第十二章羧酸及碳酸衍生物

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1、湖南中医药大学药学院有机药化教研室 羧基（carboxylic group）： 羧酸（carboxylic acid）： （甲酸中的 为H）。 第一节第一节 羧酸羧酸 药物中的羧酸类化合物药物中的羧酸类化合物 脂肪羧酸 一元羧酸 芳香羧酸 二元羧酸 多元羧酸 脂环羧酸 一、一、 分类和命名分类和命名 (HOOCCH2)2N-CH2CH2-N(CH2COOH)2 乙二胺四乙酸（EDTA） （一）分类 (二) 命名 1. 俗名法 掌握苹果酸、酒石酸、蚁酸、醋酸、软脂酸（棕榈酸）、硬 脂酸的等化合物的结构式。 有些酸根据天然来源而用俗名： 蚁 酸：HCOOH最初是通过蚂蚁蒸馏而得到的。 醋 酸：CH

2、3COOH，食醋中 安息香酸： -COOH 它以苯甲酸苄酯的形式存在于安息香 胶中它的钠盐可做药物和食品中的防 腐剂 还有从天然植物中分离出来的羧酸，如： 马来酸： 肉桂酸： 柠檬酸： H-C-COOH = H-C-COOH 富马酸： H-C-COOH = HOOC-C-H -CH=CHCOOH HOOC-CH2-CH-COOH - COOH - OH HOOC-COOH(乙二酸)CH3(CH2)10COOH 月桂酸： 草 酸： 2. 系统命名法 A、 选择分子中含羧基的最长碳链为主链， 按主链上碳 原子的数目称为某酸。 主链碳原子从羧基开始编号，用阿拉伯数字表示取代基 的位次。 简单羧酸也常

3、用希腊字母标位，依次为， 、等 ，则用来表示碳链末端的位置。 5-甲基-2-乙基庚酸或-甲基-乙基庚酸 B、脂肪族二元羧酸 是选择包含两个羧基的最长碳链作 为主链，根据碳原子数称为“某二酸”，把取代基的位置 和名称写在“某二酸”之前。 丁二酸 6氯乙基7羟基3 羧基2甲氧基壬二酸 C.芳香羧酸和脂环羧酸的系统命名一般把环作为取代基,以 脂肪酸为母体。 苯甲酸（安息香酸) 环戊基甲酸 1-萘乙酸 或 -萘乙酸 邻羟基苯甲酸（水扬酸） 3-苯基丙烯酸（肉桂酸） D、不饱和羧酸的命名，是选取包含羧基碳原子和不饱 和键在内的最长碳链为主链，称为某烯酸：不饱和键和 取代基的位次均要标明。 也可用大写希腊

4、字母“”及在 右上角标上阿拉伯数字的方法来表明双键的位次。 9-十八碳烯酸 2-乙基丙烯酸 或十八碳-9-烯酸 酰基（Acyl group）： 羧酸分子中除去羧基中的羟基 后所余下的部分称为，并根据相应的羧酸来命名： 酰基 丙酰基 苯甲酰基 二、二、 饱和一元羧酸的物理性质饱和一元羧酸的物理性质 1物态 C1C3 有刺激性酸味的液体，溶于水。 C4C9 有酸腐臭味的油状液体（丁酸为脚臭味），难溶于水。 C9 腊状固体，无气味。 2熔点 有一定规律，随着分子中碳原子数目的增加呈锯齿状的变化。 乙酸熔点16.6，当室温低于此温度时，立即凝成冰状结晶，故 纯乙酸又称为冰醋酸。 3沸点 比相应的醇的沸

