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羧酸及其衍生物

發布日期：2022-10-28 09:18:34

羧酸及其衍生物

　　羧酸（RCOOH）是最重要的一類有機酸。它可以看作是烴分子中的氫原子被羧基（或寫為-COOH）取代后生成的化合物，羧基是羧酸的官能團。羧酸能發生許多化學反應。當羧基中的羥基被其它原子團取代時，則形成羧酸衍生物，主要有羧酸酯、酰鹵，酸酐和酰胺。

第一節　羧酸

　　羧酸在自然界中常以游離狀態或以鹽或酯的形式廣泛存在于動植物體中，是與醫藥關系十分密切的一類化合物。

　　一、羧酸的分類及命名

　　按照烴基構造的不同，羧酸可分為脂肪族羧酸（飽和及不飽和的）、脂環族羧酸和芳香族羧酸。根據羧酸分子中所含羧基的數目，又可分為一元酸及多元酸。鏈狀的一元羧酸（包括飽和的及不飽和的）通稱為脂肪酸。羧酸的分類見表16-1。

表16－1　羧酸的分類

脂肪族羧酸	飽和羧酸	一元羧酸	二元羧酸
		CH₂ COOH	HOOC-COOH
		乙酸（醋酸）	乙二酸（草酸）
	不飽合羧酸	CH₂ =CH-COOH	HOOCCH=CHCOOH
	不飽合羧酸	丙烯酸	丁烯二酸
脂環　族　羧　酸
脂環　族　羧　酸		環已烷羧酸	1，2-環戊烷二羧酸
芳香族羧酸
芳香族羧酸		苯甲酸	鄰苯二甲酸

　　許多羧酸可以從天然產物中獲得，因此它們常根據最初的來源而有俗名，如蟻酸、醋酸、草酸等。羧酸的系統命名法與醛相似。飽和脂肪酸命名是以包括羧基碳原子在內的最長碳鏈作為主鏈，根據主鏈碳原子數稱為某酸，從羧基碳原子開始編號。例如：

　　不飽和脂肪酸命名時，主鏈應是包括羧基碳原子和各碳碳重鍵的碳原子都在內的最長碳鏈，從羧基碳原子開始編號，并注明重鍵的位置。例如：

　　二元酸的命名是以包括兩個羧基碳原子在內的最長碳鏈作為主鏈，按主鏈的碳原子數稱為“某二酸”。例如；

羧基直接連在脂環上的羧酸命名時，可在脂環烴的名稱后加上“羧酸或二羧酸”等詞尾；羧基在脂環上的羧酸命名是將脂環烴的名稱與脂肪酸的名稱連接起來。另外，不論羧基直接連在脂環上還是連在脂環側鏈上，均可把脂環作為取代基來命名。例如；

芳香酸可將其作為脂肪酸的芳香基取代物來命名。例如：

　　二、羧酸的物理性質

　　低級飽和脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸）是具有強烈刺激性氣味的液體；中級的（C4-C9）羧酸是帶有不愉快氣味的油狀液體；C10及C10以上的羧酸為無味的油狀固體，揮發性很低，脂肪族二元羧酸和芳香族羧酸都是固體。

　　低級脂肪酸易溶于水，但隨著相對分子質量的增加，在水中的溶解度減小，以至難溶或不溶于水，而溶于有機溶劑。

　　羧酸的沸點比相對分子質量相近的醇還要高。例如，甲酸和乙醇的相對分子質量相同，但乙醇的沸點為78.5℃，而甲酸為100.5℃。這是因為羧酸分子間能以氫鍵締合成二聚體，羧酸分子間的這種氫鍵比醇分子間的更穩定。例如，乙醇分子間的氫鍵鍵能為25.94kJ?mol^-1 ，而甲酸分子間的氫鍵鍵能則是30.12kJ?mol^-1 。低級羧酸即使在氣態也是以二締合體的形式存在。

飽和脂肪酸熔點隨著分子中碳原子數的增加呈鋸齒形變化（圖16-1）。含偶數碳原子的羧酸其熔點比其相鄰的兩個含奇數碳原子羧酸分子的熔點高。這可能是由于偶數碳原子羧酸分子較為對稱，在晶體中排列更緊密的緣故。一些羧酸的物理常數和pKa值見表16-2。

