醫(yī)用化學-電子教材:第十六章 羧酸及其衍生物

第十六章 羧酸及其衍生物

羧酸(carboxylicacid) (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(fā)生許多化學反應。當羧基中的羥基被其它原子或原子團取代時，則形成羧酸衍生物，主要有羧酸酯、酰鹵、酸酐和酰胺。

第一節(jié) 羧   酸

一、羧酸的構造和分類

羧酸的官能團是羧基（)。羧基的結構中既含有羰基（)，又含有羥基兩個部分（)，但用物理方法測定甲酸中的C=O和C—OH的鍵長表明，羧酸中的C=O的鍵長為0.123nm，比普通的C=O鍵長(0.12Onm)略長； C—OH鍵中的碳氧鍵長為0.134nm，比醇中的C—O鍵長（0.143nm)短得多。這表明羧基中的羰基和羥基發(fā)生了互相影響。

在羧酸分子中，羧基中—OH的氧上有一對未共用電子，可與π鍵形成p-π共軛體系。

經(jīng)X射線的測定可知，甲酸根離子中的兩個C—O鍵長都是0.127nm，這說明與C—O鍵已發(fā)生了鍵的平均化，—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(wěn)定。

這樣，一方面羰基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。

羧酸可按照分子中所含烴基結構的不同，分為脂肪族羧酸、脂環(huán)族羧酸和芳香酸等。（表16-1)

表16-1 羧酸的分類

根據(jù)羧酸分子中所含羧基的數(shù)目，又可把羧酸分為一元酸及多元酸。常見的二元酸如:

  草酸（乙二酸)  丙二酸  琥珀酸（丁二酸)   鄰苯二甲酸

 馬來酸（順丁烯二酸)  富馬酸（反丁烯二酸)

一些直鏈的脂肪族羧酸常以甘油酯的形式結合于油脂中。最常見的是含十六碳和十八碳原子的羧酸。人們把鏈狀的一元羧酸(包括飽和的及不飽和的)通稱為脂肪酸。

羧酸在自然界中常以游離狀態(tài)、鹽或羧酸酯的形式存在于動植物體中，是與醫(yī)藥學關系十分密切的一類化合物。

二、羧酸的命名

許多羧酸可以從天然產(chǎn)物中獲得，因此它們常根據(jù)最初的來源而有俗名，如蟻酸、醋酸、草酸等。羧酸的系統(tǒng)命名法與醛相似。飽和脂肪酸命名時是以包括羧基碳原子在內的最長碳鏈作為主鏈，根據(jù)主鏈上的碳原子數(shù)稱為某酸，從羧基碳原子開始編號。由于羧基總是在C-1，所以不須指出羧基的位置。例如：

丁酸 3，4-二甲基己酸

 （β，γ-二甲基己酸)

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：

3-甲基-2-丁烯酸 9-十八碳烯酸（油酸)

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(shù)稱為“某二酸”。例如：

  4-甲基-2-乙基己二酸

   羧基直接連在脂環(huán)上的羧酸的命名時，可在脂環(huán)烴名稱后加上“羧酸”或“二羧酸”等詞尾。羧基在脂環(huán)側鏈上的羧酸的命名是將脂環(huán)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(huán)上還是連在脂環(huán)側鏈上，均可把脂環(huán)作為取代基來命名。例如：

環(huán)戊烷羧酸   1,2-環(huán)己烷二羧酸  環(huán)己烷丙酸

（環(huán)戊基甲酸) （1,2-環(huán)己基二甲酸)   （3-環(huán)己基丙酸或β-環(huán)己基丙酸)

芳香酸可將其作為脂肪酸的芳香基取代物來命名。例如：

 苯甲酸（安息香酸)     β-苯基丙烯酸（肉桂酸)

三、羧酸的物理性質

低級飽和脂肪酸(甲酸、乙酸及丙酸)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蠟狀固體，揮發(fā)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（C₁～C₄)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^oC,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(wěn)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(tài)時也是以二締合體的形式存在。

