羧酸和取代羧酸

参考书目为第八版陆涛有机化学。本人才疏学浅，请一定再参照课本学习。希望大家顺利通过考试，由于时间有限，图中错误之处在所难免，恳请大家提出宝贵意见，以便我不断改善。

羧酸和取代羧酸

• 物理性质
  • 沸点高，二聚（缔合）体
  • 溶解度大，氢键，与同碳原子数的醇相比
  • 熔点，锯齿形上升，偶数碳的比相邻两个奇数碳的高；二酸，分子间引力大，比分子量相近的一元酸高得多
• 光谱
  • 红外
    • C=O
      • 液态或固态，因形成二聚体
        • 1725-1700cm^-1
      • CCl4或CHCl3稀溶液中，向高波数移动
        • 1760cm^-1
      • C=O与双键共轭则降低吸收频率
        • 1700-1680cm^-1
    • O-H
      • 伸缩振动
        • 单体羧酸
          • 3550cm^-1
        • 二聚体
          • 3300-2500cm^-1
      • 弯曲振动
        • 925cm^-1
    • C-O
      • 伸缩振动1320-1210cm^-1
  • 核磁共振氢谱
    • 羧基的质子
      • δ=10-13
    • α-C上的H
      • δ=2-2.5
  • 质谱
    • 脂肪族羧酸
      • 经麦氏重排，再发生α裂解，得一强峰m/z60（基峰）
    • 芳香族羧酸
      • α裂解得酰基离子m/z105，再失去CO得芳基离子m/z77
• 化学性质
  • 酸性
    • 水解平衡
      • 两对共振式，四种极限式
    • 烷基的+I和超共轭作用，不利于羧酸根负离子的分散，稳定性降低；吸电子基的-I，使负电荷得到分散，稳定性增加，酸性增强
    • 诱导效应
      • 影响因素：共轭效应，空间效应，场效应，溶剂效应
      • 沿σ键传递，小于三个碳的间隔
    • 邻位效应
      • 电性效应，空间效应，氢键等
      • 取代基在邻位，不论是吸电子基还是给电子基（氨基除外），都使酸性增强
    • 硝基苯甲酸酸性
      • 邻>对>间>苯甲酸
    • 甲氧基取代的苯甲酸
      • 邻，间>苯甲酸>对
    • 羟基取代的苯甲酸
      • 邻（氢键）>间>对
    • 成盐反应
      • 与无机碱
        • 用于合成中的分离，提纯，含量测定
        • 改善水溶性
          • 硬脂酸钠（钾）可用作表面活性剂
            • 苯甲酸钠有杀菌防腐作用
      • 与有机胺
        • 羧酸与伯胺反应
          • 可用于羧酸或胺类外消旋体的拆分
      • 羧酸根负离子有亲核性，可与活泼的卤代烷生成羧酸酯
        • 酸性环境下加热
  • 羧酸中羟基的取代
    • 酯化
      • 常利用酯化反应将药物转变成前药，改变药物的生物利用度，稳定性及克服多种不利因素
      • 亲核加成-消除
        • 反应中间体是一个四面体结构，比起反应物空间位阻加大了，所以羧酸和醇的结构对酯化难易影响很大
        • 酸去羟基，醇去氢
      • 碳正离子
        • 羧酸与叔醇反应，醇去羟基
      • 酰基正离子
        • 先将羧酸溶于浓硫酸中，羟基质子化后脱水，形成酰基正离子，然后再倒入醇中
        • 酰基正离子的碳原子是sp杂化，为直线型，并于苯环共平面，不受空间位阻影响
        • 成酯过程类似于饱和碳原子上的亲核取代反应
    • 酰卤
      • 酰氯
        • 常由羧酸和亚硫酰氯（二氯亚砜），三氯化磷，五氯化磷等氯化剂反应制得
        • 与酯化反应类似
          • “内返”
      • 酰溴
        • 常用三溴化磷与羧酸反应制得
    • 酸酐
      • 脱水剂（乙酰氯，乙酸酐，P2O5）存在下加热，分子间脱水
      • 甲酸一般不发生分子间脱水生成酐，但在浓H2SO4存在下加热，生成CO和水，制备高纯度CO
      • 由羧酸盐与酰氯反应生成混合酸酐
    • 酰胺
      • 与氨或胺反应先生成铵盐，再加热脱水得到酰胺
      • 这是一个可逆反应，但在铵盐分解的温度下，水被蒸馏除去，反应可趋于完全
  • 还原反应
    • 1，氢化锂铝/乙醚或THF
      • 2，H3O+
    • 1，B2H6/THF
