第八章羧酸及其衍生物

【本章重点】 第八章羧酸及其衍生物 1. 羧酸的酸性及诱导效应。 2. 羧酸及其衍生物的化学性质，羧酸衍生物的加成 – 消去反应历程。 3. 丙二酸酯和乙酰乙酸乙酯在合成上的应用。【必须掌握的内容】 1. 羧酸及其衍生物的物理性质。 2. 羧酸的化学性质——结构与酸性、羧酸衍生物的生成、脱羧反应及α-H卤代反应等。

3. 羧酸衍生物的化学性质——亲核取代反应(水解、醇解、氨解)及其反应历程、与Grignard试剂反应及α-H 反应等。 §8―1 羧酸 4. 丙二酸酯和乙酰乙酸乙酯的性质及在合成上的应用。 §8-1-1羧酸的制备方法 (一) 从烃制备——烃的氧化

(二) 伯醇或醛的氧化——制备同碳数的羧酸： (三) 甲基酮氧化——制备减少一个碳原子的羧酸： (四) Grignard试剂与CO2作用——制备增加一个碳原子的羧酸：

(五) Kolbe-Schmitt反应——制备增加一个碳原子的酚酸 (六) 腈的水解： §8-1-2 羧酸的物理性质羧酸是极性分子，能与水形成氢键，故低级一元酸可

与水互溶，但随M↑，在水中的溶解度↓，从正戊酸开始与水互溶，但随M↑，在水中的溶解度↓，从正戊酸开始在水中的溶解度只有3.7 %，＞C10的羧酸不溶于水。 b.p：羧酸＞ M 相同的醇。 m.p：随M↑呈锯齿形上升。偶数碳原子羧酸的m.p＞相邻两个同系物的m.p。 IR谱： OH伸缩振动——二聚体：2500~3300cm-1(宽而散)；单体：3550cm-1(气态或非极性溶剂的稀溶液)。 OH面外弯曲振动——925cm-1(较宽)。 C=O伸缩振动——脂肪族羧酸：1700~1725

cm-1(中等强度)；芳香族羧酸：1680~1700cm-1。 C—O伸缩振动：~1250cm-1(中等)。 NMR谱： RCH2COOH R2CHCOOH RCOOH §8-1-3羧酸的化学性质一、化学性质一览表酸性与成盐

如：羧酸衍生物的生成 1. 酰卤的生成 2. 酸酐的生成

3. 酯的生成 4. 酰胺的生成还原反应脱羧反应如：

羧酸和醇在结构上只差一个C=O，但其酸性却相差很羧酸和醇在结构上只差一个C=O，但其酸性却相差很大。这是因为醇离解生成的RCH2￣负离子中，负电荷是局限在一个氧原子，而羧酸离解后生成的RCOO ￣负离子，由于共轭效应的存在，氧原子上的负电荷则均匀地分散在两个原子上，因而稳定容易生成。由羧酸结构所决定，其最显著的化学性质就是在水溶液中能离解成羧酸根负离子和质子。其酸性强度可用离解

常数Ka或它的负对数pKa表示。一些化合物的酸碱性强弱常数Ka或它的负对数pKa表示。一些化合物的酸碱性强弱次序如下： (1) 诱导效应的影响 2. 影响酸性强度的因素吸电子诱导效应(－I效应)使酸性↑，其相对强度：同族元素——从上到下原子序数依次↑，电负性依次 ↓。故：如：

同周期元素——从左到右电负性依次↑。 如：与碳原子相连的基团不饱和性↑，吸电子能力↑。如：带正电荷或具有配价键的基团为强－I基团。如：供电子诱导效应(+I效应)使酸性↓，其相对强度：

诱导效应的特点： A. 具有加和性 B. 诱导效应强度与距离成反比，距离↑，诱导效应强度↓。 (2) 场效应的影响丁烯二酸有顺式和反式两个异构体，其酸性为：

单从诱导效应来看，二者的酸性应差不多，但事实上单从诱导效应来看，二者的酸性应差不多，但事实上却相差很大，这种现象单纯用诱导效应是无法解释的。然而，这种现象可从场效应中得到解释：场效应实际上是一种空间的静电作用，即：取代基在空间可以产生一

