脱羧反应机理课件.ppt

1、很多生物利用某些代谢途径，产生一些对生物很多生物利用某些代谢途径，产生一些对生物的生存和健康并非必要的化合物，即次生代谢的生存和健康并非必要的化合物，即次生代谢产物，也称为天然产物。但在很多情况下，天产物，也称为天然产物。但在很多情况下，天然产物在保证特定的生物能继续生存方面有重然产物在保证特定的生物能继续生存方面有重要的功能和显著的活性，它们增强这些生物的要的功能和显著的活性，它们增强这些生物的竞争性。正由于天然产物具有某些特殊的生物竞争性。正由于天然产物具有某些特殊的生物功能和生理活性，所以通常也称为功能和生理活性，所以通常也称为天然生物活天然生物活性物质。性物质。2022-6-221第十

2、四章第十四章 2022-6-222Carboxylic Acids occupy a central place among acyl derivatives. Not only are they important compounds themselves, they also serve as building blocks for preparing related derivatives such as esters and amide. Among important examples are cholic acid, a major component of human bile,

3、 and long-chain aliphatic acids such as oleic acid and linoleic acid, which are biological precursors of fats and other lipidRCOOHCOOHCarboxyl2022-6-22s.3自然界中的羧酸自然界中的羧酸胆酸胆酸2022-6-224油酸油酸2022-6-225亚油酸亚油酸2022-6-226Many simple saturated carboxylic acids are also found in nature. For example, acetic aci

4、d is the chief organic compound of vinegar; butanoic acid is responsible for the rancid odor of sour butter; hexanoic acid (caproic acid) is responsible for the unmistakable aroma of goats.CH3COOHCH3CH2CH2COOH2022-6-22714.1 羧酸的分类和命名羧酸的分类和命名2022-6-22814.1.1 羧酸的分类羧酸的分类Classification2022-6-229n 按羧基数目分类

5、按羧基数目分类l 一元酸一元酸l 二元酸二元酸l 三元酸三元酸l 多元酸多元酸2022-6-2210n 按烃基类型分类按烃基类型分类2022-6-221114.1.2 羧酸的命名羧酸的命名Nomenclature2022-6-2212一、系统命名一、系统命名1. 链状羧酸视为烃的衍生物，称为链状羧酸视为烃的衍生物，称为某酸，某酸，羧基羧基编号为编号为1位。位。n 如果主链有烯键如果主链有烯键某烯酸。某烯酸。n 大于大于C10不饱和酸不饱和酸某某碳碳烯酸。烯酸。n 英文将烷烃名英文将烷烃名Alkane的的“e”改为改为“oic acid”。2022-6-22132. 羧基直接连在环上的羧基直接连

6、在环上的酸，称为羧酸酸，称为羧酸。羧基相。羧基相连的碳始终为连的碳始终为1位。位。n 英文后缀改为英文后缀改为“carboxylic acid”。CH3CHCH2CH2COOHCH34-甲基甲基戊酸戊酸4-methylpentanoic acid2022-6-2214CCH2CHCH2CH2CHCH2COOHOHOCH2CH3CH33-甲基甲基-6-乙基乙基辛二酸辛二酸6-ethyl-3-methyloctanedioic acid2022-6-2215ClCH2CH=CHCH2COOH5-氯氯-3-戊烯酸戊烯酸2022-6-22164-氯苯甲酸氯苯甲酸对氯苯甲酸对氯苯甲酸2022-6-221

7、7邻苯二甲酸邻苯二甲酸3-硝基苯甲酸硝基苯甲酸间硝基苯甲酸间硝基苯甲酸2022-6-2218二、俗名二、俗名 一元酸一元酸 系统命名系统命名 普通命名普通命名HCOOH 甲酸甲酸 蚁酸蚁酸CH3COOH 乙酸乙酸 醋酸醋酸CH3CH2COOH 丙酸丙酸 初油酸初油酸CH3CH2CH2COOH 丁酸丁酸 酪酸酪酸CH3(CH2)16COOH 十八酸十八酸 硬脂酸硬脂酸2022-6-2219 二元酸二元酸 系统命名系统命名 普通命名普通命名HOOCCOOH 乙二酸乙二酸 草酸草酸HOOCCH2COOH 丙二酸丙二酸 缩苹果酸缩苹果酸HOOC(CH2)2COOH 丁二酸丁二酸 琥珀酸琥珀酸(Z)-H

