第十三章 羧酸

第十三章羧酸
1. 羧酸的分类
自然界存在的脂肪中，含有大量的高级的一元饱和羧酸，因此一元饱和羧酸亦称为脂肪酸。

羧酸在自然界广泛存在，而且对人类生活非常重要，如食用的醋，就是2%的醋酸；日常使用的肥皂，是高级脂肪酸的钠盐；食用的油，是羧酸甘油脂。

2. 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。

羧酸沸点高，是因为羧羰基氧的电负性较强，使电子偏向氧，可以接近质子，所以能形成二缔合体。

所有的二元酸都是结晶化合物。

在脂肪二元酸中，单数碳原子的二元酸比少一个碳的双数碳原子的二元酸溶解度大、熔点低，因为单数的二元酸，-COOH 在同一侧。

（P 132类比烷烃）
3. 羧酸及羧酸盐的结构
在羧酸分子中，羧基碳原子以sp 2杂化轨道分别与烃基和两个氧原子形成3个σ键，这3个σ键在同一个平面上，剩余的一个p 电子与氧原子形成π键，构成了羧基中C=O 的π键，但羧基中的-OH 部分上的氧有一对未共用电子，可与π键形成p-π共轭体系。

由于p-π共轭，-OH 基上的氧原子上的电子云向羰基移动，O-H 间的电子云更靠近氧原子，使得O-H 键的极性增强，有利于H 原子的离解。

所以羧酸的酸性强于醇。

当羧酸离解出H
沸点：羧酸>醇>醛酮>烃/醚 羧酸：氢键、二缔合体 醇：氢键
醛酮：偶极矩大
烃/醚：无氢键、偶极矩小
后，p-π共轭更加完全，键长发生平均化，-COOˉ基团上的负电荷不再集中在一个氧原子上，而是平均分配在两个氧原子上。

4.羧酸的反应——主要在羧基和α-H上进行
（1）酸性
羟基氧上的孤电子对可以通过与碳氧双键的共轭，使氧上的电子云向碳氧双键转移，这样的结果是：①使氢氧键之间的电子云进一步向羟基氧原子转移，使氢正离子更易离去；②使形成的羧酸根负离子因电荷分散而更加稳定。

在这样的离域体系中，负电荷分散在两个氧上，形成一个具有4电子三中心的离域π分子轨道，即连个碳氧键的键长相等，为等价的。

多数羧酸是弱酸，pK a一般在3~5之间，因此大多分羧酸是以未解离的分子形式存在的。

例如乙酸在水中的解离常数K a=1.75 10-5，pK a=4.74，
这就是说，0.1mol·L的乙酸仅有1.3%解离。

由于羧基有强的吸电子效应，能对另一羧基的解离产生影响，两个羧基愈近，影响愈大。

随着碳链的增长，二酸的pK a1和pK a2之间的差值急剧减小，而且接近于一个不变是数值，但是二元酸的K a1始终大于乙酸的K a。

第一个羧基解离后，成为羧基负离子，有给电子诱导效应，使第二个羧基解离比较困难，因此除草酸外K a2几乎均小于乙酸。

草酸的pK a2为4.27，比乙酸的pK a小，这是个例外。

X射线证明草酸盐具有一个平面的8电子π体系，电子的稳定性特别突出：
苯环上有一个硝基，硝基在苯环上有吸电子诱导效应，故在碳氮键上的一对电子偏向于氮，而在相邻的碳碳键上这种作用
很小，但硝基在苯环上还有吸电子的共轭效应，这是由于硝基上氮氧双键的π电子与苯环的π电子发生共轭作用而导致电子云
向电负性很强的氧原子转移，这种电子转移可以传递很远，直接与硝基结合的碳原子电子云密度较高，带负电性，硝基的邻位
与对位碳原子的电子云密度降低，带有正电性，电子云密度是一正一负交叠着的。

邻位异构体酸性最强的原因是：①硝基与苯环共轭，邻位碳原子的电子云密度较低，对羧基上的电子有吸引作用，增加了酸的解离；②硝
基与羧基距离很近，由于空间位阻关系，使得羧基碳氧双键上的π电子不能与苯环上的π电子很好的共轭，故苯环的给电子共轭效应较小（HCOOH pK a =3.77，PhCOOH pK a =4,20，苯环取代甲酸的氢后酸性降低，故没有硝基存在时，苯环起的是给电子作用）； ③硝基的诱导效应使苯环碳原子的电子云密度相应地降低，有利于羧基的解离，虽然这种效应很小，但邻位所受的影响比间位与对位大。

