第十章 羧酸和取代羧酸 掌握：羧酸的结构以及结构与性质的关系； 酸性以及酸性强弱与整个分子结构的关系； 羧酸衍生物的生成； 羧酸的脱羧反应以及α－卤代反应。 羟基酸和酮酸的结构；醇酸的酸性、氧化反应和脱水反应； 酮酸的脱羧反应。 熟悉：羧酸的命名(包括一些天然羧酸的俗名)；醇酸和酮酸的命名； 羧酸以及上述取代羧酸的物理性质。 了解：α－酮酸的氨基化反应以及醇酸和酮酸的体内化学反应过程。

羧酸 ：分子中含有羧基(-COOH)的化合物 。 取代羧酸：羧酸分子中烃基上的氢被其它原子或原子团取代的化合物。 自然界中，羧酸常以游离态、羧酸盐或羧酸衍生物的形式广泛存在于 动植物体中；取代羧酸包括卤代酸、羟基酸、氧代酸和氨基酸等。 这些化合物有些参与动植物代谢的生命过程，有些具有显著的生物活 性，有些是有机合成、工农业生产和医药工业的原料。

第一节 羧酸 羧酸(carboxylic acid)的官能团是羧基(carboxyl)(-COOH)，除甲酸外， 第一节 羧酸 羧酸(carboxylic acid)的官能团是羧基(carboxyl)(-COOH)，除甲酸外， 它们都可以看作是烃中的氢被羧基取代后的烃的衍生物。 其通式为： 一、羧酸的分类和命名 （一）羧酸的分类 羧酸由烃基(甲酸除外)和官能团羧基两部分构成。 1、根据与羧基相连的烃基种类不同，可分为脂肪酸，脂环酸和芳香酸； 2、依据分子中羧基数目不同，可分为一元酸，二元酸和多元酸； 3、按照烃基饱和程度不同，分为饱和酸和不饱和酸； 4、不饱和酸又可分为烯酸和炔酸。

(二) 羧酸的命名 羧酸一般常用的命名法有两种：俗名和系统命名法。 由于羧酸在自然界发现较早，一些俗名往往由其来源而得，如干馏蚂蚁 得到蚁酸（甲酸），从酿制食用醋中得到醋酸（乙酸）。油脂水解得到 高级一元羧酸（又称脂肪酸），如软脂酸（棕榈酸）、硬脂酸、油酸、 亚油酸和亚麻酸等。 许多羧酸的俗名在实际生活和工作中用得很普遍，因此要特别注意记忆。

羧酸的系统命名与醛相同：选择含羧基的最长碳链作主链，并从羧基碳 原子开始用阿拉伯数字编号，若有其它官能团则应标明它们的位置。 简单的羧酸，也常用希腊字母标注，即与羧基相连的碳原子编号为a， 依次为β、γ、δ等。

命名含脂环和芳环的羧酸时，以脂环和芳环做取代基，脂肪酸做母体。

二、羧酸的物理性质 1．性状 ：常温下，1~9个碳原子的直链饱和一元羧酸为液体，具有强烈 的刺鼻气味或恶臭；高级饱和脂肪酸为蜡状无味固体；脂肪 族二元酸和芳香酸为晶体。 2．溶解度：一元脂肪族羧酸随碳原子数增加，水溶性降低。四个碳以下 的羧酸可与水混溶。一般二元和多元羧酸易溶于水。高级一 元酸不溶于水，但能溶于有机溶剂。 3．沸点 ：羧酸的沸点随着相对分子质量的增加而升高。羧酸的沸点比相 对分子质量相近的醇的沸点高得多。这是由于氢键使羧酸分子 间缔合成二聚体或多聚体，而且羧酸分子间的氢键又比醇中的 氢键牢固。

4. 熔点 ：羧酸的熔点也随碳原子数的增加呈锯齿状上升，偶数碳原子 羧酸的熔点比它前后相邻两个奇数碳原子同系物的熔点高。 这可能是偶数碳羧酸分子比奇数碳羧酸分子有较好的对称性， 在晶体中容易排列得更紧密些。 三、羧酸的结构和化学性质 （一）羧酸的结构 羧酸的官能团羧基中碳原子为 sp2杂化，三个杂化轨道分别与羰基氧、 羟基氧和a－碳原子或氢原子形成在同一平面的三个σ－键，键角接近 为120º，未参与杂化的碳原子的p轨道与两个氧原子的p轨道重迭形成 p－π共轭体系。

