第十一章 羧酸和取代羧酸 亲核加成-消除反应

Organic Chem
通式 : RCOOH or ArCOOH 共同的功能团： 共同的功能团：COOH (Carboxyl group)
COOH OCOCH3 (CH3)2CHCH2— CH3 CH-COOH
阿司匹林 (解热镇痛)
O CH2–C–NH—
N
布洛芬(抗炎镇痛)
S
CH3
O
CH3 COOK
Organic Chem
青霉素G钾(抗菌剂)
一、分类和命名：
1、分类：
一元酸 mon二元酸 di多元酸 plR
O C OH
根据分子中羧基的数目：酰 基 (acyl)
羧 基 (carboxyl)
根据R的性质：
饱和烷基 芳基
O O R OH R' R"
不饱和酸
Organic Chem
α β
O C
脂肪酸
Organic Chem
羧酸的化学性质 羧酸的结构及化学性质分析
羰基不饱和, 羰基不饱和, 可加成、 可加成、还原 羧基可脱去 CO2
O R CH H
OH 可被取代 羰基 α−H，有弱 酸性， 酸性，可取代
Organic Chem
C
O
H
H有酸性
OH氧上带孤对电子， C=O的 OH氧上带孤对电子，与C=O的π键共轭 氧上带孤对电子 键增长： P-π共轭=> C=O键增长：120 >123 pm 共轭=> C=O键增长 120—> C—O键缩短：143 >136 pm O键缩短：143—> 使得羧基碳原子上的正电性削弱 —> —>亲核加成比醛酮难 易离去—> O—H键极化加大，键变弱，H+易离去 >酸性 H键极化加大，键变弱，H+易离去 吸电子的影响， α—H受C=O吸电子的影响，仍有酸性，但比醛酮弱 H C=O吸电子的影响 仍有酸性，
136× 136×10－5
1.75× 1.75×10－5
应用：利用羧酸的酸性分离和纯化化合物 应用：
水相 混合物 CO2H + 非酸性化合物 R OH 有机溶剂萃取 有机 相 非酸性化合物 R CO2 H+ R CO2H
Organic Chem
2、羧基中羟基被取代的反应： 、羧基中羟基被取代的反应：
R3 R1 * C R3 R2 R1 O O C R OH + HO O H C R R2 R1 * C O O C R
有旋光，机理(i) 有旋光，机理(i)
(±) R3 ±
总结： 总结： 伯醇、 (i)。 伯醇、仲醇酯化经机理 (i)。 叔醇酯化经机理(ii) 叔醇酯化经机理(ii) （关键 ：R+ 稳 较易生成） 定，较易生成）
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 羧基羰基氧作为亲核试剂，OR'上的氧原子来自于酸
Organic Chem
机理 (ii)的关键 ——碳正离子 (ii)的关键 ——碳正离子
O R C OH + R' R O C OR'
碳正离子中间体证据：酸与烯烃 碳正离子中间体证据：酸与烯烃反应可生成酯 烯烃反应可生成酯 证据
Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
−NO2未受影响 Organic Chem
合成上应用 —— 制备伯醇
O R C OH 2. H2O
1. LiAlH4
O 2 RCH2 C OH P2O5 RCH2 O C O O C CH2R + H2O
强除水剂
酸酐
可能机理: 可能机理:
O RCH H C OH P2O5 − H2O RCH2 OH RHC C O O C CH2R RCH2 O RHC C O C OH O C O O C CH2R O RHC C OH O C CH2R
酯化反应特点： 酯化反应特点： 反应需要 H+ 催化，无催化剂时反应很慢。 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） 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： 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？ 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？ 酯中OR‘中氧的来自于酸还是醇？ 中氧的来自于酸还是醇
