医学精品课件：第8章 羧酸及其衍生物(Carboxylic Acids & Derivatives of Carboxylic Acids ).ppt

1、第八章 羧酸及其衍生物,第一节 羧 酸,一、结构分类命名,二、物理性质,三、化学性质,第二节羧酸衍生物,一、命名,二、性质,三、重要的羧酸衍生物,2,第八章 羧酸及其衍生物,有机分子中含有羧基的化合物称为羧酸(carboxylic acids).,羧酸分子中羧基中的-OH被其它原子或基团取代后所形成的化合物称为羧酸衍生物.,RCH2COOH,ArCH2COOH,上页,下页,首页,羧酸衍生物,酰卤 酸酐 酯 酰胺,3,第一节 羧 酸,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),一、羧酸的结构、分类和命名,(一) 羧酸的结构 羧酸(R-COOH)的官能团是羧基.,上页,下页,首页,

2、羧基中碳sp2杂化, 羧基是平面结构, 键角约120, 羧基中羰基有一个键。,羟基氧上的孤对电子与键存在 p-共轭.,4,p-共轭,上页,下页,首页,122pm,143pm,136pm,123pm,羰基键长加长, 碳氧单键键长缩短; 羰基和羟基通过 p-共轭构成一个整体, 故羧基不是羰基和羟基的简单加合.,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),5,游离羧酸分子结构,羧酸根负离子RCOO-的结构,127pm,127pm,136pm,123pm,上页,下页,首页,键长 趋于平均化 羟基 H 的酸性 增加 羰基的正电性 降低, 亲核加成、还原变难 -H 的活性 降低,p-共轭导

3、致羧酸结构与性质发生变化:,p-共轭更强,负电荷平均分配,键长完全平均化,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),6,(二) 羧酸的分类,不管羧基所连接的是脂肪烃基(饱和或不饱和)还是苯基, 取代的还是未取代的,不同羧酸的性质基本相同.,饱和一元脂肪酸的通式：CnH2n+1COOH,上页,下页,首页,(羧基直接与苯环相连),第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),7,(三) 羧酸的命名,羧酸常用俗名, 常根据羧酸的来源来命名。,常见羧酸的俗名:,HCOOH 甲酸 (蚁酸 formic acid) CH3COOH 乙酸 (醋酸 acetic acid) C

4、H3CH2CH2COOH 丁酸 (酪酸 butyric acid) HOOC-COOH 乙二酸(草酸 oxalic acid) HOOCCH2CH2COOH 丁二酸(琥珀酸 succinic acid) C6H5COOH 苯甲酸 (安息香酸 benzoic acid),上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),8,羧酸的系统命名法与醛相似。对于简单的脂肪酸也常用 、 等希腊字母表示取代基的位次；羧基永远作为C-1, 对多官能团化合物而言, 羧基总是第一主官能团.,5 4 3 2 1 g b a,3-甲基戊酸 -甲基戊酸,4 3 2 1 g b a,2-甲基-

5、4-溴丁酸 -甲基-溴丁酸,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),9,2-甲基-3-丁烯酸,3-硝基-4-氯苯甲酸,邻苯二甲酸(酞酸),反-1, 4-环己烷二甲酸,-萘甲酸/ 1-萘甲酸,上页,下页,首页,命名举例 1：,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),10,二十 酸,己二酸,5,8,11,14-,(俗名: 花生四烯酸),3-羧甲基,10C 的不饱和酸在碳数后加“碳”字.,上页,下页,首页,命名举例 2：,碳,四烯,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),11,CH3 CH3-C-COOH C2H5,COO

6、H CH2 HCCOOH CHOH CH2COOH,1.,2.,3.,4.,2, 2-二甲基丁酸,环丙基甲酸,2, 4-二氯苯甲酸,1 2 4 5,3-羧基-4-羟基己二酸,课堂练习: 命名下列化合物,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(一、结构分类命名 ),12,二、羧酸的物理性质,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(二、物理性质 ),1. 性状：常温下，19C饱和一元酸为具有强烈气味的液体; 高级脂肪酸为无味无臭蜡状固体; 二元酸和芳香酸是结晶固体。,2.溶解性：低级脂肪酸易溶于水,但随相对分子质量的增加水溶度降低:甲、乙、丙、丁酸与水互溶, 己酸0.96%, 辛酸0