8、OOCCH=CHCOOH 顺丁烯二酸顺丁烯二酸 马来酸马来酸(E)-HOOCCH=CHCOOH 反丁烯二酸反丁烯二酸 富马酸富马酸2022-6-222014.2 羧酸的物理性质羧酸的物理性质Physical Properties自学自学2022-6-222114.3 羧酸和羧酸根的结构羧酸和羧酸根的结构2022-6-2222羧酸的结构羧酸的结构羧酸根的共振结构羧酸根的共振结构2022-6-2223p 羧基负离子和羧酸结构的区别羧基负离子和羧酸结构的区别两个碳氧键等两个碳氧键等 长，完全离域。长，完全离域。两个碳氧键不等长两个碳氧键不等长1.242022-6-2224p 羧基的结构特点羧基的结构

9、特点 由于由于p-共轭，共轭，羧基碳的正电性减弱羧基碳的正电性减弱，与醛、，与醛、酮中的羰基相比，不易发生典型的亲核加成酮中的羰基相比，不易发生典型的亲核加成反应。反应。 共轭的结果，使共轭的结果，使-OH上氢的酸性增强。上氢的酸性增强。COOH2022-6-22252022-6-222614.3.1 通过氧化反应制备通过氧化反应制备一、伯醇氧化一、伯醇氧化二、醛氧化二、醛氧化2022-6-2227三、环酮的氧化三、环酮的氧化四、烃的氧化四、烃的氧化2022-6-2228五、卤仿反应制备少一个碳的羧酸五、卤仿反应制备少一个碳的羧酸六、烃基苯侧链氧化制备芳香酸六、烃基苯侧链氧化制备芳香酸CH2R

10、KMnO4COOH(CH3)3CCCH3OBr2 / NaOH(CH3)3CCOHOCHBr3+2022-6-222914.3.2 羧酸衍生物水解制备羧酸衍生物水解制备2022-6-2230RCOXH2ORCOORCORCOORRCONH2RCOOH2022-6-223114.3.3 腈腈化物的水解化物的水解p 腈在腈在酸性或碱性酸性或碱性溶液中水解生成羧酸。溶液中水解生成羧酸。2022-6-2232例：例：用来从伯卤代烷制备增长一个碳原子的羧酸用来从伯卤代烷制备增长一个碳原子的羧酸C6H5CH2ClNaCN, DMSOC6H5CH2CNC6H5CH2CNH2O, H2SO4C6H5CH2CO

11、OH2022-6-2233p 腈由腈由伯卤代烷与氰化钾伯卤代烷与氰化钾发生发生SN2反应制备。反应制备。注意注意2022-6-2234不反应不反应反应速率太慢反应速率太慢2022-6-223514.3.4 有机金属化合物与有机金属化合物与二氧化碳反应制备二氧化碳反应制备2022-6-2236p 反应通式反应通式p 反应机理反应机理RMgX +COORCOMgXOH2OH+RCOHO2022-6-2237CH3CH2CHCH3ClMgEt2OCO2H2O2022-6-2238p 用来从卤代烷用来从卤代烷(伯、仲、叔伯、仲、叔)制备增长一个制备增长一个碳原子的羧酸。碳原子的羧酸。CH3CCH3CH

12、3Cl1. Mg, Et2O2. CO2H2OCH3CCH3CH3COOH2022-6-2239练习：练习：由苯和由苯和4个碳以下有机物合成：个碳以下有机物合成：2022-6-224014.4 羧酸的反应羧酸的反应2022-6-2241酸性酸性羰基的亲核加成，然后再消除羰基的亲核加成，然后再消除（表现为羟基的取代）。（表现为羟基的取代）。羰基的亲核羰基的亲核 加成，还原。加成，还原。 -活泼活泼H的反应的反应2022-6-224214.4.1 羧酸的酸性及反应羧酸的酸性及反应Acidity and Reactions2022-6-2243n 羧酸具有酸性，羧酸具有酸性，比醇强得多。比醇强得多。

