有机化学 第九章 羧酸及其衍生物取代酸(2)

2018-11-22 20:59

共轭效应对酸性的影响

共轭效应:在共轭体系中原子间的一种相互影响。这种影响使得分子更稳定,内能更小,键长趋于平均化,并引起物质性质的一系列改变。

P —π共轭体系共轭体系π—π共轭体系超共轭体系COHO诱导效应随距离的增加而迅速下降。 HOOCCH2COOH PKa1 2.83 ; PKa2 5.69二元羧酸酸性比一元羧酸酸性强,且Pka1 〉PKa2 Cl酸性ClCCCOOH>CCCOOHδδ+-CCCl场效应COOH诱导效应HCOOHPKa 4.19 3.76邻位:情况比较复杂,它包括电子、立体、邻位效应。 间位:对酸性影响不如邻、对位明显,不显示立体效应,共 轭效应受阻,主要是诱导效应,且隔了3个C。 对位:主要是共轭效应,诱导效应极弱,隔了4个C。 羧酸能与碱反应生成盐和水,也能和活泼的金属作用放出氢气。

RCOOH+NaOHRCOONa+H2O羧酸的酸性比碳酸强,所以羧酸可与碳酸钠或碳酸氢钠反应生成羧酸盐,同时放出CO2,用此反应可鉴定羧酸。

RCOOH+NaHCO36

RCOONa+H2O+CO2

羧酸的碱金属盐或铵盐遇强酸(如HCl)可析出原来的羧酸,这一反应经常用于羧酸的分离、提纯、鉴别。

RCOONa+HClRCOOH+NaCl不溶于水的羧酸可以转变为可溶性的盐,然后制成溶液使用。如生产中使用的植物生长调节剂α-萘乙酸、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)均可先与氢氧化钠反应生成可溶性的盐,然后再配制成所需的浓度使用。 (2) 取代基对酸性的影响 影响羧酸酸性的因素很多,其中最重要的是羧酸烃基上所连基团的诱导效应。

当烃基上连有吸电子基团(如卤原子)时,由于吸电子效应使羧基中羟基氧原子上的电子云密度降低,O—H键的极性增强,因而较易电离出H+ ,其酸性增强;另一方面,由于吸电子效应使羧酸负离子的电荷更加分散,使其稳定性增加,从而使羧酸的酸性增强。总之,基团的吸电子能力越强,数目越多,距离羧基越近,产生的吸电子效应就越大,羧酸的酸性就越强。

吸电子基团的吸电子能力增强,酸性增强

RHCXOC..OHICH2COOH BrCH2COOHClCH2COOHFCH2COOHpKa 3.12 2.90 2.86 2.59

吸电子基团的数目增加,酸性增强

CH3COOHClCH2COOHCl2CHCOOHCl3CCOOH pKa 4.76 2.86 1.26 0.64

吸电子基团距离羧基越近,酸性越强

CH3CH2CH2COOHCH2CH2CH2COOHClCH3CH CH2COOHClCH3CH2CH COOHCl pKa 4.82 4.52 4.06 2.86

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当烃基上连有给电子基团时,由于给电子效应使羧基中羟基氧原子上的电子云密度升高,O—H键的极性减弱,因而较难电离出H+ ,其酸性减弱。总之,基团的给电子能力越强,羧酸的酸性就愈弱。

给电子基团的数目增加,酸性减弱

HCOOHCH3COOHCH3CH2COOH(CH3)3CCOOHpKa 3.77 4.76 4.88 5.05

二元羧酸中,由于羧基是吸电子基团,两个羧基相互影响使一级电离常数比一元饱和羧酸大,这种影响随着两个羧基距离的增大而减弱。二元羧酸中,草酸的酸性最强。

不饱和脂肪羧酸和芳香羧酸的酸性,除受到基团的诱导效应影响外,往往还受到共轭效应的影响。一般来说,不饱和脂肪羧酸的酸性略强于相应的饱和脂肪羧酸。当芳香环上有基团产生吸电子效应时,酸性增强,产生给电子效应时,酸性减弱,例如:

NO2COOH>ClCOOH>COOH>OCH3COOH pKa 3.40 3.97 4.20 4.47

COOHCOOH 〉 〉COOH 取代基的性质 +I,+C (CH3)① -I,-C (NO2)② -I> +C (X) ③ -I< +C (OH)④

例: ①

COOH 〉 取代苯甲酸的酸性 NO2间>对。酸性均小于苯甲酸。 NO2对>间。酸性均大于苯甲酸。 间>对。酸性均大于苯甲酸。 间>对。间>苯甲酸,对<苯甲酸。 COOH 〉CH3COOH8 CH3

③ ④

2.羧酸衍生物的生成

COOH 〉XCOOH 〉XCOOHCOOH 〉OHCOOH 〉COOHOH羧基中羟基被其它原子或基团取代的产物称为羧酸衍生物。如果羟基分别被卤素(—X)、酰氧基( —OCOR)、烷氧基(—OR)、氨基(—NH2)取代,则分别生成酰卤、酸酐、酯、酰胺,这些都是羧酸的重要衍生物。 (1)酰卤的生成 羧酸与三卤化磷、五卤化磷或亚硫酰氯等反应,羧基中的羟基可被卤素取代生成酰卤。

RORCORCOH+PCl5△OOH+PCl3△RCOCl+H3PO3RCCl+POCl3+HClOCOH+SOCl2ROCCl+SO2+HClSOCl2作卤化剂时,副产物都是气体,容易与酰氯分离。

(2)酸酐的生成 一元羧酸在脱水剂五氧化二磷或乙酸酐作用下,两分子羧酸受热脱去一分子水生成酸酐。

ROCOHOCOHRP2O5△OCCOO+H2O

RR某些二元羧酸分子内脱水生成内酐(一般生成五、六员环)。例如:

OCOH△OCO+H2OCOCOHO 邻苯二甲酸酐

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(3)酯的生成 羧酸和醇在无机酸的催化下共热,失去一分子水形成酯。

羧酸与醇作用生成酯的反应称为酯化反应。酯化反应是可逆的,欲提高产率,必须增大某一反应物的用量或降低生成物的浓度,使平衡向生成酯的方向移动。

如用同位素O18标记的醇酯化,反应完成后,O18在酯分子中而不是在水分子中。这说明酯化反应生成的水,是醇羟基中的氢与羧基中的羟基结合而成的,即羧酸发生了酰氧键的断裂。例如:

CH3OCOH+HOC2H518ORCOH+HOR'H+ORCOR'+H2OH+OCH3COC2H5+H2O18酸催化下的酯化反应按如下历程进行:

+ORCOHH+OHRCOH+R'OH..OHRCHOR'+OHOHRCOR'OH2 +OHCOR'H+ORCOR'H2OR酯化反应中,醇作为亲核试剂进攻具有部分正电性的羧基碳原子,由于羧基碳原子的正电性较小,很难接受醇的进攻,所以反应很慢。当加入少量无机酸做催化剂时,羧基中的羰基氧接受质子,使羧基碳原子的正电性增强,从而有利于醇分子的进攻,加快酯的生成。

羧酸和醇的结构对酯化反应的速度影响很大。一般α-C原子上连有较多烃基或所连基团越大的羧酸和醇,由于空间位阻的因素,使酯化反应速度减慢。不同结构的羧酸和醇进行酯化反应的活性顺序为:

RCH2COOH > R2CHCOOH > R3CCOOH

RCH2OH (伯醇) > R2CHOH (仲醇) > R3COH (叔醇)

(4)酰胺的生成 羧酸与氨或碳酸铵反应,生成羧酸的铵盐,铵盐受强热或在脱水剂的作用下加热,可在分子内失去一分子水形成酰胺。

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