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羧酸及其衍生物

第十章羧酸及其衍生物

Ⅰ目的要求

羧酸是含有羧基（—COOH）的含氧有机化合物，我们平常所说的有机酸就是指的这类化合物。

所谓羧酸衍生物，包括的化合物种类很多，诸如羧酸盐类、酰卤类、酯类（包括内酯、交酯、聚酯等）、酸酐类、酰胺类（包括酰亚胺、内酰胺）等都是羧酸衍生物，有人甚至把腈类也包括在羧酸衍生物的范围之内。

其实，比较常见的而又比较重要的是酰卤、酸酐、酯和酰胺这四类化合物。

羧酸盐与一般无机酸盐在键价类型上没大区别，不作专门介绍。

至于腈类，将放在含氮化合物中加以介绍。

这四类化合物都是羧酸分子中，因酰基转移而产生的衍生物，所以又叫羧酸的酰基衍生物。

羧酸及其衍生物RCOL（L：

－OH、－X、－OOCR′、－OR′、－NH2）在许多重要天然产物的构成以及在生物代谢过程中均占有重要地位。

本章将以饱和一元脂肪酸为重点，讨论羧酸及其衍生物的结构和性质。

鉴于乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯在有机合成上的重要地位，本章作概括介绍。

希望学生在此基础上，探讨设计合成路线的一般方法。

本章学习的具体要求

1、掌握羧酸的结构与性质之间的关系。

2、掌握羧酸衍生物的主要化学性质。

3、了解羧酸衍生物的亲核取代反应机理。

4、掌握羧酸与羧酸衍生物之间相互转变条件。

5、了解卤代酸、羟基酸的特性。

6、掌握乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯的制法、性质和在有机合成上的应用。

这也是本章的重点之一。

Ⅱ学习提要

（一）羧酸

一、概述

4321

羧酸往往有俗名，希望学生有所了解，尽可能记忆一些，脂肪酸的系统命名原则和醛相同。

芳香酸命名是把芳环视作取代基。

羧酸的沸点比分子量相近的其它有机物高，这是由于羧酸能以氢键缔合。

同时，即使在气态时，羧酸也是双分子缔合的，所以羧酸的沸点比分子量相近的醇还要高。

还原

二、羧酸结构和化学性质

1、酸性

‥

H+

‥

‥

H2O+

应用：

①鉴别：

与酚不同，与非酸性物质不同。

②分离提纯。

R－COOH＞R－COOH＞R－COOH

取代脂肪酸：

Cl2CH－COOH＞ClCH2－COOH

CH3CH（Cl）－COOH＞ClCH2CH2－COOH；

FCH2－COOH＞ClCH2－COOH

H－COOH＞CH3－COOH

HOOC－COOH＞H－COOH＞OOC－COOH

COOH

COOH

COOH

COOH

COOH

G

取代芳酸：

＞＞＞＞＞

NO2

NO2

＞

邻位效应（立体效应、场效应、氢键）

OH

COOH

COOH

NO2

NO2

OH

＞＞（场效应）；

＞＞（氢键）；

CH3

CH3

COOH

＞＞（立体效应）

2、羧基中羟基的置换反应（SN）

R－C－Nu

R－C－OH+Nu－E

Nu

R－C－Cl

PX3,PX5,SOCl2

R－C－OH

R－C－OR′

O

R′OH

R－C－NH2（NH2R,NHR2）

NH3（NH2R,NHR2）

R－C－O－H+10,20醇酰氧键断裂

R－C－O－H+HO－CR3烷氧键断裂

酯化反应

R－CH2－OH

3、还原反应

△

4、脱羧反应

△

CH3COONa+NaOHCH4+Na2CO3

400-500℃

（CH3COO）2CaCH3COCH3+CaCO3

2RCOOHRCOR+CO2+H2O

CH2＝CH－CH－C－OH（α-C上连有重键时易脱羧）

O

R

取代芳酸，特别是邻对位有给电子基团存在或邻位有大的立体位阻基团存在时，易脱羧或羧基重排

△

COOK

COOK

R＝NO2

NH2

R

△

β位有双键时，也易脱羧。

因脱羧反应经过一个六元环过渡态，所以不能形成烯醇双键的β-羰基羧酸不能脱羧。

R－C－CH2R′

△

O

×

H

COOH

HO

O

△

β,γ-双键脱羧后重排到α,β-位之间R－CH2CH＝CHR′

P

P

5、α-H取代反应（Hell-Volhard-Zelins反应）

R－CH2COOHR－CHBrCOOHR－CBr2COOH

NaOH/EtOH

OH

R－CHCOOHR－CHCOOHR－CHCOOHR－CH＝CHCOOH

H+

O

R－CHCOOHR－C－COOH

160-180℃