      • 2，H3O+
    • 硼氢化钠不反应
  • α-H的反应
    • α-H活性较醛酮的差，难以直接取代
    • 在少量红磷或三卤化磷反应，得到α-卤代酸
      • 赫尔-乌尔哈-泽林斯基反应
    • 酰卤的α-H活性比羧酸的强
      • 反应机理中有酰卤互变异构成烯醇式，再亲电取代加卤素
  • 脱羧反应，产生CO2
    • α-C上有吸电子基
      • 羰基或碳碳双键和羧酸以氢键配合形成六元环状过渡态，然后发生电子转移失去CO2，先生成烯醇，再重排得酮
      • 有些多环β-酮酸，可能是由于脱羧生成的烯醇含有张力很大的桥头双键，不容易脱羧
      • 三氯乙酸亦易发生脱羧反应，但与机理不同
    • α-酮酸与稀H2SO4共热，或与弱氧化剂（如托伦试剂）氧化，均可得到少一个碳的醛或羧酸
    • α-羟基酸与浓H2SO4或酸性高锰酸钾共热，脱羧生成醛或酮
    • 饱和一元酸在特殊环境下也可脱羧
    • 芳香族羧酸易脱羧，邻对位有吸电子基时更易
    • 补充
      • 科尔伯Kolbe反应电解
      • Hunsdiecker（汉斯狄克）反应
        • 合成少一个碳的卤代烷
  • 二元酸的热解
    • 2或3个碳易脱羧
      • 4-5个碳易脱水生成环状酸酐，注意无CO2生成
        • 6-7个碳既脱水又脱羧，生成五元或六元环酮
    • 更长碳链的二元酸受热时发生分子间脱水形成聚酸酐
      • 布朗克规则
    • 二元酸+二元醇→环酯/高聚物
• 制备
  • 氧化法
    • 含α-H的芳烃
      • 制芳酸
    • 伯醇
    • 醛
    • 不饱和醛
      • 制不饱和酸
    • 无α-H的醛
      • 制无α-H的酸
    • 环酮
      • 制二元酸
    • 甲基酮
      • 卤仿反应，制备少一个碳的一元酸
  • 腈水解法
    • 酸或碱催化
    • 产物增加一个碳
  • 格氏试剂
    • 格氏试剂的乙醚溶液倒入过量干冰中，干冰既是反应试剂，又是冷却剂
    • 适用于各种卤代烷制羧酸
• 取代羧酸
  • 卤代酸
    • 性质
      • β-卤代酸在稀碱条件下易发生消除反应，因为α-H比较活泼，而且产物可形成较稳定的Π-Π共轭
      • γ和δ-卤代酸在等摩尔的碱作用下易生成五元或六元内酯
      • α-卤代酸易发生水解
        • 受邻基影响，非SN机理
    • 邻位参与效应
      • 结果
        • 导致环状化合物生成
        • 限制化合物构型
        • 促进反应速率
        • 几种情况同时存在
      • 能发生邻基参与效应的基团
        • 含未共用电子对
        • 含碳碳双键等不饱和基团
        • 有Π键的芳基
        • C-C和C-H的σ键
      • 含未共用电子对的基团位于离去基团的β位或更远时
        • 两次SN2，两次构型翻转，产物构型保持不变
      • 在亲核性取代反应中，若中心碳原子邻近有提供电子的负离子或有未共用电子对的基团或C=C或Ar等，先形成环状中间体，外加的亲核试剂再从环背面进攻
    • 制备
      • α，β-卤代酸
        • 直接卤代，或由α，β-不饱和卤代酸与卤代酸共轭加成
      • γ，δ或更远的卤代酸
        • 汉斯狄克反应
  • 羟基酸
    • 受热反应
      • α-羟基酸受热易两分子间交叉脱水形成交酯
      • β-羟基酸受热易发生分子内脱水（消去）形成α-β-不饱和酸
      • γ-或δ-羟基酸受热易发生分子内脱水生成γ-或δ-内酯
      • 相距四个碳以上时，难发生分子内脱水，加热条件下，易发生分子间脱水生成链状聚酯
    • 制备
      • 水解法
        • 酮与氢氰酸加成，生成羟基腈，再在酸性条件下水解
        • α-卤代酸水解
      • 瑞福马斯基反应
        • 1，Zn/Et2O
          • 2,H3O+
        • 类似于格氏试剂，但格氏试剂会和立即与原料的酯加成，活性太强
        • α-卤代酸酯与Zn形成有机锌化合物活性较低，不与酯反应，但可与醛酮分子中活性较大的羰基加成，再水解生成β-羟基酸酯
        • 反应不需要加热，避免了β-羟基酸或β-羟基酸酯受热脱水生成α，β-不饱和酸或酯的缺点