13、一、酸性一、酸性n 仍是一种仍是一种弱酸。弱酸。n 一元饱和脂肪族羧酸的一元饱和脂肪族羧酸的pKa值一般在值一般在4左右。左右。2022-6-2244pKa强无机酸强无机酸 羧酸羧酸 碳酸碳酸 酚酚 H2O ROH74.7216酸酸性性2022-6-2245二、羧酸的酸性反应二、羧酸的酸性反应2022-6-2246l 羧酸盐是固体羧酸盐是固体。l 钠、钾、铵盐可溶于水，重金属盐不钠、钾、铵盐可溶于水，重金属盐不溶于水。溶于水。l 羧酸根具有碱性和亲核性。羧酸根具有碱性和亲核性。n 羧酸盐的若干性质羧酸盐的若干性质2022-6-2247三、取代基对羧酸酸性的影响三、取代基对羧酸酸性的影响2022

14、-6-22481. 取代基对脂肪族羧酸酸性的影响取代基对脂肪族羧酸酸性的影响2022-6-22492022-6-22502. 取代基对芳香族羧酸酸性的影响取代基对芳香族羧酸酸性的影响n 取代基具有取代基具有给电子共轭效应给电子共轭效应时，酸性强弱时，酸性强弱顺序为：顺序为：n 取代基具有取代基具有吸电子共轭效应吸电子共轭效应时，酸性强弱时，酸性强弱顺序为：顺序为：邻邻 对对 间间邻邻 间间 对对2022-6-2251具体分析时注意：具体分析时注意：2022-6-2252吸电子诱导作用吸电子诱导作用 大大给电子共轭作用给电子共轭作用大大氢键效应、使质子离去能力增加氢键效应、使质子离去能力增加吸电

15、子诱导作用吸电子诱导作用中中给电子共轭作用给电子共轭作用小小吸电子诱导作用吸电子诱导作用小小给电子共轭作用给电子共轭作用大大2022-6-2253COOHOHCOOHOHCOOHOH酸性顺序：酸性顺序：4.57pka 2.984.08COOH4.202022-6-2254例：比较下列化合物的酸性例：比较下列化合物的酸性COOHNO2COOHNO2COOHCOOHCH32022-6-2255例：按酸性由强到弱的次序排列下列化合物例：按酸性由强到弱的次序排列下列化合物2022-6-2256p 吸电子取代基吸电子取代基使酸性增大使酸性增大p 分子内的氢键分子内的氢键使羧酸的酸性增强使羧酸的酸性增强结

16、论：结论：p 给电子取代基给电子取代基使酸性减小使酸性减小2022-6-22573. 场效应对酸性的影响：场效应对酸性的影响：HCOOHClCOOHpKa=6.04pKa=6.252022-6-22582022-6-2259CH2COOHCOO场效应场效应诱导效应诱导效应n 羧基负离子对羧基有诱导效应，还有场效羧基负离子对羧基有诱导效应，还有场效应，结果使羧基上的氢不易离去。应，结果使羧基上的氢不易离去。2022-6-2260HOOCCOOHHOOCCH2COOHHOOC(CH2)2COOHHOOC(CH2)3COOH1.272.854.214.344.275.705.645.41pKa1pK

17、a2解释：二元酸的解释：二元酸的pKa1为什么小于为什么小于pKa2？2022-6-2261Reaction of Carboxylate with Alkyl Halies2022-6-2262p 一般是一般是SN2反应；反应；p 只适用于只适用于1RX和活泼和活泼RX；p 常用的是钠盐；常用的是钠盐；p 有时也用有时也用Ag盐盐。优点：速率快。缺点：太优点：速率快。缺点：太贵。贵。2022-6-2263CH3CH2CH2CH2Br+CH3COONaDMF95CH3CH2CH2CH2O CCH3O2022-6-2264Reaction of Carboxylic Acids with Dia