6、二元酸受热反应

140-160℃

失羧HOOC－COOHCO2+HCOOH

HOOC－CH2－COOHCO2+CH3COOH

O

失水

CH2－COOH

300℃

O

CH2

300℃

（相应的铵盐受热300°C发生分子内失水脱氨，生成五元或六元环状酰亚胺）

＝O

失羧失水

CH2

CH2－CH2－COOH

＝O

300℃

BaO

含八个碳原子以上的脂肪族二元羧酸在加热的情况下，得到的是分子间失水而成的酸酐。

取代二元酸和芳香二元酸也能进行上述反应。

O

H－O

7、羟基酸的受热反应

△

O－H

α－：

（交酯）

△

OH

β－：

R－CH－CH2－COOHR－CH＝CH－COOH

△

O

γ－：

OH

R－CH－CH2CH2－COOH

（γ-内酯）

O

△

δ－：

OH

R－CH－CH2CH2－COOH

O

（δ-内酯）

-nH2O

δ以远：

nHO－（CH2）m－COOH[－O－（CH2）m－C－]n（聚酯）

大环内酯用作香料及合成（自学）

羟基酸遇氧化剂则分解脱羧。

三、羧酸制法

1、有机物氧化

⑴烃氧化

⑵伯醇或醛氧化

H3+O

2、水解反应

高温,高压

⑴R－CNR－COOH

⑵油脂R－COOH+甘油

COOH

CCl3

CH3

108-115℃

光

⑶

H2O

3、R－MgX+CO2R－COOH

4、酚酸合成

COOH

H2O2,H+

+CO2

ONa

OK

COOH

2.02MPa

+CO2

H3+O

0.5MPa

（Kolbe反应）

COOK

（Kolbe-Schmitt反应）

5、三乙合成法

6、丙二酸酯合成法

四、重要羧酸

1、甲酸

甲酸是脂肪酸中唯一在羧基上连有氢原子的酸。

这个氢原子可以被氧化为羟基，因此甲酸为同系列中唯一有还原性的酸，它可以还原斐林试剂及托伦试剂。

2、草酸

有还原性，使KMnO4褪色。

3、苯二甲酸、邻苯二甲酸用于制造染料、树脂、药物和增塑剂等。

如邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二辛酯是常用的人造革及聚氯乙烯等的增塑剂。

对苯二甲酸是制造涤纶的主要原料之一。

4、乳酸、柠檬酸、草酸均可以由淀粉制造。

它们在工业上广泛应用。

（二）羧酸衍生物

一、概述

R－C－L

（L：

－OH、－X、－OOCR′、－OR′、－NH2）

由分子量不太大的酸和醇形成的酯大多数具有好闻的水果香味。

酰氯、酸酐和酯由于失去酸性氢原子，因而分子间没有缔合作用；酰胺则由于分子间能通过氨基上的氢原子形成分子间氢键，因而可以缔合，所以沸点高。

酰胺一般多为固体，只有氨基上的氢原子被羟基取代的酰胺，由于失去缔合作用而为液体。

加成或还原

二、化学性质

1、亲核取代（加成—消除）反应

R－C－Nu+L

R－C－L+：

Nu－E

Nu

亲核加成消除

第一步亲核加成的难易取决于羰基碳原子正电性的大小。

一致

－I：

－Cl＞－OOCR＞－OR＞－NH2－I↑Cδ+↑

＋C：

－Cl＜－OOCR＜－OR＜－NH2＋C↓Cδ+↑

所以，亲核加成速度：

R－COCl＞（R－CO）2O＞R－COOR′＞R－CONH2

＞L

＞L

第二步反应速度取决于L是否易离去，稳定性的碱性。

Cl＜OOCR＜OR＜NH2。

碱性越小越稳定，越易离去。

所以L离去的难易次序为：

－Cl＞－OOCR＞－OR＞－NH2

第二步消除反应的速度亦是R－COCl＞（R－CO）2O＞R－COOR′＞R－CONH2

总的反应速度和两步反应速度都有关。

R－C－OH+HCl（反应迅速）

R－C－Cl

水解：

2R－C－OH（热水、立即反应）

O

R－C－OH+HOR′

水解

R－C－OR′

（须加热，加催化剂）

R－C－OH+NH3

R－C－NH2

R－C－OR′+

醇解

R－C－OR

醇解

R－C－OR′+HOR（酸或碱催化,△）酯交换

R－C－Cl

R－C－OR′+HCl

O

R－C－OR

氨解

2R－C－NH2

氨解

R－C－NH2+NH4Cl

R－C－NH2+HOR（碱催化,△）

2、与R′MgX反应

H2O

X

R－C－Cl

R′

R′

R－C－R′

R′MgX

R′MgX

H2O

R′MgX

R′

R－C－R′

R－C－OR

R′

R′

R′MgX

O

O

②CH3COOH

O

R－C－OR

R－C－Cl

