醫(yī)用化學(xué)-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(jī)酸。它可以看作是烴分子中的氫原子被羧基（或?qū)憺椤狢OOH)取代后生成的化合物，羧基是羧酸的官能團(tuán)。羧酸能發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)羧基中的羥基被其它原子或原子團(tuán)取代時(shí)，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(gòu)造和分類

羧酸的官能團(tuán)是羧基（)。羧基的結(jié)構(gòu)中既含有羰基（)，又含有羥基兩個(gè)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(gè)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(fù)電荷不再集中于一個(gè)氧原子，而是平均分配在兩個(gè)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(zhì)，另一方面，—OH氧原子的電子云向羰基移動(dòng)，氧的電子云密度降低，有利于氫的離解，故羧酸的酸性強(qiáng)于醇。

羧酸可按照分子中所含烴基結(jié)構(gòu)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(jié)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(dòng)植物體中，是與醫(yī)藥學(xué)關(guān)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(shí)是以包括羧基碳原子在內(nèi)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(shí)，主鏈應(yīng)是包括羧基碳原子和各碳碳重鍵的碳原子都在內(nèi)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(gè)羧基碳原子在內(nèi)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(shí)，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(cè)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(cè)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(zhì)

低級飽和脂肪酸(甲酸、乙酸及丙酸)是具有強(qiáng)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(zhì)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(jī)溶劑。

羧酸的沸點(diǎn)比相對分子質(zhì)量相近的醇還要高。例如，甲酸和乙醇的相對分子質(zhì)量相同，但乙醇的沸點(diǎn)為78.5^oC,而甲酸為100.5。這是因?yàn)轸人岱肿娱g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(shí)也是以二締合體的形式存在。

飽和脂肪酸的熔點(diǎn)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(diǎn)比其相鄰的兩個(gè)含奇數(shù)碳原子羧酸的熔

點(diǎn)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(diǎn)與碳原子數(shù)的關(guān)系

四、羧酸的化學(xué)性質(zhì)

根據(jù)羧酸的構(gòu)造，它可以發(fā)生如下反應(yīng)：

(一)酸性

羧酸在水中可離解出質(zhì)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(jī)酸弱得多，但比碳酸(pK_a1=6.35)和一般的酚類(pK_a≈10)強(qiáng)。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(yīng)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(tuán)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(dǎo)效應(yīng)（+I)，使羧基上的氫較難離解，酸性較甲酸弱。當(dāng)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(dǎo)效應(yīng)（-I)，酸性增強(qiáng)。烴基某個(gè)碳上引入的鹵原子數(shù)目越多，酸性越強(qiáng)。例如，在氯代乙酸中，三氯乙酸的酸性最強(qiáng)。當(dāng)鹵原子相同時(shí)，鹵原子離羧基越近，酸性越強(qiáng),它們的酸性順序是α-一氯丁酸>β-一氯丁酸>γ-一氯丁酸。當(dāng)鹵原子的種類不同時(shí)，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(yīng)

羧酸中的羥基可以被其它原子或原子團(tuán)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(tuán)叫做�；�(acyl group)。

l. 酯化反應(yīng)(esterification)

酸與醇脫水生成酯(ester)的反應(yīng)叫做酯化。

羧酸與醇的酯化反應(yīng)是可逆的，而且反應(yīng)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(yīng)，羧基中的羥基被鹵素取代，生成相應(yīng)的酰鹵。

例如：

  乙酰氯

  苯甲酰氯   

  3-甲基丁酰氯

應(yīng)用SOCl₂制備酰氯時(shí)，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(shí)，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(nèi)失去一分子水生成酰胺。

^乙酰胺

(三) 脫羧反應(yīng)和二元羧酸的受熱反應(yīng)  

羧酸脫去羧基的反應(yīng)叫做脫羧。這個(gè)反應(yīng)的結(jié)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(shí)難以脫羧，只有在特殊條件下才可發(fā)生，生成少一個(gè)碳的烴。例如：

