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本课件讲解羧酸及其衍生物的系统命名与结构,分析羧酸的酸性及影响因素,展开羧酸衍生物的生成与亲核取代水解历程,包括酯化、酯的水解、酰卤酸酐酰胺的反应与制备。,结构式与反应式以高清图示呈现,便于对照复习。
阿司匹林13.1.1分类、命名、布洛芬第一节羧酸分类
命名由它的来源命名:甲酸最初是由蚂蚁蒸馏得到的,称为蚁酸。乙酸最初是由食用的醋中得到,称为醋酸。还有草酸、琥珀酸、苹果酸、柠檬酸。
系统命名:含羧基最长的碳链作为主链,根据主链上碳原子数目称为某酸.编号从羧基开始.3,4-二甲基戊酸3-甲基-2-丁烯酸芳香族羧酸可以作为脂肪酸的芳基取代物命名
4-甲基-4-苯基-2-戊烯酸(1R, 3R)-1,3-环己烷二羧酸丙醛酸(3-氧代丙酸或3-羰基丙酸)3-丁酮酸(3-氧代丁酸或乙酰乙酸)
羧酸常用希腊字母来标名位次,即与羧基直接相连的碳原子为α,其余位次为β、γ…,距羧基最远的为ω位。Δ表示烯键的位次,把双键碳原子的位次写在Δ的右上角。二元酸命名:但要注意三点:系统命名与俗名的联系,如苯甲酸俗名为安息香酸、丁二酸的俗名为琥珀酸等。用希腊字母表示取代基位次的方法。含十个碳以上的直链酸命名时要加一个碳字。
两个碳氧键不等长,部分离域。两个碳氧键等长,完全离域。1.36Å1.23Å1.27Å醇中C-O单键键长为1.43Å13.1.2羧酸和羧酸根的结构比较
13.2 羧酸的物理性质低级脂肪酸是液体,可溶于水,具有刺鼻的气味。中级脂肪酸也是液体,部分地溶于水,具有难闻的气味。高级脂肪酸是蜡状固体。无味,在水中溶解度不大。液态脂肪酸以二聚体形式存在。所以羧酸的沸点比相对分子质量相当的烷烃高。所有的二元酸都是结晶化合物。羧酸是极性化合物,沸点高于相应分子质量的醇。
羧酸的光谱特征1HNMRR2CHCOOH δH:10~12 HCR2COOH δH:2~2.6二聚体(氢键缔合)
羧酸中的C=O:单体二缔合体RCOOH 1770~1750cm-1 ~1710cm-1CH2=CHCOOH ~ 1720 cm-1 ~1690cm-1ArCOOH 1700-1690cm-羧酸中的OH:~ 3550 cm-1 3000 ~2500cm-羧酸中的C-O~ 1250 cm-1IR光谱
13.4 羧酸的制备RC≡NO2 / V2O5500oCH2O13.4.2 羧酸衍生物的水解反应(308)13.4.1氧化法醛、伯醇的氧化烯烃的氧化(适用于对称烯烃和末端烯烃)芳烃的氧化(有α-H芳烃氧化为苯甲酸)碘仿反应制酸(用于制备特定结构的羧酸)P306
特点:产物比反应物卤代烷多一个碳,与RCN同。13.4.3腈的水解反应式RX + NaCN RCN RCOOHH2OH+or HO-醇反应注意事项1 应用于一级RX制腈,产率很好。2 芳香卤代烷不易制成芳腈。3 如用卤代酸与NaCN反应制二元酸时,卤代酸应先制成羧酸盐。ClCH2COOH ClCH2COONa NCCH2COONaHOOCCH2COOHNaOHNaCNNaOHH2OH+
R-C≡NR-C≡NHR-C=NHH+++H2O-H+H+H2O+-NH3-H+RCOOH互变异构H~腈酸性水解的机理
腈碱性水解的机理H2O互变异构-OHRCOOH + NH2-RCOO-+ NH3H+RCOOH
(1) 1oRX、2oRX较好,3oRX需在加压条件下反应(否则易消除)(2) ArI、ArBr易制成格氏试剂、ArCl较难。(3) 产物比RX多一个碳原子。13.4.4 有机金属化合物的反应1 格氏试剂和CO2的反应RX RMgX RCOOMgX RCOOHCO2H2OMg 无水醚讨论
2.有机锂试剂和CO2的反应RLi + CO2 RCOOLi RCOOHRLiH2OH2O讨论:(1)(2)(3)同格氏试剂。(4)(注意:投料比对产物的影响)