5、点高。原因： 通过氢键形成二聚体。 m.P： 羧酸 醇 醛酮 烷烃、 醚类 羧基是由羰基和羟基相连而成复合官能团。羧基的 碳原子为sp2杂化，三个sp2杂化轨道分别与羰基的 氧原子，羟基的氧原子和一个烃基的碳原子(或一个 氢原子)形成三个s 键，这三个s 键在同一平面上， 键角约为120，羧基碳原子的 p 轨道与羰基氧原子 的 p 轨道形成一个p键。另外，羧基中的羟基氧原 子有一对未共用电子，它和羰基的p键形成 pp 共 轭体系。 乙酸的电子云模型 乙酸的球棒模型 l 羧酸官能团的结构分析 苯甲酸的电子云模型 三、羧酸的化学性质三、羧酸的化学性质 P-共轭 1. 羟基对羰基产生的+C效应降低了

6、羰基碳原子的电正性 2. 羰基对羟基的C效应降低氧原子上电子云密度， 增强了O-H 键的极性， 3.羟基对羰基+C效应削弱了羧基的I效应，使-H的活性 下降。 羧基分子中的p-共轭 对各结构部位的影响 亲核加成活性：羧基醇羟基 H的活性：羧基H3PO4 芳酸 H2CO3 酚 RSH 环戊二烯 H2O ROH 0.17 0-0.3 3-5 6.37 10-11 12 15 15.7 16-19 B. 饱和脂肪酸与芳酸 （1）饱和脂肪酸：碳原子数越多，酸性越小。 （2） 一般芳香酸的酸性较同碳原子的脂肪酸要强。 （3） 同碳数的二元酸比一元酸强。 应用：分离、提纯、鉴别羧酸；增加药物的水溶性 。

7、3. 成盐反应与应用 RCOOH + NH4OHRCOONH4 + H2O 鉴别 分离 （二）、羧基上的羟基（OH）的取代反应 1. 酯化反应 （1）定义：羧酸与醇在酸 催化作用下失去一分子水而 生成酯的反应称为酯化反应。 投料 1 ： 1 产率 67% 1 ： 10 97% CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O H+ 常用的催化剂: 盐酸 、硫酸、苯磺酸、路易斯酸 类， 固体超强酸类等 a. 酯化反应是可逆反应，Kc4，一般只有2/3的转化率。 提高酯化率的方法：a 增加反应物的浓度（一般是加过量的醇） b 移走低沸点的酯或水 b. 酯化反应的活性次序： 酸相同

8、时 CH3OH RCH2OH R2CHOH R3COH 醇相同时 HCOOH CH3COOH RCH2COOH R2CHCOOH R3CCOOH c. 成酯方式 酯化反应特点 （2）酯化反应的机理 A. 加成-消除机制: 酰氧键断键方式 加成 四面体正离子 消除 按加成-消除机制 进行反应，是酰氧 键断裂 影响酯化反应速率的因素：酸或醇的烃基体积小、数目少，速 率快。 原因是反应中间体是正四面体结构，空间位阻越大的反应 速率越慢。 且反应速率为： CH3OHRCH2OHR2CHOH HCOOHCH3COOHRCH2COOHR2CHCOOHR3CCOOH 1OROH，2OROH酯化时按加成-消除

9、机制进行 该反应机制已为： 同位素跟踪实验 羧酸与光活性醇的反应实验所证实。 酯化反应机制的证明 -H2O 属于SN1机制 (CH3)3C-OH H+ (CH3)3COH2 + -H+ 按SN1机制进 行反应，是烷 氧键断裂 B. 碳正离子机制: 烷氧键断键方式 该反应机制也从同位素方法中得到了证明。 + (CH3)3COH + H2O 3oROH按此反应机制进行酯化。 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。 2酰卤的生成 试剂： 三卤化磷(PX3)，五卤化磷(PX5)或氯化亚砜(SOCl2) b.p 118 75

10、52 200(分解) b.p 249 162 197 107 (b.p=79) 产物纯、 易分离， 产率高。 制低沸点酰卤 制高沸点酰卤 3酸酐的生成 单酐：羧酸在脱水剂作用下加热，脱水生成酸酐。 乙酐常作为其它羧酸脱水成酐的脱水剂。 环酐（内酐）：某些二元羧酸分子内脱水生成内酐 混合酸酐： 酰卤与羧酸盐共热 。 4酰胺的生成 在羧酸中通入氨气或加入碳酸铵，可得到羧酸铵盐，铵盐热解 失水而生成酰胺。 应用实例：尼龙66的合成 nHO2C(CH2)4COOH + nH2N(CH2)6NH2 270oC 1MPa + nH2O 羧基中的羰基由于p-共轭效应的结果，羧基很难用催 化氢化或一般的还原剂

