医用化学-电子教材: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或原子团取代时，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

一、羧酸的构造和分类

羧酸的官能团是羧基（)。羧基的结构中既含有羰基（)，又含有羟基两个部分（)，但用物理方法测定甲酸中的C=O和C—OH的键长表明，羧酸中的C=O的键长为0.123nm，比普通的C=O键长(0.12Onm)略长； C—OH键中的碳氧键长为0.134nm，比醇中的C—O键长（0.143nm)短得多。这表明羧基中的羰基和羟基发生了互相影响。

在羧酸分子中，羧基中—OH的氧上有一对未共用电子，可与π键形成p-π共轭体系。

经X射线的测定可知，甲酸根离子中的两个C—O键长都是0.127nm，这说明与C—O键已发生了键的平均化，—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。

这样，一方面羰基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。

羧酸可按照分子中所含烃基结构的不同，分为脂肪族羧酸、脂环族羧酸和芳香酸等。（表16-1)

表16-1 羧酸的分类

根据羧酸分子中所含羧基的数目，又可把羧酸分为一元酸及多元酸。常见的二元酸如:

  草酸（乙二酸)  丙二酸  琥珀酸（丁二酸)   邻苯二甲酸

 马来酸（顺丁烯二酸)  富马酸（反丁烯二酸)

一些直链的脂肪族羧酸常以甘油酯的形式结合于油脂中。最常见的是含十六碳和十八碳原子的羧酸。人们把链状的一元羧酸(包括饱和的及不饱和的)通称为脂肪酸。

羧酸在自然界中常以游离状态、盐或羧酸酯的形式存在于动植物体中，是与医药学关系十分密切的一类化合物。

二、羧酸的命名

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。饱和脂肪酸命名时是以包括羧基碳原子在内的最长碳链作为主链，根据主链上的碳原子数称为某酸，从羧基碳原子开始编号。由于羧基总是在C-1，所以不须指出羧基的位置。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：

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：

  4-甲基-2-乙基己二酸

   羧基直接连在脂环上的羧酸的命名时，可在脂环烃名称后加上“羧酸”或“二羧酸”等词尾。羧基在脂环侧链上的羧酸的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：

环戊烷羧酸   1,2-环己烷二羧酸  环己烷丙酸

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

芳香酸可将其作为脂肪酸的芳香基取代物来命名。例如：

 苯甲酸（安息香酸)     β-苯基丙烯酸（肉桂酸)

三、羧酸的物理性质

低级饱和脂肪酸(甲酸、乙酸及丙酸)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蜡状固体，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（C₁～C₄)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^oC,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时也是以二缔合体的形式存在。

饱和脂肪酸的熔点随分子中碳原子数的增加呈锯齿型变化(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，在晶格中排列更紧密的缘故。一些羧酸的物

理常数和见表16-2。  图16-1 饱和脂肪酸的熔点与碳原子数的关系

四、羧酸的化学性质

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pK_a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(pK_a1=6.35)和一般的酚类(pK_a≈10)强。故羧酸能分解碳酸盐和碳酸氢盐，放出二氧化碳。

利用羧酸与碳酸氢钠的反应可将羧酸和酚类相区别。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，故一些含羧基的药物常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，与羧基直接或间接相连的原子或原子团对羧酸的酸性有不同程度的影响（表16-3)。

饱和脂肪酸中，与羧基碳原子相连的烷基具有供电子诱导效应（+I)，使羧基上的氢较难离解，酸性较甲酸弱。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。烃基某个碳上引入的卤原子数目越多，酸性越强。例如，在氯代乙酸中，三氯乙酸的酸性最强。当卤原子相同时，卤原子离羧基越近，酸性越强,它们的酸性顺序是α-一氯丁酸>β-一氯丁酸>γ-一氯丁酸。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，它们的酸性顺序是氟乙酸>氯乙酸>溴乙酸>碘乙酸。

表 16-3 一些羧酸的pK_a值

（二)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：

羧酸酯  酰卤 酸酐  酰胺

羧酸分子中去掉羧基上的羟基后，余下的原子团叫做酰基(acyl group)。

l. 酯化反应(esterification)