由于p-π共轭的结果，使键长趋于平均化。X-射线衍射证明，甲酸分子中 的C=0 键长较醛、酮分子中的C=0 键长有所增长；C－O键长较醇中C－O 键长短，说明羧酸分子中的羰基和羟基发生了相互影响。

(二) 羧酸的化学性质 羧基是反应中心，围绕它主要发生以下四种化学反应： 1．酸性与成盐 羧酸具有明显的酸性，在水中离解成氢离子和羧酸根负离子：

羧酸离解出氢离子后，羧酸根的负电荷通过p-π共轭效应平均分布在两个氧上， 使羧酸根负离子能量降低而稳定。 常见的一元羧酸的pKa为3～5，比碳酸(pKa=6.5)的酸性强，但仍属于弱酸。

羧酸的酸性强弱受整个分子结构的影响。 当羧酸烃基上连有各种取代基时，羧酸的酸性强度会发生 变化。凡能使羧基电子云密度降低的吸电子基团， 其－I 效应使羧基负离子更稳定将会使酸性增强；反之，供电子 基团，由于＋I效应则使酸性减弱。 取代基对酸性强弱的影响与取代基的性质、数目以及和 羧基的相对位置有关。

苯甲酸分子中的苯基是吸电子基团，酸性应该比甲酸强，但由于苯环 大π键与羧基形成共轭体系，电子云向羧基偏移，不利于H+解离，因 此苯甲酸的酸性比甲酸弱，但比其他脂肪族一元羧酸强。 取代苯甲酸的酸性强弱还与立体效应有关。取代苯甲酸的邻位，不管 是吸电子基还是供电子基，它的酸性都强于对位和间位。这是由于邻 位基团的存在，使羧基与苯环的共平面性相对于间位和对位被消弱， 从而使苯环的供电共轭效应减弱，因此酸性较强。 二元羧酸的酸性与两个羧基的相对距离有关。由于离解是分两步进行 的，第一步电离要受另一个羧基－I效应的影响，两个羧基相距越近影 响越大。因此二元羧酸的酸性大于相应碳数的一元羧酸；二元酸的 酸性顺序是：草酸>丙二酸>丁二酸。

羧酸能与Na2CO3、NaHCO3、NaOH和一些生物碱反应生成盐，这 成盐，因此人们常常利用这个性质区别、分离它们。

医药上常将水溶性差的药物转变成易溶于水的碱金属的 羧酸盐，以便增加水溶性。 如含有羧基的青霉素和氨苄青霉素水溶性极差，转变成 钾盐或钠盐后水溶性增大，便于临床使用。许多羧酸盐 在工业、农业、医药卫生领域里被广泛应用，如表面活 性剂（硬脂酸钠或硬脂酸钾等）、杀菌剂和防霉剂（琥 珀酸铜、苯甲酸钠等）。

2. 羧酸衍生物的生成 羧基上的羟基被其他原子或原子团取代后产生的化合物，称为羧酸衍 生物（derivatives of carboxylic acid）。它们是酰卤、酸酐、酯和酰胺。 (1) 酰卤的生成

卤化剂选用PX3还是PX5，取决于产物与反应物、副产物是否便于分离。 如制备苯甲酰氯时不能用PCl3，因为苯甲酰氯的沸点与亚磷酸的沸点相 近，很难分离。 酰卤是一类具有高度反应活性的化合物，广泛应用于药物和有机合成中。 (2) 酸酐（acid anhydride）的生成 羧酸在脱水剂（如P2O5）作用下或加热，羧基间失水生成酸酐。 具有五元环或六元环的酸酐，可由二元酸加热分子内失水而得。 酸酐的结构特征是分子中有酐键 邻苯二甲酸 邻苯二甲酸酐

(3) 酯的生成 羧酸与醇在酸催化下加热反应生成的化合物称为酯（ester）。 这种用有机酸和醇直接生成酯的反应称为酯化反应（esterification）。 酯化反应是可逆的，需要在强酸（如浓硫酸）催化（脱水或提高羰基 活性）下加热进行。实验室制备酯时，为了提高收率，通常是加入过 量价廉的酸或醇，也可以将酯从反应器里蒸出。工业上为了提高酯的 收率，常采用恒沸法或加除水剂除去反应中产生的水。