个电场，这个电场将影响到另一端的反应中心。个电场，这个电场将影响到另一端的反应中心。对于顺丁烯二酸酐，吸电子的诱导效应的存在将有利于 H+ 的解离，使其酸性↑；而场效应则有两种相互矛盾的作用力：γ排斥的存在，将有利于H+ 的解离；γ吸引的存在则不利于 H+ 的解离。但相互吸引的两原子的空间距离较远，即γ排斥＞ γ吸引，故有利于 H+ 的解离，将使其酸性↑。而反丁烯二酸酐，只存在诱导效应，不存在场效应。可见，场效应与空间距离有关，距离愈远，这种作用愈弱。事实上要区别诱导效应和场效应也是比较困难的，因为这两种效应往往同时存在，且作用方向又往往相同。

(3) 邻位效应的影响 取代苯甲酸的酸性不仅与取代基的种类有关，而且与取代基在苯环上的位置有关。如： pKa 3.42 3.49 4.20 显然，当芳环上连有+I、+C基团时，将使酸性↓。值得注意的是：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)，都将是酸性↑，即邻位取代苯甲酸的酸性＞对位、间位取代苯甲酸，也＞苯甲酸。产生这种现象的原因较为复杂，诸如立体效应、氢键等。总称为邻位效应。基是吸电子基还是供电子基(－NH2除外)，都将是酸性↑，即邻位取代苯甲酸的酸性＞对位、间位取代苯甲酸，也＞苯甲酸。产生这种现象的原因较为复杂，诸如立体效应、氢键等。总称为邻位效应。 pKa 2.21 4.20 3.91

3. 成盐 应用：用于分离、鉴别。不溶于水的羧酸，既溶于NaOH，又溶于NaHCO3；不溶于水的酚，溶于NaOH，但不溶于NaHCO3；不溶于水的醇，既不溶于NaOH，也不溶于NaHCO3。

三、羧酸衍生物的生成 (1) 酰卤的生成除HCOOH外，羧酸可PCl3、PCl5、SOCl2作用，羧酸中的羟基被氯原子取代生成酰氯。如：亚磷酸不易挥发，故该法适用于制备低沸点酰氯。磷酰氯沸点较低(105.3℃)，故适用于制备高沸点酰氯。

该法的副产物均为气体，有利于分离，且产率较高。该法的副产物均为气体，有利于分离，且产率较高。上述方法如何选用，取决于原料、产物与副产物之间的沸点差(沸点差越大，越容易分离)。但因酰卤易于水解，故不能用水洗的方法除去反应中的无机物。 (2) 酸酐的生成除HCOOH外，羧酸与脱水剂[P2O5或(CH3CO)2O]共热，两分子羧酸则发生分子间脱水生成酸酐。

用乙酸酐作脱水剂不仅价格便宜，而且它易于吸水生用乙酸酐作脱水剂不仅价格便宜，而且它易于吸水生成乙酸，容易除去，故常用来制备较高级的羧酸酐。羧酸的分子间脱水只适用于制备简单酸酐。混合酸酐可用酰卤与羧酸盐一起共热的方法来制备。某些二元酸，只需加热即可生成五元环或六元环的酸酐。如：

羧酸与醇在酸催化下作用，脱去一分子水生成酯的反羧酸与醇在酸催化下作用，脱去一分子水生成酯的反应，称为酯化反应。 (3) 酯的生成酯化反应是典型的可逆反应，为了提高酯的产率，可根据平衡移动原理，或增加反应物浓度，或减少生成物浓度，使平衡向右移动。 A. 反应机理：

由此可见，酸催化的目的是增加羧酸分子中羰基碳原由此可见，酸催化的目的是增加羧酸分子中羰基碳原子的亲电性。 B. 脱水方式酯化时，羧酸和醇之间脱水可有两种不同的方式：究竟按哪种方式脱水，与羧酸和醇的结构及反应条件有关。经同位素标记醇的办法证实：