酸与醇脱水生成酯(ester)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，需用酸作为催化剂。例如：

2. 酰卤(acyl halide)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，也称氯化亚砜)反应，羧基中的羟基被卤素取代，生成相应的酰卤。

例如：

  乙酰氯

  苯甲酰氯   

  3-甲基丁酰氯

应用SOCl₂制备酰氯时，副产物SO₂和HCl都是气体，便于处理及提纯。

3. 酸酐(acid anhydride)的生成

 除甲酸外，一元羧酸与脱水剂共同加热时，两分子羧酸可脱去一分子水，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。

^乙酰胺

(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。这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。

甲  酸

乙  酸

丙  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，生成五元或六元环的环状酸酐。

   丁二酐

戊二酐

邻苯二甲酸酐

3.己二酸、庚二酸

己二酸、庚二酸与氢氧化钡共热时，既脱羧又失水，生成五元或六元的环酮。

环戊酮

  环己酮

(四)α-H卤化作用

与羰基相似，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被卤素(氯或溴)取代的反应较慢，需加入P或PCl₃等催化剂或在光照下才易进行。例如：

四、重要的羧酸

   (一)甲酸

甲酸俗名蚁酸，最初是从红蚂蚁体内发现的。它是无色有刺激性的液体，沸点1Ol^oC,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，能发生银镜反应或能使高锰酸钾溶液褪色。

(二)乙酸

乙酸俗名醋酸，是食醋的主要成分。乙酸为无色有刺激性气味的液体，熔点16.6^oC，沸点118^oC。由于乙酸在16.6^oC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。常见的草酸含两分子结晶水。无水草酸的熔点189^oC，加热到150^oC以上时即分解为甲酸及CO₂，甲酸再分解为CO及水。

草酸具有还原性，在分析化学中常用来标定高锰酸钾溶液的浓度。

   (四)苯甲酸

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

第二节 羧酸衍生物

一、酰卤、酸酐、羧酸酯的构造和命名

羧酸衍生物是指羧酸分子中，羧基上的羟基被其它原子或原子团取代后生成的化合物，如酰卤、酸酐、羧酸酯和酰胺等。

酰卤  酸酐  羧酸酯 酰胺

羧酸衍生物在构造上的共同之处是分子中均含有酰基（)。

最常见的酰卤是酰氯和酰溴，它们可根据相应的酰基命名。例如：

   乙酰基  乙酰氯 

苯甲酰基 苯甲酰氯

丙烯酰基 丙烯酰氯

羧药品数据酸酯常根据相应的羧酸和醇来命名。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时，通常是醇的名称在前，羧酸的名称在后，叫“某醇某酸酯”。例如：

 乙二醇二乙酸酯  

酸酐是按照相应的羧酸的名称叫做某（酸)酐。例如：

乙（酸)酐 乙丙（酸)酐 邻苯二甲酸酐

二、酰卤、酸酐、羧酸酯的物理性质

低级的酰卤与酸酐都是具有强烈刺激气味的液体，遇水即分解。高级的酰卤和酸酐为固体，不溶于水。

低级的羧酸酯是具有香味的液体，微溶于水，存在于植物的花或果实中。高级羧酸酯为蜡状固体。羧酸酯均能溶于有机溶剂，许多有机物也能溶于羧酸酯中。故有些羧酸酯也可作为溶剂，如乙酸乙酯。

酰氯、酸酐和羧酸酯由于分子间不存在氢键，它们的沸点比相对分子质量相近的羧酸的沸点低得多；与相对分子质量相近的烷烃的沸点相差不大。

三、酰卤、酸酐和羧酸酯的化学性质

酰卤、酸酐和羧酸酯在分子结构上有相似之处，故它们的化学性质相似，都能与水、醇和氨作用而发生水解、醇解和氨解反应。但它们的反应活性不同，以酰卤最活泼，酸酐次之，羧酸酯较不活泼。