11、还原，有LiAlH4能将其直接还原成伯 醇。 （三）、还原反应 （四）、脱羧反应 1） 脂肪酸：羧酸在一定条件下受热可发生脱羧反应， 无水醋酸钠和碱石灰混合后强热生成甲烷，是实验室制 取甲烷的方法。 其他直链羧酸盐与碱石灰热熔的产物复杂，产率低， 无制备意义。 Cl3C-COOH 微 CHCl3 + CO2 CH3-C-CH2-C-OH = = OO CH3-C-CH3 = O + CO2 COOH COOH COOH COOH COOH + CO2 一元羧酸的碳原子上连有强吸电子集团时，易发生脱羧。 如： -酮酸等 二元酸生成的五元环或六元环酮的，加热时易脱羧 CH2CH2COOH CH2-

12、CH2 CH2-CH2 _ _ C=O CH2CH2COOH + H2O + CO2 + H2O CH2 CH2-CH2-COOH CH2-CH2-COOH CH2 CH2-CH2 CH2-CH2 C=O + CO2 也是缩短碳链的方法 脱羧反应是生物体内重要的生物化学反应 2）芳香酸的脱羧反应较脂肪酸容易。 （五）-H的卤代反应 羧酸的-H可在少量红磷、硫等催化剂存在下被溴或氯 取代生成卤代酸。 一氯乙酸 二氯乙酸 三氯乙酸 赫尔一乌尔哈一泽林斯基（Hell-Volhard-Zelinsky）反应： 催化剂的作用是将羧酸转化为酰卤，酰卤的催化剂的作用是将羧酸转化为酰卤，酰卤的-H-H具有较高

13、的活性而易于转具有较高的活性而易于转 变为烯醇式，变为烯醇式，从而使卤化反应发生。所以用从而使卤化反应发生。所以用10%30%10%30%的乙酰氯或乙酸酐的乙酰氯或乙酸酐 同样可以起催化作用。同样可以起催化作用。 机理： R-CH-CHCOOH - - HBr RCH2-CHCOONa - CN RCH2CH-COOH - COOH NaCN RCH2-CHCOONa - O H RCH2CH-COOH - OH OH - RCH2-CHCOO _ - NH2 RCH2CH-COOH - NH2 NH3H2O R-CH=CH-COOH KOH-ROH H3O + H3O + H3O + -卤代

14、酸很活 泼，常用 来制备 -羟基酸 和-氨基酸。 应用应用 二元羧酸受热反应的规律 柏郎克 规则 乙二酸及丙二酸的脱羧反应-少一个碳原子的一元酸 丁二酸及戊二酸的脱水反应-环状酸酐 己二酸和庚二酸的脱水和脱羧反应-少一个碳原子的环酮 庚二酸以上的二元羧酸-形成高分子的酸酐 （六）、 二元羧酸 完成下列反应 1.甲酸 甲酸除具有羧酸的特性外，还具有醛的某些性质。如能 发生银镜反应；可被高锰酸钾氧化；与浓硫酸在6080 条件下共热，可以分解为水和一氧化碳。 六个别化合物 2.乙二酸 乙二酸是二元羧酸中酸性最强的一个，其钙盐溶解度 极小，可用于Ca2+的分析和测定。乙二酸还可以和许多金属 离子形成配合物，且形成的配合物溶于水，因此能除去铁 锈及衣物上的蓝墨水痕迹。乙二酸受热可发生脱羧反应， 在浓硫酸存在下加热可同时发生脱羧、脱水反应。乙二酸 可以还原高锰酸钾，可用作标定高锰酸钾的基准物质。 六个别化合物 3.丁烯