7、.08%。高级一元酸不溶于水，但能溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。多元酸的水溶性大于相同碳数的一元酸。芳酸的水溶性极微。,上页,下页,首页,13,与相对分子质量相近的其它类型有机物相比, 羧酸具有特别高的沸点：,MW 60 60 58 56 Bp/ 117.9 82.3 56.5 -6.9,形成双分子氢键缔合体,上页,下页,首页,练习:,按沸点高低对下列化合物进行排序:,C2H5OH, CH3COOH, CH3CHO,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(二、物理性质 ),14,三、羧酸的化学性质,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),5.-H 的反应(难),1. 酸性,2.

8、亲核加成 亲核取代,上页,下页,首页,(较强),(较难),3. 脱羧反应,4. 羰基的还原(难),15,(一) 羧酸的酸性与成盐,Ka: 10-410-5,属于弱酸, 但酸性比碳酸强, 可用pH试纸或石蕊试纸检验出其水溶液的酸性.,共轭体系键的形成使羧酸根的键长完全平均化, 增加了羧基负离子的稳定性, 有助于H+的离解.,127pm,127pm,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),16,羧酸能与碱中和生成羧酸盐和水。利用羧酸与NaHCO3反应放出CO2, 可以鉴别、分离苯酚和羧酸.,羧酸盐与强的无机酸作用, 又可转化为原来的羧酸.,上页,下页,首页,第八章

9、 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),17,几种化合物的酸性比较(pKa):,羧酸的酸性强弱与羧酸分子的电子效应、立体效应和溶剂化效应等三种效应均相关。,上页,下页,首页,脂肪羧酸酸性大小的比较:,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),18,仅就电子效应(?)而言, 供电子取代基使酸性(O-H键极性)减弱, 吸电子取代基使酸性增强。,Gr: releasing group,Gw: withdrawing group,上页,下页,首页,电子云偏移方向,电子云偏移方向,1、 电子效应对脂肪酸酸性的影响,供电子基 酸性减弱,吸电子基 酸性增强,第八章 羧酸及其衍生物 第

10、一节 羧酸(三、化学性质 ),19,pKa 3.77 4.76,1.68,pKa 2.62 2.87 2.90 3.16 4.76,上页,下页,首页,取代基对酸性强弱的影响实例:,HCH2COOH CH3CH2COOH (CH3)2CHCOOH (CH3)3CCOOH,pKa 4.76 4.86 4.87 5.05,取代基的性质与数目,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),20,pKa 2.86 4.06 4.52,上页,下页,首页,取代基的位置与什么效应有关？,Cl3CCOOH Cl2CHCOOH ClCH2COOH HCH2COOH,pKa 0.63 1.36 2.87

11、4.76,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),21,芳香羧酸的酸性大小分析,上页,下页,首页,羧基平面和苯环共平面, 苯环大键与羧基形成共轭体系. 苯环+C效应强, 电子云偏向羧基;苯基虽为吸电子基团, 但-I效应弱,电子云偏向于苯环的趋势较弱. 结果: 不利于H+离解, 酸性比甲酸弱, 比其他脂肪一元酸强.,电子云偏向？,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),pKa 3.37 4.20 4.73,HCOOH C6H5-COOH CH3COOH,22,邻位效应(邻位基团对活性中心的影响)： 芳香羧酸苯环上邻位基团削弱了羧基和苯环的共平面性, 使苯环的给电子

12、共轭效应减弱, 酸性较对位和间位强.,上页,下页,首页,2、立体效应对芳香羧酸酸性的影响,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),23,上页,下页,首页,邻 位 效 应 共 轭 效 应 诱 导 效 应 分子内氢键,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),24,邻 位 取 代：邻位效应(立体效应)为主, 其次考虑共轭效应/诱导效应; 另外还要考虑氢键效应等. 对 位 取 代：共轭效应为主、诱导效应很弱?。 间 位 取 代：诱导效应为主、共轭效应很弱?。,上页,下页,首页,总 结,邻 (未取代) 间 对,取代基存在吸电子共轭效应时，酸性强弱顺序为:,邻 对 间 (未