18、zomethane2022-6-2265反应通式反应通式2022-6-22662022-6-2267反应特点反应特点n 反应条件温和，产率较高；反应条件温和，产率较高；n 成本高，不安全，不适合工业生产；成本高，不安全，不适合工业生产；n 醇羟基不能用此法甲基化，酚羟基可以。醇羟基不能用此法甲基化，酚羟基可以。2022-6-226814.4.4 羰基的加成羰基的加成消除反应消除反应2022-6-2269酯酯酰卤酰卤酸酐酸酐酰胺酰胺RCOOHRCOORRCOXRCOORCONH2COR2022-6-2270一、酯化反应一、酯化反应1. 定义定义n 羧酸与醇在催化剂作用下失去一分子水羧酸与醇在催化

19、剂作用下失去一分子水生生成酯的反应成酯的反应称为酯化反应。称为酯化反应。2022-6-2271n 反应特点反应特点可逆反应；可逆反应；n 需要酸催化；需要酸催化；n常用的催化剂：常用的催化剂：浓硫酸、对甲基苯磺酸、强酸性离子交换浓硫酸、对甲基苯磺酸、强酸性离子交换树脂、过渡金属氧化物树脂、过渡金属氧化物2022-6-22722. 酯化反应机理酯化反应机理n 根据羧酸和醇的结构不同，主要有三种机理根据羧酸和醇的结构不同，主要有三种机理l 加成加成消除消除机机理理l 碳正离子碳正离子机理机理l 酰基正离子酰基正离子机理机理2022-6-2273（1）加成加成消除消除机机理理2022-6-2274p

20、 一般地，一般地，伯伯醇和醇和仲仲醇与酸酯化时按醇与酸酯化时按加成加成消除机制消除机制进行；进行；p 醇的反应速率顺序为醇的反应速率顺序为：CH3OH RCH2OH R2CHOH 反应规律反应规律2022-6-2275p 羧酸的反应速率顺序为羧酸的反应速率顺序为：HCOOH CH3COOH RCH2COOH R2CHCOOH R3CCOOH2022-6-2276p 同位数跟踪实验研究同位数跟踪实验研究 反应机理证明反应机理证明2022-6-2277p 羧酸与光活性醇的反应实验羧酸与光活性醇的反应实验研究研究2022-6-2278（2）碳正离子机理）碳正离子机理H+-H2O-H+2022-6-2

21、279n 由于由于R3C+易与碱性较强的易与碱性较强的水水结合，不易与羧结合，不易与羧酸结合，故逆向反应比正向反应易进行。所以酸结合，故逆向反应比正向反应易进行。所以3o ROH的酯化反应产率很低。的酯化反应产率很低。 反应规律反应规律n 3o ROH按此反应机制进行酯化；按此反应机制进行酯化；按按SN1机制进行反应，是烷氧键断裂机制进行反应，是烷氧键断裂!2022-6-2280p 采用同位素实验方法证明。采用同位素实验方法证明。+ 反应机理证明反应机理证明CH3COO18HCH3COO18C(CH3)3(CH3)3COHH2O2022-6-2281（3）酰基正离子机制）酰基正离子机制H2SO

22、4COOHCH3CH3CH3COOH2CH3CH3CH3COCH3CH3CH3+COCH3CH3CH3+2022-6-2282仅有少量空阻大的羧酸仅有少量空阻大的羧酸按此反应机理进行按此反应机理进行!-H+HOCH3COCH3CH3CH3+COCH3CH3CH3OCH3H+COCH3CH3CH3OCH32022-6-2283p 羧酸与羧酸与PCl3，PCl5，SOCl2作用得酰氯。作用得酰氯。l H3PO3的沸点的沸点200，用于制低沸点的酰氯。，用于制低沸点的酰氯。二、生成酰卤二、生成酰卤2022-6-2284l POCl3的沸点的沸点105，用于制较高沸点的酰氯。，用于制较高沸点的酰氯。l

23、 用于制各种酰氯，特别是在实验室里。用于制各种酰氯，特别是在实验室里。2022-6-2285三、生成酸酐三、生成酸酐2022-6-2286四、生成酰胺和腈四、生成酰胺和腈2022-6-22872022-6-22882022-6-2289五、与有机金属化合物的反应五、与有机金属化合物的反应p RMgX与羧酸反应生成不溶性的与羧酸反应生成不溶性的羧酸盐羧酸盐。p RLi与羧酸反应生成与羧酸反应生成酮酮。2022-6-2290RLi与羧酸反应机理与羧酸反应机理2022-6-229114.4.5 羧酸羧酸-H的反应的反应2022-6-2292p 具有具有-H的羧酸的羧酸在催化量的在催化量的红磷或三卤化