生物體內(nèi)發(fā)生的許多重要的脫羧反應(yīng)是在脫羧酶的作用下進(jìn)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(gè)羧基間距不同而發(fā)生脫羧反應(yīng)或脫水反應(yīng)，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(shí)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(shí)，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(yīng)較慢，需加入P或PCl₃等催化劑或在光照下才易進(jìn)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(nèi)發(fā)現(xiàn)的。它是無色有刺激性的液體，沸點(diǎn)1Ol^oC,易溶于水。甲酸的腐蝕性很強(qiáng)，能使皮膚起泡。甲酸的構(gòu)造比較特殊，分子中的羧基與氫原子相連，既具有羧基的結(jié)構(gòu)又有醛基的結(jié)構(gòu)，因而既有酸性又有還原性，能發(fā)生銀鏡反應(yīng)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(diǎn)16.6^oC，沸點(diǎn)118^oC。由于乙酸在16.6^oC以下能凝結(jié)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(jī)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(jié)晶水。無水草酸的熔點(diǎn)189^oC，加熱到150^oC以上時(shí)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(xué)中常用來標(biāo)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(nèi)。苯甲酸是白色固體，熔點(diǎn)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(gòu)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(tuán)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(gòu)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(yīng)的酰基命名。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(yīng)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(shí)，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(yīng)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(zhì)

低級的酰鹵與酸酐都是具有強(qiáng)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(shí)中。高級羧酸酯為蠟狀固體。羧酸酯均能溶于有機(jī)溶劑，許多有機(jī)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(diǎn)比相對分子質(zhì)量相近的羧酸的沸點(diǎn)低得多；與相對分子質(zhì)量相近的烷烴的沸點(diǎn)相差不大。

三、酰鹵、酸酐和羧酸酯的化學(xué)性質(zhì)

酰鹵、酸酐和羧酸酯在分子結(jié)構(gòu)上有相似之處，故它們的化學(xué)性質(zhì)相似，都能與水、醇和氨作用而發(fā)生水解、醇解和氨解反應(yīng)。但它們的反應(yīng)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(shí)，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(yīng)，必須在酸或堿存在下加熱才能較快地進(jìn)行。在酸催化下的水解反應(yīng)可較快地達(dá)到平衡。在堿的催化下，由于反應(yīng)生成的羧酸被堿中和生成羧酸鹽，使平衡右移，水解反應(yīng)能進(jìn)行到底。

 (二)醇解

酰鹵、酸酐和羧酸酯與醇的反應(yīng)的相同產(chǎn)物是羧酸酯。其中，羧酸酯的醇解是可逆反應(yīng)，須在催化劑(無水HCl、濃H₂SO₄等)存在下進(jìn)行。這個(gè)反應(yīng)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(yīng)，在實(shí)驗(yàn)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(shí)的相同產(chǎn)物是酰胺(或N-取代酰胺)。

羧酸衍生物水解時(shí)都生成羧酸；醇解時(shí)都生成羧酸酯；氨解時(shí)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(gè)氫（醇是羥基上的氫，胺是氮上的氫)被�；�取代的反應(yīng)。這類在分子中引入�；�的反應(yīng)稱為酰化反應(yīng)。酰鹵、酸酐的反應(yīng)活性大，易進(jìn)行酰化反應(yīng)，因此常作為�；瘎�。

�；�反應(yīng)在藥物合成中具有重要意義。在某些藥物中引入一個(gè)�；�，�？稍黾铀幬锏闹�溶性，改善體內(nèi)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(diǎn)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(diǎn)8.2^oC，有似爛水果的氣味。微溶于水，易溶于有機(jī)溶劑(如汽油、苯等)之中。光氣是一種窒息性的化學(xué)毒劑。它與其它酰鹵的化學(xué)性質(zhì)相似，能與水、醇、氨作用而分解，溫度升高時(shí)，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(diǎn)127^oC，含雜質(zhì)時(shí)常呈黃色。它難溶于水，易溶于苯、CCl₄及其它有機(jī)溶劑中，氣味似光氣。雙光氣的性質(zhì)與光氣相似，但比光氣穩(wěn)定。二者在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)都曾用作窒息性毒劑。

習(xí)題：

1.   命名或?qū)懗鰳?gòu)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(yīng)：

⁽¹⁾

⁽²⁾

⁽³⁾

⁽⁴⁾

⁽⁵⁾

⁽⁶⁾

3.   用反應(yīng)式完成下列轉(zhuǎn)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(xué)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(qiáng)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(dǎo)A可能的構(gòu)造式。