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1、第十章 羧酸及其衍生物【教学重点】 羧酸及其衍生物的化学性质、丙二酸二乙酯和乙酰乙酸乙酯在合成上的应用。【教学难点】 诱导效应、酰基上的亲核取代反应机理。【教学基本内容】 羧酸的结构； 羧酸的制备方法； 羧酸及其衍生物的物理性质； 羧酸的化学性质羧酸的酸性及影响酸性强度的因素（诱导效应、共轭效应和场效应）； 羧酸衍生物的生成； 羧基的还原反应； 脱羧反应； -氢原子的卤代反应。 羟基酸的制备方法（卤代酸水解、羟基腈水解、Refomatsky反应）、羟基酸的化学性质酸性、脱水反应、-羟基酸的分解。 羧酸衍生物的化学性质酰基上的亲核取代反应（水解、醇解、氨解）及其反应机理； 还原反应； 与Grig
2、nard反应； 酰胺氮原子上的反应（酰胺的酸碱性、脱水反应、Hofmann降解反应）。乙酰乙酸乙酯的制备方法（Claisen酯缩合）； 乙酰乙酸乙酯的化学性质酮式-烯醇式互变异构、 酸式分解和酮式分解； 乙酰乙酸乙酯在合成上的应用。 丙二酸二乙酯的制备及在合成上的应用。 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
3、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
4、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。教学内容 (一)羧酸一、概述CH3CHCH2COOHOH 4 3 2 1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。RCCOHOH-H反应亲核取代酸性脱羧还原二、羧酸结构和化学性质RCOOy1、酸性H+ +
5、 RCOOyRCOOHNaOH/Na2CO3/ NaHCO3H+RCOONaRCOOHH2O +应用：鉴别：与酚不同，与非酸性物质不同。 分离提纯。GGRCOOH RCOOH RCOOH取代脂肪酸：Cl2CHCOOH ClCH2COOH CH3CH(Cl)COOH ClCH2CH2COOH；FCH2COOH ClCH2COOHyHCOOH CH3COOHHOOCCOOH HCOOHOOCCOOHGCOOHGCOOHCOOHGCOOHGCOOHCOOHG取代芳酸： COOHNO2COOHNO2NO22、羧基中羟基的置换反应(SN)ORCNuORCOH + NuERCOHyONuORCClPX3,
6、PX5,SOCl2ORCOHORCORORCOCROROHORCNH2(NH2R,NHR2)NH3(NH2R,NHR2)ORCOH +10,20醇 酰氧键断裂ORCOH + HOCR3 烷氧键断裂酯化反应 ORCOHLiAlH4/无水乙醚H2ORCH2OH (CC，CC不还原)H2/Cu(Zn,Ni CrO2),300-400,200-300MPaRCH2OHB2H6,H2ORCH2OH3、还原反应CaO4、脱羧反应CH3COONa + NaOH CH4 + Na2CO3ThO2400-500(CH3COO)2Ca CH3COCH3 + CaCO32RCOOH RCOR + CO2 + H2O
7、OCH2CHCHCOH (-C上连有重键时易脱羧)OHOCCHCOH (-C上连有强吸电子基时易脱羧)(NO2,X,CO,CN等)OCOOHRRR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OHCOOKOHCOOKRNO2NH2RRR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-羰基羧酸不能脱羧。ORCCH2R-CO2OORRHORORHOCOOHHO ORRHO-CO2,-双键脱羧后重排到,-位之间 RCH2CHCHRBr2PBr2P5、-H取代反应(Hell-Volhard-Zelins反应)RCH2COOH RCH
8、BrCOOH RCBr2COOHNH3NaOH/H2OKCNNaOH/EtOHNH2CNOHRCHCOOH RCHCOOH RCHCOOH RCHCHCOOHOH+COOHORCHCOOH RCCOOH160-1806、二元酸受热反应140-160失羧 HOOCCOOH CO2 + HCOOHHOOCCH2COOH CO2 + CH3COOHCCO + H2OOO失水CH2COOHCH2COOH300CCO + H2OOOCH2COOHCH2COOHCH2300(相应的铵盐受热300C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CH2CH2COOHCH2CH2COOHCH2CH2C