实例n-C4H9Li/Et2O-50 至-60oCCO2H2O烯烃羰基化法烯烃在Ni(CO)4催化剂的存在下吸收CO和H2O而生成羧酸。
13.5 羧酸的反应α-活泼H的反应酸性羰基的亲核加成,然后再消除(表现为羟基的取代)。羰基的亲核加成,还原。
故羧基的结构为一P-π共轭体系当羧基电离成负离子后,氧原子上带一个负电荷,更有利于共轭,故羧酸易离解成负离子。
两个碳氧键不等长,部分离域。两个碳氧键等长,完全离域。1.36Å1.23Å1.27Å醇中C-O单键键长为1.43Å羧酸和羧酸根的结构比较
13.5.1酸性羧酸具有弱酸性,在水溶液中存在着如下平衡:甲酸的Ka=2.1×10-4 , pKa =3.75其他一元酸的Ka在1.1~1.8×10-5之间, pKa在4.7~5之间。可见羧酸的酸性小于无机酸而大于碳酸(H2CO3 pKa1=6.73)。故羧酸能与碱作用成盐,也可分解碳酸盐。影响羧酸酸性的因素复杂,这里主要讨论电子效应和空间效应
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。为什么RCOOH的酸性比ROH的酸性大?13.5.2诱导效应、共轭效应对酸性的影响1. 诱导效应的影响
吸电子诱导效应使酸性增强。FCH2COOH > ClCH2COOH >BrCH2COOH >ICH2COOH > CH3COOH pKa值2.66 2.86 2.89 3.16 4.762 供电子诱导效应使酸性减弱。CH3COOH > CH3CH2COOH > (CH3)3CCOOHpKa值4.76 4.87 5.053 吸电子基增多酸性增强。ClCH2COOH > Cl2CHCOOH > Cl3CCOOHpKa值2.86 1.29 0.654 取代基的位置距羧基越远,酸性越小。pKa值2.86 4.41 4.70 4.82
2. 共轭效应的影响[分析]
邻位取代的苯甲酸, (取代基是吸电子基或给电子基), 均使酸性增强。C6H5的给电子共轭效应超过了吸电子诱导效应当羧基能与基团共轭时,则酸性增强分子内的氢键也能使羧酸的酸性增强。
芳香羧酸的情况分析取代基具有吸电子共轭效应时,酸性强弱顺序为:邻> 对> 间取代基具有给电子共轭效应时,酸性强弱顺序为:邻> 间> 对具体分析:邻位(诱导、共轭、场、氢键效应、空间效应均要考虑。)对位(诱导很小、共轭为主。)间位(诱导为主、共轭很小。)
共轭碱分子内形成氢键,降低了共轭碱的碱性,增强了对应试分析富马酸的K2大于其顺式异构体马来酸K2的原因。通常酸性氢原子参与形成氢键时,其酸性减弱。的共轭酸的酸性。
153.5.3羧酸α-H的反应——赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应在三氯化磷或三溴化磷等催化剂的作用下,卤素取代羧酸α-H的反应称为赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应。RCH2COOH + Br2PBr3 -HBrRCHCOOHBr1 定义
13.5.4羧羟基的取代反应酰氧键断裂,羟基被取代。1)酯化酸催化羧基上的OH原子团可被一系列原子或原子团取代生成羧酸的衍生物。
反应机制:(酸催化羰基氧原子发生质子化)mol: 1 : 8
2) 形成酰卤亚硫酰氯(二氯亚砜) SOCl2,PCl3、PCl5
3) 形成酸酐羧酸失水。加热、脱水剂:醋酸酐或P2O5等。
4) 形成酰胺应用实例:尼龙66的合成nHO2C(CH2)4COOH + nH2N(CH2)6NH2270oC 1MPa+ nH2O
15.5.5. 羧酸的还原羧酸能用LiAlH4和B2H6还原RCOOHRCH2OHLiAlH4or B2H6H2O
(2)用乙硼烷还原RCOOH + BH3反应机理乙硼烷与羰基化合物的反应活性顺序-BH2(OH)RCHOBH3RCH2OBH2H2ORCH2OH-COOH > C=O > -CN > -COOR > -COCl
