第十六章羧酸及其衍生物--第一节羧酸

第十六章　羧酸及其衍生物

　　羧酸（RCOOH）是最重要的一类有机酸。它可以看作是烃分子中的氢原子被羧基（或写为-COOH）取代后生成的化合物，羧基是羧酸的官能团。羧酸能发生许多化学反应。当羧基中的羟基被其它原子团取代时，则形成羧酸衍生物，主要有羧酸酯、酰卤，酸酐和酰胺。

第一节　羧酸

　　羧酸在自然界中常以游离状态或以盐或酯的形式广泛存在于动植物体中，是与医药关系十分密切的一类化合物。

　　一、羧酸的分类及命名

　　按照烃基构造的不同，羧酸可分为脂肪族羧酸（饱和及不饱和的）、脂环族羧酸和芳香族羧酸。根据羧酸分子中所含羧基的数目，又可分为一元酸及多元酸。链状的一元羧酸（包括饱和的及不饱和的）通称为脂肪酸。羧酸的分类见表16-1。

表16－1　羧酸的分类

　　许多羧酸可以从天然产物中获得，因此它们常根据最初的来源而有俗名，如蚁酸、醋酸、草酸等。羧酸的系统命名法与醛相似。饱和脂肪酸命名是以包括羧基碳原子在内的最长碳链作为主链，根据主链碳原子数称为某酸，从羧基碳原子开始编号。例如：

　　不饱和脂肪酸命名时，主链应是包括羧基碳原子和各碳碳重键的碳原子都在内的最长碳链，从羧基碳原子开始编号，并注明重键的位置。例如：

　　二元酸的命名是以包括两个羧基碳原子在内的最长碳链作为主链，按主链的碳原子数称为“某二酸”。例如；

羧基直接连在脂环上的羧酸命名时，可在脂环烃的名称后加上“羧酸或二羧酸”等词尾；羧基在脂环上的羧酸命名是将脂环烃的名称与脂肪酸的名称连接起来。另外，不论羧基直接连在脂环上还是连在脂环侧链上，均可把脂环作为取代基来命名。例如；

芳香酸可将其作为脂肪酸的芳香基取代物来命名。例如：

　　二、羧酸的物理性质

　　低级饱和脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸）是具有强烈刺激性气味的液体；中级的（C4-C9）羧酸是带有不愉快气味的油状液体；C10及C10以上的羧酸为无味的油状固体，挥发性很低，脂肪族二元羧酸和芳香族羧酸都是固体。

　　低级脂肪酸易溶于水，但随着相对分子质量的增加，在水中的溶解度减小，以至难溶或不溶于水，而溶于有机溶剂。

　　羧酸的沸点比相对分子质量相近的醇还要高。例如，甲酸和乙醇的相对分子质量相同，但乙醇的沸点为78.5℃，而甲酸为100.5℃。这是因为羧酸分子间能以氢键缔合成二聚体，羧酸分子间的这种氢键比醇分子间的更稳定。例如，乙醇分子间的氢键键能为25.94kJ·mol^-1，而甲酸分子间的氢键键能则是30.12kJ·mol^-1。低级羧酸即使在气态也是以二缔合体的形式存在。

饱和脂肪酸熔点随着分子中碳原子数的增加呈锯齿形变化（图16-1）。含偶数碳原子的羧酸其熔点比其相邻的两个含奇数碳原子羧酸分子的熔点高。这可能是由于偶数碳原子羧酸分子较为对称，在晶体中排列更紧密的缘故。一些羧酸的物理常数和pKa值见表16-2。

