第十四章 羧酸和取代羧酸

酰氧断裂机制的证明
O C6H5C-OH
+
CH3O18H
H+
O C6H5C-O18H
+
H2O
O CH3C-OH
+
CH3 H H-O
O
H+
CH3 H (CH2)5CH3
CH3C-O
(CH2)5CH3
该反应机制已为： ①同位素跟踪实验 ②羧酸与光活性醇的反应实验所证实。
*2. 烷氧断裂 --- 碳正离子机制
SN2
RCOOR’ + X-
是SN2反应。 只适用于1o RX和活泼RX。 常用的是钠盐。(有时也用Ag盐，优点：速率快。 缺点：太贵。) 体系中双键不受影响。
羧酸和酚类化合物的酯化比脂肪醇困难。一 般采用酰氯或酸酐与酚反应
HCl RCOCl + OH RCOO
在药物合成中常利用酯化反应将药物转变为前药 (prodrug)，以改变药物的生物利用度、稳定性等。
NaOH H+
R-CH-COOH
H2O
R-CH-COOH
NH3
Br
OH R-CH-COOH NH2
H3 O+ R-CH-COOH CN
① NaHCO3 ② NaCN
R-CH(COOH)2
(五) 脱羧反应——缩短碳链
羧酸分子中羧基脱去二氧化碳的反应称为脱羧反 应。
A O C OH A H + CO2
三、物理性质 易形成双分子氢键缔合体，与分子量 相近的其它类型有机物相比，羧酸具有特 别高的沸点。
四、羧酸的化学性质
脱羧
O R C H
-活泼H的反应 羰基的亲核 加成；还原
酸性
C
O
H
羰基的亲核加成，然 后再消除（外观表现 为羟基的取代）
(一) 酸性
羧酸一般都属于 弱酸 ，比碳酸和苯酚的酸性 强。羧酸能分解碳酸氢钠，放出二氧化碳，而酚不 能。利用此性质可以区别羧酸与酚类。
4．酰胺(amide)的生成 羧酸与NH3或RNH2、R2NH作用，生成铵盐， 然后加热脱水生成酰胺或N-取代酰胺。
O R C OH + NH3 O R C ONH4 O R C
+
NH2
C6H5COOH
190℃ H2O
+ H2NC6H5 O
C6H5COO NH 3 C6H5
C6H5 C NHC 6H5 N-苯基苯甲酰胺
第十四章
羧酸和取代羧酸
羧酸是一类具有酸性的有机化合物，羧基
(-COOH) (carboxyl) 是羧酸的官能团。
羧酸分子中烃基上的氢被其他原子或基团 取代后的化合物，称为取代羧酸。(注意和羧酸 衍生物区分）
COOH (CH 3)2CHCH 2 CHCOOH CH3 布洛芬（芬必得） OCOCH 3 阿司匹林
(CH3)3C-OH
+
OH O=C-R
H+
(CH3)3COH2
O
+
-H2O
(CH3)3C+
属于SN1机制
-H+
R-C-OC(CH3)3
OH
R-C-OC(CH3)3
按SN1机制进 行反应，是烷 氧键断裂
① 3oROH按此反应机制进行酯化。 ② 由于R3C+易与碱性较强的水结合，不易与羧酸结 合，故逆向反应比正向反应易进行。所以3oROH的酯化 反应产率很低。
δ+
H O C CH2
O
诱导效应
如丙二酸的一个羧基负离子对另一个羧基酸性 的影响：既有诱导效应，也有场效应。二种影响都 使质子不易离去从而使第二电离度大大减弱。场效 应的大小与距离平方成反比，距离越近，作用越大 。
场效应与诱导效应的影响方向也 有不一致的情况，如：
Cl的-I效应使酸性增强, Cl的场效应使酸性减弱
2.98
4.08
OH 4.57
邻位效应：当取代基处于邻位时，无论这个取代基 是吸电子基还是供电子基(－NH2除外)，都将使酸性 增强，即邻位取代苯甲酸的酸性大于对位、间位取 代苯甲酸，也大于苯甲酸。
？ P486: 14-1;14-2; P501 : 3;4;5
(二) 羧酸的还原
一般情况下，羧酸不容易被还原。 只有一些特殊的还原剂如氢化铝锂 (LiA1H4)、乙硼烷(B2H6) 才能被还原 成相应的醇。
O R C OH + PCl3 PCl5 SOCl2 O R C Cl + H3PO3 POCl3 + HCl HCl + SO2
PCl3适于制备低b.p.酰氯; PCl5适于制备高b.p.酰氯; 用 SOCl2 制备酰氯，产物除酰氯外，都是气体，容易提 纯，但所制酰氯与SOCl2的b.p.不应相近。