飽和脂肪酸的熔點隨分子中碳原子數(shù)的增加呈鋸齒型變化(圖16-1)。含偶數(shù)碳原子的羧酸其熔點比其相鄰的兩個含奇數(shù)碳原子羧酸的熔

點高。這可能是由于偶數(shù)碳原子羧酸分子較為對

稱，在晶格中排列更緊密的緣故。一些羧酸的物

理常數(shù)和見表16-2。  圖16-1 飽和脂肪酸的熔點與碳原子數(shù)的關系

四、羧酸的化學性質

根據(jù)羧酸的構造，它可以發(fā)生如下反應：

(一)酸性

羧酸在水中可離解出質子而顯酸性，其pK_a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(pK_a1=6.35)和一般的酚類(pK_a≈10)強。故羧酸能分解碳酸鹽和碳酸氫鹽，放出二氧化碳。

利用羧酸與碳酸氫鈉的反應可將羧酸和酚類相區(qū)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，故一些含羧基的藥物常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，與羧基直接或間接相連的原子或原子團對羧酸的酸性有不同程度的影響（表16-3)。

飽和脂肪酸中，與羧基碳原子相連的烷基具有供電子誘導效應（+I)，使羧基上的氫較難離解，酸性較甲酸弱。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。烴基某個碳上引入的鹵原子數(shù)目越多，酸性越強。例如，在氯代乙酸中，三氯乙酸的酸性最強。當鹵原子相同時，鹵原子離羧基越近，酸性越強,它們的酸性順序是α-一氯丁酸>β-一氯丁酸>γ-一氯丁酸。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，它們的酸性順序是氟乙酸>氯乙酸>溴乙酸>碘乙酸。

表 16-3 一些羧酸的pK_a值

（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：

羧酸酯  酰鹵 酸酐  酰胺

羧酸分子中去掉羧基上的羥基后，余下的原子團叫做�；�(acyl group)。

l. 酯化反應(esterification)

酸與醇脫水生成酯(ester)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，需用酸作為催化劑。例如：

2. 酰鹵(acyl halide)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，也稱氯化亞砜)反應，羧基中的羥基被鹵素取代，生成相應的酰鹵。

例如：

  乙酰氯

  苯甲酰氯   

  3-甲基丁酰氯

應用SOCl₂制備酰氯時，副產(chǎn)物SO₂和HCl都是氣體，便于處理及提純。

3. 酸酐(acid anhydride)的生成

 除甲酸外，一元羧酸與脫水劑共同加熱時，兩分子羧酸可脫去一分子水，生成酸酐。

   乙（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。

^乙酰胺

(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(wěn)定，直接加熱時難以脫羧，只有在特殊條件下才可發(fā)生，生成少一個碳的烴。例如：

生物體內發(fā)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(wěn)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(fā)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。

甲  酸

乙  酸

丙  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，生成五元或六元環(huán)的環(huán)狀酸酐。

   丁二酐

戊二酐

鄰苯二甲酸酐

3.己二酸、庚二酸

己二酸、庚二酸與氫氧化鋇共熱時，既脫羧又失水，生成五元或六元的環(huán)酮。

環(huán)戊酮

  環(huán)己酮

(四)α-H鹵化作用

與羰基相似，羧基也能活化α-H，但作用比羰基弱得多。因此，羧酸中的α-H被鹵素(氯或溴)取代的反應較慢，需加入P或PCl₃等催化劑或在光照下才易進行。例如：

四、重要的羧酸

   (一)甲酸

甲酸俗名蟻酸，最初是從紅螞蟻體內發(fā)現(xiàn)的。它是無色有刺激性的液體，沸點1Ol^oC,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(fā)生銀鏡反應或能使高錳酸鉀溶液褪色。

