《羧酸思维导图》

一、羧酸概述

1.1 定义

• 分子中含有羧基 (-COOH) 的有机化合物。
  • 羧基是羧酸的特征官能团。

1.2 分类

• 根据烃基性质分类：
  • 脂肪族羧酸：烃基为脂肪链。
  • 芳香族羧酸：烃基为芳香环。
  • 脂环族羧酸：烃基为脂环。
    • 根据羧基数目分类：
  • 一元羧酸：分子中含有一个羧基。
  • 二元羧酸：分子中含有两个羧基。
  • 多元羧酸：分子中含有两个以上羧基。
    • 根据烃基是否饱和分类：
  • 饱和羧酸：烃基中只有单键。
  • 不饱和羧酸：烃基中含有双键或三键。
    • 特殊羧酸分类:
  • 羟基酸: 同时含有羧基和羟基。如乳酸、柠檬酸。
  • 酮酸: 同时含有羧基和酮羰基。

1.3 命名

• 普通命名法：
  • 来源于历史或天然来源。如甲酸(蚁酸)、乙酸(醋酸)、丙酸。
    • IUPAC 命名法：
  • 选择含羧基的最长碳链作为主链。
  • 以 “-酸” 结尾。
  • 从羧基碳原子开始编号。
  • 标明取代基的位置和名称。
  • 如：2-甲基丁酸，3-氯苯甲酸。
    • 二元酸命名：
  • 在对应的烷烃名称后加“二酸”，如己二酸。

二、羧酸的物理性质

2.1 状态

• 低级脂肪酸（C1-C9）：具有刺激性气味的液体或固体。
  • 高级脂肪酸（C10以上）：蜡状固体，无气味。
  • 芳香族羧酸：通常为固体。

2.2 溶解度

• 低级脂肪酸：能溶于水，溶解度随碳原子数增加而降低。
  • 高级脂肪酸和芳香族羧酸：难溶于水，易溶于有机溶剂。
  • 原因：羧基与水分子形成氢键，但烃基疏水性增强。

2.3 沸点

• 羧酸具有较高的沸点。
  • 原因：羧酸分子间形成氢键缔合，形成二聚体。分子量增大，分子间作用力增强。

2.4 酸性

• 羧酸是弱酸。
  • 原因：羧基中的氢原子可以电离，形成羧酸根离子和氢离子。
  • 影响因素：
    • 诱导效应：吸电子基团增强酸性，给电子基团降低酸性。
    • 共轭效应：苯环等共轭体系影响羧基的电子云密度。

三、羧酸的化学性质

3.1 酸性反应

• 与活泼金属反应：生成氢气和羧酸盐。
  • 与碱反应：生成羧酸盐和水。
  • 与碳酸盐或碳酸氢盐反应：生成二氧化碳、水和羧酸盐。
  • 例：
    • 2RCOOH + 2Na → 2RCOONa + H₂
    • RCOOH + NaOH → RCOONa + H₂O
    • 2RCOOH + Na₂CO₃ → 2RCOONa + H₂O + CO₂

3.2 成酯反应（酯化反应）

• 羧酸与醇在酸催化下反应生成酯和水。
  • 反应可逆，平衡常数较小。
  • 提高产率方法：增加醇或羧酸的浓度，移走水。
  • 催化剂：浓硫酸，盐酸。
  • 反应机理: 羧酸的羰基碳亲电进攻醇的氧，形成四面体中间体，然后失去水。
  • 例：RCOOH + R'OH ⇌ RCOOR' + H₂O (H+催化)

3.3 酰氯的形成

• 羧酸与氯化亚砜 (SOCl₂) 或五氯化磷 (PCl₅) 反应生成酰氯。
  • 酰氯是重要的酰化试剂。
  • 反应方程式：
    • RCOOH + SOCl₂ → RCOCl + SO₂ + HCl
    • RCOOH + PCl₅ → RCOCl + POCl₃ + HCl

3.4 酰胺的形成

• 羧酸与氨或胺反应生成酰胺。
  • 该反应通常需要高温或活化羧酸。
  • 活化方法：羧酸先转化为酰氯，再与胺反应。
  • 例：RCOOH + NH₃ → RCONH₂ + H₂O (高温或先生成酰氯)

3.5 还原反应

• 羧酸可以被还原为伯醇。
  • 强还原剂：氢化铝锂 (LiAlH₄)。
  • 硼氢化钠 (NaBH₄) 通常不能还原羧酸。
  • 反应方程式：RCOOH + LiAlH₄ → RCH₂OH

3.6 脱羧反应

• 羧酸在加热或催化剂作用下脱去二氧化碳，生成烷烃。
  • β-酮酸容易脱羧。
  • 例: RCOOH → RH + CO₂ (加热或催化剂)

四、羧酸的制备

4.1 醇或醛的氧化

• 伯醇或醛在强氧化剂作用下氧化为羧酸。
  • 氧化剂：高锰酸钾 (KMnO₄)，重铬酸钾 (K₂Cr₂O₇)。

4.2 格氏试剂与二氧化碳的反应

• 格氏试剂与二氧化碳反应，水解后得到羧酸。
  • 反应方程式：RMgX + CO₂ → RCOOMgX，RCOOMgX + H₃O⁺ → RCOOH

4.3 腈的水解

• 腈在酸性或碱性条件下水解得到羧酸。
  • 反应方程式：RCN + H₂O + H⁺ → RCOOH + NH₄⁺

4.4 烯烃的氧化

• 烯烃在臭氧或高锰酸钾等氧化剂作用下断裂得到羧酸或酮。具体产物取决于烯烃的结构和反应条件。

五、重要羧酸

5.1 甲酸 (蚁酸, HCOOH)

• 无色液体，有刺激性气味。
  • 用途：用于皮革、纺织、橡胶等工业，用作消毒剂和防腐剂。

5.2 乙酸 (醋酸, CH₃COOH)

• 无色液体，有刺激性气味。
  • 用途：重要的化工原料，用于制造醋酸纤维、醋酸乙烯等。也是食品调味剂（食醋的主要成分）。

5.3 苯甲酸 (C₆H₅COOH)

• 白色固体，无气味。
  • 用途：用作防腐剂、杀菌剂，也用于制造染料、香料等。

5.4 草酸 (HOOC-COOH)

• 白色固体，有毒。
  • 用途：用于除锈、漂白、制药等。

5.5 脂肪酸

• 饱和脂肪酸：如棕榈酸、硬脂酸等。
  • 不饱和脂肪酸：如油酸、亚油酸、亚麻酸等。
  • 用途：重要的生物分子，是构成油脂的主要成分。

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