O N N S O N OH N H N S O N O N O C O CH7 3 N H
赛他洛尔
丁酰赛他洛尔
赛他洛尔（cetarnolol）为-肾上腺能阻断剂， 可治疗 青光眼和降低眼压，由于极性强和脂溶性差， 难于透过角膜。丁酰赛他洛尔的脂溶性增高，制成 的滴眼剂透过角膜的能力增加了4-6倍，进入眼球 后，经酶水解再生成赛他洛尔而起效。
2．酸酐 (acid anhydride) 的生成
2 RCOOH
P2O 5
(RCO) 2O 单酐
脱水剂：乙酰氯、乙酸酐、五氧化二磷等 甲酸在脱水剂作用下生成CO 混合酸酐的制备:
RCOCl + NaOOCR'
? P490: 14-3; 14-4
SN2
RCOOCOR'
某些二元酸，只需加热即可生成五元环或六 元环的酸酐。 O
两种断键方式：
酯化反应机理:
酯化反应的机制
*1 . 酰氧断裂（酸脱羟基）
O CH3C-OH
+
双分子反应一 步活化能较高
H
+
OH
CH3C-OH
HOC2H5
OH CH3-C-OH HOC2H5
+
质子转移
按加成--消除机 制进行反应，是 酰氧键断裂
加成
四面体正离子
+
OH CH3-C-OH2 OC2H5
O +C CH3 CH3
+O
C CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
属于SN1机制。
O H C-OCH3 + CH3 O C-OCH3 CH3
平面结构
CH3OH
CH3
-H+ CH3
CH3
CH3
78%
仅有少量空阻大的羧酸按此反应机理进行。
此外，还可采用羧酸盐与卤代烷反应合成酯(SN2)
RCOO - + R’X
A:代表各种基团
一般一元羧酸很难直接脱羧。当羧酸分子中-碳原 子上连有吸电子取代基时脱羧反应比较容易进行。
羧酸的酸性强弱受整个分子结构的影响
O Z C O H Y
O C O H
Z为吸电子基，酸性增强
H－COOH pKa pKa 3.77 H－COOH 3.77
Y为斥电子基，酸性减弱
CH3CH2－COOH 4.88 CH3－COOH 4.76
CH3－COOH 4.76 C6H5－COOH 4.17
场效应 不同电负性取代基的 影响，除了沿着碳链传递 O (诱导效应)外，还可通过 场效应传递。场效应是某 O=C 些取代基的静电作用,通过 空间对反应中心产生影响。
NaBH4 醛酮 酰卤
LiAlH4 醛酮 羧酸 羧酸衍生物
催化加氢 烯 炔 醛酮 羧酸衍生物
B2H6 烯 炔 醛酮 羧酸 羧酸衍生物(酰 卤除外)
卤代烃
腈、肟 腈 、肟 (亚)硝基化合物 (亚)硝基化合物 卤代烃 卤代烃
(三) 羧基中羟基被取代的反应
羧基中的羟基可被卤原子(－X)、烃氧基(－ OR)、酰氧基(－OCOR)和氨基(－NH2)等取代，产生 酰卤、酯、酸酐和酰胺等羧酸衍生物。 反应历程为亲核加成－消除。 1．酰卤(acyl halide or acid halide)的生成
CH
CH
CHCOOH
2-甲基-3-戊烯酸
2,4-戊二烯酸
OH HOOC CH2 C CH2 COOH
COOH
3-羧基-3-羟基戊二酸（柠檬酸）
CH2COOH
(2-)环已基乙酸
COOH
COOH COOH
1,2-环已基二甲酸
COOH COOH
苯甲酸
邻苯二甲酸 (1,2-苯基二甲酸)
CH
CHCOOH
-萘乙酸
该反应机制也从 同位素方法中得 到了证明。
O CH3C-O18H + (CH3)3COH
O18 CH3C-OC(CH3)3 + H2O
*3 酰基正离子机制（酰基正离子的碳是SP杂化的，直线型，
并与苯环共平面，醇可以从平面上或下方进攻酰基碳）
O C-OH CH3
CH3
H2SO4(浓)
CH3
O + C-OH2 CH3
第一节
一、羧酸的分类和命名
羧酸
许多羧酸最初来自天然产物，因此常采用俗名来命 名。
HCOOH 蚁酸 CH3COOH 醋酸 C6H5COOH 安息香酸 HOOC－COOH 草酸 马来酸 富马酸
(Z)-HOOCCH=CHCOOH 顺-丁烯二酸 (E)-HOOCCH=CHCOOH 反-丁烯二酸
C15H31COOH
+
-H2O
OH
-H+