LiAlH4不还原孤立的C=C, B2H6能还原孤立的C=C。用LiAlH4还原和用乙硼烷还原的区别CH2=CH-CH2-COOHCH2=CH-CH2-CH2OHCH2=CH-CH2-COOHCH3CH2CH2CH2OHB2H6H2OH2OLiAlH4
13.5.6. 羧酸的脱羧反应一般的脱羧反应不用特殊的催化剂,而是在以下的条件下进行的。(1)加热(2)碱性条件(3)加热和碱性条件共存(1)反应一般式A-CH2-COOHACH3+ CO2当A为吸电子基团,如:A=COOH,CN,C=O,NO2,CX3,C6H5等时。失羧反应极易进行。加热碱
形成分子内氢键芳香酸的脱羧
在结构上,两个吸电子基连在同一个碳上的化合物,热力学上是不稳定的,加热易脱羧。通常α-碳上连有吸电子基的羧酸,加热容易脱羧。
羧酸盐的脱羧反应将RCOOH转变为RXHunsdiecker反应,即重金属羧酸盐(如Ag+)和卤素(如Br2)反应洪塞迪克尔
13.5.7 羧酸与有机金属化合物的反应与格氏试剂的反应RCOOMgX + R’H与有机锂试剂反应酯、酰氯、酸酐与有机锂试剂反应时生成的中间体不稳定,在反应过程中即分解成酮、酮比酯活泼,所以在反应体系中常得到酮与3oROH的混合物。RCOOLiH2OH2O-LiOH
13.6二元羧酸的热分解反应Blanc规则:在可能形成环状化合物的条件下,总是比较容易(布朗克)形成五元或六元环状化合物(即五、六元环容易形成)。13.5 重要的一元羧酸对酸性而言pKa1 > pKa2
二元羧酸受热后的反应失水要加失水剂Ag2O、P2O5、乙酰氯、乙酸酐、三氯氧磷等失羧要加碱:Ba(OH)2、Ca(OH)2等失羰(-CO)失羧(-CO2)乙二酸、丙二酸(失羧)~160℃丁二酸、戊二酸(失水)~300℃已二酸、庚二酸(失羧、失水)~300℃辛二酸以上为分子间失水柏朗克规则}甲酸、α-羟基酸、α-羰基酸受热均发生失羰反应。
2. 羟基羧酸的合成13.7取代酸羧酸分子中烃基上的氢原子被其他原子或原子团取代后形成的化合物称为取代酸。取代酸有卤代酸、羟基酸、氨基酸、羰基酸等,其中卤代酸、氨基酸将在有关章节中讨论,这里只讨论羟基酸1.羟基酸的分类与命名α-羟基酸受β-羟基酸γ-和δ-羟基酸苹果酸柠檬酸
4. Reformatsky,S.(瑞福马斯基)反应β-羟基酸酯醛或酮、α-卤代酸酯、锌,在惰性溶剂中反应。
2-甲基-3-苯基-3-羟基丙酸乙酯讨论
β-γ-讨论:写出下列反应的产物
δ-聚酯羟基与羧基间的距离大于四个碳原子时,受热则生成长链的高分子聚酯α-和β-羟基酸还有羟基被氧化后在脱羧的性质(5)水杨酸与乙肝反应得到乙酰水杨酸,俗称“阿斯匹灵”。可治感冒发烧,最近报道,还有治疗,预防心脏的作用。13.7.5重要的羟基酸(自学)
二羧酸衍生物13.8结构、命名与物性碳-杂原子键具某些双键性质羧酸衍生物是羧酸分子中的羟基被取代后的产物,重要的羧酸衍生物有酰卤,酸酐,酯,酰胺。
1 酰卤的命名:在命名时可作为酰基的卤化物,在酰基后加卤素的名称即可。普通命名法:α-溴丁酰溴对氯甲酰苯甲酸IUPAC 命名法:2-溴丁酰溴4-氯甲酰苯甲酸常用英文命名
2 酸酐的命名单酐:在羧酸的名称后加酐字;混酐:将简单的酸放前面,复杂的酸放后面再加酐字;环酐:在二元酸的名称后加酐字。普通命名法:醋酸酐乙丙酸酐丁二酸酐IUPAC 命名法:乙酸酐乙丙酸酐丁二酸酐常用英文命名
3 酯的命名酯可看作将羧酸的羧基氢原子被烃基取代的产物。命名时把羧酸名称放在前面,烃基的名称放在后面,再加一个酯字。内酯命名时,用内酯二字代替酸字并标明羟基的位置。普通命名法:醋酸苯甲酯α-甲基-γ-丁内酯IUPAC 命名法:乙酸苯甲酯2-甲基-4-丁内酯常用英文命名
