2