(二)乙酸

乙酸俗名醋酸，是食醋的主要成分。乙酸為無色有刺激性氣味的液體，熔點16.6^oC，沸點118^oC。由于乙酸在16.6^oC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。乙酸是重要的工業(yè)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。常見的草酸含兩分子結晶水。無水草酸的熔點189^oC，加熱到150^oC以上時即分解為甲酸及CO₂，甲酸再分解為CO及水。

草酸具有還原性，在分析化學中常用來標定高錳酸鉀溶液的濃度。

   (四)苯甲酸

苯甲酸俗名安息香酸，它與芐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l21^oC，微溶于水。苯甲酸有抑菌防腐作用，可作防腐劑，也可外用。

第二節(jié) 羧酸衍生物

一、酰鹵、酸酐、羧酸酯的構造和命名

羧酸衍生物是指羧酸分子中，羧基上的羥基被其它原子或原子團取代后生成的化合物，如酰鹵、酸酐、羧酸酯和酰胺等。

酰鹵  酸酐  羧酸酯 酰胺

羧酸衍生物在構造上的共同之處是分子中均含有�；�（)。

最常見的酰鹵是酰氯和酰溴，它們可根據(jù)相應的�；�命名。例如：

   乙酰基  乙酰氯 

苯甲�；� 苯甲酰氯

丙烯酰基 丙烯酰氯

羧藥品數(shù)據(jù)酸酯常根據(jù)相應的羧酸和醇來命名。一元醇的羧酸酯叫做“某酸某酯”。例如：

甲酸乙酯   乙酸甲酯

丙烯酸甲酯苯甲酸乙酯

多元醇的羧酸酯命名時，通常是醇的名稱在前，羧酸的名稱在后，叫“某醇某酸酯”。例如：

 乙二醇二乙酸酯  

酸酐是按照相應的羧酸的名稱叫做某（酸)酐。例如：

乙（酸)酐 乙丙（酸)酐 鄰苯二甲酸酐

二、酰鹵、酸酐、羧酸酯的物理性質

低級的酰鹵與酸酐都是具有強烈刺激氣味的液體，遇水即分解。高級的酰鹵和酸酐為固體，不溶于水。

低級的羧酸酯是具有香味的液體，微溶于水，存在于植物的花或果實中。高級羧酸酯為蠟狀固體。羧酸酯均能溶于有機溶劑，許多有機物也能溶于羧酸酯中。故有些羧酸酯也可作為溶劑，如乙酸乙酯。

酰氯、酸酐和羧酸酯由于分子間不存在氫鍵，它們的沸點比相對分子質量相近的羧酸的沸點低得多；與相對分子質量相近的烷烴的沸點相差不大。

三、酰鹵、酸酐和羧酸酯的化學性質

酰鹵、酸酐和羧酸酯在分子結構上有相似之處，故它們的化學性質相似，都能與水、醇和氨作用而發(fā)生水解、醇解和氨解反應。但它們的反應活性不同，以酰鹵最活潑，酸酐次之，羧酸酯較不活潑。

(一)水解

酰鹵、酸酐和羧酸酯水解的共同產(chǎn)物是羧酸；與此同時，酰鹵生成鹵化氫，酸酐生成另一分子羧酸，羧酸酯則得到醇。羧酸酯的水解是酯化的逆反應，必須在酸或堿存在下加熱才能較快地進行。在酸催化下的水解反應可較快地達到平衡。在堿的催化下，由于反應生成的羧酸被堿中和生成羧酸鹽，使平衡右移，水解反應能進行到底。

 (二)醇解

酰鹵、酸酐和羧酸酯與醇的反應的相同產(chǎn)物是羧酸酯。其中，羧酸酯的醇解是可逆反應，須在催化劑(無水HCl、濃H₂SO₄等)存在下進行。這個反應是一種羧酸酯變?yōu)榱硪环N羧酸酯.因此也叫做酯交換。利用此反應，在實驗室中可以從低級醇的羧酸酯制備高級醇的酯。