3、α-氢反应

2CH3COOC2H5CH3C－CH2－COC2H5（Claisen酯缩合）

O

COOC2H5

CH3COOC2H5+H5C2OOC－COOC2H5CH3CH－COC2H5

H2O

HCOOC2H5+CH3－C－CH3H－C－CH2－C－CH3（交叉缩合）

O

＝O（Dickmann酯缩合）

②H+,△

C2H5ONa

CH2CH2COOC2H5

O

②H+,△

＝O

C2H5ONa

CH2

柏金反应（Perkin）

O

O

O

+

或K2CO3

CH＝CH－COOH

△

CN

C2H5ONa

CH3COOC2H5+RCH2CN

4、还原反应

R－CH2NH2

H2/Cat

R－CH2OH（L＝X、OOCR、OR）

H2/Cat

R－C－L

R－C－NH2

亦可用LiAlH4，分子内碳碳不饱和键无作用。

H2,Pd-BaSO4,喹啉-硫

R－CHO

R－C－Cl

5、酰胺的特性

H

R－C－NH2

⑴中性；酸性。

O

O

O

H2O

乙醇

R－NH2

（Gabrie法合成伯胺）

R－C－NH2

或加热

R－C≡N+H2O

⑵

△

R－NH2

R－C－NH2

⑶Hofmann降级反应

⑷与HNO2反应，生成羧酸，放出N2。

三、β-二羧基化合物

CH3－C－CH2－C－OC2H5

△

1、乙酰乙酸乙酯

2CH3COOC2H5

⑴制备

⊕

CH3－C－CH2－C－OC2H5

⑵性质

①

CH3－C－CH2－C－OC2H5

稳定

O－H

②互变异构

加HCN,NaHSO3Br2/C2H5OH褪色

H2N－OH,C6H5－NH－NH2NaH2↑

………FeCl3显色

被NaBH4还原

③分解反应

（A）酮式分解（成酮分解）

CH3－C－CH3+CO2+H2O

CH3－CCH2COOH

CH3－C－CH2－C－OC2H5

OH

CH3－C－CH2－C－OC2H5

稀H3+O

CH3－C－CH3+CO2+H2O

CH3－CCH2COOH

（B）酸式分解（成酸分解）

ONa

CH3－C－CH2－C－OC2H5

40％NaOH

H+

CH3COONa+CH3COONa2CH3COOH

⑶应用合成酮类、酸、酮酸。

（见补充说明）

2、丙二酸二乙酯

CH3－C－OH

Cl

Cl2,P

NaOH

Cl

⑴制备：

CH2

（水解，酯化同时进行）

CN

NaCN

CH

CH2

Na⊕

⑵性质：

△

CH2

CH2

CH3COOH+CO2+H2O

H+,H2O

⑶应用：

合成羧酸（见补充说明）

3、活泼亚甲基化合物的其它反应

O

⑴Knoevenagel反应

⑵Stobbe反应

1,4共轭加成

α,β-不饱和羰基

（腈基,硝基）化合物

物

⑶Michael反应

NaOH

α,β不饱和羰基化合物+活泼亚甲基化合物

C2H5ONa

①H3+O

（醛、酮、腈、酯、酰胺、硝基化合物）物

N

②△,H2O

1,5-二羰基化合物

Ⅲ补充说明

一、羧酸及其衍生物的分析方法

羧酸可根据其酸性来识别，能溶于NaOH和NaHCO3的水溶液，和NaHCO3反应时，有CO2放出。

进行结构鉴定时常用中和当量（NE）的数据。

NE

羧酸衍生物的分析常用其水解反应而生成不同的水解产物来鉴定，对酯来说，还可以利用皂化当量（SE）的数据来判断其分子结构。

SE

酯的皂化当量

酰卤可与AgNO3水溶液生成AgX沉淀。

R－COX+H2OR－COOH+HXHX+AgNO3AgX↓+HNO3

NaHCO3

△

酸酐容易水解成酸

（R－CO）2O+H2O2R－COOHCO2↑

△

酰胺则与NaOH溶液加热，有NH3放出。

R－CONH2+NaOH2R－COONa+NH3↑

二、羧酸及其衍生物之间的关系：

R′OH

其关系如图10-1所示

图10-1羧酸及其衍生物之物之间的关系图

酮酸

三、乙酰乙酸乙酯合成法

CH－COOH

四、丙二酸二乙酯合成法

举例：

合成酮、二元酮、酮酸、酮酸酯、环烷酮等分子中含酮羧基的化合物，采用三乙路线，并用酮式分解，不能选用丙二酸酯法，其合成步骤为：

H

例1：

合成3-甲基-2-戊酮

⑴写出目标分子的构造式

⑵划出丙酮单元

从而找出R′＝CH3CH2，R″＝CH3

PI3

PCl3

⑶合成R′X，R″X

CH3CH2OHCH3CH2ClCH3OHCH3I

△

C2H5OH

[O]

