中国科学技术大学：《有机化学 Organic Chemistry》课程教学资源（课件讲义）13 取代羧酸 Substituted Carboxylic acids

2020/2/9 第十三章取代羧酸 Chapter 13 Substituted Carboxylic acids X(OH,NH2,=O) "米R一C(H)-COOH University of Science and Technology of China

University of Science and Technology of China 有 机 化 学 第十三章 取代羧酸 Chapter 13 Substituted Carboxylic acids R C(H) COOH X (OH , NH2 , =O) 2020/2/9

羧酸分子中烃基上的氢原子被其他原子或原子团 取代后形成的化合物称为取代羧酸。 取代羧酸有卤代酸、羟基酸、氨基酸、羰基酸等， 其中卤代酸、氨基酸将在有关章节中讨论，这里只讨 论羟基酸和羰基酸。 §13.1羟基酸 一、 羟基酸的命名、来源和物理性质 分子中同时含有羟基和羧基的化合物称为羟基酸。羟基酸广泛 存在于自然界。 1.命名常按来源命名 醇酸、酚酸 CH3CHCOOH HOCH-CH2COOH HOOCCH2CHCOOH OH OH 2一羟基丙酸 3一羟基丙酸 2一羟基丁二酸 α一羟基丙酸 B一羟基丙酸 α一羟基丁二酸（苹果酸） (乳酸) Organic Chemistry

Organic Chemistry 1.命名 常按来源命名 §13.1 羟基酸 一、羟基酸的命名、来源和物理性质 分子中同时含有羟基和羧基的化合物称为羟基酸。羟基酸广泛 存在于自然界。 羧酸分子中烃基上的氢原子被其他原子或原子团 取代后形成的化合物称为取代羧酸。 取代羧酸有卤代酸、羟基酸、氨基酸、羰基酸等， 其中卤代酸、氨基酸将在有关章节中讨论，这里只讨 论羟基酸和羰基酸。 CH3CHCOOH OH HOCH2CH2COOH HOOCCH2CHCOOH OH * * 2－羟基丙酸 3－羟基丙酸 2－羟基丁二酸 α－羟基丙酸 β－羟基丙酸 α－羟基丁二酸（苹果酸） （乳酸） 醇酸、酚酸

CHCOOH HOCHCOOH HOOCCH-CHCOOH HO COOH *CH-COOH OH OH CH-COOH CH2COOH 2,3一二羟基丁二酸 2一羟基一1,2,3一丙烷三羧酸 1一羟基一1,2,3 a,a一二羟基丁二酸 (柠檬酸) 一丙烷三羧酸 (酒石酸) (异柠檬酸) 巴斯德在显微镜下用镊子一个一个挑出 不同手性的酒石酸！ 2.物理性质分子中同时存在羟基和羧基， 能形成氢键（沸点高），因此多为粘稠状液体或 结晶固体。可与水形成氢键，在水中的 溶解度较其相应的羧酸大。 二、羟基酸的化学性质 1.酸性 由于羟基起吸电子诱导作用，羟基酸的酸性比相应的羧酸强 0 0 0 H3C- CH-C-OH H2C—CH2-C—OH H3C—CH2-COH 醇酸 OH pKa 3.86 4.51 4.88 Organic Chemistry

Organic Chemistry HOOCCH CHCOOH OH OH CH2COOH HO C COOH CH2COOH CHCOOH CH CH2COOH COOH HO * * * * 2，3－二羟基丁二酸 2－羟基－1，2，3－丙烷三羧酸 1－羟基－1，2，3 α，α－二羟基丁二酸 （柠檬酸） －丙烷三羧酸 （酒石酸） （异柠檬酸） 2. 物理性质 分子中同时存在羟基和羧基， 能形成氢键(沸点高), 因此多为粘稠状液体或 结晶固体。可与水形成氢键，在水中的 溶解度较其相应的羧酸大。 二、羟基酸的化学性质 1. 酸性 由于羟基起吸电子诱导作用，羟基酸的酸性比相应的羧酸强 H3C CH C OH O OH H2C CH2 C OH O OH H3C CH2 C O OH pKa 3.86 4.51 4.88 巴斯德在显微镜下用镊子一个一个挑出 不同手性的酒石酸！ 醇酸