(一)水解

酰卤、酸酐和羧酸酯水解的共同产物是羧酸；与此同时，酰卤生成卤化氢，酸酐生成另一分子羧酸，羧酸酯则得到醇。羧酸酯的水解是酯化的逆反应，必须在酸或碱存在下加热才能较快地进行。在酸催化下的水解反应可较快地达到平衡。在碱的催化下，由于反应生成的羧酸被碱中和生成羧酸盐，使平衡右移，水解反应能进行到底。

 (二)醇解

酰卤、酸酐和羧酸酯与醇的反应的相同产物是羧酸酯。其中，羧酸酯的醇解是可逆反应，须在催化剂(无水HCl、浓H₂SO₄等)存在下进行。这个反应是一种羧酸酯变为另一种羧酸酯.因此也叫做酯交换。利用此反应，在实验室中可以从低级醇的羧酸酯制备高级醇的酯。

 (三)氨解

酰卤、酸酐和羧酸酯与氨(或胺)发生氨解时的相同产物是酰胺(或N-取代酰胺)。

羧酸衍生物水解时都生成羧酸；醇解时都生成羧酸酯；氨解时都生成酰胺。因此，它们的水解，醇解和氨解又是水，醇，氨（或胺)分子中的一个氢（醇是羟基上的氢，胺是氮上的氢)被酰基取代的反应。这类在分子中引入酰基的反应称为酰化反应。酰卤、酸酐的反应活性大，易进行酰化反应，因此常作为酰化剂。

酰化反应在药物合成中具有重要意义。在某些药物中引入一个酰基，常可增加药物的脂溶性，改善体内吸收，降低毒性，提高或延长药效。例如：

四、重要的羧酸衍生物

^(一)乙酐

乙酐又称醋酐，是常用的酰化剂，它是无色有刺激性的液体，沸点140^oC，工业上，醋酐用于合成醋酸纤维、燃料、药物和香料等。

^{（二)光气和双光气}

光气（)是碳酸的二酰氯。常温下是无色气体，能压缩为液体，沸点8.2^oC，有似烂水果的气味。微溶于水，易溶于有机溶剂(如汽油、苯等)之中。光气是一种窒息性的化学毒剂。它与其它酰卤的化学性质相似，能与水、醇、氨作用而分解，温度升高时，分解速率加快。

^{双光气(氯甲酸三氯甲酯)可以从光气经部分醇解后，再氯化而成。}

双光气分子中的各原子数是光气的两倍，能分解生成两分子的光气，故叫双光气。

纯净的双光气是无色透明液体，沸点127^oC，含杂质时常呈黄色。它难溶于水，易溶于苯、CCl₄及其它有机溶剂中，气味似光气。双光气的性质与光气相似，但比光气稳定。二者在第一次世界大战时都曾用作窒息性毒剂。

习题：

1.   命名或写出构造式：

(1)  甲酸乙酯  (2) 正丁酸异丁酯

(3)  对氯苯甲酸乙酯 (4)  对硝基苯甲酰氯

(5)  丙二酸甲乙酯(6)  α-萘乙酸

^{(7) (8)}

^(9) (10)  

^{(11)  (12)}

2.   完成下列反应：

⁽¹⁾

⁽²⁾

⁽³⁾

⁽⁴⁾

⁽⁵⁾

⁽⁶⁾

3.   用反应式完成下列转变：

^{(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　　　　异丁酸丙酯}

^{(6) 　　正丙醇　  　　　α－羟基丙酸}

4.   用简单的化学方法区别下列各组化合物:

(1) 甲酸、乙酸和丙二酸

(2)   蚁酸、福尔马林和甲醇

(3) 苯甲酰氯和氯苯

(4) 乙酸、乙醇和乙二酸

5.  将下列化合物按酸性增强的顺序排列：

(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)催化氢化得Ｂ(C9H18)，A氧化可得Ｃ(C9H16O3)，Ｃ用Br2-NaOH处理后生成二元酸Ｄ(C8H14O4)的钠盐，Ｄ受热后得4-甲基环己酮。推导A可能的构造式。