24、磷红磷或三卤化磷或酰卤或酰卤存在下与存在下与卤素卤素发生反应，得到发生反应，得到-卤代酸卤代酸的反应。的反应。一、定义一、定义p 赫尔赫尔乌尔哈乌尔哈泽林斯基反应泽林斯基反应 C. HellJ. VolhardN. D. Zelinsky2022-6-2293CH3(CH2)3CH2COOH+ Cl2PCH3(CH2)3CHCOOHClCH3CH2CH2CH2COOHBr2+PCH3CH2CH2CHCOOHBr2022-6-2294二、二、Mechanism+PBr2PBr32022-6-2295p 由于由于p-共轭，羧基碳的正电性减弱，不象共轭，羧基碳的正电性减弱，不象醛、酮中的羰基那样活泼

25、，所以羧酸的醛、酮中的羰基那样活泼，所以羧酸的-H溴溴代需要红磷等催化。代需要红磷等催化。2022-6-229614.4.6 羧酸的还原反应羧酸的还原反应2022-6-2297RCOOHLiAlH4B2H6或H2Op LiAlH4和和乙硼烷乙硼烷将羧酸还原为伯醇将羧酸还原为伯醇RCH2OHCH2CHCH2COOHLiAlH4H2O问题：问题：LiAlH4还原和乙硼烷还原的区别还原和乙硼烷还原的区别?CH2CHCH2CH2OH2022-6-229814.4.7 羧酸的脱羧反应羧酸的脱羧反应2022-6-2299一、一般的脱羧反应一、一般的脱羧反应n 当羧基的当羧基的-C上上有吸电子基团时，可在适

26、当有吸电子基团时，可在适当的条件下发生的条件下发生脱羧脱羧反应。反应。+GCH2COOHGCH3适当条件CO2G=COOHCNC=ONO2CX3C6H52022-6-22100n 一般的脱羧反应不用特殊的一般的脱羧反应不用特殊的催化剂，而是催化剂，而是在在适当适当条件下进行。条件下进行。包括：包括：（1）加热）加热（2）碱性条件）碱性条件（3）加热和碱性条件共存）加热和碱性条件共存2022-6-22101脱羧反应实例：脱羧反应实例：RCH=CH-CH2COOH RCH2CH=CH2 + CO22022-6-22102脱羧反应机理：脱羧反应机理：2022-6-221031. 科尔伯（科尔伯（H.

27、 Kolbe）反应）反应n 羧酸碱金属盐羧酸碱金属盐在中性或弱酸性溶液中进行电在中性或弱酸性溶液中进行电解，偶联生成烷烃，并放出二氧化碳。解，偶联生成烷烃，并放出二氧化碳。二、几种特殊条件下的脱羧反应二、几种特殊条件下的脱羧反应2022-6-22104用于制备结构特殊的用于制备结构特殊的烃烃2022-6-221052. 汉斯狄克（汉斯狄克（H. Hunsdiecker）反应）反应n 用于制备特殊结构而且用于制备特殊结构而且少一个碳原子少一个碳原子的溴的溴代烃。代烃。2022-6-22106CH3CH2COOAgBr2CCl4CH3CH2Brn 汉斯狄克（汉斯狄克（H. Hunsdiecker）反应要求无水反应要求无水条件下进行，无水银盐难于得到。条件下进行，无水银盐难于得到。2022-6-221073. 克利斯脱（克利斯脱（S. T. Cristol）反应）反应2022-6-2210814.4.8 二元羧酸的脱羧反应二元羧酸的脱羧反应2022-6-22109一、乙二酸和丙二酸受热脱羧反应一、乙二酸和丙二酸受热脱羧反应2022-6-22110二、丁二酸和戊二酸受热脱羧反应二、丁二酸和戊二酸受热脱羧反应2022-6-22111三、己二酸和庚二酸受热脱羧三、己二酸和庚二酸受热脱羧2022-6-22112