COOH CooH COOH 1958 COOH OH 酚酸 OH OH pKa 3.00 4.12 4.17 4.54 2.脱水反应 a一羟基酸：双分子间的交叉脱水反应生成环状的交酯(lactide) 0 CH一CH-C+OH+H-O -2H20 OH HO+C-CH-CH3 0 H:C u-羟基丙酸 丙交酯 Organic Chemistry

Organic Chemistry COOH OH COOH COOH OH COOH OH pKa 3.00 4.12 4.17 4.54 α－羟基酸: 双分子间的交叉脱水反应生成环状的交酯（lactide） 2. 脱水反应 CH3 CH C O OH O H H O HO C CH CH3 O O O O O CH3 H3 C -2H2 O α-羟基丙酸 丙交酯 + 酚酸

95 00+0或o 2CH2COOH OH 乙交酯 羟基乙酸 B羟基酸：分子内失水， 形成a、B-不饱和羧酸 CH3CH-CHCOOH △ →CHCH=CHCOOH+hO o 2-丁烯酸 B-羟基丁酸 Y、ǒ-羟基酸：分子内酯化反应，生成环状内酯 (lactone) CH2-CH2-C-0 )+H20 CH2O H oH r.t Y-丁内酯 Y-羟基丁酸 (1,4-丁内酯) Organic Chemistry

Organic Chemistry β-羟基酸: 分子内失水，形成α、β-不饱和羧酸 O O O O + H2O CH2COOH OH 2 H + OH - 或 乙交酯 羟基乙酸 CH3CH CHCOOH OH H CH3CH CHCOOH + H2O β-羟基丁酸 2-丁烯酸 γ-、δ-羟基酸: 分子内酯化反应，生成环状内酯 （lactone） CH2 CH2 C O CH2O H OH O O + H2O γ-羟基丁酸 γ-丁内酯 （1,4-丁内酯） β α γ r.t

1958 HOCH2(CH2)3COOH H20 δ-羟基戊酸 6-戊内酯 自然界中有许多内酯类化合物，有些是天然香精或药物的主要成分 (CH2)5 CH CH (CH2)8 茉莉内酯 黄葵内酯（存在于麝葵子油中，有麝香味） HO CH2OH COCH? HO HO CH2OH CH2OH coumarin:香豆素 维生素C 穿心莲内酯 亮菌甲素 Organic Chemistry

Organic Chemistry HOCH2 (CH2 ) 3 COOH δ-羟基戊酸 O O + H2O δ-戊内酯 δ α β γ 自然界中有许多内酯类化合物，有些是天然香精或药物的主要成分 O O CH O (CH2)8 CH O (CH2)5 C 茉莉内酯 黄葵内酯（存在于麝葵子油中，有麝香味） O OH HO O H HO CH CH2OH HO CH2OH CH2 O O HO COCH3 CH2OH HO O 维生素C 穿心莲内酯 亮菌甲素 coumarin香豆素 O

O羟基酸：羟基和羧基相隔五个或五个以上碳原子的羟基 酸，受热后发生分子间脱水反应生成链状结构的聚酯 mHO(CH2)nCOOH >H-fO(CH2)nCO]mOH +(m-1)H2O 3.氧化反应 α-羟基酸易氧化 HOCH,COOH稀HNO.OHCCOOH稀HNO,.HOOCCOOH CH3CHCH2COOH OH 稀0，-CL-(CH,c0OHB-羟基酸易氧化 0 CH,CHCOOH To试剂 -CH3 COOH Ag-Coz CH:CHO OH α-羟基酸 α-酮酸 吐伦试剂一般不能氧化醇，但可氧化-羟基酸中的羟基 可氧化醛 Organic Chemistry

