第九章羧酸及其衍生物和取代酸 教学目标： 1. 羧酸衍尘物的亲核取代反应可从加成一消除反应历程讲解，并解释它们具有不同反 应活性的原因和顺序。 2. 在羧酸命名中应强调重要天然羧酸的俗名。 3. 介绍常见的羟基酸和羧基酸及其在生化反应过程中的重要意义。 4. 使学生掌屋多官能团化合物的特点和命名。了解羟基酸和羰基酸的化学性质。 教学重点、难点： 羧酸及其衍尘物的化学性质：脂化反应历程：介绍同位素标记法，研究有机反应历程。 羟基酸和羧基酸的特点、命名和性质。 教学方法、手段：讲授、CAI课件辅助教学。 本章学时：5学时
教学内容： 羧酸和取代酸 羧酸是一类含有羧基（一COOH)官能团的化合物，一元饱和脂肪羧酸的通式为 CH2O2。羧基中的羟基被其它原子或基团取代的产物称为羧酸衍生物（如酰卤、酸惭、脂、 酰胺等)，羧酸烃基上的氢原子被其他原子或基团取代的产物称为取代酸（卤代酸、羟基 酸、羰基酸、氨基酸等)。 羧酸是许多有机化合物氧化的最终产物，常以盐和脂的形式广泛存在于自然界，许多羧 酸在尘物体的代谢过程中起着重要作用。羧酸对于人们的口常生活非常重要，也是重要的化 工原料和有机合成中间体。 第一节羧 酸 羧酸的分类和命名 1.羧酸的分类 根据分子中烃基的结构，可把羧酸分为脂肪羧酸（饱和脂肪羧酸和个饱和脂肪羧酸）、 脂环羧酸（饱和脂环羧酸和不饱和脂环羧酸）、芳香羧酸等：根据分子中羧基的数目，又可 把羧酸分为一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸等。例： 脂肪羧酸 CH3CH2CH2COOH CH3一CH=CH一COOH 一心羧酸 脂环羧梭 COOH COOH 芳香羧酸 -COOH H COOH 二心羧酸 HOOC-COOH C COOH HOOC COOH CH2COOH 多儿羧酸 CH COOH CH2 COOH 2.羧酸的命名 羧酸的命名方法有俗名和系统命名两种。 俗名是根据羧酸的最初来源的命名。在下面的举例中，括号中的名称即为该羧酸的俗名。 脂肪族一元羧酸的系统命名方法与醛的命名方法类似，即首先选择含有羧基的最长碳链 作为主链，根据主链的碳原子数称为“某酸”。从舍有羧基的一端编号，用阿拉伯数字或用 希腊字母((、B、y、6…)表示取代基的位置，将取代基的位次及名称与在主链名称之 前。例如： CH一CH-CH2一C00H CH3-CH-CH-COOH CH2 CH3 CHa 3-甲基」酸或6-甲基」酸 2,3-兰甲基」酸
脂肪族二元羧酸的系统命名是选择包含两个羧基的最长碳链作为主链，根据碳原子数称 为“某二酸”，把取代基的位置和名称写在“某二酸”之前。例如： HOOC-COOH HOOC-CH2-COOH 乙二酸（草酸） 丙二酸 HO0C-CH2-CH2一C00H CH3-CH一COOH CH2-COOH '二酸（琥珀酸） 甲基」二骏 不饱和脂肪羧酸的系统命名是选择含有重键和羧基的最长碳链作为主链，根据碳原子数 称为“某烯酸”或“某炔酸”，把重键的位置写在“某”字之前。例： CH2-CHCOOH CH3一CH=CH-COOH 丙烯酸 2-」烯酸（巴豆梭》 芳香羧酸和脂环羧酸的系统命名一般把环作为取代基。例： CH2COOH CH3 COOH CH一CH2一COOH 苯甲酸（安总香酸） 3-苯基」酸或B-苯基」酸 1-萘乙酸或d-萘乙鞍 COOH -OH CH=CH一COOH COOH 邻羟基苯甲酸（水扬酸） 3-苯基丙烯酸（肉桂酸） 环戊基甲酸 二。