伯醇和仲醇与羧酸的酯化是按酰氧键断裂进行的。伯醇和仲醇与羧酸的酯化是按酰氧键断裂进行的。叔醇与羧酸的酯化是按烷氧键断裂进行的。 C. 影响酯化反应速率的因素羧酸结构的影响：羧酸分子中烃基增大，空间位阻↑，不利于ROH的进攻，酯化速率↓。故对同一种醇而言，不同羧酸的反应活性顺序是：

醇的结构的影响： 因为在酸性介质中，叔醇易发生消除反应，生成烯烃。 (4) 酰胺的生成羧酸与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。如：二元酸的二铵盐受热则发生分子内脱水兼脱氨，生成五元或六元环状酰亚胺。

四、还原反应 羧酸不易被还原。但在强还原剂LiAlH4作用下，羧基可被还原成羟基，生成相应的1°ROH 该法不仅产率高，而且不影响C=C和C≡C的存在，可用于不饱和酸的还原。羧酸在高温、高压下也可以催化加氢还原成醇。常用的催化剂为：Cu、Zn或亚铬酸镍。

五、脱羧反应 羧酸或其盐脱去羧基(失去CO2)的反应，称为脱羧反应。饱和一元羧酸在加热下较难脱羧，但低级羧酸的金属盐在碱存在下加热则可发生脱羧反应。如：现可采用气相催化脱羧有羧酸直接来制备酮。如：

当α-碳原子上连有－NO2、－C≡N、－CO－、－Cl 等强吸电子基时则容易脱羧。如：某些芳香族羧酸不但可以脱羧，且比饱和一元酸容易。如：二元羧酸受热，依两个羧基的相对位置不同，其产物各异，乙二酸、丙二酸脱羧生成一元酸；丁二酸、戊二酸

脱羧生成酸酐；己二酸、庚二酸则脱羧兼脱水生成酮。脱羧生成酸酐；己二酸、庚二酸则脱羧兼脱水生成酮。电解羧酸盐溶液可在阳极发生烷基的偶合，生成烃，该反应称为Kolbe反应。 Kolbe反应用于二元酸单酯电解生成长链二元酸酯也是成功的例子之一。

六、 α- 氢原子的反应 脂肪族羧酸的α- 氢原子也可被卤原子取代，但其反应活性要比醛、酮低的多，通常要在少量红磷存在下方可进行。该反应成为Hell-Volhard-Zelinsky反应。反应机理：

卤代酸中的卤原子与卤代烃中的卤原子相似，可以进卤代酸中的卤原子与卤代烃中的卤原子相似，可以进行亲核取代反应和消除反应。如：

§8－2 羧酸衍生物 1. 沸点(b.p)： §8-2-1羧酸衍生物的物理性质酰卤、酸酐、酯＜ M 相近的羧酸原因：酰卤、酸酐、酯没有分子间的氢键缔合作用。酰胺相应的羧酸原因：酰胺的氨基上的氢原子可在分子间形成

较强的氢键。 显然，随着酰胺的氨基上的氢原子被取代，分子间的氢键缔合作用将逐渐削弱，以致不能发生氢键缔合，其沸点必然↓。酰胺＞ N - 一取代酰胺＞ N - 二取代酰胺如： 2. 溶解度酰卤、酸酐和酯不溶于水，但低级酰卤、酸酐

遇水则分解。 低级酰胺溶于水，随着M↑，溶解度↓。 3. IR谱 4. NMR谱值得注意的是酰胺中氮上的质子，其吸收峰宽而矮， δ=5~9.4。

§8-2-2羧酸衍生物的化学性质 一、酰基上的亲核取代(加成-消去)反应反应的净结果是L基团被取代，故称为亲核取代反应。反应活性：第一步——取决于羰基碳原子的亲电性。羰基碳原子连有吸电子基团，使反应活性↑；