Organic Chemistry mHO(CH2)nCOOH H [O(CH2)nCO ]mOH + (m-1)H2O 3. 氧化反应 HOCH2COOH OHCCOOH HOOCCOOH CH3CHCH2COOH OH CH3 C CH2COOH O 稀HNO3 稀HNO3 稀HNO3 吐伦试剂一般不能氧化醇，但可氧化α-羟基酸中的羟基 可氧化醛 CH3 CHCOOH OH CH3 C COOH O + Ag Tollens试剂 α-羟基酸 α-酮酸 α-羟基酸易氧化 ω-羟基酸：羟基和羧基相隔五个或五个以上碳原子的羟基 酸，受热后发生分子间脱水反应生成链状结构的聚酯 β-羟基酸易氧化

1958 4.分解反应 OH R-CH-COOH 稀H,SO:、RCHO+HCOOH类似HIO,氧化 △ OH R2CCOOH 浓L,S04,R2C0+20+C0 △ 5.脱羧反应 R-CH-COOH OH 高产率 RCHO R-CH-COOH △ O-C-R' Organic Chemistry

Organic Chemistry 4.分解反应 R CH OH COOH RCHO + HCOOH 稀H2SO4 R2CCOOH OH R2CO + H2O + CO 浓H2SO4 5. 脱羧反应 类似HIO4氧化

COOH 95 OH OH 200≈220℃ 十 C021 多发生于邻位 COOH 或对位有羟基 200℃￥ +C021 的苯甲酸 HO OH HO OH OH OH 6.与醛的反应 OH R-CH一COOH+R'CHO 1,3-dioxolan-4-one 1,3-二氧杂环戊-4-酮 R OH R R-CH一CH2COOH+R'CHO 1,3-dioxan-4-one 1,3-二氧杂环己-4-酮 R Organic Chemistry

Organic Chemistry COOH OH OH + CO2 200～220℃ OH COOH HO OH OH HO OH + CO2 200℃ 多发生于邻位 或对位有羟基 的苯甲酸 6. 与醛的反应 R CH COOH OH + R'CHO O O R O R' R CH CH2 COOH OH + R'CHO O O O R' R 1,3-dioxolan-4-one 1,3-二氧杂环戊-4-酮 1,3-dioxan-4-one 1,3-二氧杂环己-4-酮

1958 三、羟基酸的制备 1.卤代酸水解 用碱或氢氧化银处理α，B,Y等卤代酸可生成对应的羟基酸 COO 浓碱作用 下，构型 Br HO -Br 翻转。 SN2 CH3 CH3 CH3 在Ag20存在下 OH -AgBr CH2BrCOOH H Br 用稀碱作用， CH: Sxi 构型保持。 OH OH OH OH S.2 CH3 CH3 2.腈醇水解 制α-羟基酸 QH OH C H5CHO HCN C6HSCHCN 浓HCI 1000C CH5CHCOOH Organic Chemistry

Organic Chemistry 三、羟基酸的制备 1. 卤代酸水解 2. 腈醇水解 制α-羟基酸 C6H5CHO HCN C6H5CHCN 浓HCl C C6H5CHCOOH OH OH 100 0 COO - COO - COO - CH3 CH3 CH3 H H H Br HO Br HO - HO -Br - 用碱或氢氧化银处理α，β，γ等卤代酸可生成对应的羟基酸 O -O H CH3 Br Ag + O O H CH3 O O H CH3 O -O H CH3 OH OH HO O H CH3 OH -OH H + -OH Ag2O -AgBr CH2BrCOOH 浓碱作用 下，构型 翻转。 在Ag2O存在下， 用稀碱作用， 构型保持。 SN2 SN i SN2