 (三)氨解

酰鹵、酸酐和羧酸酯與氨(或胺)發(fā)生氨解時的相同產(chǎn)物是酰胺(或N-取代酰胺)。

羧酸衍生物水解時都生成羧酸；醇解時都生成羧酸酯；氨解時都生成酰胺。因此，它們的水解，醇解和氨解又是水，醇，氨（或胺)分子中的一個氫（醇是羥基上的氫，胺是氮上的氫)被酰基取代的反應。這類在分子中引入酰基的反應稱為�；�反應。酰鹵、酸酐的反應活性大，易進行�；�反應，因此常作為�；瘎�。

�；�反應在藥物合成中具有重要意義。在某些藥物中引入一個�；�，�？稍黾铀幬锏闹�溶性，改善體內吸收，降低毒性，提高或延長藥效。例如：

四、重要的羧酸衍生物

^(一)乙酐

乙酐又稱醋酐，是常用的�；瘎�，它是無色有刺激性的液體，沸點140^oC，工業(yè)上，醋酐用于合成醋酸纖維、燃料、藥物和香料等。

^{（二)光氣和雙光氣}

光氣（)是碳酸的二酰氯。常溫下是無色氣體，能壓縮為液體，沸點8.2^oC，有似爛水果的氣味。微溶于水，易溶于有機溶劑(如汽油、苯等)之中。光氣是一種窒息性的化學毒劑。它與其它酰鹵的化學性質相似，能與水、醇、氨作用而分解，溫度升高時，分解速率加快。

^{雙光氣(氯甲酸三氯甲酯)可以從光氣經(jīng)部分醇解后，再氯化而成。}

雙光氣分子中的各原子數(shù)是光氣的兩倍，能分解生成兩分子的光氣，故叫雙光氣。

純凈的雙光氣是無色透明液體，沸點127^oC，含雜質時常呈黃色。它難溶于水，易溶于苯、CCl₄及其它有機溶劑中，氣味似光氣。雙光氣的性質與光氣相似，但比光氣穩(wěn)定。二者在第一次世界大戰(zhàn)時都曾用作窒息性毒劑。

習題：

1.   命名或寫出構造式：

(1)  甲酸乙酯  (2) 正丁酸異丁酯

(3)  對氯苯甲酸乙酯 (4)  對硝基苯甲酰氯

(5)  丙二酸甲乙酯(6)  α-萘乙酸

^{(7) (8)}

^(9) (10)  

^{(11)  (12)}

2.   完成下列反應：

⁽¹⁾

⁽²⁾

⁽³⁾

⁽⁴⁾

⁽⁵⁾

⁽⁶⁾

3.   用反應式完成下列轉變：

^{(1)　　乙醇　　　  　丁二酸}

^{(2)　　1-丙醇　  　　　丁酸丙酯}

^{(3)　　 甲苯　　  　　　苯甲酰氯}

^{(4) 　　2-丙醇　  　　　2-甲基－2-氯丙酸}

^{(5)　 正丙醇　　　　異丁酸丙酯}

^{(6) 　　正丙醇　  　　　α－羥基丙酸}

4.   用簡單的化學方法區(qū)別下列各組化合物:

(1) 甲酸、乙酸和丙二酸

(2)   蟻酸、福爾馬林和甲醇

(3) 苯甲酰氯和氯苯

(4) 乙酸、乙醇和乙二酸

5.  將下列化合物按酸性增強的順序排列：

(1) 乙酸，乙醇，苯酚，甲酸，草酸，α－氯乙酸，苯甲酸

(2) 三氟乙酸，三氯乙酸，α－氯丁酸，β－氯丁酸，丁酸

6.   化合物A(C9H16)催化氫化得Ｂ(C9H18)，A氧化可得Ｃ(C9H16O3)，Ｃ用Br2-NaOH處理后生成二元酸Ｄ(C8H14O4)的鈉鹽，Ｄ受熱后得4-甲基環(huán)己酮。推導A可能的構造式。