间位与对位异构体的诱导效应很微弱，对位主要是共轭效应，而间位碳原子的电子云密度高，对羧基上电子的吸引力小，羧酸的解离变弱，故酸性较对位稍低。

（邻>对>间）
苯甲酸不管连有给电子基团或是吸电子基团，邻位取代的酸性均较间位与对位的强。

当卤素、羟基、烷氧基等取代基处于羧基对位时，这些基团上的孤电子对可以与苯环共轭，例如：
烷氧基氧上的电子通过苯环转向羧基，使质子不易于离去，因此酸性较间位低。

（邻>间>对）
此外烷基与苯环相连时，与给电子的超共轭效应，使得间位和对位烷基苯甲酸的酸性较苯甲酸略低。

邻位烷基苯甲酸由于邻位效应其酸性比对位烷基苯甲酸的高。

（邻>间>对） 羧酸的分离提纯：
邻位:共轭(吸)+诱导+位阻
对位:共轭(吸)+诱导(小)
间位:共轭(小吸)+诱导(小)
羧酸盐是固体，熔点很高，常常在熔点分解。

羧酸的钾盐、钠盐、铵盐可溶于水，这些盐除低级的外，一般均不溶于有机溶剂，因此常常利用这些特性，从混合物中分离提纯与鉴别羧酸盐。

羧酸的重金属盐不溶于水。

（2）羧酸α-H的反应（Hell-V olhard-Zelinski反应）——在催化量的三氯化磷、三溴化磷等作用下，卤素取代羧酸α-H的反应控制卤素用量，可以分别得到一元或多元卤代酸。

反应举例：
机理：
三卤化磷的作用是将羧酸转化为酰卤。

因为酰卤的α-H比羧酸的α-H活泼，更容易形成烯醇而加快了卤化速率。

在反应时，也可以用少量的红磷代替三卤化磷，因为红磷与卤素相遇，会立即生成三卤化磷。

由于使用的红磷（或三卤化磷）是催化量的，因此产生的α卤代酰卤也是少量的，但它在与羧酸进行交换反应时会重新转变为酰卤，因此酰卤可以循环利用，直到反应完成。

常用的氯代乙酸就是用乙酸乙酯和氯气在微量碘的催化作用下制备的。

（3）酯化反应
常用的催化剂是硫酸、氯化氢或苯磺酸等。

这是一个可逆反应，而且反应进行很慢，如用1mol酸和1mol醇反应，只能生产2/3mol的酯。

为了提高产率，可采用以下方法：①利用共沸混合物将水带走（P520）②加入合适的去水剂把反应中产生的水除去（P589,P635）③在反应时加入过量的醇或酸，以改变反应达到平衡时反应物和产物的组成。

在有机合成中，常常选择最合适的原料比例，以最经济的价格，来得到最好的产率。

1）机理
①加成-消除机理
反应举例：
反应机理：
羧酸与一级、二级醇酯化时，绝大多数属于这个反应机理。

且反应速率为：
CH3OH > RCH2OH > R2CHOH
HCOOH > CH3COOH > RCH2COOH > R2CHCOOH > R3CCOOH
②碳正离子——羧酸与3°醇发生酯化反应时，由于三级醇体积较大，不易形成四面体中间体，但三级碳正离子又较易形成。

反应举例：
反应机理：
由于中间体三级碳正离子在反应过程中易与碱性较强的水结合，不易与羧羰基氧结合，因此三级醇酯化反应的产率是很低的。

③酰基正离子——2,4,6-三甲基苯甲酸的酯化因有空间位阻，醇分子接近羧羰基的碳很困难。

如将羧酸先溶于100%硫酸中，形成酰基正离子，然后将其倒入希望酯化的醇中，可以很顺利地得到了酯。

原因是酰基正离子的碳原子是sp杂化，为直线形结构，并且与苯环共平面，醇分子可以从平面上方或下方进攻酰基碳。

这也是一种空助效应。

（P260）
2）羟基酸的分子内酯化和分子间酯化
①形成交酯
②形成内酯
γ-羟基酸与δ-羟基酸在中性或酸性条件下成内酯，在碱性条件下可开环成羧酸盐，酸化后又成内酯。

环烷烃中以环己烷张力最小，最稳定，但在内酯中以五元环张力最小，最稳定。

ω-羟基酸（碳数在9以上）在极稀的溶液中，可形成大环内酯。

③聚合——除形成五元环及六元环内酯倾向很大的羟基酸外，其它羟基酸在合适的酯化催化剂作用下，并在反应过程中不断将水除去，可
得到高相对分子质量的聚酯。

催化剂常用质子酸或Lewis酸等，如需高温，为避免羟基脱水，常用Sb2O3、Zn(OAc)2等碱性催化剂。

内酯中除五元环内酯外，其它内酯在催化剂作用下，均可开环聚合，如：
聚丙交酯可抽丝做外科手术缝线，在体内可自动溶化而不需要拆除，因为这种聚合物在体内缓缓分解为乳酸，对人体无害。