9、H2COOHCH2CH2COOHO300300BaO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。RCHOCCHROCOOHOCCHROHO7、羟基酸的受热反应RCHCOHOOH： (交酯)OH：RCHCH2COOH RCHCHCOOH CH2-CH2RCHCOO：OHRCHCH2CH2COOH (-内酯)CH2-CH2RCHCCH2OO：OHRCHCH2CH2COOH O (-内酯)-nH2O以远：nHO(CH2)mCOOH O(CH2)mCn (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
10、1、有机物氧化烃氧化伯醇或醛氧化H3+O2、水解反应H2O高温,高压RCN RCOOH油脂 RCOOH + 甘油COOHCCl3CH3H2O,ZnCl2108-115Cl2光H2O3、RMgX + CO2 RCOOH4、酚酸合成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
11、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ORCL(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。RCCLOH-H反应亲核取代加成或还原二、化学性质三、-二羧基化合物OOCH3CCH2COC2H5C2H5ONa1、乙酰乙酸乙酯2CH3COOC2H5制备 OOCH3CCHC
12、OC2H5 NayC2H5ONa性质氢键共轭稳定OCH3CCHCOC2H5 OH互变异构加HCN,NaHSO3 Br2/C2H5OH 褪色H2NOH,C6H5NHNH2 Na H2 FeCl3 显色被NaBH4还原分解反应(A)酮式分解(成酮分解)(B)酸式分解(成酸分解)应用 合成酮类、酸、酮酸。2、丙二酸二乙酯OCH3COHCH2COOHClCl2,PNaOHCH2COONaCl制备：COOC2H5COOC2H5CH22CH3CH2OH,H2SO4(水解，酯化同时进行)CH2COOHCNNaCNCOOC2H5COOC2H5CHyC2H5ONaCOOC2H5COOC2H5CH2Na性质：CO
13、OHCOOHCH2COOC2H5COOC2H5CH2CH3COOH + CO2 + H2OH+,H2O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OOCCH2C、NCCH2CN、CH3CCH2CN、O2NCH2CN、O2NCH2NO2等OKnoevenagel 反应Stobbe 反应1,4共轭加成,-不饱和羰基(腈基,硝基)化合物物Michael 反应NaOH,不饱和羰基化合物 + 活泼亚甲基化合物C2H5ONaH3+O（醛、酮、腈、酯、酰胺、硝基化合物）物,季铵碱N,H2O1,5-二羰基化合物 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NaH
14、CO3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。碱液的当量浓度标准碱液的毫升数羧酸样品的毫克数羧酸中羧基的数目羧酸分子量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。酯基的数目酯的分子量SE酯的皂化当量酰卤可与AgNO3水溶液生成AgX沉淀。RCOX + H2O RCOOH + HX HX + AgNO3 AgX+ HNO3NaHCO3酸酐容易水解成酸(RCO)2O + H2O 2RCOOH CO2酰胺则与NaOH溶液加热，有NH3放出。RCONH2 + NaOH 2RCO
15、ONa + NH3二、羧酸及其衍生物之间的关系：ORCOHORCXORCORORCNH2ORCOCROPX3或SOCl2H2ONH3P5O2,H2O/HO-ROHNH3RCOONaNH3H2O/H2OROH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OOCH3CCH2COC2H5C2H5ONaOCH3CCHCOOC2H5RX(CH2)nX (21)ROCH3CCCOOC2H5ROOCH3CCHCOC2H5 NayRXRXOCH3CCHRRRCHCOOHROCH3CCHRRCH2COOHCHCOOC2H5CHCOOC2H5OCH3COCH3CCH2CH2OCH3COCH3C稀