羧酸的物理性质 羧基是极性较强的亲水基团，其与水分子间的缔合比醇与水的缔合强，所以羧酸在水中 的溶解度比相应的醇大。甲酸、乙酸、丙酸、丁酸与水混溶。随着羧酸分子量的增大，其疏 水烃基的比例增大，在水中的溶解度迅速降低。高级脂肪羧酸不溶于水，而易溶于乙醇、乙 醚等有机溶剂。芳香羧酸在水中的溶解度都很小。 羧酸的沸点随分子量的增大而逐渐升高，并月比分子量相近的烷烃、卤代烃、醇、醛、 酮的沸点高。这是山于羧基是强极性基团，羧酸分子间的氢键（键能约为14kJo)比醇 羟基间的氢键（键能约为5~7kJo)史强。分子量较小的羧酸，甲酸、乙酸，即使在 气念时也以双分子二缔体的形式存在： 0H-0 C-CHg 0-H…0 室温下，|个碳原子以下的饱和一元脂肪羧酸是有刺激气味的液体，【个碳原子以上的 是蜡状固体。饱和二元脂肪羧酸和芳香羧酸在室温下是结品状固体。 直链饱和一元羧酸的熔点随分子量的增加而呈锯齿状变化，偶数碳原子的羧酸比相邻两
个奇数碳原子的羧酸熔点都高，这是山于含偶数碳原子的羧酸碳链对称性比含奇数碳原子羧 酸的碳链好，在品格中排列较紧密，分子间作用力大，需要较高的温度小能将它们彼此分开， 故熔点较高。 三，羧酸的化学性质 在羧酸分子中，羧基碳原子是sp杂化的，其未参与杂化的p轨道与一个氧原子的p轨 道形成C=O中的π键，而羧基中羟基氧原子上的未共用电子对与羧骏基中的C=O形成p-π共 轭体系，从而使羟基氧原子上的电子向C=0转移，结果使C=0和C一O的键长趋于平均化。 X光衍射测定结果表明：甲酸分子中C=0的键长(0.123m)比醛、酮分子中C=0的键长 (0.120mm)略长，而C一0的键长(0.136mm)比醇分子中C0的键长(0.143m)稍短。 或 R 羧基上的pπ共轭示意图 山于共轭体系中电子的离域，羟基中氧原子上的电子云密度降低，氧原子便强烈吸引氧 氢键的共用电子对，从而使氧氢键极性增强，有利于氧氢键的断裂，使其呈现酸性：也山于 羟基中氧原子上未共用电子对的偏移，使羧基碳原子上电子云密度比醛、酮中增高，不利于 发生亲核加成反应，所以羧酸的羧基没有象醛、酮那样典型的亲核加成反应。 另外，αH原子山于受到羧基的影响，其活性升高，容易发生取代反应：羧基的吸电 子效应，使羧基与α-C原子间的价键容易断裂，能够发生脱羧反应。 根据羧酸的结构，它可发生的一些主要反应如下所示： 脱羧反应 羟基被取代的反应 0出 酸性和成盐反应 a-氢的反应 1.酸性及取代基对酸性的影响 (1)酸性羧酸具有酸性，在水溶液中能电离出H: R-C- 0H=R一C一0°+H 通常用电离平衡常数Ka或pKa来表示羧酸酸性的强弱，Ka值越大或pKa值越小，其 酸性越强。羧酸的酸性比碳酸(pK=6.38)强，但比共它无机酸弱。常见羧酸的pKa值见 表8-1和表8-2。 羧酸酸性与羧酸电离产生的羧酸根离子的结构有关。羧酸根负离子中的碳原子为sp杂 化，碳原子的p轨道可与两个氧原子的p轨道侧面重叠形成一个四电子三中心的共轭体系， 使羧酸根负离子的负电荷分散在两个电负性较强的氧原子上，降低了体系的能量，使羧酸根 负离子趋于稳定