反之，反应活性↓。 羰基碳原子连有的基团体积↑，不利于亲核试剂的进攻，也不利于四面体结构的形成。第二步——取决于离去基团的离去能力。离去基团的碱性越强，越不易离去。基团的离去能力顺序为：综上所述，羧酸衍生物的反应活性顺序为： (1) 水解

如：

(2) 醇解 酰卤、酸酐与醇或酚作用，生成相应的酯。如：羧酸与醇的酯化反应是可逆反应，若将羧酸转化成酰卤，然后再与醇反应，虽然经过两步反应，但酯化效果却很好。特别是空间位阻较大的脂肪酸或反应性弱的芳香族酰卤与叔醇或酚的酯化，效果较好。如：

酯与醇作用，仍生成酯，故又称为酯交换反应。该反酯与醇作用，仍生成酯，故又称为酯交换反应。该反应可用于从低沸点酯制备高沸点酯。如： (3) 氨解酰卤、酸酐和酯均可与氨或胺作用，生成相应。

的酰胺如： 二、还原反应 (1) LiAlH4还原四种羧酸衍生物均可被LiAlH4还原，其还原产物

除酰胺还原得到相应的胺外，酰胺、酸酐和酯还原均得到相应的伯醇。如：除酰胺还原得到相应的胺外，酰胺、酸酐和酯还原均得到相应的伯醇。如： (2) 用金属钠-醇还原——Bouveault-Blanc反应酯与金属钠在醇溶液中加热回流，可被还原成伯醇。

(3) Rosenmund还原 酰卤在Pd/BaSO4催化剂存在下，进行常压加氢，可使酰卤还原成响应的醛，称为Rosenmund还原。在反应中加入适量的喹啉–S或硫脲等做为“抑制剂”可降低催化剂的活性，以使反应停留在生成醛的阶段。

三、与Grignard试剂作用 四种羧酸衍生物均可与Grignard试剂作用，生成相应的叔醇。然而，在合成中用途比较大的是酯和酰卤(尤其是酯)与Grignard试剂的作用。比较反应活性：结构对称的叔醇结论：反应可以停留在生成酮的阶段。

比较反应活性： 结构对称的叔醇四、酰胺氮原子上的反应结论：反应难以停留在生成酮的阶段。 (1) 酰胺的酸碱性 N原子上的未共用电子对与羰基处于p,π-共轭体系，使得N原子上的电子

云密度↓，从而减弱了它接受质子的能力，因此其碱性：云密度↓，从而减弱了它接受质子的能力，因此其碱性： NH3 ＞ RCONH2 酰胺虽具有碱性，但其碱性很弱，除很强的酸如：氯化氢气体外，其他酸很难与之形成稳定的盐，即便与HCl (气体)形成的盐一旦遇水则又水解为酰胺和盐酸。由于p,π-共轭效应导致N原子上的电子云密度↓，N─H键必然受到诱导效应的影响，使H原子解离的趋势↑，而表现出一定的酸性，但其酸性也很弱，其酸性大体与醇相当。

因此，一般可以认为酰胺是中性化合物，它不能使石因此，一般可以认为酰胺是中性化合物，它不能使石蕊变色。酰亚胺化合物由于受两个羰基的影响，N上的H原子的酸性将明显增强。因此，酰亚胺化合物可与强碱作用，生成稳定的盐。综上所述： (2) 脱水反应

酰胺在脱水剂P2O5、SOCl2等存在下共热或高温加热，则发生分子内脱水，生成腈。如：酰胺在脱水剂P2O5、SOCl2等存在下共热或高温加热，则发生分子内脱水，生成腈。如： (3) Hofmann降解反应酰胺与Cl2或Br2在碱溶液中作用，则脱去羰基生成伯胺，该反应通常称为Hofmann降解反应。该反应是减少一个碳原子的反应，不但产率较高，而且产品较为纯净。

Hofmann降解反应的反应历程： 由酰基氮烯重排为异氰酸酯的过程，称为Hofmann重排。

第八章 羧酸及其衍生物