O CH3C-OC2H5
CH3C-OC2H5
消除
反应经历了亲核加成－消除过程
上述机理为酸催化的酰氧断裂的双分子机 理。羧酸与伯/仲醇酯化时多属于这一机理。
酸和醇的体积(空间因素)对酯化反应的速率 有很大影响。所以酯化反应的活性顺序为：
醇：CH3-OH > RCH2-OH > R2CH-OH 酸：HCO2H > RCH2CO2H > R2CHCO2H > R3CCO2H
无机酸 > RCOOH > H2CO3 >
1-2 4-5 6.4(pka1) 9-10
> H2O > ROH
15.7 16-19
羧酸酸性的强弱取决于电离后所形成的羧酸根 负离子(即共轭碱)的相对稳定性 。
HCOOH CH3COOH ClCH2COOH CH3CH2COOH C6H5COOH 3.77 4.74 2.86 4.88 4.20
H—O H C=O Cl
H—OБайду номын сангаасC=O
pKa： 6.04
6.25
芳香酸：间位只考虑诱导效应，对位同时考虑共轭 效应和诱导效应，邻位取代比较特殊 。
COH COH 2 2 COH 2 NO 2
O2N
COH 2
HO
COH 2
COH 2 OH
COH 2
NO 2 pKa: 2.21
3.42
3.49
4.20
R COOH + NaHCO 3 R COONa + CO2 + H2O
分子量大的羧酸难溶于水，但其钾盐或钠盐则易 溶于水。医药上常将含羧基而难溶于水的药物制成 易溶于水的盐，如将青霉素G制成钾盐或钠盐供注射 用。 高级脂肪酸钠是肥皂的主要成分，高级脂肪酸 铵是雪花膏的主要成分。
常见酸酸性比较：
OH
D5,8,11,14二十碳四烯酸 >10C的不饱和酸在碳数后加“碳”字
看书P500（1）
二、羧酸的结构
O R C
O
:
O H
:
R
C
sp2
O
H
p-π共轭体系
羧基不是羰基和羟基的简单加合
p-π共轭的结果:
键长部分平均化； 羰基碳的正电性 —— 降低，亲核加成 变难； 羟基 H 的酸性——增加； -H 的活性—— 降低； 羟基较难被取代；
P P
ClCH2COOH 一氯乙酸 Cl2CHCOOH 二氯乙酸 Cl3CCOOH 三氯乙酸
P
三卤化磷或红磷是催化量，否则-OH继续被溴取代（P494:147)
控制卤素用量可得一元或多元卤代酸。 - 碘代酸由- 氯（或溴）代酸与KI反应 来制备。 -卤代酸很活泼，常用来制备-羟基酸 和-氨基酸、丙二酸等。
CH2COOH
3-苯基丙烯酸
（肉桂酸）
COOH COOH
R R
COOH
2,4-环戊二烯基甲酸
反-1，3-环戊基二甲酸
COOH
H
E-（2-）丁烯二酸
C
H
C
COOH
20 14 11 8 5 1 CH3(CH2)4 CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3CO2H
5,8,11,14- 二十碳 四烯酸 (花生四烯酸)
COOH COOH C O C O
O COOH COOH C O C O
O C C O O
COOH CH2COOH(CH CO) O 3 2
? P491:14-5
3．酯(ester)的生成 —— 酯化反应
O R C OH + R' OH
H＋
O R C OR' + H2O
为提高产率，可采用：
A. 增加其中一种便宜原料的用量。 B. 不断除去反应生成的水 C . 或者及时将生成的低沸点酯蒸出。
软脂酸
C17H35COOH
硬脂酸
羧酸的系统命名法：（与醛相似） 羧酸习惯上常用希腊字母标位，与羧基直接相 连的碳原子为，其余依次为、、、 (末端) 等。
CH3 CH2 CH CH COOH CH3 CH3
2,3-二甲基戊酸 或 , -二甲基戊酸
CH3CH
CHCHCOOH CH3
CH2
=
腈的生成
未取代酰胺
(四) -氢的卤代反应 羧酸分子中-碳上的氢，受到邻位羧基的影 响变得活泼，能被卤素取代，这种情况和醛酮氢一样。但羧酸-氢的卤代需三卤化磷或红磷等 的催化。该反应称为Hell-Volhard-Zelinsky反应
CH3COOH + Cl2 ClCH2COOH + Cl2 Cl2CHCOOH + Cl2