+
O O R
γ − 内酯
OH
δ−羟基酸
δ
OH
γ
β
O
α
H+ OH R O
O
R
δ − 内酯
Organic Chem
4）、生成酰胺的反应： ）、生成酰胺的反应： ）、生成酰胺的反应
NH3 O R C OH R'NH2 R R O C O C ONH3R ONH4 - H2O 100oC - H2O 180~190 C
SOCl2 O R C OH PCl3 R PCl5 O C Cl
酰 (基 )氯
O R C OH
PBr3 R
O C Br
酰 (基 )溴
比较: 比较: 醇类的卤代
SOCl2 R R OH PBr3 R Cl Br
羧酸羟基的 卤代与醇类的卤 代有相似性
Organic Chem
2）、生成酸酐的反应： ）、生成酸酐的反应： ）、生成酸酐的反应
Organic Chem
分子内二酸的脱水: 分子内二酸的脱水:
O COOH COOH ∆ O O O COOH O + H2O ∆ O + H2O
COOH
正常反应: 正常反应: 形成环状酸酐
加热反应即发生
Organic Chem
3）、酯化：
O R C OH + HOR' H+ R O C OR' + H 2O
用 LiAlH4 还原羧酸至醇
O R C OH LiAlH4 H2O
提示： 提示：
羧基较难被还原 强还原剂可还原至伯醇 强还原剂可还原至伯醇
CH2OH
R
1o醇
其它能还原羧基的试剂
AlH3 O R C OH B2H6 H2O R CH2OH H2O
O
例： O2N
B2H6 OH
H2O O2N CH2OH
O R C OH + H3C H3C C CH2 H R O C O CH3 C CH3 H O H3C C CH3 H3C R C OH R OH C O CH3 C CH3 CH3 −H CH3
Organic Chem
研究两种酯化反应机理的实验室方法： 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 同位素标记法。 (ii) 旋光性醇酯化法。 旋光性醇酯化法。
Organic Chem
16-19
思考题： 思考题：
如何分离苯酚、苯甲醇和苯甲酸？ 如何分离苯酚、苯甲醇和苯甲酸？
COOH
NaOH
CH2OH 油
水
COONa
CH2OH OH
水
ONa
CO2
COONa OH 油
Organic Chem
电子效应对酸性的影响： 电子效应对酸性的影响
诱导效应： 诱导效应：X—CH2COOH -I使酸性增强 X= F Cl Br pKa 2.66 2.86 2.90 +I使酸性减弱 HCOOH pKa 3.75
C OH
R
OH
Ar
C
芳香酸
2、命名
a) 俗名： HCOOH 甲酸 — 蚁酸
OH OH HOOC-CH-CH-COOH
CH3COOH 乙酸 — 醋酸
OH CH3-CH-COOH
酒石酸
OH CH 3-CH-CH 2-COOH
乳酸
CH2COOH HO CHCOOH CH2COOH
苹果酸
柠檬酸
Organic Chem
C R2
无旋光，机理(ii) 无旋光，机理(ii)
Organic Chem
羟基酸的酯化——形成内酯和交酯 羟基酸的酯化——形成内酯和交酯
O R O OH OH
β
α−羟基酸
2
R α O
O O R
交酯
OH
α
O H+ OH R β α
O OH
β−羟基酸
R
α, β－不饱和酸 β－
γ−羟基酸
R
γ
β
O
α
H OH
有 机 化 学
第十一章 羧酸和取代羧酸 亲核加成-消除反应 亲核加成 消除反应
学习要求： 学习要求：
1、掌握：羧酸的结构、命名，羧酸的酸性，羧酸衍生物的形成， 掌握：羧酸的结构、命名，羧酸的酸性，羧酸衍生物的形成，
羧酸的还原及卤代反应，羟基酸、卤代酸的反应； 羧酸的还原及卤代反应，羟基酸、卤代酸的反应； 熟悉：羧酸的制备方法，二元酸受热变化规律； 2、熟悉：羧酸的制备方法，二元酸受热变化规律； 了解：一些重要羧酸的俗名，羧酸的物理性质， 3、了解：一些重要羧酸的俗名，羧酸的物理性质，波谱特征 。
β-甲基戊酸（3-甲基戊酸）
Organic Chem
COOH H3C
OH COOH O COOH
CH2CH2COOH
反-2-丁烯酸 巴豆酸