表16-2 一些羧酸的物理常数和pKa

名称 构造式 熔点/℃ 沸点/℃ 溶解度

　　g·（100g水）-1 PKa （25℃）pKa1 ,pKa2 甲酸 HCOOH 8.4 100.5 ∞ 3.77 乙酸 CH₃COOH 16.6 118 ∞ 4.76 丙酸 CH₃CH₂COOH -22 141 ∞ 4.88 正丁酸 CH₃CH₂CH₂COOH -4.7 162.5 ∞ 4.82 正戊酸 CH₃(CH₂)₃COOH -35 187 3.7 4.81 正己酸 CH₃(CH₂)₄COOH -1.5 205 0.4 4.84 正庚酸 CH₃(CH₂)₅COOH -11 223.5 0.24 4.89 正辛酸 CH₃(CH₂)₆COOH 16.5 237 0.25 4.85 壬酸 CH₃(CH₂)₇COOH 12.5 254 　 4.96 癸酸 CH₃(CH₂)₈COOH 31.5 268 　 　 软脂酸 CH₃(CH₂)₁₄COOH 62.9 269(13Pa) 　 　 硬脂酸 CH₃(CH₂)₁₀COOH 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)₄COOH 151 276 1.5 4.43 5.52 顺丁烯二酸 131 　 易溶 1.92　 6.59 反丁烯二酸 287 　 0.7 3.03　 4.54 苯甲 酸 C₆H₅COOH 122 249 0.34 4.19 苯乙酸 C₆H₅CH₂COOH 78 265 1.66 4.28 萘乙酸 131 　 0.04 　

　　三、羧酸的化学性质

　　羧酸是由羧基和烃基组成的，羧基包括羰基和羟基两个部分，因而不同程度地反映了羰基和羟基的某些性质。但羧基的性质并非两个基团的简单加和，由于羰基和羟基的相互影响表现出许多新的性质。

　　用物理方法测定甲酸中C=O键长为0.1245nm，比普通羰基的键长（0.122nm）略长一点；C-OH键中的碳氧键长为0.131nm，比醇中的键长（0.143nm）短得多。这表明羧酸中羰基与羟基间发生了相互影响。

　　在羧酸分子中，羰基碳原子的三个sp2杂化轨道一个与氧成键，一个与羟基氧成键，另一个与氢或烃基成键，这三个轨道在一个平面上，键角约120°；碳原子上的一个未参与杂化的p轨道与氧原子的p轨道构成了π键。但羧基中-OH氧上有一对未共用的电子，可与π键形成p-π共轭体系。

　　这样一来，一方面使原子团失去了典型的羰基性质，另一方面-OH氧原子的电子云向羰基移动，氧的电子云密度降低，有利于氢的离解，故羧酸的酸性强于醇。

　　经X射对甲酸根离子的测定表明，它的两个碳氧键的键长都是0.127 nm 。这说明氢以质子形式脱离羧基后，p-π共轭作用更完全，发生了键的平均化。这样，-COO－上的负电荷不再集中于一个氧原子,而是平均分配在两个氧上,所以羧酸根离子更稳定.

根据羧酸的构造,它可以发生如下反应。

　　（一）酸性

　　羧酸在水中可离解出质子而显酸性，其pKa值一般为4-5，属于弱酸。

羧酸的酸性虽比盐酸，硫酸等无机酸弱得多，但比碳酸（pKa=6.35）和一般的酚类（pKa-10）强。故羧酸能分解碳酸盐和碳酸氢盐，放出二氧化碳。

　　2RCOOH+Na₂CO₃→2RCOONa+CO₂↑+H₂o

RCOOH+NaHCO₃→RCOONa+CO₂↑+H₂o

利用羧酸与碳酸氢钠的反应可将羧酸与酚类相区别。因羧酸可溶于碳酸氢钠溶液并放出二氧化碳，而一般酚类与碳酸氢钠不起作用。

　　低级和中级羧酸的钾盐、钠盐及铵盐溶于水，故一些含羧基的的药物制成羧酸盐以增加其在水中的溶解度，便于做成水剂或注射剂使用，。

　　在羧酸（RCOOH）分子中，与羧基直接或间接直连的原子团对羧酸的酸性有不同程度的影响（表16-3）。

表16-3 一些羧酸的电离常数

化合物

构造式

PKa

1．甲酸

HCOOH

3.77

2．乙酸

CH₃COOH

4.76

3．氯乙酸

ClCH₂COOH

2.86

4．二氯乙酸

Cl₂CHCOOH

1.29

5．三氯乙酸

Cl₃CCOOH

0.65

6．溴乙酸

BrCH₂COOH

2.90

7．碘乙酸

ICH₂COOH

3.18

8．氟乙酸

FCH₂COOH

2.66

9．三氟乙酸

F₃CCOOH

强酸

10．丁酸

CH₃CH₂CH₂COOH

4.82

11．α-氯丁酸

2.84

12．β-氯丁酸

4.06

13．γ-氯丁酸

CLCH₂CH₂CH₂COOH

4.52

和脂肪酸中，与羧基相连的烷基具有供电诱导效应（+I），使羧基上的氢较难离解，酸性较甲酸弱（表16-3中的1，2）。当卤素取代羧酸分子中烃基上的氢后，由于卤原子的吸电子诱导效应（-I），酸性增强（表16-3中的3，6，7，8）。烃基某个碳上引入的卤原子的数目越多，酸性越强（表16-3中的3，4，5及8，9）当卤原子相同时，卤原子距羧基越近，酸性越强（表16-3中的11，12，13）。当卤原子的种类不同时，它们对酸性的影响是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）羟基被取代的反应