4 酰胺的命名命名时把羧酸名称放在前面将相应的酸字改为酰胺即可;普通命名法:异丁酰胺N,N-二甲基戊酰胺IUPAC 命名法:2-甲基丙酰胺N,N-二甲基戊酰胺(CH3)CHCNH2CH3CH2CHCH2CN(CH3)2OO2-Methylpropanamidedimethylpentanamide常用英文命名N,N-
5 腈的命名腈命名时要把CN中的碳原子计算在内,并从此碳原子开始编号;氰基作为取代基时,氰基碳原子不计在内。常用英文命名普通命名法:β-甲基戊腈α-氰基丁酸己二腈IUPAC 命名法:3-甲基戊腈2-氰基丁酸己二腈
酯内酯需标明羟基的位次。β-氯丙酸苯酯β-甲基-γ-丁内酯(3-甲基-4-丁内酯)Erythromycin A (红霉素) AVitamin C
酰胺N,3-二甲基戊酰胺N,N-二甲基甲酰胺(DMF)4-乙酰氨基-1-萘羧酸氮原子上有取代基, 在取代基名称前加N标出。γ-内酰胺青霉素( penicillin )
13.9 羧酸衍生物的物性低级的酰氯和酸酐是有刺鼻气味的液体,高级的为固体;低级的酯具有芳香的气味,可作为香料;十四碳酸以下的甲酯和乙酯均为液体;酰胺除甲酰胺外,由于分子内形成氢键,均是固体;而当酰胺的氮上有取代基时为液体;羧酸衍生物可溶于有机溶剂;酰氯和酸酐不溶于水,低级的遇水分解;酯在水中溶解度很小;低级酰胺可溶于水。表13-3
三羧酸衍生物的光谱性质见329表13-4图13-7;13-8醛、酮的νC=O 1705~1740cm-1 羧酸衍生物的C=O伸缩振动扩大到了1550~1928 cm-1.-I效应使波数升高。+C效应使波数降低。降低了C=O的极性。供电子作用而使C=O的双键性降低。增加了C=O的双键性。吸收频率的波数降低。波数增高。酰卤:νC=O~1800cm-1 ~1920cm-1 νC=O
13.10 羧酸衍生物的结构和反应性能氧的碱性α-H的活性羰基的活性离去基团
α-H的活性减小(α-H的pka值增大)羰基的活性减小(取决于综合电子效应)W的离去能力减小(离去基团的稳定性减小)
电荷转移使羰基氧具有一定的碱性, 易接受质子。质子化发生在羰基氧上。羰基与烷氧基不发生p-π共轭,质子化发生在哪个原子上?
3. 羧羰基的亲核取代反应活性影响反应活性的因素:1) 与羰基相连的基团(Y) 吸电子能力
2) 与羰基相连的基团(Y) 空间体积;3) 与羰基相连的基团(Y) 离去能力;4) 反应物稳定化程度。离去基团的离去能力:羧酸衍生物亲核取代反应活性顺序:三. 羧酸衍生物的反应1. 亲核取代L的碱性为:Cl-< R-COO-< R’O-< NH2-L的稳定性为:Cl->R-COO-> R’O-> NH2-
该取代反应需要在碱或酸的催化作用下进行。碱性催化的反应机制为:取代反应羧酸衍生物的羰基的亲核加成-消除反应催化剂
酸催化的反应机制为:这是一个可逆反应,要使反应向右方进行,其条件是:(1)羰基的活性(2)离去基团的活性W -> Nu -(3)改变影响平衡移动的其它因素。
亲核加成—消除总结果:亲核取代。1) 水解酸、碱催化。生成相应的羧酸。
酯水解反应,键的断裂发生在酰氧键还是烷氧键?大多数2o和1o醇的羧酸酯的水解发生酰氧键断裂;3o醇的羧酸酯的水解发生烷氧键断裂。酸催化
碱催化:3o醇的羧酸酯水解:SN1机制试写出化合物(A)和(B)用H2O18在酸催化下水解的产物。
2) 醇解形成酯
酰卤α-H比酯α-H活泼。
酯的醇解(酯交换)3) 氨(胺)解4) 羧酸衍生物的相互转化
13.10.3羧酸衍生物与有机金属化合物的反应eg 1
R1MgXR1LiR12CuLiR2CdRCOOHRCOOMgRR’C=ORCOXRR12C-OHRR’C=ORR’C=ORR’C=ORR’C=ORR’C=ORR12C-OH(RCO)2O*1RCHO1oROH2oROH3oROHR2C=ORCOOR”RCNRCONH2*2同左同左(慢)同左(慢)同左同左(慢)同左(慢)2oROH3oROH同左同左羰基化合物与有机金属化合物的反应归纳