0 X光衍射测定结果表明：甲酸根负离子中两个C0的键长都是0.127m。所以羧酸根 负离子也可表示为： 山于存在P-共轭效应，羧酸根负离子比较稳定，所以羧酸的酸性比同样含有羟基的 醇和酚的酸性强。 羧酸能与碱反应生成盐和水，也能和活泼的金属作用放出氢气。 RCOOH NaOH-RCOONa +H20 羧酸的酸性比碳酸强，所以羧酸可与碳酸钠或碳酸氢钠反应生成羧酸盐，同时放出CO2, 用此反应可鉴定羧酸。 RCOOH+NaHCO3->RCOONa+H20+C02 羧酸的碱金属盐或铵盐遇强酸(！HC1)可析出原来的羧酸，这一反应经常用于羧酸的 分离、提纯、鉴别。 RCOONa HC1-RCOOH +NaC1 不溶于水的羧酸可以转变为可溶性的盐，然后制成溶液使用。如生产中使用的植物生长 调节剂α-萘乙酸、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)均可先与氢氧化钠反应生成可溶性的盐，然 后再配制成所需的浓度使用。 (2)取代基对酸性的影响影响羧酸酸性的因素很多，其中最重要的是羧酸烃基上所连 基团的诱导效应。 当烃基上连有吸电子基团（如卤原子）时，山于吸电子效应使羧基中羟基氧原子上的电 子云密度降低，O一H键的极性增强，因而较易电离出H，其酸性增强：另一方面，山于 吸电子效应使骏酸负离子的电荷史加分散，使其稳定性增加，从而使羧酸的酸性增强。总之， 基团的吸电子能力越强，数目越多，距离羧基越近，产生的吸电子效应就越大，羧酸的酸性 就越强。 R- C←C 6-H 吸电了基团的吸电了能力增逆，酸性增逆 ICH2-COOH Br CH2-COOH C1CH2-COOH FCH2-COOH pKa 3.12 2.90 2.86 2.59
吸电了基团的数目增加，鞍性增踫 CH3COOH C1CH2COOH C12CHCOOH C13CCOOH pKa 4.76 2.86 1.26 0.64 收电了基团距离羧基越近，酸性越出 CH3CH2 CH2 COOH CH2CH2CH2 COOH CH3 CH CH2 COOH CH3 CH2 CHCOOH C1 pKa 4.82 4.52 4.06 2.86 当烃基上连有给电子基团时，山于给电子效应使羧基中羟基氧原子上的电子云密度升 高，O一H键的极性减弱，因而较难电离出H，其酸性减弱。总之，基团的给电子能力越 强，羧酸的酸性就愈弱。 给电了基团的数目增加，酸性减网 HCOOH CH;COOH CHCH2COOH (CH3)3C COOH pKa 3.77 4.76 4.88 5.05 二元羧酸中，山于羧基是吸电子基团，两个羧基相互影响使一级电离常数比一元饱和羧 酸大，这种影响随着两个羧基距离的增大而减弱。二元羧酸中，草酸的酸性最强。 不饱和脂肪羧酸和芳香羧酸的酸性，除受到基团的诱导效应影响外，往往还受到共轭效 应的影响。一般来说，不饱和脂肪羧酸的酸性略强于相应的饱和脂肪羧酸。当芳香环上有基 团产尘吸电子效应时，酸性增强，产尘给电子效应时，酸性减弱，例： COOH COOH COOH COOH N02 OCH3 pKa 3.40 3.97 4.20 4.47 2.羧酸衍生物的生成 羧基中羟基被其它原子或基团取代的产物称为羧酸衍生物。如果羟基分别被卤素（一 X)、酰氧基(OCOR)、烷氧基（一OR)、氨基（一NH2)取代，则分别生成酰卤、酸酐、 酯、酰胺，这些都是羧酸的重要衍尘物。 (1)酰卤的生成羧酸与三卤化磷、五卤化磷或亚硫酰氯等反应，羧基中的羟基可被卤 素取代尘成酰卤。 R-C-OH+PC13△→R-C-C1+H,P0 0 OPC15RC-CI+POC+C1