羧酸与醇生成酯时，醇提供氢还是提供羟基生成水？ 同位素标记法实验证实：不同类型的醇生成酯的机制不同，因此酯化 反应中生成的水中的氢来源也不同。

按照上述反应机制，两种类型反应的中间体都有四面体结构，比反应物 更拥挤，因此空间位阻对反应速度的影响极大。不论醇或羧酸，在反应 位点附近有取代基存在时，都使酯化反应速度变慢，甚至不反应。 其活性规律如下： 从结构上看，酯是由酰基和烃氧基构成的，连接酰基和烃氧基的化学键称为　　 酯键, 它是酯的官能团。

问题: 二氢山米丁（dihydrosamidin）是扩张冠状动脉的药物。试指出 分子中含有的酯键和手性碳。 答案：

(4) 酰胺（amide）的生成 羧酸与氨或胺反应生成羧酸的铵盐。然后将铵盐加热失水而得酰胺。 酰卤、酸酐和酯进行氨解，都可以得到酰胺。酰胺是一类很重要的 化合物，很多药物和化工产品的分子中都含有酰胺键（—CONH—）。 3. 乙二酸及丙二酸类的脱羧反应（decarboxylation） 羧酸失去羧基放出CO2的反应称为脱羧反应。饱和一元酸对热稳定， 通常不发生脱羧反应。但是，许多实验事实说明脂肪族羧酸的a-位上 有吸电子基团存在，脱羧反应较易发生。

小结 4．α-卤代反应 具有α-H的羧酸在少量红磷或三卤化磷存在下与卤素发生反应，得到 α-卤代酸。 1、羧酸的官能团为羧基(-COOH)，羧基的结构决定了羧酸的化学性质。 2、羧酸具有明显的酸性，而且酸性强弱受分子结构的影响。 3、羧酸中的羟基可被其它原子或基团取代生成羧酸衍生物－酰卤、酸酐、酯和酰胺 。 4、简单二元羧酸的脱羧反应。 5、羧酸的α-卤代反应。

第二节 取代羧酸 羧酸分子中烃基上的氢原子被其他原子或原子团取代后的化合物称为 取代羧酸（substituted carboxylic acid）。 根据取代原子或原子团的不同，取代羧酸又分为卤代羧酸（halogeno acid） 羟基酸（hydroxy acid）－醇酸（alcoholic acid）和酚酸（phenolic acid）、 羰基酸－醛酸（aldehydo acid）和酮酸（keto acid）以及氨基酸 （amino acid）等。 取代羧酸是多官能团化合物，各官能团除具有特有的典型性质外，由于 不同官能团之间的相互影响，还具有某些特殊反应和生物活性。

一、羟基酸 醇酸（alcoholic acid）：羟基连接在脂肪烃基上的羟基酸； 酚酸（phenolic acid）：羟基连接在芳环上的羟基酸。 （一）羟基酸的命名 1、醇酸的系统命名法是以羧酸为母体，羟基为取代基，并用阿拉伯 数字或希腊字母a、β、γ等标明羟基的位置。 一些醇酸常用俗名。

2、酚酸的命名是以芳酸为母体，并根据羟基在芳环上的位置给出相应 的名称。

（二）羟基酸的性质 1、物理性质 羟基酸在常温下多为晶体或粘稠的液体。由于分子中含有羟基和羧基， 它们都能分别与水形成氢键，所以在水中的溶解度比相应碳原子数的 醇和羧酸大。多数醇酸具有旋光性。酚酸都是晶体，多以盐、酯或糖 苷的形式存在于植物中。羟基酸的熔点比相同碳原子数的羧酸高。 2、 化学性质 羟基酸具有醇、酚和羧酸的通性。 a. 醇羟基可以被氧化、酯化和酰化； b. 酚羟基有酸性且能与FeCl3呈颜色反应； c. 羧基有酸性，可与碱成盐、与醇成酯。 由于羟基和羧基的相互影响又具有特殊性，这些特殊性又因两官能团 的相对位置不同表现出明显的差异。

(1)  酸性 羟基连接在脂肪烃基上表现出－I效应，多数情况下会使羧酸酸性增强， 因此一般醇酸酸性强于相应的羧酸。 羟基离羧基越近，酸性增加越大，反之越小，甚至无影响。 酚酸的酸性受诱导效应、共轭效应和邻位效应的影响，其酸性随羟基与 羧基的相对位置不同而表现出明显的差异。