16、OHy或稀H浓OHyH稀OHy或稀H浓OHyHCH2COOHCH2COOH(CH2)nCH2COOHCH2COOHOCH3CCH2OCH3CCH2(CH2)nOCH3CCHCOOC2H5OCH3CCHCOOC2H5(CH2)n稀OHy或稀H浓OHyHI2 (21)OOCH3CCHCOC2H5(CH2)nCOOC2H5COROOCH3CCHCOC2H5X(CH2)nCOOC2H5RCOXOOCH3CCCOC2H5(CH2)nX(CH2)nX (11)OCH3CCH (CH2)n(CH2)n CHCOOHOCH3CCH2(CH2)nCOOC2H5CH2COOH(CH2)nCOOHOCH3CCH2C
17、ORCH2COOHCOR稀OHy或稀H浓OHyH稀OHy或稀H浓OHyH稀OHy或稀H浓OHyH稀OHy或稀H浓OHyH甲基酮甲基酮一元酸一元酸己二酮二元酮丁二酸二元酸环状甲基酮酮酸酯环状一元酸二元酸二元酮酮酸三、乙酰乙酸乙酯合成法C2H5ONaH5C2OOCCHCOOC2H5RX(CH2)nX (21)RH5C2OOCCCOOC2H5RRXRXRCHCOOHRRCH2COOHH5C2COOCHCOOC2H5H5C2COOCHCOOC2H5CH2COOHCH2COOH(CH2)nCH2COOHCH2COOHH5C2COOCHCOOC2H5H5C2COOCHCOOC2H5(CH2)nI2 (21
18、)H5C2OOCCHCOOC2H5(CH2)nCOOC2H5X(CH2)nCOOC2H5 (11)X(CH2)nX (11)(CH2)n CHCOOHCH2COOH(CH2)nCOOHH3+On=1 戊二酸n=2 己二酸n=3 庚二酸H5C2OOCCHCOOC2H5 NayH5C2OOCCH2COOC2H5 (CH2)nH5C2OOCCCOOC2H5 H3+ORHOOCCCOOHRHOOCCHCOOHRH3+OH3+On=1 环丙酸n=2 环丁酸n=3 环戊酸n=4 环己酸(CH2)nHOOCCCOOH H3+OH3+OX(CH2)nCOOC2H5 (12)(CH2)nCOOC2H5(CH2)
19、nCOOC2H5H5C2COOCCOOC2H5n=1 丁二酸n=2 戊二酸n=3 己二酸H3+O(CH2)nCOOH(CH2)nCOOHCHCOOH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：OCH3CCCH2CH3CH3H例1：合成3-甲基-2-戊酮写出目标分子的构造式划出丙酮单元从而找出RCH3CH2，RCH3PI3PCl3合成RX，RXCH3CH2OH CH3CH2Cl CH3OH CH3IH+C2H5OHOC2H5ONa完成全合成CH3CH2OH CH3COOH CH3COOC2
20、H5OOCH3CCHCOC2H5 NayC2H5ClC2H5ONaOOCH3CCH2COC2H5OCH3CCCOOC2H5 NaC2H5yCH3IC2H5ONaOCH3CCHCOOC2H5C2H5CH3OCH3CCCOOC2H5C2H5OCH3CCCH2CH3CH3H稀H+,OCCH3CH3例2：合成OCCH3CH3OOCCH3CH3OHOCCH3CH3解：OBrCH2CH2Br + 2(CH2CCH3)OOCH3CCHCOC2H5 NayOCH3CCHCOOC2H5CH2CH2BrH+C2H5ONaBrCH2CH2Br OCH2CCH3OCH2CCH3CH2OCCH3CH3OCCH3CH3O
21、HC2H5OHC2H5ONa,(-H2O)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：CH3CH2CH2CHCOOHCH3例3：合成-甲基戊酸写出目标分子的构造式划出乙酸单元从而找出RCH3CH2CH2，RCH3O合成RX，RXCH3CHCH3 OHH3+OMgPI3CH3CH2OH CH3CHO CH3OH CH3I CH3MgICH3CH2CH2Br 过氧化物HBrCH2CHCH3 ,(-H2O)浓H2SO4H5C2OOCCHCOOC2H5CH2CH2CH3CH3CH2CH2BrH5C2OOCCHCOOC2H5 Nay完成全合成H5C2OOCCHCOOC2H5CH2CH2CH3CH3H5C2OOCCCOOC2H5 NayCH2CH2CH3CH3IC2H5ONaCH3CH2CH2CHCOOHCH3H3+O例4：合成-丁内酯OHCOHOOOCH2CH2ClOHCH2COOHCH2CH2OH解：CH2CH2 + HOClH5C2OOCCHCOOC2H5 NayHOCl浓H2SO4CH2CH2ClOHCH2CH2 CH3CH2OHOOCH2COOHCH2CH2OHH5C2OOCCHCOOC2H5CH2CH2OHH3+O 习题与教学检查题（详习第十一章习题）