R-C-0H+S0C12→R-C-C1+S02↑+HC1t SOC2作卤化剂时，副产物都是气体，容易与酰氯分离。 (2)酸酐的生成一元羧酸在脱水剂五氧化二磷或乙酸酐作用下，两分子羧酸受热脱去 一分子水生成酸酐。 0 0 P05, 0+H20 △ R- R-COH 某些二元羧酸分子内脱水生成内酐（一般生成五、六员环）。例如： 0 -0H 0+H20 -OH 0 邻苯二甲酸所 (3)酯的生成羧酸和醇在无机酸的催化下共热，失去一分子水形成酯。 羧酸与醇作用生成脂的反应称为脂化反应。酯化反应是可逆的，欲提高产率，必须增大 某一反应物的用量或降低生成物的浓度，使平衡向生成脂的方向移动。 用同位素O18标记的醇酯化，反应完成后，O18在酯分子中而不是在水分子中。这说 明酯化反应生成的水，是醇羟基中的氢与羧基中的羟基结合而成的，即羧酸发生了酰氧键的 断裂。例： 0 CH-C-OH+H-0Cs CHt-C-0"C2ls +H20 酸催化下的酯化反应按如下历程进行： OH OH OH R--0m-上R-R-C-一R-- HOR' OR' OH -ILO-R-C-ORR-C-0R 酯化反应中，醇作为亲核试剂进攻具有部分正电性的羧基碳原子，山于骏基碳原子的正 电性较小，很难接受醇的进攻，所以反应很慢。当加入少量无机酸做催化剂时，羧基中的羰 基氧接受质子，使羧基碳原子的正电性增强，从而有利于醇分子的进攻，加快脂的生成。 羧酸和醇的结构对酯化反应的速度影响很大。一般α-C原子上连有较多烃基或所连基
团越大的羧酸和醇，山于空间位阻的因素，使酯化反应速度减慢。不同结构的羧酸和醇进行 酯化反应的活性顺序为： RCH-COOH>R>CHCOOH>RCCOOH RCH2OH(伯醇)>R,CHOH(仲醇)>R3COH(叔醇) (4)酰胺的生成羧酸与氨或碳酸铵反应，生成羧酸的铵盐，铵盐受强热或在脱水剂的 作用下加热，可在分子内失去一分子水形成酰胺。 R-C-OH+NH→R-C-ONH R-C-0H+(NH4)2C03->R-C-ONH4+CO2+H20 0 R-C-ONH4 P205R-C-NH2+H20 △ 二元羧酸与氨共热脱水，可生成酰亚胺。例： COOH +NH3 COOH 3.脱骏反应 通常情况下，羧酸中的羧基是比较稳定的，但在一些特殊条件下也可以发生脱去羧基， 放出二氧化碳的反应，称为脱梭反应。 一元羧酸的钠盐与强碱共热，尘成比原来羧酸少一个碳原子的烃。例，无水醋酸钠和 碱石灰混合加热，发尘脱骏反应生成甲烷： 0 CH2-C-ONa+NaOH-CaoCH4+NaCO3 △ 这是实验室制备甲烷的方法 有些低级二元羧酸，山于羧基是吸电子基团，在两个骏基的相互影响下，受热也容易发 生脱羧反应。乙二酸和丙二酸热，脱去二氧化碳，尘成比原来羧酸少一个碳原子的一元 羧酸： HOOC-COOH HCOOH CO21 HOOC-CH2-C0OH CH3COOH +CO2 丁二酸及戊二酸加热全熔点以上不发生脱羧反应，而是分子内脱水生成稳定的内酐。 己二酸及庚二酸在氢氧化钡存在下加热，既脱骏又失水，生成环酮： CH2-CH2-COOH Ba(OH)2 =0+C021+H20 CH2一CH2一C00H △