表16-2 一些羧酸的物理常數和pKa

名稱	構造式	熔點/℃	沸點/℃	溶解度　　g?（100g水）-1	PKa （25℃）pKa1 ,pKa2
甲酸	HCOOH	8.4	100.5	∞	3.77
乙酸	CH₃ COOH	16.6	118	∞	4.76
丙酸	CH₃ CH₂ COOH	-22	141	∞	4.88
正丁酸	CH₃ CH₂ CH₂ COOH	-4.7	162.5	∞	4.82
正戊酸	CH₃ (CH₂ )₃ COOH	-35	187	3.7	4.81
正己酸	CH₃ (CH₂ )₄ COOH	-1.5	205	0.4	4.84
正庚酸	CH₃ (CH₂ )₅ COOH	-11	223.5	0.24	4.89
正辛酸	CH₃ (CH₂ )₆ COOH	16.5	237	0.25	4.85
壬酸	CH₃ (CH₂ )₇ COOH	12.5	254		4.96
癸酸	CH₃ (CH₂ )₈ COOH	31.5	268
軟脂酸	CH₃ (CH₂ )₁₄ COOH	62.9	269(13Pa)
硬脂酸	CH₃ (CH₂ )₁₀ COOH	69.6	287(13Pa)
丙烯酸	CH₂ =CHCOOH	13	141		4.26
乙二酸	HOOC-COOH	189		8.6	1.46 4.40
己二酸	HOOC(CH₂ )₄ COOH	151	276	1.5	4.43 5.52
順丁烯二酸		131		易溶	1.92　 6.59
反丁烯二酸		287		0.7	3.03　 4.54
苯甲酸	C₆ H₅ COOH	122	249	0.34	4.19
苯乙酸	C₆ H₅ CH₂ COOH	78	265	1.66	4.28
萘乙酸		131		0.04

　　三、羧酸的化學性質

　　羧酸是由羧基和烴基組成的，羧基包括羰基和羥基兩個部分，因而不同程度地反映了羰基和羥基的某些性質。但羧基的性質并非兩個基團的簡單加和，由于羰基和羥基的相互影響表現出許多新的性質。

　　用物理方法測定甲酸中C=O鍵長為0.1245nm，比普通羰基的鍵長（0.122nm）略長一點；C-OH鍵中的碳氧鍵長為0.131nm，比醇中的鍵長（0.143nm）短得多。這表明羧酸中羰基與羥基間發生了相互影響。

　　在羧酸分子中，羰基碳原子的三個sp2雜化軌道一個與氧成鍵，一個與羥基氧成鍵，另一個與氫或烴基成鍵，這三個軌道在一個平面上，鍵角約120°；碳原子上的一個未參與雜化的p軌道與氧原子的p軌道構成了π鍵。但羧基中-OH氧上有一對未共用的電子，可與π鍵形成p-π共軛體系。

　　這樣一來，一方面使原子團失去了典型的羰基性質，另一方面-OH氧原子的電子云向羰基移動，氧的電子云密度降低，有利于氫的離解，故羧酸的酸性強于醇。

　　經X射對甲酸根離子的測定表明，它的兩個碳氧鍵的鍵長都是0.127 nm 。這說明氫以質子形式脫離羧基后，p-π共軛作用更完全，發生了鍵的平均化。這樣，-COO－上的負電荷不再集中于一個氧原子,而是平均分配在兩個氧上,所以羧酸根離子更穩定.

根據羧酸的構造,它可以發生如下反應。

　　（一）酸性

　　羧酸在水中可離解出質子而顯酸性，其pKa值一般為4-5，屬于弱酸。

羧酸的酸性雖比鹽酸，硫酸等無機酸弱得多，但比碳酸（pKa=6.35）和一般的酚類（pKa-10）強。故羧酸能分解碳酸鹽和碳酸氫鹽，放出二氧化碳。

　　2RCOOH+Na₂ CO₃ →2RCOONa+CO₂ ↑+H₂ o

RCOOH+NaHCO₃ →RCOONa+CO₂ ↑+H₂ o

利用羧酸與碳酸氫鈉的反應可將羧酸與酚類相區別。因羧酸可溶于碳酸氫鈉溶液并放出二氧化碳，而一般酚類與碳酸氫鈉不起作用。

　　低級和中級羧酸的鉀鹽、鈉鹽及銨鹽溶于水，故一些含羧基的的藥物制成羧酸鹽以增加其在水中的溶解度，便于做成水劑或注射劑使用，。

　　在羧酸（RCOOH）分子中，與羧基直接或間接直連的原子團對羧酸的酸性有不同程度的影響（表16-3）。

表16-3 一些羧酸的電離常數

化合物	構造式	PKa
1．甲酸	HCOOH	3.77
2．乙酸	CH₃ COOH	4.76
3．氯乙酸	ClCH₂ COOH	2.86
4．二氯乙酸	Cl₂ CHCOOH	1.29
5．三氯乙酸	Cl₃ CCOOH	0.65
6．溴乙酸	BrCH₂ COOH	2.90
7．碘乙酸	ICH₂ COOH	3.18
8．氟乙酸	FCH₂ COOH	2.66
9．三氟乙酸	F₃ CCOOH	強酸
10．丁酸	CH₃ CH₂ CH₂ COOH	4.82
11．α-氯丁酸		2.84
12．β-氯丁酸		4.06
13．γ-氯丁酸	CLCH₂ CH₂ CH₂ COOH	4.52