邻羟基苯甲酸 水杨酸
呋喃甲酸
苯丙酸 3-苯基丙酸
O H3C β
O OH
α H2N CHCOOH CH2COOH
ω(末端) CH2(CH2)9COOH Br
β−羰基丁酸 乙酰乙酸
α−氨基丁二酸
ω−溴十一碳酸 溴十一碳酸
Organic Chem
二、羧酸的物理性质：
1、分子中有两个部位可形成H-键，常以二聚体存在。
O R -C O -H
O
H -O C -R
1）、b.p很高（比M相近的醇高） 1 b.p M 例： b.p M甲酸 = 100.7℃ M乙醇， 78.5℃
2）、与水形成H-键=>易溶于水 C1—C4 的酸与水混溶，R增大，水溶性↓
Organic Chem
两种可能的酯化反应机理
(i) 通过酰基上的亲核取代
O R C H OH R OH C OH
提示：逆过程为酯 提示： 的酸性水解机理
OH R C OH
HOR' OH 亲核加成 R C HOR' H2O H O R C OR' R O C OR' + H3O OH R OH C OH - H2O
Organic Chem
波谱性质：
IR：特征吸收： νC=O： 缔合 1725-1700cm-1 不饱和芳香 1680-1700 cm-1 νO-H：缔合二聚体 2500-3300— >3550 cm-1游离 辅助：ν C-O： ～ 1250cm-1
Organic Chem
Organic Chem
Organic Chem
1、酸性： 酸性：
羧酸根负离子的共振式与稳定性
O B: R C OH R C O O O R C O O
有两个完全 等价的共振式
R
C O
酸性大小：
大多无机酸> 羧酸 > H2CO3 > 苯酚 > ROH pKa（甲酸3.75） 4.75-5 溶于Na2CO3 6.37 9.98 不溶
OR' H
H+先与羧基羰基氧结合（增强了羧基的亲电性） 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
Organic Chem
(ii) 通过烷基碳正离子中间体
H HOR' H2O R' - H2O R' R O R C R' OH R OR' C O H H2O OR' R C O + H3O O C OH
b) 系统命名法 IUPAC命名法：
选取含取代基的最长碳链——主链 从靠近羧基的一端开始编号 取代基、重键的位置用阿拉伯数字（或希腊字母）标出
CH 3-C CH-COOH CH 3
3-甲基-2-丁烯酸
4
3
2
1
COOH
NO2
3-硝基苯甲酸（或间-）
α CH 3 CH 2 CHCH 2 COOH CH 3
PCl3 PCl5
O O R C OH R—C—OH + O R 回流 C O R C O X
O
O C R
H3PO3(200C分解） 分 酰卤 SO2 O +HCl
R—C—Cl +POCl3 +HCl
SOCl2 O HO—C—R' O C
R
酸酐
P2O5 O
C O
羧酸
H —NH2
O R—C —O— C — R' OR' 酯 O R—C—NH2
o
O R C O R C NHR NH2
提示：合成上一般通过羧酸衍生物制备酰胺（第12章） 提示：合成上一般通过羧酸衍生物制备酰胺（ 12章
SOCl2 O R C OH P2O5 R R O C O C O Cl R'NH2 O C R R O C NHR'
Organic Chem
3、羧酸的还原反应 、
I
3.18
CHO
3.53
NO2
1.68
N(CH3)3
1.83
CH3COOH
4.76
(CH3)2CHCOOH
4.86
Organic Chem
Cl Cl C Cl CO2H
Cl
H CO2H
H CO2H
>
Cl
C H
>
Cl
C H
>
H
C H
CO2H
Ka 23200×10－5 23200×
5530× 5530×10－5
R
C
NH2(R)
酰胺
O H2O
HOR'
羧酸衍生物 R—C—OR' +
H+
共同的反应历程：
O R—C—OH + Nu O Nu =X, R—C—O , NH2 O R —C—OH O R—C—Nu + OH 消除 取代产物 Organic Chem , OR'
1）、生成酰卤的反应： ）、生成酰卤的反应： ）、生成酰卤的反应