CH2CH2 COOH CH2 Ba(OH)2 0+C02↑+H20 CH2CH2 COOH 脱羧反应是生物体内重要的生物化学反应，呼吸作用所生成的二氧化碳就是羧酸脱羧 的结果。尘物体内的脱羧是在脱羧酶的作用下完成的： CH3C00H脱羧酶CH4+C02 4.aH的卤代反应 羧基是较强的吸电子基团，它可通过诱导效应和σ-超共轭效应使āH活化。但羧基 的致活作用比羰基小得多，所以羧酸的-H被卤素取代的反应比醛、酮困难。但在碘、红 磷、硫等的催化下，取代反应可顺利发生在羧酸的ū-位上，生成ā-卤代羧酸。例如： CHCOOHCICH2COOHCHCOHCCH 一氯乙酸 氯乙按 二氯乙梭 控制反应条件可使反应停留在一元取代阶段。 卤代羧酸是合成多种农药和药物的重要原料，有些卤代羧酸“，a-二氯丙酸或a,α- 二氯丁酸还是有效的除草剂。氯乙酸与2,4-二氯苯酚钠在碱性条件下反应，可制得2,4-二氯 苯氧乙酸（简称2,4-D),它是一种有效的植物生长调节剂，高浓度时可防治禾谷类作物用 中的双子叶杂草：低浓度时，对某些植物有刺激早熟，提高产量，防止洛花落果，产生无籽 果实等多种作用。 5.还原反应 羧基中的羰基山于pπ共轭效应的结果，失去了典型羰基的特性，所以羧基很难用催 化氢化或一般的还原剂还原，只有特殊的还原剂如1LiA1H4能将其直接还原成伯醇。LiA1H4 是选择性的还原剂，只还原羧基，不还原碳碳双键。例如： CH3-CH=CH-C00H-LiA1H4>CH3-CH=CH-CH2OH 四.个别化合物 1.甲酸 甲酸的结构不同于其它羧酸，它的羧基与一个氢原子相连，因此又可看成有一个醛基。 :H一C+0H 甲酸除具有羧酸的特性外，还具有醛的某些性质。能发尘银镜反应：可被高锰酸御氧 化：与浓硫酸在60~80℃条件下共热，可以分解为水和一氧化碳，实验室中用此法制备纯净 的一氧化碳。 HCOOH +2[Ag(NH3)2]"+2 OH->4NH3 CO+2Ag +2H20 0 H-COOH KMRO [HO-C-OH]C02+H20
H-C00H- 2s04C0↑+H20 2.乙酸 3.过氧乙酸 4.乙二酸 乙二酸受热可发生脱羧反应，在浓硫酸存在下加热可同时发生脱羧、脱水反应。乙二酸 可以还原高锰酸御，山于这一反应是定量进行的，乙二酸又极易精制提纯，所以被用作标定 高锰酸御的基准物质。 COOH 5 +2KMn04+3H2S04一K2S04+2MnS04+10C02↑+8H20 COOH 乙二酸还用作媒染剂和麦草编织物的漂白剂。 5.丁烯二酸 丁烯二酸有顺丁烯二酸（马来酸或失水苹果酸）和反丁烯二酸（延胡索酸或富马酸）两 种异构体： H H H、 COOH C三C CC=C HOOC COOH HOOC H 顺」烯二酸 反」烯酸 6.苯甲酸 7.0-萘乙酸 8.丁二酸 第二节羧酸衍生物 羧酸衍生物主要有酰卤、酸纤、酯和酰胺，它们都是含有酰基的化合物。羧酸衍尘物 反应活性很高，可以转变成多种其它化合物，是|分重要的有机合成中间体。本节主要讨论 酰卤、酸酐、酯的结构与性质，酰胺将在第九章中讨论。 一 羧酸衍生物的命名 酰卤根据酰基和卤原子来命名，称为“某酰卤”。例： 0 0 CH2-C-Cl CH3一CH2一C-B CH --c1 乙酰氯 丙酰溴 对甲基苯甲酰氯 酸酐根据相应的羧酸命名。两个相同骏酸形成的酸酐为简单酸酐，称为“某酸酐”，简 称“某酐”；两个不相同羧酸形成的酸断为混合酸酐，称为“某酸某酸断”，简称“某某断”： 二元羧酸分子内失去一分子水形成的酸酐为内轩，称为“某二酸肝”。例如： CHg 乙（酸）肝 乙（酸）丙（酸）酐 邻苯甲酸阳