13.11 羧酸衍生物的还原反应1)LiAlH4酰卤、酸酐和酯被还原成伯醇;酰胺和腈被还原成胺。
2) Na-ROH酯伯醇13.11.1酰卤化学性质(1)水解、醇解、氨解(常温下立即反应)
与格氏试剂反应酰氯与格氏试剂作用可以得到酮或叔醇。反应可停留在酮的一步,但产率不高还原反应
罗森蒙德(Rosenmund)还原法可将酰卤还原为醛
烯酮的制备和反应最简单的烯酮是乙烯酮。CH2=C=O(乙)烯酮CH3CH=C=O甲基(乙)烯酮2 烯酮的制备方法:(1)α-溴代酰溴脱溴RCH=C=O + ZnBr2Zn1 定义羧酸分子内失水后的生成物称为烯酮。
(3)甲基酮脱甲烷(2)羧酸的脱水CH3COOHAlPO4, 700oCCH2=C=ORCH2COOHAlPO4, 700oC-H2O-H2ORCH2=C=O700-800oC700-800oCCH2=C=O-CH4-CH4RCH2=C=O
3. 烯酮的反应(2) 发生羰基的一般反应。(两个π键成正交,互不共轭,可各自进行反应)CH2=C=O +H-OHH-XHOOCRCH3COOHCH3COX互变异构互变异构互变异构(1) 形成亚甲基卡宾的反应hν:CH2+ CO
氢加在氧上,其余部分加在碳上。CH3COORCH3CONH2互变异构互变异构互变异构H2OH-ORH-NH2RMgBrCH2=C=O +
具有位阻的酯可以停留在酮的阶段。例如:还原反应酯比羧酸易还原,可用多种方法(催化氢化、LiAlH4、Na + C2H5OH等还原剂)还原。还原产物为两分子醇。见P337RCOOR1Na-无水乙醇RCH2OH + R1OH
13.11.4 酰胺1. 酰胺的酸碱性CH3CH3CH2=CH2NH3CH≡CH C2H5OH H2OpKa~50 ~40 ~34-35 ~25 ~16 ~15.7pka~10 9.62 8.3~15.1中性弱酸性碱性
Br2KOH+ H2OHBr +丁二酰亚胺N-溴代丁二酰亚胺丁二酰亚胺的钾盐酸碱反应取代反应
(1) 羧酸铵盐的失水(2) 腈的水解羧酸NH3铵盐酰胺100o~200oC -H2OH2O 40o~50oC -H2O→腈H2O2. 酰胺的制备
CH3COOH + NH3CH3COO-NH4++ H2O35% HCl40o~50oC.+ H2O26N NaOH, C2H5OH40o~50oC, 4小时+ O2100oC
霍夫曼降解CH3COOH + NH3CH3COO-NH4++ H2O35% HCl40o~50oC+ H2O26N NaOH, C2H5OH40o~50oC, 4小时+ O2100oC
6. 酰胺的酸碱性与霍夫曼降解
Hofmann(霍夫曼)降解反应酰胺在碱性溶液中与卤素作用,失去二氧化碳,重排得一级胺。
酰胺还原LiAlH4LiAlH4LiAlH4LiAlH4LiAlH4LiAlH4H2OH2ORCH=NHRCH=NRRCH=NR2+RCH2NH2RCH2NHRRCH2NR2H2OH2OH2ORCH=ORCH=ORCH=O(好控制)(不好控制)(不好控制)加成-消除加成加成-消除
保留一个羟基的碳酸衍生物均不稳定,易分解。CO2+ HClCO2+ EtOHCO2+ NH3碳酸13.12 碳酸及其衍生物
-HClROHNH3ROHRNH2RN=C=ORNH2(C2H5)3NC6H5SO2ClRN=C=NRNH3-HClO=C=NHHO-C≡NNH3碳二亚胺光气氰酸异氰酸异氰酸酯CCl4+ 2SO3碳酸衍生物的制备及介绍二个羟基均被取代的碳酸衍生物十分有用。
碳酸衍生物碳酰氯(光气) 碳酰胺(脲) 硫代碳酰胺(硫脲) 亚氨基脲(胍)1. 脲
酮式烯醇式缩二脲反应鉴定肽键。13.12.3 硫脲2. 胍
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