如果这种聚合物中混有某种药物，置入体内，在聚合物缓慢分解过程中，就具有均匀释放药物的功效。

（4）形成酰胺、腈、酰卤和酸酐的反应
羧酸与氨或胺形成铵盐是一个；平衡反应，低温利于铵盐的形成，加热铵盐分解成羧酸和氨或胺。

机理类似于酯化反应，也是加成-消除机理：
酰胺进一步加热，再失去一分子水形成腈：
羧酸铵盐高温分解成酰胺的反应是一个可逆反应，若在反应过程中不断将水蒸发，可获得很好的产率。

该反应的应用：
反应严格要求酸与胺的比例为1：1，因此先使它们形成盐。

由癸二酸及癸二胺缩聚而成的聚酰胺，称为尼龙-1010，这是一种性能良好的工程材料，具有良好的耐磨性能，耐油性和绝缘性，可在-40~120℃范围内使用。

（5）与有机金属化合物反应
格氏试剂与羧酸反应生成羧酸镁盐。

羧酸镁盐不溶于有机溶剂，且成盐后的羧羰基活性降低，因此不再与格氏试剂进一步反应。

羧酸与有机锂试剂反应先形成羧酸锂盐，羧酸锂盐的解离性能不是很高而溶解性能却很好，且易于接受亲核试剂对羧羰基的进攻，当第二分子有机锂试剂与羧酸锂盐反应时，首先是锂与氧接近，使羧羰基更具正电性，帮助烷基向羧羰基碳进攻，形成稳定的中间物，然后水解得酮（锂所起的作用类似于H+）。

α碳上取代基少，空间位阻小的羧酸易于发生加成反应。

反应常用的溶剂有乙醚、苯、四氢呋喃。

（6）羧酸的还原
羧酸很难用催化氢化法还原，但氢化铝锂或乙硼烷能顺利地将羧酸还原成一级醇。

氢化铝锂还原机理：
虽然反应经过醛的阶段，但由于醛比酸更易被氢化铝锂还原，所以不能拿到中间产物醛。

氢化铝锂能还原很多具有羰基结构的化合物，但不能还原孤立的碳碳双键。

乙硼烷还原的机理：
反应的关键在于缺电子的硼烷与氧的络合，因此，羰基氧的碱性越强，反应越易进行。

各种官能团反应性能次序：
（7）脱羧反应
1）机理
能消除稳定的中性分子的反应往往是比较容易进行的。

①环状过渡态机理——当羧酸的α碳与不饱和键相连时，一般都通过六元环状过渡态机理失羧。

,
2，2-二甲基-3-氧代丁酸由于氢键螯合关系，首先形成螯合物（螯合物是具有环状结构的配合物，是通过两个或多个配位体与同一金属离子形成螯合环的螯合作用而得到。

），然后发生电子转移进行脱羧。

丙二酸型化合物及α位有吸电子基团如α-硝基羧酸等脱羧一般属于这一类型。

α，β-不饱和酸通过互变异构形成β，γ-不饱和酸后进行的脱羧反应也是通过与β-羰基酸类似的过程进行的。

②负离子机理——当羧基和一个强吸电子基团相连时，按负离子机理脱羧。

α-羰基羧酸的脱羧及邻、对位有给电子基团的芳香羧酸在强酸（如H2SO4）作用下的脱羧反应也是按负离子机理进行的。

③自由基机理
i）Koble法
一般使用高浓度的羧酸钠盐，在中性或弱酸性溶液中进行电解，电极以铂制成，于较高的分解电压和较低的温度下进行反应。

阳极处产生烷烃和二氧化碳，阴极处产生氢氧化钠和氢气。

机理：
副反应：
交叉的Kolbe反应在合成上非常有价值。

例如家蝇的外信息素muscaluve的合成：
ii）Hunsdiecke反应——用羧酸的银盐在无水的惰性溶剂如四氯化碳中与一分子溴回流，失去二氧化碳并形成少一碳的溴代烷。