　　羧酸中的羟基可以被其它原子或原子团取代，生成羧酸衍生物。例如：

　　羧酸分子中去掉羧基上的羟 基后，余下的原子团叫做酰基。

　　1．酯化反应

　　酸与醇脱水生成酯的反应叫做酯 化。

羧酸与醇的酯化反应是可逆的，而且反应速率很慢，需用酸作催化剂。例如：

　　2．酰卤的生成

　　羧酸（除甲酸外）能与三卤化磷、五卤化磷或亚硫酰氯（SOCL2）反应，羧基中的羟基被卤素取代生成相应的酰卤。

例如：

应用SOCL2制备酰卤时，副产物都是气体，便于处理及提纯。

　　3．酸酐的生成

　　除甲酸外，一元羧酸与脱水剂共热时，两分子羧酸可脱去一分子水，生成酸酐。

4．酰胺的生成

　　在羧酸中通入氨气或加入碳酸铵，可以得到羧酸的铵盐。将固体的羧酸铵加热，分子内失去一分子水生成酰胺。

　　（三）脱羧反应和二元羧酸的受热反应

　　羧酸脱去羧基的反应叫做脱羧。个反应的结果是从羧基脱去CO2。

除甲酸外，一元羧酸较稳定，直接加热时难以脱羧，只有在特殊条件下才可发生，生成少一个碳的烃。例如：

生物体内发生的许多重要的脱羧反应是在脱羧酶的作用下进行的。

　　有些二元酸对热不稳定，在加热或与脱水剂共热的条件下，随两个羧基间距不同而发生脱羧反应或脱水反应，这是二元羧酸的特性。

　　1．乙二酸和丙二酸

　　乙二酸或丙二酸加热脱羧生成一元羧酸。

2．丁二酸、戊二酸及邻苯二甲酸

　　这三种酸与脱水剂共热时失水，生成环状酸酐。

3．己二酸，庚二酸

　　己二酸、庚二酸与氢氧化钡共热时，既失水又脱羧 ，生成环酮。

　　（四）α-H的卤代作用

　　与羰基相似，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被卤素取代的反应较慢，需加入红磷、硫或碘等作催化剂或在光照下才易进行。

　　四、重要的羧酸

　　（一）甲酸

　　甲酸最初是从红蚂蚁体内发现的，所以俗称蚁酸。它是无色有刺激性的液体，沸点100.5℃，易溶于水。甲酸的腐蚀性很强，能使皮肤起泡。

　　甲酸的构造比较特殊，分子中的羧基与氢原子相连，既具有羧基的结构又有醛基的结构，因而既有酸性又有还原性，能发生银镜反应或使高锰酸钾溶液褪色。

　　（二）乙酸

　　乙酸俗名醋酸，是食醋的主要万分。乙酸为无色有刺激气味的液体，熔点16.6℃，沸点118℃。由于乙酸在16.6℃以下能凝结成冰状固体，所以常把无水乙酸称为冰醋酸。乙酸易溶于水，也能溶于许多有机物。乙酸还是重要的工业原料。

　　（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盐的形式存在。草酸是无色晶体。常见的草酸含有两分子结晶水。无水草酸的熔点189℃，加热到150℃以上时就开始分解生成甲酸及二氧化碳，甲酸再分解为一氧化碳和水。

草酸具有还原性，在分析化学中常用来标定KMnO₄溶液的浓度。

　　（四）苯甲酸

　　苯甲酸俗名安息香酸。它与芐醇形成的酯存在于天然树脂与

　　安息香胶内。苯甲酸是白色固体，熔点121℃，微溶于水，受热易升华。苯甲酸有抑菌，防腐作用。可作防腐剂，也可外用。