C2H5ONa

⑷完成全合成

CH3CH2OHCH3COOHCH3COOC2H5

⊕

C2H5Cl

C2H5ONa

CH3－C－CH2－C－OC2H5

⊕

CH3I

C2H5ONa

C2H5

C2H5

H

稀H+,△

CH3

例2：

合成

＝O

OH

CH3

＞

＞

＞

解：

Br－CH2－CH2－Br+2（－CH2－C－CH3）

⊕

CH2CH2－Br

H+

C2H5ONa

Br－CH2－CH2－Br

CH2

CH3

OH

C2H5ONa

浓H2SO4

合成羧酸（一元酸或二元酸），最好选用丙二酸酯合成法，这是因为三乙合成法往往有生成酮的副反应。

其方法步骤为：

CH3

例3：

合成α-甲基戊酸

⑴写出目标分子的构造式

⑵划出乙酸单元

从而找出R′＝CH3CH2CH2－，R″＝CH3－

[O]

⑶合成R′X，R″X

OH

H3+O

Mg

PI3

CH3CH2OHCH3CHO

CH3OHCH3ICH3MgI

CH3CH2CH2Br

HBr

CH2＝CH－CH3

浓H2SO4

CH2CH2CH3

CH3CH2CH2Br

⊕

⑶完成全合成

CH3

CH2CH2CH3

CH3I

C2H5ONa

CH3

H3+O

例4：

合成γ-丁内酯

γ

O

OH

＞

CH2－CH2－OH

＞

＞

解：

CH2＝CH2+HOCl

＞

⊕

HOCl

浓H2SO4

OH

CH2＝CH2

CH3CH2OH

O

CH2－CH2－OH

△

CH2CH2－OH

H3+O

Ⅳ习题与自学检查题

一、习题

建议作教材中本章全部习题

二、自学检查题

1、写出下列化合物的结构式

⑴β-丙内酯⑵N-溴代丙酰胺⑶环戊烷羧酸

⑷丙交酯⑸乙酰水杨酸⑹邻苯二甲酰亚胺

2、试提出一种分离下列各化合物的混合物的方法（全部是固体）

－CH2OH

－OH

－COOH

3、完成下列反应

？

？

？

？

[O]

H2O,Hg2+

CH≡CH

Br2,P

？

？

？

？

H2O,H+

NaCN

？

？

[O]

NaOH

KI

？

？

？

？

②CH3CHO

H+,△

？

△

H2O,H+

？

？

4、指出下列合成路线设计是否正确？

何故？

⑴

NH2

NH2

HN（C2H5）2

NH3

Cl

PCl3,△

Cl

Cl2,P

CH3－C－OH

OH

H+

OH

Br

NaOH

⑵

CH3

②H2O

OH

C2H5OH

NaOH

⊕

C2H5Br

⑶

CH3COOH+CH3CH2CH2COOH+C2H5OH

C2H5

稀NaOH

CH3－C－CH2－C－OC2H5

5、用化学方法区别下列化合物

⑴油酸、硬脂酸和己二酸⑵2,5—戊酮和乙酰乙酸乙酯⑶甲酸、草酸、己二酸

CHO

6、合成下列化合物

O

⑴⑵乙炔，丙酮柠檬酸

CHCH2OH

CH3

⑶⑷

COOH

OH

COOH

OH

H5C2

OH

⑸⑹⑺

7、某中性化合物A，C11H14O2，有旋光性，对碱安定。

以5%H2SO4处理后用水蒸气蒸馏，流出液含两个组分B（C7H6O）和D，不溶于水，与Tollens试剂有正反应。

用KMnO4氧化B得到酸C，C7H6O2；中和当量122±1，C不能被KMnO4继续氧化。

D是旋光化合物，可以同苯甲酰氯作用得中性化合物E，C18H18O4，也有旋光，以NaIO4溶液处理D的溶液，则旋光性丧失，如果在加入2,4-二硝基本肼，可得到黄色固体F，C8H8N4O2，求A－F的结构。

8、化合物A，分子式为C9H10，催化加氢生成BC9H16；A经臭氧化反应后生成C，C9H10O2，C经Ag2O氧化生成D，C9H10；D与I2/OH-作用得到二羧酸E，C6H14O4，E受热后得到4—甲基环己酮。

写出A、B、C、D的结构式及反应过程。

9、你认为乙酸能发生碘仿反应吗？

为什么？

10、给出下列反应过程：

Ph

Ph

浓H2SO4

⑴

O

+CH3－C－CH3

H3+O

O

⑵