水杨酸酸性较强的另一原因是形成了分子内氢键，增加了羧基中氧氢键 极性，有利于氢解离，离解后的羧基负离子与酚羟基形成氢键，使这个 负离子更加稳定。

(2) 氧化反应 稀硝酸一般不能氧化醇，但却能氧化醇酸，生成醛酸、酮酸或二元酸； α-醇酸分子中的羟基因受羧基－I效应的影响，比醇分子中的羟基容易 氧化。Tollens试剂不与醇反应，却能将α-羟基酸氧化成α-酮酸。 醇酸在体内的氧化通常是在酶催化下进行。

(3) 醇酸的脱水反应 醇酸分子中，两个官能团之间的相互影响使其热稳定性较差，遇热时很 容易脱水，随着羟基位置的不同，其脱水方式也不同。 1、α-醇酸加热后发生两分子间的交叉脱水反应，生成交酯（lactide）。

2、β-醇酸受热时, β -羟基与相邻的a-H脱水生成a,β-不饱和羧酸。 3、γ-醇酸和δ-醇酸易发生分子内脱水，形成稳定的五元环或六元环 的内酯（lactone）。

游离的γ-醇酸很难存在，因此γ-醇酸通常以γ-醇酸盐的形式保存。 （4）酚酸的脱羧反应 羟基在羧基邻、对位的酚酸加热至熔点以上时，分解成相应的酚和二氧化碳。

二、酮酸 分子中既有羧基又有羰基的化合物称为羰基酸。羰基酸分为醛酸和酮酸。 由于醛酸实际应用较少，所以重点讨论酮酸。 （一）酮酸的分类和命名 根据羰基和羧基的相对位置不同，酮酸可分为a、β、γ ……酮酸。 糖、脂肪和蛋白质代谢主要产生a-和β -酮酸，因此它们尤为重要。

1、酮酸的系统命名法是以羧酸为母体，酮基作为取代基，用“氧代”表示之， 酮基的位置用阿拉伯数字或希腊字母标明。 2、普通命名法也常用“某酮酸”表示母体。 命名： 3、 采用俗名。

（二）酮酸的性质 酮酸分子中的酮基具有酮的性质，如酮基可以被还原成羟基，可与 羰基试剂反应生成相应的产物；羧基可与碱成盐，与醇或酯等。由 于两个官能团的相对位置和相互影响不同，不同的酮酸具有一些特 殊反应。 1、 酸性 由于羰基氧吸电子能力强于羟基，因此酮酸的酸性强于相应的醇酸， 更强于相应的羧酸。

a-酮酸能与弱氧化剂（如Tollens试剂）发生反应，这是a-酮酸的共性。 3．酮酸的脱羧反应 a-酮酸中的羰基与羧基直接相连，羰基氧的强吸电子作用使羰基与羧基 碳原子之间电子云密度低，键能变小而易断裂。 a-酮酸与浓硫酸微热发生脱羰反应，生成少一个碳原子的酸。

β-酮酸比a-酮酸更易脱羧，微热即发生脱羧反应生成酮，并放出二氧 化碳。因此β-酮酸只能在低温下保存。 为什么会发生这样的反应呢？

β-酮酸在碱中加热得到羧酸盐，称为酸式分解。

总结 含有羧基(-COOH)的化合物称为羧酸。羧酸的结构决定了它的化学性质： 1、羧酸具有弱酸性，但它的酸性比碳酸和苯酚要强。若羧酸的烃基链上 连有吸电子基(如－NO2、－CI等)，则酸性增强，相反，若羧酸的烃 基链上连有给电子基团(如－CH3、－C2H5等)，酸性减弱。 2、 羧酸可通过亲核取代反应生成羧酸的衍生物－酰卤、酸酐、酯和酰胺。 注意不同的醇在与羧酸形成酯时，键的断裂方式不同。 3、α－位连有吸电子基团的羧酸容易发生脱羧反应。 4、 羧酸也能发生α－位的卤代反应。 5、注意羟基酸和羰基酸的结构以及它们的反应特征；醇酸的酸性变化； 醇酸的氧化反应和脱水反应；酚酸和酮酸的脱羧反应。