13、取代),取代基只有供电子共轭效应时，酸性强弱顺序为:,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),25,Ka1(pKa) 5.910-2 (1.46) 1.610-3 (2.80) 6.810-5 (4.17),Ka2 4.010-5 1.410-6 2.310-6,二元羧酸的酸性与两个羧基的相对距离和空间位置有关.,上页,下页,首页,羧基是吸电子基, 一级电离时, 产生-I效应, 二元酸酸性增强.,一级电离后, 羧基负离子对另一个羧基产生+I效应, 二级电离受到抑制, 电离常数明显减小.,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),26,(二) 羧酸衍生物的生成,羧基

14、中的 OH 被其它原子或基团取代(难易?/机制)后生成的化合物称羧酸衍生物(形成产物的稳定性? ).,酰卤(Acyl halide),酸酐(Anhydride),酯(Ester),酰胺(Amide),上页,下页,首页,:L,酰基,离去基,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),27,1酰卤的生成 (羧酸与卤化剂作用, 羟基被卤原子取代),mp. 112 ,bp. 197 ,bp. 77 ,卤化剂的选择, 取决于产物/反应物及副产物是否便于分离. 酰卤不稳定, 具有高度反应活性，广泛应用于药物合成中.,上页,下页,首页,200分解,副产物均为气体,bp. 107 ,第八章 羧酸及

15、其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),28,2酸酐的生成,羧酸(除甲酸外)在脱水剂(如乙酰氯、乙酸酐、P2O5等)作用下或加热，分子间失去一分子水生成酸酐(acid anhydride)。,甲酸与脱水剂共热，分解为一氧化碳和水：,酐键,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),29,马来酸(顺丁烯二酸),马来酸酐,五元和六元环状酸酐可由相应的二元羧酸加热得到.,上页,下页,首页,二元羧酸加热如何脱水成酐?,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),30,3酯的生成,酯化反应(esterification): 羧酸与醇在酸催化下加热生成酯(est

16、er)和水的反应. 酯化反应是可逆反应, 需强酸催化并加热, 反应较慢(?).,苯甲酸甲酯 (85-95%),乙酸乙酯,增加反应物之一, 或不断从反应体系中移去一种生成物,可促使平衡右移,提高酯的收率.,酯键,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),31,伯醇、仲醇与羧酸的酯化反应, 通常是按酸脱羟基醇脱氢的方式生成酯。,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),32,练习: 解释下列酯化反应的活性顺序,CH3OH CH3CH2OH (CH3)2CH-OH (CH3)3C-OH,不同醇的酯化反应由易到难:,不同酸的酯化反应由易到

17、难:,HCOOH CH3COOH (CH3)2CHCOOH (CH3)3CCOOH,上页,下页,首页,酯化反应机制: 亲核加成-消去(亲核取代)历程,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),33,4酰胺的生成,羧酸与氨(或胺)反应首先形成铵盐, 然后加热脱水得到酰胺 (amide)。,酰胺键,酰卤、酸酐等进行氨解, 都可以形成酰胺. 酰胺是一类很重要的化合物, 很多药物和化工产品的分子中都含有酰胺键.,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),34,(三) 乙二酸及丙二酸的脱羧反应,羧酸失去羧基放出CO2的反应称脱羧反应(decarboxylat

18、ion).,饱和一元酸对热稳定, 通常不发生脱羧反应. 但在特殊条件下, 几乎所有的羧酸或羧酸盐都可脱羧成少一个C的烃:,若 -C 上有强吸电子基，则易脱羧。,丙二酸,乙酸,上页,下页,首页,碱石灰,问题：丁二酸、戊二酸加热？,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),35,(四) 羰基的还原,羧酸中羰基不能用一般方法(催化氢化或一般还原剂(Na-C2H5OH, CaH2)还原.,可用氢化铝锂还原羧基为羟基，不饱和键不受影响:,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第一节 羧酸(三、化学性质 ),羧酸通过间接方法可被一般还原剂还原为伯醇和醛:,36,第二节 羧 酸 衍 生 物