和脂肪酸中，與羧基相連的烷基具有供電誘導效應（+I），使羧基上的氫較難離解，酸性較甲酸弱（表16-3中的1，2）。當鹵素取代羧酸分子中烴基上的氫后，由于鹵原子的吸電子誘導效應（-I），酸性增強（表16-3中的3，6，7，8）。烴基某個碳上引入的鹵原子的數目越多，酸性越強（表16-3中的3，4，5及8，9）當鹵原子相同時，鹵原子距羧基越近，酸性越強（表16-3中的11，12，13）。當鹵原子的種類不同時，它們對酸性的影響是F＞CL＞Br＞I。所以氟乙酸的酸性＞氯乙酸＞溴乙酸＞碘乙酸（表16-3中的3，6，7，8）。

　　（二）羥基被取代的反應

　　羧酸中的羥基可以被其它原子或原子團取代，生成羧酸衍生物。例如：

　　羧酸分子中去掉羧基上的羥基后，余下的原子團叫做酰基。

　　1．酯化反應

　　酸與醇脫水生成酯的反應叫做酯化。

羧酸與醇的酯化反應是可逆的，而且反應速率很慢，需用酸作催化劑。例如：

　　2．酰鹵的生成

　　羧酸（除甲酸外）能與三鹵化磷、五鹵化磷或亞硫酰氯（SOCL2）反應，羧基中的羥基被鹵素取代生成相應的酰鹵。

例如：

應用SOCL2制備酰鹵時，副產物都是氣體，便于處理及提純。

　　3．酸酐的生成

　　除甲酸外，一元羧酸與脫水劑共熱時，兩分子羧酸可脫去一分子水，生成酸酐。

4．酰胺的生成

　　在羧酸中通入氨氣或加入碳酸銨，可以得到羧酸的銨鹽。將固體的羧酸銨加熱，分子內失去一分子水生成酰胺。

　　（三）脫羧反應和二元羧酸的受熱反應

　　羧酸脫去羧基的反應叫做脫羧。這個反應的結果是從羧基脫去CO2。

除甲酸外，一元羧酸較穩定，直接加熱時難以脫羧，只有在特殊條件下才可發生，生成少一個碳的烴。例如：

生物體內發生的許多重要的脫羧反應是在脫羧酶的作用下進行的。

　　有些二元酸對熱不穩定，在加熱或與脫水劑共熱的條件下，隨兩個羧基間距不同而發生脫羧反應或脫水反應，這是二元羧酸的特性。

　　1．乙二酸和丙二酸

　　乙二酸或丙二酸加熱脫羧生成一元羧酸。

2．丁二酸、戊二酸及鄰苯二甲酸

　　這三種酸與脫水劑共熱時失水，生成環狀酸酐。

3．己二酸，庚二酸

　　己二酸、庚二酸與氫氧化鋇共熱時，既失水又脫羧，生成環酮。

　　（四）α-H的鹵代作用

　　與羰基相似，羧基也能活化α-H，但其致活作用比羰基小得多。因此，羧酸中的α-H被鹵素取代的反應較慢，需加入紅磷、硫或碘等作催化劑或在光照下才易進行。

　　四、重要的羧酸

　　（一）甲酸

　　甲酸最初是從紅螞蟻體內發現的，所以俗稱蟻酸。它是無色有刺激性的液體，沸點100.5℃，易溶于水。甲酸的腐蝕性很強，能使皮膚起泡。

　　甲酸的構造比較特殊，分子中的羧基與氫原子相連，既具有羧基的結構又有醛基的結構，因而既有酸性又有還原性，能發生銀鏡反應或使高錳酸鉀溶液褪色。

　　（二）乙酸

　　乙酸俗名醋酸，是食醋的主要萬分。乙酸為無色有刺激氣味的液體，熔點16.6℃，沸點118℃。由于乙酸在16.6℃以下能凝結成冰狀固體，所以常把無水乙酸稱為冰醋酸。乙酸易溶于水，也能溶于許多有機物。乙酸還是重要的工業原料。

　　（三）乙二酸

　　乙二酸俗名草酸，在大部分植物尤其是草本植物中常以鹽的形式存在。草酸是無色晶體。常見的草酸含有兩分子結晶水。無水草酸的熔點189℃，加熱到150℃以上時就開始分解生成甲酸及二氧化碳，甲酸再分解為一氧化碳和水。

草酸具有還原性，在分析化學中常用來標定KMnO₄ 溶液的濃度。

　　（四）苯甲酸

　　苯甲酸俗名安息香酸。它與醇形成的酯存在于天然樹脂與

　　安息香膠內。苯甲酸是白色固體，熔點121℃，微溶于水，受熱易升華。苯甲酸有抑菌，防腐作用。可作防腐劑，也可外用。

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