这个反应广泛地用于制备脂肪族卤代烷，特别是从天然的含有双数碳原子的羧酸来制备单数碳的长链卤代烷，产率以一级卤代烷最好，二级次之，三级最低，卤素中以溴反应最好。

机理：
这个方法在制备无水银盐时比较麻烦，产率不太理想，改进的方法之一是Cristol S T法。

该法是直接用羧酸与红色氧化汞、溴在四氯化碳中反应：
Kochi反应是用四乙酸铅、金属卤化物（锂、钾、钙的卤化物）和羧酸反应，脱羧卤化而得卤代烷。

此法便宜，对一级、二级和三级烷基卤代烷产率均很好。

机理：
[·Pb(OAc)3]可形成Pb(OAc)4及Pb(OAc)2，其中Pb(OAc)4可进一步使用。

2）应用
简单脂肪族的二元羧酸广泛存在于自然界中，它们很容易从水溶液中结晶出来，因此很易分离，也是最早知道的有机物。

最简单的二元酸是草酸，它存在于许多植物中，如菠菜等，通常以钾盐形式存在。

草酸的钙盐是不溶的，它存在于植物细胞内，人体内有的就是草酸的钙盐。

草酸是有毒的。

丁二酸（琥珀酸）存在于琥珀、化石、真菌、苔藓中，首次从蒸馏琥珀分离得到。

戊二酸存在于甜菜中，也发现在羊毛的水萃取液中。

己二酸也可从甜菜中分离得到，但它通常是由环己烷合成的。

各种二元酸受热后，由于两个羧基的位置不同，而发生不同的作用，有的失水，有的失羧，有的同时失水失羧。

例如：
庚二酸以上的二元酸，在高温时发生分子间的失水作用，形成高分子的酸酐。

Blanc在用各种二元酸和乙酸酐加热时总结出，在有机反应中有成环可能时，一般形成五元或六元环，被称为Blanc规则。

有硫酸存在时，草酸在100℃左右就可进行脱羧反应。

丙二酸或一取代、二取代的丙二酸一般在水溶液中加热即可失羧，在合成中非常有用。

丁二酸以上的二元酸进行失水反应时常与去水剂共热，反应比较顺利，常用的去水剂有乙酰氯、乙酸酐、五氯化磷、三氯氧磷、五氧化二磷等。

5.羧酸的制备
（1）羧酸衍生物、腈的水解制备
腈在酸性或碱性条件下回流水解：
酸性水解机理：
氰基和羰基类似，可以质子化，质子化后的氮原子，很易与水发生亲核加成，然后再消除质子，得酰胺的互变异构体。

碱性水解机理：
由于腈的酸性水解和碱性水解都要经过酰胺这一步，因此水解时，如能控制合适条件，反应可以停留在酰胺这一步。

从一级卤代烷制备腈的产率很高，二级卤代烷制腈产率不太好，三级卤代烷因氰化钠碱性较强，往往失卤化氢成烯，因此从二级及三级卤代烷制羧酸最好还是用格氏试剂的方法。

苯型卤代烃和乙烯型卤代烃中的卤原子因与不饱和体系共轭，不易被取代，不能用来制备相应的腈。

但苯型腈化物可通过Sandmeyer反应制备。

（P801）
如用卤代酸与氰化钠反应制二元酸，卤代酸必须首先制成羧酸盐，然后与氰化钠反应，否则羧基中的质子会首先与氰化钠反应释放出剧毒
的HCN。

（2）用羧酸的锂盐制备
如果分子中其它碳上有活泼氢，也能发生类似的反应，如：
二元羧酸也可以用与上述类似的方法制备：
（3）由有机金属化合物制备
格氏试剂和二氧化碳作用，经水解生成酸（P297）。

如：
低温对反应有利，一般将反应温度控制在-10~10℃左右。

实验时，可将CO2通入冷却的格氏试剂乙醚溶液，也可以将格氏试剂的乙醚溶液倒入过量的干冰中，这时的干冰既是反应试剂又是冷冻剂。

有机锂试剂与CO2的投料比对生成的产物起控制作用。

（P582）
（4）羧酸的工业生产
1）甲酸
工业上甲酸可用作还原剂、防腐剂，或用在制备染料及橡胶生产上。

2）乙酸
工业上常用的方法是乙醛氧化法，以乙酸锰为催化剂，用空气或氧将乙醛氧化：
另一个方法是用甲醇在铑(Rh)的催化剂作用下和一氧化碳直接结合成乙酸：
乙酸是化学工业的重要原料，可以用来合成乙酸酐、乙酸酯类，它们又可以进一步生产乙酸纤维、电影胶片、喷漆溶剂、食品工业和化妆品工业的香精。

由乙酸制成的乙酸乙酯是合成纤维维尼纶的主要原料。

3）苯甲酸
4）己二酸
随着石油化工的发展，可用丁二烯为原料：
5）对苯二甲酸
第一步氧化很容易，第二步较困难，需要在较高温度下进行，生产中的问题是乙酸的消耗及其对反应容器的腐蚀。

对苯二甲酸在国内外大量生产，是合成纤维涤纶的原料之一。