羧酸及其衍生物
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羧酸及其衍生物羧酸及其衍生物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β α同。
γCH3-CH-CH2-COOH2 14 3 OH 芳香酸命名是把芳环视作取代基。
76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。
二、羧酸结构和化学性质亲核取代O 还原R-C-C-O-H α-H反应H 脱羧酸性1、酸性?E O O O +?R-C H + R-C R-C E EO-H O OO O NaOH/Na2CO3/ NaHCO3H2O + R-C E R-C EH+ O-Na O-H应用:①鉴别:与酚不同,与非酸性物质不同。
②分离提纯。
取代脂肪酸:R-COOH >R-COOH >R-COOH G G Cl2CH-COOH >ClCH2-COOHCH3CH(Cl)-COOH >ClCH2CH2-COOH;FCH2-COOH >ClCH2-COOH H-COOH >CH3-COOH?HOOC-COOH >H-COOH>OOC-COOH取代芳酸:COOH COOH COOH COOH COOH COOHG >>G >>G >G G COOH COOHNO2>NO2 NO2邻位效应(立体效应、场效应、氢键) COOH COOH COOH COOH COOH COOH OH NO2>OH >(氢键) ;>>NO (场效应) ;2OH NO2COOH COOH COOHCH3>CH >(立体效应)3CH3 2、羧基中羟基的置换反应(SN)?O O O R-C-OH R-C-OH + Nu-E R-C-NuNu OPX3,PX5,SOCl277R-C-ClO O O R-C-OH R-C-O-C-ROR′OH R-C-OR′O NH3(NH2R,NHR2) R-C-NH2(NH2R,NHR2) O 酯化反应R -C -O -H +1 0,20醇酰氧键断裂OR-C-O-H + HO-CR3 烷氧键断裂3、还原反应H2/Cu(Zn,Ni CrO2),300-400℃,200-300MPa R -CH2-OH O ①LiAlH4/无水乙醚②H2O R-C-OH R-CH2-OH (C=C,C≡C不还原)①B2H6,②H2OR-CH2-OH 4、脱羧反应CaO __a + NaOH CH4 + Na2CO3△ (CH3COO)2Ca __3 + CaCO3ThO2 △2RCOOH RCOR + CO2 + H2O400-500℃O CH2=CH-CH-C-OH (α-C上连有重键时易脱羧) O O HO-C-CH-C-OH (α-C上连有强吸电子基时易脱羧)(NO2,X,CO,CN等)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COOH OH OH COOK R R R R R=NO2 △ △ NH2R COOK Rβ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。
H H O O O O -CO2 3 R △ R R -C-CH2R′HO O O COOH R′ R′HR O -CO β,γ-双键脱羧后重排到α,β-位之间2 R-CH2CH=CHR′△ OR′5、α-H取代反应(Hell-Volhard-Zelins反应)Br Br R-__ 2 R-CHBrCOOH 2 R-CBr2COOH P PNH3 KCN NaOH/H2O NaOH/EtOHR-CHCOOH R-CHCOOH R-CHCOOH R-CH=CHCOOHCN OH NH2H+ [O]R-CHCOOH R-C-COOHCOOH O786、二元酸受热反应失羧HOOC-COOH 160-180 ℃ CO2 + HCOOH140-160℃ HOOC-CH2-COOH CO2 + __O C 300℃ 失水CH2-COOHO + H2OCH2-COOH C O OC CH2-COOH 300℃ CH2 O + H2OCH2-COOH C O (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)300℃ CH2-CH2-COOH=O 失羧失水BaO CH2-CH2-COOHCH2-CH2-COOH 300℃ CH2 =OCH2-CH2-COOH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。
7、羟基酸的受热反应O O O-C O-H HO-C △R-CH CH-R α-:R -CH CH -R (交酯)C-O C-OH H-OO O△β-:R-CH-CH2-COOH R-CH=CH-COOHOH O γ-:R-CH-CH2CH2-COOH R-CH-C O OH (γ-内酯)CH2-CH2O △δ-:R-CH-CH2CH2-COOH R-CH-C O CH OH 2 (δ-内酯)CH2-CH2O -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2、水解反应+HO⑴R-CN 3 R-COOHHO ⑵油脂2 R-COOH + 甘油高温,高压79 △CH3 CCl3 COOH Cl2 H2O,ZnCl2 ⑶光108-115℃HO 3、R-MgX + CO2 2 R-COOH4、酚酸合成ONa OH + CO 150-160 ℃ H 2O 2 ,H + COOH (Kolbe反应) 20.5MPaOK OH OH++ CO 2 180-250 ℃ H 3 O (Kolbe-Schmitt反应)2.02MPaCOOK COOH 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O 、-OR′、-NH2) R-C-L (L:-OH、-X、-OOCR′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。
O 二、化学性质加成或还原R-C-C-Lα-H反应H 亲核取代1、亲核取代(加成―消除)反应?O ONu-E R-C-L R-C-L+ :亲核加成Nu 消除O R-C-Nu + L?80第一步亲核加成的难易取决于羰基碳原子正电性的大小。
-I:-Cl>-OOCR>-OR>-NH2 -I↑ Cδ+↑ 一致δ+ +C:-Cl<-OOCR<-OR<-NH2 +C↓ C↑ 所以,亲核加成速度:R-COCl>(R-CO)2O>R-COOR′>R-CONH2 ?第二步反应速度取决于L是否易离去,>L ? 稳定性>L 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。
O O 水解:R-C-Cl R-C-OH + HCl (反应迅速)O O OR-C-O-C-R 2R-C-OH (热水、立即反应) H2O O O水解R-C-OR′ R-C-OH + HOR′O O (须加热,加催化剂)R-C-NH2 R-C-OH + NH3O O 醇解R-C-Cl R-C-OR′+ HClO O O O R′OH R-C-OR′+ R-C-OR R-C-O-C-R 醇解O OR-C-OR R-C-O R′+ HOR (酸或碱催化,△)酯交换O O 氨解R-C-Cl R-C-NH2 + NH4ClO O O NH3 R-C-O-C-R 2R-C-NH2 氨解O OR-C-OR R-C-NH2 + HOR(碱催化,△)2、与R′MgX反应O OMgX O OMgX OH H2O R′MgX R′MgX R-C-Cl R-C-R′ R-C-R′ R-C-R′ R-C-R′ X R′ R′ O OMgX O OMgX OH H2O R′MgX R′MgX R-C-R′ R-C-OR R -C-R′ R-C-R′ R-C-OR R′ R′ R′3、α-氢反应O O ①C2H5ONa 2__2H5 CH3C-CH2-COC2H5 (Claisen酯缩合)②__O C2H5ONa __2H5 + H5C2OOC-__ CH3CH-COC2H5__O O O C2H5ONa H2O __5 + CH3-C-CH3 H-C-CH2-C-CH3 (交叉缩合) O - __OOC2H5 C2H5ONa ,H2O -C-OC2H5 ①OH=O(Dickmann酯缩合) +②H,△ __OOC2H5 O81O __OOC2H5 C2H5ONa ①OH-,H2O CH -C-OCH 225 =O ②H+,△ __OOC2H5 O柏金反应(Perkin)O O O O C-H CH=CH-C-OC2H5 + CH3-C-O-C-CH3 C2H5ONa 或K2CO3+H,H2O CH=CH-COOH△ O CN C2H5ONa __2H5 + R CH2CN CH3-C-CHR 4、还原反应O H2/Cat R-CH2OH (L=X、OOCR、OR) R-C-L O H2/CatR-CH2NH2 R-C-NH2亦可用LiAlH4,分子内碳碳不饱和键无作用。