19、,羧基中的-OH被其它原子或基团取代后所形成的化合物.,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物,上页,下页,首页,这些羧酸衍生物均含有酰基, 统称为酰基化合物.,37,酰 基 acyl group,离去基 Leaving group,酰基是含氧酸分子中去掉酸性 -OH 后余下的基团. 除羧酸酰基外, 还有磺酰基、无机含氧酸酰基等.,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物,38,一 羧酸衍生物的命名,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（一、命名）,(一) 酰卤的命名,“酰基名”“卤素名”, 常见的为酰氯和酰溴.,乙酰溴 acetyl bromide,苯甲酰氯 b

20、enzoyl chloride,环己基甲酰氯,丙烯酰氯,上页,下页,首页,39,(二) 酸酐的命名,简单酐:“羧酸名”“酐”,混合酐:“简单羧酸名”“复杂羧酸名”“酐”,苯甲酸酐 benzoic anhydride,乙丙酐 乙酸丙酸酐,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（一、命名）,40,丙酸苯甲酸酐 benzoic propanoic anhydride,2-甲基丁二酸酐 2-Methylbutanedioic anhydride,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（一、命名）,41,(三) 酯的命名,一元醇的酯：某酸某(醇)酯,乙酸乙酯

21、Ethyl acetate,乙酸苄酯 benzyl acetate,丁二酸二甲酯(中性酯) dimethyl butanedioate,上页,下页,首页,乙二酸单乙酯(酸性酯) (草酸氢乙酯),第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（一、命名）,42,内酯的命名：将相应的 “酸” 改称为 “内酯” , 用希腊字母(、)标明原羟基的位置.,4-甲基-戊内酯,-戊内酯,？,-己内酯,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（一、命名）,43,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,(一) 羧酸衍生物的结构,上页,下页,首页,二 羧酸衍生物的性质,

22、p-p 共轭,诱导效应,卤素、酰氧基、烷氧基和氨(胺)基, 均具有吸电子诱导效应(-I)和供电子或吸电子共轭效应(C).,44,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,酸酐键,酰氯键,卤素和酰氧基表现为吸电子效应, 羰基碳带有更多的正电荷, 更易发生亲核加成(取代)反应.,L基团的总效应: 吸电子能力越强, 羰基亲核加成的活性越强; 反之, 亲核加成的活性降低.,45,酯键,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,酰胺键,烷氧基和氨(胺)基为供电子效应, 较难发生亲核加成.,46,上页,下页,首页,14

23、7pm,p-共轭,134pm 有部分双键性质,由于p-p共轭，导致酰胺中N原子几乎不能接受H+,即酰胺的碱性极弱。,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,酰胺的碱性？,47,(二) 物理性质,酰卤 具刺激气味的液体 低于相应酸 酸酐 具刺激气味的液体 低于分子质 量相近的酸 酯 具愉快气味的液体 低于相应酸 酰胺 多为固体(分子间氢键) 高于相应酸,性 状 沸 点 溶 解 性,均能溶于苯,乙醚,丙酮等有机溶剂，6C的酰胺能溶于水.,N,N-二甲基甲酰胺能与水混溶, 是很好的非质子性溶剂.,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物

24、的性质）,48,(三) 化学性质,d-,d+,d-,强电负性基团 (离去基团),p 键,结构相似: 酰基都连着一个能被其他基团取代的负性原子或基团，因而具有相似的化学性质-,亲核取代(亲核加成/消去).,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,49,离去基团 L 被亲核试剂 Nu 所取代, 该反应称为酰基的亲核取代反应, 也称为酰化反应或酰基转移反应.,上页,下页,首页,主要的亲核试剂(Nu:) H :OH ; 水解 H :OR; 醇解 H :NH2; H :NHR; H :NR2 氨解,SN2,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸

25、衍生物的性质）,50,羧酸衍生物在酸性和碱性条件下可与许多亲核试剂发生酰基亲核取代反应.,羧酸衍生物在碱性条件下的亲核取代反应通式:,加成,消去,动画模拟:酰基亲核取代反应机制,上页,下页,首页,该亲核取代反应包括亲核加成和消去两个步骤.,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,51,酰基亲核取代反应速率影响因素: 羧酸衍生物分子中的电子效应、空间效应和离去基团的离去能力.,电子效应：羰基碳所连的基团吸电子能力越强，羰基碳的正电性越强,有利于亲核加成.,离去基团的离去能力：离去基碱性越弱,离去后越稳定，即越有利于消去.,离去基的离去能力：X- RCOO- RO- N

26、H2-,羧酸衍生物酰化反应活性: 酰卤 酸酐 酯 酰胺,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,空间效应：羰基碳所连的基团越小,位阻越小,有利于亲核加成.,首页,52,高活性的羧酸衍生物易转化为低活性的羧酸衍生物. 酰卤易转化为酸酐、酯和酰胺. 酸酐易转化为酯和酰胺. 酯能转化为酰胺.,上页,下页,酰卤和酸酐是常用的酰化剂.,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,酰胺活性最小, 仅能水解成羧酸.,53,1、水解 (hydrolysis) 生成相应的羧酸,HOH,很快,快,H+ /OH-,H+ /OH-, ,酯需要碱或无

27、机酸催化并加热才水解, 酰胺水解较酯更困难, 需要强酸或强碱催化并较长时间加热.,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,54,酯在碱溶液中的水解反应机制酰氧键断裂:,反应速率取决于四面体型负离子中间体的稳定性。酰基碳连有吸电子基时能分散负电荷，稳定中间体，有利于反应. 空间因素: 酰基碳的空间位阻越小, 越有利于中间体的形成.,四面体型负离子中间体,上页,下页,首页,不可逆,SN2,皂化反应,水解不可逆.,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,55,酯的酸催化水解反应机制：,酸催化的水解反应可逆; 空间位阻对水解速率

28、影响较大, R 和 OR 基团体积增大, 反应速率降低. R 和 OR 供电子效应增强, 中间体稳定, 水解速率加快.,四面体正离子中间体,质子化羰基,上页,下页,首页,速控步骤,SN2,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,56,2、醇解 (alcoholysis) 生成相应的酯,H O-R,酰卤 与醇、酚很快反应用于制备常法难以合成的酯. 酸酐 可与绝大多数醇或酚反应，生成酯和羧酸. 酯 酯的醇解也叫酯交换反应由低级醇制备高级醇.,上页,下页,首页,酰胺的醇解反应不能发生.,(加碱中和),第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,57

29、,3、氨(胺)解(ammonolysis) 生成相应的酰胺,酰卤、酸酐可在较低温度下缓慢反应生成酰胺. 酯酯的氨解一般只需加热而不必用催化剂. 酰胺酰胺的氨解可逆；需亲核性更强且过量的胺.,上页,下页,首页,氨或胺亲核性比水强，羧酸衍生物氨解比水解容易.,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,58,4、酯缩合反应,具有-H的酯在碱的作用下与另一分子酯发生类似醇醛缩合的反应称Claisen酯缩合反应. 酰基取代-H,无-H的酯可与具有-H的酯发生交叉酯缩合反应.,上页,下页,首页,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（二、羧酸衍生物的性质）,59,第八章 羧酸及其衍生物 第二节 羧酸衍生物（三、重要的羧酸衍生物）,光气是碳酸的二酰氯，和双光气均是窒息性化学毒剂.,上页,下页,首页,三 重要的羧酸衍生物,双光气,60,1. 羧酸的结构 羰基与羟基通过 p-共轭构成整体 2. 羧酸的命名 俗名； 系统命名(似醛) 3. 羧酸的性质 酸性; 生成羧酸衍生物; 脱羧 4. 羧酸衍生物 酰卤、酸酐、酯、酰胺 5. 性质水解；醇解；氨解 (亲核加成-消除机制) 酰化反应活性: 酰卤 酸酐 酯 酰胺,本,章,要,点,Byebye！,上页,首页,